(六)遗传的物质基础资料汇编

六、遗传的物质基础 DNA 的其他载体质体、线粒体 许多科学家利用不同的实验手段都证明了在质体中有 DNA。质体 DNA 是裸露的，不 和组蛋白结合成复合体，这一点和大肠杆菌 DNA 很相似。质体 DNA 可以进行自我复制，还 可以控制蛋白质的合成。质体具有一整套合成蛋白质的结构，它可以以 DNA 为模板转录自 己的 mRNA、tRNA、rRNA，而且还有自己合成蛋白质的场所 核糖体。质体 DNA 在细 胞分裂过程中的分配是随机的，所以子细胞中的质体 DNA 的分布是不平均的，这就会使子 细胞中质体基因控制的性状产生差异。 线粒体中也含有 DNA，这些 DNA 也携带着遗传信息并且能独立地进行复制、转录和 翻译。利用氚（3H）标记的方法测定线粒体的 DNA 复制过程，证明它和核 DNA 一样也是半 保留复制。线粒体中含有合成蛋白质的一整套结构，如核糖体以及各种 RNA，线粒体可以独 立地完成蛋白质合成的一系列过程。 人类首次试管中合成 DNA康贝格实验 人类首次试管中合成 DNA 时间：1956 年 科学家：美国生化学 家 康贝格 图解： 实验：从大肠杆菌中提 取 出的 DNA 聚合酶加入到 具 有四种丰富的脱氧核苷酸和适量的 Mg2+的人工合成体系中，经经保温孵育后测定 DNA 含量，发现并没有 DNA 生长；当加入了少量 DNA 做引子和 ATP 作为能源物质，再经保温孵育后，测定 DNA 含量，发现 DNA 含量增加了。且发现增加 DNA 的（AT）：（C G）的比值与所加入的单链 DNA 引子相同。 分析：事先放入四种脱氧核苷酸起何作用？(原料) 加入 DNA 聚合酶起何作用？ (催化) 这是个什么反应？ (合成) 加入 ATP 的作用是什么？ (能量) 为什么要加入 DNA 作引子？ (模板) 梅赛尔一斯特尔实验 （l）实验过程：实验分为两组， 对照组：将大肠杆菌置于含 14N 的培养基上生长，使 DNA 碱基中只含 14N； 实验组：将大肠杆菌置于含 15N 的培养基上生长，使 DNA 碱基中只含 15N； 将对照组含 14N 的大肠杆菌继续于 14N 培养基中生长，繁殖三次，从四代大肠杆菌中分 别提取 DNA 进行高速离心分离，结果如图一 将实验组含 15N 的大肠杆菌继续于 14N 培养基中生长，繁殖三次，从四代大肠杆菌中分 别提取 DNA 进行高速离心分离，结果如图二 （2）结果分析提问： 对照组 DNA 逐渐增加的原因是什么？增加数量有何特点？(复制、倍增) DNA 复制是否象复印机，一张原件复印出若干复印件？ 中层表示什么？新合成 DNA 中一半是旧链，另一半是新链 细胞核内的双链 DNA 在开始复制时可能存在的状态是单链还是双链？(单链) 如何变成单链？(解旋) DNA 分子的双螺旋结构模型的建立过程 首先要介绍的是英国伦敦皇家学院的晶体衍射专家维尔金斯和年轻的女科学家弗兰克林。 他们拍摄出来非常清晰的 DNA 分子的 X 射线衍射照片，为分析 DNA 结构提供了重要的依据 和证据。 由于 X 射线的波长与晶体内原子或分子间的距离相近，当一束 X 射线照射晶体时，就会 发生衍射。射线的强度在一些方向上加强，在一些方向上减弱。分析衍射图样，就可以确定 晶体内部原子间的排列和距离。 克里克是毕业于伦敦大学的物理学家。他曾参加过用 X 射线研究血红蛋白的分子结构， 在研究 X 射线衍射照片方面有很高的造诣。