DNA

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DNA(脱氧核糖核酸)双股螺旋

  DNA英文全称:'Deoxyribonucleic acid',缩写:DNA,中文译名:“脱氧核糖核酸”,又称“去氧核糖核酸”,是一种生物大分子,可组成遗传指令,引导生物发育生命机能运作。主要功能是资讯储存,可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令,是建构细胞内其他的化合物,如蛋白质核糖核酸所需。带有蛋白质编码的DNA片段称为基因。其他的DNA序列,有些直接以本身构造发挥作用,有些则参与调控遗传讯息的表现。

  DNA是一种长链聚合物,组成单位称为核苷酸,而糖类磷酸借由酯键相连,组成其长链骨架。每个糖单位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,例如核糖体RNA小核RNA小干扰RNA

  在细胞内,DNA能组织成染色体结构,整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制,此过程称为DNA复制。对真核生物,如动物植物真菌而言,染色体是存放于细胞核内;对于原核生物而言,如细菌,则是存放在细胞质中的拟核里。染色体上的染色质蛋白,如组织蛋白,能够将DNA组织并压缩,以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用,进而调节基因的转录。

物理与化学性质

  脱氧核糖核酸是一种由核苷酸重复排列组成的长链聚合物,宽度约22到24埃(2.2到2.4纳米),每一个核苷酸单位则大约长3.3埃(0.33纳米)。在整个脱氧核糖核酸聚合物中,可能含有数百万个相连的核苷酸。例如人类细胞中最大的1号染色体中,就有2亿2千万个碱基对。通常在生物体内,脱氧核糖核酸并非单一分子,而是形成两条互相配对并紧密结合,且如蔓藤般地缠绕成双螺旋结构的分子。每个核苷酸分子的其中一部分会相互连结,组成长链骨架;另一部分称为碱基,可使成对的两条脱氧核糖核酸相互结合。所谓核苷酸,是指一个核苷加上一个或多个磷酸基团,核苷则是指一个碱基加上一个糖类分子。

  脱氧核糖核酸骨架是由磷酸与糖类基团交互排列而成。组成脱氧核糖核酸的糖类分子为环状的2-脱氧核糖,属于五碳糖的一种。磷酸基团上的两个氧原子分别接在五碳糖的3号及5号碳原子上,形成磷酸双酯键。这种两侧不对称的共价键位置,使每一条脱氧核糖核酸长链皆具方向性。双螺旋中的两股核苷酸互以相反方向排列,这种排列方式称为反平行。脱氧核糖核酸链上互不对称的两末端一边叫做5'端,另一边则称3'端。脱氧核糖核酸与RNA最主要的差异之一,在于组成糖分子的不同,DNA为2-脱氧核糖,RNA则为核糖。

DNA和RNA的组成与结构。左为RNA,右为DNA

  两股脱氧核糖核酸长链上的碱基以氢键相互吸引,使双螺旋形态得以维持。这些碱基可分为两大类,以5角及6角杂环化合物组合而成的一类称为嘌呤;只有一个6角杂环的则称为嘧啶。组成脱氧核糖核酸的碱基,分别是腺嘌呤(缩写A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)与胸腺嘧啶(T)。碱基、糖类分子与磷酸三者结合之后,便成为完整的核苷酸。还有一种碱基称为尿嘧啶(U),此种碱基比胸腺嘧啶少了一个位于环上的甲基,一般出现在RNA分子中,角色相当于脱氧核糖核酸里的胸腺嘧啶。通常在脱氧核糖核酸中,它会作为胞嘧啶的分解产物,或是CpG岛中未经甲基化的胞嘧啶突变产物。少见的例外发现于一种称为PBS1的细菌病毒,此类病毒的脱氧核糖核酸中含有尿嘧啶。在某些特定RNA分子的合成过程中,会有许多尿嘧啶在酵素的作用下失去一个甲基,因而转变成胸腺嘧啶,这种情形大多出现于一些在构造上具有功能,或者具有酵素能力的RNA上,例如转运RNA与核糖体RNA。

  两股脱氧核糖核酸长链会以右旋方式相互缠绕成双螺旋结构,因为以磷酸联结而成的骨架位于外部,且两股之间会留下一些空隙,因此位于螺旋内部的碱基,即使从螺旋外侧依然可见(如右方动画)。双螺旋的表面有两种凹槽(或称“沟”):较大的宽22埃;较小的宽12埃。由于各个碱基靠近大凹槽的一面较容易与外界接触,因此如转录因子等能够与特定序列结合的蛋白质与碱基接触时,通常是作用在靠近大凹槽的一面。

