第一章遗传物质的分子结构性质和功能

1、授课教师授课教师孙维洋孙维洋v核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。v核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。v因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医药科学的重要基础之一。v早在1868年，瑞士人F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。v1928年，英国Fredrick Griffith等第一次用实验方法证实DNA是生命遗传的基础物质。v1953年，Watson和Crick提出的DNA双螺旋模型真正使人们相信DN

2、A才是遗传物质。v大部分生物的遗传物质是大部分生物的遗传物质是DNA，但，但是也有些生物是以是也有些生物是以RNA作为遗传物作为遗传物质质如：烟草花叶病毒中分离得到的如：烟草花叶病毒中分离得到的RNA也能够侵染植物，如果用也能够侵染植物，如果用RNA酶处酶处理，就失去侵染能力，而分离的蛋理，就失去侵染能力，而分离的蛋白部分则没有这种侵染能力。白部分则没有这种侵染能力。v一、核酸的一级结构v多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。v核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。vDNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种

3、的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。v而mRNA(信息RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。C值：在每一种生物中，其单倍体值：在每一种生物中，其单倍体的基因组的基因组DNA总量是特异的，称总量是特异的，称之为之为C值。值。C值矛盾：某生物的值矛盾：某生物的C值与进化的值与进化的复杂程度不一致就称为复杂程度不一致就称为C值矛盾值矛盾（C -value paradox ）例如一些植物的基因组例如一些植物的基因组DNA含量含量比人类还要高几十倍，这显然是比人类还要高几十倍，这显然是无法解释的，这就是无法解释的，这就是C值矛盾。值矛盾。v

4、1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。vDNA分子由两条DNA单链组成。vDNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。v双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35。（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基

5、环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。（3）螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为3.4 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为34 nm。（4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。vDNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。维持这种稳定性的因素包括：v两条DNA链之间形成的

6、氢键；v同一条链中的相邻碱基能够形成一种堆积力，称为碱基堆积力生物体内正常的生物体内正常的DNADNA为为B-DNAB-DNA；转录时的转录时的DNA-RNADNA-RNA杂交链为杂交链为A-DNAA-DNA，对，对基因表达有重要意义；基因表达有重要意义；左手螺旋左手螺旋Z-DNAZ-DNA不能推翻右手双螺旋模不能推翻右手双螺旋模型，而是其有益的补充和发展，通型，而是其有益的补充和发展，通过过B-DNAB-DNA和和Z-DNAZ-DNA之间的相互转化，之间的相互转化，可以影响聚合酶能否与模板链结合可以影响聚合酶能否与模板链结合而调节转录起始活性。而调节转录起始活性。DNA的三级结构即在DNA双

7、螺旋结构基础上，进一步扭曲所形成的特定空间结构。也就是超螺旋结构，分为正超螺旋和负超螺旋拓扑异构酶（topoisomerase）：为催化DNA拓扑学异构体相互转变的酶之总称。在闭环状双链DNA的拓扑学转变中，切断一个链而改变拓扑结构的称为型拓扑异构酶，通过切断二个链来进行的称为型拓扑异构酶。拓扑异构酶：1切口，解旋拓扑异构酶：2切口，超螺旋单链线性分子，局部双螺旋也具有高级结构有些RNA具有催化活性，称为核酶（ribozyme）v一、DNA的功能及基因治疗v结构基因：编码蛋白质中氨基酸序列的基因v调控基因：调节基因选择性表达的基因v基因治疗：利用分子生物学技术，校正基因结构和功能异常，阻止病变

8、的进展，杀灭病变细胞或抑制外源病原体基因的复制，而治疗疾病的方法。v基因治疗分为体外和体内治疗两种方式。1.hnRNA和mRNA的功能 mRNA的原是转录物是分子量极大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不同的中间产物，称为核内不均一RNA，hnRNA。 真核生物由DNA转录成RNA的过程发生在细胞核内，而翻译过程则发生在细胞质中。 原核生物因为没有核膜，所以其转录核翻译过程几乎是同时进行的。v约占总RNA的5%。v不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。v它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。Messenger RNAv约占总RNA的10-15%。v它在蛋白质生物

