DNA是主要遺傳物質(zhì)

DNA是主要的遺傳物質(zhì)高中生物必修二·遺傳的分子基礎(chǔ)Contents課程目錄從早期探索到分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，梳理遺傳物質(zhì)的認(rèn)知演進(jìn)歷程。01遺傳物質(zhì)的早期認(rèn)知與探索背景02格里菲斯肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)03艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)與赫爾希-蔡斯噬菌體實(shí)驗(yàn)04RNA作為遺傳物質(zhì)的特殊案例05DNA是主要遺傳物質(zhì)的總結(jié)與DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)Chapter01遺傳物質(zhì)的早期認(rèn)知與探索背景從染色體發(fā)現(xiàn)到"蛋白質(zhì)vsDNA"之爭Genetics·Origins染色體的發(fā)現(xiàn)與遺傳物質(zhì)的追問19世紀(jì)末，生物學(xué)家通過對有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用的研究，確認(rèn)染色體在遺傳中具有重要作用。染色體主要由蛋白質(zhì)和DNA兩種大分子組成，這直接引發(fā)了"誰才是遺傳物質(zhì)"的科學(xué)追問。細(xì)胞有絲分裂過程中染色體的顯微圖像0119世紀(jì)末生物學(xué)家通過研究細(xì)胞有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用，認(rèn)識(shí)到染色體在生物遺傳中具有重要作用。19世紀(jì)末02染色體的化學(xué)成分主要由蛋白質(zhì)和DNA兩種大分子組成，兩者都可能承載遺傳信息。蛋白質(zhì)+DNA0320世紀(jì)初科學(xué)界面臨核心問題：蛋白質(zhì)和DNA中，究竟哪一種是真正的遺傳物質(zhì)？核心追問HISTORICALDEBATE蛋白質(zhì)與DNA：兩種候選物質(zhì)的對比20世紀(jì)初，學(xué)界普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)由20種氨基酸組成、結(jié)構(gòu)多樣，看似更能承載復(fù)雜遺傳信息。而DNA被認(rèn)為結(jié)構(gòu)簡單、僅含四種核苷酸，'四核苷酸假說'使其長期被低估。蛋白質(zhì)——早期主流候選20種氨基酸由20種氨基酸組成，排列組合極其多樣，理論上可編碼海量遺傳信息生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，參與催化、運(yùn)輸、免疫等多種功能"蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)"的觀點(diǎn)在學(xué)界占據(jù)主流地位，被廣泛接受DNA——被低估的挑戰(zhàn)者4種核苷酸由四種脫氧核糖核苷酸組成，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為結(jié)構(gòu)簡單，信息編碼能力有限"四核苷酸假說"認(rèn)為DNA只是四種堿基的簡單重復(fù)排列，不具備承載復(fù)雜遺傳信息的能力少數(shù)科學(xué)家開始關(guān)注DNA的分子結(jié)構(gòu)，懷疑它可能才是真正的遺傳物質(zhì)MOLECULARBIOLOGY遺傳物質(zhì)應(yīng)具備的基本條件作為遺傳物質(zhì)，必須具備精確自我復(fù)制、儲(chǔ)存大量遺傳信息、指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成、在親子代間傳遞信息、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且能產(chǎn)生可遺傳變異等五大基本條件。01精確復(fù)制：能在細(xì)胞生長和繁殖過程中精確復(fù)制自身，確保遺傳信息在代際間完整傳遞02信息儲(chǔ)存：能儲(chǔ)存巨大的遺傳信息，足以編碼生物體全部性狀的發(fā)育和維持所需指令03指導(dǎo)合成：能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制細(xì)胞的新陳代謝過程和生物體的各種性狀表現(xiàn)04穩(wěn)定與變異：結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，能在親子代之間保持連續(xù)性，同時(shí)也能產(chǎn)生可遺傳的變異為進(jìn)化提供原材料Chapter02格里菲斯肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1928年的突破性發(fā)現(xiàn)與"轉(zhuǎn)化因子"的提出ExperimentalMaterial實(shí)驗(yàn)材料：肺炎雙球菌的兩種類型肺炎雙球菌分為S型和R型兩種。