DNA复制

  DNA复制,是指DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程,复制的结果是一条双链变成两条一样的双链(如果复制过程正常的话),每条双链都与原来的双链一样。这个过程通过半保留复制机制得以顺利完成。

  生物个体成长需要经历细胞分裂,当细胞进行分裂时,必须将自身基因组中的脱氧核糖核酸复制,才能使子细胞拥有和亲代相同的遗传讯息。脱氧核糖核酸的双股结构可供脱氧核糖核酸复制机制进行,在此复制过程中,两条长链会先分离,之后一种称为DNA聚合酶的酵素,会分别以两条长链为依据,合成出互补的脱氧核糖核酸序列。酵素可找出正确的外来互补碱基,并将其结合到模板长链上,进而制造出新的互补长链。由于脱氧核糖核酸聚合酶只能以5'到3'的方向合成脱氧核糖核酸链,因此双螺旋中平行但方向相反的两股,具有不同的合成机制。旧长链上的碱基序列决定了新长链上的碱基序列,使细胞得以获得完整的脱氧核糖核酸复制品。

  DNA复制主要包括引发、延伸、终止三个阶段:

引发

  复制的引发(Priming)阶段包括DNA复制起点双链解开,通过转录激活步骤合成RNA分子,RNA引物的 合成,DNA聚合酶将第一个脱氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端复制引发的关键步骤就是前导链DNA的合成,一旦前导链DNA的聚合作用开始,滞后链上的DNA合成也随着开始,在所有前导链开始聚合之前有一必需的步骤就是由RNA聚合酶(不是引物酶)沿滞后链模板转录一短的RNA分子。在有些DNA复制中,(如质粒ColE),该RNA分子经过加式成为DNA复制的引物。但是,在大部分DNA复制中,该RNA分子没有引物作用。它的作用似乎只是分开两条DNA链,暴露出某些特定序列以便引发体与之结合,在前导链模板DNA上开始合成RNA引物,这个过程称为转录激活(transcriptional activation),在前导链的复制引发过程中还需要其他一些蛋白质,如大肠杆菌的dnaA蛋白。这两种蛋白质可以和复制起点处DNA上高度保守的4个9bp长的序列结合,其具体功能尚不清楚。可能是这些蛋白质与DNA复制起点结合后能促进DNA聚合酶Ⅲ复合体的七种蛋白质在复制起点处装配成有功能的全酶。DNA复制开始时,DNA螺旋酶首先在复制起点处将双链DNA解开,通过转录激活合成的RNA分子也起分离两条DNA链的作用,然后单链DNA结合蛋白质结合在被解开的链上。由复制因子X(n蛋白),复制因子Y(n'蛋白),n"蛋白,i蛋白,dnaB蛋白和dnaC蛋白等6种蛋白质组成的引发前在单链DNA结合蛋白的作用下与单链DNA结合生成中间物,这是一种前引发过程。引发前体进一步与引物酶(primase)组装成引发体(primosome)。引发体可以在单链DNA上移动,在dnaB亚基的作用下识别DNA复制起点位置。 首先在前导链上由引物酶催化合成一段RNA引物,然后,引发体在滞后链上沿5'→3'方向不停的移动(这是一种相对移动,也可能是滞后链模板在移动,见后),在一定距离上反复合成RNA引物供DNA聚合酶Ⅲ合成冈崎片段使用,引发体中许多蛋白因子的功能尚不清楚。但是,这些成份必须协同工作才能使引发体在滞后链上移动,识别合适的引物合成位置,并将核苷酸在引发位置上聚合成RNA引物。由于引发体在滞后链模板上的移动方向与其合成引物的方向相反,所以在滞后链上所合成的RNA引物非常短,一般只有3-5个核苷酸长。而且,在同一种生物体细胞中这些引物都具有相似的序列,表明引物酶要在DNA滞后链模板上比较特定的位置(序列)上才能合成RNA引物。