9、合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。v已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。vRNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。lTransfer RNATransfer RNAtRNA的功能：1.与活化的AA形成氨酰tRNA（AAtRNA） tRNA分子上决定其携带氨基酸种类的区域被称为副密码子。能够携带同一种AA的tRNA称为同功tRNA。2.将AA携带到核糖体上在蛋白质合成中起着原料运输“车辆”的作用。3.具有反密码子，可以识别mRNA上的相应的密码子，将AA合成到蛋白质适当的位置中v约占全部RNA的80%，v是核糖核蛋白体的主要组成部分。vrR

10、NA 的功能与蛋白质生物合成相关。Ribosome RNARibosome RNAvsnRNA、scRNA、iRNA、gRNAv真核细胞内存在许多种类的小分子RNA，其大小为100至300个核苷酸，这类小分子RNA按其在细胞内的位置可分为：核内小RNA（snRNA）和胞浆小RNA（scRNA）。v起始RNA（iRNA）DNA生物合成的后滞链合成时，需要一个短的RNA片段作为引物，长约10个核苷酸，是由DNA引发酶所合成的，这一通用引物称为起始RNA。v指导RNA（gRNA）RNA编辑过程中的模板。v端粒酶RNA、核酶v端粒：真核生物染色体末端的蛋白质DNA结构，其功能是完成染色体末端的复制，防

11、止染色体融合、重组或降解。v端粒酶：一种自身携带模板RNA的逆转录酶，催化端粒DNA的合成。v端粒酶RNA：作为合成端粒DNA模板的核RNA，是端粒酶的组成部分，对端粒酶的结构和催化活性是必须的。v核酶：和通常的蛋白质酶一样，可以催化各种生化反应。v(1) 核酸的变性v核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。v能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。vRNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性

12、质变化没有DNA那样明显。v利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。v例如，天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260 nm)值增加2540%.v而RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应.vDNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为熔点，用Tm表示。v一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。vG和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：v （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44v当DNA的稀盐溶液加热到80-100时，双螺旋结构即发生

13、解体，两条链彼此分开，形成无规线团。vDNA变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外吸收(260 nm)值升高, 粘度降低等。v变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。vDNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。v将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。v核酸的杂交是指序列互补单链的RNA和DNA，或异源DNA、异源RNA之间，根

14、据碱基配对原则，借助氢键相连而形成双链杂交分子的过程。v核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。v核酸探针的定义：带有检测标记的能够与靶分子特异性的相互作用的一段核酸分子。vSouthern印迹（DNADNA）vNorthern印迹（DNARNA）v原位杂交（探针组织或细胞中的DNA或RNA）一、病毒的基本概念二、病毒核酸的一般特征v病毒就是一类由蛋白质外壳和DNA组成的专属性的细胞内寄生物，不能进行独立的能量及遗传物质代谢，只能依靠寄主繁殖的非细胞生物。v有环形的也有线形的v有正链（能起mRNA的作用）及负链之分v病毒核酸分子量差别很显著v病毒核酸利用率很高，同一段病毒核酸可以编

15、码出几种不同的多肽链v病毒核酸的基因结构与其所寄生的真核生物相似，而不是与原核生物相似。是不连续的，具有内含子。v核糖核酸病毒核糖核酸病毒(RNA virus) ，又称，又称RNA病毒，其遗传物质为病毒，其遗传物质为RNA，相，相较于较于DNA病毒，的病毒，的RNA病毒都具有病毒都具有高变异性，因为它们缺乏具有修正高变异性，因为它们缺乏具有修正错误的错误的DNA聚合酶。聚合酶。v植物病毒，除少数例外（如花椰菜植物病毒，除少数例外（如花椰菜花叶病毒花叶病毒Caulif- lower mosaic virus），几乎都是），几乎都是RNA病毒。病毒。双链核糖核酸病毒双链核糖核酸病毒The dsRN

16、A Viruses 囊状噬菌体科(Cystoviridae) 呼肠孤病毒科(Reoviridae) 双核糖核酸病毒科(Birnaviridae) 整体病毒科(Totiviridae全病毒科) 金色病毒科(Chrysoviridae):金色病毒属(Chrysovirus) 分体病毒科(Partitiviridae) 低毒性病毒科(Hypoviridae):低毒性病毒属(Hypovirus) v 光滑病毒科光滑病毒科(Leviviridae):光滑噬菌体科光滑噬菌体科 v 二顺反子病毒科二顺反子病毒科(Dicistroviridae) v 微小核糖核酸病毒科微小核糖核酸病毒科(Picornavir

