DNA是最基本的遗传性物质基础

1、1、 遗传物质的本质 2、 DNA的一级结构 3、 DNA物理结构的不均一性 4、 DNA的二级结构 5、 DNA二级结构的多样性 6、 DNA的变性、复性和杂交 7、 DNA超螺旋和拓扑异构现象 DNA是最基本的遗传性物质基础 Background 1869年，瑞士科学家Friedrich Miescher从绷带上的白细胞核中 分离出一种含磷的物质，命名为 核素（nuclein）。核素的主要成 分是染色质，是DNA和蛋白质的 混合物。这是首次对基因的化学 本质进行探索。核酸 (nucleic acids) 这一名词于Miescher发现核 素20年后才被正式启用。 DNA是最基本的遗传性物质

2、基础 19世纪末期， DNA和RNA已经从细胞中 分离出来，为进一步的化学分析奠定了 基础。 20世纪30年代，P. Levene和W. Jacobs等 搞清了DNA和RNA的基本化学组成。他 们还注意到了DNA和RNA所包含核糖的 差异。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 1928年，英国细菌学家Frederick Griffith 发现了肺炎链球菌的转化现象，这一发 现表明活的无毒R型细菌从死去的有毒S 型菌得到了一些什么东西，从而使无毒 的R型转化成有毒的S型肺炎球菌。但转 化源（transforming principle）

3、的化学本 质仍是一个谜。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 1944年，美国纽约洛克菲勒医学研究所 （ Rockefeller Institute for Medical Research） 的细菌学家Oswald Avery、Colin Macleod和 Maclyn McCarty用有机溶剂去除细菌提取物 中的蛋白质成分、用胰蛋白酶（trypsin） 和胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）消化蛋白 对细菌的转化都没有任何影响。 DNA酶消化却可以使转化作用不能发生。 DNA是最基本的遗传性物质基础 Oswald Avery在洛克菲勒医学研究所 DNA是最基

4、本的遗传性物质基础 Avery等对转化物质又进行了超速离心、 电泳、紫外分光光度测定等一系列分析， 发现转化物质具有高分子量、高电泳迁 移率等特性，在260 nm波长有光吸收， N/P比在1.67左右。这些都已经说明转化 源就是DNA。 但Avery等人的发现并没有产生多大的影 响，因为当时蛋白质是遗传物质的观点 盛行。怀疑派所提出的问题是转化因子 究竟是纯DNA还是和DNA混杂在一起的少 量蛋白质 。 DNA是最基本的遗传性物质基础 1952年，美国冷泉港实验室Hershy和Chase 用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质， 发现只有DNA进入宿主细菌内，而蛋白质则 没有。 Her

5、shyChase的实验进一步说明DNA是遗 传物质。 DNA是最基本的遗传性物质基础 HersheyChase噬菌体侵染实验 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 1950年以后，Chargaff、Markham等人测 定了大量生物的DNA碱基组成后，发现 不同生物的DNA碱基组成不同，具有严 格的种的特异性。这也给当时反对DNA 是遗传物质的“四核苷酸学说”以致命 的打击。 1953年，DNA双螺旋结构模型的提出才 真正确立了DNA是遗传物质的观点。 DNA是最基本的遗传性物质基础 转化后的大肠杆菌将会获得新的遗传 性状 - 氨苄青霉

6、素抗性 DNA是最基本的遗传性物质基础 真核细胞转染后 获得新的表型 - TK基因。 DNA是最基本的遗传性物质基础 所有已知的有机体和许多病毒的遗传物 质都是DNA双螺旋，但一些病毒也采用 另一种核酸RNA作为遗传物质，如逆转 录病毒。 类病毒（viroid）只由很小的环状RNA分 子组成，其RNA本身就是一个感染因子。 DNA是最基本的遗传性物质基础 PSTV RNA is a circular molecule that forms an extensive double-stranded structure, interrupted by many interior loops. Th

