垃圾DNA

星期一, 六月 20, 2011 16:54
Post by Kai    

DNA双螺旋(DNA double helix):一种核酸的构象,在该构象中,两条反向平行的多核甘酸链相互缠绕形成一个右手的双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧,磷酸与糖基在外侧,通过磷 酸二脂键相连,形成核酸的骨架。碱基平面与假象的中心轴垂直,糖环平面则与轴平行,两条链皆为右手螺旋。双螺旋的直径为2nm,碱基堆积距离为 0.34nm, 两核甘酸之间的夹角是36゜,每对螺旋由10对碱基组成,碱基按A-T,G-C配对互补,彼此以氢键相联系。维持DNA双螺旋结构的稳定的力主要是碱基堆 积力

DNA是一种长链聚合物,组成单位称为核苷酸,而糖类与磷酸分子借由酯键相 连,组成其长链骨架。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相接,这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,是蛋白质氨基酸序列合成的依 据。读取密码的过程称为转录,是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息,另有一些本身就拥有特殊功能,例如 rRNA、snRNA与siRNA。

四链体DNA

Sundpuist和Klug在模拟1种原生动物棘毛虫的端粒DNA时,人工合成了1段DNA序列,发现在一定条件下模拟的富G单链DNA可形成四链体DNA结构。由此推测染色体端粒尾的单链之间也形成了四链体。Kang等人分别用实验证实在晶体和溶液中,富G DNA也能够形成四链体DNA结构。

四链体DNA的基本结构单位是G-四联体,即在四联体的中心有1个由4个带负电荷的羧基氧原子围 成的“口袋”通过G-四联体的堆积可以形成分子内或分子间的右手螺旋,与DNA双螺旋结构比较,G-四联体螺旋有2个显著的特点:1、它的稳定性决定于口 袋内所结合的阳离子种类,已知k离子的结合使四联体螺旋最稳定;2、它的热力学和动力学性质都很稳定。就目前对一些生物的DNA序列分析得知,富鸟嘌呤的 DNA序列多见于一些在功能上及进化上都相当保守的基因组区域,许多研究表明,富鸟嘌呤DNA链所形成的G-DNA可能是作为分子之间相互识别的元件之 一,在生物体细胞中起着一些特殊作用。

DNA 历史

最早分离出DNA的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生,他在1869年,从废弃绷带里所残留的脓液中,发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中, 因此米歇尔称之为“核素”(nuclein)。到了1919年,菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元,他认为DNA可能是 许多核苷酸经由磷酸基团的联结,而串联在一起。不过他所提出概念中,DNA长链较短,且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年,威廉·阿斯特伯里完 成了第一张X光衍射图,阐明了DNA结构的规律性。

1928年,弗雷德里克·格里菲斯从格里菲斯实验中发现,平滑型的肺炎球菌,能转变成为粗糙型的同种细菌, 方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。这种现象称为“转型”。但造成此现象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奥斯瓦尔德·埃弗里等人 所辨识出来。1953年,阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能,他们在赫希-蔡斯实验中发现,DNA是T2噬菌体的遗传物质。

剑桥大学里一面纪念克里克与DNA结构的彩绘窗。到了1953年,当时在卡文迪许实验室的詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克,依据伦敦国王学院的罗莎琳·富兰克林所拍摄的X光衍射图及相关资料,提出了最早的DNA结构精确模型,并发表于《自然》期 刊。五篇关于此模型的实验证据论文,也同时以同一主题发表于《自然》。其中包括富兰克林与雷蒙·葛斯林的论文,此文所附带的X光衍射图,是沃森与克里克阐 明DNA结构的关键证据。此外莫里斯·威尔金斯团队也是同期论文的发表者之一。富兰克林与葛斯林随后又提出了A型与B型DNA双螺旋结构之间的差异。 1962年,沃森、克里克以及威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

克里克在1957年的一场演说中,提出了分子生物学的中心法则,预测了DNA、RNA以及蛋白质之 间的关系,并阐述了“转接子假说”(即后来的tRNA)。1958年,马修·梅瑟生与富兰克林·史达在梅瑟生-史达实验中,确认了DNA的复制机制。后来 克里克团队的研究显示,遗传密码是由三个碱基以不重复的方式所组成,称为密码子。这些密码子所构成的遗传密码,最后是由哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W· 霍利以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出。为了测出所有人类的DNA序列,人类基因组计划于1990年代展开。到了2001年,多国合作的国际团队与私人企业 塞雷拉基因组公司,分别将人类基因组序列草图发表于《自然》与《科学》两份期刊。

