1、第五章第五章 DNA及基因组及基因组BREAKTHROUGH OF THE YEAR 2007:Human Genetic Variation 21 DECEMBER 2007 SCIENCEBREAKTHROUGH OF THE YEAR 2008:Reprogramming Cells iPS(induced pluripotent stem cell)Runners-Up:Direct Views of Exoplanets The DNA of CancerNew Class of High-T Superconductors Protein flopping and folding
2、Splitting Water Beginning of Life,the MovieColor Coded Fat Computing the Basics DNA on the Cheap 拓展伽马射线天空拓展伽马射线天空 脱落酸受体脱落酸受体 （abscisicabscisic acid,ABA acid,ABA）发现模拟磁单极子发现模拟磁单极子 长寿健康长寿健康 科学家揭示月球存在冰科学家揭示月球存在冰 基因治疗回来了基因治疗回来了 石墨烯研究取得新进展石墨烯研究取得新进展 哈勃重生哈勃重生 第一台第一台X X射线激光器闪亮登场射线激光器闪亮登场 BREAKTHROUGH OF THE
3、 YEAR 2009:Ardipithecus ramidus（始祖地猿）（始祖地猿）Runners-Up:一、核酸研究简史一、核酸研究简史 第一阶段：核酸的发现第一阶段：核酸的发现第二阶段：发现核酸是遗传物质第二阶段：发现核酸是遗传物质第三阶段：为分子生物学奠定基第三阶段：为分子生物学奠定基 础的时期础的时期第四阶段：分子生物学高速发展时期第四阶段：分子生物学高速发展时期第一节 DNA的结构与功能18891889年年 R.Altman R.Altman 从动物细胞与酵母从动物细胞与酵母 菌中制备了菌中制备了核酸核酸 18691869年年 F.MiescherF.Miescher 从脓细胞中得
4、到从脓细胞中得到 核质核质“NucleinNuclein”第一阶段：核酸的发现第一阶段：核酸的发现18941894年年 A.KosselA.Kossel 和和A.Neumann A.Neumann 从胸腺从胸腺 中提取核酸中提取核酸19301930年年 正式提出核酸分为两大类：正式提出核酸分为两大类：核糖核酸核糖核酸（RNARNA）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNADNA）19041904年年 HammarsHammars 证明核酸中的糖是戊糖证明核酸中的糖是戊糖.19091909年年 LeveneLevene和和JacobsJacobs鉴定核酸中的糖鉴定核酸中的糖 是是D-D-核糖核糖.191
5、21912年年 LeveneLevene 认为核酸由认为核酸由4 4种核苷酸种核苷酸 组成组成19291929年年 LeveneLevene 和和Jacobs Jacobs 确定胸腺核苷酸确定胸腺核苷酸 中的糖是中的糖是2-2-脱氧脱氧-D-D-核糖核糖 第二阶段：发现核酸是遗传物质第二阶段：发现核酸是遗传物质 1944 1944年年 AveryAvery等揭示了等揭示了DNADNA是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质有荚膜的光滑型肺炎球菌（有荚膜的光滑型肺炎球菌（S型）型）致病致病无荚膜的粗糙型肺炎球菌（无荚膜的粗糙型肺炎球菌（R型）型）不致病不致病 R R型菌型菌 R R型菌型菌 R R型菌型
6、菌 +S S型菌型菌DNA DNA S S型菌型菌DNA DNA S S型菌型菌DNADNA （经蛋白酶水解）（经蛋白酶水解）（经核酸酶水解）（经核酸酶水解）部分克隆变为部分克隆变为 部分克隆变为部分克隆变为 不能变为不能变为 S S型菌型菌 S S型菌型菌 S S型菌型菌19521952年年 HersheyHersheyChase Chase 通过噬菌通过噬菌体感染细菌的实体感染细菌的实验表明验表明病毒的遗病毒的遗传物质是传物质是DNADNA。1953年年 J.D.Watson 和和 F.Crick建立建立 了了DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 第三阶段：为分子生物学奠定基础的时期第三阶段
