8455新澳门路线网址No3 DNA的结构与特征

 近几十年来,随着现代遗传学、分子生物学、细胞生物学和分子免疫学等边缘学科的飞速发展,人们对衰老的机理有了深层次的认识,在大量实验证据的基础上提出了许多新的学说。下面,就几个有代表性的并被广泛接受的学说作一简要介绍。
 
  一、遗传程序学说
 
  遗传程序学说(genetic program
theory)认为每一种物种本身固有其遗传基因上的衰老程序。该程序何时启动、如何被基因组控制?对此曾提出如下几个假说。
 
  (一)修饰基因假说
 
  修饰基因假说(modifier genes
theory)认为存在一种修饰基因,它在动物性成熟以前可以抑制对染色体的任何有害作用,而随着年龄的增长该基因的抑制作用就逐渐丧失。
 
  (二)密码子限制假说
 
  密码子限制假说(codon restriction
theory)认为在机体一定时期合成某一种成分的基因密码被抑制导致某一成分的减少以至缺失。
 
  (三)重复利用基因枯竭假说
 
  真核生物基因组有许多重复序列,这种高度重复并保守的序列预示其基因产物执行某种重要的生理功能。重复基因利用枯竭假说认为某一基因序列破坏或抑制时,则由重复序列中另一个相同基因序列来接替,当这种重复序列被耗竭时则该基因产物就缺失了。
 
  (四)DNA分子修复能力下降假说
 
  DNA分子具有很强的自我修复能力,这是保证个体稳定遗传并健康发育成长的必要条件。DNA分子修复能力下降假说认为这个修复能力的下降是衰老的一个途径。
 
  二、差错灾难学说
 
  蛋白质合成过程中的DNA复制、转录都可能产生差错,它不同于变异。多掺入或少掺入一个核苷酸、或者以另一种核苷酸替代了该位点原有核苷酸。正常情况下这些差错可由修复机制(外切酶)来修复,但这种差错也可能发生在参与这种修复机制的酶类而使该修复机制修复能力降低或丧失,这种差错在体内的累积可导致衰老。
 
  三、交联学说
 
  交联学说(cross linkage theorr)认为体内甲醛、自由基(free
radicals)等物质可以引起体内DNA分子双链间、蛋白胶原纤维间等大分子间的交联。DNA双链的交联可在DNA解链时形成“Y”形结构,使转录不能顺利进行。胶原纤维间的交联可使纤维结缔组织在正常交联的基础上过度交联,从而使对小分子物质的通透性降低,可能与结缔组织变性有关,从而影响了结缔组织的张力及韧性。故这种交联可能引起各种不良后果而导致衰老,其与衰老的确切关系尚等进一步证实。有关自由基与衰老的关系目前仍在活跃研究中。
四、体细胞突变学说
 
  突变与变异是两个截然不同的概念。变异一般是指物种在漫长的自然选择压力下,由于“适者生存”的原则而使自身遗传基因发生的某些有益于自身完善于生存环境而生存、发展的变化。突变则是指物种遗传基因在某些物理、化学、生物因素作用下,短期内发生的某些基因序列的变化。就人体而言,突变一般是对人体十分有害的。
 
  突变可以分为3大类型:点突变(point
mutation)、染色体突变(chromosomal mutation)和基因组突变(genomic
mutation)。
其中以点突变最为常见和重要,包括转换(transition)、颠换(transversion)、插入(insertion)和缺失(deletion)几种类型,前两种属于碱基置换(basesubstitution),后两种属于移码突变(frame
shift mutation) 。
 
  四、体细胞突变学说(somatic mutation
theory)认为突变引起的细胞形态变化及功能失调或丧失是人体衰老的重要原因。二倍体细胞中两条染色体上等位基因都被某些突变因素击中时,子代细胞会很快发生形成、功能的改变,甚至死亡。由此可见,二倍体细胞的衰老性改变取决于这种等位基因被击中的比率以及所造成缺陷的水平。
 
  但是,随后有些学者以纯系品种和非纯系品种果蝇、二倍体和单倍体黄峰所做的诱发突变对比研究以及以哺乳动物进行的染色体研究却在许多情况下不一定出现衰老性结果。所以,体细胞突变与衰老的确切关系尚有待进一步研究。
 
  五、脂褐素累积学说
 
  脂褐素(lipofuscin)可能由溶酶体、线粒体等细胞器中的铜发生的脂质过氧化产生。所以,脂褐素与体内氧自由基生成有关。过度加剧的脂质过氧化反应产生过量的脂褐素,从而出现脂褐素沉着。脂褐素可在神经、肌肉等组织器官系统广泛沉着,关于这种沉着对细胞是否具有危害作用尚存在争议,但是,大多数学者认为这种沉着对机体是相当有害的,是机体衰老的原因之一。
 