DNA 内部解密

DNA

DNA是由四种东西组成,这四种东西的总名字叫核苷酸,就像四个兄弟一样,它们都姓核苷酸,但名字却有所不同,分别是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T), 这四种名字很难记,不过只要记住DNA是由四种核苷酸只是随便聚在一起的、而且它们相互的连接没有什么规律,但后来核苷酸其实不一样,而且它们相互组合的 方式也千变万化,大有奥秘。现在,人们已基本上了解了遗传是如何发生的。20世纪的生物学研究发现:人体是由细胞构成的,细胞由细胞膜、细胞质和细胞核等组成。已知在细胞核中有一种物质叫染色体,它主要由一些叫做脱氧核糖核酸(DNA)的物质组成。

生物的遗传物质存在于所有的细胞中,这种物质叫核酸。核酸由核苷酸聚合而成。每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基构成。碱基有五种,分别为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)。每个核苷酸只含有这五种碱基中的一种。

单 个的核苷酸连成一条链,两条核苷酸链按一定的顺序排列,然后再扭成“麻花”样,就构成脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构。在这个结构中,每三个碱基可以组 成一个遗传的“密码”,而一个DNA上的碱基多达几百万,所以每个DNA就是一个大大的遗传密码本,里面所藏的遗传信息多得数不清,这种DNA分子就存在 于细胞核中的染色体上。它们会随着细胞分裂传递遗传密码。

人的遗传性状由密码来传递。人大概有2.5万个基因,而每个基因是由密码来决定的。人的基因中既有相同的部分,又有不同的部分。不同的部分决定人与人的区别,即人的多样性。人的DNA共有30亿个遗传密码,排列组成约2.5万个基因。

DNA 具体结构

DNA

DNA是由许多脱氧核苷酸残基按一定顺序彼此用3’,5’-磷酸二酯键相连构成的长链。大多数DNA含有两条这样的长链,也有的DNA为单链,如大肠杆菌噬菌体φX174、G4、M13等。有的DNA为环形,有的DNA为线形。主要含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶4 种碱基。在某些类型的DNA中,5-甲基胞嘧啶可在一定限度内取代胞嘧啶,其中小麦胚DNA的5-甲基胞嘧啶特别丰富,可达6摩尔%。在某些噬菌体中,5 -羟甲基胞嘧啶取代了胞嘧啶。40年代后期,查加夫(E.Chargaff)发现不同物种DNA的碱基组成不同,但其中的腺嘌呤数等于其胸腺嘧啶数(A= T),鸟嘌呤数等于胞嘧啶数(G=C),因而嘌呤数之和等于嘧啶数之和。一般用几个层次描绘DNA的结构。

一级结构

DNA的一级结构即是其碱基序列。基因就是DNA的一个片段,基因的遗传信息贮存在其碱基序列中。1975 年美国的吉尔伯特(W.Gilbert)和英国的桑格(F.Sanger)分别创立了DNA一级结构的快速测定方法,他们为此共获1980年度诺贝尔化学奖。自那时以后,测定方法又不断得到改进,已有不少DNA的一级结构已确立。如人线粒体环DNA含有16569个碱基对,λ噬菌体DNA含有48502个碱基对,水稻叶绿体基因组含134525个碱基对,烟草叶绿体基因组含155844个碱基对等。现在美国已计划在10至15年内将人类DNA分子中全部约30亿个核苷酸对序列测定出来。

二级结构

1953 年,沃森(Watson)和克里克(Crick)提出DNA纤维的基本结构是双螺旋结构,后来这个模型得到科学家们的公认,并用以解释复制、转录等重要的 生命过程。经深入研究,发现因湿度和碱基序列等条件不同,DNA双螺旋可有多种类型,主要分成A、B和Z3大类。

一般认为,B构型最 接近细胞中的DNA构象,它与双螺旋模型非常相似。A-DNA与RNA分子中的双螺旋区以及转录时形成的DNA-RNA杂交分子构象接近。Z-DNA以核 苷酸二聚体为单元左向缠绕,其主链呈锯齿(Z)形,故名。这种构型适合多核苷酸链的嘌呤嘧啶交替区。1989年,美国科学家用扫描隧道电镜法直接观察到双 螺旋DNA 双螺旋DNA1952年,奥地利裔美国生物化学家查伽夫(E.chargaff,1905— )测定了DNA中4种碱基的含量,发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等,鸟膘呤与胞嘧啶的数量相等。这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应 的关系,形成了腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的概念。

DNA 复制

DNA

DNA是遗传信息的载体,故亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝,并分配到两个子细胞中去,完成其遗传信息载体的使命。而DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。

(一)DNA的半保留复制
Waston 和Click在提出DNA双螺旋结构模型时曾就DNA复制过程进行过研究,发现DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂(通过解旋酶),双螺旋结构解旋分 开,每条链分别作模板合成新链。由于每个子代DNA的一条链来自亲代,另一条则是新合成的,故称之为半保留式复制(semiconservative replication)。

(二)DNA复制过程
1.DNA双螺旋的解旋
(1)单链DNA结合蛋白(single—stranded DNA binding protein, ssbDNA蛋白)
(2)DNA解链酶(DNA helicase)
(3)DNA解链
2.冈崎片段与半不连续复制
3.复制的引发和终止

(三)端粒和端粒酶
1941年美籍印度人麦克林托克(Mc Clintock)就提出了端粒(telomere)的假说,认为染色体末端必然存在一种特殊结构——端粒。现在已知染色体端粒的作用至少有二:① 保护染色体末端免受损伤,使染色体保持稳定;② 与核纤层相连,使染色体得以定位。

DNA 损害

有许多不同种类的突变原可对DNA造成损害,其中包括氧化剂、烷化剂,以及高能电磁辐射,如紫外线与X射线。 不同的突变原对DNA造成不同类型的损害,举例而言,紫外线会造成胸腺嘧啶二聚体的形成,并与相邻的碱基产生交叉,进而使DNA发生损害。另一方面,氧化 剂如自由基或过氧化氢,可造成多种不同形态的损害,尤其可对鸟苷进行碱基修饰,并且使双股分解。根据估计,在一个人类细胞中,每天大约有500个碱基遭受 氧化损害。在各种氧化损害当中,以双股分解最为危险,此种损害难以修复,且可造成DNA序列的点突变、插入与删除,以及染色体易位。

许多突变原可嵌入相邻的两个碱基对之间,这些嵌入剂大多是芳香性分子及平面分子,包括乙锭、道诺霉素、阿霉素与 沙利窦迈。必须先使碱基之间的空隙变大,才能使嵌入剂置入碱基对之间,整体而言,DNA会因为双螺旋解开而扭曲变形。结构改变会使转录作用与DNA复制过 程受到抑制,进而导致毒害与突变。因此DNA嵌入剂通常也是致癌物,常见的例子有二醇环氧苯并芘、吖啶、黄曲毒素与溴化乙锭等。但是这些物质也因为能够抑 制DNA的转录与复制,而可应用于化学治疗中,用以抑制癌症细胞的快速生长情形。

DNA 分布功能

原核细胞的染色体是一个长DNA分子。真核细胞核中有不止一个染色体,每个染色体也只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中 的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种的所有蛋白质和RNA结构的全部遗传信息;策划生物有次序地合成细胞和组织组分的 时间和空间;确定生物生命周期自始至终的活性和确定生物的个性。除染色体DNA外,有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞的线粒体和叶绿体中。DNA病 毒的遗传物质也是DNA。

DNA 技术应用

DNA

20世纪50年代,DNA双螺旋结构被阐明,揭开了生命科学的 新篇章,开创了科学技术的新时代。随后,遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及 基因表达的调控相继被认识。至此,人们已完全认识到掌握所有生物命运的东西就是DNA和它所包含的基因,生物的进化过程和生命过程的不同,就是因为DNA 和基因运作轨迹不同所致。知道DNA的重大作用和价值后,生命科学家首先想到能否在某些与人类利益密切相关的方面打破自然遗传的铁律,让患病者的基因改邪归正以达治病目的,把不同来源的基因片段进行“嫁接”以产生新品种和新品质。于是,一个充满了诱惑力的科学幻想奇迹般地成为现实。这是发生在20世纪70年代初的事情。

实现这一科学奇迹的科技手段就是DNA重组技术。1972年,美国科学家保罗·伯格首次成功地重组了世界上第一批DNA分子,标志着DNA重组技术――基因工程作 为现代生物工程的基础,成为现代生物技术和生命科学的基础与核心。DNA重组技术的具体内容就是采用人工手段将不同来源的含某种特定基因的DNA片段进行 重组,以达到改变生物基因类型和获得特定基因产物的目的的一种高科学技术。到了20世纪70年代中后期,由于出现了工程菌以及实现DNA重组和后处理都有 工程化的性质,基因工程或 遗传工程作为DNA重组技术的代名词被广泛使用。现在,基因工程还包括基因组的改造、核酸序列分析、分子进化分析、分子免疫学、基因克隆、基因诊断和基因 治疗等内容。可以说,DNA重组技术创立近 30多年来所获得的丰硕成果已经把人们带进了一个不可思议的梦幻般的科学世界,使人类获得了打开生命奥秘和防病治病“魔盒”的金钥匙。

