脫氧核糖核酸

脫氧核糖核酸

脫氧核糖核酸(英語:Deoxyribonucleic acid,縮寫為DNA)又稱去氧核糖核酸,是一種分子,雙鏈結構,由脫氧核糖核苷酸(成分為:脫氧核糖及四種含氮鹼基)組成。可組成遺傳指令,引導生物發育與生命機能運作。

主要功能是長期性的資訊儲存,可比喻為"藍圖"或"食譜"。其中包含的指令,是建構細胞內其他的化合物,如蛋白質與RNA所需。

帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因,其他的DNA序列,有些直接以自身構造發揮作用,有些則參與調控遺傳訊息的表現。

組成簡單生命最少要265到350個基因 。

  • 中文名稱
    脫氧核糖核酸
  • 外文名稱
    Deoxyribonucleic acid
  • 簡稱
    DNA
  • 分子結構
    雙螺旋結構
  • 與基因的關系
    基因是有效遺傳的DNA片段
  • 復製方式
    半保留復製

​基本簡介

脫氧核糖核酸(DNA,為英文Deoxyribonucleic acid的縮寫),又稱去氧核糖核酸,是脫氧核糖核酸染色體的主要化學成分,同時也是組成基因的材料。有時也被稱為“遺傳微粒”,原因是在繁殖過程中,父代會把它們自己DNA的一部分復製傳遞到子代中,從而完成性狀的傳播。

脫氧核糖核酸 DNADNA DNADNA DNADNA

DNA的結構: DNA的結構一般可劃分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構四個水準。

DNA[1]是一種長鏈聚合物,組成單位為四種脫氧核苷酸,即腺嘌呤脫氧核苷酸(dAMP 脫氧腺苷)、胸腺嘧啶脫氧核苷酸(dTMP 脫氧胸苷)、胞嘧啶脫氧核苷酸(dCMP 脫氧胞苷)、鳥嘌呤脫氧核苷酸(dGMP 脫氧鳥苷)。而脫氧核糖(五碳糖)與磷酸分子借由酯鍵相連,組成其長鏈骨架,排列在外側,四種鹼基排列在內側。每個糖分子都與四種鹼基裏的其中一種相連,這些鹼基沿著DNA長鏈所排列而成的序列,可組成遺傳密碼,指導蛋白質的合成。讀取密碼的過程稱為轉錄,是以DNA雙鏈中的一條單鏈為模板轉錄出一段稱為mRNA(信使RNA)的核酸分子。

脫氧核糖核酸

多數RNA帶有合成蛋白質的訊息,另有一些本身就擁有特殊功能,例如rRNA、snRNA與siRNA。在細胞內,DNA能與蛋白質結合形成染色體,整組染色體則統稱為染色體組。對于人類而言,正常的體細中含有46條染色體。染色體在細胞分裂之前會先在分裂間期完成復製,細胞分裂間期又可劃分為:G1期-DNA合成前期、S期-DNA合成期、G2-DNA合成後期。對于真核生物,如動物、植物及真菌而言,染色體主要存在于細胞核內;而對于原核生物,如細菌而言,則主要存在于細胞質中的擬核內。染色體上的染色質蛋白,如組織蛋白,能夠將DNA進行組織並壓縮,以幫助DNA與其他蛋白質進行互動作用,進而調節基因的轉錄。

物理性質

DNADNA

DNA是高分子聚合物,DNA溶液為高分子溶液,具有很高的粘度,可被甲基綠染成綠色。DNA對紫外線(260nm)有吸收作用,利用這一特徵,可以對DNA進行含量測定。當核酸變性時,吸光度升高,稱為增色效應;當變性核酸重新復性時,吸光度又會恢復到原來的水準。較高溫度、有機溶劑、酸鹼試劑、尿素、酰胺等都可以引起DNA分子變性,即DNA雙鏈鹼基間的氫鍵斷裂,雙螺旋結構解開—也稱為DNA的解螺旋。

脫氧核糖核酸

分子結構

DNA是由許多脫氧核苷酸按一定鹼基順序彼此用3’,5’-磷酸二酯鍵相連構成的長鏈。大多數DNA含有兩條這樣的長鏈,也有的DNA為單鏈,如大腸桿菌噬菌體φX174、G4、M13等。DNA有環形DNA和鏈狀DNA之分。在某些類型的DNA中,5-甲基胞嘧啶可在一定限度內取代胞嘧啶,其中小麥胚DNA的5-甲基胞嘧啶特別豐富。在某些噬菌體中,5-羥甲基胞嘧啶取代了胞嘧啶。40年代後期,查加夫(E.Chargaff)發現不同物種DNA的鹼基組成不同,但其中的腺嘌呤數等于其胸腺嘧啶數(A=T),鳥嘌呤數等于胞嘧啶數(G=C),因而嘌呤數之和等于嘧啶數之和,一般用幾個層次描繪DNA的結構。

脫氧核糖核酸

一級結構

是指構成核酸的四種基本組成單位——脫氧核糖核苷酸(核苷酸),通過3',5'-磷酸二酯鍵彼此連線起來的線形多聚體,以及起基本單位-脫氧核糖核苷酸的排列順序。一級結構每一種脫氧核糖核苷酸由三個部分所組成:一分子含氮鹼基+一分子五碳糖(脫氧核糖)+一分子磷酸根。核酸的含氮鹼基又可分為四類:腺嘌呤(adenine,縮寫為A),胸腺嘧啶(thymine,縮寫為T),胞嘧啶(cytosine,縮寫為C)和鳥嘌呤(guanine,縮寫為G)。DNA的四種含氮鹼基組成具有物種特異性。即四種含氮鹼基的比例在同物種不同個體間是一致的,但在不同物種間則有差異。DNA的四種含氮鹼基比例具有奇特的規律性,每一種生物體DNA中 A=T ,C=G 查加夫(Chargaff)法則(即鹼基互補配對原則)。

脫氧核糖核酸

二級結構

二級結構是指兩條脫氧多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙螺旋結構。DNA的二級結構分為兩大類:一類是右手螺旋,如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等;另一類是左手雙螺旋,如Z-DNA。詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克裏克所發現的雙螺旋,是稱為B型的水結合型DNA,在細胞中最為常見(如圖)。也有的DNA為單鏈,一般見于原核生物,如大腸桿菌噬菌體φX174、G4、M13等。有的DNA為環形,有的DNA為線形。在鹼A與T之間可以形成兩個氫鍵,G與C之間可以形成三個氫鍵,使兩條多聚脫氧核苷酸形 成互補的雙鏈,由于組成鹼基對的兩個鹼基的分布不在一個平面上,氫鍵使鹼基對沿長軸旋轉一定角度,使鹼基的形狀像螺旋槳葉片的樣子,整個DNA分子形成雙螺旋纏繞狀。鹼基對之間的距離是0.34nm,10個鹼基對轉一周,故旋轉一周(螺距)是3.4nm,這是β-DNA的結構,在生物體內自然生成的DNA幾乎都是以β-DNA結構存在。

