基因精細結構的遺傳分析第一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第一節基因概念的發展遺傳因子生物性狀的遺傳是由遺傳因子(基因)所控制的控制性狀的遺傳因子才能遺傳基因成對;基因有顯、隱之分遺傳因子在雜種中不融合，各自保持獨立性第二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1933,Nobelprizeinmedical(二)染色體是基因的載體基因是功能單位、突變單位和交換單位基因位于染色體上，并呈直線排列基因是一個化學實體基因控制相應性狀基因可以發生突變基因之間可以發生交換第三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日丹麥：NielsBohr奧地利：ErwinSchrodinger德國：MaxDelbruck促使了分子生物學的誕生(三)分子遺傳學的興起物理學的介入一是想了解傳統的物理定律是否已足以闡明遺傳學問題二是分析遺傳過程能否發現一些新的物理定律第四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日NielsBohr：1931發表《光和生命》的演講指出：科學的真正基礎就是相信在同樣的條件下，自然界總是顯示出同樣的規律性當生物學應用新的概念和研究方法時，就上升到新的研究水平第五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日德國MaxDelbruck以噬菌體為材料，認為噬菌體是一個簡單的遺傳粒子，宿主只是其營養來源，噬菌體在其中復制，既無重組，又無分離，只是核蛋白質的真正復制，可以很好地解決遺傳物質的復制模式。他們主要研究生物信息的物理學基礎，被稱為信息學派第六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日ErwinSchrodinger(奧地利)：1943年2月在愛爾蘭做了著名演講Whatislife？直接用物理學或化學的規律來描述生命現象是不行的，但是物理學或化學向生物學的滲透，可以揭開生命之謎，開辟嶄新的研究領域；生命的本質是遺傳和變異，物理學要幫助生物學解決遺傳信息的儲存、傳遞等問題；遺傳物質應有大的有機分子，遺傳性狀以密碼的形式通過染色體傳遞這些觀點使很多物理學家對生物學問題特別使遺傳學問題產生了興趣，影響了一代甚至幾代人第七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日RosalindFranklinMauriceWilkins指出：力圖把介于生物學和物理學之間的基本概念向生物學家和物理學家講清楚。他試圖用熱力學和量子力學理論來闡明生命本質，論述了他提出的一些觀點。例如有序來自無序，生物體以負熵為生，遺傳密碼本，量子躍遷式的基因突變和染色體是非周期性晶體等

------被稱為結構學派第八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.遺傳物質是DNA(或RNA)第九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DNA是遺傳物質的間接證據DNA存在于核中染色體上線粒體和葉綠體等細胞器含少量DNADNA是所有生物的染色體所共有的DNA在代謝上比較穩定體細胞的DNA含量上基本相同，性細胞減半同一種生物的干重細胞中，DNA在量和質上均恒定各類生物中能改變DNA結構的化學物質都可引起突變第十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日幾種生物的細胞中的DNA含量第十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DNA是遺傳物質的直接證據第十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日A.細菌的轉化(transformation)Griffth轉化（transformation）試驗1928年，英國醫學細菌學家FredGriffith用幾種不同的Diplocococcuspeneumoniae（現更名為Streptococcuspneumonia）做實驗。為遺傳物質提供了一個非常合適的實驗模型第十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日肺炎雙球菌的表現即特點第十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日結果表明：兩種沒有致病力的菌液組合以后產生了致病力，并從死亡的小鼠體內分離到光滑的S型菌。兩種可能解釋：R型菌利用了死亡的S型莢膜躲過了白細胞的攻擊，然后引發肺炎從死亡鼠身上提取的細菌應該是R型(不會有莢膜)R型細菌轉變成了S細菌是什么原因導致加熱殺死的S型細菌的某種因子促使R變成S。這種轉化因子是什么？第十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日尋找轉化因子的努力Griffth這一開創性的工作為人類認識遺傳物質的本質，也為分子生物學的誕生奠定了重要基礎。但他未能活著看見這些工作的意義，1941年在實驗室死于德軍對倫敦德大轟炸中1931年，Dawson和Sia(Rockefellerinstitute)發現熱殺死的S型對R型轉化實驗可以在試管中進行1940年，Avery和加拿大醫生Macleod改進了Griffith轉化實驗，初步提純了轉化因子，促使Avery開始全力研究轉化因子的本質1941年，Macleod離開實驗室，MacCarty加入進來繼續工作1944年找到了轉化因子：是脫氧核糖核酸DNA，結果發表在【實驗醫學】雜志第十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DNA是遺傳物質結果充分表明：DNA是遺傳物質第十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日OSWALDAVERY(1877-1955)In1944,OswaldAveryandhiscolleagues,ColinMacLeodandMaclyn

