第七章：DNA-生命的秘密

第10章DNA-生命的秘密本章内容提要1)DNA为遗传物质的证据2)DNA双螺旋模型3)DNA的复制4)染色体的结构5)遗传密码的破译6)遗传信息流7)蛋白质翻译8)人类基因组测序计划概况基因由DNA组成1)染色体由DNA和蛋白质组成2)DNA为遗传物质,携带决定生物所有表型的信息.“一个基因一个酶”的假设Beadle和Tatum通过脉包菌(Neurosporacrassa)的遗传分析发现基因的原始作用是决定酶的结构。每一种突变只阻断一个生化反应，或者说只是造成催化这个生化反应的酶的功能缺陷。与突变基因相对应的野生型基因决定了一种酶的产生，决定这个酶所催化的生化反应能不能进行，决定了这个酶反应的产物能不能生成，决定了与这个产物相关的野生型性状能不能显现。DNA作为遗传物质的证据1)肺炎球菌的转化实验2)噬菌体感染实验摩尔根以及学生用实验毫无疑问的证实了遗传物质在染色体上，那么遗传物质究竟是什么？肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌实验:a)1928年,英国细菌学家Griffith发现具光滑夹膜细胞壁的肺炎双球菌(S)可导致被感染老鼠发病;b)突变的具粗糙夹膜的肺炎双球菌(R)无致病性;c)加热杀死光滑夹膜肺炎双球菌品系无致病力;d)将加热杀死的光滑夹膜肺炎双球菌与无致病性的粗糙肺炎双球菌混合注射接种健康老鼠,可使老鼠致病死亡,可从死亡个体中分离到具光滑夹膜的致病肺炎双球菌.这是首次报道的致病性细菌的转化实验.转化物质是什么？S型死菌体内有一种物质能引起R型活菌转化产生S型菌，这种转化的物质（转化因子）是什么?格里菲斯对此并未做出回答。1944年美国的埃弗雷(O．Avery)、麦克利奥特(C.Macleod)及麦克卡蒂(M．Mccarty)等人在格里菲斯工作的基础上，对转化的本质进行了深入的研究。有毒性S型肺炎双球菌成分分离后，进行下列实验•A．蛋白质＋活的无毒性R型感染小鼠，小鼠存活•B．DNA＋活的无毒性R型感染小鼠，小鼠死亡•C．多糖＋活的无毒性R型感染小鼠，小鼠存活•D.DNA酶＋DNA＋活的无毒性R型感染小鼠，小鼠存活。•结论：DNA是遗传物质DNA作为遗传物质的证据—细菌DNA转化实验在Griffith证实肺炎双球菌的致病性可在不同品系之间转移之后,1944年Avery报道从致病性细菌品系提取与分离DNA并将其用于转化突变品系,获得致病性转化细菌.这一实验首次提供了DNA作为遗传物质的直接证据.DNA作为遗传物质的证据—噬菌体感染证明DNA是遗传物质为何没有获得诺贝尔奖?1)证明DNA是遗传物质曾经花去两代人的努力:F.Griffith(1877-1941),1928年肺炎双球菌转化实验;O.T.Avery(1877-1955),1944年将纯化的细菌DNA转化活细菌,证实DNA为遗传物质.A.D.Hershey(1908-)和M.Chase,1952年噬菌体转化实验.2)1950年,有人提出应给Avery授予诺贝尔奖,但当时许多科学家包括诺贝尔奖评委仍然对Avery的转化因子持有异议,提议被搁置.3)当1952年Hershey和Chase的噬菌体转化实验成功后（1969年诺贝尔奖），,Avery的研究才得到广泛认同.当诺贝尔奖评选委员会准备为Avery授奖时,这位杰出的科学家已于1955年去世.由于诺贝尔奖评委们的失误,使人们对DNA的误解延长了差不多10年.颁奖词：发现了病毒的复制和遗传结构，证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。•当人们渐渐将自己的注意力转移到DNA的结构研究时一个物理学家的一本书在生物界引起了广泛的影响。40年代中细胞遗传学、微生物学和生化遗传学取得巨大成就引起奥地利物理学家·薛定谔的兴趣以及深入思考。1943年写下了《生命是什么》这是一本从物理学到生命科学的创想式著作，薛定谔以一个获得过诺贝尔奖的物理学家对量子力学的研究，应用到对分子生物学的思考，并得出了两个极为重要的结论：基因中存在一种微型密码，以及基因遗传性状的持久性。