第三章 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

遺傳學(xué)在微觀水平的深入基因的化學(xué)基礎(chǔ)是什么遺傳的染色體理論認(rèn)為：基因位于核內(nèi)染色體上染色體的主要化學(xué)成份——蛋白質(zhì)和核酸何者為基因的化學(xué)基礎(chǔ)*“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”觀點(diǎn)及其主要論據(jù)基因化學(xué)本質(zhì)的條件：具有三種功能(p31)遺傳功能(復(fù)制與世代傳遞)表型功能(具有適當(dāng)?shù)目刂菩誀畹谋磉_(dá)機(jī)制)進(jìn)化功能(能夠產(chǎn)生變異滿足生物進(jìn)化的要求)1三個(gè)學(xué)派E.Schr?dinger(1945)(薛丁格)：Whatislife二十世紀(jì)，由于物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)研究工作者的加入，在生物學(xué)與遺傳學(xué)研究領(lǐng)域形成了三個(gè)學(xué)派：物理學(xué)——結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)學(xué)派化學(xué)——生化——生化學(xué)派數(shù)學(xué)——信息——信息學(xué)派2第三章遺傳的分子基礎(chǔ)

(pp31-64;pp178-248;pp258-267)第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制*第三節(jié)遺傳信息的表達(dá)與調(diào)控第四節(jié)基因的概念與發(fā)展第五節(jié)基因突變的分子機(jī)制*第六節(jié)遺傳工程本章要點(diǎn)3第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)一、DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)(pp31-32)二、DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(pp32-34)(一)、細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)(p33)(三)、煙草花葉病毒拆合實(shí)驗(yàn)(pp33-34)*三、非核酸類(lèi)的遺傳物質(zhì)4一、DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)(pp31-32)DNA普遍存在于生物體內(nèi)含量恒定。配子中DNA的含量恰好是體細(xì)胞的一半。DNA結(jié)構(gòu)的變化與突變具有一致性。DNA在代謝上較穩(wěn)定。DNA能自我復(fù)制，具有世代的延續(xù)性。5第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)一、DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)(pp31-32)二、DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(pp32-34)(一)、細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)(p33)(三)、煙草花葉病毒拆合實(shí)驗(yàn)(pp33-34)*三、非核酸類(lèi)的遺傳物質(zhì)6(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)(p33)1.背景知識(shí)噬菌體侵染與繁殖基本過(guò)程：T2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞利用大腸桿菌的復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制噬菌體遺傳物質(zhì)利用大腸桿菌的遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)合成噬菌體組分最后組裝形成完整的T2噬菌體因此只要探明侵染時(shí)進(jìn)入細(xì)菌的是噬菌體的哪一部分，就能證明哪種物質(zhì)是遺傳信息載體另外：P是DNA的組成部分，但不存在于蛋白質(zhì)中S存在于蛋白質(zhì)中，但DNA中沒(méi)有72.Hershey和Chase的實(shí)驗(yàn)(p33)1952,Hershey等用同位素32P和35S分別標(biāo)記T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì)圖2-2赫爾歇的噬菌體實(shí)驗(yàn)8結(jié)果與結(jié)論試驗(yàn)結(jié)果表明：主要是由于DNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體結(jié)論：DNA才是(噬菌體的)遺傳物質(zhì)題外話：與Avery等人研究比較，本試驗(yàn)的精度低得多。但是由于放射性標(biāo)記法(也稱(chēng)為示蹤原子法)，當(dāng)時(shí)為人們普遍采用同時(shí)由于核酸研究及其它相關(guān)的成果，本試驗(yàn)結(jié)果很快得到人們的廣泛認(rèn)同9(三)、煙草花葉病毒的感染和繁殖試驗(yàn)煙草花葉病毒(TMV)是由RNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成的管狀微粒：中心是單鏈螺旋RNA、外部是蛋白質(zhì)外殼拆分感染試驗(yàn)：

