002遗传物质的分子基础1

1、生命科学院生命科学院 遗传学科遗传学科姓名：金丽华姓名：金丽华办公地点：新逸夫楼办公地点：新逸夫楼254254e-mail: e-mail: tel: 8219-1755tel: 8219-1755第二章第二章 遗传物质的分子基础遗传物质的分子基础基因遗传的染色体理论认为：基因遗传的染色体理论认为： - 基因存在于染色体上。基因存在于染色体上。基因的三个基本功能基因的三个基本功能v 遗传功能遗传功能- 基因的复制基因的复制v 表型功能表型功能- 基因的表达基因的表达v 进化功能进化功能- 基因的变异基因的变异第一节第一节 dnadna是主要遗传物质是主要遗传物质遗传物质必须具备哪些特点？遗传物

2、质必须具备哪些特点？1 ) 在体细胞中含量稳定；在体细胞中含量稳定；2 ) 在生殖细胞中含量减半；在生殖细胞中含量减半；3 ) 能携带遗传信息；能携带遗传信息；4 ) 能精确地自我复制；能精确地自我复制；5 ) 能发生变异；能发生变异；1869年，年，f.miescher（米歇尔）从脓细（米歇尔）从脓细胞中提取到一种富胞中提取到一种富含磷元素的酸性化含磷元素的酸性化合物合物-核素核素（muclein）。）。 v 18851900年间，年间，kossel、 johnew、levene证实核酸由不证实核酸由不同的碱基组成。其最同的碱基组成。其最简单的单体结构是碱简单的单体结构是碱基基- 核糖核糖-

3、磷酸构成的磷酸构成的核苷酸。核苷酸。v 1929年又确定了核年又确定了核酸有两种，一种是脱酸有两种，一种是脱氧核糖核酸氧核糖核酸( dna)，另一种是核糖核酸另一种是核糖核酸(rna)。核酸和蛋白质的核酸和蛋白质的紫外光吸收波长紫外光吸收波长dna是遗传物是遗传物质的间接证据质的间接证据不同波长的紫外光不同波长的紫外光诱发生物体发生突变诱发生物体发生突变二、二、dna作为遗传物质的直接证据作为遗传物质的直接证据v肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌的转化实验 (1928(1928，griffith griffith 格里菲斯格里菲斯) ) 结论：结论：在加热杀死的在加热杀死的iiisiiis型肺炎双

4、球菌中有型肺炎双球菌中有较耐高温较耐高温的转化物质能够进入的转化物质能够进入iiriir型型 iiriir型转变为型转变为iiisiiis型型 无毒转变为有毒。无毒转变为有毒。v1944年，年，avery 在离体条件下完成细菌转化，并在离体条件下完成细菌转化，并用生物化学的方法证明活性物质是用生物化学的方法证明活性物质是dna.人们仍不相信人们仍不相信dna是遗传物质是遗传物质，这是由于：，这是由于：（1 1）认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸）认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸 的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信 息。而息。而dn

5、adna分子量小，只含分子量小，只含 4 4 种不同的碱基，人种不同的碱基，人 们一度认为不同物种的有机体的核酸只有微小的们一度认为不同物种的有机体的核酸只有微小的 差异。差异。（2 2）认为转化实验中）认为转化实验中 dna dna 并未能提得很纯，还附并未能提得很纯，还附 有其它物质。有其它物质。（3 3）即使转化因子确实是）即使转化因子确实是dnadna，但也可能，但也可能 dna dna 只只 是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当 遗传信息的载体。遗传信息的载体。噬菌体的侵染过程噬菌体的侵染过程 由由蛋白质外壳蛋白质外壳和其内的和其内的遗

6、传物质遗传物质构成。构成。 尾丝固定于大肠杆菌，遗传物质注入尾丝固定于大肠杆菌，遗传物质注入 破坏寄主细胞破坏寄主细胞 原有的遗传物质原有的遗传物质 合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质 组装许多新的子噬菌体组装许多新的子噬菌体 溶菌酶裂解细菌溶菌酶裂解细菌 释放释放 出大量噬菌体。出大量噬菌体。赫尔歇赫尔歇(hershey(hersheya.)a.)等用同位素等用同位素3232p p和和3535s s验证验证dnadna是遗传物质。是遗传物质。原理：原理：p p存在于存在于dnadna，而不存于蛋白质；，而不存于蛋白质；s s存在于蛋白质，不存于存在于蛋白质，不存

