基因与DNA的结构和表达

二、基因与DNA

1.基因是DNA碱基编码

基因位于染色体上是遗传信息携带者，在20世纪40年代之初已确信无疑。但基因由什么物质构成，又如何传递信息，并非分析一下化学成分就一目了然的。染色体是由蛋白质和DNA构成，谁是构成基因遗传物质的使者呢？还难以确认。1944年爱佛莱（O.T.Averg）等人发表了肺炎双球菌（Strep tococcus pneumoniae）的转化研究结果，并分离到DNA作为遗传物质的转化因子，才逐步被确认。

图4-3　Watson-Crick的DNA模型

既然DNA是遗传物质，这就加速了对它的结构研究和基因DNA上编码与表达。已知DNA的基本单位是核苷酸，每个核苷酸分子含有一个脱氧核糖、一个磷酸和G.A.T.C的碱基，但是，直到20世纪50年代初期，人们对于DNA的四种碱基在核苷酸链上的排列以及它们又如何交接在一起还是不了解的。科学的发现有时是偶然的但也有它的必然结果：一位年轻的美国物理学者沃森（J.DWatson）来到英国剑桥大学卡文迪什实验室和英国化学家克里克（F.H.Crick）合作进行DNA分子结构的研究。在几年里他们阅读文献，参加会议，分析X光衍射数据，摆弄分子结构模型。终于在1953年发表了DNA分子的双螺旋模型（图4-3）。

沃森和克里克在确定DNA分子的双螺旋结构过程中没有用DNA做多少测试实验，但他们善于利用科学资料和独特的思维方式进行模型设计，这也是一种实验方法。在此，有必要提及美国化学家波林（L.Panling）和物理学家威尔金（M.Wikims）的工作。波林在蛋白质结构研究中确认了氢键的作用和某些螺旋结构，也提出了DNA的假想结构。当时，加州大学的威尔金研究组似乎已经具备了提示DNA结构研究方面的实验条件，特别获取了高质量的X衍射DNA图谱。但他们错失机会，未能及时提出DNA的正确模型，而这些数据却被沃森和克里克所利用。所以，人们认为DNA双螺旋结构的建立是众多科学家共同的结晶。D.A.Micklos等所著的《DNAScience》一书（2003）的开篇却有趣地引用了许多科学家的照片与图片说明这项科研成果的获得。

现在知道，DNA分子含有2条多核苷酸长链，通过磷酸和戊糖3′，5′碳相连而成，一端是3端（3′C—OH），一端是5端（5′C—PO₄），但两条长链走向相反，并确认A—T和G—C碱基配对相连，互相缠绕成螺旋状。碱基对之间的距离为0.34nm，每一螺旋长为3.4nm。一个DNA分子的碱基对（base pair，bp）数目很大，有几千、几万甚至达百万。如一个DNA分子只有100个bp，它们在分子上的排列就有4¹⁰⁰种。最简单的病毒含有5000个bp，而人的46个染色体的DNA，估计有30亿bp，因此它们的排列数目是个天文数字。这就说明了DNA分子是十分复杂多样的，才能使它储藏无穷的遗传信息。不过，真核细胞中的DNA碱基顺序，很多是内含子，不能表达为蛋白质的，一般有基因功能的只占10％。

2.DNA遗传密码的破译(www.xing528.com)

1957年克里克提出了著名的遗传信息流的中心法则，即：

1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现了逆转录酶，这是对中心法则的补充，并使真核基因的制备成为可能。

1961年，Nirenberg等人应用合成的mRNA分子破译出第一批遗传密码，确定遗传信息是以密码（code）方式传递，每3个核苷酸组成一个密码子（codon）、代表一个氨基酸。据知他们遗传密码全译还是巧妙地利用大肠杆菌（E.coli）提取液的试管反应，即对特定核苷酸序列的多核苷酸链的转录。并分析外加的尿苷酸（U）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）、鸟苷酸（G）和相应的氨基酸顺序，便可判断与某一氨基酸对应的密码。当然，遗传密码的破译工作是复杂的，还要采用别的方法相互引证。工作直至1966年，64个遗传密码子全部被破译出来。这种奇妙的天书破译不能不说是基因研究中的又一项重大进展。

迄今为止，除线粒体、叶粒体存在着个别特殊外，所有的生物，包括病毒、原核和真核生物，它的密码子同氨基酸之间的关系都是相同的，即遗传密码是通用的。这是分子遗传学为基因工程的发展奠定了重要的理论基础。

64个遗传密码排列如表4-1所示，其阅读方式，从左边至右边，分属16个小方框，每一小方框密码的前2个字母都相同，除了甲硫氨基酸和色氨酸以外，其他氨基酸都有两个或更多的密码，如精氨酸、丝氨酸和亮氨酸的密码都达6个。所以，四个碱基——U、C、A、G，每次取3个的64种组合都被用上了。另外，UAG、UAA、UGA是终止密码。因为DNA分子是连续不断的，密码与密码之间没有标点。所以，如果没有一种信号使一个肽链合成在适当位置中止，那么细胞中的蛋白质将成为一个无限大分子，其生理功能的多样化就难以表达。终止密码就是使合成肽链中断，起到标点的作用。

表4-1　遗传密码表（mRNA）