第三章 遗传物质的分子基础

遗传学在微观水平的深入基因的化学基础是什么遗传的染色体理论认为：基因位于核内染色体上染色体的主要化学成份——蛋白质和核酸何者为基因的化学基础*“蛋白质是遗传物质”观点及其主要论据基因化学本质的条件：具有三种功能(p31)遗传功能(复制与世代传递)表型功能(具有适当的控制性状的表达机制)进化功能(能够产生变异满足生物进化的要求)1三个学派E.Schrödinger(1945)(薛丁格)：Whatislife二十世纪，由于物理学、化学和数学研究工作者的加入，在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派：物理学——结构——结构学派化学——生化——生化学派数学——信息——信息学派2第三章遗传的分子基础

(pp31-64;pp178-248;pp258-267)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*第六节遗传工程本章要点3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(pp31-32)二、DNA是遗传物质的直接证据(pp32-34)(一)、细菌转化试验(二)、噬菌体侵染与繁殖试验(p33)(三)、烟草花叶病毒拆合实验(pp33-34)*三、非核酸类的遗传物质4一、DNA是遗传物质的间接证据(pp31-32)DNA普遍存在于生物体内含量恒定。配子中DNA的含量恰好是体细胞的一半。DNA结构的变化与突变具有一致性。DNA在代谢上较稳定。DNA能自我复制，具有世代的延续性。5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(pp31-32)二、DNA是遗传物质的直接证据(pp32-34)(一)、细菌转化试验(二)、噬菌体侵染与繁殖试验(p33)(三)、烟草花叶病毒拆合实验(pp33-34)*三、非核酸类的遗传物质6(二)、噬菌体侵染与繁殖试验(p33)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分最后组装形成完整的T2噬菌体因此只要探明侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就能证明哪种物质是遗传信息载体另外：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72.Hershey和Chase的实验(p33)1952,Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质图2-2赫尔歇的噬菌体实验8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9(三)、烟草花叶病毒的感染和繁殖试验烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒：中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳拆分感染试验：

RNA接种到烟叶→发病

RNARNA酶处理RNA→不发病

TMV

蛋白质：接种后不形成新的TMV

不发病说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质102.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11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12三、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13*(一)、DNA分子结构的研究上世纪中期，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二级与高级结构研究的兴趣，当时进行DNA结构研究的科学家很多，最重要有：141.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(氢链)而获得诺贝尔化学奖152.威尔金斯、富兰克琳研究小组主要工作：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16aboutFranklin173.沃生、克里克研究小组Watson、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183.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，Watson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Watson，Crick和Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理学及医学奖19DNA双螺旋结构的发现对DNA双螺旋结构的发现作出重大贡献的四位科学家物理学家FrancisCrick

生物学家JamesWatson物理学家MauriceWilkins化学家RosalindFranklin

由于Franklin过早的去世，1962年，诺贝尔生理和医学奖只授给了前面Crick、Watson和Wilkins三位。20Frankeline早期所拍的DNAX光结构照片1953年，Watson和Crick确立了正确的碱基分子A和T、C和G的配对模型，并从X光照片确认，两条骨架链是反平行的，从而创建了DNA双螺旋结构模型。这一模型，也得到WILkins和Franklin的认可。当年4月25日，自然杂志发表了Crick和Watson的论文，同时也发表了Wilkins和Franklin与他们的合作者分别写的两篇实验结果的论文。DNA双螺旋结构的发现21Watson、Crick的DNA双螺旋结构22三、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23(二)、DNA分子双螺旋结构模型DNA分子双螺旋结构模型要点242.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。Watson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(geneticcode)，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253.DNA分子构型的多态性(p38)26*第三节遗传信息的表达与调控(pp49-64)一、中心法则及其发展(pp63-64)二、遗传信息的转录(RNA的合成)与RNA的加工(pp53-56)三、遗传密码及其特性(pp56-58)四、遗传信息的翻译(pp58-62)五、基因表达调控(pp185-214)27一、中心法则及其发展(pp63-64)中心法则(centraldogma)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28中心法则的发展反转录(逆转录)：反转录酶cDNARNA的自我复制DNA指导蛋白质合成29第四节基因的概念与发展(pp178-185)一、经典遗传学中基因的概念(p178)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(pp179-183)四、现代分子遗传学关于基因的概念(pp183-185)30二、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31三、基因的微细结构与性质(pp179-183)(一)、位置效应(二)、遗传的最小结构单位(pp180-183)(三)、遗传的最小功能单位(pp179-180)32(一)、位置效应位置效应及意义：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“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33三、基因的微细结构与性质(pp179-183)(一)、位置效应(二)、遗传的最小结构单位(pp180-183)(三)、遗传的最小功能单位(pp179-180)341.果蝇眼型遗传试验(E.B.Lewis)Lewis分离到果蝇染色体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/+比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研究表明：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(alSho)，并获得杂种alSho//+ast+35试验结果36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37图示与分析拟等位基因假设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382.T4突变型(rII)遗传研究(pp180-181)SeymourBenzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究证明：拟等位基因的说法是不正确的T4野生型在E.Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑T4突变品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.ColiB上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.ColiK(λ)上不能生长39试