基因、基因體與 DNA

CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

DNA為遺傳物質的歷史回溯 • 1828年Friedrich Wohler 證實了可用實驗室的化學藥品ammonium cyanate在試管中合成出尿素，是一種由動物產生的「活」的分子。這是第一次證明，其實沒有神奇的力量在生命體的化學物裡。 • DNA是在1869由Frederich Miescher 感染傷口的膿中萃取物發現的。直到將近一百年後，才由Oswald Avery確認它的重要性。在1944年，Avery發現，利用化學萃取一些會引起肺炎的細菌株而得到的萃取物，可傳給其他類似但較無害的菌種，Avery純化這些必要的分子並證實它們就是DNA，即便他當時並沒有命名為DNA，因為DNA的結構還沒有被研究。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

James Watson 與Francis Crick 在1953年，提出著名的雙股螺旋模型，證實基因代碼的化學性質也介紹DNA複製的機制。1950年，Maurice Wilkins與他的同事Raymond Gosling拿到第一張DNA X-光繞射的圖。Rosalind Franklin加入了Wilkins的實驗室並繼續Gosling的工作。Watson 與Crick在1952年拿了Rosalind Franklin與Raymond Gosling的X-光繞射圖，並用以做為雙股螺旋模型的基礎。 • 找出遺傳物質的化學基礎讓Watson、Crick與Wilkins在1962年贏得諾貝爾生理醫學獎，因為他們發現核酸的分子結構與活體基因訊息傳送的重要性。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

維持生命需要多少的基因訊息才足夠 • 最小的真菌基因體是Mycoplasma genitalium，它有一個環狀的染色體，約有580,000個DNA鹼基對(bp)。一般一個基因的平均鹼基數目為1,000個鹼基，而在細菌中的非編碼DNA很少，約有500個基因。 • 與其他小的細菌基因體比較，我們知道約有 250個基因是活細胞存在最基本的數目。最簡單的活細胞可能需要約200到300個基因。 • 寄生的細菌，因為它並不能獨自生長，除非靠在其他微生物的表面。雖然有著較少的DNA，但它的基因較緊密且連續在一起，因此比M. genitalium有更多的基因代碼序列 ── 約550個。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

非編碼DNA • 真核細胞存有大量DNA是非編碼DNA (non-coding DNA)。也正如字面意義所指，這些DNA的鹼基序列是毫無意義的，就我們目前所知是沒有任何有用的基因訊息。 • 任何區間的DNA，不管是否有基因代碼意義，都可視為是基因的地址(locus，複數為loci)，也就是在染色體的位置 (或其他DNA分子上)。因為任何DNA的序列可能是一種形式，如果這段DNA是無基因代碼意義，則使用對偶基因(allele) 來代表。 • 雖然細菌相對地只有很少的非編碼DNA，但真核細胞卻有著很大的量。高等真核細胞有較多量的非編碼DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

在原核細胞中，幾乎所有的非編碼DNA都是存在於基因與基因之間(intergenic DNA)。真核細胞的情形則較為複雜，不僅是非編碼DNA散落在染色體的基因間，基因本身也會被這些非編碼DNA給打斷。這些非編碼DNA叫作基因間區段序列(intervening sequence)，也就是內含子(intron)，而真正含有基因訊息的DNA就是外顯子(exon)。大部分真核細胞基因的外顯子間夾雜著有內含子。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

為了要利用被干擾打斷的基因做成蛋白質，內含子必須被移走。轉錄之後在mRNA的層級，內含子在細胞核中被移除。當基因被表達時DNA首先被轉錄成一條很長的RNA分子，也就是說在主要的初級轉錄物(primary transcript) 時期仍有內含子存在，再來初級轉錄物經由處理移走內含子產生了mRNA 。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

