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第二章 遗传的物质基础－DNA

• 1、遗传物质的本质
• 2、DNA的一级结构
• 3、DNA的二级结构
• 4、DNA物理结构的不均一性
• 5、DNA的变性、复性和杂交
• 6、DNA二级结构的多样性
• 7、DNA超螺旋和拓扑异构现象

第2页：1 遗传物质的本质

1 遗传物质的本质

1遗传物质的本质The Nature of Genetic MaterialBackground

第3页：19世纪末期

19世纪末期

DNA和RNA已经从细胞中分离出来，为进一步的化学分析奠定了基础。

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第6页：1928年

1928年

英国细菌学家Frederick Griffith发现了肺炎链球菌的转化现象，这一发现表明活的无毒R型细菌从死去的有毒S型菌得到了一些什么东西从而使无毒的R型转化成有毒的S型肺炎球菌。但转化源（transforming principle）的化学本质仍是一个谜。

第7页：细菌转化实验

细菌转化实验

（Transformation in Bacteria）

第8页：1944年

1944年

美国纽约洛克菲勒医学研究所（Rockefeller Institute for Medical Research）的细菌学家Oswald Avery、Colin Macleod和Maclyn McCarty用有机溶剂去除细菌提取物中的蛋白质成分、用胰蛋白酶（trypsin）和胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）消化蛋白对细菌的转化都没有任何影响。但DNA酶消化却可以使转化作用不能发生。

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第10页：Avery等

Avery等

对转化物质又进行了超速离心、电泳、紫外分光光度测定等一系列分析，发现转化物质具有高分子量、高电泳迁移率等特性，在260 nm波长有光吸收，N/P比在1.67左右。这些都已经说明转化源就是DNA。

第11页：Hershey－Chase噬菌体侵染实验

Hershey－Chase噬菌体侵染实验

• 1952年，美国冷泉港实验室Hershy和Chase用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，发现只有DNA进入宿主细菌内，而蛋白质则没有。
• Hershy－Chase的实验进一步说明DNA是遗传物质。

第12页：Hershey－Chase实验

Hershey－Chase实验

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第15页：1950年以后

1950年以后

Chargaff、Markham等人测定了大量生物的DNA碱基组成后，发现不同生物的DNA碱基组成不同，具有严格的种的特异性。这也给当时反对DNA是遗传物质的“四核苷酸学说”以致命的打击。

第16页：RNA也可以作为遗传物质

RNA也可以作为遗传物质

• 所有已知的有机体和许多病毒的遗传物质都是DNA双螺旋，但一些病毒也采用另一种核酸－RNA作为遗传物质，如逆转录病毒。
• 类病毒（viroid）只由很小的环状RNA分子组成，其RNA本身就是一个感染因子。

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第18页：是否存在核酸以外的其他遗传物质

是否存在核酸以外的其他遗传物质

• 自然界似乎有特例表明，还有除核酸之外的遗传物质。
• 朊病毒是迷一样的感染性粒子。目前唯一鉴定的组分是蛋白，所以这种感染性粒子不是核酸，而是一种蛋白质病原，称为朊病毒（prion）。

第19页：1997 年美国加州大学旧金山分校

1997 年美国加州大学旧金山分校

（UCSF）的Stanley Prusiner 教授在被朊病毒感染的病体中发现了一种具有传染性、可以抗蛋白酶的特殊蛋白质，称为朊病毒蛋白（Prion Protein，PrP）并对其感染机制进行了探讨。

第20页：PrPC和PrPSC的一级结构完全相同

PrPC和PrPSC的一级结构完全相同

但二级结构却有很大差异：前者α螺旋的含量约为40％，几乎没有β片层结构；而后者含有高达50％的β片层结构，只有20％的α螺旋。

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第22页：朊病毒的繁殖过程

朊病毒的繁殖过程

实际上就是朊病毒PrPSC和PrPC结合，以PrPSC为模板把PrPC的立体构型的信息输入到PrPC的过程。

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第24页：2001年加里福尼亚大学

2001年加里福尼亚大学

的Peter Chien和Jonathan Weissman通过实验模拟了朊病毒在两种不同酵母菌之间的传染过程。他们发现一个朊蛋白分子可以有多种致病构型，并能将其它朊蛋白转化而不需要其它蛋白的协助，为阐明朊病毒跨物种传染机制打下基础。

