第十一章遗传的分子基础

第十一章遗传的分子基础 第一节 DNA作为主要遗传物质的证据第二节核酸的化学结构与DNA复制 *第三节遗传信息的表达与调控第四节基因的概念与发展第五节基因突变的分子机制第六节遗传工程湖北大学生命科学学院陈建国

第一节 DNA作为主要遗传物质的证据 一、 DNA是遗传物质的间接证据二、 DNA是遗传物质的直接证据 (一)、细菌转化试验 (二)、噬菌体侵染与繁殖试验 (三)、烟草花叶病毒拆合实验 *三、非核酸类的遗传物质湖北大学生命科学学院陈建国

一、 DNA是遗传物质的间接证据 1. DNA含量的恒定性； 2. DNA代谢的稳定性； 3. 基因突变与紫外线诱变波长的关系。湖北大学生命科学学院陈建国

(二)、噬菌体侵染与繁殖试验 1. 背景知识 • 噬菌体侵染与繁殖基本过程： • T2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞； • 利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质； • 利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件； • 最后组装形成完整的T2噬菌体。 • 因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传信息的载体。 • 另外： • P是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中； • S存在于蛋白质中，但DNA中没有。湖北大学生命科学学院陈建国

2. Hershey和Chase的实验 湖北大学生命科学学院陈建国

结果与结论 • 试验结果表明： • 主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体； • 结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质。 • 题外话： • 与Avery等人研究比较，本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法(也称为示踪原子法)，当时为人们普遍采用； • 同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果很快得到人们的广泛认同。湖北大学生命科学学院陈建国

(三)、烟草花叶病毒拆合试验 • 烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒： • 中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳。 1. 拆分感染试验： • 将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯； • 分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而蛋白质不能； • 用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遗传物质。湖北大学生命科学学院陈建国

2. 重组合试验 • Frankel-Conrat, Singer (1956)进行了图示试验： • 综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或间接地表明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遗传物质。湖北大学生命科学学院陈建国

第二节核酸的化学结构与DNA复制 *一、早期对核酸化学性质的研究二、DNA的一级结构三、DNA的二级结构 *四、RNA的分子结构 *五、DNA的复制湖北大学生命科学学院陈建国

虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能，核酸研究却已有一百多年历史：虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能，核酸研究却已有一百多年历史： F.Mischer(1869)从外科绷带上脓细胞核中分离出一种不同于蛋白质的物质，含磷量高、并具有很强的酸性。他将这种物质称核质(素)(nuclein)； A.Kossel(1879)发现酵母等核质具有A、G、T、C四种碱基； R.Altamm(1889)将核素命名为核酸(nucleic acid)。 Kossel(1901)又发现核酸中具有碳水化合物(糖)； P.A.T.Levene(1909)研究表明：酵母核酸含有五碳糖——核糖； Fisher(1914)人工合成核苷酸； P.A.T.Levene(1929)又发现动物胸腺细胞核酸含有脱氧核糖. Levene将前者命名为核糖核酸(ribonucleicacid, RNA)，后者命名为脱氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid, DNA)。并指出动、植物中均存在这两种核酸。 *一、早期对核酸化学性质的研究湖北大学生命科学学院陈建国

二、核酸的一级结构 • 关于碱基的种类、分子式、核苷酸的种类、结构等内容是生物化学中讨论的内容，请课后复习。 • 在此谈三个关于核酸一级结构的内容： • (一)、 “四核苷酸”假说； • (二)、查伽夫定则及其意义； • *(三)、核苷酸序列及其测定。湖北大学生命科学学院陈建国

(一)、 “四核苷酸”假说 • P.A.T.Levene(1930)提出“四核苷酸”假说，认为： • 核苷酸是核酸的基本组成单位； • 核酸是“磷酸—核糖(碱基)—磷酸”的核苷多聚体。 • 四核苷酸假说奠定了核酸化学基础。但同时认为： • 核酸多聚体是由“四核苷酸结构”重复形成； • 每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个； • 所以事实上认为在任何DNA中，四种碱基是等量的，DNA是四核苷酸结构的简单重复。 • 这种观念影响了人们对核酸生物学功能的进一步认识。湖北大学生命科学学院陈建国

(二)、查伽夫定则及其意义 • E.Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则： • 四种碱基的数量不是等量的； • 同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同； • 嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。湖北大学生命科学学院陈建国

*(三)、核苷酸序列及其测定 • 查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。 • 以后的研究表明：碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。 • DNA及RNA分子序列分析技术也是最重要的分子遗传学研究技术： • Sanger双脱氧法； • Maxam&Gillbert化学法； • 基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。湖北大学生命科学学院陈建国

