一、染色体、基因和遗传密码

（一）DNA和RNA

DNA和RNA都是由戊糖、磷酸基团和含氮碱基三种成分组成的多聚体，但差异在于RNA核苷酸中的糖是核糖，DNA则是2′-脱氧核糖。碱基与戊糖1′碳原子通过糖苷键成为核苷，在戊糖5′碳原子上再加入磷酸基团后成为核苷酸。核苷酸是DNA和RNA的基本组成单位，单个核苷酸以5′和3′碳原子之间形成的磷酸二酯键相连。多核苷酸链的一端是游离的5′磷酸基，称为5′端，另一端则是游离的3′羟基，称为3′端。习惯上DNA和RNA序列均是由5′端向3′端书写。DNA是由两条反向平行的多核苷酸链通过碱基间的非共价键结合而成的右手双螺旋结构。构成DNA的4种碱基是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）和胸腺嘧啶（thymine，T）。两条链上的碱基按A：T、G：C的原则相互严密配对，形成互补结构，而这一互补结构为DNA的准确自我复制提供可能。当DNA复制时，先双链解开，再各以其中的每一条链为模板，按5′端到3′端方向，以碱基互补的原则，通过半保留复制合成新的DNA。

由DNA转录为RNA时，同样遵循与DNA复制相同的“Watson-Crick”碱基配对原则，RNA含有尿嘧啶（uracil，U），而没有胸腺嘧啶，因此转录时DNA中A、C、G、T分别与RNA产物中的U、G、C、A配对。转录时仅以DNA双链中的一条作为模板按5′端到3′端方向合成RNA。

与DNA相比，RNA通常以多核苷酸单链形式存在，其自身非常接近的互补序列则可频繁发生自我折叠形成多种茎-环结构。RNA链中不仅存在常规的Watson-Crick碱基配对，U和G也可以配对，这一特征也使RNA自身配对增强，更易形成双螺旋结构。RNA骨架上未配对的区域可不受限制地自由旋转，因此RNA能形成复杂的三级结构。RNA可简单地划分为编码和非编码RNA，编码RNA仅由信使RNA（messenger RNA，mRNA）组成，非编码RNA 主要有两种核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）和转运RNA（transfer RNA，tRNA）。这三种RNA在蛋白质合成中都发挥了重要而不同的作用。

mRNA是编码蛋白的基因的转录产物，构成转录组。mRNA编码区中相邻三个碱基形成三联体，也称密码子（codon），决定了一个特定的氨基酸，由此mRNA的多核苷酸链的顺序决定了合成的蛋白质肽链上的氨基酸顺序。tRNA含有一个称为反密码子的三核苷酸序列，并负载与其反密码子对应的氨基酸。核糖体是蛋白质合成的场合，翻译时核糖体沿着mRNA从5′到3′移动，tRNA上的反密码子通过互补碱基识别mRNA的密码子阅读遗传密码，依次将氨基酸放在适当的位置上，从而组装成蛋白质。

（二）遗传密码

遗传密码（genetic code）指的是mRNA上编码20种氨基酸的三碱基密码即密码子。密码子以连续排列的形式存在的，每一个密码子代表了一种氨基酸，三联密码子会产生64种密码子（4x4x4），其中 3 个终止密码子（termination codon）5′-UAG-3′、5′-UAA-3′和 5′-UGA-3′是翻译终止信号，不代表氨基酸；剩余61个密码子可分为不同的组，编码同一种氨基酸。色氨酸和甲硫氨酸各仅有一个密码子，而其他氨基酸都有一个以上的密码子，这一现象即密码子的简并性。

遗传密码适用于大多数的生物体，但也有例外，有些纤毛虫的 5′-UAA-3′和 5′-UGA-3′不是终止信号而编码谷氨酰胺，酵母的 5′-CUG-3′编码丝氨酸而不是亮氨酸，哺乳动物线粒体基因组的 5′-UAG-3′编码色氨酸而不是终止信号。