7、：为分子生物学奠定基础的时期1958年年 *Kornberg Kornberg等发现了等发现了DNADNA聚合酶聚合酶 (DNA polymerase)(DNA polymerase)*Meselson 等提出半保留复制，等提出半保留复制，阐明阐明DNA复制的机理复制的机理*Crick提出了遗传信息传递的提出了遗传信息传递的 中心法则中心法则1965年年 中国科学家人工合成牛胰岛素中国科学家人工合成牛胰岛素1970年年 Temin等发现了从等发现了从RNADNA反转录现象，反转录现象，使中心法则更完善使中心法则更完善1961年以后年以后Jacob、Nirenberg和和 Monod 等取得三个
8、等取得三个有意义的进展：有意义的进展：1)证实了证实了mRNA携带着携带着DNA到蛋白质合成机制所到蛋白质合成机制所 需要的信息需要的信息 2)发现了遗传密码发现了遗传密码 3)发现了蛋白质依靠发现了蛋白质依靠tRNA和核糖体的帮助翻译和核糖体的帮助翻译遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则（central dogma）DNAmRNA转录转录多肽链多肽链翻译翻译蛋白质蛋白质翻译后加工翻译后加工DNA复制复制第四阶段：分子生物学高速发展时期第四阶段：分子生物学高速发展时期1.19711.1971年年 限制性内切酶发现，限制性内切酶发现，DNADNA的的 分离成为可能分离成为可能2.2.直读
9、核苷酸序列方法直读核苷酸序列方法 (1975(1975年年SangerSanger发明发明)3.DNA3.DNA体外重组技术体外重组技术 (1972(1972年年 BergBerg发明发明)19821982年年 中国科学家人工合成酵母中国科学家人工合成酵母 丙氨酸丙氨酸tRNAtRNA19851985年年 MullisMullis建立建立PCRPCR技术技术19811981年年 T.CechT.Cech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA前体的前体的 自我拼接自我拼接,称为称为ribozymeribozyme.人类科学史上的三大工程人类科学史上的三大工程 人类基因组计划人类基因组计划曼哈顿原子
10、计划曼哈顿原子计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划 19901990年年 美国正式启动人类基因组计划。美国正式启动人类基因组计划。(human genome project,HGP)(human genome project,HGP)19991999年年7 7月月我国得到完成人类我国得到完成人类3号染色体号染色体 短臂上一个约短臂上一个约30Mb区域的测区域的测 序任务，该区域约占人类整个序任务，该区域约占人类整个 基因组的基因组的1%，简称，简称1%项目。项目。提前两年于提前两年于2001年年8月月 26日日,绘绘 制完成制完成“中国卷中国卷”，赢得了国，赢得了国际际 科学界的赞誉。科学界的赞誉
11、。2003年年4月月美、英、日、法、德、中等国政府首脑联美、英、日、法、德、中等国政府首脑联名发表名发表六国政府首脑关于完成人类基因六国政府首脑关于完成人类基因组序列图的联合声明组序列图的联合声明。19971997年年 英国爱丁堡罗斯林研究所首次英国爱丁堡罗斯林研究所首次 育成克隆羊。育成克隆羊。水稻基因组（水稻基因组（Rice Genome）2001年年10月，月，中科院、科技部和国家计委联中科院、科技部和国家计委联合向全世界宣布，中国率先完合向全世界宣布，中国率先完成水稻（籼稻）基因组工作成水稻（籼稻）基因组工作“框架图框架图”的绘制的绘制2002年年4月月5日，日，在在Science 杂
12、志上以封面文章杂志上以封面文章的形式发表。的形式发表。*后基因组计划（后基因组计划（post-genome projectpost-genome project）又称为功能基因组学又称为功能基因组学 （functional genomicsfunctional genomics）*蛋白质组（蛋白质组（proteomeproteome）计划）计划 又称为蛋白质组学（又称为蛋白质组学（proteomicsproteomics）*随着许多新的随着许多新的RNARNA功能陆续被发现，功能陆续被发现，20002000年各国科学家提出了年各国科学家提出了RNARNA组的研究，组的研究，称为称为RNARNA
