遺傳學第二章分子遺傳學的興起

生物學物理學地理學天文學第一節(jié)物理學的介入目的有兩個：一是想了解傳統(tǒng)的物理定律是否已足以闡明遺傳學問題；二是從分析遺傳過程能否發(fā)現(xiàn)一些新的物理定律。第一頁，共三十七頁。無論高級或低級均由生物分子按一定層次形成一定高度的有序的系統(tǒng)不斷地與外界發(fā)生物質(zhì)的交換，是一個遠離平衡態(tài)的開放的耗散結(jié)構（dissipativestructure）能精確地自我復制并發(fā)生遺傳與變異生命有機體第二頁，共三十七頁。代表性科學家（1）尼爾斯·波爾（NielsBohr）●

尼爾斯·波爾（NielsBohr,1885-1962）因原子結(jié)構和原子輻射的研究，獲得了1922年的諾貝爾物理學獎?！?/p>

尼爾斯·波爾運用光譜分析來探索原子內(nèi)部結(jié)構的第一次合理而又富有成效的嘗試是在1913年進行的。為了解釋原子吸收和發(fā)射，他力圖把盧瑟福的有核原子模型和普朗克的量子論結(jié)合起來，提出了著名的“波爾理論”——原子的定態(tài)假設和頻率法則，成功地解釋了氫原子的光譜規(guī)律?！?/p>

1931年，發(fā)表了“光和生命”，《自然》“要是我們能像分析原子現(xiàn)象那樣，深入分析生命有機體地機制，我們很難在有機體和無機物的性質(zhì)上找到差別。”第三頁，共三十七頁。代表性科學家（2）歐文·薛定鍔（ErwinSchrodinger）?他在1943年，于愛爾蘭都柏林大學接連發(fā)表了有關生命與科學的演講。講稿在不久以后以“生命是什么？”（WhatisLife？）為名的小冊子印行發(fā)表世間。其中對于決定生物基本性質(zhì)的遺傳因子的結(jié)晶結(jié)構，以及遺傳消息之編碼定（GeneticCoding），有周祥而深睿之解說和預測。

?他以預言家之口吻說：生物家眼前的基因（Gene）極類似于物理家手中的結(jié)晶，並且也指出量子效應在生物現(xiàn)象中所可能占有的重要地位。果然在十多年后，沃森（Watson）和克里克（Crick），受益于《生命是什么》”之熏陶，就核酸結(jié)晶之X光漫射資料，提出了轟動一時的基因雙螺旋結(jié)構。克里克回憶說：“《生命是什么》使讀者高興地得悉，用分子學說來解釋生命現(xiàn)象不僅至關重要，而且迫在眉睫”。由此說明了許多遺傳學上一直難解的問題。

第四頁，共三十七頁。代表性科學家（3）馬克斯·德布呂克（MaxDelbruck）?德布呂克（Delbruck）,也運用博拉格（Bragg）首創(chuàng)的X光漫射方法,歷經(jīng)幾十載的苦干，終于確定了另一生物大分子──蛋白質(zhì)（血紅素）的分子結(jié)晶結(jié)構。至此生物細胞中的基本組成，終于在物理、化學的原理上得到了闡明的解釋。?這些基于物理方法的生物研究之偉大成就，促使了許多物理科學家對生物學作較公正的評價，而對各種生命現(xiàn)象也重新興起研究的興趣。隨著核酸與蛋白質(zhì)之后，被生物學家、化學家揭開面目的除主掌營養(yǎng)能源的線粒體（Mitochondria），更有高結(jié)層的組織，有如神經(jīng)、肌肉纖維、細胞膜等等。第五頁，共三十七頁?，F(xiàn)代物理學研究方法物理世界生命世界鴻溝打破

→分子生物學研究錦上添花X-射線晶體學全息分析技術核磁共振技術掃描隧道電子顯微鏡分子激發(fā)顯微鏡生命的物質(zhì)基礎自然科學的統(tǒng)一第六頁，共三十七頁。染色體其它：如擬脂和無機物質(zhì)少量核糖核酸(RNA)約占6％脫氧核糖核酸(DNA)約占27％蛋白質(zhì)