非編碼DNA序列中也可能存在編碼DNA • 內含子並非完全不存在於原核細胞中，但是不尋常的是通常只有一個單一的內含子在一個基因上，並不像真核細胞中，有許多基因存在多個內含子。 • 在一些少見的例子中，原核細胞染色體基因被打斷，但這些基因是RNA分子的代碼而非蛋白質的代碼。在真細菌與古細菌的tRNA 與rRNA的基因是在內含子中被發現。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

重複序列的DNA是較高等生物的特性 • 大部分的基因都是以一組存在，而這些特殊的序列基因，幾乎就是所有細菌的DNA。但在高等生物體，這些特殊的序列，就可能只有全部DNA的20%。如人類有65% 的DNA為基因，蛙則有22%。剩下來的DNA都是重複序列(repeated sequences 或repetitive sequences)。重複序列就正如它們的名字一樣，在基因體裡重複出現。某些例子中，這些重複序列一個緊接著一個 (tandem repeat)，但有些則是任意分散在基因體裡 (interspersed sequences)。這些重複序列有些是真正的基因，但大部分則是非編碼DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

這些重複序列家族的成員，每一個鹼基幾乎都是一樣的，可以視為是沒有什麼變化的，即便有也是非常微小的差異，也就是所謂的共同序列(consensus sequence)。要找到這樣的共同序列，就是比較許多的個別序列的鹼基，在每一個位置都找出最常出現的鹼基，並得到所有的平均。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

真核細胞也有所謂的假性基因(pseudogene)。這些真正基因的複製拷貝是有缺陷的，而這些缺失使得它們無法被表達。真核細胞也有所謂的假性基因(pseudogene)。這些真正基因的複製拷貝是有缺陷的，而這些缺失使得它們無法被表達。 • 有時基因的複製具有功能，而重複的拷貝可能產生一些相關基因的家族。這些重複的拷貝會逐漸分開，以或高或低的不同程度，來調節成相似的功能。因此這些重複序列形成非常相近但不是完全一樣的基因家族。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

因為原核細胞有10,000個或更多核糖體，它們的DNA通常有六個複製本的rRNA和 tRNA基因。在更大的真核細胞，它們有上百上千個複製本的rRNA和 tRNA基因。這些存在於上百上千個複製本的序列，稱為中等重複序列(moderately repetitive sequence)。大約有25% 的人類DNA屬於這個種類。 • 許多中等重複非編碼DNA序列，由LINEs所組成，也就是「長的重複非編碼DNA序列(Long INterspersed Elements, LINE)」。它們被認為是由類似逆轉錄病毒衍生而來。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

10% 的人類DNA有上萬到百萬個複製本的序列，大多數的高等重複DNA序列(highly repetitive DNA) 包含SINE或短的重複非編碼DNA序列 (Short INterspersed Elements, SINE)。這些序列至今所知幾乎全是無功能的。最廣為人知的SINE是300個鹼基對的Alu因子(Alu element)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

衛星DNA是非編碼DNA以重複序列出現 • LINEs 和SINEs的定義是這些重複序列隨意分散在基因體上，但還有一種在真核細胞中數量不少的高等重複DNA序列，被發現以長的聚集存在，就是縱列重複序列(tandem repeats)，也就是所謂的衛星DNA (satellite DNA)。Tandem的意義為這些重複序列在DNA上是以一個接一個的形態出現，中間並無任何的空間存在。衛星DNA的數量變化極大，在哺乳類如小鼠中約有8% 的DNA是衛星DNA，而在果蠅則將近有50%。 • 長序列的縱列重複序列常有不正確的排列出現，當一對染色體在減數分裂做交換時會排列整齊，不相等的交換(unequal crossing over) 發生所產生一段重複序列的DNA較短，另一段重複序列的DNA較長。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

衛星DNA插入染色體，並緊緊的環繞在異染色質(heterochromatin) 上。異染色質位在染色體的中心體(centromere)，推測它負責某些結構上的功能。但這些衛星DNA序列與中心體序列(centromere sequence) 是非常不同的，中心體是負責在細胞分裂中紡錘絲的附著。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

