第三章 遗传的分子基础 普通遗传学 长江大学

本章主要内容  一. DNA 是主要的遗传物质  二. DNA 的分子组成与结构  三. DNA 分子的变性  四. DNA 分子的复性  五. DNA 与染色质

普通遗传学 长江大学 第一节 DNA 是主要的遗传物质

普通遗传学 长江大学 Why is DNA the genetic material? ( 一 ) 细菌的转化 ： 1928 ， Griffith ， F ． 肺炎双球菌感染家鼠试验 (Pneumococcus) 无致病力 转化源 有致病力

普通遗传学 长江大学 1944 年 ， Avery 等从 S 菌中提取的 DNA 与 R 菌混合后 ， R → S ，且转化率与 DNA 纯度呈正相关 ， 若将 DNA 预先 用 DNA 酶降解，转化就不发生。  结论是 : S 型菌的 DNA 将其遗传特性传给了 R 型菌 ， DNA 是遗传物质 。 Diplococcum pneumonice DNA as genetic material 1944 Avery O.T. (Canada) Bachelor

普通遗传学 长江大学 ( 二 ) 噬菌体的侵染与繁殖  1952 ，赫尔希 (Hershey, A. D.) 等用 32 P 和 35 S 分别标记 T 2 噬菌体的 DNA 与蛋白质，感染大肠杆菌。 35S35S 32 P DNA

普通遗传学 长江大学 DNA is a main genetic material RNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV) ▲ 1952 Hershey lambdar phage cycle RII DNA SIII ▲ 1928 Griffith ▲ 1944 Avery O.T

普通遗传学 长江大学  DNA 作为遗传物质的优点 ( 自然选择的优势 )  具有自我复制的能力 ★ 储存遗传信息量大 1kb DNA 序列 种遗传信息 ★ 核糖的 2’ – OH 脱氧在水溶液中的稳定性高于 RNA ★ 可以突变 方便修复 以求不断进化 以求稳定遗传 ★ A/T, C/G 互补双螺旋结构复制, 转录 遗传稳定

普通遗传学 长江大学 第二节 DNA 的分子组成与结构  DNA (deoxyribonucleic acid) Nucleotide (Nt ) ——basic unit Mono-phosphate (Mp) Nucleoside (Ns) Deoxy-ribose ( Ribose )Base Purin (pu) Pyrimidine (py) (A) (T)/ (U) (G) (C)

普通遗传学 长江大学   DNA 与 RNA 的区别 Ribose Base ： A 、 G 、 C 、 T/U D.S. & S.S. ： DNA 多为双链 Numbers & length ： DNA 链较长 Stability ： DNA ＞ RNA

普通遗传学 长江大学 脱氧 核糖 碱基 磷酸 Nucleotide (Nt) 一、 DNA 分子基本单位 —— 核苷酸

普通遗传学 长江大学 戊 糖戊 糖

碱基 嘌呤（ Pu ） : A 、 G 碱基 嘌呤（ Pu ） : A 、 G 嘧啶（ Py ） : C 、 T 嘧啶（ Py ） : C 、 T Purines Pyrimidines

普通遗传学 长江大学  核苷的构象 ( conformation of nucleoside ) χ = C4-N9-C1’-O4’ purin pyimidine χ = C2-N1-C1’-O4’ 0 o

普通遗传学 长江大学 二、 DNA 的一级结构  核酸链的简写式 5 ’ p ＡＣＴＴＧＡＡＣＧ 3 ’

普通遗传学 长江大学 1 、 DNA 双螺旋结构模型 (DNA Double Helix Model) Chargaff A + G / T + C = 1 A+ G = T + C Alexander Todd Nt~~Nt ~~Nt~~Nt~~Nt Rich AT form & rich GC form 3’, 5’ phosphodiester bond 三、 DNA 的二级结构

普通遗传学 长江大学 phosphodiester bond

普通遗传学 长江大学 M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin X~ray photograph of DNA with high quality King’s Lab. UK

普通遗传学 长江大学 DNA 的双螺旋结构 （ 1953 ～ 2003 ） J.D.WatsonF.H.C.Crick  核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用

普通遗传学 长江大学 2 、 DNA 双螺旋的结构特点 Right handed B-form DNA Double helix Model 1. 主链：两条长链反向平行 螺旋而成螺旋直径为 2nm 2. 碱基对 3. 螺距：为 3.4 nm 4. 大沟、小沟

普通遗传学 长江大学 单链核苷酸链间按 A 、 T 、 C 、 G 配对 以氢键方式连接成双链分子

普通遗传学 长江大学 Right handed B-form DNA Double helix Model 每一单链具有 5 ‘ 3 ’ 极性 两条单链间以氢键连接 两条单链，极性相反， 反向平行 以中心为轴 ， 向右盘旋 (B-form) 双 螺 旋 中 存 在 大 沟 (2. 2nm) 小 沟 (1. 2nm)

