分子生物学(新形态教材)

第1章分子生物学的前世今生 　　基因的特性，染色体在有丝分裂和减数分裂过程中的行为，以及DNA的化学组成等三方面的研究，*终表明DNA是生物的遗传物质：染色体是单个DNA分子，基因是一段特殊的DNA序列。 　　当埃弗里（O.T.Avery）和他的同事表明转化因子就是DNA分子时，证明了DNA是遗传物质。格里菲思（F.Griffith）*早发现了链球菌在小鼠体内的转化现象。而赫尔希（A.Hershey）与蔡斯（M.Chase）证明了进入细菌细胞的是噬菌体T2的DNA分子。利用分析突变的方法，比德尔（G.W.Beadle）与塔特姆（E.L.Tatum）首次证明了基因与酶（蛋白质）催化的代谢途径存在关联。1953年，很多证据强烈支持DNA是遗传物质。例如，富兰克林（R.Franklin）的X射线衍射照片，以及沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）提出的DNA结构的双螺旋模型。 　　分子生物学中的中心法则（centraldogma）概括了细胞中遗传信息的传递和流动，简而言之，即DNA合成RNA，RNA编码蛋白质。但在某些情况下，遗传信息可从RNA传递回DNA，许多基因合成的RNA分子不起信使RNA（messengerRNA）分子的作用。 　　达尔文的自然选择（natural selection）进化理论意味着所有生物都由共同的祖先演化而来。当某些性状隐含的遗传变异（genetic variation）导致繁育成功率提高时，正选择（positive selection）作用就会发生。由于个体产生许多具有相同性状的后代，这个性状在种群中出现的频率就会增加，进而导致进化（evolution）的产生。在分子水平上，主要的选择作用方式是净化选择（purifying selection）或负选择（negative selection），这种选择作用将会消除有害突变，同时允许随机固定中性突变（neutral mutation）。 　　1.1 什么是分子生物学 　　1.1.1分子生物学的概念 　　19世纪，由于生物化学、遗传学、细胞生物学、生物物理学、有机化学、物理化学等相关学科的相互渗透、相互促进，生物学研究进入细胞水平。20世纪后半叶，生物学的研究对象逐渐转移到生物大分子，分子生物学（molecular biology）开始崛起。虽然这门学科仅有近70年的历史，但其发展十分迅速，成为生命科学中的新兴学科、领先学科。分子生物学是人类从分子水平真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应自然转向主动改造自然的基础学科；分子生物学以生物大分子为研究对象，已成为现代生物学领域*具活力的学科之一。 　　什么是分子生物学？从广义角度，分子生物学是指在分子水平上研究生命现象。从狭义的角度，分子生物学是指研究DNA的分子结构、编码信息及基因表达的生物化学基础和调控机制的学科。 　　但不论广义定义还是狭义定义，都不能很好地概括分子生物学的内涵。因为DNA分子涉及的研究范围较广。1995年，在辛普森（O.J.Simpson）谋杀案中，DNA指纹的使用使得全球学者开始重新评判分子生物学的内涵。两年之后，克隆羊多莉（Dolly）的诞生，轰动了世界。2001年，科学家宣告人类基因组序列（human genome sequence）的草稿完成。在评论这一里程碑式的成就时，美国前总统克林顿（B.Clinton）将“生命之书的解码”比作医学版的月球着陆。从此，社会各界，尤其是科学家、科幻作家等，对DNA的关注度越来越高。因而，20世纪90年代可看作社会公众对分子生物学认识的开始。然而，对分子生物学真正的认识开始于半个世纪前，当Watson和Crick提出脱氧核糖核酸（DNA）的结构时（表1-1）。这一发现过程充满故事性，1868年，瑞士医生米舍（F.Miescher）从沾染绷带的脓中分离出了白细胞，在白细胞的细胞核中发现了一种能在弱酸性溶液中析出而在弱碱性溶液中溶解的白色丝状物质，并将其命名为核蛋白或核素（nuclein）。这种核素物质后来被证明是普遍存在于生物中的遗传物质，即现在人们熟知的DNA分子。1953年，沃森和克里克阐明了它的结构为双螺旋结构。 　　现在普遍认为，分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学，通过研究生物大分子（核酸、蛋白质）的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。 　　1.1.2 分子生物学的发展 　　自20世纪50年代以来，分子生物学是现代生物学的前沿和生长点。生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构、功能的研究，是分子生物学的基础。分子生物学产生初始，一方面以化学或物理为主，着重研究生物大分子的结构，尤其是蛋白质的三维结构或构象，另一方面以生物学为主，研究生物信息的传递和复制。后来，两者合并，并与其他学科日益融合，逐渐形成了分子生物学。 　　1912年，英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）提出布拉格定律（Bragg law），即X射线在晶体上衍射的理论解释。1913年，W.H.Bragg制成了**台X射线摄谱仪。他们父子利用这台仪器测定了金刚石、水晶等几种简单晶体的结构，研究出晶体结构分析的方法，并成功测定了蛋白质的结构。 　　1928年，英国微生物学家格里菲思（F.Griffith）利用肺炎双球菌感染小白鼠，观察小白鼠的变化。肺炎双球菌有多种株系，其中光滑型（smooth，S型）菌株产生荚膜、有毒，在小鼠体内导致败血症并使小鼠患病死亡；粗糙型（rough，R型）菌株不产生荚膜、无毒，在动物体内不导致病害。