  六、内分泌功能减退学说
 
  内分泌系统对机体的重要性显而易见。但随着年龄的增加,机体靶组织对某些激素或活性物质的反应性发生改变或明显降低(如受体表达的的降低)。耐用内分泌系统合成功能以及分泌、调节功能等都发生某些衰老性改变,这些因素促使机体整个内分泌系统功能的紊乱和减退,从而加速了机体衰老过程。其中,神经-内分泌系统的影响尤为突出。

DNA的分子结构

20世纪初,科学界已经认识到染色体是遗传物质。发现染色体由DNA
Deoxyribonucleic Acid 和蛋白质构成。但是,倾向于认为蛋白质是遗传物质。

1944年,Avery、Macleod等使用肺炎球菌的实验证实了,毒性光滑型肺炎球菌的“转化因子”可以将部分无毒的粗糙型肺炎球菌转化为毒性光滑型,从而证实DNA是转化因子,是遗传物质。

这个实验非常重要,只要是与现代遗传学、生物科学有关的书中都会列举。实验的逻辑也被高度抽象为公式,在现代的分子生物学实验中反复出现。


1953年,Watson和Crick应用精细的X射线晶体衍射数据,推测出DNA的分子双螺旋结构。

  • DNA的基本成分是核苷酸 nucleotide,一个戊糖+一个碱基+三个磷酸构成。

  • 其中,磷酸分子链接一个戊糖的3‘碳原子,链接另一个戊糖的5’碳原子,以3‘,5’-磷酸二酯键
    phosphodiester bond
    将单个核苷酸链接为多核苷酸链。因此,每条链的一个末端为5‘末端
    end,另一个为3’末端。

  • 两条多核苷酸链以反向平行的方式,互相缠绕构成DNA双螺旋大分子。一条链是5‘-3’,另一条是3‘-5’。

  • 碱基则分为嘧啶和嘌呤两种。嘌呤包括:腺嘌呤 adenine,A;鸟嘌呤
    guanine,G;嘧啶包括:胞嘧啶 cytosine C;胸腺嘧啶 thymine
    T。二者可以形成碱基对 base pair
    bp,彼此以氢键链接,维持两条多核苷酸链互补及稳定。G-C间3个氢键;A-T间2个氢键。
    由于这种互补性 complementary ,DNA出现2种特点:

    • 知道GC的含量比例,就可以估计某DNA的碱基组分的比例。
    • 知道一条链的具体碱基构成,就可以知道另一条链的。
  • 遗传信息保存在DNA链中碱基的一级结构 primary
    structure中。以下是一些约定的书写格式:

    • 一般按照DNA复制新链的方向5‘-3’来描述DNA的碱基序列
    • 描述同一条链上的两个相邻的碱基时,我们使用一个p代表连接的磷酸二酯键,如CpG
    • 描述不同链的碱基对时,我们直接写为CG

Watson因此获得诺贝尔奖,同时代,数个小组都试图解决DNA的结构问题,也有使用X射线的。但是,其人很幸运。他青史留名了,其他人则消声觅迹了。科学研究也是很残酷的。


DNA的分子结构有如下的意义:

  • DNA链上,3个相邻的碱基构成了遗传密码的单位,4种碱基形成了4E3=64个遗传密码
  • DNA的复制是一种半保留复制 semiconservative
    replication。这种复制方式使得DNA可以以互补链为模板修复主链
  • 双链互补性也是近代分子生物学技术的基础
  • 双螺旋形成了两个沟,其中大沟是DNA与蛋白质相互作用的结构基础。转录因子的基序
    motif 与大沟的DNA相互发挥作用

发现64个遗传密码时,曾有人预言,生命的秘密将一览无余。实际上,基因组计划完成,科学家才发现,离解开生命的秘密还早。TF原来是在大沟内与DNA序列发挥作用。啧啧。。


人类所有的DNA构成了人类基因组 genome,包括核基因组 nuclear genome 和
线粒体基因组 mitochondrial genome。

  • 核基因组是指每个体细胞核中的父源或母源整套DNA,即每个细胞中有两套。每个核基因组的DNA约有
    3.2×10E9 bp。
  • 线粒体基因组是指每个线粒体中的闭环双链DNA,即线粒体DNA mitochondrial
    DNA mt DNA

