7--遗传物质的分子基础

现代遗传学ModernGenetics长江大学生命科学学院2第七章遗传物质的分子基础Chapter7Molecularbasisofinheritance第一节DNA作为主要遗传物质的证据第二节DNA的结构及其复制第三节遗传信息的表达与调控第四节基因的概念与发展第五节核酸研究技术简介本章要求复习思考题3遗传学在微观水平的深入基因的化学基础是什么？遗传的染色体理论认为：基因位于细胞核内染色体上；染色体的主要化学成份——蛋白质和核酸何者为基因的化学基础？“蛋白质是遗传物质”观点及其主要论据。基因化学本质的条件：具有三种功能遗传功能(复制与世代传递)表型功能(具有适当的控制性状的表达机制)进化功能(能够产生变异满足生物进化的要求)4三个学派E.Schrödinger(薛定谔，1945)：Whatislife?二十世纪，由于物理学、化学和数学研究工作者的加入，在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派：物理学——结构——结构学派化学——生化——生化学派数学——信息——信息学派5第一节DNA作为主要遗传物质的证据一、DNA作为主要遗传物质的间接证据二、DNA作为主要遗传物质的直接证据㈠、细菌转化试验㈡、噬菌体侵染与繁殖试验㈢、烟草花叶病毒拆合实验6一、DNA作为主要遗传物质的间接证据基因存在于染色体上（真核生物）:染色体蛋白质（组蛋白、非组蛋白）66%核酸其它：如类脂和无机物质少量脱氧核糖核酸（DNA）27%核糖核酸（RNA）6%71、DNA含量恒定体细胞DNA含量是配子DNA的一倍多倍体DNA含量倍增，但细胞内蛋白质含量不恒定2、DNA在代谢上较稳定利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分子代谢较稳定其它分子一边形成、同时又一边分解3、DNA结构的变化与突变具有一致性紫外线诱发突变时，最有效波长均为2600埃；与DNA所吸收的紫外线光谱一致；证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。84、DNA普遍存在于生物体内⑴、DNA是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类等。⑵、蛋白质则不同：噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体上，而真核生物染色体中有核蛋白组成。9二、DNA作为主要遗传物质的直接证据㈠、细菌的转化肺炎双球菌（Streptococcuspneumoniae）:光滑型（S型）有荚膜，有毒性，形成光滑菌落粗糙型（R型）无荚膜，无毒性，形成粗糙菌落按血清免疫反应分为许多抗原型，常用ⅠR、ⅡR和ⅠS、ⅡS、ⅢS等加以区别。10FrederickGriffith’sTransformationExperiment–1928首次将一种类型的肺炎双球菌ⅡR转化为另一种类型ⅢS，实现了细菌遗传性状的定向转化。推测:被加热杀死的ⅢS型肺炎双球菌必然含有某种促成以上结果的活性物质。11OswaldT.Avery’sTransformationExperiment-1944证据：此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（Rnase）的影响，而只能为DNA酶所破坏。用生物化学方法证明以上活性物质是DNA。1214㈡、噬菌体侵染与繁殖试验噬菌体侵染与繁殖基本过程P是DNA的组成部分，不存在于蛋白质中S存在于蛋白质中，DNA中没有StructureofT2phage15LifecycleofvirulentT2phageT2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质最后组装形成完整的T2噬菌体16BacteriophageExperiment(Hershey和Chase)-19531.T2bacteriophageiscomposedofDNAandproteins:2.Set-uptworeplicates:LabelDNAwith32PLabelProteinwith35S3.InfectedE.colibacteriawithtwotypesoflabeledT24.32Pisdiscoveredwithinthebacteriaandprogenyphages,whereas35Sisnotfoundwithinthebacteriabutreleasedwithphageghosts.17试验结果表明：主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质1969:AlfredHershey18㈢、烟草花叶病毒拆合实验烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒：中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳19Gierer&SchrammTobaccoMosaicVirus(TMV)Experiment-1956Fraenkel-Conrat&Singer-1957Used2viralstrainstodemonstrateRNAisthegeneticmaterialofTMV20综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或间接地表明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遗传物质。21第二节DNA的结构及其复制一、DNA的结构二、DNA的复制——半保留半不连续复制22一、DNA的结构23㈠、Levene的四核苷酸假说——1930s四核苷酸假说奠定了核酸化学基础核苷酸是核酸的基本组成单位核酸是“磷酸—核糖(碱基)—磷酸”的核苷多聚体核酸多聚体是由“四核苷酸结构”重复形成每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个24核酸是以核苷酸（nucleotide）为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。含氮碱基磷酸五碳糖核苷酸25DNA核苷酸RNA核苷酸五碳糖：脱氧核糖碱基：A、T、C、G五碳糖：核糖碱基：A、U、C、G26DNA四种脱氧核苷酸27㈡、Chargaff’s定则——1950s四种碱基的数量不是等量的嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。DNA碱基组成具有物种特异性，而无组织特异性。