7、于dnadna。3232p p标记标记t2t2噬菌体；噬菌体； 3535s s标记标记t2t2噬菌体。噬菌体。v1952年年hershey和和 chase 的噬的噬菌体感染实验菌体感染实验二二. hershey-chase 的噬菌体实验的噬菌体实验 35s 32p waring 10 blender 离心 离心 图 9- hershey 和 chase 的 t2 渗震实验三、三、rnarna也是遗传物质也是遗传物质 a. gierer 和和 g. schraman（ 1956 ）发现烟草花）发现烟草花叶病毒（叶病毒（tobacco mosaic virus），其遗传物质是），其遗传物质是rna

8、。 美国美国heinz fraenkel-conrat和和b. singre （ 1957）用用病毒重建实验病毒重建实验证实了这一结论证实了这一结论。tmvtmv的蛋白质外壳和单螺旋的蛋白质外壳和单螺旋rnarna接种接种：tmvtmv蛋白质蛋白质 烟草烟草 不发病；不发病；tmv rna tmv rna 烟草烟草 发病发病 新的新的tmvtmv；tmv rnatmv rnarnarna酶酶 烟草烟草 不发病。不发病。dnadna是主要的遗传物质：是主要的遗传物质：间接证据：间接证据：直接证据：直接证据：1.1.肺炎双球菌的转化实验（肺炎双球菌的转化实验（19281928） 2.2.在离体条件

9、下完成细菌转化（在离体条件下完成细菌转化（19441944） 3.3.噬菌体感染实验（噬菌体感染实验（19521952）小结小结 一、dna和和rna的化学组成的化学组成 四核苷酸假说：四核苷酸假说： 起初人们普遍认为起初人们普遍认为dnadna是由是由4 4种核苷酸有规律地重复种核苷酸有规律地重复排列而成。排列而成。dnadna分子中有等摩尔数的分子中有等摩尔数的a a、t t、g g和和c c，即，即dnadna的四核苷酸假说：的四核苷酸假说：dnadna不论来源如何，成分都是相不论来源如何，成分都是相同的，同的，因此不可能作为遗传信息的载体。因此不可能作为遗传信息的载体。19501950

10、英英 chargaff chargaff 当量规律当量规律dnadna的碱基组成特点的碱基组成特点chargaffchargaff定律定律 (1)(1)碱基当量定律碱基当量定律: :嘌呤碱总量嘌呤碱总量= =嘧啶碱总量嘧啶碱总量, ,即即a+g=t+c a+g=t+c (2)(2)不同生物的不同生物的dnadna碱基组成有明显的差异，表明具有碱基组成有明显的差异，表明具有 物种的特异性物种的特异性，但没有组织的特异性和不同发育，但没有组织的特异性和不同发育 阶段的特异性阶段的特异性, ,即各种生物的碱基组成是特异而即各种生物的碱基组成是特异而 稳定的，从而稳定的，从而否定了四核苷酸假说。否定了

11、四核苷酸假说。(1). (1). 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 a=t a=t (2). (2). 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即 g=c g=c (3). (3). 含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含 酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即 a+c=t+g a+c=t+g 所有所有dnadna中碱基组成必定是中碱基组成必定是a=ta=t，g=cg=c，这一规律暗示，这一规律暗示a a与与t t，c c与与g g相互配对的可能性相互配对的可能

12、性，为，为watsonwatson和和crickcrick提出提出dnadna双螺旋结构提供了重要依据。双螺旋结构提供了重要依据。 五碳糖：脱氧核糖、核糖五碳糖：脱氧核糖、核糖磷酸磷酸环状的含氮碱基环状的含氮碱基 鸟嘌呤、腺嘌呤鸟嘌呤、腺嘌呤胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶核苷酸核苷酸 核酸的化学组成核酸的化学组成嘧啶环嘧啶环嘌呤环嘌呤环胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤腺嘌呤11n9n1腺苷腺苷(ar) 脱氧胞苷脱氧胞苷(dcr)1,n9-糖苷键糖苷键 1,n1- 糖苷键糖苷键嘌呤环嘌呤环嘧啶环嘧啶环核苷与核苷酸的结构和名称核苷与核苷酸的结构和名称a.

