基因精细结构的遗传分析

基因精细结构的遗传分析第一页，共一百二十一页，2022年，8月28日第一节基因概念的发展遗传因子生物性状的遗传是由遗传因子(基因)所控制的控制性状的遗传因子才能遗传基因成对;基因有显、隐之分遗传因子在杂种中不融合，各自保持独立性第二页，共一百二十一页，2022年，8月28日1933,Nobelprizeinmedical(二)染色体是基因的载体基因是功能单位、突变单位和交换单位基因位于染色体上，并呈直线排列基因是一个化学实体基因控制相应性状基因可以发生突变基因之间可以发生交换第三页，共一百二十一页，2022年，8月28日丹麦：NielsBohr奥地利：ErwinSchrodinger德国：MaxDelbruck促使了分子生物学的诞生(三)分子遗传学的兴起物理学的介入一是想了解传统的物理定律是否已足以阐明遗传学问题二是分析遗传过程能否发现一些新的物理定律第四页，共一百二十一页，2022年，8月28日NielsBohr：1931发表《光和生命》的演讲指出：科学的真正基础就是相信在同样的条件下，自然界总是显示出同样的规律性当生物学应用新的概念和研究方法时，就上升到新的研究水平第五页，共一百二十一页，2022年，8月28日德国MaxDelbruck以噬菌体为材料，认为噬菌体是一个简单的遗传粒子，宿主只是其营养来源，噬菌体在其中复制，既无重组，又无分离，只是核蛋白质的真正复制，可以很好地解决遗传物质的复制模式。他们主要研究生物信息的物理学基础，被称为信息学派第六页，共一百二十一页，2022年，8月28日ErwinSchrodinger(奥地利)：1943年2月在爱尔兰做了著名演讲Whatislife？直接用物理学或化学的规律来描述生命现象是不行的，但是物理学或化学向生物学的渗透，可以揭开生命之谜，开辟崭新的研究领域；生命的本质是遗传和变异，物理学要帮助生物学解决遗传信息的储存、传递等问题；遗传物质应有大的有机分子，遗传性状以密码的形式通过染色体传递这些观点使很多物理学家对生物学问题特别使遗传学问题产生了兴趣，影响了一代甚至几代人第七页，共一百二十一页，2022年，8月28日RosalindFranklinMauriceWilkins指出：力图把介于生物学和物理学之间的基本概念向生物学家和物理学家讲清楚。他试图用热力学和量子力学理论来阐明生命本质，论述了他提出的一些观点。例如有序来自无序，生物体以负熵为生，遗传密码本，量子跃迁式的基因突变和染色体是非周期性晶体等

------被称为结构学派第八页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.遗传物质是DNA(或RNA)第九页，共一百二十一页，2022年，8月28日DNA是遗传物质的间接证据DNA存在于核中染色体上线粒体和叶绿体等细胞器含少量DNADNA是所有生物的染色体所共有的DNA在代谢上比较稳定体细胞的DNA含量上基本相同，性细胞减半同一种生物的干重细胞中，DNA在量和质上均恒定各类生物中能改变DNA结构的化学物质都可引起突变第十页，共一百二十一页，2022年，8月28日几种生物的细胞中的DNA含量第十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日DNA是遗传物质的直接证据第十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日A.细菌的转化(transformation)Griffth转化（transformation）试验1928年，英国医学细菌学家FredGriffith用几种不同的Diplocococcuspeneumoniae（现更名为Streptococcuspneumonia）做实验。为遗传物质提供了一个非常合适的实验模型第十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日肺炎双球菌的表现即特点第十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日结果表明：两种没有致病力的菌液组合以后产生了致病力，并从死亡的小鼠体内分离到光滑的S型菌。两种可能解释：R型菌利用了死亡的S型荚膜躲过了白细胞的攻击，然后引发肺炎从死亡鼠身上提取的细菌应该是R型(不会有荚膜)R型细菌转变成了S细菌是什么原因导致加热杀死的S型细菌的某种因子促使R变成S。这种转化因子是什么？第十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日寻找转化因子的努力Griffth这一开创性的工作为人类认识遗传物质的本质，也为分子生物学的诞生奠定了重要基础。但他未能活着看见这些工作的意义，1941年在实验室死于德军对伦敦德大轰炸中1931年，Dawson和Sia(Rockefellerinstitute)发现热杀死的S型对R型转化实验可以在试管中进行1940年，Avery和加拿大医生Macleod改进了Griffith转化实验，初步提纯了转化因子，促使Avery开始全力研究转化因子的本质1941年，Macleod离开实验室，MacCarty加入进来继续工作1944年找到了转化因子：是脱氧核糖核酸DNA，结果发表在【实验医学】杂志第十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日DNA是遗传物质结果充分表明：DNA是遗传物质第十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日OSWALDAVERY(1877-1955)In1944,OswaldAveryandhiscolleagues,ColinMacLeodandMaclyn