13、组学（组学（RNomicsRNomics）*生物信息学生物信息学(bioinformatics)*系统生物学系统生物学(systems biology)二、二、DNADNA研究的临床应用研究的临床应用 1.1.疾病发病机理的研究疾病发病机理的研究 1 1）遗传性疾病遗传性疾病 基因变异或基因缺陷是疾病发生的根基因变异或基因缺陷是疾病发生的根 本原因本原因如如:镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血的致病因素是由的致病因素是由 于珠蛋白第于珠蛋白第6 6位氨基酸由谷氨酸突变为位氨基酸由谷氨酸突变为 缬氨酸。缬氨酸。如：如：心血管疾病心血管疾病 型高脂蛋白血症的形成主要是由于型高脂蛋白血症的形成主要
14、是由于ApoEApoE基因中第基因中第112112位和第位和第158158位的位的G G和和C C发生变异，蛋白质肽链上原来发生变异，蛋白质肽链上原来 ArgArg 变成变成CysCys，失去与失去与ApoEApoE受体结合的能力，使受体结合的能力，使血脂升高血脂升高 2 2）肿瘤肿瘤癌基因激活和抑癌基因失活癌基因激活和抑癌基因失活分化受阻分化受阻肿瘤细胞（永生型）肿瘤细胞（永生型）如：上世纪如：上世纪7070年代发现了癌基因年代发现了癌基因（H-rasH-ras)与抑癌基因与抑癌基因(RbRb)。2.2.疾病的基因诊断疾病的基因诊断 DNADNA诊断：诊断：*快速快速DNADNA点杂交点杂交
15、 *限制性内切酶酶谱分析法限制性内切酶酶谱分析法 *DNADNA限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 分析法分析法 （RFLPRFLP）*聚合酶链反应（聚合酶链反应（PCRPCR）产前诊断、植床前诊断产前诊断、植床前诊断 A BKb 1 2 3 1 2 3 Kb8.3 hcs-L 6.7 hcs-B5.8 hcs-A3.8 hGH-N3.0 hGH-V1.2 hHG-V25.021.817.914.8单纯性生长激素缺乏症单纯性生长激素缺乏症(IGHD)(IGHD)(isolated growth hormone deficience)图中图中 A A为为BamHIBamHI酶解片段与酶解片
16、段与hGH cDNAhGH cDNA探针杂交放射自显影图探针杂交放射自显影图 B B为为HindIHindI酶解片段与酶解片段与hGHcDNhGHcDNA A探针杂交放射自显影图探针杂交放射自显影图 1 1 为正常人为正常人.2.2 为为IGHDIGHD患者患者.3 .3 为杂合子为杂合子DNADNA hcshcs 为人绒毛膜促乳素为人绒毛膜促乳素.h.hGHGH 为人生长激素为人生长激素父亲父亲母亲母亲孩子孩子GTCGTACGTGACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACG
17、TGACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTCGTACGTGACACACACACACACACACAGTACGATACGT父亲父亲 母亲母亲 孩子孩子46bp42bp40bp42bp42bp46bp40bp42bp40bpPCR结果的凝胶电泳：结果的凝胶电泳：图：某个图：某个CA2核苷酸重复的微卫星在一个家系中的核苷酸重复的微卫星在一个家系中的PCR检测结果示意图检测结果示意图短串联重复短串联重复(sh
18、ort tandem repeat,STR)多态性分析多态性分析 3.3.疾病的预防与基因治疗疾病的预防与基因治疗 1 1）采用基因工程产生疫苗药物）采用基因工程产生疫苗药物 2 2）基因治疗）基因治疗世界首例癌症疫苗世界首例癌症疫苗由美国由美国Merck公司研制，专门针对人乳头状瘤病毒（公司研制，专门针对人乳头状瘤病毒（HPV）的疫苗的疫苗“加德西加德西”（Gardasil），），2006年年6月月8日获得美日获得美国国FDA的上市批准。这是世界上第一个，也是惟一一个获准上的上市批准。这是世界上第一个，也是惟一一个获准上市的用来预防由市的用来预防由HPV6、11、16和和18型引起的宫颈癌和
19、生殖型引起的宫颈癌和生殖器官癌前病变的癌症疫苗，保护率超过器官癌前病变的癌症疫苗，保护率超过95%。该癌症疫苗的推出，将是人类首次真正尝试通过疫苗将一种该癌症疫苗的推出，将是人类首次真正尝试通过疫苗将一种癌症彻底消除。癌症彻底消除。德国科学家拉尔德楚尔豪森 2008年诺贝尔生理学或医学奖 构件分子构件分子核苷酸核苷酸nucleotidenucleotide核苷核苷nucleosidenucleoside 磷酸磷酸phosphatephosphate 碱基碱基basesbases 戊糖戊糖pentosepentose 嘧啶嘧啶pyrimidinepyrimidine 嘌呤嘌呤purinepuri
