DNA 与变异.docx

基因与人课程论文DNA与变异基因与人课程论文姓名：谢秋瑾 学号：5111509129 学院：农业与生物学院大千世界，万千物种，缤纷的生物世界，不过是ATCG的排列组合。小小的分子，简单的种类和结构，却通过组合与重复形成了分子量巨大的DNA，螺旋、盘桓、折叠、扭曲，一番精细的加工后便具备了神秘的力量生命延续的分子基础。数量巨大的ATCG，通过自身的随机突变，形成了基数庞大的变异性状，而能够成功生存并遗传给后代的便成为了一种进化。多彩世界，从当初的原核单细胞生物到而今真核多细胞复杂生物，几十亿年的进化才有了现今的缤纷。DNA与变异，人们通过读取此中蕴含的规律，发现生物进化的奥秘，摸索着曾经的路，试探着未来的景致。一、DNA的结构与中心法则1953年沃森和克里克通过对前人研究的借鉴和总结加之合理的推测和验证，提出了DNA双螺旋结构，由此揭开了DNA分子结构的奥秘，在后续的科学研究中，陆续推测出了DNA的不同结构层次，完整了勾勒了生物体内DNA分子形状。DNA是由构成核酸的四种基本组成单位脱氧核糖核苷酸，通过3,5磷酸二酯键彼此连接起来的线状多聚体，以及其基本单位脱氧核糖核苷酸的排列顺序。每一种脱氧核糖核苷酸由三个部分所组成：一分子含氮碱基+一分子五碳糖（脱氧核糖）+一分子磷酸基团。核酸的含氮碱基又可分为四类：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤。DNA的四种含氮碱基组成具有物种特异性。在一级结构的基础上，DNA的两条核苷酸链根据碱基配对原则，碱基直接通过氢键相互作用，形成反向平行的双螺旋结构，构成DNA分子的二级结构。DNA的二级结构有多种，主要分为右手螺旋和左手螺旋两大类，其中右手螺旋中的-DNA在自然界中最为常见，在生物体内自然生成的DNA几乎都是以-DNA结构存在。在-DNA中碱基对之间的距离是0.34nm,10个碱基对转一周，螺距3.4nm【1】。DNA的双螺旋结构进一步超螺旋化形成特定的空间结构，成为DNA三级结构。此外，部分核酸以反式作用存在（如核糖体、剪接体），这可看作是核酸的四级水平的结构。假如将一个细胞内的DNA分子提取出来并将其复杂的多级结构展开成直线状态下的DNA分子，那么其长度可以横跨非洲大陆，仅仅是一个小小的细胞中的DNA分子。在DNA分子结构得以破解的同时，对DNA的功能和遗传信息的表达的研究也在蓬勃发展。克里克在1953年提出DNA分子双螺旋结构后，在1957年提出了最初了中心法则：DNARNA蛋白质。它说明遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的，不可逆的，只能从DNA到RNA(转录)，从RNA到蛋白质（翻译）。这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。1970年H.M.特明和D.巴尔的摩在一些RNA致癌病毒中发现它们在宿主细胞中的复制过程是先以病毒的RNA分子为模板合成一个DNA分子，再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA。前一个步骤被称为反向转录，是上述中心法则提出后的新的发现【2】。因此克里克在1970年重申了中心法则的重要性，提出了更为完整的图解形式：现今认为的中心法则具体如下：在生物体内普遍存在着DNA的复制：DNADNA，这是遗传信息得以传递的分子基础；RNA的转录：DNARNA，转录是DNA上的基因表达的必经步骤，是生物进行生命活动的分子基础，绝大部分转录出的mRNA将作为蛋白质翻译的模板，通过翻译出的蛋白质调节生命活动，但也有很少量的RNA也能作为生命活动的调节物质直接发挥生物学作用；蛋白质的翻译：RNA蛋白质，蛋白质是真正基因表达的产物，对生物的生存与发展起直接作用。除了上述三种生物遗传信息的转移方式外，在特殊情况下，还有两种转移方式。在RNA病毒中，可能进行RNA逆转录：RNADNA，在部分RNA病毒繁衍中起重要作用，反向转录最初在RNA致癌病毒中发现，后来在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出了与反向转录有关的反向转录酶的活性；另外在RNA中病毒还能进行RNA复制：RNARNA，这种遗传信息的转移方式仅在RNA中存在。理论上，生物的遗传信息还存在着DNA蛋白质这种遗传信息转移方式，但在现有的研究下这种DNA的直接表达在活细胞中尚未发现【3】。中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一，其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。