MccartypublishedtheirlandmarkpaperonthetransformingabilityofDNA.BorninHalifax,NovaScotiaYoungboy:playthecornet+worshippers(onSundayafternoons)+wonascholarshiptotheNationalConservatoryofMusic1893,ColgateUniversity.theleaderofthecollegeband(Babe)CollegeofPhysiciansandSurgeonstostudymedicine1907,anassociatedirectorshipatHoaglandLaboratoryinBrooklyn.

In1913,Averypublishedaclinicalstudyofthetuberculosis(結核)bacterium.ThisworkattractedtheattentionofDr.RufusCole,thedirectoroftheRockefellerInstituteHospital,whoofferedAveryajobattheRockefeller.AverydidhisPneumococcusworkattheRockefellerandstayedthereuntilhisretirementin1948.第十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

MaclynMcCartywasborninSouthBend,Indiana.Inhighschool,McCartyreadabookcalledMicrobeHunters.In1929,McCartywenttoStanfordUniversityforpremedtrainingandin1933startedmedicalschoolatJohnsHopkinsUniversity1940,position$100amonthtoworkwithWTilletatNewYorkUniversity(war).1941,obtainedafellowshipfromtheNationalResearchCouncil.TilletmadearrangementsforMcCartytojoinOswaldAvery'slabattheRockefellerResearchInstitute.AttheRockefeller,McCartyworkedwithAverytoperfectthepurificationofthePneumococcustransformingfactor,andtheywerethefirsttoprecipitateDNAfrombacteria.TheyusedenzymestodegradedifferentclassesofmoleculesandprovedthatDNAwasthetransformingfactor.Theirlandmarkpaperwaspublishedin1944.MACLYNMcCARTY(1911-)第十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1900pictureoftheColgateband.AveryisseatedinthemiddleholdinghiscornetOswaldAveryatworkinthelaboratory,around1930.第二十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日未被發現的發現Avery等人的研究結果發表后未能得到學術界認可，很多學者表示懷疑核酸提取不純，可能帶有蛋白質？20世紀40年代，核酸的性質研究較多，認識膚淺，相互矛盾核酸的4種簡單組成是否能攜帶復雜多樣的遺傳信息？蛋白質組成變化多樣，應該是遺傳物質Avery的工作當時很少被學術界引用，其重要性遠遠被低估，后被稱為未被發現的發現，Avery1955年去世，生前未能獲得諾貝爾獎被學術界認為是一大憾事第二十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Griffth和Avery的個性與歷史貢獻Griffth屬沉默寡言，不善交際，喜歡獨處，常常一個人埋頭在實驗室工作，終身奉獻于科學事業文章發表較少，有關轉化實驗長時間未引起足夠的重視，轉化現象的發現得到公認，但沒有搞清楚轉化因子的本質Avery也是沉默寡言，但胸襟開闊，待人和藹，他的寬宏大量在學術界很有名。實驗室有兩位年輕人Dawson(試管轉化)和Sia(破碎細胞得到抽提液具有活性)對轉化作出了較大貢獻對名利淡薄：論文為Avery指導，但兩位年輕人發表論文Avery未署名共同特點：性格內向，坐得住，耐得住寂寞；具有非同尋常的毅力，能不懈的專注一項工作，直到得到結果為止；具有現實的科學態度，不作過多的猜測第二十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日B.噬菌體作為DNA遺傳物質載體的證據第二十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日borninOwosso,MichiganMichiganStateUniv-BS(1930)andPhD(1934)apositionattheWashingtonUniversitySchoolofMedicineintheDepartmentofBacteriology(1934-1950)onbacteriophageIn1943,DelbruckinvitedHersheytovisithislab.In1946,workingwithDelbruck,Hersheydiscoveredthatphagecanrecombinewhenco-infectedintoabacteriahost.

