第三章 遺傳物質的分子基礎

遺傳學在微觀水平的深入基因的化學基礎是什么遺傳的染色體理論認為：基因位于核內染色體上染色體的主要化學成份——蛋白質和核酸何者為基因的化學基礎*“蛋白質是遺傳物質”觀點及其主要論據(jù)基因化學本質的條件：具有三種功能(p31)遺傳功能(復制與世代傳遞)表型功能(具有適當?shù)目刂菩誀畹谋磉_機制)進化功能(能夠產生變異滿足生物進化的要求)1三個學派E.Schr?dinger(1945)(薛丁格)：Whatislife二十世紀，由于物理學、化學和數(shù)學研究工作者的加入，在生物學與遺傳學研究領域形成了三個學派：物理學——結構——結構學派化學——生化——生化學派數(shù)學——信息——信息學派2第三章遺傳的分子基礎

(pp31-64;pp178-248;pp258-267)第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質的證據(jù)第二節(jié)核酸的化學結構與DNA復制*第三節(jié)遺傳信息的表達與調控第四節(jié)基因的概念與發(fā)展第五節(jié)基因突變的分子機制*第六節(jié)遺傳工程本章要點3第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質的證據(jù)一、DNA是遺傳物質的間接證據(jù)(pp31-32)二、DNA是遺傳物質的直接證據(jù)(pp32-34)(一)、細菌轉化試驗(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(p33)(三)、煙草花葉病毒拆合實驗(pp33-34)*三、非核酸類的遺傳物質4一、DNA是遺傳物質的間接證據(jù)(pp31-32)DNA普遍存在于生物體內含量恒定。配子中DNA的含量恰好是體細胞的一半。DNA結構的變化與突變具有一致性。DNA在代謝上較穩(wěn)定。DNA能自我復制，具有世代的延續(xù)性。5第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質的證據(jù)一、DNA是遺傳物質的間接證據(jù)(pp31-32)二、DNA是遺傳物質的直接證據(jù)(pp32-34)(一)、細菌轉化試驗(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(p33)(三)、煙草花葉病毒拆合實驗(pp33-34)*三、非核酸類的遺傳物質6(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(p33)1.背景知識噬菌體侵染與繁殖基本過程：T2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質進入細菌細胞利用大腸桿菌的復制系統(tǒng)復制噬菌體遺傳物質利用大腸桿菌的遺傳信息表達系統(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進入細菌的是噬菌體的哪一部分，就能證明哪種物質是遺傳信息載體另外：P是DNA的組成部分，但不存在于蛋白質中S存在于蛋白質中，但DNA中沒有72.Hershey和Chase的實驗(p33)1952,Hershey等用同位素32P和35S分別標記T2噬菌體的DNA與蛋白質圖2-2赫爾歇的噬菌體實驗8結果與結論試驗結果表明：主要是由于DNA進入細胞內才產生完整的噬菌體結論：DNA才是(噬菌體的)遺傳物質題外話：與Avery等人研究比較，本試驗的精度低得多。但是由于放射性標記法(也稱為示蹤原子法)，當時為人們普遍采用同時由于核酸研究及其它相關的成果，本試驗結果很快得到人們的廣泛認同9(三)、煙草花葉病毒的感染和繁殖試驗煙草花葉病毒(TMV)是由RNA與蛋白質構成的管狀微粒：中心是單鏈螺旋RNA、外部是蛋白質外殼拆分感染試驗：

RNA接種到煙葉→發(fā)病

RNARNA酶處理RNA→不發(fā)病

TMV

蛋白質：接種后不形成新的TMV

不發(fā)病說明在不含DNA的TMV中RNA就是遺傳物質102.重組合試驗Frankel-Conrat,Singer(1956)進行了圖示試驗：綜上所述：到上世紀中期，多方面證據(jù)都直接或間接地表明DNA是主要的遺傳物質，而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遺傳物質11第二節(jié)核酸的化學結構與DNA復制*一、早期對核酸化學性質的研究二、DNA的一級結構三、DNA的二級結構*四、RNA的分子結構*五、DNA的復制12三、DNA的二級結構*(一)、DNA分子結構的研究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分子雙螺旋結構模型1.DNA分子雙螺旋結構模型要點2.DNA雙螺旋結構模型的意義3.DNA分子構型的多態(tài)性13*(一)、DNA分子結構的研究上世紀中期，眾多研究表明：核酸是遺傳信息的載體，顯然DNA的結構研究是進一步研究其功能和作用方式的基礎也由此激發(fā)了科學家從事核酸二級與高級結構研究的興趣，當時進行DNA結構研究的科學家很多，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α-螺旋模型后)開始研究DNA分子結構根據(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分子晶體呈螺旋結構)進行研究提出DNA分子三鏈螺旋結構模型：引入多鏈、螺旋和氫鏈等概念評價：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分子結構模型研究確立了方向注：1954年鮑林因研究物質聚合力(氫鏈)而獲得諾貝爾化學獎152.威爾金斯、富蘭克琳研究小組主要工作：Wilkins和Franklin改進了DNA分子晶體X射線衍射圖譜技術于1951年獲得了更為清晰的圖像結果表明：

