基因的分子生物学·

由OPUS-4.8生成

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引言：从核素到双螺旋·

1869年 Miescher 从脓细胞核中分离出一种不被蛋白消化酶破坏的物质，命名 核素（nuclein），后因其酸性改称 核酸（nucleic acid），但当时未认识其功能。
1944年薛定谔《生命是什么》吸引物理学家转向生物学，沃森（Watson） 与 克里克（Crick） 均受其影响进入遗传学。
1953年4月25日两人在《Nature》提出 DNA 双螺旋模型，开启分子生物学与分子遗传学的大门。

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遗传物质是 DNA（或 RNA）的证明·

• DNA vs 蛋白质之争

  染色体由 DNA 和蛋白质组成。早期倾向认为基因是 蛋白质（20种氨基酸组合数巨大，DNA 仅4种核苷酸似太简单）。
  但忽略了：DNA 核苷酸数目（数以千万计）远超蛋白质，其排列组合数不少于蛋白质。孰是遗传物质需精确实验证据。

肺炎链球菌的转化实验·

• 两种菌株

  S型（光滑型）：有多糖荚膜，有毒，菌落光滑；R型（粗糙型）：无荚膜，无毒，菌落粗糙。

• 格里菲思（Griffith, 1928）

  加热杀死的S型 或 活R型 单独注射小鼠 → 均不死；加热杀死的S型 + 活R型 混合注射 → 小鼠死亡，且分离出活的S型。
  说明死S型使活R型转变为S型，且性状可稳定传代。R型从死S型获得了 转化因子（transforming factor），此过程称 转化（transformation）。

• 艾弗里（Avery, 1944）：转化因子是 DNA

  从S型抽提物分离出 DNA、蛋白质、多糖，分别与活R型混合。
  只有 DNA 能引起转化；用 DNase 处理使 DNA 分解则立即失去转化活性；用蛋白酶处理不影响转化能力。
  结论：引起稳定遗传转化的是 DNA 而非蛋白质。（对青霉素、链霉素的抗性也可被转化。）

赫尔希－蔡斯的 T2 噬菌体感染实验·

• T2 噬菌体

  攻击大肠杆菌的病毒，头部由约 60%蛋白质外壳 + 40%DNA 构成。侵染后利用宿主的物质、能量增殖，离开宿主不能增殖。
  关键差异：蛋白质含硫（S）不含磷，DNA 含磷（P）不含硫。

• Hershey & Chase（1952）双标记实验

  用 $^{35}S$ 标记蛋白质外壳，$^{32}P$ 标记 DNA。步骤：① 分别侵染未标记的大肠杆菌；② 短时保温后 搅拌 切断外壳与细菌的联系；③ 离心（细菌在沉淀，游离噬菌体在上清）；④ 测定放射性。结果：$^{{32}P$（DNA）几乎全在沉淀（细菌内）**，**$}{35}S$（蛋白质）几乎全在上清。
  证明 进入宿主的是 DNA，蛋白质外壳留在外面；且子代噬菌体外壳与亲代一致，说明决定外壳特性的是 DNA。

• RNA 也可作遗传物质

  1956年 Fraenkel-Conrat 用 烟草花叶病毒（TMV） 的分离与重建实验，证明 RNA 是 TMV 的遗传物质。

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DNA 复制·

依赖碱基配对（半保留复制）·

DNA 复制（replication）是遗传稳定性的保证，在细胞周期 S 期 进行，原理即 碱基互补配对。

• 过程

  解旋酶将双螺旋分成2条单链，每条 亲本链作模板；暴露碱基各自与游离的4种脱氧核苷三磷酸（dTTP、dGTP、dATP、dCTP）互补配对，再形成 磷酸二酯键 连成子链，与旧链重新形成双螺旋。

• 半保留复制（semiconservative replication）

  每个子DNA双链中 一条来自亲代、一条为新合成。

复制的半不连续性·

DNA 聚合酶只能将 dNTP 连到多核苷酸链 游离 3′ 碳的—OH 上，故复制方向恒为 5′→3′。复制从特定 复制起点（origin of replication） 开始 双向 进行。

• 前导链（leading strand）

  以 3′→5′ 模板链为模板，沿 5′→3′ 连续复制，速度快、完成早。

• 后随链（lagging strand）

  另一侧模板不能连续复制，须先合成一系列较短的 冈崎片段（Okazaki fragment，约100~1000 bp），再由 DNA 连接酶（DNA ligase） 连成完整单链，过程复杂、完成晚。