MccartypublishedtheirlandmarkpaperonthetransformingabilityofDNA.BorninHalifax,NovaScotiaYoungboy:playthecornet+worshippers(onSundayafternoons)+wonascholarshiptotheNationalConservatoryofMusic1893,ColgateUniversity.theleaderofthecollegeband(Babe)CollegeofPhysiciansandSurgeonstostudymedicine1907,anassociatedirectorshipatHoaglandLaboratoryinBrooklyn.

In1913,Averypublishedaclinicalstudyofthetuberculosis(结核)bacterium.ThisworkattractedtheattentionofDr.RufusCole,thedirectoroftheRockefellerInstituteHospital,whoofferedAveryajobattheRockefeller.AverydidhisPneumococcusworkattheRockefellerandstayedthereuntilhisretirementin1948.第十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日

MaclynMcCartywasborninSouthBend,Indiana.Inhighschool,McCartyreadabookcalledMicrobeHunters.In1929,McCartywenttoStanfordUniversityforpremedtrainingandin1933startedmedicalschoolatJohnsHopkinsUniversity1940,position$100amonthtoworkwithWTilletatNewYorkUniversity(war).1941,obtainedafellowshipfromtheNationalResearchCouncil.TilletmadearrangementsforMcCartytojoinOswaldAvery'slabattheRockefellerResearchInstitute.AttheRockefeller,McCartyworkedwithAverytoperfectthepurificationofthePneumococcustransformingfactor,andtheywerethefirsttoprecipitateDNAfrombacteria.TheyusedenzymestodegradedifferentclassesofmoleculesandprovedthatDNAwasthetransformingfactor.Theirlandmarkpaperwaspublishedin1944.MACLYNMcCARTY(1911-)第十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日1900pictureoftheColgateband.AveryisseatedinthemiddleholdinghiscornetOswaldAveryatworkinthelaboratory,around1930.第二十页，共一百二十一页，2022年，8月28日未被发现的发现Avery等人的研究结果发表后未能得到学术界认可，很多学者表示怀疑核酸提取不纯，可能带有蛋白质？20世纪40年代，核酸的性质研究较多，认识肤浅，相互矛盾核酸的4种简单组成是否能携带复杂多样的遗传信息？蛋白质组成变化多样，应该是遗传物质Avery的工作当时很少被学术界引用，其重要性远远被低估，后被称为未被发现的发现，Avery1955年去世，生前未能获得诺贝尔奖被学术界认为是一大憾事第二十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日Griffth和Avery的个性与历史贡献Griffth属沉默寡言，不善交际，喜欢独处，常常一个人埋头在实验室工作，终身奉献于科学事业文章发表较少，有关转化实验长时间未引起足够的重视，转化现象的发现得到公认，但没有搞清楚转化因子的本质Avery也是沉默寡言，但胸襟开阔，待人和蔼，他的宽宏大量在学术界很有名。实验室有两位年轻人Dawson(试管转化)和Sia(破碎细胞得到抽提液具有活性)对转化作出了较大贡献对名利淡薄：论文为Avery指导，但两位年轻人发表论文Avery未署名共同特点：性格内向，坐得住，耐得住寂寞；具有非同寻常的毅力，能不懈的专注一项工作，直到得到结果为止；具有现实的科学态度，不作过多的猜测第二十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日B.噬菌体作为DNA遗传物质载体的证据第二十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日borninOwosso,MichiganMichiganStateUniv-BS(1930)andPhD(1934)apositionattheWashingtonUniversitySchoolofMedicineintheDepartmentofBacteriology(1934-1950)onbacteriophageIn1943,DelbruckinvitedHersheytovisithislab.In1946,workingwithDelbruck,Hersheydiscoveredthatphagecanrecombinewhenco-infectedintoabacteriahost.