  为什么需要有RNA引物来引发DNA复制呢?这可能尽量减少DNA复制起始处的突变有关。DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错,因此,用RNA引物即使出现差错最后也要被DNA聚合酶Ⅰ切除,提高了DNA复制的准确性。RNA引物形成后,由DNA聚合酶Ⅲ催化将第一个脱氧核苷酸按碱基互补原则加在RNA引物3'-OH端而进入DNA链的延伸阶段。

DNA链的延伸

  DNA新生链的合成由DNA聚合酶Ⅲ所催化,然而,DNA必须由螺旋酶在复制叉处边移动边解开双链。这样就产生了一种拓扑学上的问题:由于DNA的解链,在DNA双链区势必产生正超螺旋,在环状DNA中更为明显,当达到一定程度后就会造成复制叉难再继续前进,从而终止DNA复制。但是,在细胞内DNA复制不会因出现拓扑学问题而停止。有两种机制可以防止这种现象发生:[1]DNA在生物细胞中本身就是超螺旋,当DNA解链而产生正超螺旋时,可以被原来存在的负超螺旋所中和;[2]DNA拓扑异构酶Ⅰ要以打开一条链,使正超螺旋状态转变成松弛状态,而DNA拓扑异构酶Ⅱ(旋转酶)可以在DNA解链前方不停地继续将负超螺旋引入双链DNA。这两种机制保证了无论是环状DNA还是开环DNA的复制顺利的解链,再由DNA聚合酶Ⅲ合成新的DNA链。前已述及DNA生长链的延伸主要由DNA聚合酶催化,该酶是由7种蛋白质(多肽)组成的聚合体,称为全酶。全酶中所有亚基对完成DNA复制都是必需的。α亚基具有聚合功能和5'→3'外切酶活性,ε亚基具有3'→5'外切酶活性。另外,全酶中还有ATP分子它是DNA聚合酶Ⅲ催化第一个脱氧核糖核苷酸连接在RNA引物上所必需的,其他亚基的功能尚不清楚。

  在DNA复制叉处要能由两套DNA聚合酶Ⅲ在同一时间分别进行复制DNA前导链和滞后链。如果滞后链模板环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶,并通过DNA聚合酶Ⅲ,然后再折向与未解链的双链DNA在同一方向上,则滞后链的合成可以和前导链的合成在同一方向上进行。

  这样,当DNA聚合酶Ⅲ沿着滞后链模板移动时,由特异的引物酶催化合成的RNA引物即可以由DNA聚合酶Ⅲ所延伸。当合成的DNA链到达前一次合成的冈崎片段的位置时,滞后链模板及刚合成的冈崎片断便从DNA聚合酶Ⅲ上释放出来。这时,由于复制叉继续向前运动,便产生了又一段单链的滞后链模板,它重新环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶,并通过DNA聚合酶Ⅲ开始合成新的滞后链冈崎片段。通过这样的机制,前导链的合成不会超过滞后链太多(最后只有一个冈崎片段的长度)。而且,这样引发体在DNA链上和DNA聚合酶Ⅲ以同一速度移动。

  按上述DNA复制的机制,在复制叉附近,形成了以两套DNA聚合酶Ⅲ全酶分子、引发体和螺旋构成的类似核糖体大小的复合体,称为DNA复制体(replisome)。复制体在DNA前导链模板和滞后链模板上移动时便合成了连续的DNA前导链和由许多冈崎片段组成的滞后链。在DNA合成延伸过程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。当冈崎片段形成后,DNA聚合酶Ⅰ通过其5'→3'外切酶活性切除冈崎片段上的RNA引物,同时,利用后一个冈崎片段作为引物由5'→3'合成DNA。最后两个冈崎片段由DNA连接酶将其接起来,形成完整的DNA滞后链。

终止

  过去认为,DNA一旦复制开始,就会将该DNA分子全部复制完毕,才终止其DNA复制。但最近的实验表明,在DNA上也存在着复制终止位点,DNA复制将在复制终止位点处终止,并不一定等全部DNA合成完毕。但目前对复制终止位点的结构和功能了解甚少在DNA复制终止阶段令人困惑的一个问题是,线性DNA分子两端是如何完成其复制的?已知DNA复制都要有RNA引物参与。当RNA引物被切除后,中间所遗留的间隙由DNA聚合Ⅰ所填充。但是,在线性分子的两端以5'→3'为模板的滞后链的合成,其末端的RNA引物被切除后是无法被DNA聚合酶所填充的。

