遗传信息的载体DNA物理与电子科学学院Word下载.docx

1、从生物学功能的角度诞生了遗传学：1866年Mendel开创遗传学，1880年德国的Flemming发现染色体，1902年德国的Boveri获得证据支持染色体为遗传的物质基础，1910年后美国的Morgan及其学生丰富和发展了染色体的遗传学说。而从生物的化学成分之角度出现了生物化学：1869年，瑞士的Miescher在研究伤口脓细胞化学成分的过程中发现核素，其后德国的Kossel发现了核酸中的嘌呤和嘧啶，二十世纪初美国的Levene确定以核苷酸连接为基础的核酸一级结构，瑞典的Caspersson等证明染色体含核酸和蛋白质，但当时研究DNA生物化学和生物物理的专家以为DNA无特异性、缺乏信息携带能

2、力。1928年，研究肺炎致病性细菌的过程中，英国的Griffith分析不同类型病例分布后推测不同型的肺炎球菌可能会变化，之后设计实验发现了转化现象。1944年，美国洛克菲勒医学研究所的Avery、MacLeod和McCarty研究转化的物质基础，提出脱氧核糖核酸（DNA）是改变细菌可遗传特性的转化因子。其后研究验证DNA的转化活性、证明DNA有特异性、发现转化活性不局限于特定细菌的特定性状。DNA是遗传的物质基础的概念刺激进一步研究，最重要的是1953年Watson和Crick在Franklin和Wilkins对DNA进行X线衍射的基础上提出DNA结构的双螺旋模型，分子生物学随之而诞生。1核酸

3、及其化学结构1-1 核酸的发现米歇尔（Johann Friedrich Miescher，1844-1895）出生于科学世家，父亲曾任瑞士的巴塞尔（Basel）大学生理学教授、舅舅Wilhelm His（1831-1904）为著名解剖学家。1868年春，米歇尔毕业于巴塞尔医学院后，因不感兴趣行医、自己听觉有问题、而舅舅认为“组织发育的剩余问题只能依据化学基础来解决”（Dahm，2005），米歇尔到德国图宾根接受科学训练。他在有机化学实验室工作一学期后转入Felix Hoppe-Seyler（1825-1895）实验室。Hoppe-Seyler乃时称“生理化学”（现称生物化学）的先驱，他发现血红

4、蛋白的可逆性氧化、并命名（hemoglobin），他命名蛋白质为proteid（现称protein）。Hoppe-Seyler建议米歇尔研究淋巴细胞的化学成分，米歇尔因难以从淋巴结获足够量的纯化淋巴细胞，转而研究可大量获得的白细胞，其来源为外科诊所绷带上的脓。米歇尔起初关注白细胞的蛋白质，他意识到蛋白质和脂肪主要位于细胞质。在研究过程中发现一种物质被酸沉淀、加碱中和后再溶于水，其特性不同于蛋白质和脂肪，他认为是新的物质，并猜测来源于细胞核，从而命名为核素（nuclein）的物质。在偶尔发现后，他重新设计实验、改进方法，用硫酸钠分离而不损坏白细胞，摸索出分离细胞核的方法，用一定比例稀盐酸去除细胞

5、质，再反复用水和乙醚洗去附着于细胞核的脂肪，最后得到较纯的细胞核制备。用一比十万的碳酸钠处理细胞核，可以得到“物质的黄色溶液”，加乙酸或盐酸得到沉淀，碱中和后沉淀可溶（Dahm，2005）。因为这一方法获核素量不多，他探索了第二种分类核素的方法，其中用胰蛋白酶降低提取物的蛋白质含量。有足量核素后，他分析发现核素含碳、氢、氧、氮，而且含大量的磷，但不含蛋白质中常见的硫。从核素的溶解性和化学组成，米歇尔推测发现了新的物质。1869年，米歇尔离开图宾根Hoppe-Seyler的实验室到莱比锡，在那里写好论文于当年投稿给Hoppe-Seyler主编的杂志，后者对米歇尔的结果有怀疑，直到自己和另一学生重

6、复米歇尔的实验后，Hoppe-Seyler才同意在1871年发表米歇尔的论文（Miescher，1871），题目是“脓细胞的化学组成”（Dahm，2008），同期还刊登了Hoppe-Seyler本人及其学生Plsz的文章，两篇皆验证米歇尔的结论：Hoppe-Seyler完全肯定米歇尔的工作，并验证核素的磷含量高；Plsz验证核素只存在于鸡和蛇的有核红细胞、而不存在于牛的无核红细胞。1871年Miescher回Basel，1872年接父亲和舅舅任过的教职。在Basel，他从莱茵河三文鱼的精子提取了大量核素（Miescher，1874）。他知道核素不仅在鱼，也在蛙、牛、鸡的精子中。1872年至18

7、74年，他提出核素中的磷都以磷酸形式存在，核素至少含有四种碱基。以化学分析为开端的核酸研究，起初不是为了特定生物功能的分子基础。Hoppe-Seyler认为发现细胞核的物质很重要，米歇尔认为自己发现的新物质其重要性不亚于蛋白质。米歇尔发现精子中有核素后，提出“如果单个物质可以是受精的特异原因的话，那么无疑首先应该考虑的是核素”。但他又觉得不太可能是一种物质，其原因之一是核素好像不可能有很大的多样性，难以解释个体性状的多样性（Dahm，2005）。1-2 核酸的化学分析Hoppe-Seyler在斯特拉斯堡大学建立了德国首个生物化学系。1872年，Albrecht Kossel （1853-192

8、7）听过Hoppe-Seyler的生理化学和病理化学课，1877年Kossel毕业于Rostock大学并考完行医执照后，加入Hoppe-Seyler的实验室，1878年开始发表有关核素的研究（Kossel，1879；Jones，1953），1883年到柏林大学工作。1885年，他从酵母的核素中发现腺嘌呤（adenine，A）。德国科学家Richard Altmann （1852-1900）获得无蛋白的核酸制备，于1889年提出核酸的名词（Altmann，1889），米歇尔认为核酸和核素相同，无需改名。Kossel用Altmann的制备进一步分析，1891年宣布发现核酸含磷酸、腺嘌呤、鸟嘌呤（g

9、uanine，G）（Kossel，1891）。1893年他和学生发现核酸含胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）。1901年他的学生Ascoli发现尿嘧啶（uracil）（Jones，1953）。Kossel还研究了蛋白质，1884年发现细胞核中的组蛋白（histone，是二十一世纪才热门的蛋白质），1896年Kossel发现一个常见的氨基酸：组氨酸（histidine）。1-3 核酸的化学结构二十世纪上半叶的核酸生物化学专家为Phoebus Levene（1869-1940）。他在俄国圣彼得堡念过军事医学院，因俄国排犹而随家人移民美国、在纽约行医，因感兴趣研究而在哥伦

10、比亚大学注册念书，也设法获得研究训练，1896年在纽约州医院病理研究所生理化学实验室初次接触核酸。他多次到欧洲进修，曾到德国分别跟随Kossel和1902年诺贝尔化学奖得主Emil Fisher（1852-1919）。1901年John D Rockefeller（1839-1937）斥资在纽约建立与法国巴斯德研究所相媲美的洛克菲勒医学研究所。1905年Levene被第一任所长Simon Flexner聘为助理，1907年成正式研究员、并负责化学部直至1940年去世。Levene一生发表七百多篇论文，研究过核酸、蛋白质、氨基酸、脂、碳水化合物等。Levene发现了核酸中的核糖（ribose）、