S型菌具有多糖莢膜，菌落光滑，能逃避宿主免疫攻擊，具有致病性和致死性；R型菌無莢膜，菌落粗糙，自我保護(hù)能力差，對宿主基本無致病性。兩者差異是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)。S型肺炎雙球菌·光滑菌落形態(tài)·培養(yǎng)皿觀察S型細(xì)菌光滑型菌體表面具有多糖莢膜，菌落呈光滑狀，能有效逃避宿主免疫系統(tǒng)的識(shí)別和攻擊具有強(qiáng)致病性，注射到小鼠體內(nèi)后可引發(fā)敗血癥，導(dǎo)致小鼠死亡致死性從死亡小鼠體內(nèi)可分離出活的S型菌，證明其在宿主體內(nèi)能大量繁殖R型細(xì)菌粗糙型菌體無多糖莢膜保護(hù)，菌落呈粗糙狀，自我保護(hù)能力差，易被免疫系統(tǒng)清除對小鼠基本無致病性，注射到小鼠體內(nèi)后小鼠可以正常存活非致死注射R型活菌的小鼠體內(nèi)無法分離出S型菌，說明R型菌不能自發(fā)轉(zhuǎn)化為S型菌CLASSICALGENETICS·經(jīng)典遺傳學(xué)格里菲斯四組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果格里菲斯通過四組對照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：單獨(dú)的R型活菌不致死、S型活菌致死、加熱殺死的S型菌不致死，但當(dāng)R型活菌與加熱殺死的S型菌混合注射時(shí)，小鼠意外死亡且體內(nèi)分離出S型活菌。這一驚人結(jié)果表明存在某種'轉(zhuǎn)化因子'。格里菲斯肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組別注射處理小鼠結(jié)果關(guān)鍵結(jié)論第一組注射R型活菌存活R型活菌無毒性，對小鼠不致死第二組注射S型活菌死亡S型活菌有毒性，可致小鼠死亡并分離出S型活菌第三組注射加熱殺死的S型菌存活S型菌經(jīng)加熱失去活性后不再具有致病性第四組注射R型活菌+加熱殺死的S型菌死亡混合注射導(dǎo)致小鼠死亡，體內(nèi)分離出S型活菌，說明發(fā)生了轉(zhuǎn)化第四組實(shí)驗(yàn)中小鼠死亡并分離出S型活菌，證明加熱殺死的S型菌中含有某種物質(zhì)能使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌Griffith'sExperiment·1928實(shí)驗(yàn)分析與"轉(zhuǎn)化因子"的提出格里菲斯通過排除法推論：被加熱殺死的S型菌中必然含有某種"轉(zhuǎn)化因子"，促使R型活菌轉(zhuǎn)化為S型活菌，且這種轉(zhuǎn)化性狀可以穩(wěn)定遺傳。但該實(shí)驗(yàn)并未確定轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)，為后續(xù)研究留下了關(guān)鍵懸念。01排除法分析R型活菌單獨(dú)不致死（第一組），S型死菌單獨(dú)不致死（第三組），故第四組死亡小鼠體內(nèi)的S型活菌只能來源于R型菌的轉(zhuǎn)化。第四組02格里菲斯推論加熱殺死的S型菌中必然含有某種"轉(zhuǎn)化因子"，能促使R型活菌轉(zhuǎn)化為有毒的S型活菌。轉(zhuǎn)化因子03性狀可遺傳轉(zhuǎn)化后的S型菌后代仍為有毒S型菌，證明這種性狀的轉(zhuǎn)化是穩(wěn)定且可遺傳的，而非暫時(shí)性變化。穩(wěn)定遺傳04實(shí)驗(yàn)局限僅發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化現(xiàn)象并提出了"轉(zhuǎn)化因子"概念，但未能確定該因子的化學(xué)本質(zhì)。化學(xué)本質(zhì)CHAPTER03艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)與赫爾希–蔡斯噬菌體實(shí)驗(yàn)兩大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)從不同角度確證DNA是遺傳物質(zhì)EXPERIMENTDESIGN艾弗里實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路1944年，艾弗里團(tuán)隊(duì)以化學(xué)分離提純技術(shù)逐一分離S型菌的DNA、蛋白質(zhì)與多糖，通過減法原理排除，首次系統(tǒng)驗(yàn)證轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)。