基因的分子生物学
§21·1 遗传物质及其结构
§21·2 DNA 的复制
§21·3 遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质
§21·4 遗传物质的改变
§21·1 遗传物质及其结构
一、遗传物质是什么？
孟德尔通过对豌豆的杂交和遗传学研究，提出了遗传因子的分离定律和自由组合定律
摩尔根进一步将遗传学与细胞学的研究
方法
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结合起来，以果蝇为研究对象，发展并确立了基因学说
但是，直到二十世纪四十年代，困扰科学工作者的两大问
题
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还未解决：
当时人们猜测，构成遗传物质的应该是蛋白质，理由：
构成蛋白质的氨基酸有 20 种，氨基酸的不同组合，就能形成多种不同的蛋白质
蛋白质在生物体内作为酶，催化生物的代谢反应，并由此控制多种遗传性状的表现
后来，在对细菌、病毒这些及其简单的生命形式的研究过程中，科学工作者们才开始发现遗传物质的蛛丝马迹。
1、著名的肺炎球菌实验
1928 年，英国的细菌学家 Griffith 首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据
他的实验对象是两种肺炎球菌：
实验结果说明：
被加热杀死的 S 型肺炎球菌无致病性；
被加热杀死的 S 型肺炎球菌中 一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，能够使无害的 R 型肺炎球菌转化成为高致病性的 S 型肺炎球菌；
被转化成 S 型肺炎球菌的后代仍保持为 S 型，可见该肺炎球菌的遗传特性被改变。
在美国纽约洛克菲洛研究所工作的 Avery 立刻敏感地抓住这一问题，进一步进行研究：
他将被加热杀死的 S 型肺炎球菌的各个生物化学成分分离，包括多糖、蛋白质、脂肪、核酸。
再将各个组分分别加入活的 R 型肺炎球菌中，研究其致病性和性状的变化。
结果发现，只有核酸能使 R 型肺炎球菌转化成为S型。
进一步的酶解实验也证明：蛋白质水解与否与转化无关，而核酸水解与否可以控制转化的成败。
1944年，Avery 等人正式得出结论 —— DNA 是生命的遗传物质，蛋白质不是生命的遗传物质。
2、更有说服力的噬菌体实验
1952 年，Hershey & Chase 利用噬菌体(细菌病毒，其结构十分简单，由 DNA 内核和蛋白质外壳构成)为实验对象完成的实验
分别用放射性同位素 35S 标记病毒的蛋白质外壳、32P标记病毒的 DNA 内核，分别感染未被标记的细菌
关键：
控制好感染时间，保证噬菌体恰好可以完成感染作用，然后在组织搅拌机中搅拌，切断噬菌体外壳与细菌细胞间的联系。
实验结果：
噬菌体在感染细菌时，仅仅是其中的 DNA 内核进入细菌，而蛋白质外壳留在细菌细胞外
从细菌中释放的新噬菌体颗粒中，能检测出 32P 标记，而检测不出 35S 标记
可见噬菌体在繁殖的过程中，DNA 得到了复制，并且控制新的蛋白质外壳的合成
从 1944 年到 1952 年，整整 8 年的时间，全世界的科学家才接受了 Avery 的结论 —— 生命的遗传物质是 DNA。
二、DNA的结构
1953年2月28日，Watson & Crick 确立了DNA双螺旋模型(double helix model)
DNA 双螺旋链的特征：
1、两条通过碱基配对连接的多核苷酸长链，称为“互补链”(complementary chain)，互补链以反向平行 的方式围绕同一中心轴相互缠绕，组成双螺旋
两条链均为右手螺旋，每一螺距为 3.4nm，而相邻碱基对(base pair, bp)之间的距离为 0.34nm，因此每一螺旋中有 10 个 bp。
2、碱基的互补配对是固定的准确的，A与T 之间形成两条氢键，而 G 与 C之间形成三条氢键，可见G与C的连接比A与T 之间的连接更稳定。
3、DNA 分子是有方向性的，由于脱氧核糖核磷酸通过 5`,3`-磷酸二酯键 连接形成多核苷酸长链，长链的
4、双螺旋的表面形成两条沟，其中
大沟(wide groove)宽 2.2 nm，是蛋白质的结合位点；