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人类基因组的组成

按照不同的定义,基因有不同的分类方法:

  • 基因序列和非基因序列

    • 基因序列是基因组中决定蛋白质的DNA序列,一端有起始密码子ATG,一端有终止密码子。二者之间的DNA序列称为开放阅读框
      open reading frame,ORF
      。一个ORF就是一个基因。
    • 非基因序列是指基因组中除基因以外的全部DNA序列,包括每个基因间的DNA序列
      intergenic DNA
  • 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序列
    • 非编码序列是基因中的 内含子序列 和 基因间的序列
  • 单一序列和重复序列

    • 单一序列 unique sequence
      是指基因组中只出现一次的DNA序列,即单拷贝DNA序列。多数基因为单拷贝序列,但也有多拷贝者。非基因序列也有单一序列。
    • 重复序列 repetitive sequence
      是指基因组中反复出现的DNA序列。在人类基因组中,60-70%是单拷贝-低拷贝的DNA序列,包括编码蛋白的基因。30-40%是中度或高度重复DNA序列,将基因分隔开。
    • 1 串联重复序列 tandem repetitive sequence
      指不同长度核苷酸序列的重复单位串联在一起的高度重复序列。2-200bp,根据大小可进一步分为:卫星DNA,小卫星DNA和微卫星DNA。
      1)卫星DNA satellite DNA
      由很大串联重复DNA构成,分布在100kb-数Mb的范围。重复单位可以简短,可以复杂。主要位于染色体着丝粒异染色质区,不转录,其GC含量低于总基因组DNA,密度梯度离心呈现为主带旁的小带。
      例:α卫星是一个171bp重复单位串联构成,是着丝粒异染色质的主体,含有特异着丝粒蛋白的结合位点。
      2)小卫星DNA mini satellite DNA
      由重复单位在6-64个核苷酸的串联重复序列构成。这些序列分布于0.1-20kb的范围内。位于所有染色体的端粒,不转录。
      例:
      (1)高可变小卫星 hypervariable minisattlite
      DNA,核心共享序列是GGGCAGGANG(N为任一核苷酸)。是人类细胞同源重组的热点。
      (2)染色体端粒DNA,3-20kb串联,六核苷酸重复单位,TTAGGG,由特异的端粒酶加上,担负端粒的功能。
      3)微卫星DNA micro satellite DNA
      由2-6个核苷酸为重复单位的串联重复序列组成,数量多,分散于基因组中,又称为短串联重复序列
      short tandem repeat
      STR。常构成染色体着丝粒、端粒和Y染色体长臂的染色质区,大多由复制滑动产生(?)。
      双核苷酸重复排列是最常见的类型,约占基因组的0.5% 。例:CA/TG
      1/36kb;AT/TA 1/50kb;AG/CT 1/125kb;CG/GC
      1/10Mb。因为CpG双核苷酸易于甲基化并随后去氨基。

      微卫星DNA的意义不清楚,其多态性可作为遗传学研究的遗传标记。
      某些微卫星DNA位于基因的编码序列,因为易于复制滑动而常为突变热点。例:(CGG)n等三核苷酸重复的动态突变是某些神经肌肉系统疾病的原因。
    • 2 分散重复序列 interspersed repeated sequence
      这是一种分布于基因组内散在的重复序列。
      按照序列的长短,分为 短分散核元件 short interspersed nuclear
      element,SINE;长分散核元件 long interspersed nuclear
      element,LINE。
      1)SINE
      长度在100-400bp,拷贝数达10E6以上。在人基因组中,SINE间的平均距离
      2.2kb,分散在基因内、基因间或基因簇内,甚至内含子中也含有SINE,但外显子中没有。
      例:Alu序列是人类基因组中含量最高的重复序列。282bp构成,内含限制性内切酶Alu
      I
      的识别序列
      AGCT(因此得名),约有50-70万拷贝。它存在于人和一些灵长类基因组中,因而可以作为其重要标记。
      2)LINE
      长度5000-7000bp,拷贝数达10E2-10E4.
      例:Kpn I家族内含限制性内切酶Kpn
      I
      识别的序列,分散在基因组中。这些序列构成可转座元件
      transposable
      elements
      ,使DNA可以在基因组内由一个染色体转移到另一个染色体。

这个部分中,术语很多。其中 Alu
序列曾经在文献中读过。非基因序列与非编码序列相比,后者多个内含子。重复序列中的多种定义需要牢记,越来越多的实验发现,这些最初认为是垃圾的序列有很重要的作用。—你需要记住,如果你想成为一名遗传学家,或者遗传咨询师

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