第一章遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能

1、授課教師授課教師孫維洋孫維洋v核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機體不可缺少的組成部分。v核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長發(fā)育，細(xì)胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。v因此，核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。v早在1868年，瑞士人F. Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。v1928年，英國Fredrick Griffith等第一次用實驗方法證實DNA是生命遺傳的基礎(chǔ)物質(zhì)。v1953年，Watson和Crick提出的DNA雙螺旋模型真正使人們相信DN

2、A才是遺傳物質(zhì)。v大部分生物的遺傳物質(zhì)是大部分生物的遺傳物質(zhì)是DNA，但，但是也有些生物是以是也有些生物是以RNA作為遺傳物作為遺傳物質(zhì)質(zhì)如：煙草花葉病毒中分離得到的如：煙草花葉病毒中分離得到的RNA也能夠侵染植物，如果用也能夠侵染植物，如果用RNA酶處酶處理，就失去侵染能力，而分離的蛋理，就失去侵染能力，而分離的蛋白部分則沒有這種侵染能力。白部分則沒有這種侵染能力。v一、核酸的一級結(jié)構(gòu)v多聚核苷酸是由四種不同的核苷酸單元按特定的順序組合而成的線性結(jié)構(gòu)聚合物，因此，它具有一定的核苷酸順序，即堿基順序。v核酸的堿基順序是核酸的一級結(jié)構(gòu)。vDNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種

3、的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。v而mRNA(信息RNA)的堿基順序，則直接為蛋白質(zhì)的氨基酸編碼，并決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。C值：在每一種生物中，其單倍體值：在每一種生物中，其單倍體的基因組的基因組DNA總量是特異的，稱總量是特異的，稱之為之為C值。值。C值矛盾：某生物的值矛盾：某生物的C值與進(jìn)化的值與進(jìn)化的復(fù)雜程度不一致就稱為復(fù)雜程度不一致就稱為C值矛盾值矛盾（C -value paradox ）例如一些植物的基因組例如一些植物的基因組DNA含量含量比人類還要高幾十倍，這顯然是比人類還要高幾十倍，這顯然是無法解釋的，這就是無法解釋的，這就是C值矛盾。值矛盾。v

4、1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。vDNA分子由兩條DNA單鏈組成。vDNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子中兩條DNA單鏈之間基團(tuán)相互識別和作用的結(jié)果。v雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的最基本形式。（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為53，而另一條鏈的方向為35。（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基

5、環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90角。（3）螺旋橫截面的直徑約為2 nm，每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為3.4 nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈）高度為34 nm。（4）兩條DNA鏈相互結(jié)合以及形成雙螺旋的力是鏈間的堿基對所形成的氫鍵。堿基的相互結(jié)合具有嚴(yán)格的配對規(guī)律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結(jié)合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結(jié)合，這種配對關(guān)系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。vDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理條件下是很穩(wěn)定的。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：v兩條DNA鏈之間形成的

6、氫鍵；v同一條鏈中的相鄰堿基能夠形成一種堆積力，稱為堿基堆積力生物體內(nèi)正常的生物體內(nèi)正常的DNADNA為為B-DNAB-DNA；轉(zhuǎn)錄時的轉(zhuǎn)錄時的DNA-RNADNA-RNA雜交鏈為雜交鏈為A-DNAA-DNA，對，對基因表達(dá)有重要意義；基因表達(dá)有重要意義；左手螺旋左手螺旋Z-DNAZ-DNA不能推翻右手雙螺旋模不能推翻右手雙螺旋模型，而是其有益的補充和發(fā)展，通型，而是其有益的補充和發(fā)展，通過過B-DNAB-DNA和和Z-DNAZ-DNA之間的相互轉(zhuǎn)化，之間的相互轉(zhuǎn)化，可以影響聚合酶能否與模板鏈結(jié)合可以影響聚合酶能否與模板鏈結(jié)合而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始活性。而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始活性。DNA的三級結(jié)構(gòu)即在DNA雙