20、ne 核糖核糖riboseribose 脱氧核糖脱氧核糖deoxyribosedeoxyribose 三、核酸三、核酸的结构的结构核酸核酸（多核苷酸（多核苷酸PolynucleotidePolynucleotide)（一）分子组成（一）分子组成 碱基上有修饰：碱基上有修饰：核苷的大写字母前加上代表修饰基团核苷的大写字母前加上代表修饰基团 的小写字母右上方写明碱基的第几位的小写字母右上方写明碱基的第几位 m2G 表示表示 2-N-甲基鸟苷甲基鸟苷 位置位置 m32 2 7G 表示表示 N2，N2，7-三甲鸟苷三甲鸟苷 数量数量 S4U 表示表示 4-硫代尿嘧啶硫代尿嘧啶甲基甲基(3)稀有碱基稀有
21、碱基R苷苷2.戊糖戊糖顺式腺苷顺式腺苷反式腺苷反式腺苷嘌呤碱嘌呤碱N9嘧啶碱嘧啶碱N1戊糖戊糖C1*顺式和反式构象的定义顺式和反式构象的定义:相对于糖的一部分相对于糖的一部分,碱基沿糖苷键碱基沿糖苷键C-N(对于嘧对于嘧啶是啶是N 1,对嘌呤是对嘌呤是N9)。可以采取。可以采取2种主要的取向种主要的取向,顺式和反式构象。顺式和反式构象。假尿苷假尿苷514.核苷酸核苷酸1234553环核苷酸环核苷酸 cAMP、cGMP 表示磷酸与表示磷酸与3、5核苷核苷 羟基相接羟基相接 （二）、游离核苷酸的功能（二）、游离核苷酸的功能 ATP、GTP、UTP、CTP 参于代谢参于代谢 5FU（5氟尿嘧啶）氟尿
22、嘧啶）抗癌药物抗癌药物 6MP（6巯基嘌呤）巯基嘌呤）抗癌药物抗癌药物 5-碘脱氧尿苷碘脱氧尿苷 治疗病毒性心肌炎治疗病毒性心肌炎 AZT 抗抗AIDS病毒病毒（Azido thymidine 叠氮基胸苷）叠氮基胸苷）cAMP、cGMP 第二信使第二信使 （三）（三）DNA的一级结构的一级结构 1.DNA的一级结构是指脱氧核苷酸的一级结构是指脱氧核苷酸 （碱基）在（碱基）在DNA分子中的排列顺序分子中的排列顺序 2.DNA分子中脱氧核苷酸的连接方式分子中脱氧核苷酸的连接方式 3，5磷酸二酯键磷酸二酯键 3.直线形直线形DNA有二个末端：有二个末端：5磷酸末端磷酸末端 3羟基末端羟基末端 A.分
23、子结构式分子结构式 B线条式线条式 C字母式字母式1)端粒端粒DNA的结构的结构 真核生物线性染色体末端的真核生物线性染色体末端的DNA序列序列,称为端粒。称为端粒。端粒端粒DNA序列相当保序列相当保 守，守，端粒端粒DNA的的3末端是由数百个串联的重复末端是由数百个串联的重复序列序列，长长5-10 kb。重复重复序列由序列由G-T丰富的丰富的6个核苷酸个核苷酸组成。组成。4.端粒（端粒（telomere）DNA结构与功能结构与功能 荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列端粒的重复序列是由端粒酶（端粒的重复序列是由端粒酶（telomerase）合成后添）合成后添加到染色体
24、末端。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，加到染色体末端。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质，以物种专一的内在具有逆转录酶的性质，以物种专一的内在RNA为模为模板，把合成的板，把合成的DNA添加到染色体的添加到染色体的3端。端。端粒起到端粒起到细胞分裂计时器细胞分裂计时器的作用，核苷酸复制和的作用，核苷酸复制和基因基因DNA每复制一次，端粒减少每复制一次，端粒减少50-100 bp，正常，正常体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变体细胞染色体缺乏端粒酶活性，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。人的生殖细胞，部分干细胞染短，细胞随之衰老。人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞和永生
25、细胞系具有端粒酶活性。色体，肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶活性。2）端粒）端粒DNA的功能的功能 a 保证线性保证线性DNA的完整复制的完整复制 b 维持染色体的稳定维持染色体的稳定 c 决定细胞的寿命决定细胞的寿命2009诺贝尔生理学或医学奖诺贝尔生理学或医学奖-端粒酶（端粒酶（telomerase）Elizabeth Blackburn Jack Szostak Carol Greider 1)DNA分子十分巨大，最小的分子十分巨大，最小的DNA分子分子 也包含有几千也包含有几千bp，分子量在，分子量在106以上。以上。人类基因组含有约人类基因组含有约3.1647 109bp。5.DNA的