Thisledtoanewareaofphagegenetics(Americanphagegroup).acceptedapositionatColdSpringHarbor(after1950).HereheandMarthaChasedidtheHershey-Chaseblender(攪拌)experimentthatprovedthatphageDNA,andnotprotein,wasthegeneticmaterial.Hersheysharedthe1969NobelPrizeforPhysiologyorMedicinewithMaxDelbruckandSalvadorLuriaALFREDDAYHERSHEY(1908-1997)第二十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日AlfredHersheyreceivingthe1969NobelPrizeinPhysiologyorMedicineRelaxingduringabreakatthe1953ColdSpringHarborSymposiumonViruses:(L-R)RaymondAppleyard,GeorgeBowen,MarthaChase,JuneDixon第二十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日噬菌體組成60％蛋白質＋40％DNA特殊成分SP放射性標記35S32P獲得放射性標記噬菌體35S噬菌體32P噬菌體感染E.coli外殼放射性強放射性弱感染E.coli子細胞(含DNA)放射性弱放射性強B.噬菌體的侵染與繁殖第二十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DNA是遺傳物質第二十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日C.煙草花葉病毒(tobaccomosaicvirus,TMV)的感染和繁殖TMV＝6％RNA＋94％蛋白質OneofthefirstexperimentsthatestablishedRNAasthegeneticmaterialinRNAviruswastheso-calledreconstitutionexperimentofHeinzFraenkel-Conratandcoworkersin1957第二十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日RNA是遺傳物質第二十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日結果表明：基因的化學組成一定是DNA(有時是RNA)，基因之間的差異是由DNA(或RNA)的特異性所決定的第三十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日四核苷酸假說與ChargaffRuleIn1868,JohannFriedrichMiescher,ayoungSwissmedicalstudent,becamefascinatedwithanacidicsubstancethatheisolatedfrompuscellsobtainedfrombandagesusedtodresshumanwounds.第三十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日PHOEBUSAARONTHEODORLEVENE(1869-1940)Levene畢業于圣彼得堡軍事醫學院，1891年遷居美國。因對應用化學感興趣在哥倫比亞大學旁聽化學。終生發表論文700多篇，被譽為“應用有機化學探討生物學問題得美國杰出得科學家”1900年發表關于第一篇核酸的論文，1905年已成為國際知名核酸研究權威，進入Rockefellerinstitute他對核酸的研究作出了突出貢獻，但他提出的4核苷酸假說也阻礙了人們對核酸結構和功能的研究：動物的核苷酸是DNA，植物的核苷酸是RNA；核酸大分子是由四種核苷酸按照相同的比例連接成的四聚體反復重復形成的，如AGTCAGTCAGTCAvery等人的DNA轉化因子得不到學術界認可，與四核苷酸假說占統治地位有關四核苷酸假說在20世紀40年代中期開始動搖第三十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日ChargaffRuleErwinChargaffwasanotherimportantcontributor.Chargaff’srule(A=T,C=G),providedavaluableconfirmationofWastonandCrick’smodel.第三十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第三十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.不同生物DNA的堿基比率（A+T/G+C）是不同的，這是不同物種的特異性2.四種堿基的在一條多核苷酸鏈上的排列形式是多種多樣的,從而可能構成無數不同性質的基因3.不同物種具有相同的堿基比率（A+G/T+C），這是不同物種的共性4.同一物種中A＝T，G＝C，T＋C＝A＋G這一法則稱為Chargaff法則物種的特異性表現在：第三十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(四)基因是有功能的DNA片段Watson和Crick(1953)提出了DNA雙螺旋結構模型，明確了DNA在活體內的復制方式第三十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日LinusPauling:atheoreticalchemistatCaliforniaInstituteofTechnology.Hewasalreadyfamousforhisstudiesonchemicalbondingandforhisdiscoveryofthe-helix,animportantfeatureofproteinstructure.Indeed,the-helix,heldtogetherbyhydrogenbonds,laidtheintellectual(才智)groundworkforthedoublehelixmodelofWatsonandCrick.Background第三十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Anothergrouptoiling(辛苦)ontheDNAproblemwascomposedofMauriceWilkins,RosalindFranklin,andtheircolleaguesatKing’sCollegeinLondon.TheywereusingX-raydiffractiontorevealthethree-dimensionalstructureofDNARosalindFranklin(1920-1958)第三十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日.X-RayDiffractionAnalysisofthe

overallshapeofandregularitieswithinthemoleculeThetechniquehadbeenattemptedonDNAasearlyas1938byWilliamAstbury.By1947,hehaddetectedaperiodicity(arepeatingunit)of3.4Athatsuggestedtohimthatthebaseswerestackedlikepenniesontopofoneanother第三十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日RosalindFranklin用高濕度下含水較多的DNA做X-光衍射。她從圖像中判斷DNA是螺旋結構。在DNA長鏈上，每個核苷酸相距0.34nm，每個螺距3.4nm，有10個核苷酸。前人研究DNA寬度是2nm,因而推測DNA分子是不止一條鏈組成。第四十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日PerhapsthemostcrucialpieceofthepuzzlecamefromanX-raydiffractionpictureofDNAtakenbyFranklinin1952-apicturethatWilkinssharedwith

JamesWatsonoverdinnerinLondononthenightofJan30,1953.