DNA重组技术已经取得的成果是多方面的。到20世纪末,DNA重组技术最大的应用领域在医药方面,包括活性多肽、蛋白质和疫苗的生产,疾病发生机理、诊断和治疗,新基因的分离以及环境监测与净化。

许多活性多肽和 蛋白质都具有治疗和预防疾病的作用,它们都是从相应的基因中产生的。但是由于在组织细胞内产量极微,所以采用常规方法很难获得足够量供临床应用。基因工程 则突破了这一局限性,能够大量生产这类多肽和蛋白质,已成功地生产出治疗糖尿病和精神分裂症的胰岛素,对血癌和某些实体肿瘤有疗效的抗病毒剂――干扰素, 治疗侏儒症的人体生长激素,治疗肢端肥大症和急性胰腺炎的生长激素释放抑制因子等100多种产品。基因工程还可将有关抗原的DNA导入活的微生物,这种微 生物在受免疫应激后的宿主体内生长可产生弱毒活疫苗,具有抗原刺激剂量大、且持续时间长等优点。在研制的基因工程疫苗就有数十种之多,在对付细菌方面有针 对麻风杆菌、百日咳杆菌、淋球菌、脑膜炎双球菌等的疫苗;在对付病毒方面有针对甲型肝炎、乙型肝炎、巨细胞病毒、单纯疱疹、流感、人体免疫缺陷病毒等的疫苗。中国乙肝病毒携带者和乙肝患者多达一二亿,这一情况更促使了中国科学家自行成功研制出乙肝疫苗,取得了巨大的社会效益和经济效益。

抗体是 人体免疫系统防病抗病的主要武器之一,20世纪70年代创立的单克隆抗体技术在防病抗病方面虽然发挥了重要作用,但由于人源性单抗很难获得,使得单抗在临 床上的应用受到限制。为解决此问题,近年来科学家采用DNA重组技术已获得了人源性抗体,这种抗体既可保证它与抗原结合的专一性和亲合力,又能保证正常功 能的发挥。已有多种这样的抗体进行了临床试验,如抗HER-2人源化单抗治疗乳腺癌已进入Ⅲ期试验,抗IGE人源化单抗治疗哮喘病已进入Ⅱ期试验。

抗生素在治疗疾病上起到了重要作用,随着抗生素数量的增加,用传统方法发现新抗生素的几率越来越低。为了获取更多的新型抗生素,采用DNA重组技术已成为重要手段之一。人们已获得数十种基因工程“杂合”的抗生素,为临床应用开辟了新的治疗途径。值得指出的是,以上所述基因工程多肽、蛋白质、疫苗、抗生素等防治药物不仅在有效控制疾病,而且在避免毒副作用方面也往往优于以传统方法生产的同类药品,因而更受人们青睐。

人类疾病都直接或间接与基因相关,在基因水 平上对疾病进行诊断和治疗,则既可达到病因诊断的准确性和原始 性,又可使诊断和治疗工作达到特异性强、灵敏度高、简便快速的目的。于基因水平进行诊断和治疗在专业上称为基因诊断和基因治疗。基因诊断作为第四代临床诊 断技术已被广泛应用于对遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、病毒细菌寄生虫病和职业病等的诊断;而基因治疗的目标则是通过DNA重组技术创建具有特定功能的基因 重组体,以补偿失去功能的基因的作用,或是增加某种功能以利对异常细胞进行矫正或消灭。在理论上,基因治疗是治本治愈而无任何毒副作用的 疗法。不过,尽管国际上已有100多个基因治疗方案正处于临床试验阶段,但基因治疗在理论和技术上的一些难题仍使这种治疗方法离大规模应用还有一段很长的 距离。不论是确定基因病因还是实施基因诊断、基因治疗、研究疾病发生机理,关键的先决条件是要了解特定疾病的相关基因。随着“人类基因组计划”的临近完 成,科学家们对人体全部基因将会获得全面的了解,这就为运用基因重组技术造逼于人类健康事业创造了条件。

不过,虽然基因技术向人类展示了它奇妙的“魔术师”般的魅力,但也有大量的科学家对这种技术的发展予以人类伦理和生态演化的自然法则的冲击表示出极大的担忧。从理论上来讲,这种技术发展的一个极致就是使人类拥有了创造任何生命形态或从未有过的生物的能力。人们能够想像这将是怎样的结果吗?