脫氧核糖核酸

三級結構

是指DNA中單鏈與雙鏈、雙鏈之間的相互作用形成的三鏈或四鏈結構。如H-DNA或R-環等三級結構。DNA的三級結構是指DNA進一步扭曲盤繞所形成的特定空間三級結構,也稱為超螺旋結構。DNA的超螺旋結構可分為正、負超螺旋兩大類,並可互相轉變。超螺旋是克服張力而形成的。當DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構象自由存在時,雙螺旋處于能量最低狀態此為松弛態。如果使這種正常的DNA分子額外地多轉幾圈或少轉幾圈,就是雙螺旋產生張力,如果DNA分子兩端是開放的,這種張力可通過鏈的轉動而釋放出來,DNA就恢復到正常的雙螺旋狀態。但如果DNA分子兩端是固定的,或者是環狀分子,這種張力就不能通過鏈的旋轉釋放掉,隻能使DNA分子本身發生扭曲,以此抵消張力,這就形成超螺旋,是雙螺旋的螺旋。

四級結構

核酸以反式作用存在(如核糖體、剪接體),這可看作是核酸的四級水準的結構。

拓撲結構

也是DNA存在的一種形式。DNA的拓撲結構是指在DNA雙螺旋的基礎上,進一步扭曲所形成的特定空間結構。超螺旋結構是拓撲結構的主要形式,它可以分為正超螺旋和負超螺旋兩類,在相應條件下,它們可以相互轉變。

結構特點

DNA的結構一般劃分為一級結構、二級結構、三級結構、四級結構四個階段。

分布功能

原核細胞的遺傳物質是一個長DNA分子,但是原核細胞沒有真正的細胞核。真核細胞核中有不止一個染色體,每個染色體也隻含一個DNA分子。不過它們一般都比原核細胞中的DNA分子大而且和蛋白質結合在一起。DNA分子的功能是貯存決定物種的所有蛋白質和RNA結構的全部遺傳信息;策劃生物有次序地合成細胞和組織組分的時間和空間;確定生物生命周期自始至終的活性和確定生物的個性。除染色體DNA外,有極少量結構不同的DNA存在于真核細胞的線粒體和葉綠體中。DNA病毒的遺傳物質也是DNA。

復製方式

在雙螺旋的DNA中,分子鏈是由互補的核苷酸配對組成的,兩條鏈依靠氫鏈結合在一起。由于氫鏈鏈數的限製,DNA的鹼基排列配對方式隻能是A對T(由兩個氫鍵相連)或C對G(由三個氫鏈相連)。因此,一條鏈的鹼基序列就可以決定了另一條的鹼基序列,因為每一條鏈的鹼基對和另一條鏈的鹼基對都必須是互補的。在DNA復製時也是採用這種互補配對的原則進行的:當DNA雙螺旋被展開時,每一條鏈都用作一個模板,通過互補的原則補齊另外的一條鏈,即半保留復製。

分子鏈的開頭部分稱為3'端而結尾部分稱為5'端,這些數位表示脫氧核糖中的碳原子編號。

主要類別

單鏈DNA

單鏈DNA(single-stranded DNA)大部分DNA以雙螺旋結構存在,但一經熱或鹼處理就會變為單鏈狀態。單鏈DNA就是指以這種狀態存在的DNA。單鏈DNA在分子流體力學性質、吸收光譜、鹼基反應性質等方面都和雙鏈DNA不同。某些噬菌體粒子內含有單鏈環狀的DNA,這樣的噬菌體DNA在細胞內增殖時則形成雙鏈DNA。

閉環DNA

閉環DNA(closed circular DNA)沒有斷口的雙鏈環狀DNA,亦稱為超螺旋DNA。由于具有螺旋結構的雙鏈各自閉合,結果使整個DNA分子進一步旋曲而形成三級結構。另外如果一條或二條鏈的不同部位上產生一個斷口,就會成為無旋曲的開環DNA分子。從細胞中提取出來的質粒或病毒DNA都含有閉環和開環這二種分子。可根據兩者與色素結合能力的不同,而將兩者分離開來。

連線DNA

連線DNA (Linker DNA):核小體中除146bp核心DNA 外的所有DNA。

模板DNA

模板DNA可以是單鏈分子,也可以是雙鏈分子,可以是線狀分子,也可以是環狀分子(線狀分子比環狀分子的擴增效果稍好).就模板DNA而言,影響PCR的主要因素是模板的數量和純度。

互補DNA

互補DNA(cDNA,complementary DNA)構成基因的雙鏈DNA分子用一條單鏈作為模板,轉錄產生與其序列互補的信使RNA分子,然後在反轉錄酶的作用下,以mRNA分子為模板,合成一條與mRNA序列互補的單鏈DNA,最後再以單鏈DNA為模板合成另一條與其互補的單鏈DNA,兩條互補的單鏈DNA分子組成一個雙鏈cDNA分子.因此,雙鏈cDNA分子的序列同轉錄產生的mRNA分子的基因是相同的.所以一個cDNA分子就代表一個基因.但是cDNA仍不同于基因,因為基因在轉錄產生mRNA時,一些不編碼的序列即內含子被移除了,保留的隻是編碼序列,即外顯子.所以cDNA序列都比基因序列要短得多,因為cDNA中不包括基因的非編碼序列---內含子。

技術發展

早期

DNA是1944年由美國人埃弗裏發現的;1953年克裏克教授繪製出DNA的雙螺旋線結構圖;1985年萊斯特大學的亞歷克·傑弗裏斯教授又發明利用DNA對人體進行鑒別的辦法;DNA自1988年起開始套用在司法方面;1994年7月29日,法國法律規定了使用基因標記的條件。

另外詹姆斯·沃森也有貢獻20世紀40年代末和50年代初,在DNA被確認為遺傳物質之後,生物學家們不得不面臨著一個難題:DNA應該有什麽樣的結構,才能擔當遺傳的重任?它必須能夠攜帶遺傳信息,能夠自我復製傳遞遺傳信息,能夠讓遺傳信息得到表達以控製細胞活動,並且能夠突變並保留突變。這4點,缺一不可,如何建構一個DNA分子模型解釋這一切?

根據科學分析,每一個人擁有400萬億個細胞(皮膚、肌肉、神經等),人體細胞除了紅血球外都擁有一個由46種染色體組成的細胞核,染色體本身又由DNA染色體絲構成,這種染色體絲在所有細胞中都是相同的。DNA由被稱作A(adenine)、T(thymine)、G(guanine)和C(cytosine)的核酸組成,正是它們構成我們人體的基因。根據DNA可以斷定兩代人之間的親緣關系,因為一個孩子總是分別從父親和母親身上接受一半基因物質的。科學家們還把DNA研究的目標放在確定導致人們生病的基因起源方面,以便將來更好地認識、治療和預防危害人類健康的各種疾病。

DNA的可信度如何呢?兩個人的染色體是否會相似?根據科學試驗,這種可能性隻有千萬分之一。然而,在所有過程中出現差錯將是可能的,這主要是在提取和化驗標本的時候,標本也可能受到另一個人DNA的污染。為了保證DNA的可靠性,必須在提取標本和化驗分析時嚴格把關。不僅可以避免可能的錯誤,而且大大加快了DNA檢查的速度。