11、脱氧核糖（deoxyribose），提出了核酸的化学结构（现称一级结构）：DNA（当初谓“胸腺核酸”thymus nucleic acid）由A、G、C、T四种核苷酸（nucleotides）共价键相连而成（Levene and Jacobs，1912，1929），RNA（当初谓“酵母核酸”yeast nucleic acid）由A、G、C、U四种核苷酸链接组成（Levene，1909，1917）。Levene最早于1909年提出核酸的“四核苷酸假说”（tetranucleotide hypothesis），起初仅强调核酸由四种核苷酸组成，反驳其他人提出二核苷酸、三核苷酸假说（Levene，1

12、919，1920a，1920b）。在他1912年提出DNA的结构时显示了四种核苷酸，但未提四种核苷酸的相对含量。后来四核苷酸假说被推广为DNA链中各种核苷酸的含量相同（A:T:G:C=1:1:1），是单调重复的分子、不太可能为信息的载体。2 核酸与染色质2-1 核酸的亚细胞定位1914年，德国的Robert Feulgen（1884-1955）发现DNA在溶液中通过盐酸（暴露出DNA的醛基）和Schiff试剂（品红亚硫酸，可与醛基反应）两步可显紫红色，RNA不能显色，后称Feulgen反应（Kasten，2003）。1923年，Feulgen将这一反应引入组织化学：直接在生物的组织切片上进行反

13、应，以此确定DNA在组织或细胞的存在部位。1924年他和技术员Heinrich Rossenbeck以此方法检测多种动植物组织、细胞后证明DNA存在于细胞核，不仅动物细胞核、而且植物细胞核（Feulgen和Rossenbeck，1924），因此确定了DNA的细胞核定位。Feulgen也改变了以前认为DNA（胸腺核酸）存在于动物、RNA（“酵母核酸”）存在于酵母和植物的误解。从酵母中提取DNA还要到1948年（Chargaff and Zamenhof, 1948）。2-2 核酸与染色质瑞典卡罗琳斯卡医学院的（1910-1997）发现核酸对260nm紫外线有最佳吸收峰（Casperson，193

14、2，1936），他和Morgan的学生Jack Schult用紫外检测将DNA定位于细胞核（Schultz and Caspersson，1940），并观察到果蝇唾液腺多线染色体条带变化后核酸含量变化、果蝇卵母细胞染色体数量变化可以改变核酸含量（Caspersson and Schultz，1938）。Caspersson与同事Einar Hammarsten（1889-1958）合作分析染色体的核酸和蛋白质组分，用蛋白酶消化蛋白质后得到高纯度的核酸（Caspersson，Hammarsten，Hammarsten，1935）。他们观察到果蝇多线型染色体条带与核酸的关系非常逼近核酸与遗传的关系

15、。Hammarsten和Caspersson发现DNA不是短链、而是长链，分子量很大（50万到100万），所含嘌呤环和嘧啶环的平面与链的长轴垂直（Signer, Caspersson, Hammarsten，1938）。英国Leeds大学纺织物理实验室的William Astbury 通过X线衍射分析发现垂直于长轴的两个核苷酸之间距离为3.34（Astbury and Bell，1938），Astbury认为核苷酸间距与蛋白质中氨基酸间距很接近可能不是巧合而是说明核酸与蛋白质之间有关系。1942年，比利时的Jean Brachet（1909-1988）用染色方法证明DNA在细胞核的染色体上，RNA在动物细胞浆与核仁中（Brachet，1942；Thomas，1992）。他用吡罗红（pyronin）和甲基绿（methyl green）混合染料，甲基绿染DNA显绿色，吡罗红染RNA显红色，两者都染显蓝色。而当时俄国移民美国在洛克菲勒医学研究所工作的生物化学家MosesKunitz（1887-1978）利用RNA酶（RNase，降解RNA）对热不敏感的特性，从牛胰腺提取到高纯度的RNase（Kunitz，1940）。Brachet用RNase处理组织切片，可以去除RNA的染色、只显DNA染色。他发现染色体含DNA（可看到有条带的昆虫