TheX-raytechniqueworkedasfollows:theexperimentermadeaveryconcentrated(濃),viscous(粘)ofDNA,thenreachedinwithaneedleandpulledoutafiber.Thiswasnotasinglemolecule,butawholebatchofDNAmolecules,forcedintoaside-by-sidearrangementbythepullingaction.Givetherightrelativehumidity,thisfiberwasenoughlikeacrystalthatitdiffracted(衍射)X-raysinaninterpretableway.第四十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Finally,therewereJamesWatsonandFrancisCrick.WatsoninhisearlytwentiesandalreadyholdingaPhDdegreefromIndianaUniversity,hadcometotheCavendishLaboratoriesinCambridge,England,tolearnaboutDNA.TherehemetCrick,aphysicistwhoatagethirty-fivewasretrainingasamolecularbiologist.WatsonandCrickperformednoexperimentsthemselves.Theirtactic(策略)wastouseothergroups’datatobuildaDNAmodel.第四十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日FRANCISHARRYCOMPTONCRICK(1916-2003)wasborninasmalltownnearNorthampton,England.

thedoublehelixstructureforDNAandtheCentralDogmaCrickfoundthat"whatyouarereallyinterestediniswhatyougossipabout."

Topursuehisinterests,Crickvisitedseverallabsandscientists.1947,CrickjoinedMaxPerutzattheCavendishLaboratoryinCambridge.SirLawrenceBragg(X-raycrystallographytostudyproteinstructure).Thestructureofhemoglobin(MaxPerutz)andCrick'sthesisprojectwasonX-raydiffractionofproteins.第四十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1951,FrancisCrickmetJamesWatson,andusingavailableX-raydataandmodelbuilding,thetwosolvedthestructureofDNA(NatureinApril1953).Crick,WatsonandWilkinssharedthe1962NobelPrizeforPhysiologyorMedicineforsolvingthestructureofDNA.MauriceWilkinsandRosalindFranklinprovidedsomeoftheX-raycrystallographicdata.TherewerestillquestionsabouthowDNArmal"RNAtieclub"第四十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日"tosolvetheriddleofRNAstructure,andtounderstandthewayitbuildsproteins.“focusedonthe"CentralDogma"whereDNAwasthestorehouseofgeneticinformationandRNAwasthebridgethattransferredthisinformationfromthenucleustothecytoplasmwhereproteinsweremade.ThetheoryofRNAcodingwasdebatedanddiscussed,andin1961,FrancisCrickandSydneyBrennerprovidedgeneticproofthatatripletcode第四十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日JAMESDEWEYWATSON(1928-)wasborninChicago"why?"andhewasn'tsatisfiedwithsimpleanswers.won$100asa"QuizKid"onapopularradioprogram(buybinocularsforbird)WatsonenteredtheUniversityofChicagoat15underthegiftedyoungsterprogram-"WhatisLife?“Hewasfascinated(著迷)bytheideathatgenesandchromosomesholdthesecretsoflife.WhenWatsonwenttodoaPh.D.withSalvadorLuria,apioneerinbacteriophageresearchatIndianaUniversity,itseemedtheperfectopportunitytoworkonsomeoftheseproblems.第四十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日AfterhisPh.D.in1950,WatsonspenttimeinEurope,firstinCopenhagenandthenattheCavendishLaboratoryoftheUniversityofCambridge.Bynow,WatsonknewthatDNAwasthekeytounderstandinglifeandhewasdeterminedtosolveitsstructure.HewasluckytoshareanofficewithFrancisCrick,aPh.D.studentwhowasalsointerestedinthestructureofDNA.Althoughbothweresupposedtobeworkingonotherprojects,in1953,theybuiltthefirstaccuratemodelofDNA–oneofthegreatscientificadvancesofalltime.