小沟(narrow groove)宽 1.2 nm
5、DNA 分子中，4 种核苷酸的排列顺序不受任何限制，能构成极其繁多的组合形式
如一段长 100 bp 的 DNA片段，其核苷酸的排列方式有 4100 种
DNA 分子蕴藏着无穷多的遗传信息
§21·2 DNA的复制
一、DNA 复制依赖于碱基互补配对
原则
组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则
DNA 是遗传物质，它携带由特定顺序的核苷酸组成的遗传信息，控制着生物体特定的性状，并在细胞增殖的过程中将遗传信息传递给下一代
DNA 分子能够准确地自我复制(self-replication)—— 保证一套完整的遗传信息的代代相传。
特殊结构 ：DNA的双链结构
二、DNA的半保留复制
将大肠杆菌放置在一 15NH4Cl 为唯一氮源的培养液中培养若干代
转入以 14NH4Cl 为唯一氮源的培养液中生长
第一代分裂完成的菌体
第二代分裂完成的菌体
将 DNA 分离出来，进行密度梯度离心
1、DNA 合成的同位素示踪实验
1958 年，Meselson & Stath
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
了 DNA 合成的同位素示踪实验，具体作法：
所有大肠杆菌的 DNA 都被 15N 标记
结果：
亲本的 DNA 离心后形成一条带，分布在离心管的下部，可见是仅含 15N 的双链
第一代的 DNA 离心后形成一条带，正好分布在离心管的中部，可见是同时含 15N 和 14N 的双链
第二代的 DNA 离心后形成两条带，一条位于离心管的中部，一条位于离心管的上部，可见其 DNA 有两种，一种为同时含 15N 和 14N 的双链，另一种为只含 14N的双链。
结论：
新合成的 DNA 分子的两条 DNA 链，一条来自亲代DNA(parental chain)，一条是新合成的子链
半保留复制(semiconservative relpication)——细胞中的 DNA 复制是以亲代的一条 DNA 链为模板(template)，按照碱基互补配对原则，合成另一条具有互补碱基的新链，复制完成的 DNA 子链与亲代的 DNA 完全相同
2、DNA 复制的基本过程
发生时间： 细胞周期的 S 期
参与复制的蛋白因子：
解旋酶(helicase)——在 DNA 复制起始位点，局部解螺旋，并拆开为两条单链。
单链附着蛋白(SSB)——与解旋的单链结合，使母链能稳定存在一段时间。
引物酶 —— 负责合成引物。
引物(primer)——为10个左右的核苷酸的RNA短链，为DNA的合成提供游离的3`OH端。
DNA 聚合酶(DNA polymerase)——负责使游离的核苷酸准确地与母链 DNA 上互补的碱基结合，并与早先形成的核苷酸新链连接，使新链延长。
特点：
DNA聚合酶只能将游离的核苷酸加在新链的 3`OH 端，因此 DNA 的复制总是由 5`向 3`方向进行
亲代 DNA 双链打开后，一条为 3`5`方向，以这条链为模板，正好使核苷酸按 5` 3`的方向连续合成新链。
另一条模板链为 5` 3` 方向，无法连续合成新链，只能分段进行，每合成的一段小片段称为“冈崎片段”(Okazaki fragment)。
冈崎片段上的 RNA 引物被 RNA 水解酶水解，DNA 小片段取代之，再通过 DNA 连接酶(DNA ligase)使各个冈崎片段连接起来。
具体过程：
在解旋酶的作用下，首先双螺旋的 DNA 可以 同时在许多 DNA 复制的起始位点 局部解螺旋并拆开为两条单链，如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为复制叉(replication fork)。
速度：
快，大肠杆菌 30 min 完成 4.64 Mb 的复制，人类几小时完成 3000 Mb 的复制。
准确率：
高，平均为 1 ∕ 107。
结论：
DNA 的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同的遗传信息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代。
§21·3 遗传信息流是从DNA到RNA到蛋白质