Thisledtoanewareaofphagegenetics(Americanphagegroup).acceptedapositionatColdSpringHarbor(after1950).HereheandMarthaChasedidtheHershey-Chaseblender(搅拌)experimentthatprovedthatphageDNA,andnotprotein,wasthegeneticmaterial.Hersheysharedthe1969NobelPrizeforPhysiologyorMedicinewithMaxDelbruckandSalvadorLuriaALFREDDAYHERSHEY(1908-1997)第二十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日AlfredHersheyreceivingthe1969NobelPrizeinPhysiologyorMedicineRelaxingduringabreakatthe1953ColdSpringHarborSymposiumonViruses:(L-R)RaymondAppleyard,GeorgeBowen,MarthaChase,JuneDixon第二十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日噬菌体组成60％蛋白质＋40％DNA特殊成分SP放射性标记35S32P获得放射性标记噬菌体35S噬菌体32P噬菌体感染E.coli外壳放射性强放射性弱感染E.coli子细胞(含DNA)放射性弱放射性强B.噬菌体的侵染与繁殖第二十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日DNA是遗传物质第二十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日C.烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirus,TMV)的感染和繁殖TMV＝6％RNA＋94％蛋白质OneofthefirstexperimentsthatestablishedRNAasthegeneticmaterialinRNAviruswastheso-calledreconstitutionexperimentofHeinzFraenkel-Conratandcoworkersin1957第二十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日RNA是遗传物质第二十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日结果表明：基因的化学组成一定是DNA(有时是RNA)，基因之间的差异是由DNA(或RNA)的特异性所决定的第三十页，共一百二十一页，2022年，8月28日四核苷酸假说与ChargaffRuleIn1868,JohannFriedrichMiescher,ayoungSwissmedicalstudent,becamefascinatedwithanacidicsubstancethatheisolatedfrompuscellsobtainedfrombandagesusedtodresshumanwounds.第三十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日PHOEBUSAARONTHEODORLEVENE(1869-1940)Levene毕业于圣彼得堡军事医学院，1891年迁居美国。因对应用化学感兴趣在哥伦比亚大学旁听化学。终生发表论文700多篇，被誉为“应用有机化学探讨生物学问题得美国杰出得科学家”1900年发表关于第一篇核酸的论文，1905年已成为国际知名核酸研究权威，进入Rockefellerinstitute他对核酸的研究作出了突出贡献，但他提出的4核苷酸假说也阻碍了人们对核酸结构和功能的研究：动物的核苷酸是DNA，植物的核苷酸是RNA；核酸大分子是由四种核苷酸按照相同的比例连接成的四聚体反复重复形成的，如AGTCAGTCAGTCAvery等人的DNA转化因子得不到学术界认可，与四核苷酸假说占统治地位有关四核苷酸假说在20世纪40年代中期开始动摇第三十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日ChargaffRuleErwinChargaffwasanotherimportantcontributor.Chargaff’srule(A=T,C=G),providedavaluableconfirmationofWastonandCrick’smodel.第三十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日第三十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.不同生物DNA的碱基比率（A+T/G+C）是不同的，这是不同物种的特异性2.四种碱基的在一条多核苷酸链上的排列形式是多种多样的,从而可能构成无数不同性质的基因3.不同物种具有相同的碱基比率（A+G/T+C），这是不同物种的共性4.同一物种中A＝T，G＝C，T＋C＝A＋G这一法则称为Chargaff法则物种的特异性表现在：第三十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日(四)基因是有功能的DNA片段Watson和Crick(1953)提出了DNA双螺旋结构模型，明确了DNA在活体内的复制方式第三十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日LinusPauling:atheoreticalchemistatCaliforniaInstituteofTechnology.Hewasalreadyfamousforhisstudiesonchemicalbondingandforhisdiscoveryofthe-helix,animportantfeatureofproteinstructure.Indeed,the-helix,heldtogetherbyhydrogenbonds,laidtheintellectual(才智)groundworkforthedoublehelixmodelofWatsonandCrick.Background第三十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日Anothergrouptoiling(辛苦)ontheDNAproblemwascomposedofMauriceWilkins,RosalindFranklin,andtheircolleaguesatKing’sCollegeinLondon.TheywereusingX-raydiffractiontorevealthethree-dimensionalstructureofDNARosalindFranklin(1920-1958)第三十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日.X-RayDiffractionAnalysisofthe

overallshapeofandregularitieswithinthemoleculeThetechniquehadbeenattemptedonDNAasearlyas1938byWilliamAstbury.By1947,hehaddetectedaperiodicity(arepeatingunit)of3.4Athatsuggestedtohimthatthebaseswerestackedlikepenniesontopofoneanother第三十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日RosalindFranklin用高湿度下含水较多的DNA做X-光衍射。她从图像中判断DNA是螺旋结构。在DNA长链上，每个核苷酸相距0.34nm，每个螺距3.4nm，有10个核苷酸。前人研究DNA宽度是2nm,因而推测DNA分子是不止一条链组成。第四十页，共一百二十一页，2022年，8月28日PerhapsthemostcrucialpieceofthepuzzlecamefromanX-raydiffractionpictureofDNAtakenbyFranklinin1952-apicturethatWilkinssharedwith

JamesWatsonoverdinnerinLondononthenightofJan30,1953.