第四十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日JamesWatson(R)andFrancisCrick(L)walkingalongthebanksatCambridgeUniversityThesixfeettallmetalDNAmodelmadebyWatsonandCrickin1953.第四十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1962NobelPrizewinners:(L-R)MauriceWilkins(PhysiologyorMedicine),M.Perutz(Chemistry),FrancisCrick(PhysiologyorMedicine),J.Steinbeck(Literature),JamesWatson(PhysiologyorMedicine),J.Kendrew(Chemistry).JamesWatsononavacationintheItalianAlps,1951第四十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.DNA的雙螺旋模型(1)DNA雙螺旋的特點一個DNA分子有兩條走向相反的(5’-3’，3’-5’)多核苷酸鏈兩條鏈向右互相盤繞成一個雙螺旋結構每條鏈內側是堿基，它和五碳糖的1’位碳相連兩條鏈的堿基總是A=T、G=C各堿基之間的距離為3.4埃，包含10個堿基，螺旋體直徑20埃第五十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第五十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日雙鏈DNA的不同構型B-DNA:屬右手螺旋Z-DNA:某些DNA順序存在著一種獨特的左旋的雙螺旋形式，稱作Z-DNAA-DNA:也屬右旋，每圈大約含有11個堿基對。在高鹽分或脫水狀態時，DNA常以A型方式存在第五十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(2)DNA的變性、復性和分子雜交技術DNA的變性(denaturation)：DNA在中性鹽溶液中加熱，其互補堿基對中的氫鍵被打開，分開成為兩條多核苷酸單鏈，叫DNA變性DNA復性(renaturation)：變性后的DNA，在適當的條件下回復成為雙鏈DNA，稱為復性或退火(annealing)第五十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日解鏈溫度(meltingtemperature)：指加熱使溶液中DNA分子50％成為單鏈時所需溫度(Tm)DNA變性和復性是現代分子雜交技術的基礎利用變性和復性用來制備單鏈DNA，進行多核苷酸鏈間的分子雜交測定異源雙鏈的同源性估算GC堿基對在DNA鏈中所占的比例等，GC含量與DNA的穩定性成正比第五十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日世界科星成功之路名家名著哺育1932年波爾作了題為‘光與生命’的演講，試圖用物理的眼光來回答生物學的中心問題。影響學生MaxDelbruck，舍棄物理投奔遺傳學獲得1969年Nobel獎ErwinSchrodinger于1945年出版“Whatislife”系統地闡述了Bohr和Delbruck的觀點，影響了一批物理學家如Wilkins和Crick，棄物理投身遺傳學，獲得1962年Nobel獎Watson回憶到，這本書使我發現了基因的秘密第五十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日攻克基因之謎基因的化學本質是什么？DNA還是蛋白質？1944年Avery證實DNA是遺傳物質1951年Hershey和SalvadorLuria證實噬菌體的遺傳物質是DNAWatson早期與Luria研究噬菌體時接受了其一個重要觀點：要知道基因的功能必須知道基因是什么和基因的結構問題Watson和Crick銘記在心全心致力于DNA模型研究第五十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日多種研究方法X－衍射法模型方法：Watson和Crick創建的DNA雙螺旋結構是在自己的辦公室中，利用別人廢棄的不用的蛋白質結構模型的材料（鐵皮、硬紙板和鐵絲等）創建出來的第五十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日廣泛收集素材原料：A、T、C、G；化學鍵；糖－磷酸基骨架半成品1：相異堿基配對：Wilkins等所作的DNA的X衍射表明，每個DNA由2、3、4條糖－磷酸基骨架組成（這些不同骨架怎樣結合在一起？相同堿基結合G－G,T－T;相異堿基結合A－C;相似堿基結合A－G）骨架的堿基是如何結合的?即通過吸引力大的化學共價鍵或吸引力小的氫鍵結合1952年6月，Crick會見了劍橋的青年數學家Griffis(對生物感興趣)，排除同堿基結合，接受相異堿基配對原則第五十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日半成品2：1：1堿基比1952年6月，Chargaff訪問Crick的實驗室，但他們并不知道Chargaff發表的文章，經討論，Chargaff進一步提到1：1的結果這一結果解決了相異堿基配對問題，復制問題和DNA分子為什么能結合在一起等半成品3：螺旋結構來源于Pauling關于多肽鏈的α螺旋結構論文的啟發第五十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日臨產前的陣痛DNA分子螺旋有幾條核苷酸鏈組成1條（Watson和Crick排除，Wilkins主張）2條（很快被Watson和Crick，Wilkins均排除了）3條（被Watson和Crick接受，但Wilkins和Franklin從帝國學院來劍橋訪問，發現他們的數據理解錯了，隨即否定）3螺旋被否定后，情緒低落。Pauling的兒子處獲悉，Pauling正在建立DNA模型，才使他們重拾信心，建立了1個雙螺旋模型。但由于化學知識缺乏，不能肯定堿基配對的規則（同配還是異配），導致24小時后流產第六十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日最后沖刺1953年2月6日，Franklin攝取了一張含水量比以往更大的DNA結晶X衍射圖。