• 半不连续复制（semidiscontinuous replication）

  一条链连续、另一条链以冈崎片段不连续合成。

原核与真核的差异·

原核：只有 一个 复制起点，双向进行。
真核：染色体长，有 许多复制起点 同时双向复制，形成 复制泡，最终融合成两条子代双链，以保证短时完成。

• 速度与精确性

  大肠杆菌（4.64 Mb 环状双链）约 30 min 完成一次复制；人类（约3000 Mb）不超过几小时。碱基错配率平均仅约 $1/10^7$。

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遗传信息流：DNA → RNA → 蛋白质·

蛋白质是表型特征的分子基础·

基因型：DNA（或RNA）上碱基的排列顺序；表型：其分子基础是基因编码产生的各种功能蛋白质。

• Garrod（1909）尿黑酸症

  患者缺 尿黑酸氧化酶，尿黑酸积累氧化变黑（“黑色尿”）。该病由隐性基因 $al$ 决定（$alal$ 才发病），首次提出 基因通过酶催化决定表型。

• 比德尔与塔特姆：一个基因一种酶

  用 粗糙脉孢菌（Neurospora） 研究，每个突变菌株缺少一种酶。提出 “一个基因一种酶”（one gene-one enzyme）——特定基因指令特定酶的合成。后因多数蛋白质由多条多肽链组成、每条由特定基因决定，修改为 “一个基因一条多肽链”（one gene-one polypeptide）。

RNA 的结构与功能·

RNA 与 DNA 相比：①通常单链；②戊糖为核糖；③以尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T），U 同样与 A 配对。RNA 转录方式类似 DNA 复制，以 DNA 为模板按碱基互补合成。

• mRNA（信使RNA）：携带来自 DNA 的遗传信息，在蛋白质合成中作 模板。
• rRNA（核糖体RNA）：与蛋白质构成 核糖体——合成蛋白质的"工厂"。
• tRNA（转移RNA）

  约80核苷酸的单链，折叠成双链区。一端环上有 反密码子（anticodon）（3个核苷酸），与 mRNA 的 密码子（codon） 配对；另一端 3′端—OH 连接相应氨基酸。将20种氨基酸运送到核糖体。三种 RNA 在蛋白质合成中协同作用，缺一不可。

转录——从 DNA 到 RNA·

以 DNA 为模板，经 RNA 聚合酶（RNA polymerase） 按碱基互补（U-A、C-G）合成 RNA。原核只有一种 RNA 聚合酶，真核有三种。

• ① 起始

  RNA 聚合酶与 DNA 上的特定序列 启动子（promoter） 结合，使双链在此解开。

• ② 延伸

  只有 一条链 作模板。聚合酶沿模板 3′→5′ 移行，将互补核糖核苷酸连接成 RNA 单链；模板碱基 A 与 U 配对。mRNA 按 5′→3′ 方向延长（只能在 3′端加新核苷酸）。

• ③ 终止

  聚合酶遇到 DNA 模板上的 终止子（terminator） 即脱离，RNA 单链脱离模板，DNA 双链重新合拢。

• 多数初始转录产物须经 加工 成为成熟 mRNA，再穿核膜进入细胞质。

遗传密码·

三联体密码（triplet code）：由于1个碱基只能编码4种、2个编码 $4^2=16$ 种，需 3个碱基（$4^3$） 才足以决定20种氨基酸。

• 尼伦伯格（Nirenberg, 1961）破译

  用人工多聚U（UUU）在试管中只合成 苯丙氨酸 多肽 → UUU 编码 Phe；AAA→赖氨酸，CCC→脯氨酸；CUCUCU…→亮氨酸与丝氨酸交替，证明密码是三联体。

• 密码特点

  共64个密码子。3个终止密码子（stop codon）：UAA、UAG、UGA；AUG 既是甲硫氨酸密码子又是起始密码子（initiate codon），故肽链第一个氨基酸总是甲硫氨酸。三联体密码在病毒、原核、真核中 通用，是生命同一性的有力证据。
  例外：线粒体 DNA，如人线粒体中 UGA 译为色氨酸、AUA 译为甲硫氨酸。

遗传信息在细胞质中被翻译·

翻译（translation）：mRNA 在核糖体上合成多肽的过程。核糖体从 mRNA 的 5′端向 3′端 阅读。

• ① tRNA 携带氨基酸

  氨基酸在酶催化、ATP 供能下，与特定 tRNA 3′端（CCA 端）共价相连成 氨酰基-tRNA。反密码子决定所携氨基酸（如反密码子 UAC 识别 AUG，只携带甲硫氨酸）。

• ② 核糖体阅读密码子

  核糖体含大、小两亚基（蛋白质 + rRNA），仅在合成时聚合。小亚基有 mRNA 结合部位；大亚基有 P 位（停留携带延长中肽链的 tRNA）和 A 位（供新氨酰-tRNA 进入）。

• 起始与延伸

  多肽从 —NH₂ 端 开始，终于 —COOH 端。特殊的 $tRNA_i^{fMet}$ 携带起始甲硫氨酸（细菌为甲酰甲硫氨酸）。
  小亚基结合 mRNA 的起始密码子 AUG，$tRNA_i^{fMet}$（反密码子 UAC）与之配对（需蛋白因子和 GTP），大亚基随后结合。
  $tRNA_i^{fMet}$ 占 P 位，第二个氨酰-tRNA 进 A 位；经大亚基上的 肽基转移酶（peptidyl transferase） 形成肽键；核糖体前移一个密码子，空 tRNA 脱离、A 位 tRNA 移到 P 位、A 位腾空迎接新 tRNA，如此循环延长肽链。

