武汉大学分子遗传学第二、三章

省部重点实验室

2012/01/06

私聊

生命科学仪器综合讨论

第二章遗传物质的基础——DNA的结构与性质

2.1 核酸是遗传物质

遗传物质这种特殊的分子必须具备以下基本特点：

1.稳定地含有关于有机体细胞结构，功能，发育和繁殖的各种信息

2.能精确地复制，这样后代细胞才能具有和亲代细胞相同的信息

3.能够变异，通过突变和重组生物才能发生改变，适应和进化

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遗传物质的发现

1928年英国F Griffith 的肺炎球菌转化实验导致了遗传物质的发现。十年后O Avery 的体外转化实验弄清了这种转化因子的化学本质是DNA，而不是蛋白质或其他的大分子。

1952年Hershey-Chase 的实验使遗传物质的结论得到了进一步的证实，而于1969年获得了诺贝尔医学生理学奖。

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RNA也是遗传物质：如烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。

2.2 DNA携带两类不同的遗传信息

DNA几乎是所有生物的遗传信息的携带者，除开少数RNA 病毒之外。

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DNA携带着两类不同的遗传信息：

一类是负责蛋白质的氨基酸组成的信息，以三联体密码子进行编码

另一类遗传信息是关于基因选择性表达的信息

2.3 DNA和RNA的化学组成及双螺旋模型

1.DNA和RNA的化学组成

核酸包括DNA和 RNA。经水解成单核苷酸（nucleotides），单核苷酸由磷酸基团（phosphate group）和核苷（nucleotide）组成，核苷含有戊糖（pentose）和碱基（base）。DNA中戊糖是D-脱氧核糖，碱基是ATGC；而RNA中戊糖是D-核糖。碱基是AUGC。

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2.DNA双螺旋模型的诞生

美国J D Watson在芝加哥大学读本科时对鸟类赶兴趣，到了高年级时，他想了解基因是什么。1949年他带着这种想法进入了剑桥大学卡文迪实验室医学研究组，与物理出生的青年学者F Crick 合作，决定研究DNA的分子结构。Crick 在1946年读了薛定谔（E Schrodinger）的名著（生命是什么）后，舍弃物理学转向生命科学领域。刚到剑桥大学时Watson由于自己的化学与物理学基础较差而担心听不懂R Franklin 所做的关于DNA X-衍射的研究学术报告，而两年后（1953年）他与Crick却建立了DNA分子的双螺旋模型，论文虽然很短，却是划时代的发现。可以说是孟德尔定律之后，在遗传学和分子生物学领域中最伟大的发现。因此，人们将这一发现看成是分子遗传学的起点。没有双螺旋就没有现在的基因工程，就没有分子生物学的迅猛发展。这一模型是生物学与物理学，结构化学交叉融合的结果。

尽管FRANKLIN 和WILKINS在DNA的X衍射研究方面非常突出，但却未能提出DNA的结构模型，就因为他们缺乏生物化学方面的知识。但没有他们的工作，WATSON和CRICK 建立的模型也不能及时得到验证。1951年WATSONG 去英国进修生物化学。

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双螺旋的建立是建立在前人科研成果的基础上的主要是四个影响：

a.WT Astury 和Bell X衍射技术研究DNA。 1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片。

b.1951年 Pauling 和Corey在美国科学院报上连载了7篇有关a-螺旋结构的文章轰动了全世界，引起了 Watson和剑桥科学家们的注意。

c.美国晶体学者 J Donohue的指正和 Chargaff 的当量规律都帮助Watson-Crick纠正了

起初A-A G-G C-C T-T 的同类配对的错误想法。而提出碱基互补的正确构型。

d.R Franklin和 Wilkins 在1952年底拍得了一张十分清晰的DNA结晶X衍射照片。为双螺旋结构模型提供了强有力的依据和佐证。他们把数据整理好后与"DNA双螺旋结构"一文同时发表，因此J K Watson， Crick， Wilkins分享了1962年的诺贝尔奖，可惜的是FRANKLIN 1958年就英年早世未能享受这一最高荣誉。

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3.双螺旋模型的特点

DNA双螺旋模型有以下特点：

a.DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋，即从一端看过去，是以顺时针方向旋转。

b.双螺旋的直径是2nm；螺距为3。4nm，上下相连的碱基的垂直距离为0。34nm，交角为36度，每个螺旋有10个碱基对。

c.两条链反向平行即两条链的5\'和3\'的方向相反。

d.糖-磷酸键是在双螺旋的外侧，两条链上的碱基通过氢键形成碱基对，使两条链在一起。

e.糖与附着在糖上的碱基近于垂直。

f.碱基配对为嘌呤对嘧啶。

g.DNA 双螺旋有大沟（major or wide groove）和小沟（minor or narrow groove）的存在

2.4 DNA的结构和性质

1.DNA的一级结构

DNA结构是由脱氧核糖核酸通过3\' 5\' 磷酸二酯键连接而成的高聚物。DNA的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。