沃森是年轻有为的分子生物学家，他与克里克一 见如故，共同研究 DNA 的分子结构。 当时沃森和克里克见到的 DNAX 射线衍射照片不是非常清楚，但是可以看出 DNA 分子 很可能具有螺旋结构。他们用金属较合线建立了一个三链的模型，但很快就知道是错误的。 一次，沃森和克里克见到了维尔金斯和弗兰克林拍摄的、非常清晰的 X 射线衍射照片。 他们从照片中央的那些小小的十字架样的图案上，敏锐地意识到 DNA 分子很可能是双链结 构。他们立即投入模型的重建工作，以脱氧核糖和碱基间隔排列形成骨架主链，让碱基 两两相连夹于双螺旋之间。由于他们让相同的碱基两两配对，做出来的模型是扭曲的。此后， 美国生物化学家查伽夫的研究成果给了沃森和克里克很大启发。查伽夫发现：（1）在他所分 2 析的 DNA 样本中，A 的数目总是和 T 的数目相等，C 的数目总是和 G 的数目相等。即： （AG）：（TC）=1。 （2） （A T）：（CG ）的比值具有物种特异性。沃森和克里克 吸收了美国生物化学家查伽夫的研究成果，经过深入的思考，终于建立了 DNA 的双螺旋结 构模型。 证明 RNA 与蛋白质关系的两个实验 1955 年有人曾用洋葱很尖和变形虫进行实验，如果加入 RNA 酶分解细胞中的 RNA，蛋 白质合成就停止，而如果再加进了从酵母中提取出来的 RNA，则又可重新合成一定数量的蛋 白质。实验结果表明蛋白质合成显然跟 RNA 有关。 1955 年拉斯特（LasterGold）等人用变形虫的换核实验，证明 RNA 是在细胞核中合成的， 然后再从细胞核中转移到细胞质中。 实验过程如下：A 组变形虫用同位素标记的尿嘧啶核苷培养液来培养，发现标记的 RNA 分子首先在细胞核中合成；B 组变形虫培养在本标记的尿嘧啶核苷培养液中，变形虫的细胞 核和细胞质中均未发现有标记的 RNA。在适当的时候，用这两组变形虫进行核移植实验。将 A 组变形虫的细胞核移植到 B 组变形虫的细胞质中，将 B 组变形虫的细胞核移植到 A 组变形 虫的细胞质中，分别进行培养观察。发现大部分标记的 RNA 相继从细胞核中移入细胞质中。 这样看来，把 DNA 中遗传信息从细胞核中转移到细胞质中控制蛋白质合成的物质，很可能 就是 RNA。 证明 RNA 是根据 DNA 的一条链转录的实验 Marmur 和 Duty 利用 DNARNA 杂合技术、采用侵染枯草杆菌的噬菌体 SP8 为材料进 行实验。噬菌体 SP8 的 DNA 分子由两条碱基组成很不平均的链构成，其中一条链富含嘌呤， 另一条互补链则富含嘧啶。因为嘌呤比嘧啶重，因此富含嘌呤的“重”链与富含嘧啶的“轻” 链在加热变性后可用密度梯度离心分开。实验者在 SP8 侵染后，从枯草杆菌中分离出 RNA， 分别与 DNA 的重链和轻链混合并缓慢冷却。他们发现 SP8 侵染后形成的 RNA 只跟重链形成 DNARNA 的杂合分子。显然， RNA 是杆菌 DNA 中的一条链转录产生的。 对遗传密码的破译工作 1944 年奥地利物理学家薛定谔就在他的生命是什么一书中，最早提出了遗传密码的 设想。他猜想染色体中的有机分子单体严格、精确地排列，构成了遗传密码。遗传密码决定 了生物的遗传性状。这个大胆的猜想，吸引了一批优秀的科学家投身到生命科学的研究中， 去破译遗传密码。 