17、idae):小核糖核酸病毒小核糖核酸病毒科科 v 随伴病毒科随伴病毒科(Sequiviridae伴生病毒科伴生病毒科) v 豇豆镶嵌病毒科豇豆镶嵌病毒科(Comoviridae) v 马铃薯马铃薯Y病毒科病毒科(Potyviridae) v 杯状病毒科杯状病毒科(Caliciviridae):嵌杯病毒科嵌杯病毒科 v 肝炎病毒科肝炎病毒科(Hepeviridae) v 星状病毒科星状病毒科(Astroviridae) v 野田病毒科野田病毒科(Nodaviridae) v 四病毒科四病毒科(Tetraviridae) v 西红柿丛矮病毒科西红柿丛矮病毒科(Tombusviridae) v单股反

18、链病毒目单股反链病毒目(Mononegavirales) v副黏液病毒科副黏液病毒科(Paramyxoviridae):麻麻疹病毒疹病毒 v副黏液病毒亚科(Paramyxovirinae) v肺炎病毒亚科(Pneumovirinae)肺病毒亚科 v炮弹病毒科炮弹病毒科(Rhabdoviridae)杖竿状杖竿状病毒科病毒科 v纤维病毒科纤维病毒科(Filoviridae) 一、反义核酸概述反义核酸是指能与特定mRNA精确互补、特异阻断其翻译的RNA或DNA分子（antisense nucleic acid）。利用反义核酸特异地封闭某些基因表达，使之低表达或不表达，这种技术即为反义核酸技术。它包括

19、反义RNA、反义DNA和核酶(ribozymes)三大技术。v反义核酶作为一种基因下向调节作用因子，在抑制一些有害基因的表达和失控基因的过度表达上发挥着重要作用。u反义核酸目前有三种来源：u一是利用固相亚磷酰胺法人工合成的短小反义寡聚核苷酸antisense oligodeoxy nucleotides, AONs) ；u二是更具有实用价值的人工表达载体，包括单个基因和多个基因的联合反义表达载体，它是利用基因重组技术将靶基因序列反向插入到载体的启动子和终止子之间，通过转录可源源不断产生反义RNA分子；u三是天然存在的反义核酸分子，但目前分离纯化尚存在困难。v反义核酸作为基因治疗药物之一，与传统

20、药物相比具有诸多优点。v1)高度特异性：反义核酸药物通过特异的碱基互补配对作用于靶RNA或DNA，犹如“生物导弹”。v2)高生物活性、丰富的信息量；反义核酸是一种携带特定遗传信息的信息体，碱基排列顺序可千变万化，不可穷尽。v3)高效性：直接阻止疾病基因的转录和翻译。v4)最优化的药物设计：反义核酸技术从本质上是应用基因的天然顺序信息，实际上是最合理的药物设计。v5)低毒、安全：反义核酸尚未发现其有显著毒性，尽管其在生物体内的存留时间有长有短，但最终都将被降解消除，这避免了如转基因疗法中外源基因整合到宿主染色体上的危险性。 根据宿主病变的不同，基因治疗的策略根据宿主病变的不同，基因治疗的策略也不

21、同，概括起来主要有下列几种：也不同，概括起来主要有下列几种： （一）基因修正（一）基因修正 （二）基因替代（二）基因替代 （三）基因增强（三）基因增强 （四）基因抑制和（或）基因失活（四）基因抑制和（或）基因失活四、基因治疗的策略四、基因治疗的策略v自自1978年反义核酸概念提出，到年反义核酸概念提出，到1998年年10月第一个反义核酸药物在美国问世，月第一个反义核酸药物在美国问世，标志着反义核酸理论已趋于成熟。标志着反义核酸理论已趋于成熟。 v人类基因组计划的进展为反义核酸技术人类基因组计划的进展为反义核酸技术的发展奠定了坚实基础。的发展奠定了坚实基础。 v 2004 年年12 月中上市的月中上市的Eyetech 公司用公司用于抑制老年人眼疾的于抑制老年人眼疾的Macugen。它是一。它是一个经个经20 kD PEG 修饰，含修饰，含28 个碱基的个碱基的合成寡核苷酸药物合成寡核苷酸药物pegaptanib sodiu