三、DNA的二级结构 *(一)、DNA分子结构的研究 1. 鲍林研究小组 2. 威尔金斯、富兰克林研究小组 3. 沃生、克里克研究小组 (二)、 DNA分子双螺旋结构模型 1. DNA分子双螺旋结构模型要点 2. DNA双螺旋结构模型的意义 3. DNA分子构型的多态性湖北大学生命科学学院陈建国

*(一)、DNA分子结构的研究 • 在“四核苷酸结构”理论的误导下，人们普遍认为核酸的组成、结构简单，可能不具有重要功能，一度忽略了对核酸的研究。 • 上世纪中期，众多研究表明：核酸是遗传信息的载体，显然DNA的结构研究是进一步研究其功能和作用方式的基础。 • 也由此激发了科学家从事核酸结构研究的兴趣，当时进行DNA结构研究的科学家很多，最重要有：湖北大学生命科学学院陈建国

1. 鲍林研究小组 • 主要工作： • 鲍林(Pauling)等1951年(提出蛋白质α-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构。 • 根据阿斯伯利Astbury等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究。 • 提出DNA分子三链螺旋结构模型：引入多链、螺旋和氢链等概念。 • 评价： • 虽然他们提出的模型并不正确，但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构模型研究确立了方向。 • 注：1954年鲍林因研究物质聚合力而获得诺贝尔化学奖。湖北大学生命科学学院陈建国

2. 威尔金斯、富兰克林研究小组 • 主要工作成就： • Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术； • 于1951年获得了更为清晰的图像； • 结果表明：碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧，同时测得了DNA螺旋的直径和螺距。湖北大学生命科学学院陈建国

3. 沃生、克里克研究小组 Waston、Crick(1951-1953)： • 研究手段非常简单：用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型，拼凑DNA分子的三维结构。 • 理论知识深厚、富于创造性；视野广阔、收集信息全面并善于分析利用。湖北大学生命科学学院陈建国

3. 沃生、克里克研究小组 • 主要基于Chargaff、Pauling和Wilkins等三个方研究成果，Waston和Crick于1953年提出了他们的第三个DNA双螺旋结构模型。 • 现在人们公认这是分子遗传学建立的标志。 • 为此Waston，Crick和Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理学及医学奖。湖北大学生命科学学院陈建国

1. DNA分子双螺旋结构模型要点 • 瓦特森(Watson, J. D.)和克里克(Crick, F.)模型最主要特点有： • (1) 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子(图)。湖北大学生命科学学院陈建国

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1. DNA分子双螺旋结构模型要点 • (2) 两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链磷酸二脂键为5’－3’方向，而另一条为3’－5’方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。湖北大学生命科学学院陈建国

1. DNA分子双螺旋结构模型要点 • (3) 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键湖北大学生命科学学院陈建国

1. DNA分子双螺旋结构模型要点 • (4) 上下碱基对之间的距离为3.4Å。每个螺旋为34Å(3.4nm)长，刚好含有10个碱基对，其直径约为20Å。 • (5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。湖北大学生命科学学院陈建国

DNA的双螺旋结构 湖北大学生命科学学院陈建国

碱基配对及氢键形成 湖北大学生命科学学院陈建国

2. DNA双螺旋结构模型的意义 • DNA双螺旋模型结构同时表明： • DNA复制的明显方式——半保留复制。Waston和Crick在1953年就指出：DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制。而在此之前对复制方式人们对一无所知。 • 基因和多肽成线性对应的一个可能的理由：DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码(genetic code)，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。 • 在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容。湖北大学生命科学学院陈建国

3. DNA分子构型的多态性 • 近来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。所以现在一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称为B－DNA。B－DNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以B－DNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，B－DNA一螺圈也并不是正好10个核苷酸对，而平均一般为10.4对。湖北大学生命科学学院陈建国

3. DNA分子构型的多态性 • 当DNA在高盐浓度下时，则以A－DNA形式存在(图)。 • A－DNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。A－DNA比较短和密，其平均直径为23Å。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNA－RNA或RNA－RNA双螺旋结构，却与A－DNA非常相似。湖北大学生命科学学院陈建国

3. DNA分子构型的多态性 • 现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z－DNA(图)。 • 当某些DNA序列富含G－C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z－DNA。Z－DNA除左手螺旋外，其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18Å，并只有一个深沟。现在还不知道，Z－DNA在体内是否存在。湖北大学生命科学学院陈建国

3. DNA分子构型的多态性 湖北大学生命科学学院陈建国

*四、RNA的分子结构 • 至于RNA的分子结构，就其化学组成上看，也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键(图)。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。湖北大学生命科学学院陈建国

RNA的分子结构 湖北大学生命科学学院陈建国

*第三节遗传信息的表达与调控一、中心法则及其发展二、遗传信息的转录(RNA的合成)　　与RNA的加工三、遗传密码及其特性四、遗传信息的翻译五、基因表达调控湖北大学生命科学学院陈建国