28㈢、DNA双螺旋结构的发现291、DNA分子结构的研究⑴、鲍林(Pauling)研究小组主要工作：1951年(提出蛋白质α-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构根据阿斯伯利（Astbury）等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究提出DNA分子三链螺旋结构模型：引入多链、螺旋和氢链等概念。评价：虽然他们提出的模型并不正确，但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构模型研究确立了方向。注：1954年鲍林因研究物质聚合力而获得诺贝尔化学奖301、DNA分子结构的研究⑵、威尔金斯、富兰克林研究小组Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术，于1951年获得了更为清晰的图像。X-raydiffractionstudiesofRosalindFranklin&MauriceH.F.WilkinsConclusion：DNAisahelicalstructurewithdistinctiveregularities,0.34nm&3.4nm.31X~rayphotographofDNAwithhighquality核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧，同时测得了DNA螺旋的直径和螺距。Wilkins,Maurice(1916-)Franklin,Rosalind(1920-1958)DNAX-raycrystallography321、DNA分子结构的研究⑶、瓦特森（Waston）、克里克（Crick）研究小组(1951-1953)研究手段非常简单：用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型，拼凑DNA分子的三维结构。理论知识深厚、富于创造性；视野广阔、收集信息全面并善于分析利用。33拿来主义主要基于Chargaff、Pauling和Wilkins等三个方研究成果，Waston和Crick于1953年提出了他们的第三个DNA双螺旋结构模型。1962:NobelPrizeinPhysiologyandMedicineJamesD.Watson（34y）FrancisH.Crick(46y)MauriceH.F.Wilkins(46y)Whatabout?RosalindFranklinItisaregretthatshediedin1958342、DNA分子双螺旋结构模型35DNA分子双螺旋结构模型要点（六点）①Twopolynucleotidechainswoundinaright-handed(clockwise)double-helix.②Nucleotidechainsareantiparallel:5’3’3’5’③Sugar-phosphatebackbonesareontheoutsideofthedoublehelix,andthebasesareorientedtowardsthecentralaxis.④Complementarybasepairsfromoppositestrandsareboundtogetherbyrelativelyweakhydrogenbonds.ApairswithT(2H-bonds),andGpairswithC(3H-bonds).e.g.,5’-TATTCCGA-3’3’-ATAAGGCT-3’⑤Basepairsare0.34nmapart.Onecompleteturnofthehelixrequires3.4nm(10bases/turn).⑥Sugar-phosphatebackbonesarenotequally-spaced,resultinginmajorandminorgrooves.363、DNA分子构型的多态性DNA的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z7种引起DNA双链构象改变有以下因素：①核苷酸顺序②碱基组成③盐的种类④相对湿度37B-DNA生理状态，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋A-DNA高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋Z-DNA序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基对，左手螺旋384、DNA的三级结构所谓DNA的三级结构，是指在一二结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲。三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体。松驰型DNA(relaxform)超螺旋(Supercoied)DNA：负超螺旋、正超螺旋3941二、DNA的复制——半保留半不连续复制ThemodelofDNAReplication①一端沿氢键逐渐断开②以单链为模板，碱基互补③氢键结合，聚合酶等连接④形成新的互补链⑤形成了两个新DNA分子42AlternativemodelsofDNAreplication431958:MatthewMeselson&FrankStahl’sExperimentSemiconservativemodelofDNAreplication4445㈠、复制起点和复制方向原核生物：大多数细菌和病毒只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制（例外：噬菌体P2）。真核生物：每条染色体的DNA复制都是多起点；每条染色体有多个复制子；且为双向复制。复制子(Replicon)：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列。46㈠、复制起点和复制方向原核生物：大多数细菌和病毒只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制（例外：噬菌体P2）。真核生物：每条染色体的DNA复制都是多起点；每条染色体有多个复制子；且为双向复制。复制子(Replicon)：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列。47㈡、原核生物DNA合成1、有关DNA合成的酶DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ48㈡、原核生物DNA合成2、DNA复制的过程⑴DNA双螺旋的解链DNA解旋酶在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋4