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遗传的分子细胞基础

一、人类基因组

人类基因组指人体细胞内的全部脱氧核糖核酸(DNA)序列,包括人的所有遗传信息,由核基因组(nucleargenome)和线粒体基因组(mitochondrialgenome)组成(图1-1)。完整的核基因组由细胞核内24条不同染色体(22条常染色体和2条性染色体X、Y)所对应的24个不同的DNA分子组成,约有30多亿个碱基对(3.2×10?9?bp)。线粒体基因组指存在于线粒体中的闭环双链DNA,即线粒体DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)。

图1-1人类基因组的组成

(一)DNA双螺旋结构

1944年,Avery、MacLeod和McCarty等通过肺炎球菌转化实验证实,真正的遗传物质并非蛋白质,而是DNA。1953年,Watson和Crick通过对DNA分子X射线衍射数据的分析,创立了DNA分子的双螺旋结构模型。如图1-2所示,DNA是两条多核苷酸链平行反向缠绕形成的双螺旋大分子,其基本组成单位为核苷酸。每个核苷酸包括戊糖(脱氧核糖)、磷酸基团和含氮碱基。碱基有两种类型,一种为嘌呤,包括腺嘌呤(adenine,A)和鸟嘌呤(guanine,G);另一种为嘧啶,包括胞嘧啶(cytosine,C)和胸腺嘧啶(thymine,T)。

1.双螺旋结构模型的主要内容

(1)DNA分子的两条链围绕一个假设的共同轴心形成右手螺旋结构,双螺旋的螺距为3.4nm,直径为2.0nm。

(2)链的骨架由亲水性脱氧核糖和磷酸构成,位于双螺旋的外侧。

(3)疏水性碱基位于双螺旋的内侧,两条链的嘌呤和嘧啶以氢键相结合,称为碱基互补配对或碱基对(basepair,bp),A与T互补配对形成两个氢键(A==T),G与C互补配对形成三个氢键(G≡C)。

图1-2DNA的双螺旋结构

(4)DNA双螺旋的两条链反向平行,一条链为5′→3′方向,另一条链为3′→5′方向,双链在空间上构成一条大沟(majorgroove)和一条小沟(minorgroove)。

2.DNA双螺旋分子的重要生物学意义

(1)DNA分子的碱基序列储存着大量的遗传信息。长度为n个碱基的DNA分子可能呈现4?n?种排列顺序,相邻3个碱基构成一个遗传密码,共有4?3?=64个遗传密码。因此,生物体的全部遗传信息以碱基的不同排列顺序蕴藏在全部DNA序列之中。

(2)DNA分子的碱基互补结构是DNA复制和修复的基础。DNA复制时,双链的每条链都可作为合成新链的模板(template),生成的子代DNA包含一条模板链和一条新生链。当DNA分子受损修复时,可在DNA修复酶的作用下,以互补链为模板,按碱基互补原则进行修复,替代受损的碱基。

(3)DNA分子的双链互补性是分子杂交技术原理的基础。单链DNA通过碱基互补从复杂的分子混合物中找到其互补链。许多检测和分析基因功能的研究方法,如DNA印迹(Southernblotting)、RNA印迹(Northernblotting)、PCR、DNA测序、DNA人工合成、DNA芯片等技术,都是依据碱基互补配对的原理而实现分子识别。

(4)DNA双螺旋结构中的大沟是DNA与蛋白质相互作用的结构基础。两条多核苷酸链相互缠绕的双螺旋分子形成大沟和小沟,在基因转录时,转录因子的基序(motif)识别并结合于DNA分子的大沟而发挥作用。

(二)核基因组DNA序列的特征

核基因组是指每个体细胞核中的父源或母源整套DNA,即每个体细胞有两套核基因组;每个核基因组的DNA约长3.2×10?9?bp。人类基因组中DNA序列的不同,决定了其具有不同的功能。主要有以下序列特征:

1.基因序列和非基因序列

人类基因组序列中约1.5%为编码蛋白质的基因序列,约5%为非编码蛋白质的调控基因序列和RNA基因,约75%为基因外的非编码DNA序列(其中55%为重复序列)。编码蛋白质的基因序列由起始密码子(ATG)开始,到终止密码子(TAA、TGA或TAG)结束。起始密码子和终止密码子之间的DNA序列称为可读框(openreadingframe,ORF)。一个ORF相当于一个基因,其长短视不同的基因而异。非基因序列是指基因组中除基因序列以外的全部DNA序列,包括每个基因之间的基因间DNA(intergenicDNA)。

2.编码序列和非编码序列

编码序列是指编码蛋白质的DNA序列,也就是基因中的外显子(exon)编码序列。基因中的内含子(intron)不编码蛋白质,故非编码序列包括基因中的内含子序列、调控序列以及基因间的序列。

3.单一序列和重复序列

单一序列(uniquesequence)是指在基因组中只出现一次的DNA序列,即单拷贝DNA序列。多数基因序列为单一序列,有些基因序列在基因组中出现多个拷贝;非基因

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