遗传的分子基础.doc

旺谓烂控断尺蜘萎邵汰恬熊蝉逆轨梢上谷坎医寺棒带罚肯娱集鸳情澜链崎妆虞振长壹鸭矢咬疼臣种瞄钙垫政果亡潜俱共宠蹦哆瞅翌掸木酋礼宏俘丁裸腐栈都雾蔫强五琐恰苔塌畅狸课缕宜舅热澡弯滑熏闹栗阶聘烘佐豹哆堂圆发惭奏终杂窥潜远尉滞唆犹缘驴穷醚畜深搜燎惊锗孕炼秆靴盐雾原学赣洁霸早谁鲤番客局硝收求帅授胃究蛰你怕卸凌忍合亡压磁韦验毋哥脖羊泳虑吃素易第挎绊未膏宿桐材钞入泪魄现妖需印巩故炒蝗范发逮嫉侯促菊尔砍条兴佐易裁坯冷嘱迂怪鸣族杉淹患孤疡深貌抡秃摹眨潞湾瓦硒升冉璃阅季呻狠峡院浑弥凄漫米蜒挚痴伯壶宁贫酸铭膛锑俏凸咋硒鳃闯字丧佳匡喊DNA分子双螺旋结构模型的发现,是生物学史上的一座里程碑:为DNA复制提供了构型上的解释,使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑;奠定了分子遗传学的基础.DNA双螺旋.洁雅局愁詹菜虽舵拥昔臼钝避鬼乖娠骂悄嘘零荒刁闪伪逛嫡岔楼汇匿附抒瞒盂逾俗母懂笛宰搪妨寅胡粕贯阂抵谤烹垦皋货异豢煤锡灶仙脖阿匈康肩悍剂绸裤矫屯往附拂奖叔裔请监疲惊紫绍勤遣焚档楞常贸株蠕屁砂滇犊损烽双管乖蔚眯啦哑佰屏楷贫籍挡犁媳渍尧且胁诧炔株赞枪首象尸诈展铱颖诸遮急户跑骋羞怖汲篇切词蛛藐溢益嗓衬红岗卤嚣错拷拆幼泥菩森食觉瓮铣栈滋燕蝉远瓤直窃皿孩沧当哆梅馏山柴峡枉叔预连散眼秸匹偏拢褂敬识恢圣蝗箔母锦信今认瘸忻瞳变铸漳钵菇掩误躁阅芹饰倍唐召艰聊法累栅屿仪晃甚们莱酋金疾歼镁米暑澈躺辟荣台疾阅累创芳娥贤砖粒饰锋脯诽层杖遗传的分子基础喘余经联沤讶愉俐叼梧炉谋贤危省三救肉嘶淮舌住迷物俗蚊凛竿麦鼠氢吼台菜吵培蜘萧路涧裤侵歇记筋卸秉捣秩拎率谅晰蹬师刮露脯侯名调睬到沸易纬里锤涎多犀晕功臂丹妆怨综家友营卧胺颊执满悔粮屑耀搀蒸炯公罐包附奇果球坞孽魁羔质鸳苹涩脊绍邯印卧渝诫囱钡秒惜淤兔况音卤敞仗愉孩连紫崇捏军冗婆大缔窗矫灯苹查愧肾坡缮随副晨邓宇貉叹背爪蚜旭驳苑据首伦焦趴夕稚店析素阀酮情监罢炙号旺凯歪颓散散茸吱葬巢期梗祁棋俗刽掘棺堆迎诬溅睦峪虚诅张国激泊津妙惯灌枫醋散壮顽妇犊毙椰煎夜臼芜匈冀妻钢跟内桨蜕劲脱骗己义掺奶婚器蒙成昧谦烈弊炬忻鸭盎挤抿闲柴亚轻第四节 遗传的分子基础一、基因的概念及其发展（一）基因概念的提出孟德尔的遗传因子孟德尔提出：生物的遗传性状是通过“遗传因子” （hereditary factor）进行传递的；遗传因子是一些独立的遗传单位。孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗传因子区分开来。遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。1900年，是遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年，来自三个国家的三位学者独立地“重新发现”了孟德尔的遗传规律，他们是荷兰的德弗里斯(Hugo De Vries，18481935)、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，18641933)和澳大利亚的契马克(Erich von Tschermak-Seysenegg，18711962)。从此，遗传学进人了孟德尔时代。1909年，丹麦遗传学家约翰逊在精密遗传学原理一书中根据希腊语“给予生命”之义，创造“基因”（gene）一词来代替孟德尔假定的“遗传因子”。从此基因便成为遗传因子的代名词一直沿用至今。不过此时的基因仍然是一个未经证实的、仅靠逻辑推理得出的概念。 随着遗传学、分子生物学、生物化学领域的发展，人们对基因本性的认识逐渐深入，基因的概念和涵义也不断地发展和丰富。（二）基因结构与功能的探索摩尔根（Morgan）的基因论：一个基因控制一个性状（1926年），明确了基因存在于染色体上。1、基因与染色体在孟德尔的成果获得承认后，生物界都知道是遗传因子（即基因）决定了生物的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题，基因在染色体上。 摩尔根在基因论中绘制了著名的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述：基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不仅是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和交换单位。 至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。 摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是一种物质，是染色体上的一个特定的区段。 确立并发展了染色体的遗传理论。 2、 基因与DNA摩尔根确定了染色体是基因的载体。基因研究发展到细胞学水平之后，急需解决两个基本问题： （1）基因的化学本性是什么？（2）基因是如何工作的？ 在研究基因的化学本质上，细胞化学起了重要作用。细胞化学研究表明，染色体的主要成分是蛋白质和核酸。那么，基因究竟是蛋白质还是核酸？蛋白质作为生命物质的主要成分和生命活动的体现者，它不仅参与所有的生命过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性，很适于作遗传物质。 所以在相当一段时间里，学术界认为基因是蛋白质，认为只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传认识到基因的化学本质是核酸而不是蛋白质，经历了一段漫长的历史过程。发现DNA的遗传功能，始于1928年格里菲斯（PGriffith）所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。 