DNA 亲子鉴定

DNA

鉴定亲子关系用得最多的是DNA分型鉴定。人的血液、毛发、唾液、口腔细胞等都可以用于用亲子鉴定, 十分方便。 一个人有23对(46条)染色体,同一对染色体同一位置上的一对基因称为等位基因,一般一个来自父亲,一个来自母亲。如果检测到某个DNA位点的等位基 因,一个与母亲相同,另一个就应与父亲相同,否则就存在疑问了。利用DNA进行亲子鉴定,只要作十几至几十个DNA位点作检测,如果全部一样,就可以确定 亲子关系,如果有3个以上的位点不同,则可排除亲子关系,有一两个位点不同,则应考虑基因突变的可能,加做一些位点的检测进行辨别。DNA亲子鉴定,否定 亲子关系的准确率几近100%,肯定亲子关系的准确率可达到99.99%。

DNA亲子鉴定测试的常见问题。DNA(脱氧核糖核酸)是 人身体内细胞的原子物质。 每个原子有46个染色体,另外,男性的精子细胞和妇人的卵子,各有23个染色体,当精子和卵子结合的时候。这46个原子染色体就制造一个生命,因此,每人 从生父处继承一半的分子物质,而另一半则从生母处获得。

DNA亲子鉴定测试与传统的血液测试有很大的不同。 它可以在不同的样本上进行测试,包括血液,腮腔细胞,组织细胞样本和精液样本。 由于血液型号, 例如A型,B型,O型或RH型,在人口中比较普遍,用于分辨每一个人,便不如DNA亲子鉴定测试有效。除了真正双胞胎外,每人的DNA是独一无二的。由于 它是这样独特,就好像指纹一样,用于亲子鉴定,DNA是最为有效的方法。人们的结果通常是比法庭上要求的还准确10到100倍。

DNA 超速离心

垃圾dna并不垃圾!

酵母和蠕虫之 类的简单生物是如何进化为鸟和哺乳动物这样的复杂生物的呢?一项针对基因组进行的广泛比较研究显示,问题的答案可能就隐藏在生物的垃圾脱氧核糖核酸 (DNA)中。美国科学家发现,生物越复杂,其携带的垃圾DNA就越多,而恰恰是这些没有编码的“无用”DNA帮助高等生物进化出了复杂的机体。

自从第一个真核生物——包括从酵母到人类的有细胞核的生物—— 的基因组被破译以来,科学家一直想知道,为什么生物的大多数DNA并没有形成有用的基因。从突变保护到染色体的结构支撑,对于这种所谓的垃圾DNA的可能 解释有许多种。但是去年从人类、小鼠和大鼠身上得到的完全一致的关于垃圾DNA的研究结果却表明,在这一区域中可能包含有重要的调节机制,从而能够控制基 础的生物化学反应和发育进程,这将帮助生物进化出更为复杂的机体。与简单的真核生物相比,复杂生物有更多的基因不会发生突变的事实无疑极大地强化了这一发 现。

为了对这一问题有更深的了解,由美国加利福尼亚大学圣塔克鲁斯分校(UCSC)的计算生物学家David Haussler领导的一个研究小组,对5种脊椎动物——人、小鼠、大鼠、鸡和河豚——的垃圾DNA序列与4种昆虫、两种蠕虫和7种酵母的垃圾DNA序列进行了比较。研究人员从对比结果中得到了一个惊人的模式:生物越复杂,垃圾DNA似乎就越重要。

这其中暗含的可能性在于,如果不同种类的生物具有相同的DNA,那么这些DNA必定是用来解决一些关键性的问题的。酵母与脊椎动物共享了一定数量的DNA,毕竟它们都需要制造蛋白质,但是只有15%的共有DNA与基因无关。研究小组在7月14日的《基因组研究》杂志网络版上报告说,他们将酵母与更为复杂的蠕虫进行了比较,后者是一种多细胞生物,发现有40%的共有DNA没有被编码。随后,研究人员又将脊椎动物与昆虫进行了对比,这些生物比蠕虫更为复杂,结果发现,有超过66%的共有DNA包含有没有编码的DNA。

参 与该项研究工作的UCSC计算生物学家Adam Siepel指出,有关蠕虫的研究结果需要慎重对待,这是由于科学家仅仅对其中的两个基因组进行了分析。尽管如此,Siepel还是认为,这一发现有力地 支持了这样一种理论,即脊椎动物和昆虫的生物复杂性的增加主要是由于基因调节的精细模式。

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