DNA的一级结构的测序工作进展很快。1975年Sanger 提出新的测序策略。

酶法：Sanger 加减法-->末端终止法（双脱氧法）

化学方法：Maxam Gilbert 化学断裂法（硫酸二甲酯，肼）`

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2.DNA的二级结构

双螺旋结构模型的特点(见上一节）

DNA双螺旋的种类（DNA二级结构多形性）：1953年Watson and Crick提出的DNA右手双螺旋模型属于B型双螺旋。除B型构象外，还存在有A，C，D，E等构象的右手双螺旋构象以及Z构象左手双螺旋。

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B-DNA 与Z-DNA

DNA类型每一螺旋的碱基对数每对螺旋的碱基对数碱基对间的距离(nm) 螺旋直径(nm)

B 10 右旋36度 0.338 1.9-2.0

Z 12 左旋30度 0.371 1.8

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Z-DNA 与染色质的结构及功能的关系

a.与染色质结构的关系

SV40基因组中三个潜在的Z-DNA区段处于不能形成核小体的区域，说明Z-DNA构象与核小体结构的形成有关

b.与基因活性的关系

与基因转录活性的调控有关

Z-构象的研究意义：1979年AHJ WANG发现六聚体D(CpGpCpGpCpGp)

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决定双螺旋结构状态的因素（维系该结构的力）

氢键

碱基堆集力

带负电荷的磷酸基的静电斥力

碱基分子内能

3.DNA物理结构的不均一性

反向重复序列(inverted repeats)：又称回文结构Palindrome (图示)

富含A/T的序列

嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响(图表)

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第1楼2012/01/06

4.DNA的变性，复性，杂交, Cot曲线

1) 变性

变性的方法，测量变性的方法：光吸收法，增色效应

2) 复性

复性条件，复性机制

3) 杂交

杂交原理及程序图示

4) Cot 曲线

DNA复性的二级方程

5.DNA超螺旋和拓扑异构现象(略)

6.常见的DNA分子形式及其相互关系(略)

2.4 DNA的结构和性质

1.DNA的一级结构

DNA结构是由脱氧核糖核酸通过3\' 5\' 磷酸二酯键连接而成的高聚物。DNA的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。

DNA的一级结构的测序工作进展很快。1975年Sanger 提出新的测序策略。

酶法：Sanger 加减法-->末端终止法（双脱氧法）

化学方法：Maxam Gilbert 化学断裂法（硫酸二甲酯，肼）`

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2.DNA的二级结构

双螺旋结构模型的特点(见上一节）

DNA双螺旋的种类（DNA二级结构多形性）：1953年Watson and Crick提出的DNA右手双螺旋模型属于B型双螺旋。除B型构象外，还存在有A，C，D，E等构象的右手双螺旋构象以及Z构象左手双螺旋。

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B-DNA 与Z-DNA

DNA类型每一螺旋的碱基对数每对螺旋的碱基对数碱基对间的距离(nm) 螺旋直径(nm)

B 10 右旋36度 0.338 1.9-2.0

Z 12 左旋30度 0.371 1.8

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Z-DNA 与染色质的结构及功能的关系

a.与染色质结构的关系

SV40基因组中三个潜在的Z-DNA区段处于不能形成核小体的区域，说明Z-DNA构象与核小体结构的形成有关

b.与基因活性的关系

与基因转录活性的调控有关

Z-构象的研究意义：1979年AHJ WANG发现六聚体D(CpGpCpGpCpGp)

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决定双螺旋结构状态的因素（维系该结构的力）

氢键

碱基堆集力

带负电荷的磷酸基的静电斥力

碱基分子内能

3.DNA物理结构的不均一性

反向重复序列(inverted repeats)：又称回文结构Palindrome (图示)

富含A/T的序列

嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响(图表)

4.DNA的变性，复性，杂交, Cot曲线

1) 变性

变性的方法，测量变性的方法：光吸收法，增色效应

2) 复性

复性条件，复性机制

3) 杂交

杂交原理及程序图示

4) Cot 曲线

DNA复性的二级方程

5.DNA超螺旋和拓扑异构现象(略)

6.常见的DNA分子形式及其相互关系(略)