垃圾DNA

一項針對基因組進行的廣泛比較研究顯示,問題的答案可能就隱藏在生物的垃圾脫氧核糖核酸(DNA)中。美國科學家發現,生物越復雜,其攜帶的垃圾DNA就越多,而恰恰是這些沒有編碼的“無用”DNA幫助高等生物進化出了復雜的機體。

自從第一個真核生物——包括從酵母到人類的有細胞核的生物——的基因組被破譯以來,科學家一直想知道,為什麽生物的大多數DNA並沒有形成有用的基因。從突變保護到染色體的結構支撐,對于這種所謂的垃圾DNA的可能解釋有許多種。但是2004年從人類、小鼠和大鼠身上得到的完全一致的關于垃圾DNA的研究結果卻表明,在這一區域中可能包含有重要的調節機製,從而能夠控製基礎的生物化學反應和發育進程,這將幫助生物進化出更為復雜的機體。與簡單的真核生物相比,復雜生物有更多的基因不會發生突變的事實無疑極大地強化了這一發現。

為了對這一問題有更深的了解,由美國加利福尼亞大學聖塔克魯斯分校(UCSC)的計算生物學家David Haussler領導的一個研究小組,對5種脊椎動物——人、小鼠、大鼠、雞和河豚——的垃圾DNA序列與4種昆蟲、兩種蠕蟲和7種酵母的垃圾DNA序列進行了比較。研究人員從對比結果中得到了一個驚人的模式:生物越復雜,垃圾DNA似乎就越重要。

這其中暗含的可能性在于,如果不同種類的生物具有相同的DNA,那麽這些DNA必定是用來解決一些關鍵性的問題的。酵母與脊椎動物共享了一定數量的DNA,畢竟它們都需要製造蛋白質,但是隻有15%的共有DNA與基因無關。研究小組在2005年7月14日的《基因組研究》雜志網路版上報告說,他們將酵母與更為復雜的蠕蟲進行了比較,後者是一種多細胞生物,發現有40%的共有DNA沒有被編碼。隨後,研究人員又將脊椎動物與昆蟲進行了對比,這些生物比蠕蟲更為復雜,結果發現,有超過66%的共有DNA包含有沒有編碼的DNA。

參與該項研究工作的UCSC計算生物學家Adam Siepel指出,有關蠕蟲的研究結果需要慎重對待,這是由于科學家僅僅對其中的兩個基因組進行了分析。盡管如此,Siepel還是認為,這一發現有力地支持了這樣一種理論,即脊椎動物和昆蟲的生物復雜性的增加主要是由于基因調節的精細模式。

DNA探針

DNA探針是最常用的核酸探針,指長度在幾百鹼基對以上的雙鏈DNA或單鏈DNA探針。現已獲得DNA探針數量很多,有細菌、病毒、原蟲、真菌、動物和人類細胞DNA探針。這類探針多為某一基因的全部或部分序列,或某一非編碼序列。這些DNA片段須是特異的,如細菌的毒力因子基因探針和人類Alu探針。這些DNA探針的獲得有賴于分子克隆技術的發展和套用。以細菌為例,加之分子雜交技術的高敏感性,分子雜交在臨床微生物診斷上具有廣闊的前景。

細菌的基因組大小約5×106bp,約含3000個基因。各種細菌之間絕大部分DNA是相同的,要獲得某細菌特異的核酸探針,通常要採取建立細菌基因組DNA文庫的辦法,即將細菌DNA切成小片段後分別克隆得到包含基因組的全信息的克隆庫。然後用多種其它菌種的DNA作探針來篩選,產生雜交信號的克隆被剔除,最後剩下的不與任何其它細菌雜交的克隆則可能含有該細菌特異性DNA片段。將此重組質粒標記後作探針進一步鑒定,亦可經DNA序列分析鑒定其基因來源和功能。因此要得到一種特異性DNA探針,常常是比較繁瑣的。探針DNA克隆的篩選也可採用血清學方法,所不同的是所建DNA文庫為可表達性,克隆菌落或噬斑經裂解後釋放出表達抗原,然後用來源細菌的多克隆抗血清篩選陽性克隆,所得到多個陽性克隆再經其它細菌的抗血清篩選,最後隻與本細菌抗血清反應的表達克隆即含有此細菌的特異性基因片段,它所編碼的蛋白是該菌種所特有的。用這種表達文庫篩選得到的顯然隻是特定基因探針。

DNA修復

DNA修復(DNA repairing)是細胞對DNA受損傷後的一種反應,這種反應可能使DNA結構恢復原樣,重新能執行它原來的功能;但有時並非能完全消除DNA的損傷,隻是使細胞能夠耐受這DNA的損傷而能繼續生存。也許這未能完全修復而存留下來的損傷會在適合的條件下顯示出來(如細胞的癌變等),但如果細胞不具備這修復功能,就無法對付經常在發生的DNA損傷事件,就不能生存。所以研究DNA修復也是探索生命的一個重要方面,而且與軍事醫學、腫瘤學等密切相關。對不同的DNA損傷,細胞可以有不同的修復反應。

DNA復製

DNA復製是指DNA雙鏈在細胞分裂以前進行的復製過程,復製的結果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈(如果復製過程正常的話),每條雙鏈都與原來的雙鏈一樣。這個過程是通過名為半保留復製的機製來得以順利完成的。復製可以分為以下幾個階段:

起始階段:解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈,引物酶辨認起始位點,以解開的一段DNA為模板,按照5'到3'方向合成RNA短鏈。形成RNA引物。

DNA片段的生成:在引物提供了3'-OH末端的基礎上,DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行復製過程,由于復製過程隻能由5'->3'方向合成,因此一條鏈能夠連續合成,另一條鏈分段合成,其中每一段短鏈成為岡崎片段(Okazaki fragments)。

RNA引物的水解:當DNA合成一定長度後,DNA聚合酶水解RNA引物,補填缺口。

DNA連線酶將DNA片段連線起來,形成完整的DNA分子。

最後DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

DNA重組

重組DNA是一種人工合成的脫氧核糖核酸。它是把一般不同時出現的DNA序列組合到一起而產生的。從遺傳工程的觀點來看重組DNA是把相關的DNA增加到已有生物的基因組中,比如細菌的質粒中,其目的是為了改變或者增加特別是的特徵,比如免疫。重組DNA與遺傳重組不是一回事。它不是重組細胞內或者染色體上已經存在的基因組,而完全是通過外部工程達到的。重組蛋白質是從重組DNA合成出來的蛋白質。

重組DNA技術是1973年由斯坦利·諾曼·科恩和赫伯特·玻意爾設計的。1974年他們發表了他們的設計。在這篇論文中他們描述了分離和放大基因或者DNA片段,然後精確地把它們插入其它細胞中,由此製造出轉基因細菌。沃納·亞伯、丹尼爾·那森斯和漢彌爾頓·史密斯發明了限製酶才使得重組DNA技術可行,為此他們獲得了1978年諾貝爾醫學獎。

DNA作用與價值

20世紀50年代,DNA雙螺旋結構被闡明,揭開了生命科學的新篇章,開創了科學技術的新時代。隨後,遺傳的分子機理――DNA復製、遺傳密碼、遺傳信息傳遞的中心法則、作為遺傳的基本單位和細胞工程藍圖的基因以及基因表達的調控相繼被認識。至此,人們已完全認識到掌握所有生物命運的東西就是DNA和它所包含的基因,生物的進化過程和生命過程的不同,就是因為DNA和基因運作軌跡不同所致。