26、一级结构特点的一级结构特点 2)每一物种每一物种DNA都具有其特有的碱基都具有其特有的碱基 组成组成3)有些碱基常被甲基修饰，称为甲基有些碱基常被甲基修饰，称为甲基 化化(methylation)(1)细菌细菌DNA甲基化甲基化 各种细菌都具有一定的甲基化模式，各种细菌都具有一定的甲基化模式，在在DNA分子中平均分子中平均 1%的碱基被甲的碱基被甲 基化。基化。甲基化最多的是腺嘌呤和甲基化最多的是腺嘌呤和胞嘧啶胞嘧啶细菌细菌DNA甲基化作用的生物学意义甲基化作用的生物学意义 a.影响影响DNA的构象的构象,影响蛋白质与影响蛋白质与DNA的的 相互作用相互作用,以调节以调节DNA 复制、转录、修
27、复制、转录、修 复、重组和包装的过程。复、重组和包装的过程。如：发生在如：发生在-GATC-的腺嘌呤，于的腺嘌呤，于DNA 复制产生的错误碱基修复中起作用复制产生的错误碱基修复中起作用 b.多发生于内切酶酶切位点，防止噬菌体多发生于内切酶酶切位点，防止噬菌体 入侵，是一种细菌自身保护机制。入侵，是一种细菌自身保护机制。(2)真核细胞的真核细胞的DNA甲基化甲基化 真核细胞真核细胞DNA中中胞嘧啶胞嘧啶甲基化最多，甲基化最多，约约5%,甲基化为甲基化为5-甲基胞嘧啶，大多甲基胞嘧啶，大多 数甲基化发生在数甲基化发生在CpG重复序列中。重复序列中。真核细胞中甲基化酶与去甲基化酶成真核细胞中甲基化酶
28、与去甲基化酶成 双成对存在，都对双成对存在，都对CpG二核苷酸序列二核苷酸序列 有特异性，使甲基化与去甲基化成为有特异性，使甲基化与去甲基化成为 可逆的生物学过程。可逆的生物学过程。多种基因的启动子区和第一外显子（多种基因的启动子区和第一外显子（60）富含富含CpG，称为，称为CpG岛，通常为非甲基化岛，通常为非甲基化 状态状态。散在的散在的CpG则为甲基化的。则为甲基化的。DNA甲基化通常抑制基因表达，与人类甲基化通常抑制基因表达，与人类 发育和肿瘤疾病关系密切。发育和肿瘤疾病关系密切。*CpG岛：岛：在基因的末端通常存在一些富含在基因的末端通常存在一些富含 双核苷酸双核苷酸“CG”的区域，
29、称为的区域，称为“CpG岛岛”通过分析通过分析5-甲基胞嘧啶在真核细胞基因组甲基胞嘧啶在真核细胞基因组 中的分布中的分布,发现发现 CpG岛的存在，这些区域岛的存在，这些区域 是是非甲基化非甲基化的，通常为的，通常为1-2kb，绝大多数，绝大多数 在基因的在基因的5 末端。末端。在人类基因组内，存在有近在人类基因组内，存在有近3万个万个CpG岛；岛；在大多数染色体上，平均每在大多数染色体上，平均每100万碱基含万碱基含 有有515个个CpG岛，这些岛，这些CpG岛不仅是基岛不仅是基 因的一种标志，而且还参与基因表达的调因的一种标志，而且还参与基因表达的调 控和影响染色质的结构。控和影响染色质的
30、结构。6.DNA的一级结构的测定的一级结构的测定 1)双脱氧末端双脱氧末端 终止法终止法Sanger法法 2)化学法化学法Maxan-Gilbert法法Sanger双脱氧末端双脱氧末端 终止法测序的基本原理终止法测序的基本原理Maxan-Gilbert化学法测序基本原理化学法测序基本原理DNA自动序列测定的基本原理自动序列测定的基本原理第一步：加入复制终止剂第一步：加入复制终止剂荧光检测探头电泳，看谁跑得快第二步：荧光检测DNA全自动分析仪：全自动分析仪：ABI Prism 3700型全自动型全自动遗传分析仪遗传分析仪安玛西亚安玛西亚DNA序列分析系统型号：序列分析系统型号：MegaBACE
31、500/1000/4000（四）（四）DNA的二级结构的二级结构 Dr.Crick Dr.Watson1.DNA双螺旋结构双螺旋结构的提出的提出 Watson和和Crick在在1953年提出了著年提出了著 名的名的DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型。这个模。这个模 型不仅解释了型不仅解释了DNA的理化性质，而的理化性质，而 且将结构与功能联系起来，大大推且将结构与功能联系起来，大大推 动了分子生物学的发展。动了分子生物学的发展。*双螺旋提出的根据双螺旋提出的根据 1)DNA纤维晶体的纤维晶体的x-衍射研究衍射研究 1952年年 Wilkins等等 2)Chargaff的碱基分析的碱基分析 AT