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碱基顶部基团裸露在 DNA 大沟内 蛋白质因子与 DNA 的特异结合依赖于 氨基酸与 DNA 间的氢键的形成 蛋白质因子沿大沟与 DNA 形成专一性 结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 大沟的空间更有利于与蛋白质的结合 DNA 双螺旋中的大沟与小沟

普通遗传学 长江大学 3. 影响双螺旋结构稳定性的因素 碱基堆积的棒状实体  氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol) 消除 DNA 单链上磷酸基团间的静电斥力 弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列 ( 线性, 方向 ) 磷酸酯键 (phosphoester bond 80~90 kc / mol) 0.2 mol / L Na + 生理盐条件 强键, 需酶促解链

普通遗传学 长江大学 碱基堆积力 ( 非特异性结合力 ) 3.4A° ☆ 磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 ☆ Van de waals force (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径 ) ( 0.34 nm/ 碱基对间距 ) ☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成 串结合的趋势力即为熵 Entrophy (ΔS)

普通遗传学 长江大学 磷酸基团间的静电斥力

普通遗传学 长江大学 DNA 二级结构的多态性 Z-DNA A-DNAB-DNA

普通遗传学 长江大学 B-DNA B-DNA 右手双股螺旋，细胞内 最稳定、最常见的构象 A-DNA A-DNA 右手双股螺旋，存在于脱水 DNA ， DNA-RNA 杂交分子

普通遗传学 长江大学 Z-DNA Z-DNA 左 手 双 股 螺 旋 与基因的表达调控有关

普通遗传学 长江大学 三链螺旋结构  B-DNA 的大沟处，一条 DNA 链 与 DNA 双螺旋结构中的一条链结 合而成； B-DNA 与其自身的一条链结 合形成分子内三链 DNA ； B-DNA 中与第三链相结合的 这条链必需含有一段连续的嘌呤 核苷酸序列，为核心链。 稳定性较差

普通遗传学 长江大学 四链 DNA  G －四联体（ G-quarter ） 为基本单位，即四个鸟嘌呤 在一个正方形平面内以氢键 环形连接而成。 位于染色体末端，可能起 着稳定染色体，参与端粒 DNA 的复制等功能。

普通遗传学 长江大学 DNA 的超螺旋结构 某种因素的影响下，正常 B-DNA 分子双螺旋额外少转或 多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于 10 ， DNA 分子双 螺旋空间改变，分子内产生额外张力。 DNA 分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构（ supercoil ） 负向超螺旋、正向超螺旋

普通遗传学 长江大学 DNA 的超螺旋结构 (supercoiling)

普通遗传学 长江大学  超螺旋结构的生物学意义 反映 DNA 结构的多样性，介导 DNA 结构的 变化， 为其功能发挥提供条件； DNA 复制、重组，以及基因的表达调控； 使 DNA 形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。

普通遗传学 长江大学 ● D.S. DNA S.S. DNA ( 加温, 极端 pH, 尿素, 酰胺 ) 第三节 DNA 分子变性 ( DNA denaturation ) ● DNA 变性 ： 天然的有规则的双链 DNA 分子 ， 在被加热 或某些试剂的作用下 ， 氢键和碱基间堆积力受到破坏 ， 逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解 。

普通遗传学 长江大学 ☆变性过程的表现： S.S. DNA 粘度降低 DNA 热变性过程 电子显微镜下的 DNA 分 子的部分变性

普通遗传学 长江大学 D.S DNA S.S DNA 粘度降低 ？ 溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力 高分子溶液 > 普通溶液 线状分子 > 不规则线团 > 球形分子 D.S. DNA 钢性较强，结构较为舒展的 Double helix S.S. DNA 没有氢键的支撑 由螺旋结构向折叠和线团结构转变 D.S DNA S.S DNA 粘度降低

普通遗传学 长江大学 变性过程的表现 ☆ S.S.DNA 沉降速度加快 ☆ S.S.DNA 分子的 A 260 nm UV 值上升 ☆增色效应 ( Hyperchromicity ) ： 指由 DNA 变性而引起的光吸收值的增加。

普通遗传学 长江大学 ● 影响 Tm 值的因素 1 、 DNA 分子的碱基组成 ☆ GC% 含量相同的情况下 GC% 愈高 → Tm 值愈大 ， GC% 愈低 → Tm 值愈小 AT 形成变性核心，变性加快， Tm 值小 熔解温度 （ Tm ）： 50 ％的 DNA 双螺旋结构被破坏 的温度 ， 一般在 85 － 95 ℃。