13、 磷酸二酯键磷酸二酯键 b. 多核苷酸链多核苷酸链二、二、dnadna的分子结构的分子结构19531953年，年，watson & crickwatson & crick 建立建立双螺旋模型双螺旋模型，主要是受到，主要是受到4 4个方面的影响：个方面的影响：（1 1）19381938年年w. t. astbury & bellw. t. astbury & bell用用x x衍射技术研究衍射技术研究dnadna。19471947年拍摄了第一张年拍摄了第一张dnadna的衍射照片，并推断的衍射照片，并推断dnadna分子的分子的结构是：结构是： 1 1）柱状；）柱

14、状； 2 2）多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；）多核苷酸是一叠扁平的核苷酸； 3 3）核酸残基取向和分子长轴垂直）核酸残基取向和分子长轴垂直, , 间距为间距为3.4nm3.4nm。（2 2）19511951年年paulingpauling和和coreycorey运用化学的定律来推运用化学的定律来推 理，而不做具体的实验，建立了理，而不做具体的实验，建立了蛋白质的蛋白质的-螺螺 旋模型；旋模型；（3 3）受到晶体学者）受到晶体学者j. donoh & chargaffj. donoh & chargaff的指点。的指点。（4 4）r.franklin & wilkinsr.

15、franklin & wilkins（維爾金）維爾金）在在19521952年底年底 拍得了拍得了dnadna结晶结晶x x衍射照片。衍射照片。v19531953年，年，watson watson 和和crick crick 提出提出dnadna的反的反向平行向平行双螺旋双螺旋模型模型 1962年年wilkins、watson和和crick共获诺贝尔化共获诺贝尔化学奖。学奖。18691869年年，friedrich miescherfriedrich miescher从绷带上的白细胞核中分离出从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的一种含磷的 物质物质，命名为核素（，命名为核素（nuclei

16、nnuclein）。）。1919世纪末期世纪末期， dnadna和和rnarna已经从细胞中分离出来。已经从细胞中分离出来。2020世纪世纪3030年代年代，p. levenep. levene和和w. jacobsw. jacobs等搞清了等搞清了dnadna和和rnarna的的基本化学组成基本化学组成。19281928年年，frederick griffithfrederick griffith发现了肺炎双球菌的转化现象，但转化源的发现了肺炎双球菌的转化现象，但转化源的 化学本质仍是一个谜。化学本质仍是一个谜。19441944年年，转化源就是，转化源就是dnadna。但。但averyave

17、ry等人的发现并没有产生多大的影响，因为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。当时蛋白质是遗传物质的观点盛行。19501950年以后年以后，chargaffchargaff、markhammarkham等人，否定了等人，否定了“四核苷酸学说四核苷酸学说”19521952年年，hershyhershy和和chasechase用用3232p p和和3535s s分别标记噬菌体的分别标记噬菌体的dnadna和蛋白质，和蛋白质， hershy hershychasechase的实验进一步说明的实验进一步说明dnadna是遗传物质。是遗传物质。19531953年年，dna

18、dna双螺旋结构模型的提出才真正确立了双螺旋结构模型的提出才真正确立了dnadna是遗传物质的观点。是遗传物质的观点。双螺旋模型双螺旋模型 (double helix model)space-filling diagram of a dna double helix.b b型双螺旋型双螺旋dnadna的结构特征的结构特征 双螺旋模型双螺旋模型 (double helix model)双螺旋模型有以下特点：双螺旋模型有以下特点：(1) dna(1) dna分子由两条分子由两条反向平行反向平行的多核苷酸链组成（两条链反的多核苷酸链组成（两条链反 向平行，即两条链的方向相反），形成向平行，即两条链的

19、方向相反），形成右手双螺旋右手双螺旋。(2) (2) 糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对在内糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对在内 侧，并与轴线垂直。侧，并与轴线垂直。(3) (3) 两条多核苷酸链上的碱基间形成两条多核苷酸链上的碱基间形成氢键氢键，碱基，碱基 配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。(4) (4) 上下碱基对间距为上下碱基对间距为0.34nm, 0.34nm, 绕轴一周距离为绕轴一周距离为3.4nm3.4nm， 是是10bp, 10bp, 平均直径为平均直径为2nm.2nm.(5) dna(5) dna双螺旋有双螺旋有大沟大沟（major