一、蛋白质是表型特征的分子基础
生物体的表型是通过一系列的蛋白质来实现的，Beadle & Taturm 根据生化代谢途径中酶和基因的关系，提出了“一个基因一个酶”(one gene-one enzyme)的假说——分子遗传学的奠基石。
随后的研究将该假说更正为：一个基因一条多肽链(one gene-one polypeptide chain)。
二、RNA的结构与功能
RNA也是核苷酸的多聚体，它与DNA的主要差别：
(1)RNA大多是单链分子；
(2)含核糖而不是脱氧核糖；
(3)4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶(T)，而是由尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶(T)
细胞中主要有3种RNA，即信使RNA(messager RNA, mRNA)，核糖体RNA(ribosome RNA, rRNA)和转运 RNA(tranfer RNA, tRNA)
1、 mRNA
是遗传信息的携带者，在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，成为蛋白质合成的模板(template)。
2、tRNA
局部为双链，在3′、5′端相反一端的环上具有由3个核苷酸组成的反密码子。tRNA 的反密码子在蛋白质合成时与 mRNA上互补的密码子相结合。
tRNA 起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。
3、rRNA
单链RNA，和核糖体大、小亚基蛋白共同组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。
核糖体的大小亚基在行使翻译功能(肽链合成)时，聚合成整体，为蛋白质的合成提供场所。
核糖体上具有
附着mRNA模板链的位置。
两个tRNA附着的位置，分别称为A位和P位。
三、转录(transcription)
由DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程：
第一步，转录(transcription)——将DNA的遗传信息转录到 mRNA中，发生在细胞核中；
第二步，翻译(translation)——将mRNA的信息翻译成蛋白质的氨基酸序列，在细胞质中进行
原核生物中遗传信息的转录和翻译简单一些，真核生物中的遗传信息的转录和翻译要复杂得多
基本定义：
转录(transcription)——以单链DNA分子为模板，按照碱基互补配对原则，合成一条单链RNA分子，DNA分子上携带的遗传信息被转移到 RNA 分子中的过程。
基本结构：
启动子(promoter)——由一段特殊的核苷酸序列构成，是DNA链上的转录起始信号，是RNA聚合酶识别、结合并打开 DNA双链的位点。
终止子(terminator)——终止RNA新链合成的一段核苷酸序列，即RNA聚合酶脱离的位点。
基本过程：
RNA聚合酶结合到DNA分子在启动子附近，并局部打开双链，其中只有一条链成为RNA分子合成的模板链。
RNA聚合酶沿着模板链的 3`向5`端移动，按5`3`的方向合成新的RNA链。
RNA聚合酶遇上终止子，RNA 聚合酶脱离，新合成的RNA 链离开模板链游离于细胞核中，DNA 双链恢复双螺旋。
在转录过程中，第一个 RNA 聚合酶在解离下来之前，第二个 RNA 聚合酶能结合上去，进行第二次转录。
转录与复制的不同点：
1、转录有转录单位，并非整段DNA链全部转录。
2、转录不需要引物，合成的是RNA。
3、转录是不对称的，即仅以一条DNA链为模板，合成一条RNA链。
4、新合成的RNA链的 5`端游离出来，仅有正在合成的约 10 个核苷酸与DNA形成双链形式。
四、遗传密码(genetic code)
1、遗传密码的破译
当DNA的双螺旋结构被发现后，另一个重大的问题被提出：“遗传信息如何储存在只有简单碱基差别的4种核苷酸中？”
在美国健康研究所工作的 Nirenberg & Matthei在进行蛋白质细胞外合成的实验：他们开始是将ATP、游离的氨基酸添加到从细胞中分离来的核糖体、核酸和酶的混合物中
从实验结果
分析