普通遗传学 长江大学 ☆ 大片段 D.S. DNA 分子之间比较 片段长短对 Tm 值的影响较小, 与组成和排列相关 ☆ 小于 100bp 的 D.S DNA 分子比较 片段愈短， 变性愈快， Tm 值愈小 3 、 变性液中含有尿素，酰胺等 尿素，酰胺与碱基间形成氢键 改变碱基对间的氢键 Tm 值 可降至 40 ℃左右 2 、 DNA 分子的长度

普通遗传学 长江大学 4 、 DNA 溶液的离子强度 （盐浓度的影响） 单链 DNA 主链的磷酸基团 负电荷的静电斥力 两条单链 DNA 的分离 Na + 在磷酸基团周围形成的电子云 对静电斥力产生屏蔽作用 减弱静电斥力

普通遗传学 长江大学 pH ~ 12 酮基 → 烯醇基 pH ~ 2-3 NH 2 → NH 2 + ( 质子化 ) 改变氢键的形成与结合力 5 、 pH 值（ 极端 pH 条件的影响 ） 一切减弱氢键、碱基堆积力的因素 均将使 Tm 值降低

普通遗传学 长江大学 D.S DNAS.S DNA Denaturation ▲ ▼ Renaturation 复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞 ( Depends on the collision of complementary S.S. DNA ) 第四节 DNA 分子的复性 (anneal or renaturation)  DNA 复性 ： 变性的单链 DNA 在一定的条件下又恢复 为原天然双链 DNA 的过程，也叫退火。

普通遗传学 长江大学  影响 DNA 复性过程的因素 ： 1 、 阳离子浓度（盐浓度） 0.18 ~ 0.2M Na + 可消除 polydNt 间的静电斥力 2 、复性反应的温度 Tm -25 ℃ ( ℃ ) 以消除 S.S. DNA 分子内的部分二级结构（氢键） 3 、 S.S. DNA 分子的长度 S.S. DNA 愈长 S.S. DNA 愈短 → 分子扩散愈慢 → 复性愈慢 → 分子扩散愈快 → 复性愈快

普通遗传学 长江大学  影响 DNA 复性过程的因素 ： 5 、 DNA 分子中, dNt 的排列状况 ( 随机排列, 重复排列 ) 4 、 S.S, DNA 的初始浓度 C 0

普通遗传学 长江大学 3’-ATCTATGCTGTCAT-5’ 5‘-TAGATACGACAGTA-3’ 3’-ATCTATGCTGTCAT-5’ 3’-ATATATATATAT-5’ 5‘-TATATATATATA-3’ 3’-ATATATATATAT-5’ 5‘-TATATATATATA-3’ 3’-ATATATATATAT-5’ 5‘-TATATATATATA-3’

普通遗传学 长江大学  复性的过程 单链 DNA 彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行 碱基配对，产生短的双螺旋区； 双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链 DNA 分子； DNA 复性服从化学动力学的二级反应

普通遗传学 长江大学 六、 DNA 的分子杂交（ hybridization ）  DNA 的分子杂交： 不同来源的 DNA 变性后，混合一起，含有碱基互补 配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。 dot bloting  杂交方法： Southern 杂交、 Northern 杂交、 dot bloting  作用： 基因鉴定 鉴别 识别亲缘关系远近

普通遗传学 长江大学 Southern 杂交（ Southern （ 1975 ）建立 ） 将 DNA 固定在滤膜上，用标记好的同位素 DNA 探针 与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别 特异序列。

普通遗传学 长江大学  Northern 分子杂交 与 Southern 分子杂交相对应； 将 RNA 固定在滤膜上 ，用 DNA 探针与之杂交。

普通遗传学 长江大学 斑点杂交（ dot bloting ） 斑点杂交（ dot bloting ） 将 DNA 样品变性后直接点滴到滤膜上， 烘烤固定， 再与标记好的探针进行杂交。 将 DNA 样品变性后直接点滴到滤膜上， 烘烤固定， 再与标记好的探针进行杂交。

普通遗传学 长江大学 DNA 芯片、 DNA 微阵列 DNA chip ， DNA microarray

普通遗传学 长江大学 DNA chip DNA chip

普通遗传学 长江大学 第五节 DNA 与染色质 Histone octamer

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DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 压缩 7 倍 压缩 6 倍 压缩 40 倍 压缩 5 倍 共计压缩 8400 倍

普通遗传学 长江大学 chromatin DNA double helix histone DNA核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 压缩 7 倍 压缩 6 倍 压缩 40 倍 压缩 5 倍 共计压缩 8400 倍

普通遗传学 长江大学  DNA 是主要的遗传物质  DNA 的基本组成成分  DNA 的一级和二级结构  DNA 在体内稳定存在的因素  DNA 的变性和复性，核酸分子杂交  DNA 双螺旋分子到染色质的组装 Summary