這張照片比以往的衍射圖提供了更多的信息，Wilkins無動于衷，隨即遞給了Watson。Watson認為：這張照片否定了3螺旋，支持了雙螺旋Wilkins排除雙螺旋Watson回憶到：Wilkins否定雙螺旋是不可靠的，他們的模型數據是錯的，因這取決于樣品的含水量。因此我已決定建立雙螺旋模型；Crick一定會同意，他知道生物對象成雙成對的重要性，盡管他是個物理學家第六十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日獨占熬頭的勝者Pauling，Franklin，Wilkins均有可能建立正確的雙螺旋結構1954年，Pauling準備參加英國的一個學術會議，并安排訪問Wilkins，未得到簽證；失去了看見Franklin的X衍射圖Franklin在不知道Watson和Crick模型的情況下，于1953年3月17日（有打印件可查），非常接近雙螺旋結構Wilkins的模型離雙螺旋不遠，他已經舍棄了單螺旋，再給予時間，他可以提出雙螺旋第六十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日具有敏銳的科學判斷力，抓住DNA模型的關鍵課題具有高超的分析綜合能力，善于取百家之長（生物化學派、結構派和信息派）的研究成果于一體，以解遺傳之謎；具有突出的勤于思考、不恥下問、勤于實踐和不怕失敗的科學品德。直接向他們指出錯誤的有Wilkins，Franklin、Griffis、Chargaff，Duorox和Pauling父子等如此大發現真可謂：涓涓細流，匯成大海；博采眾長，自成一派諾貝爾獎委員會的評語：表彰他們發現了核酸的分子結構和他在生命信息中傳遞的價值（當年Watson25歲，Crick37歲，Wilkins37歲）Watson和Crick成功的關鍵第六十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.DNA的復制第六十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第六十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1953年，Watson(25)和Crick(37):《核酸的分子結構…脫氧核糖核酸的結構》，提出了DNA的雙螺旋結構模型，正確地解析了DNA的結構與功能的關系Watson和Crick認為DNA復制的過程是:首先雙螺旋的兩主鏈分離開隨著兩條親本鏈的不斷分離，新合成鏈按堿基A-T、G-C配對的原則，在兩條親本鏈分離開的部位結合上去，形成兩條新鏈新合成的子體DNA鏈的堿基排列和親本鏈是對應的，從而保證了DNA分子原有物種的特異性第六十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(1)DNA的酶促合成In1957,A.Kornberg(1918-)1stisolatedtheenzymeinE.coliandaccomplishedtheinvitrosynthesisofDNA.()第六十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日n1dTTPn2dGTPn3dATPn4dCTPdNTPDNA+DNApolymoraseMg++dTMPn1dGMPn2dAMPn3dCMPn4(n1+n2+n3+n4)PPi(新合成的DNA+焦磷酸)+作為引物(合成反應的起始點)作為新合成DNA的模板模板＋引物第六十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第六十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日用不同生物的DNA作模板，在體外合成DNA時，模板DNA和合成DNA的堿基比例第七十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DNA復制時，每個DNA分子都以它自己為模板，這種復制形式叫半保留復制(2)半保留復制(semi-conservativereplication)第七十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日MeselsonstudiedchemistryattheUniversityofChicagoandthendidhisgraduateworkattheCaliforniaInstituteofTechnologywithLinusPauling.In1954,MeselsonwenttoWoodsHoletobeateachingassistant.Here,MeselsonmetFranklinStahl–apost-doctoralfellowwhowastakingcoursestolearnsomemolecularbiologytechniques(WatsonandCrick)1957,StahlandMeselsondevelopedthetechniqueofdensitygradientcentrifugationandusedittoprovethatDNAwasreplicatedinasemi-conservativewayTheir"classic"paperwaspublishedin1958andtheirexperimenthasbeencalled"oneofthemostbeautifulexperimentsinbiology."MatthewMeselsonandFranklinStahl第七十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日MeselsonandStahl(1958)證明了DNA的復制的確是半保留的。實驗設計如下：把大腸桿菌在重同位素(15N)中培養，15N進入含氮堿基，然后滲入新合成的DNA鏈中，使細菌細胞DNA充分地被15N標記上了把這些細胞移入輕同位素(14N)中培養，經過一次或兩次細胞分裂，抽提細菌樣本并提取DNA，進行CsCl梯度離心第七十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第七十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3.遺傳密碼和中心法則Crick(1957)提出遺傳的中心法則，接著又在1961年又提出了三聯體密碼，為揭示基因的本質奠定了基礎第七十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日PaulZamecnikandMahlonHoaglanddeterminedtheidentityofCrick’sadaptormolecule,tRNA.