遗传物质可以是DNA，也可以是RNA。细胞的遗传物质都是DNA，只有一些病毒的遗传物质是RNA。遗传信息并不一定是从DNA单向地流向RNA，RNA携带的遗传信息同样也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遗传信息只是单向地流向蛋白质【4】。但不是所有科学结论都是永远正确的，就像中心法则，其间修改很多次，逆转录酶的发现证实了遗传信息由RNA转向DNA的路径，对RNA病毒的深入研究发现了RNA自我复制的转移方式，同时，朊病毒的发现又对中心法则发起了一次挑战，随着研究的深入，中心法则必将不断完善，就如人类对遗传的认识，总是一步一步螺旋上升的过程，而非一蹴而就。DNA分子结构的研究和中心法则的发现，向人们展示了DNA作为遗传物质的必然性。DNA分子完美的双螺旋结构，碱基互补配对，半保留复制，确保了再DNA复制的过程中的高保真性，确保了遗传信息的完整正确。同时，DNA分子结构又能容下极少量的碱基突变，对生物进化提供了原材料。根据中心法则，DNA携带的遗传信息，有多种遗传信息的传递方式，通过转录和翻译使得生物能够进行丰富多彩的生命活动，塑造现在斑斓的世界。以DNA作为遗传物质，是生物在生命活动探索与实践过程中找到的最为合适自身进化发展的必由路径！二、进化的原材料基因变异DNA给生物进化提供了物质基础，而突变则是给进化的物质基础多彩的外衣。基因变异是指基因组DNA分子发生的突然的可遗传的变异。从分子水平上看，基因变异是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因变异的化学本质便是组成DNA的脱氧核糖核苷酸的种类发生了变化，即核苷酸中的碱基发生了变化，ATCG间发生了变化，导致DNA编码信息发生改变，从而一定程度上影响物种的性状和遗传。根据碱基变化的情况，基因突变一般可分为碱基置换突变和移码突变两大类。碱基置换突变也称为点突变，是DNA分子多核苷酸链中原有的某一特定的碱基或碱基对被其他碱基或碱基对置换、替代的突变形式，包括转换和颠换。其中，转换为嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶之间的置换，而颠换为嘌呤与嘧啶之间的置换。移码突变是由于基因组DNA多核苷酸链中碱基对的插入或缺失，以致自插入或缺失点之后部分的、或所有的三联体遗传密码子组合发生改变的基因突变形式。导致其所编码的蛋白质多肽链中的氨基酸组成种类和顺序的变化。移码突变分为整码突变和非整码突变。非整码突变是碱基缺失或增加非3的倍数，造成这一位置以后的一系列编码氨基酸发生移位错误的改变，而整码突变在插入或缺失位置后的氨基酸序列不变。基因突变类型很多，随机性很大，其结果也大相径庭，有些可能是突变为显性性状，有些可能导致隐性性状，甚至有些对性状根本没有影响。以点突变为例，DNA链上的多核苷酸链中某一个碱基发生突变，而且并没有被DNA自我修复机制修复，其突变的影响与其突变的位置十分相关和突变后的碱基种类十分相关。同义突变：单个碱基置换后，改变前后密码子所编码的氨基酸一样。虽然发生了基因突变，但是由于该基因表达产物蛋白质的氨基酸序列并没有发生变化，对生物生命活动并没有影响。如某一序列中有如下片段GCG，其中第三位鸟苷酸通过转换变为腺苷酸即GCA，或者通过颠换变为胞嘧啶即GCC,其转录产物分别为CGU和CGG，和突变前片段的转录产物CGC相比，CGU、CGG、CGC均为精氨酸的密码子，在翻译过程中，其翻译结果均为精氨酸，对多肽链中氨基酸序列没有产生影响，因此，这样的突变对性状没有影响【5】。错义突变（missense mutation）：碱基对的置换使mRNA的某一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子的突变称为错义突变。错义突变可导致机体内某种蛋白质或酶在结构及功能发生异常，从而引起疾病。如人类正常血红蛋白链的第六位是谷氨酸，其密码子为GAA或GAG，如果第二个碱基A被U替代，就变成GUA或GUG，谷氨酸则被缬氨酸所替代，形成异常血红蛋白HbS，导致个体产生镰形细胞贫血，产生了突变效应【6】。无义突变（nonsense mutation）：某个编码氨基酸的密码突变为终止密码，多肽链合成提前终止基因突变，产生没有生物活性的多肽片段，称为无义突变。例如，DNA分子中的ATG中的G被T取代时，相应mRNA链上的密码子便从UAC变为UAA，因而使翻译就此停止，造成肽链缩短。这种突变在多数情况下会影响蛋白质或酶的功能【7】。