3.2 真核生物C值矛盾

同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，一个单倍体基因组中的全部DNA量称为该物

种的C值。

不同物种的C值也不同。最小的支原体为104bp，而最大的两栖类或某些显花植物可

达1011bp。后者比人类高出几十倍，这无法让人理解，这种形态学复杂程度与C值大小不一致的C 值反常现象称为C值矛盾。

有待回答的几个问题：

位于基因内DNA成分（包括转录而不翻译的区域，如内含子以及编码序列的两翼序列）究竟占基因组的多大比例？这些基因中有多少是必需基因？多少是非必需基因？非基因DNA成分的功能是什么？基因组DNA C 值的巨大差异对基因组的活动和功能究竟有什么影响

3.3 原核生物染色体及其基因

原核生物和真核生物比较

第二节基因组大小与C值矛盾

第三节原核生物染色体及其基因

第四节真核生物的染色体

第五节真核生物的基因

第六节基因定位

第七节基因的分子进化

第八节早期生命进化的三界系统理论

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第2楼2012/01/06

3.5 真核生物的基因

1.真核生物基因组的一般特点

真核生物的基因组一般比较庞大，远大于原核生物的基因组。

真核生物的DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。

真核基因组存在着许多重复序列，重复次数可达几百万以上。

绝大多数真核生物编码蛋白质的基因为断裂基因，即结构基因是不连续排列的，中

间由插入序列隔开。

真核生物基因组中不编码的区域多于编码区域。

真核生物不仅含有核内染色体DNA，还有核外细胞器DNA、核外细胞器有线立体DNA和叶绿体DNA。

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2.断裂基因（不连续基因） interrupted or discontinuous genes

SV40A蛋白基因含有一段346NT的间隔区。

每个活性珠蛋白基因含有两个间隔区。

卵清蛋白基因含有7个插入序列被分成八段。

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3.基因家族与基因簇 gene family & gene cluster

定义：真核生物基因组中许多来源相同，结构相似，功能相关的基因在染色体上成

串存在，这样的一组基因称为基因家族。多基因家族是真核生物基因组织的一个重要特征。

多基因家族在基因组中的分布情况不同，有些基因成串排列集中在一条染色体上，

集中成簇的一组基因形成基因簇。也称串联重复基因（见后）。如组蛋白基因, rRNA基因, tRNA基因等。而有些基因家族成员不集中排列，而是分散在基因组的不同部位。如干扰素，珠蛋白，生长激素，SOX基因家族。

在多基因家族中，有些成员不具有任何功能，这类基因叫假基因(pseudogene)。

4.串联重复基因`

特征：

A. 各成员间有高度的序列一致性或完全相同。

B. 拷贝数高，几十个至几百个。因其在细胞中的需要量很大。

C. 非转录的间隔区短而一致。

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组蛋白基因

五种组蛋白基因彼此靠近构成一个重复单位。许多这样的重复单位串联在一起，构

成组蛋白基因簇。

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rRNA基因

原核生物有三种rRNA：5S，16S，23S

真核生物有四种rRNA：5.8S,18S,28S, 5S

主体rRNA：三种主体rRNA基因组成重复单位，转录出一个45SrRNA，经转录后处理切除间隔区成为18S，5.8S，28S 三种rRNA。

核仁：核中rRNA基因大量地转录成RNA，由于其染色性质与DNA不同，在光学显微镜下形成特殊的区域，这一结构，称为核仁（nucleole）。含有rDNA串联重复单位的染色体称为核仁组织者（nucleoolar organizers）。

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tRNA基因

tRNA长约70-80bp，其基因约长140bp。TRNA也是串联重复排列，但个重复单位中各个tRNA基因可以相同可以不相同。

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5.细胞器基因

真核生物细胞器中有两类细胞器能够携带遗传物质。

动物生殖细胞中只有卵子才有线立体基因，而精子缺乏。线立体DNA多为环状非重复DNA序列。属于核外DNA。

线粒体和叶绿体均编码自身所需的某些蛋白质以及tRNA和rRNA，其余均由核基因编码。

细胞器有自己的蛋白质合成器。只有两种rRNA。哺乳为12S和16S，酵母为18S 和21S（含有一内含子）。tRNA比核内编码的 tRNA小。酵母DNA为84kb。其上面的基因有三个特点。

哺乳动物线立体DNA不同于酵母。人体线立体基因排列非常紧密。人类线立体DNA为16.569kb。含37个基因；13个蛋白质基因；1个cytb 基因；2个ATP酶亚基基因；3个CO亚基基因（细胞色素氧化酶亚基）；7个NADH脱氢酶亚基基因；2个rRNA基因：12S rRNA、16S rRNA；22个tRNA基因

3.4 真核生物的染色体

真核生物DNA复性动力学

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真核生物染色体上的单一序列和重复序列以及卫星DNA

单一序列又称非重复序列

轻度重复序列

中度重复序列

高度重复序列

卫星DNA的等级结构及其起源和进化

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染色质和核小体

染色质chromatin

核小体nucleosome

着丝粒centromere

端粒telomere