DNA 的秘密 生命的科學與本質
1953 年,Watson 和 Crick 確立了 DNA 雙螺旋模型
遺傳學基本定律 一 Mendel 的遺傳學定律 二 基因的聯鎖與交換 三 性染色體和性聯遺傳
基因的奧秘 一 基因是由什麼物質組成的 二 生物一致性 (DNA) 三 生物中心法則 (Central Dogma)
中心法則 (Center dogma) 遺傳訊息 (genetic information) 以鹼基序列 (base sequence) 的形式貯存在 DNA 分子中, 再由親代傳給子代, 並決定了蛋白質分子的胺基酸 (amino acid) 組成和序列等, 而決定了生物體的性狀 基因的表現 (expression) 與調控 (regulation) 決定了生物體的特徵和代謝過程 By Chih-Hsin Hung, 2007
1953 年 2 月 28 日,Watson 和 Crick 提出了 DNA 雙螺旋結構理論, 按照該理論, DNA( 去氧核糖核酸 ) 是由核苷酸單體連接形成的大分子聚合體 每一個核苷酸單體由三部分組成 : 一個五碳糖分子 一個磷酸和一個含氮的鹼基 鹼基包括腺嘌呤 (A) 鳥嘌呤 (G) 胸腺嘧啶 (T) 和胞嘧啶 (C) 四種 一個核苷酸單體五碳糖第五位碳的磷酸與另一個核苷酸單體五碳糖第三位碳上的羥基相連, 形成 3,5 - 磷酸二酯鍵, 如此重複連接形成核酸鏈的磷酸五碳糖基本骨架 鹼基則與骨架上五碳糖的第一位碳相連 DNA 分子是由兩條去氧核糖核酸長鏈互以鹼基配對相連而成的螺旋狀雙鏈分子, 這兩條鏈繞同一軸盤繞形成右旋的雙螺旋結構 兩條鏈的鹼基對之間由氫鍵相連, 連接的原則是 A 與 T 配對,G 與 C 配對, 兩條鏈是互補的
RNA 的組成和作用 RNA 是核糖核酸的縮寫 它與去氧核糖核酸 (DNA) 的主要差別在於 :RNA 大多是單鏈分子 含核糖而不是去氧核糖 四種核苷酸中, 不含胸腺嘧啶 (T), 而是由脲嘧啶 (U) 代替了胸腺嘧啶 (T) 細胞中主要有三種 RNA, 即傳訊 RNA(mRNA), 核糖體 RNA(rRNA) 和轉送 RNA(tRNA)
遺傳密碼與蛋白質合成 一 遺傳密碼的破解 (DNA 字典 ) 二 遺傳訊息的轉錄 三 蛋白質的合成
一 遺傳密碼的破解 遺傳密碼的最後破解不是由理論推演獲得的, 而是在兩位分子生物學家無數艱苦的實驗之後
遺傳密碼 1966 年,Nirenberg 和 Khorana 等人完成了對全部遺傳密碼的轉譯, 在全部 64 個密碼子中, 61 個密碼子負責 20 種胺基酸的轉譯,1 個是起始密碼子,3 個是終止信號 ( 終止密碼子 ) 1968 年 Nirenberg 和 Khorana 共同獲得諾貝爾獎
1966 年,Nirenberg 和 Khorana 等人完成了對全部遺傳密碼的轉譯, 在全部 64 個密碼子中, 61 個密碼子負責 20 種胺基酸的轉譯,1 個是起始密碼子,3 個是終止信號 ( 終止密碼子 ) 1968 年 Nirenberg 和 Khorana 共同獲得諾貝爾獎
