第2章-遗传的物质基础

第2章遗传的物质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：基因位于细胞核内染色体上；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。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)。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。埃尔文·薛定谔第2章遗传的物质基础第一节遗传物质第二节核酸的结构第三节基因的结构特征第四节染色质与染色体第五节细胞分裂第一节遗传物质－核酸一、细菌的转化二、噬菌体的侵染三、感染性的RNA四、DNA是遗传物质的旁证一、细菌的转化S型（光滑型）：多糖组成荚膜，分SI,SII,SIII，有毒性。R型（粗糙型）：无荚膜，分RI,RII,RIII，无毒性。1928年，英国Griffth的肺炎双球菌转化实验1944年Avery等，将加热杀死的SⅢ型细菌滤过液分离纯化，提取了多糖、脂类、RNA、蛋白质、DNA等物质。证明转化因子是DNA的实验二、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：S存在于蛋白质中，但DNA中没有；

P是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中。2.Hershey和Chase的实验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：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。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。四、DNA是遗传物质的旁证1、细胞核中DNA的含量恒定性；2、细胞核中DNA在各个时期质的恒定性；3、配子中DNA含量一般是体细胞中DNA含量的一半，蛋白质和其他物质则否；4、紫外线诱变作用与DNA的关系。第二节核酸的结构从遗传现象来看，作为遗传物质应满足的条件：（1）自我复制的能力（2）相对的稳定性（3）多样性（4）可变性第二节核酸的结构一、DNA和RNA的化学组成二、DNA的结构三、RNA的结构一、DNA和RNA的化学组成核苷酸碱基戊核榶磷酸TACGUDNA中RNA中脱氧核糖（DNA中）核糖（RNA中）二、DNA的结构1、DNA的一级结构2、DNA的二级结构3、DNA的高级结构1、DNA的一级结构DNA的一级结构：

指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。绝大部分生物的DNA分子都由两条单链构成，通常以线性和环状的形式存在。Chargaff当量定律：

1943年，英国的Chargaff发现虽然不同的DNA其碱基组成显著不同，但A和T，G和C的摩尔含量总是相等的，即[A]=[T]、[G]=[C]，因此，嘌呤的总含量和嘧啶的总含量是相等的，即A+G=C+T。1、DNA的一级结构RosalindE.Franklin

(1920–1958)JamesD.Watson(1928–)

(ColdSpringHarborLaboratoryResearchLibraryArchives.MargotBennet,photographer.)FrancisCrick(1916–2004)(ReproducedbypermissionofHerbWeitman,WashingtonUniversity,St.Louis,Missouri.)2、DNA的二级结构莫利斯·威尔金斯（MauriceWilkins,1916-）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。威尔金斯、富兰克林研究小组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。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。J.D.WatsonF.H.C.Crick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。科普作家Freeland和Judson把发现DNA结构称为创世纪的第八天。Crick和watson就是这“第八天”的开创者，是他们打开了分子生物学的大门，人类社会为之一变。2、DNA的二级结构DoublehelicalstructureofDNA.

(a)DNAmagnifiedtwenty-fivemilliontimesbyscanningtunnelingmicroscopy.(b)Componentparts.(c)Linedrawing.

([a].JohnD.Baldeschweiler.)DNA分子是同两条多核苷酸链构成的，两条链围绕着同一轴盘绕，形成一个反向平行的双螺旋结构，两条链由碱基对之间的氢键互补连接在一起。双螺旋结构使DNA分子有相对的稳定性，两条链的反向极性和互补性提供了DNA分子自我复制的条件，无尽的核苷酸排列序列规定了DNA的多样性。DNA双螺旋的结构特点1.主链：两条长链反向平行，螺旋而成螺旋直径为2nm2.右手螺旋、反向平行（antiparallel）3.内侧是扁平的盘状碱基、两条链的碱基以氢键与互补碱基相连A＝T；C≡G、4.每个螺旋长3.4nm，10bp，直径2nm、上下碱基对相距0.34nm5大沟（majorgroove）和小沟（minorgroove）小沟大沟3、DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，分为负超螺旋和正超螺旋两种。