32、 GC ATGC的比值的比值 不同来源不同来源DNA是不同的是不同的 3)碱基和核苷酸的结晶学资料碱基和核苷酸的结晶学资料 a.DNA双链反向平行双链反向平行 b.碱基配对碱基配对 *AT GC *碱基是一个平面环分子。碱基平面垂直碱基是一个平面环分子。碱基平面垂直 于螺旋轴于螺旋轴 *相邻碱基相距相邻碱基相距0.34nm，每，每10个碱基旋个碱基旋 转转1圈，双螺旋螺距为圈，双螺旋螺距为3.4nm，相邻两个，相邻两个 碱基正好相差碱基正好相差3602.DNA的双螺旋的双螺旋结构的特点：结构的特点：1)B型型DNA结构结构 碱基配对结构碱基配对结构基基c在在DNA双螺旋分子上交替存在着双螺旋分
33、子上交替存在着 大沟和小沟大沟和小沟 蛋白质通过大沟和小沟识别碱基序蛋白质通过大沟和小沟识别碱基序 列的特异性，其中大沟对于的识别、列的特异性，其中大沟对于的识别、结合尤为重要。结合尤为重要。d d维持双螺旋的力量维持双螺旋的力量 氢键氢键 碱基堆积力（碱基堆积力（base stacking forcebase stacking force）碱基平面叠在一起，存在碱基平面叠在一起，存在Van derVan der Waals Waals力力 碱基碱基 疏水性，在双螺旋内部形成疏水的力量疏水性，在双螺旋内部形成疏水的力量 离子键离子键3.DNA的右手螺旋和左手螺旋的右手螺旋和左手螺旋 *DNA构
34、象与核苷酸顺序碱基组成有关构象与核苷酸顺序碱基组成有关 并取决于环境条件（盐类、相对湿度）并取决于环境条件（盐类、相对湿度）*主要构象类型：主要构象类型：右手螺旋：右手螺旋：A、B、C、D、E、T 型型DNA左手螺旋：左手螺旋：Z 型型DNA湿度和盐类对湿度和盐类对DNA构象的影响构象的影响多核苷酸多核苷酸盐类盐类 相对湿度相对湿度 构象类型构象类型Na+75ANa+92BLi+44CLi+66BT2噬菌体DNANa+60TDNA RNA杂合链Na+3392A天然RNA（逆转录病毒）Na+高达92ANa+43ZNa+高达92ALi+81B天然 DNAPoly(dG-dC)右手螺旋右手螺旋 1）
35、B型型 生理条件下最普遍的形式生理条件下最普遍的形式 2）A型型 RNA双螺旋及双螺旋及DNARNA 杂交链（空间位阻小，有利于转录）杂交链（空间位阻小，有利于转录）3）C型型 线粒体线粒体DNA及一些病毒及一些病毒 4）D型、型、E型型 存在于噬菌体等生物中存在于噬菌体等生物中 3.左手螺旋左手螺旋Z型型DNA 1)发现发现:1979年年 A.Rich等人工合成六聚体等人工合成六聚体 d（CGCGCG）单晶进行）单晶进行X射线射线 衍射分析，数据表明是衍射分析，数据表明是Z型骨架型骨架,左手双螺旋左手双螺旋DNA 2)ZDNA的结构特点的结构特点:每个螺旋由每个螺旋由12个碱基对构成，螺距个
36、碱基对构成，螺距 4.46nm，直径，直径 1.8nm b.脱氧胞苷的碱基取反式构象，脱氧脱氧胞苷的碱基取反式构象，脱氧 鸟苷的碱基是顺式。在鸟苷的碱基是顺式。在ZDNA中中 GC交替而出现顺式和反式构象交替而出现顺式和反式构象 交替。使糖交替。使糖-磷酸的主链的走向呈磷酸的主链的走向呈 “之之”字型，这字型，这 样样Z-DNA主链呈锯主链呈锯 齿状（齿状（Zig-Zag）走向。）走向。c.大沟消失，小沟变深大沟消失，小沟变深 d.体内存在的体内存在的Z-DNA序列特点序列特点:(1)DNA序列必须是嘌呤嘧啶交替排列序列必须是嘌呤嘧啶交替排列 如：如：CGCGCG GCGCGC (2)序列中必
37、须有序列中必须有5-甲基胞嘧啶的存在甲基胞嘧啶的存在 E.与与Z-DNA结合的特殊蛋白质结合的特殊蛋白质FZ-DNA有利于有利于DNA 的负超螺旋的负超螺旋 打开打开G抗抗Z-DNA抗体抗体3）Z-DNA的功能：的功能：基因表达有关基因表达有关 Z-DNA抗体常常紧密地结合在染色抗体常常紧密地结合在染色 体的疏松部位体的疏松部位,增强转录活性的位点。增强转录活性的位点。基因调控基因调控 Hochschild 等报道等报道,一旦发现细菌调控一旦发现细菌调控 蛋白紧密结合于它的调控位点蛋白紧密结合于它的调控位点,就通过就通过 RNA聚合酶来激活相关基因的表达聚合酶来激活相关基因的表达,Z-DNA可
38、能参与识别调控蛋白质。可能参与识别调控蛋白质。基因重组基因重组 Willia等做的黑粉菌实验指出等做的黑粉菌实验指出,Z-DNA 在基因重组中起非常重要的过渡作用在基因重组中起非常重要的过渡作用.在黑粉菌中有一种在黑粉菌中有一种rec1酶能使染色体酶能使染色体 第一次配对后互相交换片段第一次配对后互相交换片段,在配对时在配对时 由由rec1酶使酶使Z-DNA的双链产生的双链产生,并且这并且这 种酶与种酶与Z-DNA亲和力比亲和力比B-DNA高高75 倍倍,Z-DNA与与rec1酶紧密结合是这一酶紧密结合是这一 时期的主要特征时期的主要特征.疾病治疗与新药开发疾病治疗与新药开发 Kim等研究表明