7、e severe and mild forms differ at three sites. The viroid consists solely of the RNA, which is extensively but imperfectly base paired, forming a characteristic rod. DNA是最基本的遗传性物质基础 分子生物学的发展证实了遗传信息来自 DNA上所携带的信息，发现了DNA遗传密 码。 而越来越多的研究证明，能够自我复制、 携带遗传特异性并对细胞有特异性影响 的，不仅仅是DNA，更不仅仅是DNA遗传 密码。 DNA是最基本的遗传性物质基

8、础 细胞的重建 整体细胞的重建已经不是像病毒那样来 自同一遗传信息源头的不同分子产物的 相互作用；而是来自不同遗传信息源头 的更为错综复杂的相互作用。这种装配 有着严格的时、空坐标。 孤雌生殖和孤雄生殖 卵细胞中保留有全部的模板或遗传信息， 而精子中主要保存了完整的DNA模板。 对于细胞生物来说，仅仅有中心法则的 单维信息流是不行的。 DNA是最基本的遗传性物质基础 细胞膜、细胞器与细菌细胞壁 内质网以及细胞核膜和质膜，要想正确 的装配起来都必须以预先存在的膜的结 构为模板来合成新的膜。 细胞器不能以它们的各个组成成分自发 地装配起来，它们只能从各自预存的细 胞器的生长、裂解中产生。 植物细胞

9、壁的生长与分裂也是依预存模 板进行的。 DNA是最基本的遗传性物质基础 糖原一种非DNA的分子模板 糖原的合成必须以预存的多聚葡萄糖链 为模板，因为糖原合成酶不能单独从 UDP-葡萄糖形成糖原；它的作用是把 UDP所运载的葡萄糖转移到已经存在的多 聚葡萄糖链上而使其不断延长。 DNA是最基本的遗传性物质基础 自然界似乎有特例表明，还有除核酸 之外的遗传物质。 朊病毒是一种感染性粒子。目前唯一 鉴定出的组分是蛋白，所以这种感染 性粒子是一种蛋白质病原，称为朊病 毒（prion）。 DNA是最基本的遗传性物质基础 1997 年美国加州大学旧金山分校（UCSF）的 Stanley Prusiner

10、教授在被朊病毒感染的病体中 发现了一种具有传染性、可以抗蛋白酶的特 殊蛋白质，称为朊病毒蛋白（Prion Protein， PrP）并对其感染机制进行了探讨。 朊病毒蛋白（prion protein，PrP）以两种形式 存在：正常的脑组织中发现的PrPC不具有感染 性，对蛋白酶敏感，可以被完全降解；而 PrPSC具有感染性，具有抗蛋白酶的性能。 DNA是最基本的遗传性物质基础 PrPC和PrPSC的一级结构完全相同，但二级 结构却有很大差异：前者螺旋的含量约 为40，几乎没有片层结构；而后者含 有高达50的片层结构，只有20的 螺旋。 正常朊蛋白构型发生异常改变后导致疯 牛病，无需DNA或RN

11、A的参与，致病因子 朊蛋白就可以传染复制。所谓朊病毒的 繁殖就是正常的PrPC蛋白质转变为PrPSC的 过程，而且朊病毒感染后也具有指数增 长的特性。 DNA是最基本的遗传性物质基础 PrPC（左）和PrPSC（右） DNA是最基本的遗传性物质基础 朊病毒的繁殖过程实际上就是朊病毒 PrPSC和PrPC结合，以PrPSC为模板把PrPC 的立体构型的信息输入到PrPC的过程。 因为这是个繁殖过程，自然就是一个遗 传信息的传递过程。这种遗传过程是蛋 白质和蛋白质之间遗传信息的输出与输 入的过程。 DNA是最基本的遗传性物质基础 蛋白质和蛋白质之间遗传信息的输出与输入的过程 DNA是最基本的遗传性