一、中心法则及其发展 • 遗传信息从DNA→mRNA→蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从DNA→DNA的复制过程，这就是分子生物学的中心法则(central dogma) • 中心法则(central dogma)阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现过程中的信息流向。 • 最初由Crick提出，并经过了多次修正。湖北大学生命科学学院陈建国

一、中心法则及其发展 • 中心法则所阐述的是基因的两个基本属性：复制与表达。关于这两个属性的分子水平的分析，对深入理解遗传及变异的实质具有重要的意义。 • 这一法则被认为是从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律。 • 近年来的研究发现RNA可以反转录成为DNA，RNA还可以自我复制以及在离体条件下DNA可以直接指导蛋白质的合成，从而增加了原中心法则的信息流向，丰富了中心法则的内容。湖北大学生命科学学院陈建国

一、中心法则及其发展 湖北大学生命科学学院陈建国

中心法则的发展 • 反转录(逆转录)： • 反转录酶； • cDNA。 • RNA的自我复制。 • DNA指导蛋白质合成。湖北大学生命科学学院陈建国

三、遗传密码及其特性 • 遗传密码的基本特性： • 三联性； • 非重叠性； • 连续性； • 简并性； • 有序性； • 通用性。湖北大学生命科学学院陈建国

三、遗传密码及其特性 • 起始密码子与终止密码子： • 起始密码子：AUG(甲硫氨酸/甲酰甲硫氨酸)； • 终止密码子(无义密码子)：UAA、UAG、UGA。 • 通用性的另外情况：湖北大学生命科学学院陈建国

第四节基因的概念与发展 一、经典遗传学中基因的概念二、生化遗传和早期分子遗传学　　对基因概念的发展三、基因的微细结构与性质四、现代分子遗传学关于基因的概念湖北大学生命科学学院陈建国

二、生化遗传学对基因概念的发展 • 生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念： • 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸(碱基)序列中。 • “一个基因一个酶”，基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列。湖北大学生命科学学院陈建国

三、基因的微细结构与性质 (一)、位置效应 (二)、遗传的最小结构单位果蝇眼型遗传与拟等位基因双重感染与基因内重组遗传的最小结构单位 (三)、遗传的最小功能单位湖北大学生命科学学院陈建国

(一)、位置效应 • 位置效应：基因在染色体上位置不同对性状表现的作用(程度)也可能不同。 • 果蝇16A区段(Bar基因)重复处于染色体的不同位置对其个体眼面大小(小眼数目)的效应不同。 • 位置效应表明：染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响。 • 所以“念珠理论”的第一点(基因与染色体的关系)得到了发展。 • “念珠理论”的另一个内容是基因的结构不可分性(最小遗传结构单位)。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究。湖北大学生命科学学院陈建国

1. 果蝇眼型遗传试验(E. B. Lewis) • 列维斯得到果蝇染色体2末端一个位点的两个突变型： • 显性星眼突变型(S)：杂合体S/+野生型眼稍小； • 隐性拟星眼(ast)：纯合体ast/ast眼更小。 • 基因定位发现两个突变在同一区域，且S/ast杂合体眼型最小。 • 几种基因型眼型表现为：+/+ > S/+ > ast/ast > S/ast；将四种表现型分别用：A、B、C、D表示。 • 功能和位置关系表明S和ast是等位基因。 • Lewis得到一个果蝇品系：S基因两侧具有al和ho两个隐性突变标记( al S ho )，并获得杂种al S ho//+ ast +。湖北大学生命科学学院陈建国

试验结果 湖北大学生命科学学院陈建国

结果分析与拟等位基因(Psendoallele) • 野生型的个体是如何产生的？ • 研究发现回复突变频率很低，不能产生如此高频率(万分之2.8)的野生型； • 进一步分析发现：16个野生型个体均表现为+ + ho，表明在al-ho间发生了交换。 • 基于基因不可分性(交换只发生在基因间)，Lewis认为： • S和ast是两个紧密连锁基因，而不是一对等位基因； • 由于它们功能相似，均控制果蝇的眼型，所以称为拟等位基因(Psendoallele)。 • 据此Lewis认为野生型产生于拟等位基因S和ast间交换。湖北大学生命科学学院陈建国

图示与分析 • Lewis认为突变基因S与拟星眼突变基因ast间是拟等位基因关系，能解释果蝇眼型遗传试验结果；同时也能解释其它研究结果，如：果蝇菱形眼突变型遗传。 • 但拟等位基因并不能直接证明，因为即使S与ast确是拟等位基因，也难以分离它们：表型相似、紧密连锁。湖北大学生命科学学院陈建国

第十一章 遗传的分子基础