（三）染色体

染色体（chromosome）是由DNA及蛋白质构成的复合物，含有很多个基因，是遗传物质的载体。大多数真核生物是二倍体（diploid），即每条染色体都有两个拷贝，叫作同源染色体（homologous），分别来自父本和母本。正常人的体细胞含有23对同源染色体，包括22对常染色体和一对性染色体：X染色体和Y染色体。正常女性性染色体组成是XX，男性是XY。

组蛋白是与DNA相关的丰度最高的蛋白质，含有大量带正电荷的氨基酸，与带负电的DNA分子紧密结合。由约200bp的DNA和一个组蛋白八聚体组成的核小体（nucleosome）是染色体的结构单位。组蛋白有多种类型的修饰，如赖氨酸的乙酰化和甲基化以及丝氨酸的磷酸化，这些修饰可以影响染色质结构，与基因活性紧密相关。

（四）等位基因

等位基因（allele）是指同源染色体相同位点上存在的决定某一性状的不同形态的基因，如血型和发色等就是由其等位基因的不同而造成的。就人群来说，等位基因是多种多样的，只是它在染色体上的位点是相同的，而就某一个体来说，任何一个单一染色体上，某一特定位点仅含有一个特定的等位基因。一对等位基因中，当一个等位基因决定生物性状的作用强于另一等位基因并使生物只表现出其自身的性状时，作用强的是显性，作用被掩盖不能表现的为隐性。如某一个体的一对等位基因是相同的，则称为纯合子；如等位基因不同，则为杂合子。因此杂合子通常由显性等位基因决定性状。

（五）基因结构

基因是遗传的功能单位，大多数基因编码一种或几种蛋白质，但也有些基因表达的终产物是不产生蛋白的非编码RNA。人类绝大多数的基因都是不连续的，外显子（exon）同内含子（intron）在基因内交替排列，内含子最初也被转录至前体mRNA，但在剪接处理后，不会再出现在成熟的mRNA中，不参与蛋白质合成。基因中也包括一些比较大范围的侧翼区域（flanking region）位于基因的两端，在转录中起调节作用，并启动和终止转录等。出现在外显子、内含子或内含子-外显子交界区的基因突变都有可能导致错误拼接，进而蛋白质产物中删除或添加新的氨基酸，造成细胞功能异常诱发疾病发生。

（六）基因突变

基因突变来源于DNA复制的自发错误或物理和化学诱变剂的破坏，而细胞内的DNA修复系统可纠正许多突变。如果DNA序列的改变没有修复，在DNA复制中将被拷贝，但是否表现出来，将由该基因所编码的蛋白质功能有否改变来决定。许多突变虽然能引起核苷酸序列的变化但对基因的功能并没有影响，这种无危害的变化称为沉默突变（silent mutation）。

基因突变有三种形式：替换、插入和缺失。点突变即DNA序列中一个碱基的改变（即替换），可以改变密码子，从而导致一个氨基酸为另一个所替代。但由于遗传密码的简并性，并不是所有的碱基对的替换都会改变蛋白质中氨基酸的序列。当点突变改变了蛋白质的活性部分，蛋白质的功能会改变，或者失活，导致细胞功能变化。例如人膀胱癌组织中引起癌变的ras基因，其编码第 12位的密码子发生点突变由GUC（缬氨酸）替代了GCC（甘氨酸）。此外，如突变导致终止密码子出现，可以提前终止转录，编码成一个缩短的蛋白；同样也可能发生终止密码子变成编码氨基酸的密码子，从而延长蛋白片段。

插入和缺失突变对基因编码能力的影响也不同，如果在基因编码区插入或缺失的碱基数目不是3的整倍数，将改变从突变点开始的DNA的读码框，即移码突变（frameshift mutation）。这种突变会造成氨基酸序列与正常序列截然不同，对蛋白质功能产生重大影响。而当插入或缺失的碱基数目是3的整数倍，且不是发生在蛋白活性部位的变化，则对蛋白质的影响并不大。