TheX-raytechniqueworkedasfollows:theexperimentermadeaveryconcentrated(浓),viscous(粘)ofDNA,thenreachedinwithaneedleandpulledoutafiber.Thiswasnotasinglemolecule,butawholebatchofDNAmolecules,forcedintoaside-by-sidearrangementbythepullingaction.Givetherightrelativehumidity,thisfiberwasenoughlikeacrystalthatitdiffracted(衍射)X-raysinaninterpretableway.第四十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日Finally,therewereJamesWatsonandFrancisCrick.WatsoninhisearlytwentiesandalreadyholdingaPhDdegreefromIndianaUniversity,hadcometotheCavendishLaboratoriesinCambridge,England,tolearnaboutDNA.TherehemetCrick,aphysicistwhoatagethirty-fivewasretrainingasamolecularbiologist.WatsonandCrickperformednoexperimentsthemselves.Theirtactic(策略)wastouseothergroups’datatobuildaDNAmodel.第四十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日FRANCISHARRYCOMPTONCRICK(1916-2003)wasborninasmalltownnearNorthampton,England.

thedoublehelixstructureforDNAandtheCentralDogmaCrickfoundthat"whatyouarereallyinterestediniswhatyougossipabout."

Topursuehisinterests,Crickvisitedseverallabsandscientists.1947,CrickjoinedMaxPerutzattheCavendishLaboratoryinCambridge.SirLawrenceBragg(X-raycrystallographytostudyproteinstructure).Thestructureofhemoglobin(MaxPerutz)andCrick'sthesisprojectwasonX-raydiffractionofproteins.第四十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日1951,FrancisCrickmetJamesWatson,andusingavailableX-raydataandmodelbuilding,thetwosolvedthestructureofDNA(NatureinApril1953).Crick,WatsonandWilkinssharedthe1962NobelPrizeforPhysiologyorMedicineforsolvingthestructureofDNA.MauriceWilkinsandRosalindFranklinprovidedsomeoftheX-raycrystallographicdata.TherewerestillquestionsabouthowDNArmal"RNAtieclub"第四十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日"tosolvetheriddleofRNAstructure,andtounderstandthewayitbuildsproteins.“focusedonthe"CentralDogma"whereDNAwasthestorehouseofgeneticinformationandRNAwasthebridgethattransferredthisinformationfromthenucleustothecytoplasmwhereproteinsweremade.ThetheoryofRNAcodingwasdebatedanddiscussed,andin1961,FrancisCrickandSydneyBrennerprovidedgeneticproofthatatripletcode第四十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日JAMESDEWEYWATSON(1928-)wasborninChicago"why?"andhewasn'tsatisfiedwithsimpleanswers.won$100asa"QuizKid"onapopularradioprogram(buybinocularsforbird)WatsonenteredtheUniversityofChicagoat15underthegiftedyoungsterprogram-"WhatisLife?“Hewasfascinated(着迷)bytheideathatgenesandchromosomesholdthesecretsoflife.WhenWatsonwenttodoaPh.D.withSalvadorLuria,apioneerinbacteriophageresearchatIndianaUniversity,itseemedtheperfectopportunitytoworkonsomeoftheseproblems.第四十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日AfterhisPh.D.in1950,WatsonspenttimeinEurope,firstinCopenhagenandthenattheCavendishLaboratoryoftheUniversityofCambridge.Bynow,WatsonknewthatDNAwasthekeytounderstandinglifeandhewasdeterminedtosolveitsstructure.HewasluckytoshareanofficewithFrancisCrick,aPh.D.studentwhowasalsointerestedinthestructureofDNA.Althoughbothweresupposedtobeworkingonotherprojects,in1953,theybuiltthefirstaccuratemodelofDNA–oneofthegreatscientificadvancesofalltime.