  在研究T7DNA复制时,这个问题部分地得到了解决。T7DNA两端的DNA序列区有160bp长的序列完全相同。而且,在T7DNA复制时,产生的子代DNA分子不是一个单位T7DNA长度,而是许多单位长度的T7DNA首尾连接在一起。T7DNA两个子代DNA分子都会有一个3'端单链尾巴,两个子代DNA的3'端尾巴以互补结合形成两个单位T7DNA的线性连接。然后由DNA聚合酶Ⅰ填充和DNA连接酶连接后,继续复制便形成四个单位长度的T7DNA分子。这样复制下去,便可形成多个单位长度的T7DNA分子。这样的T7DNA分子可以被特异的内切酶切开,用DNA聚合酶填充与亲代DNA完全一样的双链T7DNA分子。

  在研究痘病毒复制时,发现了线性DNA分子完成末端复制的第二种方式。痘病毒DNA在两端都形成发夹环状结构。DNA复制时,在线性分子中间的一个复制起点开始,双向进行,将发夹环状结构变成双链环状DNA。然后,在发夹的中央将不同DNA链切开,使DNA分子变性,双链分开。这样,在每个分子两端形成一个单链尾端要以自我互补,形成完整的发夹结构,与亲代DNA分子一样。在真核生物染色体线性DNA分子复制时,尚不清楚末端的复制过程是怎样进行的。也可能像痘病毒那样形成发夹结构而进行复制。但最近的实验表明,真核生物染色体末端DNA复制是由一种特殊的酶将一个新的末端DNA序列加在刚刚完成复制的DNA末端。这种机制首先在四膜虫中发现。该生物细胞的线性DNA分子末端有30-70拷贝的5'TTGGGG3'序列,该细胞中存在一种酶可以将TTGGGG序列加在事先已存在的单键DNA末端的TTGGGG序列上。这样有较长的末端单链DNA,可以被引物酶重新引发或其他的酶蛋白引发而合成RNA引物,并由DNA聚合酶将其变成双链DNA。这样就可以避免其DNA随着复制的不断进行而逐渐变短。

  在环状DNA的复制的末端终止阶段则不存在上述问题。环状DNA复制到最后,由DNA拓扑异构酶Ⅱ切开双链DNA,将两个DNA分子分开成为两个完整的与亲代DNA分子一样的子代DNA。

DNA复制的特点

  • 半保留复制:DNA在复制时,以亲代DNA的每一股作模板,合成完全相同的两个双链子代DNA,每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链,这种现象称为DNA的半保留复制。DNA以半保留方式进行复制,是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。
  • 有一定的复制起始点:DNA在复制时,需在特定的位点起始,这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段,即复制起始点(复制子)。在原核生物中,复制起始点通常为一个,而在真核生物中则为多个。
  • 需要引物(primer):DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基(3'-OH)的RNA作为引物,才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小,在原核生物中通常为50~100个核苷酸,而在真核生物中约为10个核苷酸。
  • 双向复制:DNA复制时,以复制起始点为中心,向两个方向进行复制。但在低等生物中,也可进行单向复制。
  • 半不连续复制:由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链,因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的,这一条链被称为领头链(leading strand)。而以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的,这条链被称为随从链(lagging strand)。DNA在复制时,由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小,在原核生物中约为1000~2000个核苷酸,而在真核生物中约为100个核苷酸。

遗传重组

  各条脱氧核糖核酸螺旋间的交互作用不常发生,在人类细胞核里的每个染色体,各自拥有一块称作“染色体领域”的区域。染色体之间在物理上的分离,对于维持脱氧核糖核酸资讯储藏功能的稳定性而言相当重要。

  不过染色体之间有时也会发生重组,在重组的过程中,会进行染色体互换:首先两条脱氧核糖核酸螺旋会先断裂,之后交换其片段,最后再重新黏合。重组作用使染色体得以互相交换遗传讯息,并产生新的基因组合,进而增加自然选择的效果,且可能对蛋白质的演化产生重要影响。遗传重组也参与脱氧核糖核酸修复作用,尤其是当细胞中的脱氧核糖核酸发生断裂的时候。