知道DNA的重大作用和價值後,生命科學家首先想到能否在某些與人類利益密切相關的方面打破自然遺傳的鐵律,讓患病者的基因改邪歸正以達治病目的,把不同來源的基因片段進行“嫁接”以產生新品種和新品質……于是,一個充滿了誘惑力的科學幻想奇跡般地成為現實。這是發生在20世紀70年代初的事情。

實現這一科學奇跡的科技手段就是DNA重組技術。1972年,美國科學家保羅.伯格首次成功地重組了世界上第一批DNA分子,標志著DNA重組技術――基因工程作為現代生物工程的基礎,成為現代生物技術和生命科學的基礎與核心。

DNA重組技術的具體內容就是採用人工手段將不同來源的含某種特定基因的DNA片段進行重組,以達到改變生物基因類型和獲得特定基因產物的目的的一種高科學技術。

到了20世紀70年代中後期,由于出現了工程菌以及實現DNA重組和後處理都有工程化的性質,基因工程或遺傳工程作為DNA重組技術的代名詞被廣泛使用。可以說,DNA重組技術創立近 30多年來所獲得的豐碩成果已經把人們帶進了一個不可思議的夢幻般的科學世界,使人類獲得了開啟生命奧秘和防病治病“魔盒”的金鑰匙。

到20世紀末,DNA重組技術最大的套用領域在醫葯方面,包括活性多肽、蛋白質和疫苗的生產,疾病發生機理、診斷和治療,新基因的分離以及環境監測與凈化。

許多活性多肽和蛋白質都具有治療和預防疾病的作用,它們都是從相應的基因中產生的。但是由于在組織細胞內產量極微,所以採用常規方法很難獲得足夠量供臨床套用。

基因工程則突破了這一局限性,能夠大量生產這類多肽和蛋白質,迄今已成功地生產出治療糖尿病和精神分裂症的胰島素,對血癌和某些實體腫瘤有療效的抗病毒劑――幹擾素,治療侏儒症的人體生長激素,治療肢端肥大症和急性胰腺炎的生長激素釋放抑製因子等100多種產品。

基因工程還可將有關抗原的DNA導入活的微生物,這種微生物在受免疫應激後的宿主體內生長可產生弱毒活疫苗,具有抗原刺激劑量大、且持續時間長等優點。目前正在研製的基因工程疫苗就有數十種之多,在對付細菌方面有針對麻風桿菌、百日咳桿菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌等的疫苗;在對付病毒方面有針對甲型肝炎、乙型肝炎、巨細胞病毒、單純皰疹、流感、人體免疫缺陷病毒等的疫苗……。中國乙肝病毒攜帶者和乙肝患者多達一二億,這一情況更促使了中國科學家自行成功研製出乙肝疫苗,取得了巨大的社會效益和經濟效益。

抗體是人體免疫系統防病抗病的主要武器之一,20世紀70年代創立的單克隆抗體技術在防病抗病方面雖然發揮了重要作用,但由于人源性單抗很難獲得,使得單抗在臨床上的套用受到限製。為解決此問題,又能保證正常功能的發揮。如抗HER-2人源化單抗治療乳腺癌已進入Ⅲ期試驗,抗IGE人源化單抗治療哮喘病已進入Ⅱ期試驗。

抗生素在治療疾病上起到了重要作用,隨著抗生素數量的增加,用傳統方法發現新抗生素的幾率越來越低。為了獲取更多的新型抗生素,採用DNA重組技術已成為重要手段之一。

值得指出的是,以上所述基因工程多肽、蛋白質、疫苗、抗生素等防治葯物不僅在有效控製疾病,而且在避免毒副作用方面也往往優于以傳統方法生產的同類葯品,因而更受人們青睞。

人類疾病都直接或間接與基因相關,在基因水準上對疾病進行診斷和治療,則既可達到病因診斷的準確性和原始性,又可使診斷和治療工作達到特異性強、靈敏度高、簡便快速的目的。于基因水準進行診斷和治療在專業上稱為基因診斷和基因治療。以補償失去功能的基因的作用,或是增加某種功能以利對異常細胞進行矯正或消滅。

在理論上,基因治療是治本治愈而無任何毒副作用的療法。不過,盡管至今國際上已有100多個基因治療方案正處于臨床試驗階段,但基因治療在理論和技術上的一些難題仍使這種治療方法離大規模套用還有一段很長的距離。不論是確定基因病因還是實施基因診斷、基因治療、研究疾病發生機理,關鍵的先決條件是要了解特定疾病的相關基因。隨著“人類基因組計畫”的臨近完成,科學家們對人體全部基因將會獲得全面的了解,這就為運用基因重組技術造逼于人類健康事業創造了條件。

不過,雖然基因技術向人類展示了它奇妙的“魔術師”般的魅力,但也有大量的科學家對這種技術的發展予以人類倫理和生態演化的自然法則的沖擊表示出極大的擔憂。從理論上來講,這種技術發展的一個極致就是使人類擁有了創造任何生命形態或從未有過的生物的能力。人們能夠想像這將是怎樣的結果嗎

親子鑒定

鑒定親子關系用得最多的是DNA分型鑒定。人的血液、毛發、唾液、口腔細胞等都可以用于用親子鑒定,十分方便。

一個人有23對(46條)染色體,同一對染色體同一位置上的一對基因稱為等位基因,一般一個來自父親,一個來自母親。如果檢測到某個DNA位點的等位基因,一個與母親相同,另一個就應與父親相同,否則就存在疑問了。

利用DNA進行親子鑒定,隻要作十幾至幾十個DNA位點作檢測,如果全部一樣,就可以確定親子關系,如果有3個以上的位點不同,則可排除親子關系,有一兩個位點不同,則應考慮基因突變的可能,加做一些位點的檢測進行辨別。DNA親子鑒定,否定親子關系的準確率幾近100%,肯定親子關系的準確率可達到99.99%。

DNA(脫氧核糖核酸)是人身體內細胞的原子物質。每個原子有46個染色體,另外,男性的精子細胞和女性的卵子,各有23個染色體,當精子和卵子結合的時候。這46個原子染色體就製造一個生命,因此,每人從生父處繼承一半的分子物質,而另一半則從生母處獲得。

DNA親子鑒定測試與傳統的血液測試有很大的不同。它可以在不同的樣本上進行測試,包括血液,腮腔細胞,組織細胞樣本和精液樣本。由于血液型號,例如A型,B型,O型或RH型,在人口中比較普遍,用于分辨每一個人,便不如DNA親子鑒定測試有效。除了真正雙胞胎外,每人的DNA是獨一無二的. 由于它是這樣獨特,就好像指紋一樣,用于親子鑒定,DNA是最為有效的方法。我們的結果通常是比法庭上要求的還準確10到100倍。

通過遺傳標記的檢驗與分析來判斷父母與子女是否親生關系,稱之為親子試驗或親子鑒定。DNA是人體遺傳的基本載體,人類的染色體是由DNA構成的,每個人體細胞有23對(46條)成對的染色體,其分別來自父親和母親。夫妻之間各自提供的23條染色體,在受精後相互配對,構成了23對(46條)孩子的染色體。如此迴圈往復構成生命的延續。