第四十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日JamesWatson(R)andFrancisCrick(L)walkingalongthebanksatCambridgeUniversityThesixfeettallmetalDNAmodelmadebyWatsonandCrickin1953.第四十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日1962NobelPrizewinners:(L-R)MauriceWilkins(PhysiologyorMedicine),M.Perutz(Chemistry),FrancisCrick(PhysiologyorMedicine),J.Steinbeck(Literature),JamesWatson(PhysiologyorMedicine),J.Kendrew(Chemistry).JamesWatsononavacationintheItalianAlps,1951第四十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.DNA的双螺旋模型(1)DNA双螺旋的特点一个DNA分子有两条走向相反的(5’-3’，3’-5’)多核苷酸链两条链向右互相盘绕成一个双螺旋结构每条链内侧是碱基，它和五碳糖的1’位碳相连两条链的碱基总是A=T、G=C各碱基之间的距离为3.4埃，包含10个碱基，螺旋体直径20埃第五十页，共一百二十一页，2022年，8月28日第五十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日双链DNA的不同构型B-DNA:属右手螺旋Z-DNA:某些DNA顺序存在着一种独特的左旋的双螺旋形式，称作Z-DNAA-DNA:也属右旋，每圈大约含有11个碱基对。在高盐分或脱水状态时，DNA常以A型方式存在第五十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日(2)DNA的变性、复性和分子杂交技术DNA的变性(denaturation)：DNA在中性盐溶液中加热，其互补碱基对中的氢键被打开，分开成为两条多核苷酸单链，叫DNA变性DNA复性(renaturation)：变性后的DNA，在适当的条件下回复成为双链DNA，称为复性或退火(annealing)第五十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日解链温度(meltingtemperature)：指加热使溶液中DNA分子50％成为单链时所需温度(Tm)DNA变性和复性是现代分子杂交技术的基础利用变性和复性用来制备单链DNA，进行多核苷酸链间的分子杂交测定异源双链的同源性估算GC碱基对在DNA链中所占的比例等，GC含量与DNA的稳定性成正比第五十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日世界科星成功之路名家名著哺育1932年波尔作了题为‘光与生命’的演讲，试图用物理的眼光来回答生物学的中心问题。影响学生MaxDelbruck，舍弃物理投奔遗传学获得1969年Nobel奖ErwinSchrodinger于1945年出版“Whatislife”系统地阐述了Bohr和Delbruck的观点，影响了一批物理学家如Wilkins和Crick，弃物理投身遗传学，获得1962年Nobel奖Watson回忆到，这本书使我发现了基因的秘密第五十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日攻克基因之谜基因的化学本质是什么？DNA还是蛋白质？1944年Avery证实DNA是遗传物质1951年Hershey和SalvadorLuria证实噬菌体的遗传物质是DNAWatson早期与Luria研究噬菌体时接受了其一个重要观点：要知道基因的功能必须知道基因是什么和基因的结构问题Watson和Crick铭记在心全心致力于DNA模型研究第五十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日多种研究方法X－衍射法模型方法：Watson和Crick创建的DNA双螺旋结构是在自己的办公室中，利用别人废弃的不用的蛋白质结构模型的材料（铁皮、硬纸板和铁丝等）创建出来的第五十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日广泛收集素材原料：A、T、C、G；化学键；糖－磷酸基骨架半成品1：相异碱基配对：Wilkins等所作的DNA的X衍射表明，每个DNA由2、3、4条糖－磷酸基骨架组成（这些不同骨架怎样结合在一起？相同碱基结合G－G,T－T;相异碱基结合A－C;相似碱基结合A－G）骨架的碱基是如何结合的?即通过吸引力大的化学共价键或吸引力小的氢键结合1952年6月，Crick会见了剑桥的青年数学家Griffis(对生物感兴趣)，排除同碱基结合，接受相异碱基配对原则第五十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日半成品2：1：1碱基比1952年6月，Chargaff访问Crick的实验室，但他们并不知道Chargaff发表的文章，经讨论，Chargaff进一步提到1：1的结果这一结果解决了相异碱基配对问题，复制问题和DNA分子为什么能结合在一起等半成品3：螺旋结构来源于Pauling关于多肽链的α螺旋结构论文的启发第五十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日临产前的阵痛DNA分子螺旋有几条核苷酸链组成1条（Watson和Crick排除，Wilkins主张）2条（很快被Watson和Crick，Wilkins均排除了）3条（被Watson和Crick接受，但Wilkins和Franklin从帝国学院来剑桥访问，发现他们的数据理解错了，随即否定）3螺旋被否定后，情绪低落。Pauling的儿子处获悉，Pauling正在建立DNA模型，才使他们重拾信心，建立了1个双螺旋模型。但由于化学知识缺乏，不能肯定碱基配对的规则（同配还是异配），导致24小时后流产第六十页，共一百二十一页，2022年，8月28日最后冲刺1953年2月6日，Franklin摄取了一张含水量比以往更大的DNA结晶X衍射图。这张照片比以往的衍射图提供了更多的信息，Wilkins无动于衷，随即递给了Watson。Watson认为：这张照片否定了3螺旋，支持了双螺旋Wilkins排除双螺旋Watson回忆到：Wilkins否定双螺旋是不可靠的，他们的模型数据是错的，因这取决于样品的含水量。因此我已决定建立双螺旋模型；Crick一定会同意，他知道生物对象成双成对的重要性，尽管他是个物理学家第六十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日独占熬头的胜者Pauling，Franklin，Wilkins均有可能建立正确的双螺旋结构1954年，Pauling准备参加英国的一个学术会议，并安排访问Wilkins，未得到签证；失去了看见Franklin的X衍射图Franklin在不知道Watson和Crick模型的情况下，于1953年3月17日（有打印件可查），非常接近双螺旋结构Wilkins的模型离双螺旋不远，他已经舍弃了单螺旋，再给予时间，他可以提出双螺旋第六十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日具有敏锐的科学判断力，抓住DNA模型的关键课题具有高超的分析综合能力，善于取百家之长（生物化学派、结构派和信息派）的研究成果于一体，以解遗传之谜；具有突出的勤于思考、不耻下问、勤于实践和不怕失败的科学品德。直接向他们指出错误的有Wilkins，Franklin、Griffis、Chargaff，Duorox和Pauling父子等如此大发现真可谓：涓涓细流，汇成大海；博采众长，自成一派诺贝尔奖委员会的评语：表彰他们发现了核酸的分子结构和他在生命信息中传递的价值（当年Watson25岁，Crick37岁，Wilkins37岁）Watson和Crick成功的关键第六十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.DNA的复制第六十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日第六十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日1953年，Watson(25)和Crick(37):《核酸的分子结构…脱氧核糖核酸的结构》，提出了DNA的双螺旋结构模型，正确地解析了DNA的结构与功能的关系Watson和Crick认为DNA复制的过程是:首先双螺旋的两主链分离开随着两条亲本链的不断分离，新合成链按碱基A-T、G-C配对的原则，在两条亲本链分离开的部位结合上去，形成两条新链新合成的子体DNA链的碱基排列和亲本链是对应的，从而保证了DNA分子原有物种的特异性第六十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日(1)DNA的酶促合成In1957,A.Kornberg(1918-)1stisolatedtheenzymeinE.coliandaccomplishedtheinvitrosynthesisofDNA.()第六十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日n1dTTPn2dGTPn3dATPn4dCTPdNTPDNA+DNApolymoraseMg++dTMPn1dGMPn2dAMPn3dCMPn4(n1+n2+n3+n4)PPi(新合成的DNA+焦磷酸)+作为引物(合成反应的起始点)作为新合成DNA的模板模板＋引物第六十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日第六十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日用不同生物的DNA作模板，在体外合成DNA时，模板DNA和合成DNA的碱基比例第七十页，共一百二十一页，2022年，8月28日DNA复制时，每个DNA分子都以它自己为模板，这种复制形式叫半保留复制(2)半保留复制(semi-conservativereplication)第七十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日MeselsonstudiedchemistryattheUniversityofChicagoandthendidhisgraduateworkattheCaliforniaInstituteofTechnologywithLinusPauling.In1954,MeselsonwenttoWoodsHoletobeateachingassistant.Here,MeselsonmetFranklinStahl–apost-doctoralfellowwhowastakingcoursestolearnsomemolecularbiologytechniques(WatsonandCrick)1957,StahlandMeselsondevelopedthetechniqueofdensitygradientcentrifugationandusedittoprovethatDNAwasreplicatedinasemi-conservativewayTheir"classic"paperwaspublishedin1958andtheirexperimenthasbeencalled"oneofthemostbeautifulexperimentsinbiology."MatthewMeselsonandFranklinStahl第七十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日MeselsonandStahl(1958)证明了DNA的复制的确是半保留的。实验设计如下：把大肠杆菌在重同位素(15N)中培养，15N进入含氮碱基，然后渗入新合成的DNA链中，使细菌细胞DNA充分地被15N标记上了把这些细胞移入轻同位素(14N)中培养，经过一次或两次细胞分裂，抽提细菌样本并提取DNA，进行CsCl梯度离心第七十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日第七十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日3.遗传密码和中心法则Crick(1957)提出遗传的中心法则，接着又在1961年又提出了三联体密码，为揭示基因的本质奠定了基础第七十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日PaulZamecnikandMahlonHoaglanddeterminedtheidentityofCrick’sadaptormolecule,tRNA.