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武大遗传学
武汉大学分子遗传学记
第一章 绪论
1.1分子遗传学的含义
1.不能把分子遗传学单纯地理解成中心法则的演绎
*分子遗传学≠中心法则
传统：
分子遗传学=中心法则
实际：
分子遗传学≠中心法则，他首先是遗传学，其坚实的理论基础仍然是摩尔根的《基因论》中心法则只是对基因，性状及突变在核酸分子水平上的解释。
从中心法则到性状的形成仍然是一个复杂的甚至未知的遗传，变异与发育的生物学过程。
分子遗传学不仅盯住DNA/RNA，蛋白质，更要研究活细胞内与遗传便宜有关的一切分子事件。
分子遗传学≠核酸+蛋白质
分子遗传学研究的对象是分子水平上的生物学过程-遗传与变异的过程。
它研究的是动态的生物学过程，而不是脱离生物体，在试管里孤立地研究生物大分子的结构与功能。
1992年，Nature的主编J.Maddox曾著文Ismolecularbiologyyetascience？
指出：
"现在有那么一些叫分子生物学家的人，他们的文章无视全部的动物，植物，也很少言及他们的生理学。
实验的大部分资料来自所谓的'凝胶'---""分子生物学在很大程度上变成定性的科学。
---如果事情只是简单的说明某个基因版本与某种遗传病相关，那么，分离这种片段（如电泳），然后测序足以。
"但是"以往的巨大成就表明，生命过程是由严格控制下进行的一些有序事件组成"他说：
"在人们长期为细胞生物学现象寻找定性的解释中，他们将会相信细胞只不过是一个充满了分子开关的袋子，他们作为分子传动器或开或关而出现在预定的事件序列中。
要真正在分子水平上了解遗传变异的本质，仅仅研究核酸或蛋白质的生物化学是不够的。
分子遗传学所研究的应该是细胞中动态的遗传变异过程，以及与其相关的分子事件。
所以不止是中心法则，核酸，蛋白质。
2.分子遗传学不是核酸及其产物（蛋白质）的生物化学
分子遗传学是分子生物学的一个分支，或理解为狭义的分子生物学。
他依照物理，化学的原理来解释遗传现象，并在分子水平上研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。
因此，分子遗传学是在生命信息大分子的结构，功能及相互关系的基础上研究遗传与变异的科学。
3.传统的遗传学"主要研究遗传单元在各世代的分布情况"，分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存，复制，表达及调控过程。
研究范畴如下：
DNARNAProtein现象
信息源信息模板工作分子生长、分化、发育、代谢
1.2分子遗传学的产生
1.物理学的渗透
1945年奥地利物理学家量子力学的创始人之一薛定谔（ERWINSCHRMODINGER）的《生命是什么》一书出版。
倡导用物理学的思想和方法探讨生命的秘密。
引入热力学第二定律，熵概念等。
他认为有机体在不断地增加他的熵并趋向最大值的熵的危险状态，那就是死亡。
要摆脱死亡而正常生长发育，就要从环境中吸取负熵，负熵是一个积极的东西。
有机体就是依赖负熵为生的。
他认为生命系统中可能还包含迄今未知的"其他的物理学定律"极大地鼓励着很多物理学家转入生物学来研究基因的本性。
整个40年代，新的物理学定律并未发现，但信息论，量子论，氢键等概念把生物学推向分子水平。
2.微生物学向遗传学的靠拢
1926年摩尔根的《基因论》已经问世，但20世纪30年代，微生物学家采用拉马克的遗传观念，因为他们对微生物的遗传可塑性有很深刻的印象。
如在含有致死药物的培养基上，可以很容易培育出各种致死药物有抗性的微生物品系；把不能利用乳糖的微生物放在乳糖为主要营养的培养基上，可以培育出利用乳糖的新品种。
似乎人们所期望的微生物的任何变异都能通过适当的培养而产生出来，这使人们容易相信培养基中的物质可以引起微生物遗传结构的定向变异。
事实并非如此，40年代抗生素的大规模使用，发生了病原菌的抗药性问题。
实验表明，病原菌的一种抗药性在没有该药存在的情况下随机地发生了。
说明抗药性的产生并不是由于微生物在某种药物的作用下的后天获得性遗传，而是随机发生的自发突变经过药物的筛选作用，使不具有抗药性的菌体死亡，使具有抗药性的变异菌体大量繁殖起来。
于是，拉马克倒了，人们转向摩尔根的基因突变理论。
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3.生化遗传学的出现
近代遗传学的基础已经稳固建立，开始研究基因是怎么发生作用的问题。
生物化学家自然把性状的差别与不同的生化反应联系起来，把支配性状的基因与控制生化反应的酶联系起来。
1923年英国人加罗德（GARROD），人类的尿黑酸尿症是一种隐性遗传病。
当这种纯合隐性基因存在时就不能产生尿黑酸酶，使尿黑酸（蛋白质的代谢产物）不能最终分解为二氧化碳和水而积累于血液中。
表明基因通过酶合成的控制而影响遗传性状的发育。
4.从生化遗传学到分子遗传学
基因与酶（蛋白质）的对应性，使人们想到了基因在遗传信息上与其产物相关。
三个重要发现更促成了生化遗传学向分子遗传学的转变：
40年代解决了遗传的物质基础问题
1928年FGriffith，肺炎球菌
1944OTAvery肺炎球菌遗传物质转化
50年代确定了分子水平上的遗传机理问题
1953JWatsonFCrkckDNA分子的双螺旋模型碱基配对原则
60年代解决了遗传密码问题
1955FSanger胰岛素氨基酸序列确定
1958FCrick提出中心法则
1967年"遗传密码字典"问世
1.3分子遗传学的展望
1.基因的概念
一门科学都是以概念为基础的。
化学以原子-分子概念为基础，而遗传学则是以基因概念为基础。
基因概念的演变标志着遗传学的发展。
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什么是基因？
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摩尔根在《基因论》中提出遗传粒子理论，整个基因论是以粒子性的基因彼此独立互不重叠。
好象线上的连珠。
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分子遗传学的发展证明基因不仅可以重叠，而且可被分隔。
为此，GILBERT1978年提出"基因是转录单位"代替了"基因是功能单位"的概念。
仍然有些不妥，因为有的基因（如启动子基因或操纵子基因）并不转录或不完全转录，而作为一个单位转录下来的MRNA也往往不是一个基因。
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以前认为基因是染色体上成直线排列的独立单位，现在发现一些相关的基因在染色体上的排列不是杂乱无章的，而是构成一个小的"家族"或基因群。
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基因及基因型的稳定性一直是传统遗传学的重要概念，而1952年MCCLINTOCK在玉米中发现了转座子即跳跃基因。
30年后的1983年她为此获得诺贝尔奖金。
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基因的概念还将会不断改进。
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2.真核细胞的基因调控
原核生物的操纵子模型比较彻底地了解原核生物的基因调控。
但操纵子模型对真核生物不适用。
因为：
这一简单的基因调控模型无法解释高等生物体中复杂性状的分化与发育过程。
这种模型的调控灵敏度MRNA很快地被制造又很快地被消耗能够对外界的生存条件作出快速反应，而真核生物中MRNA的半衰期很长。
真核生物许多协同作用的基因是分散在若干不同的染色体上，而原核生物只有一条染色体。
因此真核生物的调控过程是分子遗传学的一项战略性任务。
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3.遗传与发育
遗传和发育的研究"分久必合"。
阐明基因对发育中的个体如何发生作用？
这将会进一步扩大遗传学的观念。
发育过程中基因通过怎样的调控系统参与分化的？
这些基因活动形式的发生与遗传的分子机制是什么？
随着分子遗传学的发展，或许会出现基因发育学。
将来通过遗传物质的分子活动能控制生物的发育分化吗？
能否控制生男生女，体质和容貌吗？
能否消灭遗传病，癌症？
1997年"克隆羊"（Dolly）的诞生，由分化的体细胞发育出来的后代。
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4.自我组合过程
生物的遗传与发育过程就是一个自我组合过程。
将T4的各个部件混于溶液中，它们将会自动地装配成完整的T4。
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5.遗传工程
遗传工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学，微生物遗传学的手段来改造或重组生物遗传特性的一门新技术。
主要指基因重组技术。
遗传工程在实际应用上有着巨大潜力。
DNA扩增技术大量地生产细胞中产量极微而又具有极大应用价值的基因产物如胰岛素，生长激素，干扰素等。
基因的重组与转化主要以大肠杆菌，酵母以及培养细胞为受体，而遗传工程的一个引人注目的发展是试图在整体动物或植物之间进行基因转移，真正改造生物的遗传性状或治疗人类的遗传疾病。
超级小鼠的问世。
真核生物的基因组极其庞大。
在整体情况下研究某一基因，常因条件错综复杂而难以分析。
重组DNA技术使我们可以把需要的基因分离出来，对其进行重组和改造，或把他放回严格控制的细胞中去研究基因的结构和功能，或获取理想的蛋白质产品。
近年来的蛋白质工程，应用基因重组技术去改造蛋白质分子结构，修改蛋白质的DNA编码，创造出新的蛋白质。
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6.基因组计划
人类基因组计划（humangenomeprojectHGP）在全世界以深为人知，这应该是当今生命科学中最重大而热门的课题。
人类基因组计划的最主要的目的是解读人类基因组的正常结构，功能，及基因的异常与人类疾病。
并由此会带来巨大的经济效益。
这项计划是从1987年主要在美国以全基因组DNA测序为目标开始进行的（1990年正式启动）。
已耗资300亿美元并将接近完成
第二章遗传物质的基础——DNA的结构与性质
2.1核酸是遗传物质
遗传物质这种特殊的分子必须具备以下基本特点：
1.稳定地含有关于有机体细胞结构，功能，发育和繁殖的各种信息
2.能精确地复制，这样后代细胞才能具有和亲代细胞相同的信息
3.能够变异，通过突变和重组生物才能发生改变，适应和进化
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遗传物质的发现
1928年英国FGriffith的肺炎球菌转化实验导致了遗传物质的发现。
十年后OAvery的体外转化实验弄清了这种转化因子的化学本质是DNA，而不是蛋白质或其他的大分子。
1952年Hershey-Chase的实验使遗传物质的结论得到了进一步的证实，而于1969年获得了诺贝尔医学生理学奖。
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RNA也是遗传物质：
如烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。
2.2DNA携带两类不同的遗传信息
DNA几乎是所有生物的遗传信息的携带者，除开少数RNA病毒之外。
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DNA携带着两类不同的遗传信息：
一类是负责蛋白质的氨基酸组成的信息，以三联体密码子进行编码
另一类遗传信息是关于基因选择性表达的信息
2.3DNA和RNA的化学组成及双螺旋模型
1.DNA和RNA的化学组成
核酸包括DNA和RNA。
经水解成单核苷酸（nucleotides），单核苷酸由磷酸基团（phosphategroup）和核苷（nucleotide）组成，核苷含有戊糖（pentose）和碱基（base）。
DNA中戊糖是D-脱氧核糖，碱基是ATGC；而RNA中戊糖是D-核糖。
碱基是AUGC。
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2.DNA双螺旋模型的诞生
美国JDWatson在芝加哥大学读本科时对鸟类赶兴趣，到了高年级时，他想了解基因是什么。
1949年他带着这种想法进入了剑桥大学卡文迪实验室医学研究组，与物理出生的青年学者FCrick合作，决定研究DNA的分子结构。
Crick在1946年读了薛定谔（ESchrodinger）的名著（生命是什么）后，舍弃物理学转向生命科学领域。
刚到剑桥大学时Watson由于自己的化学与物理学基础较差而担心听不懂RFranklin所做的关于DNAX-衍射的研究学术报告，而两年后（1953年）他与Crick却建立了DNA分子的双螺旋模型，论文虽然很短，却是划时代的发现。
可以说是孟德尔定律之后，在遗传学和分子生物学领域中最伟大的发现。
因此，人们将这一发现看成是分子遗传学的起点。
没有双螺旋就没有现在的基因工程，就没有分子生物学的迅猛发展。