三种类型DNA双螺旋的比较

类型螺旋方向螺距(nm)每圈bp数螺旋直径骨架走行存在条件A型右手螺旋2.311变宽平滑体外脱水B型右手螺旋3.4102nm平滑随机DNA生理条件下Z型左手螺旋4.512变窄锯齿型CG间隔排列区段碱基排列顺序的多样性和稳定性DNA分子是由A-T和C-G两种bp连接起来的，每个DNA分子一般有成千上万个bp。假设DNA分子长1000bp，就可能有41000种不同的排列形式，41000种不同的分子结构。反映出来的就可能是41000种不同性质的基因。对特定的生物体来说，DNA分子中的碱基顺序通常是保持不变，这样才能保持该遗传特性的稳定。只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或用碱基类似物代替某一碱基时，才出现可遗传的变异（突变）。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，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。三、RNA的结构绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键。一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。1、信使RNA（mRNA）2、核糖体RNA（rRNA）3、转移RNA（tRNA）1、信使RNA（mRNA）蛋白质结构基因转录的单链RNA，作为蛋白质合成的模板，有蛋白质中氨基酸序列的信息。mRNA约占细胞内RNA总量的5%~10%，其寿命通常不很长，易被RNA酶降解。原核生物和真核生物mRNA的结构差别：在原核生物中，通常是几种不同的mRNA连在一起，相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所分开，这种mRNA称这为多顺反子mRNA；在真核生物中，mRNA则为一条RNA多聚链。在真核生物中，转录形成的RNA中，含由大量非编码序列，大约只有25％RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)。真核生物mRNA有一些共同的结构特征，如：5‘端有一个特殊的帽子结构，即7-甲基鸟苷；3’末端具有多聚腺嘌呤尾巴（长约200nts)。2、tRNA如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。

由于合成蛋白质的原材料—20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。

因此，必须用一种特殊的RNA—转移RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。

每种氨基酸可与1－4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上，约占细胞内RNA总量的10%~15%。tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(25000－30000)，由70到90个核苷酸组成。1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：酵母、大肠杆菌、小麦、鼠等的十几种tRNA的结构，证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型(图3－22)。

tRNA的结构的共性(图3－23)：5’端之末具有G(大部分)或C。3’端之末都以ACC的顺序终结。有一个富有鸟嘌呤的环。有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。有一个胸腺嘧啶环。3、rRNA核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。rRNA约占细胞中RNA总量的75%~80%。原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23S等三种。S为沉降系数(sedimentationcoefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。真核生物的核糖体，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3’端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。除了上述三种主要的RNA外，还有小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成份。另外，还有端体酶RNA(telomeraseRNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA(antisenseRNA)，它参与基因表达的调控。上述各种RNA分子均为转录的产物，mRNA最后翻译为蛋白质，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻译，其终产物即为RNA。第三节基因的结构特征一、基因的概念发展二、基因的一般结构特征三、真核生物基因组的特点一、基因概念的发展1909年“基因”1865年“遗传因子”1910年“定位于染色体上”1944年“转化实验”1952年“T2噬菌体侵染实验”1926年《基因论》基因的化学本质是DNA1908年“苯丙酮尿症”1941年“一个基因一种酶”顺反子学说：“一个基因一条多肽链”1961年“操纵子”学说1951年“转座子”的概念1967年“插入序列”1977年“断裂基因”1978年内含子与外显子、重叠基因二、基因的一般结构特征（一）外显子与内含子（二）信号肽序列（三）侧翼序列和调控序列真核生物基因的一般结构示意图GC盒AGGA或CAAT盒内含子加帽位点5‘m2GpppNp5‘非编码区起始密码子信号肽序列内含子边界5‘GT外显子终止密码子加poly(A)信号3‘非编码区内含子边界3‘AGTATA盒（一）外显子与内含子真核生物结构基因是断裂基因，一般由若干个外显子和内含子组成。内含子在原始转录产物的加工过程中被切除，不包含在成熟mRNA的序列中。GT-AG法则：