7、螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步扭曲所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。也就是超螺旋結(jié)構(gòu)，分為正超螺旋和負(fù)超螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase）：為催化DNA拓?fù)鋵W(xué)異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)變的酶之總稱。在閉環(huán)狀雙鏈DNA的拓?fù)鋵W(xué)轉(zhuǎn)變中，切斷一個鏈而改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的稱為型拓?fù)洚悩?gòu)酶，通過切斷二個鏈來進(jìn)行的稱為型拓?fù)洚悩?gòu)酶。拓?fù)洚悩?gòu)酶：1切口，解旋拓?fù)洚悩?gòu)酶：2切口，超螺旋單鏈線性分子，局部雙螺旋也具有高級結(jié)構(gòu)有些RNA具有催化活性，稱為核酶（ribozyme）v一、DNA的功能及基因治療v結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)中氨基酸序列的基因v調(diào)控基因：調(diào)節(jié)基因選擇性表達(dá)的基因v基因治療：利用分子生物學(xué)技術(shù)，校正基因結(jié)構(gòu)和功能異常，阻止病變

8、的進(jìn)展，殺滅病變細(xì)胞或抑制外源病原體基因的復(fù)制，而治療疾病的方法。v基因治療分為體外和體內(nèi)治療兩種方式。1.hnRNA和mRNA的功能 mRNA的原是轉(zhuǎn)錄物是分子量極大的前體，在核內(nèi)加工過程中形成分子大小不同的中間產(chǎn)物，稱為核內(nèi)不均一RNA，hnRNA。 真核生物由DNA轉(zhuǎn)錄成RNA的過程發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，而翻譯過程則發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。 原核生物因為沒有核膜，所以其轉(zhuǎn)錄核翻譯過程幾乎是同時進(jìn)行的。v約占總RNA的5%。v不同細(xì)胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大。v它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地 核糖核蛋白體。Messenger RNAv約占總RNA的10-15%。v它在蛋白質(zhì)生物

9、合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運到核糖核蛋白體的作用。v已知每一個氨基酸至少有一個相應(yīng)的tRNA。vRNA分子的大小很相似，鏈長一般在73-78個核苷酸之間。lTransfer RNATransfer RNAtRNA的功能：1.與活化的AA形成氨酰tRNA（AAtRNA） tRNA分子上決定其攜帶氨基酸種類的區(qū)域被稱為副密碼子。能夠攜帶同一種AA的tRNA稱為同功tRNA。2.將AA攜帶到核糖體上在蛋白質(zhì)合成中起著原料運輸“車輛”的作用。3.具有反密碼子，可以識別mRNA上的相應(yīng)的密碼子，將AA合成到蛋白質(zhì)適當(dāng)?shù)奈恢弥衯約占全部RNA的80%，v是核糖核蛋白體的主要組成部分。vrR

10、NA 的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)。Ribosome RNARibosome RNAvsnRNA、scRNA、iRNA、gRNAv真核細(xì)胞內(nèi)存在許多種類的小分子RNA，其大小為100至300個核苷酸，這類小分子RNA按其在細(xì)胞內(nèi)的位置可分為：核內(nèi)小RNA（snRNA）和胞漿小RNA（scRNA）。v起始RNA（iRNA）DNA生物合成的后滯鏈合成時，需要一個短的RNA片段作為引物，長約10個核苷酸，是由DNA引發(fā)酶所合成的，這一通用引物稱為起始RNA。v指導(dǎo)RNA（gRNA）RNA編輯過程中的模板。v端粒酶RNA、核酶v端粒：真核生物染色體末端的蛋白質(zhì)DNA結(jié)構(gòu)，其功能是完成染色體末端的復(fù)制，防

11、止染色體融合、重組或降解。v端粒酶：一種自身攜帶模板RNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，催化端粒DNA的合成。v端粒酶RNA：作為合成端粒DNA模板的核RNA，是端粒酶的組成部分，對端粒酶的結(jié)構(gòu)和催化活性是必須的。v核酶：和通常的蛋白質(zhì)酶一樣，可以催化各種生化反應(yīng)。v(1) 核酸的變性v核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。v能夠引起核酸變性的因素很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。vRNA本身只有局部的雙螺旋區(qū)，所以變性行為所引起的性