RNA接種到煙葉→發(fā)病

RNARNA酶處理RNA→不發(fā)病

TMV

蛋白質(zhì)：接種后不形成新的TMV

不發(fā)病說(shuō)明在不含DNA的TMV中RNA就是遺傳物質(zhì)102.重組合試驗(yàn)Frankel-Conrat,Singer(1956)進(jìn)行了圖示試驗(yàn)：綜上所述：到上世紀(jì)中期，多方面證據(jù)都直接或間接地表明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遺傳物質(zhì)11第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制*一、早期對(duì)核酸化學(xué)性質(zhì)的研究二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)*四、RNA的分子結(jié)構(gòu)*五、DNA的復(fù)制12三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)*(一)、DNA分子結(jié)構(gòu)的研究1.鮑林研究小組2.威爾金斯、富蘭克林研究小組3.沃生、克里克研究小組(二)、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1.DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義3.DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性13*(一)、DNA分子結(jié)構(gòu)的研究上世紀(jì)中期，眾多研究表明：核酸是遺傳信息的載體，顯然DNA的結(jié)構(gòu)研究是進(jìn)一步研究其功能和作用方式的基礎(chǔ)也由此激發(fā)了科學(xué)家從事核酸二級(jí)與高級(jí)結(jié)構(gòu)研究的興趣，當(dāng)時(shí)進(jìn)行DNA結(jié)構(gòu)研究的科學(xué)家很多，最重要有：141.鮑林研究小組主要工作：鮑林(Pauling)等1951年(提出蛋白質(zhì)α-螺旋模型后)開(kāi)始研究DNA分子結(jié)構(gòu)根據(jù)阿斯伯利Astbury等1938年獲得的DNA分子晶體X射線衍射圖像(顯示DNA分子晶體呈螺旋結(jié)構(gòu))進(jìn)行研究提出DNA分子三鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型：引入多鏈、螺旋和氫鏈等概念評(píng)價(jià)：雖然他們提出的模型并不正確，但是其研究方向和所采用的方法卻為DNA分子結(jié)構(gòu)模型研究確立了方向注：1954年鮑林因研究物質(zhì)聚合力(氫鏈)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)152.威爾金斯、富蘭克琳研究小組主要工作：Wilkins和Franklin改進(jìn)了DNA分子晶體X射線衍射圖譜技術(shù)于1951年獲得了更為清晰的圖像結(jié)果表明：

堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)而磷酸基團(tuán)在外側(cè)，同時(shí)測(cè)得了DNA螺旋的直徑和螺距16aboutFranklin173.沃生、克里克研究小組Watson、Crick(1951-1953)：研究手段非常簡(jiǎn)單：用紙板等做磷酸、核糖和堿基模型，拼湊DNA分子的三維結(jié)構(gòu)理論知識(shí)深厚、富于創(chuàng)造性；視野廣闊、收集信息全面并善于分析利用183.沃生、克里克研究小組主要基于Chargaff、Pauling和Wilkins等三個(gè)方研究成果，Watson和Crick于1953年提出了他們的第三個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)在人們公認(rèn)這是分子遺傳學(xué)建立的標(biāo)志為此Watson，Crick和Wilkins于1962年獲得了諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)19DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)作出重大貢獻(xiàn)的四位科學(xué)家物理學(xué)家FrancisCrick