在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守的共有序列，即每个内含子的5‘端起始的2nts(nontranscribedspacer)都是GT，3’末端的2nts都是AG。（二）信号肽序列在分泌蛋白基因的编码序列中，在起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列，它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。信号肽序列在完成分泌过程后将被切除，不留在新生的多肽链中。（三）侧翼序列和调控序列每个结构因子在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录和翻译的非编区，称为侧翼序列。其中从转录起始位点至起始密码子称为5‘非翻译区，从终止密码子至转录终止子称为3‘非翻译区。侧翼序列虽不被转录和翻译，但它常常含有影响基因表达的DNA序列。对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列被统称为调控序列。1、启动子2、增强子和沉默子3、终止子4、加尾信号5、核糖体结合位点1、启动子★是指准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列。转录起始位点(+1位)下游区域为正区，上游区域为负区。启动子通常位于转录起始位点上游100bp(-100bp)内，是RNA聚合酶识别和结合的位点。TATA框（-19--27bp）、CAAT框（-70---80bp）、GC框（-40---110bp）2、增强子和沉默子增强子也是一种基因调控序列，它可使启动子发动转录的能力大大增强，从而显著地提高基因转录的效率。增强子的作用与它所处的位置、方向及与基因的距离无关。具有组织特异性和细胞特异性。沉默子：通过与有关的蛋白质结合，对转录起阻抑作用，根据需要关闭某些基因的转录，可以远距离作用于启动子。其对基因的阻遏作用没有方向的限制。3、终止子是一段位于基因3‘端非翻译区（UTL）中与终止转录过程有关的序列，由一段富含GC的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA酶停止工作的信号。4、加尾信号真核生物mRNA的3‘Poly(A)尾巴不是由基因编码，是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加上的。此过程受3’UTL中加尾信号的控制。5、核糖体结合位点SD序列（shine-dalgarnosequence)：在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD是其中主要的一种。SD序列在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，有一段富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3’端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。三、真核生物基因组的特点（一）基因组和C值（二）单一序列（三）重复序列（四）基因家族和假基因（一）基因组和C值1、基因组狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA）广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。详细内容参见第八章基因组学2、C值与C值矛盾C值（Cvalue）：每一种生物中的单倍体基因组的DNA总量是特异的，称这为C值。一般来说，C值与生物结构、功能复杂程度相关，即表现在基因数目和基因产物的种类上。不同生物基因组的C值注：基因组的长度由公式10bp=3.4nm计算出基因组DNA含量与物种形态复杂性并不对应C值矛盾C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严格的对应关系，这种现象称为C值矛盾。两栖类动物，例如两栖鲵的C值是84，其c值竟然比包括人类(3.2)在内的哺乳类的c值还高近30倍。牛与人的DNA含量相等。而豌豆与蚕豆均属豆科，又都有12条染色体，可是DNA含量却相差7倍。一些主要模式生物基因的数目（二）单一序列UniqueSequence又称非重复序列（nonrepetitivesequence）是指在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。原核生物除了短片段的反向重复序列以及16S、23S、5SrRNA和tRNA基因外，皆为单一序列。真核生物单一序列所占的比例为40%~70%。动物基因组中将近50%DNA是单一序列，真核基因组中大多数结构基因是单拷贝的，如果蝇的α4-微管蛋白(tubulin)基因，鸡的α2I型胶原蛋白(collagen)基因，卵清蛋白基因以及蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白基因等。（三）重复序列Repetivesequence重复序列的长短：短的仅有几个甚至两个核苷酸，长的有几百至上千个核昔酸：重复程度：多的可在基因织中出现几十万到几百万次，称为高度重复序列，另外一些序列重复几十到几千次，称为中度重复序列。分布：成簇存在于DNA某些部位，或分散分布于整个基因组。中度重复序列中度重复序列在真核生物基因组中占25%-40%，分散地分布于整个基因组的不同部位。根据重复单位的片段长度和拷贝数的不同，中度重复序列可分为二种类型：短分散重复序列