第七十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(1)遺傳密碼第七十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日兼并(degeneracy)：一種氨基酸有兩種以上的密碼子的情況，叫做兼并無義密碼子(nonsensecodons)：像UAA，UAG，和UGA這些密碼子沒有相對應的氨基酸，稱為無義密碼子起始密碼子(startcodon):AUG或GUG屬起始密碼子，所以這密碼子充當多肽(從氨基端開始)的起始信號(startsignal)第七十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日遺傳密碼的普遍性和通用性遺傳密碼在動物、植物和微生物是普遍通用的，這也是現代轉基因生物學的理論基礎第七十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(2)中心法則及其發展DNA、RNA和蛋白質的關系概括為:第八十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日很多RNA病毒，在感染宿主細胞后，它們的復制是以其RNA為模板，反向合成DNA，然后以這段DNA為模板，互補地合成RNA。如反轉錄病毒中心法則的新發展第八十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日中心法則對分子生物學研究有何啟示？第八十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日基因組研究是建立在中心法則的基礎之上基因組學(genomics)：研究生物體基因和基因組的結構組成、穩定性及功能的一門學科。基因組學(genomics)結構基因組學(structuralgenomics)功能基因組學(functionalgenomics)研究基因和基因組的結構，各種遺傳元件的序列特征，基因組作圖和基因定位等研究不同的序列結構具有的不同功能，基因表達調控，基因與環境之間(包括基因與基因之間，基因與其它DNA序列之間，基因與蛋白質之間)相互作用等第八十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日轉錄物轉錄物組學(transcriptomics)、蛋白質組學(protomics)、表型組學(phenomics)蛋白質表型研究轉錄物組(transcritome)的一門學科，即研究某一時刻某一細胞里基因組轉錄產生的全部轉錄物的種類、結構和功能研究細胞內全部的蛋白質(即蛋白質組，proteomics)的組成及其活動規律的一門學科研究生物體整個表型(phenotype)形成的機制基因型＋環境＝表型第八十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(五)操縱子模型1961年，FJacobandJMonod提出大腸桿菌乳糖操縱子模型，又豐富了基因概念的內容，基因不僅是傳遞遺傳信息的載體，同時又具有調控其他基因表達的功能第八十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Whatarethemechanismsbywhichmicroorganismsregulategeneexpressioninresponsetochangesintheenvironment?Isthereasinglemechanismbywhichtheexpressionofdifferentgenesisregulated?Oraredifferentgenescontrolledbydifferentmechanism?第八十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Basedonwhatisknownabouttheregulationoftranscription,thevariousregulatorymechanismsseemtofitintotwogeneralcategories:Mechanismsthatinvolvetherapidturn-onandturn-offofgeneexpressioninresponsetoenvironmentalchangesMechanismsreferredtoaspreprogrammedcircuits(巡回)orcascades(落下)ofgeneexpression.第八十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Ecoliandmostotherbacterialarecapableofgrowthusinganyoneofseveralcarbohydrates(glucose,sucrose,galactose,arabinose,andlactose).Enzymesthatareinvolvedincatabolicpathways,suchasinlactose,galactose,orarabinoseutinlization,arecharacteristicallyinducible.WhenEcolicellsarepresentinanenvironmentcontainingconcentrationoftryptophansufficientoptimalgrowth,thecontinuedsynthesistryptophaniswasteenergy.Geneturnoff第八十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日當阻遏物與操縱基因結合時，三個結構基因不會合成三種酶分子如果操縱基因的結合位點無阻遏物附著，RNA酶就會向結構基因方向移動合成三種酶分子結構基因(structuralgenes)指可以轉錄成mRNA，而且可以翻譯成蛋白質，從而構成結構蛋白和催化各種生化反應的酶調節基因是調控其他基因的活性，調節基因可轉錄成mRNA，然后由mRNA翻譯成阻遏蛋白質或激活蛋白質第八十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(六)跳躍基因的發現50年代初，McClintock在玉米的控制因子的研究中指出，某些遺傳因子可以轉移位置。60年代后期在原核生物以及高等生物中都發現了基因位置不固定的普遍現象，并將它們稱為跳躍因子或轉移因子第九十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第二節重組測驗一、擬等位基因(杏紅眼)a/a×/Y(白眼)(杏紅眼)a