第25页：2 DNA的一级结构

2 DNA的一级结构

• 20世纪40年代中期，生物化学家已经搞清楚了DNA和RNA的基本组成。DNA和RNA均为核苷酸（nucleotide）组成链状大分子，核苷酸之间通过3’-5’-磷酸二酯键（phiosphodiester）相连。
• DNA的一级结构就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学组成。

第26页：Phosphodiester Backbon

Phosphodiester Backbone

PhosphodiesterBackbone

第27页：组成DNA分子

组成DNA分子

的碱基虽然只有4种，它们的配对方式也只有AT和GC两种，但是碱基可以按任何顺序排列，构成了DNA分子近乎无限的多样性。

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第29页：DNA一级结构

DNA一级结构

的意义不仅在于它蕴藏了遗传信息，而且还决定了DNA的二级结构和高级结构。

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第34页：3 DNA的二级结构

3 DNA的二级结构

Watson－Crick右手双螺旋结构Background

第35页：理论化学家Linus Pauling

理论化学家Linus Pauling

在蛋白质α-螺旋的氢键连接以及对α-螺旋的解释方面作出了重要的贡献。

第36页：Rosalind Franklin

Rosalind Franklin

的X-射线衍射图

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第38页：Watson-Crick右手双螺旋结构模型的

Watson-Crick右手双螺旋结构模型的要点

主链脱氧核糖和磷酸通过3’,5’磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的骨架（backbone）。两条链方向以反向平行的方式组成右手双螺旋。

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第41页：碱基对只有A和T配对

碱基对只有A和T配对

G和C配对才能满足正常螺旋（直径20 Å ）的要求和chargaff的当量规律。

第42页：A very useful number

A very useful number

660

第43页：氢键配

氢键配

对碱基之间能够形成氢键，而同一条链中的相邻碱基形成一种碱基堆积力。两种力量的协同作用维持了双螺旋结构的稳定性。

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第49页：bHLH转录因子

bHLH转录因子

对DNA大沟的识别

第50页：决定双螺旋结构状态的因素

决定双螺旋结构状态的因素

氢键GC之间有三条氢键，AT之间有两条氢键，这是DNA双螺旋结构的重要特征之一，DNA的许多物理性质如变性、复性以及Tm值等都与此有关。加入尿素或甲酰胺等可以使Tm值显著降低。

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第53页：碱基堆集力DNA同一条链相邻碱基之间

碱基堆集力DNA同一条链相邻碱基之间

的非特异性作用力，包括疏水作用力和van der Waal力。疏水作用力使DNA相邻的碱基有相互堆集在一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因素之一。DNA双链中存在大量的嘌呤环和嘧啶环，其累积的van der Waal力是相当可观的，这是形成碱基堆集力的另一个重要因素。

第54页：氢键与碱基堆集力

氢键与碱基堆集力

的协同作用已经堆基的碱基更容易发生氢键的键合，相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆集。两种作用力相互协同，形成一种非常稳定的结构。如果一种作用力被消除，另一种作用力也大为减弱。

第55页：带负电荷的磷酸基

带负电荷的磷酸基

的静电斥力DNA溶液中的离子浓度降低时，阳离子在磷酸基周围形成的屏蔽作用减弱，使得磷酸基地静电斥力增大，因而Tm值随之降低。所以纯蒸馏水中的DNA在室温下就会变性。

第56页：总之，氢键和碱基堆集力

总之，氢键和碱基堆集力

有利于DNA维持双螺旋结构，而静电斥力和碱基分子内能则不利于DNA维持双螺旋结构。

第57页：4 DNA物理结构的不均一性

4 DNA物理结构的不均一性

DNA的一级结构中，A、T、G、C远非均匀分布，DNA长链各处的物理结构并不完全相同。

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第62页：富含AT的序列

富含AT的序列

在很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT。特别是在复制起点和启动子的Pribnow框（真核生物为TATA框）的序列中，都富含AT碱基对，对于复制和转录的起始十分重要。

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第64页：DNA双螺旋的呼吸作用配

DNA双螺旋的呼吸作用配

对碱基之间的氢键迅速断裂和再生的过程，成为DNA链的呼吸作用。特别是富含AT的节段更为明显，经常发生瞬间的单链泡状结构。这对于某些特殊的蛋白质与DNA发生反应并阅读DNA链内部储藏的信息具有重要的作用。