由于人體約有30億個鹼基對構成整個染色體系統,而且在生殖細胞形成前的互換和組合是隨機的,所以世界上沒有任何兩個人具有完全相同的30億個核苷酸的組成序列,這就是人的遺傳多態性。盡管遺傳多態性的存在,但每一個人的染色體必然也隻能來自其父母,這就是DNA親子鑒定的理論基礎。

傳統的血清方法能檢測紅細胞血型、白細胞血型、血清型和紅細胞酶型等,這些遺傳學標志為蛋白質(包括糖蛋白)或多肽,容易失活而導致檢材得不到理想的檢驗結果。此外,這些遺傳標志均為基因編碼的產物,多態信息含量(PIC)有限,不能反映DNA編碼區的多態性,且這些遺傳標志存在生理性、病理性變異(如A型、O型血的人受大腸桿菌感染後,B抗原可能呈陽性。因此,其套用價值有限。

DNA檢驗可彌補血清學方法的不足,故受到了法醫物證學工作者的高度關註,近幾年來,人類基因組研究的進展日新月異,而分子生物學技術也不斷完善,隨著基因組研究向各學科的不斷滲透,這些學科的進展達到了前所未有的高度。在法醫學上,STR位點和單核苷酸(SNP)位點檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術的核心,是繼RFLPs(限製性片段長度多態性)VNTRs(可變數量串聯重復序列多態性)研究而發展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術,DNA分析為法醫物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段,使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認定的水準,DNA檢驗能直接認定犯罪、為凶殺案、強奸殺人案、碎屍案、強奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據。隨著DNA技術的發展和套用,DNA標志系統的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經是非常成熟的,也是國際上公認的最好的一種方法。特別提到一點:同卵雙胞胎的DNA檢測結果是一樣的。

超速離心

近代質粒DNA分離純化以從大腸桿菌中分離為代表,鑒于大腸桿菌(E.coli)在分子生物學研究中的重要地位,從大腸桿菌(E.coli)中分離純化質粒DNA(Plasmid DNA)成為超離心技術中一個重要課題。而質粒DNA的快速分離純化又對超離心設備(超速離心機、轉頭和附屬設備)提出了更高要求。

針對E.coli的顯微結構待點,在進行超離心分離純化質粒DNA之前的預處理順序是:

沉淀物可以在加入TE緩沖液(10mM Tris-HCL, lmM EDTA,pH8.0)後分子篩技術去除蛋白和RNA; 也可以用超速離心法去除蛋白質和RNA,去級狀DNA或DNA斷片。

質粒DNA超速離心的分離方法

傳統的分離方法:數年前,由于受設備條件限製,質粒DNA的分離一般用CsCl平衡等密度離心法,自形成梯度。以10~12ml單管容量為例,用甩平轉頭分離,36.000rpm×60小時,用角式轉頭分離45,000rpm×36小時,前者包括加減速在內共用去1.3億轉驅動部壽命,後者也要用去1億轉驅動部壽命,這對當時超速離心機總壽命為100~200億轉來看,無疑每次實驗費用過高,加上CsCl用量多、價格貴等因素,使這類分離純化工作成為非常昂貴的實驗。

質粒DNA超速離心分離的最新進展

1.超速垂直管轉頭的離心分離(欽合金或碳纖維製造的):從1975年垂直管轉頭向世後,最高轉速從50,000rpm到120,000rpm,RCFmax可達700,000Xg,90年代開發的新機型和轉頭己能夠使質粒DNA垂直管離心分離實驗做起來得心應手。

3.近垂直管轉頭離心分離:為了消除垂直管轉頭用于質粒DNA離心在壁部形成的RNA沉淀對已形成的DNA區帶的污染,同時也為了改進一般斜角式轉頭(傾角25·——35·)由于沉降距離較長,因而分離時間也較長的缺點,近幾年開發了多種近垂直管轉頭(即Near VerticalTube Rot時,簡稱NVT轉頭或Neo Angle Rotor,小假角轉頭,簡稱NT).它們的離心管縱剖面中心軸線與離心機驅動軸線之間夾角在7.5·——10·之間,轉速從65,000rpm到120,OOOrpm,RCFmax可達646,000×g單管容量從2ml至13.5ml。NVT(或NT)轉頭的開發主要是為質粒DNA分離而設計,當然它也適用于線粒體DNA、染色體DNA、RNA及血清脂蛋白的分離·純化。

3.不連續階梯梯度分離:質校DNA分離純化傳統方法是採用金管CsCl自形成梯度平衡等密度離心法,離心開始時金管CsCl密度均一,樣品均勻分布其中。

其他資料

互動作用

脫氧核糖核酸若要發揮其功用,必須依賴與蛋白質之間的互動作用,有些蛋白質的作用不具專一性,有些則隻專門與個別的脫氧核糖核酸序列結合。聚合酶在各類酵素中尤其重要,此種蛋白質可與脫氧核糖核酸結合,並作用于轉錄或脫氧核糖核酸復製過程。

脫氧核糖核酸與組織蛋白(右圖白色部分)的互動作用,這種蛋白質中的鹼性氨基酸(左下藍色),可與脫氧核糖核酸上的酸性磷酸基團結合(右下紅色)。

結構蛋白可與脫氧核糖核酸結合,是非專一性脫氧核糖核酸-蛋白質互動作用的常見例子。染色體中的結構蛋白與脫氧核糖核酸組合成復合物,使脫氧核糖核酸組織成緊密結實的染色質構造。對真核生物來說,染色質是由脫氧核糖核酸與一種稱為組織蛋白的小型鹼性蛋白質所組合而成;而原核生物體內的此種結構,則摻雜了多種類型的蛋白質。雙股脫氧核糖核酸可在組織蛋白的表面上附著並纏繞整整兩圈,以形成一種稱為核小體的盤狀復合物。組織蛋白裏的鹼性殘基,與脫氧核糖核酸上的酸性糖磷酸骨架之間可形成離子鍵,使兩者發生非專一性互動作用,也使復合物中的鹼基序列相互分離。在鹼性氨基酸殘基上所發生的化學修飾甲基化磷酸化與乙酰化等,這些化學作用可使脫氧核糖核酸與組織蛋白之間的作用強度發生變化,進而使脫氧核糖核酸與轉錄因子接觸的難易度改變,影響轉錄作用的速率。其他位于染色體內的非專一性脫氧核糖核酸結合蛋白,還包括一種能優先與脫氧核糖核酸結合,並使其扭曲的高移動性群蛋白。這類蛋白質可以改變核小體的排列方式,產生更復雜的染色質結構。

脫氧核糖核酸結合蛋白中有一種專門與單股脫氧核糖核酸結合的類型,稱為單股脫氧核糖核酸結合蛋白。人類的復製蛋白A是此類蛋白中獲得較多研究的成員,作用于多數與解開雙螺旋有關的過程,包括脫氧核糖核酸復製、重組以及脫氧核糖核酸修復。這類結合蛋白可固定單股脫氧核糖核酸,使其變得較為穩定,以避免形成莖環(stem-loop),或是因為核酸酶的作用而水解。