化學(xué)分離提純實(shí)驗(yàn)操作示意01分離提純：將S型菌的化學(xué)組成進(jìn)行分離提純，得到DNA、蛋白質(zhì)、多糖等獨(dú)立組分02逐一驗(yàn)證：將每種組分分別與R型活菌混合培養(yǎng)，觀察哪種組分能使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌03關(guān)鍵對照：用DNA酶處理DNA提取物后再與R型菌混合，驗(yàn)證DNA被破壞后轉(zhuǎn)化是否失效04減法原理：逐一排除的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精確鎖定具有轉(zhuǎn)化活性的單一化學(xué)成分MolecularGenetics艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)鍵結(jié)論艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確顯示：只有S型菌的DNA能使R型菌發(fā)生轉(zhuǎn)化，蛋白質(zhì)和多糖均無轉(zhuǎn)化能力；且DNA經(jīng)DNA酶降解后轉(zhuǎn)化能力完全喪失。這一證據(jù)鏈有力證明DNA是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)，即DNA是遺傳物質(zhì)。艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)各組結(jié)果實(shí)驗(yàn)處理是否發(fā)生轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)意義S型菌DNA+R型活菌?發(fā)生轉(zhuǎn)化DNA具有轉(zhuǎn)化活性，可能攜帶遺傳信息S型菌蛋白質(zhì)+R型活菌?未轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)不具備轉(zhuǎn)化能力，非轉(zhuǎn)化因子S型菌多糖+R型活菌?未轉(zhuǎn)化多糖不具備轉(zhuǎn)化能力，非轉(zhuǎn)化因子S型菌DNA+DNA酶+R型活菌?未轉(zhuǎn)化DNA被降解后轉(zhuǎn)化能力消失，反證DNA是轉(zhuǎn)化因子實(shí)驗(yàn)證明DNA是轉(zhuǎn)化因子，蛋白質(zhì)和多糖不是；DNA酶處理使轉(zhuǎn)化能力喪失，進(jìn)一步確證DNA的遺傳功能Controversy艾弗里實(shí)驗(yàn)的局限與學(xué)界質(zhì)疑盡管艾弗里實(shí)驗(yàn)有力證明了DNA是轉(zhuǎn)化因子，但受當(dāng)時(shí)提純技術(shù)限制，DNA提取物中可能殘留微量蛋白質(zhì)，質(zhì)疑者認(rèn)為轉(zhuǎn)化可能由這些蛋白質(zhì)雜質(zhì)引起。加之"四核苷酸假說"的深遠(yuǎn)影響，學(xué)界對DNA作為遺傳物質(zhì)仍存爭議，亟需更具說服力的實(shí)驗(yàn)。技術(shù)局限受當(dāng)時(shí)化學(xué)提純技術(shù)限制，艾弗里提取的DNA中可能混有極少量蛋白質(zhì)雜質(zhì)，這是當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下難以完全避免的實(shí)驗(yàn)缺陷。質(zhì)疑觀點(diǎn)部分學(xué)者認(rèn)為可能是殘留的微量蛋白質(zhì)發(fā)揮了轉(zhuǎn)化作用，而非DNA本身，這種質(zhì)疑在當(dāng)時(shí)具有相當(dāng)?shù)暮侠硇浴Ｓ^念障礙"四核苷酸假說"認(rèn)為DNA結(jié)構(gòu)簡單重復(fù)，學(xué)界難以接受其能承載復(fù)雜遺傳信息，這一觀念根深蒂固。科學(xué)意義艾弗里的結(jié)論雖然正確，但需要更精確的實(shí)驗(yàn)方法來徹底消除爭議，這為后續(xù)研究指明了方向。EXPERIMENTALMATERIAL實(shí)驗(yàn)材料：T2噬菌體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)T2噬菌體是一種專門感染大腸桿菌的病毒，結(jié)構(gòu)簡單且成分分明：蛋白質(zhì)外殼包裹在頭部和尾部，DNA僅存在于頭部殼內(nèi)。