(SINEs)，长分散重复序列(LINEs)。SINEs的重复单位的长度为300-500bp，拷贝数可达105以上。如Alu家族(Alufamily)是人类及哺乳动物基因组中十分典型的短分散重复序列LINEs的重复单位长度为5000-7000bp，重复次数为102-105次。例如人类的KpnI家族(KpnIfamily)和哺乳动物的LINE1家族。高度重复序列就是在基因组中存在大量拷贝的序列，其重复次数高达106-108。（通常这些序列是由很短的碱基组成的，长度为2-200bp。卫星DNA(satelliteDNA)：有些高度重复序列常含有异常高或低的GC含量，当基因组DNA被切断成数百个碱基对的片段进行氯化铯密度梯度超离心时，这些重复序列片段常在主要DNA带的前面或后面形成一个次要的DNA区带，这些小的区带就象卫星一样围绕着DNA主带。可变数目串联重复序列(variablenumbertandemrepeats，VNTR)：在卫星DNA中有一类以少数核苷酸为单位多次串联重复的DNA序列，以6-25个核苷酸为核心序列(coresequence)的串联重复序列称为小卫星DNA，以2-6个核苷酸串联重复序列称为微卫星DNA。小鼠DNA经CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星DNA带（四）基因家族和假基因1、基因家族Genefamily真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一级基因称为一个基因家族。基因簇Genecluster：基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。如:高等真核生物的28S、18S和5.8SrRNA；tRNA基因；珠蛋白基因家族。2、假基因在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性，这类基因称为假基因。假基因与有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，但由于缺失、倒位或突变等原因使该基因失去活性成为无功能基因。人类基因组结构编码DNA90Mb人类基因组3000Mb基因和基因相关序列900Mb非编码DNA810Mb拟基因基因片段内含子前导区尾区基因外序列2100Mb重复DNA420Mb单拷贝和低拷贝DNA1680Mb串联重复散在重复卫星DNA小卫星DNA微卫星DNALTR元件LINESINEDNA转座子第四节染色质与染色体一、染色质的化学组成二、染色质的类型三、染色质包装的结构模型四、染色体的形态、结构和数目五、核型分析与染色体显带

异染色质，异染色质区

染色很深的区段染色质常染色质，常染色质区

染色很浅的区段（核酸的紧缩程度及含量不同，异染色质的复制时间总是迟于常染色质）异固缩现象

一、染色质的化学组成真核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)。大肠杆菌的染色体DNA分子伸展有1200µm长，细菌直径1－2µm原核生物的染色体结构模型

真核生物染色体

染色质的基本结构。DNA与组蛋白是染色质的稳定成分。染色质DNA:30%(重量)RNA:少量组蛋白：1H1、2H2A、2H2B、2H3和2H4非组蛋白：少量染色质基本结构单位

核小体：2H2A、2H2B、2H3、2H4----八聚体。连接丝：串联两个核小体。

1H1：结合于连接丝与核小体的接合部位。核小体结构模型一个核小体及其连接丝约含180－200bp约146bp盘绕在核小体表面1.75圈，其余bp为连接丝，其长度变化较大，从短的8bp到长的114bp。corehistoneandnucleosome螺线管核小体与串珠结构DNA→ChromosomePacking染色质状态与长度和宽度变化宽度增加长度压缩第一级DNA+组蛋白

核小体5倍7倍第二级核小体

螺线体3倍6倍第三级螺线体

超螺线体13倍40倍第四级超螺线体

染色体2.5-5倍5倍500-1000倍8400倍

(8000-10000)组蛋白、非组蛋白组蛋白组蛋白有5种：H1；H2A、H2B、H3、H4在功能上分为核心组蛋白(corehistone)和H1组蛋白两组。非组蛋白(nonhistone)主要是序列特异性DNA结合蛋白。主要包括：与DNA和组蛋白的代谢、复制、重组、转录调控等密切相关的各种酶类；形成染色质高级结构的支架蛋白；具有基因调控作用的高迁移率蛋白(HMGprotein)。此外，还有一类可促进DNA包装进精子头部的鱼精蛋白。二、染色质的类型常染色质(euchromatin)是指在间期细胞核内，对碱性染料着色浅、染色质纤维折叠压缩程度低、处于较为伸展状态的染色质，多存在于核质中。构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。异染色质(heterochromatin)是指在间期细胞核内，对碱性染料着色深、染色质纤维折叠压缩程度高、处于聚缩状态的染色质，常以高度有序的结构形式存在于细胞核周边部位。异染色质又分为：结构异染色质(constructiveheterochromatin)兼性异染色质(facultativeheterochromatin)结构异染色质(constructiveheterochromatin)是指在整个细胞周期中，除复制以外，均处于聚缩状态，DNA包装在整个细胞周期中基本没有较大变化的异染色质。具有如下特征：

⑴主要由相对简单、高度重复的DNA序列构成；⑵具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质；⑶占有较大部分核DNA，在功能上参与染色质高级结构的形成，作为核DNA的转座元件，可引起遗传变异。兼性异染色质(facultativeheterochromatin)是指在某些细胞类型或一定的发育阶段，由原来的常染色质聚缩，并丧失基因转录活性而变为异染色质的染色质。兼性异染色质的总量常随不同细胞类型而变化，染色质通过紧密折叠压缩可能是关闭基因活性的一种途