二 遺傳訊息的轉錄 轉錄發生在細胞核中, 以 DNA 分子為模板, 按照鹼基互補的原則, 合成一條單鏈的 RNA,DNA 分子攜帶的遺傳訊息被轉移到 RNA 分子中, 細胞中的這一過程稱為轉錄 轉錄開始時,DNA 分子首先局部解開為兩條單鏈, 雙鏈 DNA 中只有其中一條單鏈成為新鏈 RNA 合成的模板 在 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 的作用下, 游離的核糖核苷酸以氫鍵與模板 DNA 上互補的鹼基配對並連接成鏈, 然後新的單鏈從模板上解離下來 新 RNA 鏈合成過程中, 與 DNA 複製所不同的是, 轉錄中脲嘧啶 (U) 替代胸腺嘧啶 (T) 並與模板的腺嘌呤 (A) 相配對 在細胞中, 轉錄的開始是由 DNA 鏈上的轉錄起始信號 啟動子 (promoter)( 一段特定的核苷酸序列 ) 控制的 啟動子正好位於被轉錄基因 ( 單位 ) 的開始位置, 它是位於轉錄單位 5 端 ( 上游 ) 特異的一段約 100 bp 的 DNA 序列, 是 DNA 聚合酶識別並結合形成轉錄複合物的部位 新的 RNA 鏈的合成與延伸也是由 5 向 3 方向進行的, 在核酸鏈中靠近 5 的序列, 稱為上游序列, 相對於該序列靠近 3 的序列, 稱為下游序列 轉錄的最後階段, 終止 RNA 新鏈合成由終止子 (terminator) 的核苷酸序列控制的 當 RNA 聚合酶移行到 DNA 上的終止子時, 轉錄便停止下來 終止子是在轉錄過程中提供轉錄終止信號的序列, 終止子與啟動子有所不同, 啟動子由 DNA 序列提供信號, 但起終止作用的不是 DNA 序列本身, 而是轉錄生成的 RNA
真核生物細胞核 mrna 真核生物細胞核中,DNA 鏈上具有不能編碼蛋白質的核苷酸片段即內含子 (intron) 和編碼蛋白質的核苷酸片段即外顯子 (exon) 轉錄後新合成的 mrna 是未成熟的 mrna, 又稱為前驅 mrna (pre-mrna), 它是核內非均一 RNA(hnRNA) 的一部分 剪接 (splicing) 除去內含子, 還要在轉錄後的 RNA 的 5 端加一個 7- 甲基鳥苷酸 帽子 和在 3 端加上一個聚合腺苷酸尾 (poly A tail), 最後形成較短的有功能的成熟 mrna 真核細胞 mrna 分子 5 端帽子結構有以下主要功能 (1) 供核糖體 40 S 小次單位識別 (2) 保護合成中的轉錄產物免受核酸外切酶的分解 (3) 與成熟的轉錄產物從核內輸送到細胞質的過程密切相關聯 (4) 確保前驅 mrna 的正確剪接 大多數 mrna 的 poly A 尾上游 10~35 個核苷酸處都含有 AAUAAA 序列 ( 少數為 AUUAAA) 如果這 6 個核苷酸序列的鹼基發生了突變,3' 端的加尾就被抑制, 並導致轉錄產物在核內被迅速分解
三 蛋白質的合成 1. 轉譯開始時, 核糖體小次單位先與 mrna 的起始密碼 ( 如 AUG) 部位和一個帶有相應補密碼的特定 trna 相結合, 在原核細胞中, 這個 trna 另一端攜帶著甲醯甲硫胺酸 (fmet); 在真核細胞中, 這個 trna 另一端攜帶著甲硫胺酸 (Met) 2. 起始 trna 處於核糖體的 P 位 ( 肽醯 trna 結合位 ), 空著的 A 位 ( 胺醯 trna 解碼位 ) 準備接受下一個胺醯 trna 接下來, 按照 mrna 上密碼子順序確定的下一個胺基酸由相應的胺醯 trna 攜帶進入到 A 位
分子遺傳的 中心法則 (central dogma) DNA 分子也可以轉錄成 mrna, mrna 再把遺傳訊息轉譯成蛋白質, 即遺傳訊息由 DNA RNA 蛋白質流動 生物的遺傳特徵藉由 DNA RNA 蛋白質的傳遞過程又稱為基因表現 (gene expression)