T2噬菌體·電子顯微鏡圖像結(jié)構(gòu)與組成由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部DNA兩部分組成，成分簡單清晰，無其他干擾性大分子蛋白質(zhì)構(gòu)成頭部外殼和尾部結(jié)構(gòu)，尾部負(fù)責(zé)黏附大腸桿菌表面實(shí)現(xiàn)感染蛋白質(zhì)DNA僅存在于頭部殼內(nèi)，是噬菌體中唯一的核酸成分DNA感染與增殖機(jī)制感染后將遺傳物質(zhì)注入宿主細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)外殼留在細(xì)菌外部注入在遺傳物質(zhì)指導(dǎo)下利用宿主細(xì)胞內(nèi)原料合成自身組分，產(chǎn)生大量新生噬菌體合成被感染的大腸桿菌最終裂解死亡，釋放出大量新生噬菌體繼續(xù)感染其他細(xì)菌裂解IsotopeLabeling同位素標(biāo)記法的設(shè)計(jì)原理赫爾希和蔡斯利用蛋白質(zhì)和DNA的元素組成差異進(jìn)行特異性標(biāo)記：35S僅標(biāo)記蛋白質(zhì)，32P僅標(biāo)記DNA。兩種標(biāo)記互不干擾，使追蹤成為可能。GROUPA35S標(biāo)記蛋白質(zhì)①蛋白質(zhì)中甲硫氨酸和半胱氨酸殘基含有硫元素，可被放射性同位素35S特異性標(biāo)記②DNA分子中不含有硫元素，因此35S不會(huì)標(biāo)記到DNA上，確保標(biāo)記的專一性③追蹤35S的放射性分布即可追蹤蛋白質(zhì)在噬菌體感染過程中的去向GROUPB32P標(biāo)記DNA①DNA的磷酸二酯鍵骨架上含有大量磷元素，可被放射性同位素32P特異性標(biāo)記②蛋白質(zhì)中基本不含磷元素，因此32P不會(huì)標(biāo)記到蛋白質(zhì)上，確保標(biāo)記的專一性③追蹤32P的放射性分布即可追蹤DNA在噬菌體感染過程中的去向HERSHEY–CHASEEXPERIMENT·METHOD噬菌體放射性標(biāo)記的技術(shù)方法噬菌體作為病毒無法在培養(yǎng)基上獨(dú)立繁殖，赫爾希和蔡斯巧妙采用"間接標(biāo)記法"：先在含放射性同位素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌使其帶上標(biāo)記，再用這些標(biāo)記過的大腸桿菌培養(yǎng)噬菌體，讓噬菌體在復(fù)制過程中將放射性元素整合到自身組分中。01噬菌體屬于病毒，缺乏獨(dú)立的代謝系統(tǒng)，不能直接在非生物培養(yǎng)基上培養(yǎng)和繁殖病毒特性02在含3?S或32P的放射性培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，使大腸桿菌體內(nèi)整合放射性元素標(biāo)記宿主03用帶標(biāo)記的大腸桿菌培養(yǎng)噬菌體，噬菌體利用宿主細(xì)胞內(nèi)的放射性原料合成自身組分侵染復(fù)制04通過間接標(biāo)記方法，最終獲得蛋白質(zhì)帶3?S標(biāo)記或DNA帶32P標(biāo)記的兩組噬菌體3?S/32PMOLECULARBIOLOGY赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)操作與關(guān)鍵結(jié)果赫爾希和蔡斯通過攪拌離心分離噬菌體外殼與大腸桿菌后發(fā)現(xiàn)：35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)放射性集中在上層（外殼未進(jìn)入細(xì)菌），32P標(biāo)記的DNA放射性集中在下層（DNA進(jìn)入了細(xì)菌）。這一結(jié)果直接證明噬菌體的DNA進(jìn)入了宿主細(xì)胞并發(fā)揮遺傳物質(zhì)作用。赫爾希-蔡斯噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)記類型標(biāo)記對象上層（外殼）放射性下層（細(xì)菌）放射性關(guān)鍵結(jié)論35S蛋白質(zhì)高低蛋白質(zhì)外殼留在細(xì)菌外部，未進(jìn)入宿主細(xì)胞32PDNA低高DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，指導(dǎo)子代噬菌體合成35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)未進(jìn)入細(xì)菌，32P標(biāo)記的DNA進(jìn)入了細(xì)菌，證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)MolecularBiology·Milestone赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與科學(xué)意義赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)通過天然分離蛋白質(zhì)與DNA的去向，無可辯駁地證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)徹底消除了艾弗里實(shí)驗(yàn)因提純不足引發(fā)的質(zhì)疑，終結(jié)了學(xué)界關(guān)于遺傳物質(zhì)本質(zhì)的長期爭議，是分子生物學(xué)史上的里程碑。