20、or wide groovemajor or wide groove） 和和小沟小沟（minor or narrow grooveminor or narrow groove）的存在。）的存在。三、三、rnarna分子结构：分子结构： 与与dnadna的区别：的区别：u u代替代替t t；核糖代替脱氧核糖；核糖代替脱氧核糖；一般以单链存在。一般以单链存在。四、染色体的分子结构四、染色体的分子结构一、原核生物的染色体：一、原核生物的染色体： 1 1特点特点: :染色体简单：染色体简单：dnadna分子：如细菌、多数噬菌体和多数动物病毒；分子：如细菌、多数噬菌体和多数动物病毒； rnarna分子：

21、如植物病毒、某些噬菌体和动物病毒。分子：如植物病毒、某些噬菌体和动物病毒。遗传信息含量少：遗传信息含量少：只有一条染色体，且只有一条染色体，且dnadna含量远低于真核生物。含量远低于真核生物。* * 大肠杆菌（大肠杆菌（e. colie. coli）只有一个环状染色体，）只有一个环状染色体， 其其dnadna分子含核苷酸对为分子含核苷酸对为3 310106 6，长度，长度1.1mm1.1mm。* * 蚕豆配子中染色体蚕豆配子中染色体(n=6)(n=6)的核苷酸对为的核苷酸对为2 210101010，长度，长度6000mm6000mm。2 2结构结构: :(1).(1).噬菌体的染色体结构：噬

22、菌体的染色体结构：a: 10-10m(2).(2).大肠杆菌的染色体结构：大肠杆菌的染色体结构： 染色体染色体dna dna 结合物质：几种结合物质：几种dnadna结合蛋白、结合蛋白、rnarna。 二、真核生物的染色体：二、真核生物的染色体： 、染色质的基本结构、染色质的基本结构: : 1 1组成组成: :(1)(1)dnadna：占染色质重量的：占染色质重量的303040%40%；(2)(2)蛋白质：组蛋白含量比例与蛋白质：组蛋白含量比例与dnadna相近，结构上起相近，结构上起 决定作用；非组蛋白与基因的调控有关。决定作用；非组蛋白与基因的调控有关。(3)(3)其它：其它：rnarna

23、和一些脂类。和一些脂类。2 2结构结构: :通过电镜观察和研究，提出染色质结构的通过电镜观察和研究，提出染色质结构的串珠模型串珠模型。染色质的基本结构单元：染色质的基本结构单元： 核小体核小体（nucliesome）: : 由由h2ah2a、h2bh2b、h3h3和和h4 4h4 4种组蛋白构成。种组蛋白构成。 连接丝连接丝: dna: dna双链双链 + h1+ h1组蛋白。组蛋白。组蛋白组蛋白 h1h1 5353个氨基酸个氨基酸 h2ah2a129129个氨基酸个氨基酸 h2b h2b125125个氨基酸个氨基酸 h3 h3 133133个氨基酸个氨基酸 h4 102 h4 102个氨基酸

24、个氨基酸1 1个核小体个核小体( (绕有绕有1.751.75圈圈dna)+dna)+连接丝连接丝 约约200bpdna200bpdna。组蛋白在进化上很保守，亲缘关系组蛋白在进化上很保守，亲缘关系很远很远的生物的生物差异很小差异很小。如如h4h4：牛、豌豆均是：牛、豌豆均是102102个氨基酸，其中仅个氨基酸，其中仅2 2个氨基酸不一样。个氨基酸不一样。diagram shows the relative positions of the dna superhelix and histones.2.2.核酸的化学结构核酸的化学结构: :dnadna的分子结构，双螺旋结构，自我复制。的分子结构，

25、双螺旋结构，自我复制。3.3.染色体的分子结构：染色体的分子结构：原核生物染色体结构模型；原核生物染色体结构模型；真核生物染色体的折叠模型真核生物染色体的折叠模型 小结小结（一）、原核生物染色体（一）、原核生物染色体原核生物染色体简单，通常一个核酸分子（原核生物染色体简单，通常一个核酸分子（dnadna或或 rna)rna)，单，单链或双链，环状或线性。链或双链，环状或线性。e.coli e.coli ： 2.42.410109 9 da da，42000 kb42000 kb（13001300微米），微米）， 闭合环状，约编码闭合环状，约编码20002000个基因。个基因。类核类核（nucl

26、eoidnucleoid）。）。支架支架 (scafford(scafford）由）由100100个个dnadna环组成，每个环环组成，每个环40kb40kb， 1313微米。微米。大肠杆菌染色体结构大肠杆菌染色体结构（二）、真核生物染色体（二）、真核生物染色体v染色质或染色质线染色质或染色质线v核小体核小体-染色体基本结构单位染色体基本结构单位v异染色质异染色质 组成型异染色质组成型异染色质 兼性异染色质兼性异染色质v常染色质常染色质v异固缩现象异固缩现象组蛋白类型碱性氨基酸氨基酸数分子量（da）lysargh129%1%21523,000h2a11%9%12913,960h2b16%6%1