39、等研究表明,一种关键的痘病毒蛋一种关键的痘病毒蛋 白白 E3L蛋白蛋白(已知该蛋白是病毒摧毁动已知该蛋白是病毒摧毁动 物细胞的防御系统所必需的物细胞的防御系统所必需的)是通过是通过 Z-DNA结合、干扰防御系统的运行来结合、干扰防御系统的运行来 行使功能的。行使功能的。E3L 是牛痘的致病蛋白是牛痘的致病蛋白 质之一，通过修饰该蛋白质的活跃位质之一，通过修饰该蛋白质的活跃位 点可以使其丧失功能。点可以使其丧失功能。表表2 右手螺旋与左手螺旋右手螺旋与左手螺旋DNA分子的比较分子的比较_项项 目目 A-DNA B-DNA Z-DNA_螺旋方向螺旋方向 右旋右旋 右旋右旋 左旋左旋每转每转1圈碱基
40、数圈碱基数 11 104 12螺旋直径螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm螺距螺距 2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基平面的倾角碱基平面的倾角 19o l o 9 o大沟大沟 窄，很深窄，很深 宽，较深宽，较深 平平小沟小沟 很宽，浅很宽，浅 窄，较深窄，较深 很窄很窄,深深_4.三螺旋三螺旋DNA（H DNA）三螺旋三螺旋DNA（triple-helical DNA)三链三链DNA（triple strands of DNA)是一条是一条DNA链在链在DNA的大沟与的大沟与DNA 双螺旋中的一条双螺旋中的一条DNA链以氢键相结链以氢键相结 合形成的三股螺旋结构。合形成
41、的三股螺旋结构。1）三螺旋）三螺旋DNA结构：结构：（1）三螺旋三螺旋DNA是在是在DNA双螺旋结构的双螺旋结构的 基础上形成的，三链区的三链均为基础上形成的，三链区的三链均为 同型嘌呤（同型嘌呤（homo purine HPU）或）或 同型嘧啶同型嘧啶(homo pyrimidine HPY）（2）根据三条链组成及相对位置又可分为根据三条链组成及相对位置又可分为 Pu-Pu-Py（偏碱性介质中稳定）（偏碱性介质中稳定）Py-Pu-Py（偏酸性介质中稳定）（偏酸性介质中稳定）（3）链中的碱基配对方式两个碱基符合链中的碱基配对方式两个碱基符合 Watson-Crick碱基配对碱基配对“-”，另个
42、，另个 碱基碱基 按按Hoogsteen模型模型“”即即 T A-T C G-C (第三位上的第三位上的“C”必须质子化必须质子化)A A-T 嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸(a)嘧啶嘧啶-嘌呤嘌呤-嘧啶三螺旋嘧啶三螺旋DNA序列序列(b)三螺旋三螺旋DNA结构示意图结构示意图ab2）生物学意义及应用：生物学意义及应用：(1)三螺旋三螺旋DNA结构常位于结构常位于DNA一些一些 重要的部位。如复制的起始点或终重要的部位。如复制的起始点或终 点，转录的调控区或调节蛋白结合点，转录的调控区或调节蛋白结合 位点以及位点以及DNA重组位点，提示与这重组位点，提示与这 些功能相关。些功能相关。
43、(2)丰富了丰富了DNA结构学说结构学说b.用寡聚用寡聚DNA片段封闭转录因子结合片段封闭转录因子结合 点关闭有害基因活病毒基因。点关闭有害基因活病毒基因。（抗肿瘤，病毒，寄生虫等）（抗肿瘤，病毒，寄生虫等）(3)基因治疗中的应用基因治疗中的应用 a.单链单链DNA片段可携带切割剂（核酸片段可携带切割剂（核酸 内切酶，内切酶，EDTA-Fe等）携带至等）携带至DNA 的特定位点，选择性切断的特定位点，选择性切断DNA。5.四螺旋四螺旋DNA 1)发现在真核染色体末端含有一个发现在真核染色体末端含有一个 富含富含G的单链的单链 DNA 尾巴，它在体内尾巴，它在体内 的超螺旋的超螺旋 应力作用下，
44、可自身回折应力作用下，可自身回折 形成形成 Hoogsteen G-G 碱基对。两个碱基对。两个 DNA 分子或染色体分子可彼此连接分子或染色体分子可彼此连接 起来形成一个局部的四螺旋结构。起来形成一个局部的四螺旋结构。2)四螺旋四螺旋DNA的结构的结构 *四螺旋结构由多个四螺旋结构由多个G-四碱基体形四碱基体形 成右手螺旋，每圈含成右手螺旋，每圈含13个四碱基个四碱基 体体DNA。*在四碱基体中，四条链以对称和反在四碱基体中，四条链以对称和反 对称构象交替存在。对称构象交替存在。3)可能的生物学意义可能的生物学意义 两个两个DNA分子或染色体分子可彼此连分子或染色体分子可彼此连接起来形成一个
