DNA分子已是双股螺旋.PPT

CHAPTER 4 基因、基因體與DNA 基因、基因體與DNA DNA為遺傳物質的歷史回溯 1828年Friedrich Wohler 證實了可用實驗室的化學藥品ammonium cyanate在試管中合成出尿素，是一種由動物產生的「活」的分子。這是第一次證明，其實沒有神奇的力量在生命體的化學物裡。 DNA是在1869由Frederich Miescher 感染傷口的膿中萃取物發現的。直到將近一百年後，才由Oswald Avery確認它的重要性。在1944年，Avery發現，利用化學萃取一些會引起肺炎的細菌株而得到的萃取物，可傳給其他類似但較無害的菌種，Avery純化這些必要的分子並證實它們就是DNA，即便他當時並沒有命名為DNA，因為DNA的結構還沒有被研究。 James Watson 與Francis Crick 在1953年，提出著名的雙股螺旋模型，證實基因代碼的化學性質也介紹DNA複製的機制。1950年，Maurice Wilkins與他的同事Raymond Gosling拿到第一張DNA X-光繞射的圖。Rosalind Franklin加入了Wilkins的實驗室並繼續Gosling的工作。Watson 與Crick在1952年拿了Rosalind Franklin與Raymond Gosling的X-光繞射圖，並用以做為雙股螺旋模型的基礎。 找出遺傳物質的化學基礎讓Watson、Crick與Wilkins在1962年贏得諾貝爾生理醫學獎，因為他們發現核酸的分子結構與活體基因訊息傳送的重要性。 維持生命需要多少的基因訊息才足夠 最小的真菌基因體是Mycoplasma genitalium，它有一個環狀的染色體，約有580,000個DNA鹼基對 (bp)。一般一個基因的平均鹼基數目為1,000個鹼基，而在細菌中的非編碼DNA很少，約有500個基因。 與其他小的細菌基因體比較，我們知道約有 250個基因是活細胞存在最基本的數目。最簡單的活細胞可能需要約200到300個基因。 寄生的細菌，因為它並不能獨自生長，除非靠在其他微生物的表面。雖然有著較少的DNA，但它的基因較緊密且連續在一起，因此比M. genitalium有更多的基因代碼序列 ── 約550個。 非編碼DNA 真核細胞存有大量DNA是非編碼DNA (non-coding DNA)。也正如字面意義所指，這些DNA的鹼基序列是毫無意義的，就我們目前所知是沒有任何有用的基因訊息。 任何區間的DNA，不管是否有基因代碼意義，都可視為是基因的地址 (locus，複數為loci)，也就是在染色體的位置 (或其他DNA分子上)。因為任何DNA的序列可能是一種形式，如果這段DNA是無基因代碼意義，則使用對偶基因 (allele) 來代表。 雖然細菌相對地只有很少的非編碼DNA，但真核細胞卻有著很大的量。高等真核細胞有較多量的非編碼DNA。 在原核細胞中，幾乎所有的非編碼DNA都是存在於基因與基因之間 (intergenic DNA)。真核細胞的情形則較為複雜，不僅是非編碼DNA散落在染色體的基因間，基因本身也會被這些非編碼DNA給打斷。這些非編碼DNA叫作基因間區段序列 (intervening sequence)，也就是內含子 (intron)，而真正含有基因訊息的DNA就是外顯子 (exon)。大部分真核細胞基因的外顯子間夾雜著有內含子。 為了要利用被干擾打斷的基因做成蛋白質，內含子必須被移走。轉錄之後在mRNA的層級，內含子在細胞核中被移除。當基因被表達時DNA首先被轉錄成一條很長的RNA分子，也就是說在主要的初級轉錄物 (primary transcript) 時期仍有內含子存在，再來初級轉錄物經由處理移走內含子產生了mRNA 。 非編碼DNA序列中也可能存在編碼DNA 內含子並非完全不存在於原核細胞中，但是不尋常的是通常只有一個單一的內含子在一個基因上，並不像真核細胞中，有許多基因存在多個內含子。 在一些少見的例子中，原核細胞染色體基因被打斷，但這些基因是RNA分子的代碼而非蛋白質的代碼。在真細菌與古細菌的tRNA 與rRNA的基因是在內含子中被發現。 重複序列的DNA是較高等生物的特性 大部分的基因都是以一組存在，而這些特殊的序列基因，幾乎就是所有細菌的DNA。但在高等生物體，這些特殊的序列，就可能只有全部DNA的20%。如人類有65% 的DNA為基因，蛙則有22%。剩下來的DNA都是重複序列 (repeated sequences 或repetitive sequences)。重複序列就正如它們的名字一樣，在基因體裡重複出現。某些例子中，這些重複序列一個緊接著一個 (tandem repeat)，但有些則是任意分散在基因體裡 (interspersed se