存在于染色體上約占66％核酸或DNA？

蛋白質(zhì)？第二節(jié)遺傳物質(zhì)是DNA第七頁，共三十七頁。（1）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗：─────────────炎雙球菌特征抗原型（穩(wěn)定）─────────────光滑型(S)有莢膜、光滑、有毒粗糙型(R)無莢膜、粗糙、無毒─────────────格里費斯(GriffithF.1928)1、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)第八頁，共三十七頁。結(jié)論：無毒有毒;R型S型在加熱殺死的S型肺炎雙球菌中有較耐高溫的轉(zhuǎn)化物質(zhì)能夠進入R型小鼠成活②無毒R型?重現(xiàn)R型重現(xiàn)S型小鼠死亡①有毒S型無病毒小鼠成活③有毒S型(65℃殺死)④無毒R型╋有毒S型(65℃殺死)小鼠死亡重現(xiàn)S型第九頁，共三十七頁。①無毒R型╋有毒S型(殺死)②無毒R型

╋有毒S型(殺死)

╋蛋白酶③無毒R型

╋有毒S型(殺死)

╋

DNA酶重現(xiàn)S型重現(xiàn)R型重現(xiàn)S型結(jié)論：DNA是轉(zhuǎn)化因子或遺傳物質(zhì)。第十頁，共三十七頁。原理：P只存在于DNA,而不存于蛋白質(zhì)S只存在于蛋白質(zhì)，不存于DNA①32P標記T2噬菌體；②35S

標記T2噬菌體。結(jié)論進入菌內(nèi)的是DNA；DNA進入細胞內(nèi)才能產(chǎn)生完整的噬菌體。（2）噬菌體的感染實驗：赫爾歇(Hershey

A.)第十一頁，共三十七頁。TMVRNA╋RNA酶煙草不發(fā)病TMV蛋白質(zhì)煙草不發(fā)病；（3）煙草花葉病毒的感染和繁殖：

煙草花葉病毒TMVTMVRNA煙草發(fā)病新的TMV煙草花葉病毒TobaccoMosaicVirus(簡稱TMV)。利用

TMV的蛋白質(zhì)外殼和單螺旋RNA接種：第十二頁，共三十七頁。佛蘭科爾-康拉特-辛格爾(Framkel-Conrat-Singer)試驗：結(jié)論：提供RNA的親本決定了其后代的RNA和蛋白質(zhì)。在不含DNA的TMV中，RNA就是遺傳物質(zhì)。第十三頁，共三十七頁。2、查加夫法則（Chargaff’srule）DNA中的4種堿基的含量并不是等量的；腺嘌呤(A)的量總是和胸腺嘧啶(T)的量相等；鳥嘌呤(G)則和胞嘧啶（C）幾乎相等.既：A=T；C=G

?

查加夫早在1950年就發(fā)布了這個重要的發(fā)現(xiàn)，但奇怪的是，研究DNA分子結(jié)構的3個實驗室都將它忽略了。甚至在1951年春天查加夫親訪劍橋，與沃森和克里克見面后，沃森和克里克對這一發(fā)現(xiàn)也未重視。?后來，沃森和克里克終于意識到查加夫發(fā)現(xiàn)的重要性，并請劍橋的青年數(shù)學家約翰·格里菲斯計算出A吸引T、G吸引C，A+T的寬度與G+C的寬度相等之后，很快就拼湊出了DNA分子的模型。第十四頁，共三十七頁。?1953年，沃森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）提出DNA雙螺旋結(jié)構模型?

主要依據(jù)為堿基互補配對的規(guī)律以及DNA分子的X射線衍射結(jié)果?

沃森、克里克與維爾肯斯(Wilkins)一起獲得諾貝爾獎(1962)3、DNA雙螺旋結(jié)構特點：第十五頁，共三十七頁。?沃森和克里克在1953年4月25日的《自然》雜志上，以1000多字的短文和一幅插圖公布了他們的發(fā)現(xiàn)。?在論文中，沃森和克里克以謙遜的筆調(diào)，暗示了這個結(jié)構模型在遺傳上的重要性：“我們并非沒有注意到，我們所推測的特殊配對，立即暗示了遺傳物質(zhì)的復制機理?！?/p>