迷你衛星DNA與VNTR • DNA片段中包含著短的縱列重複序列，但比衛星DNA有較少的數目，這些就是迷你衛星DNA (mini-satellite) 或稱為不同數目的縱列重複序列VNTR (Variable Number of Tandem Repeat)。 • 由於不相等的交換，在任一個VNTR的重複序列數目差異是極大的。雖然VNTR屬於無意義的沒功能的基因，但它的不同版本仍被視為對偶基因。 • 一些高變異的VNTR可能有多至1,000個不同的對偶基因，並在個別生物體產生非常不同的形式。這種數量上的變異可能以DNA指紋(DNA fingerprinting) 分析來確認個體。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

自私DNA與垃圾DNA的起源 • 一般認為在真核細胞染色體，發現的大部分重複與非編碼DNA是無用的，如此無用處的DNA，通常視為垃圾DNA (junk DNA)。它被認為是許多的重複序列與非編碼DNA，包括內含子，可能原先都由病毒DNA來的。當病毒DNA插入真核細胞染色體，逆轉錄病毒在產生這樣的染色體插入，扮演重要的功能。另外，轉位因子 (transposable element) ) 可能負責產生顯著數量的重複序列DNA。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

重複序列DNA的產生可分為兩個過程，原始的序列可能是病毒DNA或轉位因子，這些序列插入染色體而仍舊維持不變及具功能性。兩樣元素都可能複製，而複製本則插入染色體中的許多不同部位，因此這些寄生物序列的數目就增加了，再加上許多序列會有突變，可能是鹼基改變或是刪除，這些結果造成一系列家族的序列，但大部分的功能性已不存在了。重複序列DNA的產生可分為兩個過程，原始的序列可能是病毒DNA或轉位因子，這些序列插入染色體而仍舊維持不變及具功能性。兩樣元素都可能複製，而複製本則插入染色體中的許多不同部位，因此這些寄生物序列的數目就增加了，再加上許多序列會有突變，可能是鹼基改變或是刪除，這些結果造成一系列家族的序列，但大部分的功能性已不存在了。 • 轉位因子因為只注重自身的存活與複製，並不會在任何方面幫助寄主，所以稱之為自私DNA (selfish DNA)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

自私DNA在基因體裡增長，可視為細胞的寄生物感染寄主的染色體。這些自私DNA的累積是靠著兩個相反的過程，複製與自私DNA的重新插入，再加上它自行產生的鹼基刪除。自私DNA在基因體裡增長，可視為細胞的寄生物感染寄主的染色體。這些自私DNA的累積是靠著兩個相反的過程，複製與自私DNA的重新插入，再加上它自行產生的鹼基刪除。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

迴文、倒轉重複序列、莖狀與環狀結構 • 迴文(palindrome) 的意思是一個字或句子，正著唸與倒著唸是相同的。在DNA的例子中，它是雙股螺旋，理論上兩種形式的迴文可被產生。如鏡子影像的迴文(mirror-like palindrome) 就像一般的文字，但牽涉到到兩條DNA。 • 倒轉重複(inverted repeat) 序列的迴文是比較常見的，並具有生物功能的特殊意義。在倒轉重複序列，一個序列是正著唸與另一個互補序列倒著唸是相同的。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

倒轉重複序列在蛋白質要接上DNA時的辨識序列是非常重要的，許多調控蛋白質可辨識倒轉重複序列，一些限制　與修飾酵素也可辨識倒轉重複序列。倒轉重複序列在蛋白質要接上DNA時的辨識序列是非常重要的，許多調控蛋白質可辨識倒轉重複序列，一些限制　與修飾酵素也可辨識倒轉重複序列。 • 若以倒轉重複序列的單股來說，在每一股的右半段與左半段的序列，必須是互補的。如序列GGATATCC可被摺疊成髮夾(hairpin) 狀，兩端以鹼基配對結合而成。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