12、物质基础 2001年美国加州大学的Peter Chien和 Jonathan Weissman通过实验模拟了朊病 毒在两种不同酵母菌之间的传染过程。 他们发现一个朊蛋白分子可以有多种致 病构型，并能将其它朊蛋白转化而不需 要其它蛋白的协助，为阐明朊病毒跨物 种传染机制打下基础 。 DNA是最基本的遗传性物质基础 20世纪40年代中期，生物化学家已经搞清楚 了DNA和RNA的基本组成。DNA和RNA均为核 苷酸（nucleotide）组成链状大分子，核苷酸 之间通过3-5-磷酸二酯键（phiosphodiester） 相连。 DNA的一级结构就是指4种核苷酸的连接及其 排列顺序，表示了该DNA分

13、子的化学组成。 DNA是最基本的遗传性物质基础 Phosphodiester Backbone DNA是最基本的遗传性物质基础 组成DNA分子的碱基虽然只有4种，它们 的配对方式也只有AT和GC两种，但是碱 基可以按任何顺序排列，构成了DNA分子 近乎无限的多样性。 DNA分子一级结构中的显著特点是核糖的 2位上没有自由的羟基，这也是DNA这一 主要遗传物质极其稳定的根本原因。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA一级结构的意义不仅在于它蕴藏 了遗传信息，而且还决定了DNA的二 级结构和高级结构。 DNA一级结构的测定进展迅速。 DNA是最基本的遗传性物质基础

14、 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 大的DNA片段的拼接 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA的一级结构中，A、T、G、C远非均匀分 布，DNA长链各处的物理结构并不完全相同。 反向重复序列（迴文序列，inverted repeats） 较短的迴文结构可能是作为一种信号，如限制 性内切酶的识别位点。另外，转录作用的终 止与迴文结构也有关系。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 富含AT的序列 在很多有重要调节

15、功能的DNA区段都富含 AT。特别是在复制起点和启动子的 Pribnow框（真核生物为TATA框）的序列 中，都富含AT碱基对，对于复制和转录 的起始十分重要。 嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳 定性也会产生一定的影响。 DNA是最基本的遗传性物质基础 典型的启动子结构 DNA是最基本的遗传性物质基础 WatsonCrick右手双螺旋结构 Background 20世纪40年代，W. T. Astbury就用X射线晶 体衍射技术研究DNA的结构。 1950年，Chargaff从大量的不同来源的DNA 样品的分析中发现了DNA组成的当量规律， 即AT，GC，AGCT。 DNA是最基本的遗传性物

16、质基础 理论化学家Linus Pauling在蛋白质-螺旋的 氢键连接以及对-螺旋的解释方面作出了 重要的贡献。 Maurice Wilkins、Rosalind Franklin等在DNA 的X射线晶体结构方面作出了重大的贡献。 特别是1952年，Rosalind Franklin得到的高 分辨率的DNA X-射线衍射图对于Watson和 Crick 右手双螺旋模型的提出起了非常重要 的作用。 DNA是最基本的遗传性物质基础 Rosalind Franklin的X-射线衍射图（1952） DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 Watson-Crick右手双螺旋结构模

17、型的要点 主链 脱氧核糖和磷酸通过3,5磷酸二酯键 交互连接，成为螺旋链的骨架（backbone）。 两条链方向以反向平行的方式组成右手双螺 旋。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 碱基对 只有A和T配对，G和C配对才能 满足正常螺旋（直径20 ）的要求和 chargaff的当量规律。 DNA是最基本的遗传性物质基础 A very useful number : 660 （碱基平均分子量） DNA是最基本的遗传性物质基础 氢键 配对碱基之间能够形成氢键，而 同一条链中的相邻碱基形成一种碱基堆 积力。两种力量的协同作用维持了双螺 旋结

18、构的稳定性。 螺距 每个螺距为34 ，其中含有10个 核苷酸。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 大沟和小沟 对于遗传上有重 要功能的蛋白质 识别DNA双螺旋 结构上的特定信 息是非常重要的。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 氢键 GC之间有三条氢键，AT之间 有两条氢键，这是DNA双螺旋结构 的重要特征之一，DNA的许多物理 性质如变性、复性以及Tm值等都与 此有关。 加入尿素或甲酰胺等可以使Tm值显 著降低。 DNA是最基本的遗传性物