DNA分子模型發(fā)表第十六頁，共三十七頁。DNA雙螺旋結(jié)構特點：兩條互補多核酸鏈、在同一軸上互相盤旋；雙鏈具有反向平行的特點；堿基配對原則為：A=T、G=C，雙螺旋直徑約20A，螺距為34A(10個堿基對)。。。第十七頁，共三十七頁。4、DNA雙螺旋結(jié)構的生物學意義?沃森和克里克在隨后發(fā)表的論文中，詳細說明了DNA雙螺旋模型對遺傳學研究的重大意義：第一，它能夠說明遺傳物質(zhì)的自我復制。在復制時，DNA的雙鏈拆開，成為兩個模板，再根據(jù)堿基配對的原則，復制成兩個與原來的DNA序列一模一樣的新分子。在這兩個新DNA分子中，各有一條舊鏈和一條新合成的鏈。這個“半保留復制”的設想后來被麥賽爾遜和斯塔勒用同位素追蹤實驗證實。第二，它能夠說明遺傳物質(zhì)是如何攜帶遺傳信息的。DNA上的堿基序列就是遺傳信息，4種堿基的排列組合可以攜帶無限多樣的遺傳信息。第三，它能夠說明基因是如何突變的?；蛲蛔兪怯捎趬A基序列發(fā)生了變化，這樣的變化可以通過復制而得到保留。

第十八頁，共三十七頁。后隨鏈的不連續(xù)復制：(考恩伯格1967)：在35′方向鏈上，仍按從5′

3′的方向，一段段地合成DNA單鏈小片段（稱岡崎片段，1000~2000bp)，

由連接酶連接這些片段，

形成一條連續(xù)的單鏈。先導鏈復制：合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(約有20個堿基對)，

DNA聚合酶才開始起作用合成DNA片段。DNA聚合酶，以5′3′向發(fā)揮作用半保留復制（semiconservative）沃森(WatsonJ.D.)

第十九頁，共三十七頁。第三節(jié)DNA與蛋白質(zhì)?

一級結(jié)構：蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，即一級結(jié)構。?

二級結(jié)構：是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結(jié)構的構象，是多肽鏈局部的空間結(jié)構（構象），主要有α－螺旋、β－折疊、β－轉(zhuǎn)角等幾種形式，它們是構成蛋白質(zhì)高級結(jié)構的基本要素。?

三級結(jié)構：單條多肽鏈在二級結(jié)構基礎上形成的空間結(jié)構。?四級結(jié)構：由兩個或多個肽鏈組成的蛋白質(zhì)的天然空間結(jié)構。如果某個蛋白質(zhì)只由一條肽鏈構成，那么它就沒有四級結(jié)構。

1、蛋白質(zhì)的結(jié)構第二十頁，共三十七頁。結(jié)構域是在二級結(jié)構或超二級結(jié)構的基礎上形成三級結(jié)構的局部折疊區(qū)，一條多肽鏈在這個域范圍內(nèi)來回折疊，但相鄰的域常被一個或兩個多肽片段連結(jié)。?

結(jié)構域：單肽鏈內(nèi)相對獨立的結(jié)構、功能或折疊方式單位。第二十一頁，共三十七頁?？梢耘c未折疊的蛋白結(jié)合使其在獲得正確折疊之前維持未折疊的可溶狀態(tài)，可以通過與錯誤折疊的蛋白結(jié)合使其重新回到未折疊狀態(tài)并進一步正確折疊。分子伴侶本身并不含有有關正確折疊的任何特定信息,它們只是通過疏水鍵阻止非天然狀態(tài)的蛋白分子間或分子內(nèi)的不正確相互作用,從而增加正確折疊的產(chǎn)率。?分子伴侶：是一類能特異地結(jié)合和釋放底物蛋白的蛋白分子，它們幫助底物蛋白實現(xiàn)正確折疊、寡聚體組裝、向特定細胞器轉(zhuǎn)運或變換活化/去活化構象等。第二十二頁，共三十七頁。41=4種：缺16種氨基酸；42=16種：比20種氨基酸還缺4種；43=64種：由三個堿基一起組成的密碼子能夠形成64種組合，20種氨基酸多出44種。2、遺傳密碼及其特征密碼子從1961年開始，在大量試驗的基礎上，分別利用64個已知三聯(lián)體密碼，找到了相對應的氨基酸。1966~1967年，完成了全部遺傳密碼表。第二十三頁，共三十七頁。A．三聯(lián)體密碼：

三個堿基決定一種氨基酸；均以3個一組形成氨基酸密碼。遺傳密碼間不能重復:在一個mRNA上每個堿基只屬于一個密碼子；

61個為有意密碼。遺傳密碼的基本特征：第二十四頁，共三十七頁。AUGUACUGUCACAUGUUACUGUCAB.密碼子之間無逗號①密碼子與密碼子之間無逗號，按三個三個的順序一直閱讀下去，不漏讀不重復。②如果中間某個堿基增加或缺失后，閱讀就會按新的順序進行下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱移碼突變)。

甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸組氨酸甲硫氨酸亮氨酸亮氨酸絲氨酸第二十五頁，共三十七頁。①.簡并現(xiàn)象：幾種密碼子編碼同一種氨基酸，就稱為簡并現(xiàn)象。

43=64種：由三個堿基一起組成的密碼子能夠形成64種組合，20種氨基酸多出44種。色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，僅一個三聯(lián)體密碼；其余氨基酸都有一種以上的密碼子。

編碼同一種氨基酸的兩種以上的密碼子稱為簡并密碼子。

C．簡并性：②.簡并現(xiàn)象的意義：

同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性也越大。如：UCU、UCC或UCA或UCG，均為絲氨酸。第二十六頁，共三十七頁。D、終止密碼子終止密碼：為蛋白質(zhì)合成終止信號(3個)UAA、UAG、UGA，第二十七頁，共三十七頁。起始密碼為：GUGAUG(甲硫氨酸)E、起始密碼第二十八頁，共三十七頁。F.偏愛密碼子：

不同生物往往偏向于使用其中的一種，這種被經(jīng)常使用的密碼子稱為偏愛密碼子。第二十九頁，共三十七頁。G．擺動假設：

決定同一個氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個密碼子中，第1個和第2個堿基的重要性大于第3個堿基，往往只是最后一個堿基發(fā)生變化。

例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCC、CCA、CCG

精氨酸（Arg）：

CGU、CGC、CGA、CGG第三十頁，共三十七頁。①在整個生物界中，從病毒到人類，遺傳密碼通用。

4個基本堿基符號所有氨基酸所有蛋白質(zhì)生物種類、生物體性狀。②極少數(shù)例外；物種所特有的現(xiàn)象。支原體的UGA不在是終止密碼，而是編碼色氨酸；嗜熱四膜蟲的UAA不在是終止密碼，而編碼谷氨酰胺。線粒體DNA密碼子不同于染色體DNA的密碼子。UGA不在是終止信號，而是編碼色氨酸；AGA、AGG在動物線粒體中不是編碼精氨酸，而稱為終止密碼。

H．通用性：第三十一頁，共三十七頁。3、中心法則中心法則：遺傳信息在細胞內(nèi)的生物大分子間轉(zhuǎn)移的基本法則。遺傳信息的轉(zhuǎn)移可以分為兩類：第一類用實線箭頭表示，包括DNA的復制、RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯，即①DNA→DNA（復制）②DNA→RNA（轉(zhuǎn)錄）③RNA→蛋白質(zhì)（翻譯）這三種遺傳信息的轉(zhuǎn)移方向普遍地存在于所有生物細胞中。第三十二頁，共三十七頁。（1）RNA的反轉(zhuǎn)錄1970年Temin等在致癌RNA病毒中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的DNA聚合酶，該酶以RNA為核板，根據(jù)堿基配對原則，按照RNA的核苷酸順序(其中U與A配對)合成DNA。這一過程與一般遺傳信息流轉(zhuǎn)錄的方向相反,故稱為反轉(zhuǎn)錄,催化此過程的DNA聚合酶叫做反轉(zhuǎn)錄酶。后來發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶不僅普遍存在于RNA病毒中，哺乳動物的胚胎細胞和正在分裂的淋巴細胞中也有反轉(zhuǎn)錄酶。反轉(zhuǎn)錄酶的作用是以dNTP為底物，以RNA為模板，在tRNA3‘-OH末端上，按5’→3‘方向，合成一條與RNA模板互補的DNA單鏈，這條DNA單鏈叫做互補DNA(complementaryDNA,cDNA)，它與RNA模板形成RNA-DNA雜交體。隨后又在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，水解掉RNA鏈，再以cDNA為模板合成第二條DNA鏈。至此，完成由RNA指導的DNA合成過程。4．中心法則的發(fā)展第三十三頁，共三十七頁。RNA的反轉(zhuǎn)錄意義致癌機理研究有重要作用。攜帶反轉(zhuǎn)錄酶的病毒又稱為反轉(zhuǎn)錄病毒，它侵入宿主細胞后先以病毒RNA為模板靠反轉(zhuǎn)錄酶催化合成DNA，隨后這種DNA環(huán)化并整合到宿主細胞的染色體DNA中去，以原病毒(provirus)的形式在宿主細胞中一代代傳遞