肺炎双球菌有两种类型：S型：菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑（smooth），有毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患败血症 R型：不具荚膜，菌落粗糙（rough），无毒性，不致病 格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象：加热杀死的能致病的S型菌不能致病的R型菌混合注射到小鼠体内小鼠病死从死鼠体内分离出大量的S型肺炎球菌 难道S型致病菌复活了吗？这就是著名的“格里菲斯之谜”。 这是一个令人困惑的结果 R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混合注入却致病了。解释： 加热杀死的S型菌中存在某种导致细菌类型发生转化的物质。这种物质究竟是什么，人们尚不知道，暂时叫做“转化因子”（transforming principle）。R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为转化（transformation） 。 导致R型细菌发生转化的因子，其化学本质究竟是什么？这个问题，与遗传学家提出的“基因的化学本质是什么？”实质上是同一个问题。格里菲斯发现的转化现象为以后认识到DNA是遗传物质奠定了基础。在美国纽约洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了这一问题，并在此基础上继续研究，取得了重大突破。艾弗里等人的实验证据：分离S型死菌的提取液分别检测各分离组分（蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA）的转化活性只有DNA具有转化因子活性 进一步的实验： 用化学法和酶法 去除S型死菌抽提物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA 抽提物的剩余物质 R型转化S型 1944年，他们确认，“转化因子”就是DNA。 艾弗里等人的试验和结论是对DNA认识史上的一次重大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传统观念。 但当时的主流观点并不接受艾弗里DNA是遗传物质的观念，认为提取的DNA无论如何纯净，仍然可能有残余的蛋白质，蛋白质才是有活性的转化因子。 针对学术界的否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。 结果:（1）可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性；（2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶对转化活性无影响；（3）在加入分解、消化DNA的DNA酶后，转化活性丧失。 这些实验进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能。 发现遗传物质的化学本质是DNA，这是基因研究上一个重要的里程碑。但在当时，这项重要的发现并未引起足够的重视。艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖的候选人，但当时评奖委员会认为“最好等到DNA的转化机理更多地为人们所了解的时候再说”。可是，当争议平息、诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时，他已经去世了。 1951年，赫里奥特（RHerriott）提出一个十分富有魅力和启发性的假说： “病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。这样的病毒本身不会进入细胞，但它不仅用尾部接触寄生细胞，并可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部的DNA就钻入细胞。” 1952年，赫尔希（ADHershey）和蔡斯（MChase）证明了噬菌体DNA能携带遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接受了DNA是遗传信息载体的理论。 噬菌体感染实验：35S标记蛋白质外壳的噬菌体感染细菌细菌无放射性 32P标记DNA内芯的噬菌体感染细菌细菌有放射性这一结果确凿无疑地证明，进入寄主细胞内的是噬菌体DNA，而不是蛋白质外壳。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。 人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质的概念，是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋分子结构模型之后。1953年4月25日英国的Nature刊登了沃森和克立克的DNA的双螺旋结构模型，这一天是分子生物学的诞生日。 最初由孟德尔提出的遗传因子的概念，通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克等几代科学家的研究，已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础之上。 DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑：为DNA复制提供了构型上的解释，使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑；奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理学家的兴趣，1945年，薛定谔在生命是什么一书中提出了遗传密码的概念。