基因突變 基因突變可能改變蛋白質 ( 酶 ) 的結構與功能, 使生物體的形態 結構 代謝過程和生理功能等特徵發生改變, 嚴重的突變則影響生物體的生存力, 甚至導致生物個體的死亡
鐮形血球貧血症 患有該貧血症的病人紅血球由正常的圓盤形變成了鐮刀狀, 血液變得很黏稠, 紅血球在微血管中聚集形成栓塞, 導致腎功能衰竭和心血管及腦血管障礙性貧血, 最終造成死亡 引起鐮形血球貧血症的原因就是基因的點突變, 即編碼血紅素 β- 肽鏈上一個決定麩胺酸的密碼子 GAA 變成了 GUA, 使得 β- 肽鏈上的麩胺酸變成了纈胺酸, 引起了血紅素的結構和功能發生了根本的改變
人類基因體計劃簡介 一 基因體概念 人類基因體結構和人類基因體計劃二 人類基因體研究技術和策略三 人類基因體計劃的科學意義四 關於後基因體時代及生物資訊學
一 基因體概念 人類基因體結構和人類基因體計劃 基因體是生物體內遺傳訊息的集合體, 是某一個特定物種細胞內部全部 DNA 分子的整體 基因體學 (genomics): 從總體的角度解析生物體整個基因體的全部遺傳訊息, 可以幫助我們從一個全新的方向來探討生物的結構 功能 生長 發育 遺傳 演化以及健康與疾病等重要問題 不同人之間基因體的鹼基排列順序絕大多數一致, 但也有著極小的差異, 主要出現於 DNA 個別位置上鹼基有所不同, 這種遺傳性差異稱為 單核苷酸多形性 (SNP) 1988 年, 美國國家衛生研究院和能源部研究計劃 人類基因體計劃 (Human Genome Project, HGP) 人類基因體計劃研究成果初步揭示, 人類核基因體 DNA 總長約為 31.647 億個 bp, 分散為 24 條長度不一的線形 DNA 分子, 最長的分子為 250 Mb(megabase, 百萬鹼基對 ), 最短的為 55 Mb 目前最新的研究成果又顯示, 人類基因數目不多於 2.5 萬個
人類基因體 每個細胞都含有相同的基因體重複 人類絕大多數細胞為二倍體, 即細胞核內有 23 對 總數為 46 條染色體 其中 22 對為體染色體, 每對都有相同的 2 條染色體 ; 另一對為性染色體, 性染色體有 X 染色體和 Y 染色體兩種 人類基因體主要是指核基因體, 因此人類基因體包括了 24 條染色體 (22+X+Y) 上的全部基因
三 人類基因體計劃的科學意義 2000 年 6 月 26-- 人類基因體草圖完成 由研究基因序列, 人類可以進一步分辨出人與人之間 族群與族群之間在生理上的差異及其分子基礎, 並在此基礎上進一步分析所有與疾病相關的序列差異, 為新時代的 個人醫學 提供基礎 根據每個人特定的基因圖譜判斷這個人的健康情況, 預測某種疾病潛在的發病可能性 對一些遺傳性疾病如糖尿病 肥胖症 精神病等的遺傳基因進行詳細的研究, 找到相應的預防 治療措施, 對人類的優生具有重大意義 基因診斷技術, 作為一種快速 高效 準確的診斷方法, 在人類基因體解讀後將會迅速成長起來 基因治療就是利用基因工程的方法, 藉由導入人體功能基因, 修補 改變已知的缺陷基因, 對相關疾病進行治療和預防 治療性複製技術, 複製技術為器官將導致器官移植的重大突破 人類基因體計劃將促進基因工程藥物的研究開發, 為新藥的研製和篩選提供必要的訊息和手段, 科學家屆時可以根據癌症 心臟病等的病因, 開發治療藥物 基因技術使藥物對疾病的療效不斷提高, 而價格卻不斷降低, 特別是基因技術為一些疑難 甚至在以前稱為絕症的疾病提出治療途徑 人類基因體計劃正在繪製的控制人類從出生到死亡全過程的 DNA 聯絡圖 將引導人類進入一個全新的時代