/F1aY(杏紅眼)F2×a

/a

a

/a

/Y/Y＋紅眼(1/1000)?進一步研究表明：杏紅眼和白眼基因位于染色體的同一基因座位，但屬于不同(突變)位點，從而發生交換第九十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(杏紅眼)a+/a+×+/Y(白眼)(杏紅眼)a

+/+

a+/YF1F2a

+/a+

+/a+++/a+

a/a+a

+/Y+/Y

++/Ya/Y進一步比較發現：杏紅眼：+/a+紅眼：++/a突變型反式(trans)野生型順式(cis)順反位置效應這種緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結構性的等位基因稱為擬等位基因(pseudoalelle)紅眼第九十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Benzer的重組測驗將基因定義為順反子，現代基因的概念：基因是一個作用單位——順反子。一個順反子內存在著很多突變位點——突變子，所謂突變子就是改變后可以產生突變型表型的最小單位。一個順反子內部可以發生交換，出現重組，不能由重組分開的基本單位叫做重組子。所以一個基因是一個順反子，可以分成很多的突變子和重組子第九十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第五節斷裂基因和重疊基因ExonandIntronRichardRobertsandPhilSharpsharedthe1993NobelPrizeforthediscoveryofthesplitgenetheory.第九十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日RichRobertsinhisofficeatNewEnglandBiolabs,1999ElectronmicrographofRNA/DNAhybrid.ThiswasoneoftheoriginalphotosthatRobertsandhisgroupusedforanalyzingtheirresults.第九十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日PhilSharpinhisofficeatMIT,1999TheSambrooklabatColdSpringHarborLaboratoryaround1971wherePhilSharpwasapost-doc.(L-R)ArleneJackson,PhilSharpandC.Mulder第九十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日斷裂基因(splitgene)：一個基因由幾個互不相鄰的段落組成，基因內部被一段核苷酸序列所隔開外顯子(exon或extron)：指DNA序列中被轉錄成為mRNA的片段內含子(intron)：指成熟mRNA上未反應出的DNA區段第九十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Chambon’rule:大多數內含子具有5’末端GT，3’以AG結束這種規律出現可能是RNA剪接過程中的識別信號第九十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、斷裂基因的意義有利于儲存較多的遺傳信息，增加信息量(多個mRNA轉錄可能產生多種蛋白質)有利于變異和進化：內含子有可能轉變為外顯子增加重組機率：內含子的增減造成新的剪切方式，形成新基因；增加重組頻率可能是基因調控裝置：內含子的長度大小變異，導致轉錄mRNA、以及蛋白質速率的變化第九十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三、重疊基因的發現與重疊方式重疊基因是Sanger(1978)分析了噬菌體X174DNA序列后，發現X174只有5386個核苷酸卻組成了9個基因，編碼了2000個氨基酸，理論上需要6000個核苷酸，原因？重疊基因(overlappinggene)：指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或者一段DNA序列成為兩個或兩個以上的基因的組成部分第一百頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第一百零一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日X174各個基因的起始密碼子和終止密碼子基因起始密碼子終止密碼子識讀框架AATG3973~3975AGA134-1360BATG5664-5666TGA49-51-1CATG133-135?0KATG51-53TGA249-251-1DATG390-392TAA846-848-1JATG848-850TAA962-964+1FATG1001-1003TGA2276-2278+1GATG2387-2389TGA2912-2914+1HATG2923-2925TAA3907-39090EATG568-570TGA841-8400第一百零二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日重疊方式1.大基因包含小基因2.前后兩個基因首尾重疊第一百零三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3.3個基因之間三重重疊G4DNA序列-T-T-C-T-G-A-T-G-A-A-A-基因ASerAspGluPhe終止基因B起始Val基因K4.反向重疊：DNA雙鏈都轉錄，密碼讀框相同，但反向不同，形成不同蛋白質5.重疊超縱子：除結構基因之間重疊外，結構基因與調控序列，以及調控序列之間的重疊等第一百零四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日FredSangerFredSanger(middle)atage11withhisolderbrotherandyoungersister第一百零五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日FredSangerinhislab,late1950's.HeislookingatsequencingresultsFredSangerata1949ColdSpringHarborSymposiummeeti