天然分離機(jī)制噬菌體感染時(shí)DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)而蛋白質(zhì)外殼留在外部，兩者天然分離，無需化學(xué)提純。天然分離遺傳信息完整性進(jìn)入細(xì)菌的DNA能指導(dǎo)合成完整的子代噬菌體（含蛋白質(zhì)外殼），證明DNA攜帶全部遺傳信息。全部信息消除學(xué)術(shù)質(zhì)疑該實(shí)驗(yàn)徹底消除了"蛋白質(zhì)雜質(zhì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化"的質(zhì)疑，終結(jié)了遺傳物質(zhì)本質(zhì)的長期爭議。終結(jié)爭議諾貝爾里程碑赫爾希因此獲得1969年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，該實(shí)驗(yàn)被視為分子生物學(xué)領(lǐng)域的里程碑。1969DNA·經(jīng)典實(shí)驗(yàn)兩大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的對比與互補(bǔ)艾弗里實(shí)驗(yàn)采用'減法原理'逐一排除、赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)采用'同位素標(biāo)記法'追蹤去向，殊途同歸地證明了DNA是遺傳物質(zhì)。艾弗里實(shí)驗(yàn)與赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)對比比較維度艾弗里實(shí)驗(yàn)（1944）赫爾希-蔡斯實(shí)驗(yàn)（1952）實(shí)驗(yàn)材料肺炎雙球菌（S型和R型）T2噬菌體和大腸桿菌核心方法化學(xué)分離提純+減法原理放射性同位素標(biāo)記法（3?S和32P）設(shè)計(jì)思路逐一分離S型菌各組分，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)化活性追蹤蛋白質(zhì)和DNA在感染過程中的去向關(guān)鍵證據(jù)僅DNA能轉(zhuǎn)化R型菌，DNA酶處理后失效32P標(biāo)記的DNA進(jìn)入細(xì)菌，3?S標(biāo)記的蛋白質(zhì)未進(jìn)入主要局限D(zhuǎn)NA提純不夠徹底，可能有蛋白質(zhì)殘留無法完全排除極微量蛋白質(zhì)進(jìn)入的可能共同結(jié)論DNA是遺傳物質(zhì)DNA是遺傳物質(zhì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)從不同技術(shù)路線獨(dú)立驗(yàn)證，殊途同歸地證明DNA是遺傳物質(zhì)，體現(xiàn)了科學(xué)驗(yàn)證的嚴(yán)謹(jǐn)性CHAPTER04RNA作為遺傳物質(zhì)的特殊案例煙草花葉病毒與RNA病毒對遺傳物質(zhì)認(rèn)知的補(bǔ)充MolecularBiology·Experiment煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)：RNA也是遺傳物質(zhì)煙草花葉病毒僅由蛋白質(zhì)外殼和RNA組成，不含DNA。1956年的重建實(shí)驗(yàn)證明：單獨(dú)用病毒RNA感染煙草可引發(fā)花葉病，而單獨(dú)用蛋白質(zhì)則不能。這直接證明在沒有DNA的病毒中，RNA充當(dāng)了遺傳物質(zhì)的角色。煙草花葉病毒感染后的葉片病斑形態(tài)01病毒組成：煙草花葉病毒由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部RNA兩部分組成，不含DNA成分02分離接種：將RNA和蛋白質(zhì)分別分離提純，再單獨(dú)接種到健康煙草植株上03實(shí)驗(yàn)邏輯：思路與艾弗里實(shí)驗(yàn)類似，通過分離組分逐一驗(yàn)證哪種成分具有感染和遺傳功能04RNA致病：單獨(dú)用RNA接種后煙草出現(xiàn)花葉病癥狀，證明RNA攜帶了致病遺傳信息05蛋白排除：單獨(dú)用蛋白質(zhì)接種后煙草未出現(xiàn)病癥，證明蛋白質(zhì)不是該病毒的遺傳物質(zhì)06最終結(jié)論：在只含RNA不含DNA的病毒中，RNA可以獨(dú)立充當(dāng)遺傳物質(zhì)GENETICS·VIROLOGY以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒類群自然界中存在多種以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒，包括煙草花葉病毒、流感病毒、HIV、SARS病毒等。