12、質(zhì)變化沒有DNA那樣明顯。v利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情況。v例如，天然狀態(tài)的DNA在完全變性后，紫外吸收(260 nm)值增加2540%.v而RNA變性后，約增加1.1%。這種現(xiàn)象稱為增色效應(yīng).vDNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為熔點，用Tm表示。v一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)。vG和C的含量高，Tm值高。因而測定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通過經(jīng)驗公式計算：v （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44v當(dāng)DNA的稀鹽溶液加熱到80-100時，雙螺旋結(jié)構(gòu)即發(fā)生

13、解體，兩條鏈彼此分開，形成無規(guī)線團(tuán)。vDNA變性后，它的一系列性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，如紫外吸收(260 nm)值升高, 粘度降低等。v變性DNA在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性。DNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)。vDNA復(fù)性的程度、速率與復(fù)性過程的條件有關(guān)。v將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復(fù)性。但是將變性的DNA緩慢冷卻時，可以復(fù)性。分子量越大復(fù)性越難。濃度越大，復(fù)性越容易。此外，DNA的復(fù)性也與它本身的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。v核酸的雜交是指序列互補單鏈的RNA和DNA，或異源DNA、異源RNA之間，根

14、據(jù)堿基配對原則，借助氫鍵相連而形成雙鏈雜交分子的過程。v核酸的雜交在分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究中具有重要意義。v核酸探針的定義：帶有檢測標(biāo)記的能夠與靶分子特異性的相互作用的一段核酸分子。vSouthern印跡（DNADNA）vNorthern印跡（DNARNA）v原位雜交（探針組織或細(xì)胞中的DNA或RNA）一、病毒的基本概念二、病毒核酸的一般特征v病毒就是一類由蛋白質(zhì)外殼和DNA組成的專屬性的細(xì)胞內(nèi)寄生物，不能進(jìn)行獨立的能量及遺傳物質(zhì)代謝，只能依靠寄主繁殖的非細(xì)胞生物。v有環(huán)形的也有線形的v有正鏈（能起mRNA的作用）及負(fù)鏈之分v病毒核酸分子量差別很顯著v病毒核酸利用率很高，同一段病毒核酸可以編

15、碼出幾種不同的多肽鏈v病毒核酸的基因結(jié)構(gòu)與其所寄生的真核生物相似，而不是與原核生物相似。是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子。v核糖核酸病毒核糖核酸病毒(RNA virus) ，又稱，又稱RNA病毒，其遺傳物質(zhì)為病毒，其遺傳物質(zhì)為RNA，相，相較于較于DNA病毒，的病毒，的RNA病毒都具有病毒都具有高變異性，因為它們?nèi)狈哂行拚咦儺愋裕驗樗鼈內(nèi)狈哂行拚e誤的錯誤的DNA聚合酶。聚合酶。v植物病毒，除少數(shù)例外（如花椰菜植物病毒，除少數(shù)例外（如花椰菜花葉病毒花葉病毒Caulif- lower mosaic virus），幾乎都是），幾乎都是RNA病毒。病毒。雙鏈核糖核酸病毒雙鏈核糖核酸病毒The dsRN

16、A Viruses 囊狀噬菌體科(Cystoviridae) 呼腸孤病毒科(Reoviridae) 雙核糖核酸病毒科(Birnaviridae) 整體病毒科(Totiviridae全病毒科) 金色病毒科(Chrysoviridae):金色病毒屬(Chrysovirus) 分體病毒科(Partitiviridae) 低毒性病毒科(Hypoviridae):低毒性病毒屬(Hypovirus) v 光滑病毒科光滑病毒科(Leviviridae):光滑噬菌體科光滑噬菌體科 v 二順反子病毒科二順反子病毒科(Dicistroviridae) v 微小核糖核酸病毒科微小核糖核酸病毒科(Picornavir

17、idae):小核糖核酸病毒小核糖核酸病毒科科 v 隨伴病毒科隨伴病毒科(Sequiviridae伴生病毒科伴生病毒科) v 豇豆鑲嵌病毒科豇豆鑲嵌病毒科(Comoviridae) v 馬鈴薯馬鈴薯Y病毒科病毒科(Potyviridae) v 杯狀病毒科杯狀病毒科(Caliciviridae):嵌杯病毒科嵌杯病毒科 v 肝炎病毒科肝炎病毒科(Hepeviridae) v 星狀病毒科星狀病毒科(Astroviridae) v 野田病毒科野田病毒科(Nodaviridae) v 四病毒科四病毒科(Tetraviridae) v 西紅柿叢矮病毒科西紅柿叢矮病毒科(Tombusviridae) v單股反