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，他们提出一个问题：“哪一种RNA能够促进多肽的合成？”
Matthei他们建立和优化一种对RNA高度敏感并可及时检测出多肽合成的试管实验系统。
经过5天通宵达旦的工作，星期六早晨，熬红了眼的Matthei得到了答案：poly U合成的肽链全部是苯丙氨酸(Phe)。
Matthei成为世界上破译第一个遗传密码的人。
1966年，Nirenberg和Khorana等人完成全部遗传密码字典，在全部64个密码子中：
61个负责20种氨基酸翻译；3个无义密码子
2、遗传密码的特点
mRNA上的密码子是奇数的三联体，又称“三联体密码”(triplet code)。
遗传密码具有以下几个基本特点：
A、密码是连续的——2个密码子之间没有任何核苷酸予以隔开。
B、密码的简并性(degeneracy)——4种核苷酸组成的密码子有64种，氨基酸只有20种，多数氨基酸都具有多个密码子。
C、偏爱密码子(prefer codon)——在简并密码子中，不同的生物往往偏向使用其中一种。
D、密码子的专一性 —— 氨基酸似乎主要由前两个核苷酸决定，第三个核苷酸的改变不会引起氨基酸的改变
原因：主要是由于tRNA的反密码子的第一个核苷酸上的碱基为“甲基次黄嘌呤”(I)，它与A、U、C都能结合，形成氢键。
E、起始密码子(initiate codon)——AUG，编码fMet(氮甲酰甲硫氨酸)。
F、终止密码子(stop codon)—— 共有三个：UAG、UAA和UGA，他们不编码任何氨基酸，终止多肽链的合成 。
G、密码子的通用性 —— 密码子对绝大多数生物体都是通用的。
五、翻译(translation)
细胞中蛋白质的合成是一个严格按照 mRNA 上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为 mRNA 的翻译(translation)。
mRNA的翻译需要有mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与，其过程远比转录复杂，共分为五个阶段。
1、第一阶段 —— 氨基酸的激活
必需成分：
二十种氨基酸、二十种以上的tRNA、相应的氨基酰－tRNA合成酶、ATP、Mg2+。
具体反应：
在氨基酰－tRNA合成酶的催化下，利用ATP供能，催化特定的氨基酸与特定的tRNA结合，形成氨基酰－tRNA，由两个催化反应构成：
2、第二阶段 —— 多肽链合成的起始
必需成分：
mRNA、N-甲酰甲硫氨酰－tRNA(fMet-tRNA)、起始密码子AUG、 30s核糖体小亚基、50s核糖体大亚基、起始因子(initiation factor , IF )、GTP、Mg2+。
具体过程：
3、第三阶段 —— 多肽链的延伸
必需成分：
完整的核糖体与 mRNA 的复合物、各种氨基酰－tRNA、多肽转移酶、延伸因子(elongation factor , EF)、GTP。
特殊结构：
核糖体上有两个与氨基酰－tRNA 结合的位点，一个为 P位点(peptide)、另一个为 A 位点(aminoacyl)，每个位点上有一个三联体密码子，起始时 fMet-tRNA结合在 P 位点上
具体过程：从第一个肽键形成到最后一个肽键形成的全部过程。
4、第四阶段 —— 多肽链合成的终止
必需成分：
终止密码子(UAG、UAA、UGA)、释放因子(releasing factor , RF)、水解酶、GTP。
具体过程：
P位点上有一串多肽链
A位点到达终止密码子
5、翻译后加工
从核糖体上解离下来的多肽链多数不具正常的生理功能，必需要经过多种方式的修饰，改变其结构，才能表现出生理活性，主要的翻译后加工过程包括：
去掉N端的fMet。
剪切去除一些肽段。
形成二硫键。
氨基酸侧链的修饰——磷酸化、甲基化、羟基化等。
糖基化修饰。
亚基聚合。
特点：
准确 —— 在翻译的过程中，每个氨基酸是严格按照mRNA模板的密码序列逐个合成到肽链上，可见mRNA上的遗传信息被准确地翻译成特定的氨基酸序列。
速度：
快 —— 一个核糖体上一个肽链的合成平均不到1分钟，而且一段mRNA可以相继与多个核糖体结合，同时进行多条同一种肽链的合成。
六、中心法则(central dogma)
补充：
1、发现了逆转录酶——即能以RNA为模板合成DNA。