堿基位于螺旋內側而磷酸基團在外側，同時測得了DNA螺旋的直徑和螺距16aboutFranklin173.沃生、克里克研究小組Watson、Crick(1951-1953)：研究手段非常簡單：用紙板等做磷酸、核糖和堿基模型，拼湊DNA分子的三維結構理論知識深厚、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等三個方研究成果，Watson和Crick于1953年提出了他們的第三個DNA雙螺旋結構模型現(xiàn)在人們公認這是分子遺傳學建立的標志為此Watson，Crick和Wilkins于1962年獲得了諾貝爾生理學及醫(yī)學獎19DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)對DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)作出重大貢獻的四位科學家物理學家FrancisCrick

生物學家JamesWatson物理學家MauriceWilkins化學家RosalindFranklin

由于Franklin過早的去世，1962年，諾貝爾生理和醫(yī)學獎只授給了前面Crick、Watson和Wilkins三位。20Frankeline早期所拍的DNAX光結構照片1953年，Watson和Crick確立了正確的堿基分子A和T、C和G的配對模型，并從X光照片確認，兩條骨架鏈是反平行的，從而創(chuàng)建了DNA雙螺旋結構模型。這一模型，也得到WILkins和Franklin的認可。當年4月25日，自然雜志發(fā)表了Crick和Watson的論文，同時也發(fā)表了Wilkins和Franklin與他們的合作者分別寫的兩篇實驗結果的論文。DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)21Watson、Crick的DNA雙螺旋結構22三、DNA的二級結構*(一)、DNA分子結構的研究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分子雙螺旋結構模型1.DNA分子雙螺旋結構模型要點2.DNA雙螺旋結構模型的意義3.DNA分子構型的多態(tài)性23(二)、DNA分子雙螺旋結構模型DNA分子雙螺旋結構模型要點242.DNA雙螺旋結構模型的意義DNA雙螺旋模型結構同時表明：DNA復制的明顯方式——半保留復制。Watson和Crick在1953年就指出：DNA可以按堿基互補配對原則進行半保留復制。而在此之前對復制方式人們對一無所知基因和多肽成線性對應的一個可能的理由：DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質的氨基酸順序；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氨基酸順序在其后的幾十年中，科學家們沿著這兩條途徑前進，探明了DNA復制、遺傳信息表達與中心法則等內容253.DNA分子構型的多態(tài)性(p38)26*第三節(jié)遺傳信息的表達與調控(pp49-64)一、中心法則及其發(fā)展(pp63-64)二、遺傳信息的轉錄(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、基因表達調控(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、個體以及從遺傳物質到性狀的遺傳信息流向，即遺傳信息在遺傳物質復制、性狀表現(xiàn)過程中的信息流向最初由Crick提出，并經(jīng)過了多次修正28中心法則的發(fā)展反轉錄(逆轉錄)：反轉錄酶cDNARNA的自我復制DNA指導蛋白質合成29第四節(jié)基因的概念與發(fā)展(pp178-185)一、經(jīng)典遺傳學中基因的概念(p178)二、生化遺傳和早期分子遺傳學對基因概念的發(fā)展三、基因的微細結構與性質(pp179-183)四、現(xiàn)代分子遺傳學關于基因的概念(pp183-185)30二、生化遺傳學對基因概念的發(fā)展生化遺傳及早期分子遺傳研究在兩個重要方面發(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“一個基因一個酶”，基因表達為蛋白質；基因的核苷酸序列決定蛋白質氨基酸序列31三、基因的微細結構與性質(pp179-183)(一)、位置效應(二)、遺傳的最小結構單位(pp180-183)(三)、遺傳的最小功能單位(pp179-180)32(一)、位置效應位置效應及意義：基因在染色體上位置不同，對性狀表現(xiàn)的作用(程度)也可能不同染色體并非基因的簡單容納器，基因在染色體上的位置也對其功能具有重要影響“念珠理論”的第一點(基因與染色體的關系)得到了發(fā)展“念珠理論”的另一個內容是基因的結構不可分性(最小遺傳結構單位)。不可分性最早遇到的挫折也是來自對果蠅的研究33三、基因的微細結構與性質(pp179-183)(一)、位置效應(二)、遺傳的最小結構單位(pp180-183)(三)、遺傳的最小功能單位(pp179-180)341.果蠅眼型遺傳試驗(E.B.Lewis)Lewis分離到果蠅染色體2末端一個位點的兩個突變型：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)兩個突變在同一區(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表示功能和位置關系研究表明：S和ast是等位基因Lewis得到一個果蠅品系：S基因兩側具有al和ho兩個隱性突變標記(alSho)，并獲得雜種alSho//+ast+35試驗結果36結果分析與擬等位基因(psendoallele)野生型的個體是如何產生的研究發(fā)現(xiàn)回復突變頻率很低，不能產生如此高頻率(萬分之2.8)的野生型進一步分析發(fā)現(xiàn)：16個野生型個體均表現(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認為：S和ast是兩個緊密連鎖基因，而不是一對等位基因由于它們功能相似，均控制果蠅的眼型，所以稱為擬等位基因(psendoallele)據(jù)此Lewis認為野生型產生于擬等位基因S和ast間交換37圖示與分析擬等位基因假設能解釋果蠅眼型遺傳試驗結果；同時也能解釋其它研究結果，如：果蠅菱形眼突變型遺傳但擬等位基因并不能直接證明，因為即使S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：擬等位基因的說法是不正確的T4野生型在E.Coli菌苔上產生小而不規(guī)則噬菌斑T4突變品系按表型可分為：rI、rII、rIII三類。其中rII在E.ColiB上產生快速溶菌現(xiàn)象，形成大而圓噬菌斑，在E.ColiK(λ)上不能生長39試