内含子区突变，在真核生物中，由于转录出来的mRNA还要进行剪辑和拼接才能成为蛋白质翻译的模板的成熟mRNA，其中，位于内含子区的碱基序列将被切除不具备生物学效应，而剩下了外显子片段连接作为模板进行翻译，所以假如碱基突变发生在内含子区，突变将被剪辑，对蛋白质的氨基酸序列没有影响，不导致任何性状【8】。外显子突变：假如突变发生在外显子区域，除了上述同义突变，其他变异都会影响基因表达的产物，从而引起生物性状的改变【9】。此外，基因突变可能还会发生在基因的非编码区，目前对非编码区的序列研究不多，目前发现主要与基因表达调控相关，倘若这些区域发生突变可能会影响调控物质与DNA的结合，影响调控过程从而影响性状。基因的突变导致了性状的改变，大多数突变对于生物而言是有害的，在自然选择的过程中逐步被淘汰，而那些于生物有益的突变便被保留下来，遗传给后代，进而实现物种的进化。全基因组关联研究（Genome Wide Association Studies,GWAS）是一种检测特定物种中不同个体间的全部或大部分基因，从而了解不同个体间的基因变化有多大的一种方法。目前较多应用于人类疾病研究中，旨在人类全基因组范围内找出存在的序列变异，即单核苷酸多态性（SNP），比较病例和对照间每个变异频率的异差, 计算变异与疾病的关联强度, 选出最相关的变异进行验证并最终确认与疾病相关SNPs。2005年Science杂志首次报道了年龄相关性视网膜黄斑变性GWAS结果，引起医学界和遗传界极大地轰动，此后一系列GWAS研究陆续展。经过这几年的蓬勃发展，科学家已经已经鉴定出的与人类复杂性疾病相关联的SNP位点有439个。截至2010年4月，已陆续报道了关于人类身高、体重、血压等主要性状，以及视网膜黄斑、乳腺癌、前列腺癌、白血病、冠心病、肥胖症、糖尿病、精神分裂症、风湿性关节炎等几十种威胁人类健康的常见疾病的GWAS结果，累计发表了近万篇论文，确定了一系列疾病发病的致病基因、相关基因、易感区域和SNP变异。全基因组关联分析技术的重大革新及其应用，让我们找到了许多从前未曾发现的基因以及染色体区域，为复杂疾病的发病机制提供了更多的线索，极大地推动了基因组医学的发展。回首生物界科学研究的进展，进化论的提出、遗传定律的发现、DNA双螺旋结构的推出以及后续一系列分子生物学原理和实验方法的揭示，使得人们对生命奥秘的探索愈加深入，愈加透彻。自然就像上帝手中的一本书，人们正孜孜不倦地阅读着和发现着其中的精髓。三、 遗传与人类无论是对DNA的研究还是对基因变异的研究，最终都是为了更好地发展人类更好地遵循天道顺应自然。从英国人胡克Robert Hook第一次描述了植物细胞的构造到人类基因组测序完成，遗传学的发展一次又一次推动这人类文明的进步。回顾遗传学的发展，有太多的发现与研究让人感叹，这些科学家们的执着与坚持鼓舞着一代又一代的生命科学研究者。1809年，拉马克提出“物种进化”，“用进废退”和“获得性状可以遗传”学说；1859年，达尔文出版物种起源，提出了自然选择原则，共间隔了50年。1865年，孟德尔发现了遗传法则，接着第二年，孟德尔发表了植物杂交实验的论文，开创了遗传学；1911年，摩尔根提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布。共间隔了46年。之后从传递遗传信息的是DNA的证实到DNA双螺旋结构的分析，从限制性内切酶的发现到PCR技术的发展，从人类基因组组织的成立到人类基因组计划的所有目标全部实现。科学家们多少个日日夜夜的奋战，多少次灵感的闪光，让遗传学每一次的发现与技术的革新推动人类的进步，让我们不仅认识了自己，更认识了自然。在人们对遗传学的发展与认识过程中，也出现了许多非议与伦理道德的问题。当下，最受争议的就是“转基因”，其次还有“试管婴儿”、“克隆人”等一系列由于生物技术的进展而导致的争议尤其是伦理的问题。争议是科学发展的过程中不可或缺的部分，很多研究与发现都是在力排众议后逐渐为大家所接受的，同时，也有很多科学家的研究至今也受到许多争议，例如达尔文的进化论，也许就是这些争议才让科学在不断怀疑和证实中成长。参考文献【1】徐亮. DNA 结构多态性及小分子对其识别与调控J. DNA, 6: 12.【2】刁生富. 中心法则与现代生物学的发展J. 自然辩证法研究, 2000, 16(9): 51-55.【3】郭贵春, 杨维恒. 中心法则的意义分析J. 自然辩证法研究, 2012, 28(5): 1-5.【4】汪承润, 蒋继宏. 中心法则的发展和面临的挑战J. 生物学教学, 2003, 28(1): 4-7.【5】胡思顺, 肖运才, 李自力, 等. 鸡毒霉形体 pMGA 基因中 TGA 的同义突变及其原核表达J. 中国兽医学报, 2008 (2): 188-191.【6】高宏凯, 张新