18、鏈病毒目單股反鏈病毒目(Mononegavirales) v副黏液病毒科副黏液病毒科(Paramyxoviridae):麻麻疹病毒疹病毒 v副黏液病毒亞科(Paramyxovirinae) v肺炎病毒亞科(Pneumovirinae)肺病毒亞科 v炮彈病毒科炮彈病毒科(Rhabdoviridae)杖竿狀杖竿狀病毒科病毒科 v纖維病毒科纖維病毒科(Filoviridae) 一、反義核酸概述反義核酸是指能與特定mRNA精確互補、特異阻斷其翻譯的RNA或DNA分子（antisense nucleic acid）。利用反義核酸特異地封閉某些基因表達(dá)，使之低表達(dá)或不表達(dá)，這種技術(shù)即為反義核酸技術(shù)。它包括

19、反義RNA、反義DNA和核酶(ribozymes)三大技術(shù)。v反義核酶作為一種基因下向調(diào)節(jié)作用因子，在抑制一些有害基因的表達(dá)和失控基因的過度表達(dá)上發(fā)揮著重要作用。u反義核酸目前有三種來源：u一是利用固相亞磷酰胺法人工合成的短小反義寡聚核苷酸antisense oligodeoxy nucleotides, AONs) ；u二是更具有實用價值的人工表達(dá)載體，包括單個基因和多個基因的聯(lián)合反義表達(dá)載體，它是利用基因重組技術(shù)將靶基因序列反向插入到載體的啟動子和終止子之間，通過轉(zhuǎn)錄可源源不斷產(chǎn)生反義RNA分子；u三是天然存在的反義核酸分子，但目前分離純化尚存在困難。v反義核酸作為基因治療藥物之一，與傳統(tǒng)

20、藥物相比具有諸多優(yōu)點。v1)高度特異性：反義核酸藥物通過特異的堿基互補配對作用于靶RNA或DNA，猶如“生物導(dǎo)彈”。v2)高生物活性、豐富的信息量；反義核酸是一種攜帶特定遺傳信息的信息體，堿基排列順序可千變?nèi)f化，不可窮盡。v3)高效性：直接阻止疾病基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。v4)最優(yōu)化的藥物設(shè)計：反義核酸技術(shù)從本質(zhì)上是應(yīng)用基因的天然順序信息，實際上是最合理的藥物設(shè)計。v5)低毒、安全：反義核酸尚未發(fā)現(xiàn)其有顯著毒性，盡管其在生物體內(nèi)的存留時間有長有短，但最終都將被降解消除，這避免了如轉(zhuǎn)基因療法中外源基因整合到宿主染色體上的危險性。 根據(jù)宿主病變的不同，基因治療的策略根據(jù)宿主病變的不同，基因治療的策略也不

21、同，概括起來主要有下列幾種：也不同，概括起來主要有下列幾種： （一）基因修正（一）基因修正 （二）基因替代（二）基因替代 （三）基因增強（三）基因增強 （四）基因抑制和（或）基因失活（四）基因抑制和（或）基因失活四、基因治療的策略四、基因治療的策略v自自1978年反義核酸概念提出，到年反義核酸概念提出，到1998年年10月第一個反義核酸藥物在美國問世，月第一個反義核酸藥物在美國問世，標(biāo)志著反義核酸理論已趨于成熟。標(biāo)志著反義核酸理論已趨于成熟。 v人類基因組計劃的進(jìn)展為反義核酸技術(shù)人類基因組計劃的進(jìn)展為反義核酸技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。 v 2004 年年12 月中上市的月中上市的Eyetech 公司用公司用于抑制老年人眼疾的于抑制老年人眼疾的Macugen。它是一。它是一個經(jīng)個經(jīng)20 kD PEG 修飾，含修飾，含28 個堿基的個堿基的合成寡核苷酸藥物合成寡核苷酸藥物pegaptanib sodiu