人類基因體計劃完成後, 破解的大量基因訊息將成為醫學 醫藥等方面技術創新的泉源, 其研究成果產業化帶來的商業利潤是無法估量的, 同時也會給我們的生活帶來極可觀的變化
基因診斷技術 基因診斷的優勢不僅僅是快速 高效 準確, 而且具有兩個無可比擬的優勢 超前性 : 利用基因診斷可以在某些遺傳疾病或病毒性疾病在發病前就診斷出來, 這使得許多疾病的提前預防成為可能, 這種超前性的診斷還可以讓醫生根據每個人的特點提出治療方案 即時性 : 在治療過程中可利用基因治療對患者的病情快速檢驗, 有助於醫生根據實際情況對治療方案進行及時的修改 目前在美國每年要進行多達 400 萬次的基因臨床檢驗, 許多大醫院對新生兒做鐮形血球貧血症 先天性甲狀腺病及苯丙酮尿症的常規檢查, 以提前發現新生兒是否存在遺傳性疾病
四 關於後基因體時代 (post-genomic era) 巨量基因體序列訊息, 全面破解基因在生命活動中的內在作用和運動規律 在基因體階層上闡明 DNA 序列的功能 認識各基因及蛋白質的功能和相互關聯等, 是後基因體時代研究的主要內容, 統稱為功能基因體學 (functional genomics) 功能基因體研究涉及的生命科學研究領域, 包括分子生物學 細胞生物學 生物化學 遺傳學 生物資訊學等, 其中生物資訊學在功能基因體研究中具有特殊重要的作用, 基因體對生命的整體控制必須藉由它所表達的全部蛋白質來執行, 隨著蛋白質分析技術的發展, 系統地解析蛋白質的結構與功能以及蛋白質間的相互關係和相互作用成為可能 生物資訊學與結構生物學的結合形成了稱為蛋白體學的尖端領域 基因體和蛋白質體 (proteome) 研究的新成果, 不但為描繪整個生物體運動的規律提供了全方位的訊息, 而且將在針對目標蛋白的新藥設計等方面產生巨大的經濟效益
生物資訊學 (Bioinformatics) 美國人類基因體的 5 年報告做了如下的定義 生物資訊學是包含了生物資訊的獲取 加工存儲 分配 分析 解釋等在內的整合學科, 綜合運用數學 電腦科學和生物學的各種工具闡明大量數據所包含的生物學意義 生物資訊學是電腦 網路發展和各種生物資料庫迅猛增長的形勢下組織數據, 並從資料庫中提取生物學新知識的科學 它具有學科整合 獨特的開放性等特點 具體而言, 生物資訊學把基因體 DNA 序列訊息分析作為源頭, 找出基因體序列中代表 RNA 和蛋白質的編碼區和非編碼區, 破解隱藏在 DNA 序列中的遺傳密碼 ; 同時, 歸納 整理與基因體遺傳訊息釋放及其調控相關的轉錄譜和蛋白質譜數據, 因而為在分子階層上認識代謝 發育 遺傳和演化的規律提供依據
基因功能的生物資訊學研究平臺基本架構包括 : (1) 生物數據存儲系統 (2) 基本數據處理和分析工具集 (3) 高級資訊學研究工具集 (4) 參考資料分析系統 (5) 基於互聯網的服務界面 例如 : 針對目前科學家們常用的 Genbank PubMed COG 等資料庫, 美國國家生物技術訊息中心還提供了 Entrez 和 Blast 等訊息提取和分析工具 此外, 利用生物資訊學的研究方法, 從蛋白質資料庫中提取的注釋訊息結合有關次細胞結構的訊息, 可以進行蛋白質的次細胞定位分析和預測, 藉由對已知跨膜螺旋區蛋白質序列特徵的統計, 還可以進行膜蛋白的三維結構分析和預測等