Griffith将活的、无毒的R型肺炎双球菌或加热杀死的有毒的S型肺炎双球菌注入小白鼠体内，小白鼠不表现出病症；将活的、有毒的S型肺炎双球菌或将经加热杀死的有毒的S型肺炎双球菌和少量无毒、活的R型肺炎双球菌混合后分别注射到小白鼠体内，小白鼠患病死亡，并从小白鼠体内分离出活的S型菌。Griffith将这一现象称为转化（transform）。S型死菌体内有一种物质能引起R型活菌转化产生S型菌，这种转化物质被称为转化因子（transforming factor）。但这种转换因子是什么？Griffith并未做出回答。这就是著名的肺炎双球菌体内转化实验。 　　1929年，俄国医生、化学家列文（P.A.Levene）确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸（DNA），另一种是核糖核酸（RNA）。分析出DNA含有4种碱基和磷酸基团，并提出四核苷酸学说（tetranucleotide hypothesis），4个互不相同的核苷酸连接构成四核苷酸，四核苷酸连接组成DNA分子，认为DNA是由等量的各种碱基［腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）］组成的四连环。 　　1934年，卡斯佩松（T.Caspersson）用过滤的方法得到核酸分子，推测核酸是比蛋白质还要大的大分子。1938年，辛格（R.Singer）和其合作者Caspersson得到了相对分子质量为50万、分子质量为100Da的DNA分子，从而排除了DNA是一个小分子的观点。 　　1941年，比德尔（G.W.Beadle）和塔特姆（E.L.Tatum）提出“一个基因一个酶”假说，首次将蛋白质与基因联系在一起，来说明基因和酶之间的精确关系。也就是说，基因决定酶的结构，且一个基因仅决定一个酶的结构，但当时基因的本质并不清楚。 　　1944年，埃弗里（O.T.Avery）、麦克劳德（C.MacLeod）与麦卡蒂（M.McCarty）通过肺炎双球菌的体外转化实验终于证明了DNA而非蛋白质，才是遗传信息的物质载体。从加热杀死的S型肺炎双球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化实验。只有S型细菌的DNA分子才能将R型菌转化为S型菌，且DNA纯度越高，转化效率也越高。这表明S型菌株转移给R型菌株的是遗传因子。 　　1950年，奥地利裔美国生物化学家夏格夫（E.Chargaff）在测定DNA的分子组成时，发现DNA中4种碱基的含量并不是等量的，几乎所有类型的DNA，不管是来自哪种生物或组织细胞，其中腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）数量几乎完全一样，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）的数量也一样，即著名的“夏格夫法则”（Chargaff rule），也彻底否定了四核苷酸学说。 　　同年，米尔斯基（A.Mirsky）、里斯（H.Ris）、旺德雷利（R.Vendrely）和博伊文（A.Boivin）发现不同生物配子细胞的细胞核中DNA数量是体细胞中的一半，平行减少了染色体的数量，这表明DNA很像是生物中的遗传物质。 　　1951年，富兰克林（R.Franklin）发现了DNA的两种形态，将较长、较细的DNA纤维称为A型；将较短、较粗的DNA分子称为B型。 　　1952年，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）通过噬菌体标记实验，发现在噬菌体感染细菌细胞过程中，是DNA而非任何蛋白质进入细菌细胞，并且可以从后代病毒颗粒中回收到该种物质。其明确了噬菌体DNA将信息带入细胞，从而产生与亲代噬菌体遗传性完全一致的子代噬菌体。噬菌体标记实验证明噬菌体的DNA是决定遗传性的物质。Franklin与戈斯林（R.Gosling）经过长时间的研究，获得一张B型DNA晶体的X射线衍射照片，即“照片51号”，被誉为“几乎是有史以来*美的一张X射线照片”。在医学研究委员会（Medical Research Council，MRC）任职时，Franklin说明了A型DNA的对称性，也指出了磷酸根之间的距离及在DNA上的位置。同年11月，化学家保林（L.C.Pauling）认为DNA外侧为碱基，内侧为磷酸的三股螺旋。 　　1953年，受Franklin的DNA晶体X射线衍射照片的启发，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Watson和Crick在英国Nature杂志上发表了一篇划时代的论文，向世界宣告发现了DNA的双螺旋结构，从而开启了现代分子生物学时代。双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够以自我复制的方式将核苷酸序列中的信息完整地传递给子代分子，解释了生物体要繁衍后代，物种要保持稳定，细胞内必须具有维持遗传稳定性的机制。DNA双螺旋结构也为人们提供了对DNA分子进行人工操作的结构基础，成为20世纪*伟大的科学发现之一，被誉为“分子生物学第二大基石”。 　　1954年，盖莫（G.Gamow）根据DNA的4种核苷酸，为20种*常见的氨基酸进行编码，建立了数学模型，基于氨基酸出现在蛋白质中的频率进行分类，提出三个核苷酸一组为20个氨基酸编码的概念，形成了遗传密码学说（genetic codon hypothesis）。 　　1955年，美国分子生物学家本泽（S.Benzer）以噬菌体为材料，在分子水平上研究基因内部的精细结构，提出顺反子（cistron）概念。Benzer认为顺反子就是基因，把基因具体成一段DNA序列，将基因的概念从摩尔根的“三位一体”发展为“一位一体”。