生物學(xué)家JamesWatson物理學(xué)家MauriceWilkins化學(xué)家RosalindFranklin

由于Franklin過(guò)早的去世，1962年，諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)只授給了前面Crick、Watson和Wilkins三位。20Frankeline早期所拍的DNAX光結(jié)構(gòu)照片1953年，Watson和Crick確立了正確的堿基分子A和T、C和G的配對(duì)模型，并從X光照片確認(rèn)，兩條骨架鏈?zhǔn)欠雌叫械模瑥亩鴦?chuàng)建了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這一模型，也得到WILkins和Franklin的認(rèn)可。當(dāng)年4月25日，自然雜志發(fā)表了Crick和Watson的論文，同時(shí)也發(fā)表了Wilkins和Franklin與他們的合作者分別寫(xiě)的兩篇實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)21Watson、Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)22三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)*(一)、DNA分子結(jié)構(gòu)的研究1.鮑林研究小組2.威爾金斯、富蘭克林研究小組3.沃生、克里克研究小組(二)、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1.DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義3.DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性23(二)、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)242.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義DNA雙螺旋模型結(jié)構(gòu)同時(shí)表明：DNA復(fù)制的明顯方式——半保留復(fù)制。Watson和Crick在1953年就指出：DNA可以按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行半保留復(fù)制。而在此之前對(duì)復(fù)制方式人們對(duì)一無(wú)所知基因和多肽成線性對(duì)應(yīng)的一個(gè)可能的理由：DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNA中的遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼(geneticcode)，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序在其后的幾十年中，科學(xué)家們沿著這兩條途徑前進(jìn)，探明了DNA復(fù)制、遺傳信息表達(dá)與中心法則等內(nèi)容253.DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性(p38)26*第三節(jié)遺傳信息的表達(dá)與調(diào)控(pp49-64)一、中心法則及其發(fā)展(pp63-64)二、遺傳信息的轉(zhuǎn)錄(RNA的合成)與RNA的加工(pp53-56)三、遺傳密碼及其特性(pp56-58)四、遺傳信息的翻譯(pp58-62)五、基因表達(dá)調(diào)控(pp185-214)27一、中心法則及其發(fā)展(pp63-64)中心法則(centraldogma)闡述生物世代、個(gè)體以及從遺傳物質(zhì)到性狀的遺傳信息流向，即遺傳信息在遺傳物質(zhì)復(fù)制、性狀表現(xiàn)過(guò)程中的信息流向最初由Crick提出，并經(jīng)過(guò)了多次修正28中心法則的發(fā)展反轉(zhuǎn)錄(逆轉(zhuǎn)錄)：反轉(zhuǎn)錄酶cDNARNA的自我復(fù)制DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成29第四節(jié)基因的概念與發(fā)展(pp178-185)一、經(jīng)典遺傳學(xué)中基因的概念(p178)二、生化遺傳和早期分子遺傳學(xué)對(duì)基因概念的發(fā)展三、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(pp179-183)四、現(xiàn)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念(pp183-185)30二、生化遺傳學(xué)對(duì)基因概念的發(fā)展生化遺傳及早期分子遺傳研究在兩個(gè)重要方面發(fā)展了基因的概念：基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段，并且在染色體上位置固定、序列連續(xù)；遺傳信息就存在于核苷酸(堿基)序列中“一個(gè)基因一個(gè)酶”，基因表達(dá)為蛋白質(zhì)；基因的核苷酸序列決定蛋白質(zhì)氨基酸序列31三、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(pp179-183)(一)、位置效應(yīng)(二)、遺傳的最小結(jié)構(gòu)單位(pp180-183)(三)、遺傳的最小功能單位(pp179-180)32(一)、位置效應(yīng)位置效應(yīng)及意義：基因在染色體上位置不同，對(duì)性狀表現(xiàn)的作用(程度)也可能不同染色體并非基因的簡(jiǎn)單容納器，基因在染色體上的位置也對(duì)其功能具有重要影響“念珠理論”的第一點(diǎn)(基因與染色體的關(guān)系)得到了發(fā)展“念珠理論”的另一個(gè)內(nèi)容是基因的結(jié)構(gòu)不可分性(最小遺傳結(jié)構(gòu)單位)。不可分性最早遇到的挫折也是來(lái)自對(duì)果蠅的研究33三、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(pp179-183)(一)、位置效應(yīng)(二)、遺傳的最小結(jié)構(gòu)單位(pp180-183)(三)、遺傳的最小功能單位(pp179-180)341.果蠅眼型遺傳試驗(yàn)(E.B.Lewis)Lewis分離到果蠅染色體2末端一個(gè)位點(diǎn)的兩個(gè)突變型：顯性星眼突變型(S)：雜合體S/+比野生型眼稍小隱性擬星眼(ast)：純合體ast/ast眼更小基因定位發(fā)現(xiàn)兩個(gè)突變?cè)谕粎^(qū)域，且S/ast雜合體眼型最小幾種基因型眼型表現(xiàn)為：+/+>S/+>ast/ast>S/ast；將四種表現(xiàn)型分別用：A、B、C、D表示功能和位置關(guān)系研究表明：S和ast是等位基因Lewis得到一個(gè)果蠅品系：S基因兩側(cè)具有al和ho兩個(gè)隱性突變標(biāo)記(alSho)，并獲得雜種alSho//+ast+35試驗(yàn)結(jié)果36結(jié)果分析與擬等位基因(psendoallele)野生型的個(gè)體是如何產(chǎn)生的研究發(fā)現(xiàn)回復(fù)突變頻率很低，不能產(chǎn)生如此高頻率(萬(wàn)分之2.8)的野生型進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：16個(gè)野生型個(gè)體均表現(xiàn)為++ho，表明在al-ho間發(fā)生了交換基于基因不可分性(交換只發(fā)生在基因間)，Lewis認(rèn)為：S和ast是兩個(gè)緊密連鎖基因，而不是一對(duì)等位基因由于它們功能相似，均控制果蠅的眼型，所以稱(chēng)為擬等位基因(psendoallele)據(jù)此Lewis認(rèn)為野生型產(chǎn)生于擬等位基因S和ast間交換37圖示與分析擬等位基因假設(shè)能解釋果蠅眼型遺傳試驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)也能解釋其它研究結(jié)果，如：果蠅菱形眼突變型遺傳但擬等位基因并不能直接證明，因?yàn)榧词筍與ast確是擬等位基因，也難以分離它們：表型相似、緊密連鎖382.T4突變型(rII)遺傳研究(pp180-181)SeymourBenzer(1955)用E.Coli烈性噬菌體T4突變型遺傳研究證明：擬等位基因的說(shuō)法是不正確的T4野生型在E.Coli菌苔上產(chǎn)生小而不規(guī)則噬菌斑T4突變品系按表型可分為：rI、rII、rIII三類(lèi)。其中rII在E.ColiB上產(chǎn)生快速溶菌現(xiàn)象，形成大而圓噬菌斑，在E.ColiK(λ)上不能生長(zhǎng)39試