相對而言,其他的蛋白質則隻能與特定的脫氧核糖核酸序列進行專一性結合。大多數關于此類蛋白質的研究集中于各種可調控轉錄作用的轉錄因子。這類蛋白質中的每一種,都能與特定的脫氧核糖核酸序列結合,進而活化或抑製位于啓動子附近序列的基因轉錄作用。轉錄因子有兩種作用方式,第一種可以直接或經由其他中介蛋白質的作用,而與負責轉錄的RNA聚合酶結合,再使聚合酶與啓動子結合,並開啓轉錄作用。第二種則與專門修飾組織蛋白的酵素結合于啓動子上,使脫氧核糖核酸模板與聚合酶發生接觸的難度改變。

由于目標脫氧核糖核酸可能散布在生物體中的整個基因組中,因此改變一種轉錄因子的活性可能會影響許多基因的運作。這些轉錄因子也因此經常成為信號傳遞過程中的作用目標,也就是作為細胞反映環境改變,或是進行分化和發育時的媒介。具專一性的轉錄因子會與脫氧核糖核酸發生互動作用,使脫氧核糖核酸鹼基的周圍產生許多接觸點,讓其他蛋白質得以“讀取”這些脫氧核糖核酸序列。多數的鹼基互動作用發生在大凹槽,也就是最容易從外界接觸鹼基的部位。

發現歷史

最早分離出DNA的弗雷德裏希·米歇爾是一名瑞士醫生,他在1869年,從廢棄綳帶裏所殘留的膿液中,發現一些隻有顯微鏡可觀察的物質。由于這些物質位于細胞核中,因此米歇爾稱之為“核素”(nuclein)。到了1919年,菲巴斯·利文進一步辨識出組成DNA的鹼基、糖類以及磷酸核苷酸單元[3],他認為DNA可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結,而串聯在一起。不過他所提出概念中,DNA長鏈較短,且其中的鹼基是以固定順序重復排列。1937年,威廉·阿斯特伯裏完成了第一張X光繞射圖,闡明了DNA結構的規律性。

1928年,弗雷德裏克·格裏菲斯格裏菲斯實驗中發現,平滑型的肺炎球菌,能轉變成為粗糙型的同種細菌,方法是將已死的平滑型與粗糙型活體混合在一起。這種現象稱為“轉型”。但造成此現象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奧斯瓦爾德·埃弗裏等人所辨識出來。1953年,阿弗雷德·赫希與瑪莎·蔡斯確認了DNA的遺傳功能,他們在赫希-蔡斯實驗中發現,DNA是T2噬菌體的遺傳物質

劍橋大學裏一面紀念克裏克與DNA結構的彩繪窗。到了1953年,當時在卡文迪許實驗室詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克裏克,依據倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林所拍攝的X光繞射圖及相關資料,提出了最早的DNA結構精確模型,並發表于《自然》期刊。五篇關于此模型的實驗證據論文,也同時以同一主題發表于《自然》。其中包括富蘭克林與雷蒙·葛斯林的論文,此文所附帶的X光繞射圖,是沃森與克裏克闡明DNA結構的關鍵證據。此外莫裏斯·威爾金斯團隊也是同期論文的發表者之一。富蘭克林與葛斯林隨後又提出了A型與B型DNA雙螺旋結構之間的差異。1962年,沃森、克裏克以及威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

克裏克在1957年的一場演說中,提出了分子生物學的中心法則,預測了DNA、RNA以及蛋白質之間的關系,並闡述了“轉接子假說”(即後來的tRNA)。1958年,馬修·梅瑟生與富蘭克林·史達在梅瑟生-史達實驗中,確認了DNA的復製機製[16]。後來克裏克團隊的研究顯示,遺傳密碼是由三個鹼基以不重復的方式所組成,稱為密碼子。這些密碼子所構成的遺傳密碼,最後是由哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出[17]。為了測出所有人類的DNA序列,人類基因組計畫于1990年代展開。到了2001年,多國合作的國際團隊與私人企業塞雷拉基因組公司,分別將人類基因組序列草圖發表于《自然》與《科學》兩份期刊。

自從孟德爾的遺傳定律被重新發現以後,人們又提出了一個問題:遺傳因子是不是一種物質實體?為了解決基因是什麽的問題,人們開始了對核酸和蛋白質的研究。

早在1868年,人們就已經發現了核酸。在德國化學家霍佩·賽勒的實驗室裏,有一個瑞士籍的研究生名叫米歇爾(1844--1895),他對實驗室附近的一家醫院扔出的帶膿血的綳帶很感興趣,因為他知道膿血是那些為了保衛人體健康,與病菌“作戰”而戰死的白細胞和被殺死的人體細胞的“遺體”。于是他細心地把綳帶上的膿血收集起來,並用胃蛋白酶進行分解,結果發現細胞遺體的大部分被分解了,但對細胞核不起作用。他進一步對細胞核內物質進行分析,發現細胞核中含有一種富含磷和氮的物質。霍佩·賽勒用酵母做實驗,證明米歇爾對細胞核內物質的發現是正確的。于是他便給這種從細胞核中分離出來的物質取名為 “核素”,後來人們發現它呈酸性,因此改叫“核酸”。從此人們對核酸進行了一系列卓有成效的研究。

20世紀初,德國科賽爾(1853--1927)和他的兩個學生瓊斯(1865--1935)和列文(1869--1940)的研究,弄清了核酸的基本化學結構,認為它是由許多核苷酸組成的大分子。核苷酸是由鹼基、核糖和磷酸構成的。其中鹼基有4種(腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶),核糖有兩種(核糖、脫氧核糖),因此把核酸分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。

列文急于發表他的研究成果,錯誤地認為4種鹼基在核酸中的量是相等的,從而推導出核酸的基本結構是由4個含不同鹼基的核苷酸連線成的四核苷酸,以此為基礎聚合成核酸,提出了“四核苷酸假說”。這個錯誤的假說,對認識復雜的核酸結構起了相當大的阻礙作用,也在一定程度上影響了人們對核酸功能的認識。人們認為,雖然核酸存在于重要的結構--細胞核中,但它的結構太簡單,很難構想它能在遺傳過程中起什麽作用。

蛋白質的發現比核酸早30年,發展迅速。進入20世紀時,組成蛋白質的20種氨基酸中已有12種被發現,到1940年則全部被發現。

1902年,德國化學家費歇爾提出氨基酸之間以肽鏈相連線而形成蛋白質的理論,1917年他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鏈。于是,有的科學家構想,很可能是蛋白質在遺傳中起主要作用。如果核酸參與遺傳作用,也必然是與蛋白質連在一起的核蛋白在起作用。因此,那時生物界普遍傾向于認為蛋白質是遺傳信息的載體。

1928年,美國科學家格裏菲斯(1877--1941)用一種有莢膜、毒性強的和一種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗。他把有莢病菌用高溫殺死後與無莢的活病菌一起註入老鼠體內,結果他發現老鼠很快發病死亡,同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌。這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什麽物質,使無莢菌轉化為有莢菌。這種假設是否正確呢?格裏菲斯又在試管中做實驗,發現把死了的有莢菌與活的無莢菌同時放在試管中培養,無莢菌全部變成了有莢菌,並發現使無莢菌長出蛋白質莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸(因為在加熱中,莢中的核酸並沒有被破壞)。格裏菲斯稱該核酸為"轉化因子"。