这一模型是生物学与物理学，结构化学交叉融合的结果。
尽管FRANKLIN和WILKINS在DNA的X衍射研究方面非常突出，但却未能提出DNA的结构模型，就因为他们缺乏生物化学方面的知识。
但没有他们的工作，WATSON和CRICK建立的模型也不能及时得到验证。
1951年WATSONG去英国进修生物化学。
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双螺旋的建立是建立在前人科研成果的基础上的主要是四个影响：
a.WTAstury和BellX衍射技术研究DNA。
1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片。
b.1951年Pauling和Corey在美国科学院报上连载了7篇有关a-螺旋结构的文章轰动了全世界，引起了Watson和剑桥科学家们的注意。
c.美国晶体学者JDonohue的指正和Chargaff的当量规律都帮助Watson-Crick纠正了
起初A-AG-GC-CT-T的同类配对的错误想法。
而提出碱基互补的正确构型。
d.RFranklin和Wilkins在1952年底拍得了一张十分清晰的DNA结晶X衍射照片。
为双螺旋结构模型提供了强有力的依据和佐证。
他们把数据整理好后与"DNA双螺旋结构"一文同时发表，因此JKWatson，Crick，Wilkins分享了1962年的诺贝尔奖，可惜的是FRANKLIN1958年就英年早世未能享受这一最高荣誉。
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3.双螺旋模型的特点
DNA双螺旋模型有以下特点：
a.DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋，即从一端看过去，是以顺时针方向旋转。
b.双螺旋的直径是2nm；螺距为3。
4nm，上下相连的碱基的垂直距离为0。
34nm，交角为36度，每个螺旋有10个碱基对。
c.两条链反向平行即两条链的5'和3'的方向相反。
d.糖-磷酸键是在双螺旋的外侧，两条链上的碱基通过氢键形成碱基对，使两条链在一起。
e.糖与附着在糖上的碱基近于垂直。
f.碱基配对为嘌呤对嘧啶。
g.DNA双螺旋有大沟（majororwidegroove）和小沟（minorornarrowgroove）的存在
2.4DNA的结构和性质
1.DNA的一级结构
DNA结构是由脱氧核糖核酸通过3'5'磷酸二酯键连接而成的高聚物。
DNA的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。
DNA的一级结构的测序工作进展很快。
1975年Sanger提出新的测序策略。
酶法：
Sanger加减法-->末端终止法（双脱氧法）
化学方法：
MaxamGilbert化学断裂法（硫酸二甲酯，肼）`
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2.DNA的二级结构
双螺旋结构模型的特点（见上一节）
DNA双螺旋的种类（DNA二级结构多形性）：
1953年WatsonandCrick提出的DNA右手双螺旋模型属于B型双螺旋。
除B型构象外，还存在有A，C，D，E等构象的右手双螺旋构象以及Z构象左手双螺旋。
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B-DNA与Z-DNA
DNA类型每一螺旋的碱基对数每对螺旋的碱基对数碱基对间的距离（nm）螺旋直径（nm）
B10右旋36度0.3381.9-2.0
Z12左旋30度0.3711.8
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Z-DNA与染色质的结构及功能的关系
a.与染色质结构的关系
SV40基因组中三个潜在的Z-DNA区段处于不能形成核小体的区域，说明Z-DNA构象与核小体结构的形成有关
b.与基因活性的关系
与基因转录活性的调控有关
Z-构象的研究意义：
1979年AHJWANG发现六聚体D（CpGpCpGpCpGp）
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决定双螺旋结构状态的因素（维系该结构的力）
氢键
碱基堆集力
带负电荷的磷酸基的静电斥力
碱基分子内能
3.DNA物理结构的不均一性