RNA病毒的變異速率通常高于DNA病毒，但RNA作為遺傳物質(zhì)僅限于部分病毒，所有具細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物均以DNA為遺傳物質(zhì)。RNA病毒類群煙草花葉病毒、流感病毒、艾滋病病毒（HIV）、SARS病毒等均以RNA而非DNA作為遺傳物質(zhì)RNA高變異速率RNA病毒復(fù)制時(shí)缺少DNA聚合酶的糾錯(cuò)機(jī)制，變異速率通常更高，這也是流感疫苗需每年更新的原因每年更新DNA的普遍性RNA作為遺傳物質(zhì)僅存在于部分病毒中，在所有具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物（原核和真核生物）中DNA是唯一遺傳物質(zhì)唯一朊病毒特例朊病毒的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示：在極少數(shù)特殊情況下，蛋白質(zhì)也可能以非核酸方式傳遞生物信息蛋白質(zhì)CHAPTER05DNA是主要遺傳物質(zhì)的總結(jié)與DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)結(jié)論到雙螺旋模型，完整理解DNA的遺傳功能基礎(chǔ)CoreConclusionDNA是主要的遺傳物質(zhì)：核心結(jié)論絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，因此DNA被稱為"主要的"遺傳物質(zhì)。"主要"而非"唯一"的表述體現(xiàn)了科學(xué)結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)性。以DNA為遺傳物質(zhì)的生物真核生物—?jiǎng)游铩⒅参铩⒄婢染訢NA為遺傳物質(zhì)，DNA主要存在于細(xì)胞核染色體中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，復(fù)制精確原核生物—細(xì)菌、古菌等均以DNA為遺傳物質(zhì)，DNA存在于擬核和質(zhì)粒中，同樣遵循中心法則進(jìn)行遺傳信息傳遞大部分DNA病毒—如T2噬菌體、天花病毒等，以DNA為遺傳物質(zhì)，感染宿主后利用宿主機(jī)制進(jìn)行復(fù)制DNA生物涵蓋所有細(xì)胞生物及多數(shù)病毒以RNA為遺傳物質(zhì)的生物少數(shù)RNA病毒—煙草花葉病毒、流感病毒、HIV、SARS病毒等以RNA為遺傳物質(zhì)，結(jié)構(gòu)相對簡單RNA病毒僅占極少數(shù)，不具細(xì)胞結(jié)構(gòu)，屬于專性寄生生物，必須依賴宿主細(xì)胞才能完成生命活動(dòng)科學(xué)表述為"DNA是主要的遺傳物質(zhì)"，而非"DNA是唯一的遺傳物質(zhì)"，體現(xiàn)了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度RNA病毒是例外而非常態(tài)MOLECULARBIOLOGYDNA的化學(xué)組成與核苷酸結(jié)構(gòu)DNA由脫氧核糖核苷酸單體聚合而成，每個(gè)核苷酸由脫氧核糖、磷酸基團(tuán)和含氮堿基三部分組成。堿基有A、T、G、C四種，排列順序承載遺傳信息。核苷酸單體DNA基本組成單位為脫氧核糖核苷酸，由脫氧核糖、磷酸基團(tuán)和含氮堿基三部分構(gòu)成，是遺傳信息的分子載體3組分四種堿基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C），A與T配對、G與C配對，形成互補(bǔ)雙鏈結(jié)構(gòu)A·T·G·C信息編碼堿基排列順序千變?nèi)f化，可編碼海量遺傳信息，承載生命遺傳指令，決定蛋白質(zhì)合成與性狀表達(dá)排列組合未解之謎1950年代初，科學(xué)界仍不清楚這些組分以何種空間結(jié)構(gòu)組合，沃森與克里克的雙螺旋模型最終破解了這一難題1950sX-RAYCRYSTALLOGRAPHY富蘭克林與X射線衍射照片1951年，英國晶體學(xué)家富蘭克林通過X射線衍射技術(shù)獲得了DNA分子的高質(zhì)量衍射照片（照片51號(hào)）。