1953 年美国物理学家伽莫夫了解到了沃森和克里克提出的 DNA 双螺旋模型后，设想 DNA 的四种碱基可能就是薛定谔所说的遗传密码。他还通过排列组合计算，推断出一个遗传 密码子可能是由三个碱基组成的三联体密码，一种氨基酸可以用几种碱基密码来表达。 伽莫夫的三联体密码设想很好地解决了四种碱基与二十种氨基酸的对应关系，但遗传密 码在 DNA 上，DNA 在细胞核中，密码是怎样到细胞核外指挥蛋白质的合成的呢？哪一种密 码子代表哪一个氨基酸呢？ 1959 年克里克在许多科学家工作的基础上提出了；遗传信息从 DNA 到 RNA 再到蛋白 质的设想。遗传密码就不再是 DNA 中的碱基序列，而是 mRNA 中的碱基序列了。 1961 年美国的生物化学家尼伦伯格首先用化学方法合成出尿嘧啶（U）多聚体。然后把 尿嘧啶（U）多聚体放入一个含有核糖体和多种氨基酸的系统中，结果得到了完全由苯丙氨 酸组成的蛋白质。从而破译了苯丙氨酸的一个密码子。 此后，各国科学家在此思路的基础上，通过化学合成含有不同碱基的 RNA 的方法，开 展了破译密码子的工作。到 1966 年科学家们破译了全部密码子。 氢键的形成 为什么水的沸点特别高，这是因为它们的分子之间产生了一种叫做氢键的相互作用。氢 键是怎样生成的呢？在水分子中，由于氧的电负性很大，HO 键的极性很强，共用电子对 强烈地偏向 O 原子，亦即 H 原子的电子云被 O 原子吸引，使 H 原子几乎成为“裸露”的质 子。这个半径很小、带部分正电荷的 H 核，允许带部分负电荷的 O 原子充分接近它，并产生 静电吸引作用，这就形成了氢键。 世纪的四个设想基因 我们将解决所有遗传基因的难题 当生物学的最深奥秘最终被公诸于众时，制药业将捷足先登，最先获益。治疗阿耳茨海 默氏病的药物、消灭艾滋病的疫苗以及导致作物生长的菌苗均将在众多发现成果之列 “在未来的年到年内，我们有望获得影响下个世纪科学发展的最基本的发现。这 将是下一个千年人类从事研究的基础，也是人类自身发生巨变的根源。” 公司董事长、总裁兼首席执行官托尼怀特 世纪初期几年，科学界将完成有史以来最重要的任务之一 揭开人类生命的本来面貌。对于勇于探索生物学奥秘的科学家们来说，破译许多生物的 遗传密码形同探索新的星球。美国国家卫生研究所寄生生物学家迈克尔戈特利布解释说： “我们一直在路灯下寻找目标。 如今，我们终于看清了所有的问题。”戈特利布目前正从事疟原虫的基因研究，以便找 到新的办法来对付这种在世界各地肆虐的疾病。 但是这股新的强光除了令人陶醉之外并没有让人们看清一切。年，在诺贝尔奖 获得者汉密尔顿史密斯和基因组学的先驱克雷格文特尔破译了非寄生生物流感嗜血杆菌 完整的基因排序密码之后，他们又惊异地发现科学家们对这种杆菌个基因的半数仍 全然无知。迄今为止尚无任何人知道基因是如何构成非寄生生物的。 文特尔问道，如果科学连一种低等单细胞微生物都无法解释，“我们又将如何了解总共 有万亿种组合方式的人体万个基因呢？” 基因大潮人类基因组工程最终将给医药和生物学带来一场革命，但是这场革命不会像许 多人认为的那样很快到来。文特尔说： “多数奇迹将来源于需要几十年时间才能了解的未知基因和未知作用。” 令人高兴的是：研究人员已经开始了解大量新的遗传信息的意义，这是一项规模浩大的 工作。盐湖城基因研究公司实验室的科学家们正在筛选数以万计的蛋白质，以 了解它们如何相互作用及发挥什么作用。 其结果不仅完全使科学家们感到意外，而且还给他们提供了多种研究机会。