第七十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日(1)遗传密码第七十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日兼并(degeneracy)：一种氨基酸有两种以上的密码子的情况，叫做兼并无义密码子(nonsensecodons)：像UAA，UAG，和UGA这些密码子没有相对应的氨基酸，称为无义密码子起始密码子(startcodon):AUG或GUG属起始密码子，所以这密码子充当多肽(从氨基端开始)的起始信号(startsignal)第七十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日遗传密码的普遍性和通用性遗传密码在动物、植物和微生物是普遍通用的，这也是现代转基因生物学的理论基础第七十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日(2)中心法则及其发展DNA、RNA和蛋白质的关系概括为:第八十页，共一百二十一页，2022年，8月28日很多RNA病毒，在感染宿主细胞后，它们的复制是以其RNA为模板，反向合成DNA，然后以这段DNA为模板，互补地合成RNA。如反转录病毒中心法则的新发展第八十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日中心法则对分子生物学研究有何启示？第八十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日基因组研究是建立在中心法则的基础之上基因组学(genomics)：研究生物体基因和基因组的结构组成、稳定性及功能的一门学科。基因组学(genomics)结构基因组学(structuralgenomics)功能基因组学(functionalgenomics)研究基因和基因组的结构，各种遗传元件的序列特征，基因组作图和基因定位等研究不同的序列结构具有的不同功能，基因表达调控，基因与环境之间(包括基因与基因之间，基因与其它DNA序列之间，基因与蛋白质之间)相互作用等第八十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日转录物转录物组学(transcriptomics)、蛋白质组学(protomics)、表型组学(phenomics)蛋白质表型研究转录物组(transcritome)的一门学科，即研究某一时刻某一细胞里基因组转录产生的全部转录物的种类、结构和功能研究细胞内全部的蛋白质(即蛋白质组，proteomics)的组成及其活动规律的一门学科研究生物体整个表型(phenotype)形成的机制基因型＋环境＝表型第八十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日(五)操纵子模型1961年，FJacobandJMonod提出大肠杆菌乳糖操纵子模型，又丰富了基因概念的内容，基因不仅是传递遗传信息的载体，同时又具有调控其他基因表达的功能第八十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日Whatarethemechanismsbywhichmicroorganismsregulategeneexpressioninresponsetochangesintheenvironment?Isthereasinglemechanismbywhichtheexpressionofdifferentgenesisregulated?Oraredifferentgenescontrolledbydifferentmechanism?第八十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日Basedonwhatisknownabouttheregulationoftranscription,thevariousregulatorymechanismsseemtofitintotwogeneralcategories:Mechanismsthatinvolvetherapidturn-onandturn-offofgeneexpressioninresponsetoenvironmentalchangesMechanismsreferredtoaspreprogrammedcircuits(巡回)orcascades(落下)ofgeneexpression.第八十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日Ecoliandmostotherbacterialarecapableofgrowthusinganyoneofseveralcarbohydrates(glucose,sucrose,galactose,arabinose,andlactose).Enzymesthatareinvolvedincatabolicpathways,suchasinlactose,galactose,orarabinoseutinlization,arecharacteristicallyinducible.WhenEcolicellsarepresentinanenvironmentcontainingconcentrationoftryptophansufficientoptimalgrowth,thecontinuedsynthesistryptophaniswasteenergy.Geneturnoff第八十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日当阻遏物与操纵基因结合时，三个结构基因不会合成三种酶分子如果操纵基因的结合位点无阻遏物附着，RNA酶就会向结构基因方向移动合成三种酶分子结构基因(structuralgenes)指可以转录成mRNA，而且可以翻译成蛋白质，从而构成结构蛋白和催化各种生化反应的酶调节基因是调控其他基因的活性，调节基因可转录成mRNA，然后由mRNA翻译成阻遏蛋白质或激活蛋白质第八十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日(六)跳跃基因的发现50年代初，McClintock在玉米的控制因子的研究中指出，某些遗传因子可以转移位置。60年代后期在原核生物以及高等生物中都发现了基因位置不固定的普遍现象，并将它们称为跳跃因子或转移因子第九十页，共一百二十一页，2022年，8月28日第二节重组测验一、拟等位基因(杏红眼)a/a×/Y(白眼)(杏红眼)a