45、局部的四螺旋结构接起来形成一个局部的四螺旋结构,这种这种结构可能起着稳定染色体的作用结构可能起着稳定染色体的作用（五）（五）DNA超螺旋结构（三级结构）超螺旋结构（三级结构）1.DNA三级结构就是指双螺旋三级结构就是指双螺旋DNA链链 进一步扭曲、盘旋形成超螺旋结构。进一步扭曲、盘旋形成超螺旋结构。*超螺旋：超螺旋：负超螺旋（负超螺旋（negative supercoil）正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)2.生物体的闭环生物体的闭环DNA都以超螺旋形式都以超螺旋形式 存在存在,如质粒、病毒、线粒体的如质粒、病毒、线粒体的DNA（六）真核生物染色体（六）真核生物染色体DN
46、A 真核生物真核生物DNA分子呈线状，其超螺旋分子呈线状，其超螺旋结构不同于上述环状结构不同于上述环状DNA。它们主要存。它们主要存在于染色体，以在于染色体，以核小体核小体的形式再进一步的形式再进一步盘绕折叠。盘绕折叠。DNA（2nm）核小体链（核小体链（11nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（30nm，每圈，每圈6个核小体个核小体）突环（突环（150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（300nm，6个突环个突环）螺旋圈（螺旋圈（700nm，每圈，每圈30个玫瑰花个玫瑰花）染色体（染色体（1400nm，每个染色体含每个染色体含10个玫瑰花个玫瑰花
47、200bp）真核生物染色体真核生物染色体DNA组装组装DNA的质量、长度和浓度计算方法的质量、长度和浓度计算方法 1.长度长度 0.34 bp =（nm)2.分子质量分子质量 660 bp =（dal)3.浓度浓度 50 OD260nm =g/ml (光径为光径为1cm)(七七)DNA的变性、复性和杂交的变性、复性和杂交 1.变性（变性（denaturation)1）概念）概念 ：当当DNA的二级结构和三级结构受到物理的二级结构和三级结构受到物理化学等因素的破坏而解体，其一级结构核化学等因素的破坏而解体，其一级结构核苷酸间共价键并不断裂，使配对碱基间氢苷酸间共价键并不断裂，使配对碱基间氢键断裂
48、，有序的螺旋解离成无序单链的过键断裂，有序的螺旋解离成无序单链的过程称为变性。程称为变性。*引起变性的因素：引起变性的因素：常见的有加热、酸、碱、乙醇、常见的有加热、酸、碱、乙醇、丙酮、尿素、甲酰胺等作用，丙酮、尿素、甲酰胺等作用，2)变性过程中变性过程中DNA物化性质发生改变物化性质发生改变 增色效应增色效应(hyperchromic effect)浮力密度浮力密度 黏度黏度 旋光度变小旋光度变小 沉淀速度沉淀速度 3）DNA的熔解曲线的熔解曲线(melting curve)熔解温度（熔解温度（melting temperature,Tm）通常将通常将 50%DNA 分子变性时的温度分子变性
49、时的温度 称为熔解温度。称为熔解温度。*一般一般DNA在生理条件下在生理条件下 Tm 在在 85-95oC之间之间 DNA的熔解曲线的熔解曲线 (2)影响影响Tm的因素的因素 .DNA的碱基组成的碱基组成 （GC）Tm （GC）每增加）每增加1,Tm线性增加线性增加0.41 （GC）为）为40，Tm为为87 （GC）为）为60，Tm为为95.介质中的离子强度介质中的离子强度 盐浓度盐浓度Tm,变性过程跨越的温变性过程跨越的温 度范围更狭窄度范围更狭窄,如单价离子浓度增如单价离子浓度增 加加10倍倍,Tm增加约增加约16.6 .变性剂变性剂 50甲酰胺可使甲酰胺可使Tm降低降低30.DNA的均一
50、性的均一性离子强度对离子强度对Tm的影响的影响 2.复性复性(renaturation)(1)概念：概念：变性的两条变性的两条DNA单链在合适条件下，单链在合适条件下，可按原来的碱基配对再结合在一起，形可按原来的碱基配对再结合在一起，形成双螺旋结构。成双螺旋结构。*退火（退火（annealing）:加热变性的加热变性的DNA分子在温度缓慢分子在温度缓慢 降低时可恢复到原来正常降低时可恢复到原来正常DNA的结的结 构构,这个复性过程又称这个复性过程又称“退火退火”图图3-26 DNA热变性过程的两种冷却过程示意图热变性过程的两种冷却过程示意图(2)影响影响DNA复性因素复性因素 1）DNA序列序