例如科学家 们在研究一种能够抑制脑瘤的蛋白质时发现，这种蛋白质附着在第二种类似于支撑架的蛋白 质上，而第二种蛋白质又同第三种像是对脑瘤抑制基因起开关作用的蛋白质联系在一起。该 公司的这项发现为寻找攻克癌症的新方法也许能在年之内找到开辟了道路。 第 3 页 共 4 页 绘制一个已知基因的复杂网络相当困难，要想了解数万个未知基因的作用就更难了。植 物学家们早就预言，一个以具有耐旱特点的基因工程作物和含有疫苗的基因工程蔬菜为代表 的时代即将到来。但是在此之前，他们必须先找到可以植入到作物或蔬菜中的正确基因。而 亚里桑那大学植物生化学家汉斯伯纳特说，目前来说，“我们实际上仍一无所知”。 这就是伯纳特和同事们逐一筛选一种被称为“拟南芥属”的芥子植物的基因的原因。下 一步，他们将把这种植物放在诸如干旱或高温等不同环境中培育。一旦某个突变体不能存活， 科学家们就可以推断出这种突变体缺乏的基因对于它的存活至关重要。伯纳特领导的实验室 已经发现了与植物抗含盐环境能力有关的个基因的排列顺序。其中许多基因是科学 家们以前所不知道的，它们也许将成为下个世纪培育超级作物的关键。 揭示基因奥秘的能力还将让医药业发展发生巨变。医药公司总经理乔 治斯坎格斯解释说：“果蝇或线虫通过进化，其生化特性与人类一些 疾病的生化特性惊人的相似。”该公司的研究人员正在培育带有诸如肿瘤或糖尿病等缺陷的 果蝇，然后使果蝇的数千个其他基因发生突变，从中寻找改变果蝇命运的基因。斯坎格斯说： “我们能够找到使果蝇恢复正常或加重其缺陷的基因。”这项研究为制药商治疗疾病找到了 全新的目标和方法。 当生物学最深奥的秘密被世纪的科学最终揭示出来的时候，最先受益的将是制药业。 治疗阿耳茨海默氏症或癌症的药物、消灭疟疾和艾滋病的疫苗，以及使作物具有额外营养和 药物作用的第二次绿色革命，将属于科学发现取得的众多成果之列。 新知识最终将使人们获得比对付疾病更大的力量。科学家预计，在控制生命能力方面， 人类过去的许多梦想将变成现实。人类基因组科学研究公司 （） 董事长威廉哈兹尔廷认为，通过控制人体的生化特性，人类将能修复或恢复人体细胞 和器官的功能。他预计：“我们很有可能在自身的基因中找到永葆青春的源泉。细胞替换也 许能使人永葆青春和健康。” 生物技术的魔力同一生物技术成果还将使人类能够改变进化过程。普林斯顿大学生物学 家李西尔弗预计，经过加强遗传特征，体力更强健或者智力更卓越的超级人种将会出现。 但是，谁来决断如何利用这些新能力？在我们当前几乎无法解决关于植物的基因改良和 动物克隆等不太复杂的问题的时候，社会作为一个整体将如何获得这方面的知识和掌握做出 正确选择的伦理界限？鉴于人类过去的发展史，目前尚不清楚我们能否找到正确的答案。下 个世纪面临的巨大难题之一将是：在我们慢慢地解开脱氧核糖核酸错综复杂的线索的 同时，我们将面对的是，如何适应自己拥有这种令人畏惧能力的问题。 破译生命密码-人类基因组草图绘制完成 作为人类科学史上的一大突破，人类基因组“工作草图”于 2000 年 6 月 26 日向全世界 公布。这是本世纪继 1953 年发现 DNA 双螺旋结构，奠定分子生物学基础以来生命科学的又一 重大突破。本世纪生物学家们对基因的物质基础、结构、功能及其调控机制已有相当透彻的 了解。近 20 年来，现代生物技术已被逐步应用于医学、工业和农业等方面。转基因技术、分 子克隆技术、药物设计和基因治疗等新兴技术正在走向实用化。 “基因” 、 “克隆” 、 “DNA”等 科学术语已进入日常生活。基因指导着各种生理作用的蛋白质的合成。人的肠子里没长出眼 睛，是因为肠子里管眼睛的 DNA 是关闭的，没有表达，它只在眼睛里才工作。但基因在时序 上和组织位置上有着严格的把握，从而构成了生命活动的有条不紊和绚烂多姿，共同奏响一 曲和谐的生命之歌。 人类基因组计划的产生及发展 “人类基因组计划”的核心是测定人类基因组的 全部 DNA 序列，它蕴藏着生命的根本奥 秘。搞清所有基因的碱基对分布相详情就等于找到了揭开人类生老 病死秘密的钥匙，使征服 癌症等疑难病症和延年益寿 成为可能。因此破译全部人类遗传密码这部“天书”是 科学家 长久以来的梦想。可是个人身上有 36 亿对碱 基，破译这部“天书”将是人类有史以来规 模最大、投 入最多的重大事件。 萌发这一计划的主意，还是美国能源部先开的 头。该部的洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利弗莫尔实 验室的科学家想弄清楚广岛原子弹爆炸中幸存者的后代是否有基因突变现象但苦于没有办 法。经过一番思考后得出结论：只有把人体里所有 30 亿个碱基对的排序 分析清楚，才能判 断一个人的身上是否存在基因的突 变现象。 1984 年在科罗拉多州举行的一个科学会议上，美能源部科学家建议发动全国的科技力量 来做人类基因组图谱的分析工作，结果支持者寥寥。因为以当时 的技术水平，每分析一个碱 基对需要 35 美元， 搞清 30 亿个碱基对的排序需要 150 亿美元的巨资。后来， 经过一段 时期的磨合和妥协，很多最初持反对意见的 科学家转而支持人类基因组计划。1988 年这个 计划正 式获得 2790 万美元的国会拨款，并于 1990 年 10 月 1 日正式启动。 不久，人类 基因组计划发展成一个由多国政府支持的国际项目，先后有美、英、日、德、法及中国等 6 个国家参加，有 16 个实验室及 1100 名生物科学家、计算机专家和技术人员参加。 我国的人类基因组计划正式启动于 1994 年，1998 年 8 月中国科学院遗传所人类基因组中心 在北京成立；随后，中国人类基因组南方和北方研究中心相继成立。1999 年 7 月我国在国际 人类基因组 HGSI 注册，中国最终参与了人类基因组，并承担了国际人类基因组大规模测序任 务的 1，即 3 号染色体短臂上 3000 万个碱基对的测序任务。 随着技术手段的进步，近年来对生命密码的破译呈现出加速之势，生命奥秘之门即将向 人类打开。 人类基因组计划的深远意义 经上千名各国科学家历经 10 年的艰辛努力，被比 喻为“生命天书”的人类基因组草图已 经完成。随着 2001 年 6 月“人类基因组 DNA 序列图”的完成，以提示 基因组功能及调控机 制为目标的功能基因组学，以及 医学(疾病)基因组学已提上了议事日程。 人类基因组计划为推动医学进步带来了空前的 机遇。比如，第 21 对染色体破解将有助予找 到早老性痴呆症、白血病、先天性痴呆症，以及肌肉蒙缩性侧索 硬化症等许多疑难病症有关 的基因，以及治疗这些疑 难病症的方法。 人类所有的疾病都与基因有关，通过基因不仅可 以实现基因诊断，而且还可进行基因治 疗。即通过修 饰基因的结构，调节或改变基因的表达，也可直接把 基因送到人体细胞发挥 治疗功效。 