反向重复序列（invertedrepeats）：
又称回文结构Palindrome（图示）
富含A/T的序列
嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响（图表）
4.DNA的变性，复性，杂交,Cot曲线
1）变性
变性的方法，测量变性的方法：
光吸收法，增色效应
2）复性
复性条件，复性机制
3）杂交
杂交原理及程序图示
4）Cot曲线
DNA复性的二级方程
5.DNA超螺旋和拓扑异构现象（略）
6.常见的DNA分子形式及其相互关系（略）
3.2真核生物C值矛盾
同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，一个单倍体基因组中的全部DNA量称为该物
种的C值。
不同物种的C值也不同。
最小的支原体为104bp，而最大的两栖类或某些显花植物可
达1011bp。
后者比人类高出几十倍，这无法让人理解，这种形态学复杂程度与C值大小不一致的C值反常现象称为C值矛盾。
有待回答的几个问题：
位于基因内DNA成分（包括转录而不翻译的区域，如内含子以及编码序列的两翼序列）究竟占基因组的多大比例？
这些基因中有多少是必需基因？
多少是非必需基因？
非基因DNA成分的功能是什么？
基因组DNAC值的巨大差异对基因组的活动和功能究竟有什么影响
3.3原核生物染色体及其基因
原核生物和真核生物比较
第二节基因组大小与C值矛盾
第三节原核生物染色体及其基因
第四节真核生物的染色体
第五节真核生物的基因
第六节基因定位
第七节基因的分子进化
第八节早期生命进化的三界系统理论
3.5真核生物的基因
1.真核生物基因组的一般特点
真核生物的基因组一般比较庞大，远大于原核生物的基因组。
真核生物的DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。
真核基因组存在着许多重复序列，重复次数可达几百万以上。
绝大多数真核生物编码蛋白质的基因为断裂基因，即结构基因是不连续排列的，中
间由插入序列隔开。
真核生物基因组中不编码的区域多于编码区域。
真核生物不仅含有核内染色体DNA，还有核外细胞器DNA、核外细胞器有线立体DNA和叶绿体DNA。
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2.断裂基因（不连续基因）interruptedordiscontinuousgenes
SV40A蛋白基因含有一段346NT的间隔区。
每个活性珠蛋白基因含有两个间隔区。
卵清蛋白基因含有7个插入序列被分成八段。
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3.基因家族与基因簇genefamily&genecluster
定义：
真核生物基因组中许多来源相同，结构相似，功能相关的基因在染色体上成
串存在，这样的一组基因称为基因家族。
多基因家族是真核生物基因组织的一个重要特征。
多基因家族在基因组中的分布情况不同，有些基因成串排列集中在一条染色体上，
集中成簇的一组基因形成基因簇。
也称串联重复基因（见后）。
如组蛋白基因,rRNA基因,tRNA基因等。
而有些基因家族成员不集中排列，而是分散在基因组的不同部位。
如干扰素，珠蛋白，生长激素，SOX基因家族。
在多基因家族中，有些成员不具有任何功能，这类基因叫假基因（pseudogene）。
4.串联重复基因`
特征：
A.各成员间有高度的序列一致性或完全相同。
B.拷贝数高，几十个至几百个。
因其在细胞中的需要量很大。
C.非转录的间隔区短而一致。
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组蛋白基因
五种组蛋白基因彼此靠近构成一个重复单位。
许多这样的重复单位串联在一起，构
成组蛋白基因簇。
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rRNA基因
原核生物有三种rRNA：
5S，16S，23S
真核生物有四种rRNA：
5.8S,18S,28S,5S
主体rRNA：
三种主体rRNA基因组成重复单位，转录出一个45SrRNA，经转录后处理切除间隔区成为18S，5.8S，28S三种rRNA。
核仁：
核中rRNA基因大量地转录成RNA，由于其染色性质与DNA不同，在光学显微镜下形成特殊的区域，这一结构，称为核仁（nucleole）。