——这种跨学科式的创想，直接为引发了后来DNA双螺旋结构的发现，也打开了分子生物学新的发现之门。薛定谔的《生命是什么——或细胞的物理观》一书-奏响了揭示生命遗传微观奥秘的先声。艾弗里的肺炎双球菌实验和赫尔希等人的噬菌体转化-实验证明了DNA为遗传物质，更是掀起了DNA研究---的热潮。•当时的鲍林已经是化学界的“权威”，他当时致力于蛋白结构的研究，认为蛋白质是生命的核心分子，不愿接受DNA是遗传物质的事实。•认为相对于蛋白质而言，DNA似乎比较简单（只由碱基脱氧核糖和磷酸构成），没有太多的重视，以自己对蛋白质的研究实力解读DNA结构简直不成问题同时认为除了自己没有人可以胜任这项工作。•资料掌握不充分甚至错误.•鲍林认为磷酸聚集在中间，碱基朝外，在他的头脑中，DNA结构的问题就已经转化为如何将磷酸堆积在一起的问题•鲍林对DNA研究总是被各种事务打断，使他曾多次中断自己的思路。写信给物理学家威尔金斯及其上司索要DNAX射线衍射照片均遭拒绝。开端完全错误。得出错误的结论：DNA三螺旋结构•。1950年，爱尔兰科学家威尔金斯（MauriceWilkins）的研究小组就测定了DNA在较高温度下的X射线衍射。DNAX射线衍射研究具有非凡才能的英国女科学家罗沙琳德·弗兰克林（RosalindFranklin）加盟到威尔金斯小组。1952年5月她获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。弗兰克林与威尔金斯提出DNA的结构可能是双螺旋DNA分子中的碱基比例查加夫发现不同物种中DNA中鸟嘌呤与胞嘧啶的比值总是接近1:1,为碱基配对规律奠定基础。•在剑桥大学的卡文迪斯实验室里，两个无名小卒克里克、沃森也着手进行对奇异的DNA结构的探索。沃森克里克•偷师于鲍林；•看到富兰克林最新DNA的X衍射照片:碱基在内侧，磷酸在外侧•查加夫的提示：腺嘌呤=胸腺嘧啶（A=T）鸟嘌呤=胞嘧啶(G=C)•鲍林却违背自己建立的理论•而鲍林看到的是DNA早期的衍射照片;两种类型的分子重叠，严重了误导了他。•查加夫在1947年在大西洋彼岸旅行期间，曾对鲍林讲起过这一种关系，但鲍林并没有在意。•多诺胡帮助沃森和克里克明确了方向，将中心氢键上的氢原子放置在合适的位置上，推翻了他们原先设想的模型，促使他们走上了正确地解决问题的轨道。•这是最后的一道谜底，其结果闪耀着夺目的光彩DNA双螺旋模型的建立DNA双螺旋模型建立的科学基础:1)1948年查加夫等发现DNA中鸟嘌呤与胞嘧啶的比值总是接近1:1,为碱基配对规律奠定了化学基础.2)1951年威尔金斯(Wilkins)和富兰克林(Franklin)的DNA结晶X射线衍射图提供了DNA双螺旋物理学的证据.3)1951年鲍林提出蛋白质的α螺旋模型,给沃森和克立克以有益的启示.•1953年2月28日沃森和克里克摆弄出了正确的DNA双螺旋结构。1953年4月25日《自然》杂志发表了沃森与克里克的DNA双螺旋结构假说的不到1000字短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，并配有威尔金斯和弗兰克林的两篇文章，以支持沃森和克里克的假说。后来鲍林和其他科学家的研究也从不同方面证明了DNA双螺旋结构。一个月后，沃森与克里克在《自然》杂志上又发表一篇论文，讨论了遗传物质复制的机制。推测的DNA结构DNA双螺旋结构•沃森和克里克不仅受到了多学科领域的科学家的启示和帮助，而且他们自己都承认，他们的研究方法来源于伟大的化学家鲍林。•由此可见，生命科学是集多学科，特别是化学的大成所在，他与化学，乃至物理、数学的揉合可见一斑。•沃森和克里克的成功凭借的是一种稀缺的想像力，而不是艰苦的实验数据收集，不是投机取巧。这一点，别人只能望尘莫及。•尽管沃森和克里克是相异的一对，但这并不妨碍他们之间漂亮的默契，他俩正像DNA链中的互补碱基一样•视科学为人生中狂热的追求，即便遇到困难也绝不退却。•坚信DNA就是遗传物质。G.Watson和F.Crick做的不是一般意义上的观察与实验，而是通过对已有的，来自各个学科和实验室的有关DNA的研究结果的审视与评价，将它们融合在一起，形成一个崭新的整体，并赋于它革命性的学术内涵。