  同源重组是最常见的染色体互换方式,可发生于两条序列相类似的染色体上。而非同源重组则对细胞具有伤害性,会造成染色体易位与遗传异常。可催化重组反应的酵素,如RAD51,称为“重组酶”。重组作用的第一个步骤,是内切酶作用,或是脱氧核糖核酸的损坏所造成的脱氧核糖核酸双股断裂。重组酶可催化一系列步骤,使两条螺旋结合产生Holliday交叉。其中每条螺旋中的单股脱氧核糖核酸,皆与另一条螺旋上与之互补的脱氧核糖核酸连结在一起,进而形成一种可于染色体内移动的交叉形构造,造成脱氧核糖核酸链的互换。重组反应最后会因为交叉结构的断裂,以及脱氧核糖核酸的重新黏合而停止。

脱氧核糖核酸生物代谢的演化

  脱氧核糖核酸所包含的遗传讯息,是所有现代生命机能,以及生物生长与繁殖的基础。不过目前尚未明了在长达40亿年的生命史中,脱氧核糖核酸究竟是何时出现并开始发生作用。有一些科学家认为,早期的生命形态有可能是以RNA作为遗传物质。RNA可能在早期细胞代谢中扮演主要角色,一方面可传递遗传讯息;另一方面也可作为核糖酶的一部分,进行催化作用。在古代RNA世界里,核酸同时具有催化与遗传上的功能,而这些分子后来可能演化成为目前以四种核苷酸组成遗传密码的形式,这是因为当碱基种类较少时,复制的精确性会增加;而碱基种类较多时,增加的则是核酸的催化效能。两种可达成不同目的功能最后在四种碱基的情形下达到最合适数量。

  不过关于这种古代遗传系统并没有直接证据,且由于脱氧核糖核酸在环境中无法存留超过一百万年,在溶液中又会逐渐降解成短小的片段,因此大多数化石中并无脱氧核糖核酸可供研究。即使如此,仍有一些声称表示已经获得更古老的DNA,其中一项研究表示,已从存活于2亿5千万年古老的盐类晶体中的细菌分离出脱氧核糖核酸,但此宣布引起了讨论与争议。

DNA分型鉴定

  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(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,男性的精子细胞和女性的卵子,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。我们的结果通常是比法庭上要求的还准确10到100倍。

  通过遗传标记的检验与分析来判断父母与子女是否亲生关系,称之为亲子试验或亲子鉴定。DNA是人体遗传的基本载体,人类的染色体是由DNA构成的,每个人体细胞有23对(46条)成对的染色体,其分别来自父亲和母亲。夫妻之间各自提供的23条染色体,在受精后相互配对,构成了23对(46条)孩子的染色体。如此循环往复构成生命的延续。

  由于人体约有30亿个碱基对构成整个染色体系统,而且在生殖细胞形成前的互换和组合是随机的,所以世界上没有任何两个人具有完全相同的30亿个核苷酸的组成序列,这就是人的遗传多态性。尽管遗传多态性的存在,但每一个人的染色体必然也只能来自其父母,这就是DNA亲子鉴定的理论基础。

  传统的血清方法能检测红细胞血型、白细胞血型、血清型和红细胞酶型等,这些遗传学标志为蛋白质(包括糖蛋白)或多肽,容易失活而导致检材得不到理想的检验结果。此外,这些遗传标志均为基因编码的产物,多态信息含量(PIC)有限,不能反映DNA编码区的多态性,且这些遗传标志存在生理性、病理性变异(如A型、O型血的人受大肠杆菌感染后,B抗原可能呈阳性。因此,其应用价值有限。

  DNA检验可弥补血清学方法的不足,故受到了法医物证学工作者的高度关注,近几年来,人类基因组研究的进展日新月异,而分子生物学技术也不断完善,随着基因组研究向各学科的不断渗透,这些学科的进展达到了前所未有的高度。在法医学上,STR位点和单核苷酸(SNP)位点检测分别是第二代、第三代DNA分析技术的核心,是继RFLPs(限制性片段长度多态性)VNTRs(可变数量串联重复序列多态性)研究而发展起来的检测技术。作为最前沿的刑事生物技术,DNA分析为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的手段,使物证鉴定从个体排除过渡到了可以作同一认定的水平,DNA检验能直接认定犯罪、为凶杀案、强奸杀人案、碎尸案、强奸致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据。随着DNA技术的发展和应用,DNA标志系统的检测将成为破案的重要手段和途径。此方法作为亲子鉴定已经是非常成熟的,也是国际上公认的最好的一种方法。特别提到一点:同卵双胞胎的DNA检测结果是一样的。