1944年,美國細菌學家艾弗裏(1877--1955)從有美菌中分離得到活性的“轉化因子”,並對這種物質做了檢驗蛋白質是否存在的試驗,結果為陰性,並證明“轉化因子”是DNA。但這個發現沒有得到廣泛的承認,人們懷疑當時的技術不能除凈蛋白質,殘留的蛋白質起到轉化的作用。

美籍德國科學家德爾布呂克(1906--1981)的噬菌體小組對艾弗裏的發現堅信不移。因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形態和進入大腸桿菌的生長過程。噬菌體是以細菌細胞為寄主的一種病毒,個體微小,隻有用電子顯微鏡才能看到它。它像一個小蝌蚪,外部是由蛋白質組成的頭膜和尾鞘,頭的內部含有DNA,尾鞘上有尾絲、基片和小鉤。當噬菌體侵染大腸桿菌時,先把尾部末端扎在細菌的細胞膜上,然後將它體內的DNA全部註人到細菌細胞中去,蛋白質空殼仍留在細菌細胞外面,再沒有起什麽作用了。進入細菌細胞後的噬菌體DNA,就利用細菌內的物質迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質,從而復製出許多與原噬菌體大小形狀一模一樣的新噬菌體,直到細菌被徹底解體,這些噬菌體才離開死了的細菌,再去侵染其他的細菌。

1952年,噬菌體小組主要成員赫爾希(1908一)和他的學生蔡斯用先進的同位素標記技術,做噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標記上32P,蛋白質外殼標記上35S。先用標記了的T2噬菌體感染大腸桿菌,然後加以分離,結果噬菌體將帶35S標記的空殼留在大腸桿菌外面,隻有噬菌體內部帶有32P標記的核酸全部註人大腸桿菌,並在大腸桿菌內成功地進行噬菌體的繁殖。這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功能,而蛋白質則是由 DNA的指令合成的。這一結果立即為學術界所接受。

幾乎與此同時,奧地利生物化學家查加夫(1905--)對核酸中的4種鹼基的含量的重新測定取得了成果。在艾弗裏工作的影響下,他認為如果不同的生物種是由于DNA的不同,則DNA的結構必定十分復雜,否則難以適應生物界的多樣性。因此,他對列文的"四核苷酸假說"產生了懷疑。在1948- 1952年4年時間內,他利用了比列文時代更精確的紙層析法分離4種鹼基,用紫外線吸收光譜做定量分析,經過多次反復實驗,終于得出了不同于列文的結果。實驗結果表明,在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的總分子數量相等,其中腺嘌呤A與胸腺嘧啶T數量相等,鳥嘌呤G與胞嘧啶C數量相等。說明DNA分子中的鹼基A 與T、G與C是配對存在的,從而否定了“四核苷酸假說”,並為探索DNA分子結構提供了重要的線索和依據。

1953年4月25日,英國的《自然》雜志刊登了美國的沃森和英國的克裏克在英國劍橋大學合作的研究成果:DNA雙螺旋結構的分子模型,這一成果後來被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現,標志著分子生物學的誕生。

沃森(1928一)在中學時代是一個極其聰明的孩子,15歲時便進入芝加哥大學學習。當時,由于一個允許較早人學的實驗性教育計畫,使沃森有機會從各個方面完整地攻讀生物科學課程。在大學期間,沃森在遺傳學方面雖然很少有正規的訓練,但自從閱讀了薛定諤的《生命是什麽?--活細胞的物理面貌》這本進化論的理論基礎書籍,促使他去“發現基因的秘密”。他善于集思廣益,博取眾長,善于用他人的思想來充實自己。隻要有便利的條件,不必強迫自己學習整個新領域,也能得到所需要的知識。沃森22歲取得博士學位,然後被送往歐洲攻讀博士後研究員。為了完全搞清楚一個病毒基因的化學結構,他到丹麥哥本哈根實驗室學習化學。有一次他與導師一起到義大利那不勒斯參加一次生物大分子會議,有機會聽英國物理生物學家威爾金斯(1916--)的演講,看到了威爾金斯的DNAX射線衍射照片。從此,尋找解開DNA結構的鑰匙的念頭在沃森的頭腦中索回。什麽地方可以學習分析X射線衍射圖呢?于是他又到英國劍橋大學卡文迪什實驗室學習,在此期間沃森認識了克裏克。

克裏克(1916)上中學時對科學充滿熱情,1937年畢業于倫敦大學。1946年,他閱讀了埃爾溫·薛定諤生命是什麽?-活細胞的物理面貌》一書,決心把物理學知識用于生物學的研究,從此對生物學產生了興趣。1947年他重新開始了研究生的學習,1949年他同佩魯茲一起使用X射線技術研究蛋白質分子結構,于是在此與沃森相遇了。當時克裏克比沃森大12歲,還沒有取得博士學位。但他們談得很投機,沃森感到在這裏居然能找到一位懂得DNA比蛋白質更重要的人,真是三生有幸。同時沃森感到在他所接觸的人當中,克裏克是最聰明的一個。他們每天交談至少幾個小時,討論學術問題。兩個人互相補充,互相批評以及相互激發出對方的靈感。他們認為解決DNA分子結構是開啟遺傳之謎的關鍵。隻有借助于精確的X射線衍射資料,才能更快地弄清DNA的結構。為了搞到DNAX射線衍射資料,克裏克請威爾金斯到劍橋來度周末。在交談中威爾金斯接受了DNA結構是螺旋型的觀點,還談到他的合作者富蘭克林(1920--1958,女)以及實驗室的科學家們,也在苦苦思索著DNA結構模型的問題。從1951年11月至1953年4月的18個月中,沃森、克裏克同威爾金斯、富蘭克林之間有過幾次重要的學術交往。

1951年11月,沃森聽了富蘭克林關于DNA結構的較詳細的報告後,深受啓發,具有一定晶體結構分析知識的沃森和克裏克認識到,要想很快建立 DNA結構模型,隻能利用別人的分析資料。他們很快就提出了一個三股螺旋的DNA結構的構想。1951年底,他們請威爾金斯和富蘭克林來討論這個模型時,富蘭克林指出他們把DNA的含水量少算了一半,于是第一次設立的模型宣告失敗。

有一天,沃森又到國王學院威爾金斯實驗室,立刻興奮起來、心跳也加快了,因為這種圖像比以前得到的“A型”簡單得多,隻要稍稍看一下“B型”的X射線衍射照片,再經簡單計算,就能確定DNA分子內多核苷酸鏈的數目了。

克裏克請數學家幫助計算,結果表明嘌呤有吸引嘧啶的趨勢。他們根據這一結果和從查加夫處得到的核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶兩兩相等的結果,形成了鹼基配對的概念。