該照片揭示了DNA的螺旋結(jié)構(gòu)特征，為沃森和克里克最終構(gòu)建DNA雙螺旋模型提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。羅莎琳德·富蘭克林，X射線衍射實(shí)驗(yàn)室01羅莎琳德·富蘭克林是英國晶體學(xué)家，擅長利用X射線衍射技術(shù)研究生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)021951年她拍攝到了DNA分子的X射線衍射照片（即著名的'照片51號(hào)'），清晰顯示DNA具有螺旋結(jié)構(gòu)特征03衍射圖案的對稱性和斑點(diǎn)間距蘊(yùn)含了DNA分子的精確空間結(jié)構(gòu)信息，可據(jù)此推斷螺旋直徑和螺距04這張照片為沃森和克里克提供了關(guān)鍵啟發(fā)，使他們確信DNA一定是螺旋結(jié)構(gòu)而非其他形態(tài)DNA·BASECOMPOSITION查戈夫法則：堿基等量關(guān)系奧地利生物化學(xué)家查戈夫通過化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：在所有物種的DNA中，A的總量恒等于T的總量，G的總量恒等于C的總量（即A=T,G=C）。這一規(guī)律暗示堿基之間存在特異性配對關(guān)系，為沃森和克里克提出堿基互補(bǔ)配對原則提供了關(guān)鍵的化學(xué)證據(jù)。精密化學(xué)分析測定多種生物DNA中四種堿基的含量比例，發(fā)現(xiàn)恒定的等量關(guān)系。通過定量分析揭示堿基組成規(guī)律，奠定分子生物學(xué)研究基礎(chǔ)。Method堿基等量關(guān)系所有被檢測樣本中A的含量總等于T，G的含量總等于C。這一規(guī)律具有普適性，適用于從細(xì)菌到人類的各種生物。A=T·G=C特異性配對暗示規(guī)律暗示A與T、G與C之間存在特異的化學(xué)配對關(guān)系。這種配對不是隨機(jī)的，而是由氫鍵和分子結(jié)構(gòu)決定的。Insight雙螺旋的化學(xué)基礎(chǔ)為沃森和克里克提出A-T、G-C堿基配對提供化學(xué)基礎(chǔ)。查戈夫法則直接啟發(fā)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。ImpactDiscovery·1953沃森和克里克：DNA雙螺旋模型的誕生1953年，沃森和克里克綜合富蘭克林X射線衍射數(shù)據(jù)、查戈夫堿基等量法則和化學(xué)鍵理論，通過物理模型構(gòu)建方法，成功揭示了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)：兩條反向平行鏈盤繞成螺旋，堿基在內(nèi)側(cè)按A-T、G-C互補(bǔ)配對。這一發(fā)現(xiàn)開啟了分子生物學(xué)新紀(jì)元。01沃森和克里克在劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作，綜合了衍射數(shù)據(jù)、堿基比例和化學(xué)鍵理論等多源信息02采用物理模型構(gòu)建法，用鐵皮和鐵絲反復(fù)搭建和驗(yàn)證各種可能的DNA三維結(jié)構(gòu)方案031953年2月28日成功構(gòu)建第一個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)A與T配對、G與C配對的堿基互補(bǔ)規(guī)律04成果發(fā)表于Nature雜志，沃森、克里克和威爾金斯于1962年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)沃森（左）與克里克在劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，1953年MolecularBiologyDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的核心特征DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)由兩條反向平行的脫氧核糖核苷酸鏈盤繞而成，磷酸-脫氧核糖骨架在外側(cè)，堿基在內(nèi)側(cè)通過氫鍵互補(bǔ)配對（A-T兩鍵、G-C三鍵）。堿基互補(bǔ)配對原則不僅解釋了查戈夫法則，還暗示了DNA半保留復(fù)制的分子機(jī)制。01DNA由兩條脫氧核糖核苷酸鏈組成，兩條鏈反向平行盤繞形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)右手雙螺旋02磷酸基團(tuán)和脫氧核糖交替排列在螺旋外側(cè)，構(gòu)成DNA分子的穩(wěn)定基本骨架磷酸-糖骨架03堿基排列在螺旋內(nèi)側(cè)，通過氫