2、DNA翻译——在实验室中，能使DNA翻译成蛋白质。
3、朊粒致病性及其遗传行为——对中心法则的挑战，但最终的研究结果表明，该病毒来源于细胞核中的PrP基因。
§21·4 遗传物质的改变
一、染色体畸变与人类疾病
染色体畸变(chromosome aberration)—— 染色体结构和数目发生改变，进而造成可遗传的病变。
1、染色体结构的变异：
A、缺失(deletion)：
染色体丢失一个片段，使位于该片段上的基因丢失
实例：猫叫综合症，第 5 号染色体上短臂缺失。
Turner 综合症，缺少一条X染色体。
B、重复(duplication)
染色体的某一片段在该染色体上重复出现的现象。
C、倒位(inversion)
染色体上同时出现两处断裂，中间的染色体片段倒转 180 度后重新连接，使这一部分的基因排列顺序发生颠倒：
倒位发生在染色体的一个臂内，不包含着丝粒的，称为“臂内倒位”(paracentric inversion);
倒位发生在两条臂之间，包括着丝粒的，称为“臂间倒位”(pericentric inversion)。
D、易位(translocation)
染色体的断裂片段接到非同源染色体上的现象，造成染色体间的基因重排
最常见的易位为相互易位(reciprocal translocation)，即非同源染色体间相互交换染色体片段
联会时，会出现特征性的十字形结构
2、染色体数目变异
A、整倍体(euploid)
体细胞中的染色体数目的变异是以二倍体产生的正常配子中的染色体为单位进行增减。
如三倍体的无籽西瓜、香蕉。
B、非整倍体(aneuploid)
体细胞中染色体的变异是以配子中个别染色体增减为基础产生的多倍体。
如人类的性染色体为 XXY 型，少数人表型正常，但多数会患上 Klinefelter 综合症；小儿唐氏综合症，为 21 号染色体多了一条，即 21 三体；XXX型、XYY型等。
二、基因突变(mutation)
广义的基因突变包括染色体畸变和基因的点突变
基因突变发生在生殖细胞内，则突变能遗传给后代；
因突变发生在体细胞内，则仅在当代引起形态或生理上的变化，但不能遗传给下一代
突变的意义：
使生物界具有丰富的基因的多样性，从而造成遗传的多样性，使得进化中的自然选择成为可能。
1、基因点突变的形式
A、碱基置换(substitution)
一种碱基被另一种碱基所置换，仅仅是个别碱基的改变，没有增加或减少碱基的数目，因而仅能改变单个密码子。
碱基置换主要有两种形式：
转换(transition)—— 由一种嘌呤置换另一种嘌呤；或由一种嘧啶置换另一种嘧啶。
颠换(transversion)—— 由嘌呤置换嘧啶；或由嘧啶置换嘌呤。
碱基置换的实例：镰形细胞贫血症
在编码珠蛋白的基因上发生碱基的颠换，即AT，结果使得血红蛋白链的N端第六个氨基酸由谷氨酸变成了缬氨酸
虽然只有一个氨基酸发生改变，就使得血红蛋白的性质发生了改变，引起溶血性贫血
B、移码突变(frameshift mutation)
在DNA碱基序列中插入或删除非3整倍数的碱基。
结果：
编码区在该位点后的所有密码子全部发生改变，进而导致合成的蛋白质的氨基酸序列发生改变，形成不正常的蛋白质，导致生物体疾病或死亡。
2、突变的诱发 ——诱变剂的作用
基本概念：
自发突变(spontaneous mutation)——在自然条件下发生的突变，包括DNA在复制、重组过程中发生了错误而引起的突变。
特点：突变率非常低
诱变剂(mutagen)——能提高突变率的物理或化学因素。
常见的诱变剂：
A、物理诱变剂 —— 辐射，如紫外线(ultraviolet, UV)、电离辐射(ionizing radiation)的X射线、 射线。
结果：引起基因突变或染色体畸变；强辐射会打断 DNA链或破坏碱基结构。
B、化学诱变剂 —— 种类繁多，如
人工诱变的应用：
研究基因的的结构与功能；
培育出动物、植物、微生物的优良品种。
三、DNA 损伤修复
在一定条件下，生物体的细胞能使其DNA的损伤得到修复，这一功能是生物体在长期进化过程中获得的一种重要的安全保护机制
最常见的修复系统为 “切除修复”(excision repair)
具体修复过程：与切除修复相关的酶识别 DNA 的损伤部位。
浙公网安备 33021202002483