他們苦苦地思索4種鹼基的排列順序,一次又一次地在紙上畫鹼基結構式,擺弄模型,一次次地提出假設,又一次次地推翻自己的假設。

有一次,沃森又在按著自己的構想擺弄模型,他把鹼基移來移去尋找各種配對的可能性。突然,他發現由兩個氫鍵連線的腺嘌呤一胸腺嘧啶對竟然和由3個氫鍵連線的鳥嘌呤一胞嘧啶對有著相同的形狀,于是精神為之大振。因為嘌呤的數目為什麽和嘧啶數目完全相同這個謎就要被解開了。查加夫規律也就一下子成了 DNA雙螺旋結構的必然結果。因此,一條鏈如何作為模板合成另一條互補鹼基順序的鏈也就不難想象了。那麽,兩條鏈的骨架一定是方向相反的。

經過沃森和克裏克緊張連續的工作,很快就完成了DNA金屬模型的組裝。從這模型中看到,DNA由兩條核苷酸鏈組成,它們沿著中心軸以相反方向相互纏繞在一起,很像一座螺旋形的樓梯,兩側扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結合的骨架,而踏板就是鹼基對。由于缺乏準確的X射線資料,他們還不敢斷定模型是完全正確的。

下一步的科學方法就是把根據這個模型預測出的衍射圖與X射線的實驗資料作一番認真的比較。他們又一次打電話請來了威爾金斯。不到兩天工夫,威爾金斯和富蘭克林就用X射線資料分析證實了雙螺旋結構模型是正確的,並寫了兩篇實驗報告同時發表在英國《自然》雜志上。1962年,沃森、克裏克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫學和生理學獎,而富蘭克林因患癌症于1958年病逝而未被授予該獎。

20世紀30年代後期,瑞典的科學家們就證明DNA是不對稱的。第二次世界大戰後,用電子顯微鏡測定出DNA分子的直徑約為2nm。

DNA雙螺旋結構被發現後,極大地震動了學術界,啓發了人們的思想。從此,人們立即以遺傳學為中心開展了大量的分子生物學的研究。首先是圍繞著4 種鹼基怎樣排列組合進行編碼才能表達出20種氨基酸為中心開展實驗研究。1967年,遺傳密碼全部被破解,基因從而在DNA分子水準上得到新的概念。它表明:基因實際上就是DNA大分子中的一個片段,是控製生物性狀的遺傳物質的功能單位和結構單位。在這個單位片段上的許多核苷酸不是任意排列的,而是以有含意的密碼順序排列的。一定結構的DNA,可以控製合成相應結構的蛋白質。蛋白質是組成生物體的重要成分,生物體的性狀主要是通過蛋白質來體現的。因此,基因對性狀的控製是通過DNA控製蛋白質的合成來實現的。在此基礎上相繼產生了基因工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程等,這些生物技術的發展必將使人們利用生物規律造福于人類。現代生物學的發展,愈來愈顯示出它將要上升為帶頭學科的趨勢。

2014年科學家研究表明,人體內僅有8%DNA具有重要作用,剩餘的DNA都是“垃圾”。英國牛津大學研究顯示,僅有8.2%的人體DNA具有重要作用,剩餘的DNA都是進化殘留物,就像是闌尾一樣,對人體無益,也沒有什麽害處。研究負責人古爾頓-倫特(Gurton Lunter)博士說:“人體內絕大多數DNA並不具有重要作用,僅是佔據空間而已。”之前評估顯示人體80%DNA具有“功能性”,或者說具有重要作用。這就相當于從谷殼中分離小麥是非常重要的,因為這將確保醫學研究人員聚焦分析疾病相關的DNA,進一步促進研製新的治療方案。合著作者克裏斯-龐廷(Chris Ponting)教授說:“這不僅僅是關于模糊性‘功能’的學術爭論,從醫學角度來看,這是解釋人類疾病中基因多樣性必不可少的環節。”

相關計畫

人類基因組計畫(human genome project,HGP)是由美國科學家于1985年率先提出,于1990年正式啓動的。美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯邦共和國、日本國和中國科學家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計畫。這一計畫旨在為30多億個鹼基對構成的人類基因組精確測序,發現所有人類基因並確定其在染色體上的位置,破譯人類全部遺傳信息。與曼哈頓核子彈計畫和阿波羅登月計畫並稱為三大科學計畫。

2000年6月26日,參加人類基因組工程項目的美國、英國、法國、德國、日本和中國,六國科學家共同宣布,人類基因組草圖的繪製工作已經完成。最終完成圖要求測序所用的克隆能忠實地代表常染色體的基因組結構,序列錯誤率低于萬分之一。95%常染色質區域被測序,每個Gap小于150kb。完成圖將于2003年完成,比預計提前2年。

美國和英國科學家2006年5月18日在英國《自然》雜志網路版上發表了人類最後一個染色體——1號染色體的基因測序。

在人體全部22對常染色體中,1號染色體包含基因數量最多,達3141個,是平均水準的兩倍,共有超過2.23億個鹼基對,破譯難度也最大。一個由150名英國和美國科學家組成的團隊歷時10年,才完成了1號染色體的測序工作。

科學家不止一次宣布人類基因組計畫完工,但推出的均不是全本,這一次殺青的“生命之書”更為精確,覆蓋了人類基因組的99.99%。解讀人體基因密碼的“生命之書”宣告完成,歷時16年的人類基因組計畫書寫完了最後一個章節。

作為人類基因組計畫的後續計畫,The ENCODE Project 在2003年9月啓動的跨國研究項目。該項目旨在解析人類基因組中的所有功能性元件。該項目聯合了來自美國,英國,西班牙,新加坡和日本的32個實驗室的422名科學家的努力,獲得了迄今最詳細的人類基因組分析資料(他們獲得並分析了超過15兆兆位元組的原始資料)。研究花費了約300年的電腦時間,對147個組織類型進行了分析,以確定哪些能開啟和關閉特定的基因,以及不同類型細胞之間的“開關”存在什麽差異。

2012年9月5日,ENCODE項目的階段性研究結果被整理成30篇論文發表于《自然》(6篇),《基因組研究》(6篇)和《基因組生物學》(18篇)上。研究結果顯示,人類基因組內的非編碼DNA至少80%是有生物活性的,而並非之前認為的“垃圾” DNA (junk DNA)。這些新的發現有望幫助研究人員理解基因受到控製的途徑,以及澄清某些疾病的遺傳學風險因子。

2012年12月21日,ENCODE項目被《科學》雜志評為本年度十大科學突破之一。

隱私保護

美國一位遺傳學研究者通過在網上發布的人類DNA信息,可以輕而易舉地確定從研究對象組中隨機選出的5個匿名者的身份,還找到了其整個家族,確定了近50人的身份。

在網上發布的遺傳資料,那些來自1000多人的長達幾十億個DNA字母的串子,看似是完全匿名的。但僅僅靠一些網上的聰明偵探手段,一位遺傳學研究者就把從研究對象組中隨機選出的5個人的身份確定了出來。不僅如此,他還找到他們的整個家族,確定了近50個人的身份,雖然這些親屬與研究一點也不沾邊。

這位研究者並未公布他所發現的人的姓名,但這項發表在周四的《科學》(Science)雜志上的工作表明,保護參加醫學研究的志願者的隱私不是一個簡單的事情,因為他們提供的遺傳信息需要公開,以便科學家使用。

研究人員表示,“讓認為能夠完全保護隱私或使資料匿名的幻想繼續下去,已不再是一個可維持的立場。”

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