• ③ 终止

  A 位遇终止密码子时，释放因子（release factor, RF） 进入 A 位，肽链脱离核糖体，折叠成有空间构型的蛋白质。

中心法则（central dogma）·

1956年克里克提出。要点：DNA $\xrightarrow{复制}$ DNA，DNA $\xrightarrow{转录}$ RNA，RNA $\xrightarrow{翻译}$ 蛋白质。

• 修改与补充

  部分病毒（流感、脊髓灰质炎、SARS 冠状病毒、单链RNA噬菌体）以 RNA 为遗传物质，以导入 RNA 为模板复制。
  1970年在致癌 RNA 病毒中发现 反转录（逆转录，reverse transcription）：以 RNA 为模板，在 反转录酶 催化下合成双链 DNA。

• 朊粒（prion）的"挑战"

  羊瘙痒症、疯牛病（牛海绵状脑病）、人类克鲁病、克雅病（CJD）等有共同脑病变。病原物质：核酸酶下仍有感染性、对破坏蛋白的因素敏感、不含DNA/RNA，呈纤维状。
  1982年 普鲁西纳（Prusiner） 提出其为 感染性蛋白质颗粒（prion）（1997诺奖）。机制：PrP 基因（人第20号染色体）编码正常糖蛋白 $PrP^c$（以 α螺旋为主）；其三维构象改变为 $PrP^{sc}$（以 β片层为主） 即有感染力。$PrP^{sc}$ 本身不能复制，但与 $PrP^c$ 结合使后者构象改变转为 $PrP^{sc}$，如此倍增（另有 $PrP^*$ 中间体假说）。
  $PrP^{sc}$ 在神经细胞沉积致神经退行性病变，平均潜伏期约28年，发病后半年至一年 100%死亡。
  结论：朊粒是正常 $PrP^c$ 的异构体 $PrP^{sc}$，不传递遗传信息、不能自我复制，中心法则依然成立。

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基因突变·

基因突变（gene mutation）：1902年德弗里斯研究月见草时提出"突变"概念。

• 分类

  广义：包括 染色体畸变（chromosome aberration）——结构改变与数目变化。
  狭义：特指 点突变（point mutation）——DNA 序列中单个或多个碱基对的改变。

• 发生部位

  生殖细胞突变 可遗传给后代；体细胞突变（somatic mutation） 引起当代变化但不遗传。

DNA 最常发生的突变为 碱基置换 和 移码突变 两种。

碱基置换·

一种碱基被另一种置换（substitution）。

• 转换（transition）：常见。嘌呤换嘌呤（A↔G）或嘧啶换嘧啶（T↔C）。
• 颠换（transversion）：较少。嘌呤↔嘧啶互换。

置换只改变 单个密码子（不增减碱基数目）。

• 镰状细胞贫血实例

  血红蛋白由2条α链（各141氨基酸）+2条β链（各146氨基酸）组成。
  致病机制为 颠换：正常基因 DNA 上 A→T，使 $Hb^A$ 突变为 $Hb^S$，β链 N端第6位氨基酸由 谷氨酸（GAG）变为缬氨酸（GUG），一个氨基酸改变即引起溶血性贫血。

移码突变（frameshift mutation）·

在碱基序列中 插入或删除非3整倍数 的碱基，使该位点之后的三联体 阅读框架改变，导致其后所有氨基酸都改变。
会打乱原密码子、无法按序读码，转录翻译异常，常引起蛋白质分子全部改变或形成异常蛋白，导致疾病或死亡。

• 突变的两面性

  多数有害；偶尔改善蛋白功能或带来新功能、提高适应性。
  突变提供了 基因多样性 → 遗传多样性，是自然选择的丰富材料；突变体也是研究基因结构与功能的重要手段。

DNA 损伤修复·

复制中的碱基错配、重组中的结构破坏均造成损伤，生物体能进行 修复（repair）——长期进化获得的安全保护机制。

• 修复系统类型

  错配修复、光复活修复、切除修复、重组修复、易错修复。最常见为切除修复。

• 切除修复（excision repair）

  一系列酶将受损部位 切除，以另一条完整单链为模板合成，恢复正常结构。
  切除酶能识别多种损伤（如紫外线引起的 嘧啶二聚体），普遍识别双螺旋结构改变，不局限于特定原因，对保护遗传物质意义重大。

• 着色性干皮病（xeroderma pigmentosa, XP）

  修复功能缺失的典型例子，常染色体隐性（基因定位第1染色体长臂等）。
  患者切除修复系统中 切除嘧啶二聚体的核酸切除酶功能丧失，对阳光极度敏感，暴露部位色素沉积、萎缩、角化过度，极易患皮肤癌。