第65页：5 DNA的变性、复性、杂交

5 DNA的变性、复性、杂交

DNA的变性当DNA被加热或在某些试剂的作用下，配对碱基之间的氢键和相邻碱基之间的碱基堆集力就会受到破坏，DNA由天然状态转变为近似无规则线团构型的过程称为变性，又称为熔解。

第66页：常用的DNA变性方法

常用的DNA变性方法

主要是热变性和碱变性方法。pH11.3时，全部氢键都被破坏，DNA完全变成单链的变性DNA。DNA变性后会引起光吸收的增加，即增色效应。

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第68页：DNA的复性变性

DNA的复性变性

的单链DNA重新形成双螺旋结构的过程称为复性。复性的条件有两个（1）有足够的盐浓度以消除磷酸基的静电斥力；（2）有足够高的温度以破坏无规则的链内氢键，但又不能太高，一般使用比Tm值低20－25℃ 。

第69页：复性的机制一般认

复性的机制一般认

为需要10－20个碱基对，特别是富含GC的节段首先形成一个（或几个）双螺旋核心，这一步叫成核作用。然后两条单链的其余部分就会迅速形成双螺旋结构。绝大部分的复性DNA分子都不是原配的。

第70页：多聚酶链式反应

多聚酶链式反应

（polymerase chain reaction, PCR）是一种DNA体外扩增技术，其基本原理类似于DNA的天然复制过程。在待扩增的DNA片段两侧和与其两侧互补的两个寡核苷酸引物，经变性、退火和延伸若干个循环后，DNA扩增2n倍。

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第72页：杂交复性DNA中

杂交复性DNA中

如果两条链的来源不同，就叫杂交分子。DNA和DNA杂交技术、DNA和RNA杂交技术以及RNA和RNA杂交技术分子生物学中占有很重要的地位。

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第74页：6 DNA二级结构的多样性

6 DNA二级结构的多样性

• 1953年，Watson和Crick提出的右手双螺旋模型所用的资料来自相对湿度为92％时所得到的DNA钠盐纤维，基本上相当于B型。
• 除此之外，人们还发现了A构象、C构象、D构象和E构象等右手双螺旋构象以及左手双螺旋的Z构象。

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第77页：在相对湿度75％以下获得的DNA纤维

在相对湿度75％以下获得的DNA纤维

具有不同与B-DNA的结构特点，称为A构象。DNA-RNA杂交分子和RNA-RNA双链结构均采取A构象。

第78页：B-DNA

B-DNA

是活性最高的DNA构象，B-DNA变构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变构为Z-DNA后活性明显降低。B-DNA和Z-DNA之间的变构是转录调节的一种模式。

第79页：二级结构的其他形式

二级结构的其他形式

单链核酸形成的二级结构RNA是主要的单链核酸，RNA分子内部存在部分序列之间的碱基配对，核酸链自身回折配对产生反向平行的双螺旋结构，叫发夹结构（hairpin）。发夹结构由碱基配对的双螺旋区—茎和末端不配对的环构成。

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第83页：7 DNA超螺旋和拓扑异构现象

7 DNA超螺旋和拓扑异构现象

• 绝大多数原核生物都是共价封闭环（covalently closed circle）,简称CCC分子。这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构（superhelix或supercoil）。
• 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式。超螺旋是有方向的，有正超螺旋和负超螺旋两种。

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第85页：所有的DNA超螺旋都

所有的DNA超螺旋都

• 是由DNA拓扑异构酶产生的
• DNA拓扑异构酶催化反应的本质是先切断DNA的磷酸二酯键，改变DNA的链环数之后再连接之，兼具DNA内切酶和DNA连接酶的功能。

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第87页：超螺旋DNA分子的结构紧密

超螺旋DNA分子的结构紧密

有较大的沉降常数，有较大的电泳迁移率。这是实验室中分离纯化并鉴定超螺旋DNA的重要依据。

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第89页：DNA携带着两类不同的遗传信息

DNA携带着两类不同的遗传信息

• 一类是负责蛋白质氨基酸组成的信息，是以三联体密码子方式进行编码的。
• 另一类遗传信息是关于基因选择性表达的信息。基因组中大部分DNA序列是用来编码基因选择性表达信息的。这种选择性除了时序调节和环境调控外，某些调控DNA序列还可以与调控蛋白质相互作用而修饰自己的双螺旋空间结构。