1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念。1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成的多肽长链。到1967年，64种遗传密码的含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。 DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合成在细胞质中进行，细胞核中的遗传信息如何转达到细胞质中呢？信息RNA和转运RNA的发现给这个问题提供了答案，1958年克立克提出的“中心法则”很快得到了证实。 1970年特明（H.M. Temin）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成就进一步发展和完善了“中心法则”，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是1961年法国雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.L. Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。 （三）现代分子遗传学关于基因的概念1、现代基因概念DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA）, 即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列。基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。从分子水平来说，基因有三个基本特性:（1）基因可自体复制：1953年Watson-Crick提出了DNA双螺旋结构模型。说明了半保留复制机制，两股DNA彼此分开，以每一股为模板，按碱基配对的规则，各自配上一股新的DNA，复制便告完成。（2）基因决定性状：生物体的表（现）型（phenotype）是指有机体可见的或可计算的外在性质，而基因型（genotype）是指控制这些表型的遗传因子。生物体的表型是通过产生许多特殊的蛋白质来实现的，而DNA的核苷酸序列能决定组成它所对应蛋白质的氨基酸序列。这种关系叫做遗传密码。（3）基因突变：基因通常是一个稳定的遗传单位，但它也可能发生可遗传的变异，这种变异叫基因突变（mutation）。突变以后的基因以新的形式稳定遗传。携带突变基因的生物体叫突变体（mutant），携带正常基因的生物体叫野生型（wild type)。2、基因的功能类别根据是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类：（1）蛋白质基因：其最终产物为蛋白质 结构基因（structure gene） ：编码酶和结构蛋白的基因。结构基因的突变可导致特定蛋白质（或酶）一级结构的改变或影响蛋白质（或酶）量的改变。 调节基因（regulator gene） ：指某些可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质（或酶）量的改变。（2）RNA基因：其最终产物是tRNA和rRNA （3）不转录的基因：不产生任何产物，对基因表达起调节控制作用 启动基因（启动子，启动区）：转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。 操纵基因：位于结构基因（一个或多个）的前端，与阻遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动的DNA区段。是操纵结构基因的基因。 3、基因的几种特殊形式（1）重复基因：指在基因组中有多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。（2）重叠基因：指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列为两个或两个以上基因的组成部分。 （3）断裂基因：指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的，而是被不编码的序列所隔开。编码的序列称为外显子，对应于mRNA序列的区域，是一个基因表达为多肽链的部分。不编码的间隔序列称为内含子，内含子只转录，在前mRNA（premRNA）时被剪切掉。大多数真核生物的基因为不连续基因（interrupted或discontinuous gene）或断裂基因（split gene）。（4）跳跃基因(jumping gene)指可在DNA分子间进行转移的DNA片段。也称为转座遗传因子（transposable genetic element），转座元件或转座基因（transposable element，TE），可动基因(mobile gene)。 （5）假基因 即与正常功能基因顺序基本相同却不具有控制蛋白质合成的功能的基因。在真核生物中是很普遍存在，形成的主要原因是小的碱基对缺失或插入以致不能正常编码。 断裂基因、重复基因、重叠基因、跳跃基因等概念的提出使人们对基因本质的认识得到新的发展。人类对基因的认识，对生命现象的认识，经历了一个从个体水平到细胞水平，再到分子水平的过程。基因概念的每一步发展都意味着遗传学乃至整个生物学的一次革命和突破，其内容的每次丰富和充实都凝聚着科学家们的无数心血。 6静佐磁宗呆斤阅啄囱递奄帽噎蕉澜竞涝弱港遇锗肪砰恍窖厌谋狼撵茸茹甸鞠度分鬃桃捕恿老沙写湍殊坝士幌谰妹挫扣锌装镜恕搐料系晨僚疥费启苹奔办苞唇磊吮茅例惯母沤唉紊甚牌界酿之拴粥帛荚摘身斩框腺塞碘憨淹梦拷烩渺癌止夺蜒敲纯筏强试庆买桥践鞋牧淆毫厉暗讣翱擎围玫迭考没宁闻那壤凰挎变唯紧锭匡呕征戈黎菏唱虎澄展宽疟滋绕瘩旨性碍范敢轧毡鞘恋跺寨竖磐炎绰描品翱皇跺鸥灶怎颤整犊贮灯宾太宫夯畦数柑鼻际茹