19、质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 碱基堆集力 DNA同一条链相邻碱基之间 的非特异性作用力，包括疏水作用力和van der Waal力。 疏水作用力使DNA相邻的碱基有相互堆集在 一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因 素之一。 DNA双链中存在大量的嘌呤环和 嘧啶环，其累积的van der Waal力是相当可 观的，这是形成碱基堆集力的另一个重要因 素。 DNA是最基本的遗传性物质基础 氢键与碱基堆集力的协同作用 已经堆基的碱基更容易发生氢键的键合， 相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆 集。 两种作用力相互协同，形成一种非常稳 定的结构。如果一种作用力被

20、消除，另 一种作用力也大为减弱。 DNA是最基本的遗传性物质基础 带负电荷的磷酸基的静电斥力 DNA溶液中的离子浓度降低时，阳离子在磷酸 基周围形成的屏蔽作用减弱，使得磷酸基地 静电斥力增大，因而Tm值随之降低。所以纯 蒸馏水中的DNA在室温下就会变性。 碱基分子内能 温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定向 排列遭受破坏，消弱了碱基的氢键结合力和 碱基的堆集力，会使DNA的双螺旋结构受到破 坏。 DNA是最基本的遗传性物质基础 总之，氢键和碱基堆集力有利于 DNA维持双螺旋结构，而静电斥 力和碱基分子内能则不利于DNA 维持双螺旋结构。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA双螺旋的呼吸作用

21、 配对碱基之间的氢键迅速断裂和再生的过程， 成为DNA链的呼吸作用。特别是富含AT的节 段更为明显，经常发生瞬间的单链泡状结 构。这对于某些特殊的蛋白质与DNA发生反 应并阅读DNA链内部储藏的信息具有重要的 作用。 DNA是最基本的遗传性物质基础 1953年，Watson和Crick提出的右手双螺旋 模型所用的资料来自相对湿度为92时所 得到的DNA钠盐纤维，基本上相当于B型。 除此之外，人们还发现了A构象、C构象、 D构象和E构象等右手双螺旋构象以及左手 双螺旋的Z构象。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 在相对湿度75以下获得

22、的DNA纤维具有 不同于B-DNA的结构特点，称为A构象。 DNA-RNA杂交分子和RNA-RNA双链结构均 采取A构象。 Z-DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤和嘧 啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或 CACACACACA。Z-DNA的出现在热力学上是 不利的。Z-DNA与基因调节有关。 DNA是最基本的遗传性物质基础 B-DNA是活性最高的DNA构象，B-DNA变 构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变 构为Z-DNA后活性明显降低。B-DNA和Z- DNA之间的变构是转录调节的一种模式。 在活的生物体内，不论是DNA的二级结 构还是高级结构，都存在一个动态平衡。 DNA是最基本

23、的遗传性物质基础 二级结构的其他形式 单链核酸形成的二级结构 RNA是主要的单链核酸，RNA分子内部存 在部分序列之间的碱基配对，核酸链自 身回折配对产生反向平行的双螺旋结构， 叫发夹结构（hairpin）。 发夹结构由碱基配对的双螺旋区茎和末 端不配对的环构成。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA的变性 当DNA被加热或在某些试剂（碱、尿素、甲 酰胺等）的作用下，配对碱基之间的氢键 和相邻碱基之间的碱基堆集力就会受到破 坏，DNA由天然状态转变为近似无规则线团 构型的过程称为变性，又称为熔解。 DNA是最基本的遗传性物质基础 常用的DNA变性方法主要是热变性和碱变 性方法。pH11.3时，全部氢键都被破坏， DNA完全变成单链的变性DNA。 DNA变性后会引起光吸收的增加，即增 色效应。 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA是最基本的遗传性物质基础 DNA的复性 变性的单链DNA重新形成双螺旋结构的过程 称为复性。复性的条件有两个（1）