少數幾個非配對的鹼基 (以N代表任何鹼基)，在鹼基對的直桿上方會形成個圈圈，稱為莖狀與環狀(stem and loop) 結構。單股DNA的任何倒轉重複序列，只要具有多餘的幾個鹼基在中間，就可形成這樣的結構。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

多個A-tracts 造成DNA彎曲 • DNA序列若包含幾個有A的鹼基 (連續3到5個核　酸長)，並由10 bp間隔開來，就可形成彎曲。注意這些A-tract間的間隔，相當於雙股螺旋的一個轉折，彎曲發生在有As轉的3-端。彎曲的DNA (bent DNA) 在電泳分離時，會跑得比同樣長度但沒有彎曲的DNA來得慢。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

超螺旋在細菌DNA的包裝上是必要的 • 一般的細菌約有一百萬分之一公尺長，而一個攜帶4,000個或更多的基因的單一DNA分子，則有一毫米長。若將細菌染色體全拉開，將是一個細菌的一千倍長。在細胞內的雙股螺旋DNA必須是超螺旋(supercoiled) 狀，才能使得DNA更緊密。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

DNA分子已是雙股螺旋，原先的雙股螺旋有著右手側扭轉，但超螺旋的扭轉是另一個方向，也就是左手側或「負向超螺旋(negative supercoils)」。在細菌DNA中，每一個超螺旋約有200個核　酸，在複製及轉錄時，負向超螺旋促使DNA螺旋解開，並幫助雙股分開。 • 負向超螺旋是利用DNA促旋酶 (gyrase) 引進到細菌染色體的。若沒有拓樸酶I (topoisomerase I) 和拓樸酶IV (topoisomerase IV)，DNA就會是極度的負向超螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

在大腸桿菌的超螺旋程度是依據拓樸酶I和拓樸酶　IV間的平衡，拓樸酶IV的功能是輔助拓樸酶I的作用，而拓樸酶I的功能是可移走多餘的負向超螺旋，這樣的功能恰好與DNA促旋酶的作用相反。一般的細菌染色體，繞在蛋白質鷹架裡約有50圈大型DNA超螺旋。在大腸桿菌的超螺旋程度是依據拓樸酶I和拓樸酶　IV間的平衡，拓樸酶IV的功能是輔助拓樸酶I的作用，而拓樸酶I的功能是可移走多餘的負向超螺旋，這樣的功能恰好與DNA促旋酶的作用相反。一般的細菌染色體，繞在蛋白質鷹架裡約有50圈大型DNA超螺旋。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

細菌染色體和質體都是雙股環狀的DNA分子，並常稱為共價緊閉環狀DNA (covalently closed circular DNA或cccDNA)。如果雙股環狀的一股是有缺口，則超螺旋能被分開，這樣的分子為有缺口的環狀(open circle)。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

拓樸酶和DNA促旋酶 • 在兩股扭曲DNA分子中所有的立體交叉處數目，稱為連接數(linking number (L))，這個是雙股螺旋加上超螺旋的總和。[雙股螺旋扭轉的數目，被認知為雙股螺旋轉(twist, T)，而超螺旋扭轉的數目為超螺旋轉數目(writhe或writhing number, W)。至於linking number (L)，就是twist的數目加上writhe的數目 (L=T+W)。] CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

相同的環形DNA，能有不一樣數目的超螺旋，這樣的異構物，稱為topological異構物，也就是拓樸異構體(topoisomers)。能將超螺旋加入或移除的酵素，因而稱為拓樸酶 (topoisomerase)。第一型拓樸酶(type I topoisomerase) 打斷的只有一股DNA，可以減少一個連接數。相反的，第二型拓樸酶(type II topoisomerase) [包括DNA促旋酶 (DNA gyrase)] 可打斷DNA的兩股，當兩股都打斷時，雙股DNA會經由斷裂處將雙股螺旋打開，而使得超螺旋的數目減少兩個。 CHAPTER 4 基因、基因體與DNA

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