27、2513,775h310%13%13515,340h411%14%10211,2801. 组蛋白组蛋白 - 小牛胸腺小牛胸腺dna的组蛋白的特点的组蛋白的特点2 2 核小体核小体（nucliesome）1956年年wilkins和和vittorio luzzati对染色质进行了对染色质进行了x衍射研衍射研究，发现染色质具有间隔为究，发现染色质具有间隔为100埃的重复性结构。埃的重复性结构。hewish和和burgoyun（1973年）用内源核酸酶消化细胞核，年）用内源核酸酶消化细胞核，再从核中分离出再从核中分离出dna，结果发现一系列，结果发现一系列dna片段，它们片段，它们相当于长约相当于长

28、约200bp的一种基本单位的多聚体。的一种基本单位的多聚体。m.noll（1974年）用外源核酸酶处理染色质，然后进行年）用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，测得前三个片段长度分别为电泳，测得前三个片段长度分别为 205，405，605bp长。长。3. 染色体的高级结构染色体的高级结构染色体结构模型：染色体结构模型： 放射环模型（放射环模型（radeal loop model） 螺旋环模螺旋环模 （marsdenlaemmli,1979,paulson.,1982） 放射环和螺旋环共存模型（放射环和螺旋环共存模型（rattner和和lin，1985） 袢环模型（袢环模型（j.painta和和

29、d.coffey,1984） 螺旋折叠（螺旋折叠（helically folded）、）、(boy de tour,ey 和和 laemmli u.k.1988)等模型等模型 侧环模型侧环模型染色体的结构模型染色体的结构模型vdna 超螺旋化超螺旋化- 核小体（核小体（10nm) h2a, h2b, h3, h4v核小体螺旋化核小体螺旋化 - 超微螺旋的螺旋管（超微螺旋的螺旋管（30nm) h1v螺旋管进一步卷缩螺旋管进一步卷缩 - 染色体染色体 非组蛋白骨架非组蛋白骨架4. 着丝粒和端粒着丝粒和端粒（1 1）着丝粒）着丝粒v由三个功能区组成v中部的元件(ii)由80-90bp组成，a+t含量

30、高，90%；v左侧的元件(i)含有putcacputg顺序（pu是嘌呤），v右侧的元件(iii)是由26bp组成的保守区，此区也是a-t丰富区。v所有真核生物的着丝粒功能都相同，但其dna却具有种的特异性。diagram of the conserved structure of the centromeres in saccharmyces cerevisiae (top) and the sequence of the cen region of chromosome 3 of this species (bottom).采用荧光技术进行人类中期染色体着丝粒的原位杂交采用荧光技术进行人类中

31、期染色体着丝粒的原位杂交共同特点共同特点：* 每一个端粒都含有一系列的短的每一个端粒都含有一系列的短的正向重复顺序正向重复顺序。 cn(a/t)m ，其中，其中n1，而，而m=14。* 在端粒区域中有一种特殊的不连续排列，产生单在端粒区域中有一种特殊的不连续排列，产生单 链断裂的形式，这种结构并不能被连接酶将缺口链断裂的形式，这种结构并不能被连接酶将缺口 封闭起来。封闭起来。* 提纯的天然端粒区可直接用提纯的天然端粒区可直接用 e.coli dna多聚酶多聚酶 i 进行进行缺口平移缺口平移(nick translation) 。* 在端粒区的最末端可能带有在端粒区的最末端可能带有3- oh 的单链末端回的单链末端回 折折 成了发夹回成了发夹回(hairpin)结构。结构。* 端粒的双链部分中含有端粒的双链部分中含有t2g4的顺序在的顺序在3末端，排末端，排 列方向是朝向染色体的中心部位。列方向是朝向染色体的中心部位。 端粒的功能端粒的功能 * 防止染色体末端被防止染色体末端被dna酶酶切。酶酶切。 * 防止染色体末端与其他防止染色体末端与其他dna分子结合。分子结合。 * 使染色体末端在使染色体末端在dna复制中保持稳定。复制中保持稳定。 * 使线形使线形dna的的复制复制顺利。顺利。 * 影