含有rDNA串联重复单位的染色体称为核仁组织者（nucleoolarorganizers）。
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tRNA基因
tRNA长约70-80bp，其基因约长140bp。
TRNA也是串联重复排列，但个重复单位中各个tRNA基因可以相同可以不相同。
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5.细胞器基因
真核生物细胞器中有两类细胞器能够携带遗传物质。
动物生殖细胞中只有卵子才有线立体基因，而精子缺乏。
线立体DNA多为环状非重复DNA序列。
属于核外DNA。
线粒体和叶绿体均编码自身所需的某些蛋白质以及tRNA和rRNA，其余均由核基因编码。
细胞器有自己的蛋白质合成器。
只有两种rRNA。
哺乳为12S和16S，酵母为18S和21S（含有一内含子）。
tRNA比核内编码的tRNA小。
酵母DNA为84kb。
其上面的基因有三个特点。
哺乳动物线立体DNA不同于酵母。
人体线立体基因排列非常紧密。
人类线立体DNA为16.569kb。
含37个基因；13个蛋白质基因；1个cytb基因；2个ATP酶亚基基因；3个CO亚基基因（细胞色素氧化酶亚基）；7个NADH脱氢酶亚基基因；2个rRNA基因：
12SrRNA、16SrRNA；22个tRNA基因
3.4真核生物的染色体
真核生物DNA复性动力学
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真核生物染色体上的单一序列和重复序列以及卫星DNA
单一序列又称非重复序列
轻度重复序列
中度重复序列
高度重复序列
卫星DNA的等级结构及其起源和进化
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染色质和核小体
染色质chromatin
核小体nucleosome
着丝粒centromere
端粒telomere
第四章DNA复制、转录与翻译
4.1DNA复制
一.DNA的半保留复制
Watson&Crick最早提出DNA的半保留复制机制。
即是：
DNA分子的双螺旋在复制时分开，各自作为新链合成时的模板，复制后，每一个新的双链DNA分子都是由一条亲链和一条新合成的子链组成的。
合成过程中亲链和子链间严格的碱基配对是DNA复制的基础。
图示DNA复制（Meselson-Stahl实验——Cscl超离心显示不同比重DNA带）
二.复制原点，方向和方式或DNA复制是从特定的位点开始并按特定的方向进行
实验证明，DNA分子复制时不是随机起始的，而是从特定的位点开始的，这一特定的位点叫做复制起始点或复制原点，常用ori或o表示。
许多生物的复制点都是DNA呼吸作用强烈的区段，即是经常开放的区段（frequentlyopeningregion）亦即富含A，T的区段。
这一区段产生瞬时单链与SSB蛋白（single-strandedDNAbindingprotein）结合，对复制的起始十分重要。
复制从特定的位置开始，大多数双向进行，也有一些单向的或以不对称的双向方式进行。
在复制原点双链DNA解旋形成复制叉。
在复制叉处，新合成的子链DNA以各自的亲链为模板，总是从5'-3'方向合成。
复制叉是不对称的，即两条新合成的链中，一条链是连续合成，叫前导链（leadingstrand），另一条链是在模板DNA指导下，通过一个叫DNA引发酶的蛋白质，在特定的间隔区先合成大约10个NT的RNA引物为DNA聚合酶提供3‘——OH，然后合成一个称之为冈崎片段的不连续的DNA片段，再经专门的DNA修复系统，去除RNA引物，再经DNA连接酶通过磷酸二酯键将其连起来，完成该子链的合成，这一条链叫后随链（laggingstrand）
。
依据DNA合成的起始方式，复制分为两种类型：
复制叉式（包括复制）和滚环式复制又叫复制。
三.DNA复制的酶学
是一个复杂的酶学过程，需要30多种酶而后蛋白质的参与，构成复制体（replisome）
1.DNA聚合酶及其聚合反应
DNAPOL是指以脱氧核苷三磷酸为底物催化合成DNA的一类酶，其催化反应为：
DNApol.DNA-OH——————》DNA-（pdN）n+nppidNTPMg2+
这一原理被应用于现代技术中如PCR中的Tag酶作用机理。
所有真核生物和原核生物
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