/F1aY(杏红眼)F2×a

/a

a

/a

/Y/Y＋红眼(1/1000)?进一步研究表明：杏红眼和白眼基因位于染色体的同一基因座位，但属于不同(突变)位点，从而发生交换第九十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日(杏红眼)a+/a+×+/Y(白眼)(杏红眼)a

+/+

a+/YF1F2a

+/a+

+/a+++/a+

a/a+a

+/Y+/Y

++/Ya/Y进一步比较发现：杏红眼：+/a+红眼：++/a突变型反式(trans)野生型顺式(cis)顺反位置效应这种紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因称为拟等位基因(pseudoalelle)红眼第九十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日Benzer的重组测验将基因定义为顺反子，现代基因的概念：基因是一个作用单位——顺反子。一个顺反子内存在着很多突变位点——突变子，所谓突变子就是改变后可以产生突变型表型的最小单位。一个顺反子内部可以发生交换，出现重组，不能由重组分开的基本单位叫做重组子。所以一个基因是一个顺反子，可以分成很多的突变子和重组子第九十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日第五节断裂基因和重叠基因ExonandIntronRichardRobertsandPhilSharpsharedthe1993NobelPrizeforthediscoveryofthesplitgenetheory.第九十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日RichRobertsinhisofficeatNewEnglandBiolabs,1999ElectronmicrographofRNA/DNAhybrid.ThiswasoneoftheoriginalphotosthatRobertsandhisgroupusedforanalyzingtheirresults.第九十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日PhilSharpinhisofficeatMIT,1999TheSambrooklabatColdSpringHarborLaboratoryaround1971wherePhilSharpwasapost-doc.(L-R)ArleneJackson,PhilSharpandC.Mulder第九十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日断裂基因(splitgene)：一个基因由几个互不相邻的段落组成，基因内部被一段核苷酸序列所隔开外显子(exon或extron)：指DNA序列中被转录成为mRNA的片段内含子(intron)：指成熟mRNA上未反应出的DNA区段第九十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日Chambon’rule:大多数内含子具有5’末端GT，3’以AG结束这种规律出现可能是RNA剪接过程中的识别信号第九十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、断裂基因的意义有利于储存较多的遗传信息，增加信息量(多个mRNA转录可能产生多种蛋白质)有利于变异和进化：内含子有可能转变为外显子增加重组机率：内含子的增减造成新的剪切方式，形成新基因；增加重组频率可能是基因调控装置：内含子的长度大小变异，导致转录mRNA、以及蛋白质速率的变化第九十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日三、重叠基因的发现与重叠方式重叠基因是Sanger(1978)分析了噬菌体X174DNA序列后，发现X174只有5386个核苷酸却组成了9个基因，编码了2000个氨基酸，理论上需要6000个核苷酸，原因？重叠基因(overlappinggene)：指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或者一段DNA序列成为两个或两个以上的基因的组成部分第一百页，共一百二十一页，2022年，8月28日第一百零一页，共一百二十一页，2022年，8月28日X174各个基因的起始密码子和终止密码子基因起始密码子终止密码子识读框架AATG3973~3975AGA134-1360BATG5664-5666TGA49-51-1CATG133-135?0KATG51-53TGA249-251-1DATG390-392TAA846-848-1JATG848-850TAA962-964+1FATG1001-1003TGA2276-2278+1GATG2387-2389TGA2912-2914+1HATG2923-2925TAA3907-39090EATG568-570TGA841-8400第一百零二页，共一百二十一页，2022年，8月28日重叠方式1.大基因包含小基因2.前后两个基因首尾重叠第一百零三页，共一百二十一页，2022年，8月28日3.3个基因之间三重重叠G4DNA序列-T-T-C-T-G-A-T-G-A-A-A-基因ASerAspGluPhe终止基因B起始Val基因K4.反向重叠：DNA双链都转录，密码读框相同，但反向不同，形成不同蛋白质5.重叠超纵子：除结构基因之间重叠外，结构基因与调控序列，以及调控序列之间的重叠等第一百零四页，共一百二十一页，2022年，8月28日FredSangerFredSanger(middle)atage11withhisolderbrotherandyoungersister第一百零五页，共一百二十一页，2022年，8月28日FredSangerinhislab,late1950's.HeislookingatsequencingresultsFredSangerata1949ColdSpringHarborSymposiummeeti