生物领域的阿波罗计划人类基因组计划 二十世纪的人类自然科学史上有三大工程，一个是曼哈顿原子计划，一个是阿波罗登月 计划，另一个是人类基因组计划。科学研究证明，人类的生老病死都与基因有关，如果能够 破译人类基因的序列和功能，就有可能真正有效地预防、诊断和治疗各种疾病。因此，1990 年正式启动的人类基因组计划一开始就引起了全世界的广泛关注。1999 年，作为唯一的发展 中国家，我国正式参与了这个跨世纪的国际合作项目。 4 人类基因组计划是全球性的自然科学工程，它的最初目标是通过国际合作，用 15 年的时 间构建人类基因组的遗传图和物理图，并期望从分子角度解开人体生命的奥秘，为现代医疗 提供新的手段。它的核心内容是 DNA 序列图的构建，即分析人类基因组中 30 亿个碱基对的 DNA 分子的组成。 目前，美国、英国、法国、德国、中国和日本等 6 个国家的 16 个基因组中心参与了这项 计划，已经完成了人体基因序列工作框架图的测定，并与今年同时进入了人类基因组计划的 第二阶段，绘制精确的“人类基因组 DNA 序列图”。 我国参加国际合作并承担人类基因组测序工作的，有中科院遗传所人类基因组中心、国 家人类基因组南方研究中心和北方研究中心，仅用了一年多的时间，就按时完成了分担的人 体 1%基因序列工作框架图的测定，其中，北京中心已经成为全球 16 个测序中心中的十强之 一。所谓 1%项目，是指中科院遗传所人类基因组中心完成的人类 3 号染色体短臂上一个约三 千万个碱基对的区域的测序任务。由于这个区域约占人类整个基因组的 1%，因此简称“1%项 目”。 按照人类基因组计划的标准，北京中心与国际同步，完成了重复序列多、模板缺失、投 入最大而准确率最高的区段，已经实际测定了近两亿个碱基对，向人类基因组数据中心递交 的“一致性”序列近四千万，完成了“工作框架图”的 100%以上，而且具备了相应的数据分 析与基因鉴定能力，能在 24 小时之内独立完成全部数据的初步分析。 人类基因组计划的意义已经被全球各国所认同，它倡导的“全球合作、免费共享”的 “人类基因组精神”，已成为人类自然科学史上国际合作的楷模。参与这一项目，不仅使我 国拥有了相关事务的发言权，也标志着我国已经走在了结构基因组学的世界前列。 人类基因组计划 1%中国测序 人类基因组计划 1%测序中国实验室探密 1990 年 10 月，被誉为生命科学“阿波罗登月计 划“的国际人类基因组计划启动。1999 年 9 月，中国获准加入人类基因组计划，负责测定全 部序列的 1%。承担“1%“主要测序任务的中科院遗传所人类基因组中心坐落在北京顺义空港工 业园 B 区，一座并不显眼的四层楼内。 在对人类 23 对染色体上多达 30 亿对碱基的测定上，美国人的贡献率最大，承担了 54%，其次是英国，承担了 33%，日本为 7%，法国为 2.8%，德国为 2.2%，中国科学家承担了 1%的测序任务。 1998 年 8 月 11 日，中科院遗传所的“人类基因组中心”开张。1999 年 2 月，中心决定 搞大规模基因组测序，以创造加入“国际测序俱乐部”的条件。同年 7 月 7 日，中国在国际 人类基因组测序协作组登记，申请加入“国际测序俱乐部”。9 月 1 日，在伦敦举行的第五 次人类基因组测序战略会议上，北京中心(中科院遗传所人类基因组中心)作为新的会员加入。 目前我国已启动了“中国生物资源基因组计划”，第一个项目是水稻；第二个将