见人人之所见，思人人所未思。沃森和克里克在未经许可的情况下，使用了富兰克林拍摄的照片，才发现了DNA双螺旋结构，但对于富兰克林的贡献只字不提。在Nature上发表文章时丝毫未提富兰克林的贡献，他们1962年发表诺奖报告，享受科学界的最高荣誉时，富兰克林已经去世4年了，依然不提富兰克林之功。性别歧视和成就被贬低的富兰克林1920年7月25日，富兰克林出生于英国伦敦一个富有的犹太家庭，虽为女性，却有着坚强的性格，15岁就立志要当科学家，从小就显示出聪明的个性和极高的创造力，这为以后的科学研究中展开独立思考奠定了基础。•1950年，她应邀从剑桥大学来到兰德尔主持的伦敦大学国王学院英国国家医学委员会生物物理实验室，从事DNA结构研究。•在性别歧视严重、极不友好的环境中她改进了X射线照相机以及用于拍照的DNA样品，拍出了极为清晰的A型和B型两种DNA分子的X射线衍射照片。功绩不可灭•正是她拍摄的DNA分子X射线衍射照片像划破夜空的闪电一样激发了沃森的灵感使他认识到DNA是双链的，仅在看到这种照片之后的两周内，他们把核酸和糖改放在外侧，把碱基置于中间后确定出了正确的DNA双螺旋结构。•1958年富兰克林不幸患卵巢癌去世，享年37岁，度过了她短暂而辉煌的一生。基因的传递---DNA复制DNA是如何复制的？生命延续的奥秘---DNA复制DNA复制的特点1）半保留复制---DNA的两条单链分别作为模板复制与之互补的单链;2)DNA的复制具有极性,只能从5’→3’;3)DNA的两条单链非对称性复制;3’链为连续复制,5’链为间断复制;4)DNA的复制必需先在复制起始点合成一段引物.推测的DNA复制模型DNA复制模型检测DNA复制起始点---双向复制DNA双链的极性DNA链的极性主要表现在核酸分子中核糖-磷酸骨架的排列,DNA单链合成时只能由5‘向3’方向延伸.DNA双链的非对称性复制DNA两条链的极性结构意味着,当DNA双链同时复制时,复制叉上的两条单链的复制方式是不对称的:1)引导链先复制,延滞链后复制;2)引导链为连续复制,延滞链为间断复制(冈崎模型).DNA复制的引物染色体---DNA的包装形式核小体(nucleosome)DNA蛋白质？基因的表达•沃森和克里克详细说明了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义：•第一，它能够说明遗传物质的自我复制。•第二，它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。•第三，它能够说明基因是如何突变的。•但是这个模型无法解释遗传物质的第四个特征，即遗传信息得到表达以控制细胞活动。遗传密码概念的提出遗传密码的概念最早是由量子物理学家薛定鄂提出的.遗传密码的破译遗传密码破译的内容:1)连续编码还是重叠或间断编码?2)每个密码子的字数?3)密码子的含义?•伽莫夫深受薛定谔著作《生命是什么》的影响，•他看到Watson和Crick在《Nature》杂志上发表的DNA双股螺旋结构后，在1954年2月便提出了一个大胆的设想：DNA分子中的4种核音酸分解形成各种不同的组合，每一种组合就是一种氨基酸的符号。伽莫夫的遗传密码假设•伽莫夫（GeorgeGamow）是美籍俄裔物理学家、天文学家、科普作家。业余生物学家•创立了热大爆炸宇宙学模型，•优秀的科普作家，被科普界奉为一代宗师代表作《物理世界奇遇记》1956年获得联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。DNA分子中的4种核音酸分解形成各种不同的组合，每一种组合就是一种氨基酸的符号。遗传密码破译---密码子猜测1954年物理学家加莫夫（Gamow）研究组成蛋白质的20种氨基酸和mRNA4个核苷酸之间的关系,即4种不同的核苷酸如何编码20种氨基酸?作者推测:1)如相邻2个核苷酸编码一个氨基酸,则能决定42=16种氨基酸.2)若3个核苷酸编码一个氨基酸,则有43=64种氨基酸,可满足20种氨基酸的编码要求.密码字数的确定---来自遗传学的实验1)一种称