第14章DNA：遗传物质要点概述14.1什么是遗传物质？Hammerling的试验：遗传信息在细胞核中移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息Griffith试验：遗传信息可以在个体间传递Avery和Hershey一Chase试验：遗传因子是DNA14.2DNA的结构核酸的化学性质：核酸是含有四种核苷酸的聚合体。DNA的三维结构：DNA分子是一个双螺旋，两条链间依靠碱基对的相互作用结合。14.3DNA是如何复制的？Meselson-Stahl试验：DNA的复制是一个半保留过程复制的过程。DNA的复制是通过DNA聚合酶II以及其他一些酶的活动。它的复制是半保留式的，合成两条互补链。真核细胞DNA的复制。真核细胞的染色体含有许多复制起始点14.4基因是什么一个基因一条肽链的假说。一个基因中包含了决定一个功能蛋白所需的全部信息。DNA是如何编码蛋白质结构信息。基因的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸序列
第 14 章 DNA:遗传物质 要点概述 14.1 什么是遗传物质？ Hammerling 的试验：遗传信息在细胞核中 ：遗传信息在细胞核中 移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息 ：每个细胞都含有一整套的遗传信息 Griffith 试验：遗传信息可以在个体间传递 ：遗传信息可以在个体间传递 Avery 和 Hershey－Chase 试验：遗传因子是 DNA 14.2 DNA 的结构 核酸的化学性质：核酸是含有四种核苷酸的聚合体。 DNA 的三维结构：DNA 分子是一个双螺旋，两条链间依靠碱基对的相互作 用结合。 14.3 DNA 是如何复制的？ Meselson-Stahl 试验：DNA 的复制是一个半保留过程 复制的过程。DNA 的复制是通过 DNA 聚合酶 III 以及其他一些酶的活动。 它的复制是半保留式的，合成两条互补链。 真核细胞 DNA 的复制。真核细胞的染色体含有许多复制 。 起始点 14.4 基因是什么 一个基因一条肽链的假说。一个基因中包含了决定一个功能蛋白所需的全部 。 信息。 DNA 是如何编码蛋白质结构信息。基因的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸 。 序列
在人们认识到遗传性状可以用减数分裂时染色体(chromosome)的分离来解释之后，又一个问题困扰了生物学家长达50年。什么才是染色体和遗传性状之间联系的本质？本章中我们将列举一系列的试验，这些试验使我们对遗传的分子机理（图14.1）的研究达到了现在这个水平。它们也是科学史上最为经典的试验。就像邀游在一本引人入胜的推理小说中一样，每一个结论又引发了新的问题。通向智慧的道图14.1DNA：所有生物每个细胞中的路并非总是一条捷径，最本质的问题也并遗传蓝图是这条长而卷曲的分子，脱非总是那么显而易见。然而无论试验之路氧核糖核酸（DNA）如何回环曲折，我们对遗传机理轮廓的勾勒已逐渐清晰，它的全景已被清晰地展现出来。14.1什么是遗传物质？Hammerling的试验：遗传信息在细胞核中也许关于遗传信息的最最基本的问题是：它在细胞的哪一部分？在20世纪30年代，丹麦的生物学家JoachimHammerling工作于柏林的MaxPlank学院，从事海洋生物学的研究。他将细胞切为几份，以观察哪一部分能够表达遗传信息。为此，他要求细胞足够大，可以方便的切割：同时细胞必须有明显的特征便于区分。他选择了一种可以长至5厘米的单细胞藻类，伞藻（Acetabularia），以此作为他试验模型的研究对象。就像孟德尔用豌豆、Sturtevant用果蝇作为他们研究的研究对象一样。Hammerling选择了一种生物来研究，它能够符合他所提出的要求，并假定由它所得到的结果适用于其他生物。伞藻中的各个属有区别明显的假根、伞柄和伞帽，它们都是单个细胞的不同部分。细胞核在假根里。Hammerling先做了一个预备试验，他切除了一些细胞的假根或伞帽。他发现，那些被切除了伞帽的细胞可以从它剩余的部分（假根和伞柄）中长出新的伞帽。因此他推测伞藻的遗传信息就藏在它的假根里
在人们认识到遗传性状可以用减数分 裂时染色体(chromosome)的分离来解释之 后，又一个问题困扰了生物学家长达 50 年。什么才是染色体和遗传性状之间联系 的本质？本章中我们将列举一系列的试 验，这些试验使我们对遗传的分子机理（图 14.1）的研究达到了现在这个水平。它们 也是科学史上最为经典的试验。就像遨游 在一本引人入胜的推理小说中一样，每一 个结论又引发了新的问题。通向智慧的道 路并非总是一条捷径，最本质的问题也并 非总是那么显而易见。然而无论试验之路 如何回环曲折，我们对遗传机理轮廓的勾 勒已逐渐清晰，它的全景已被清晰地展现出来。 14.1 什么是遗传物质？ Hammerling 的试验：遗传信息在细胞核中 ：遗传信息在细胞核中 也许关于遗传信息的最最基本的问题是：它在细胞的哪一部分？在 20 世纪 30 年代，丹麦的生物学家 Joachim Hammerling 工作于柏林的 Max Plank 学院， 从事海洋生物学的研究。他将细胞切为几份，以观察哪一部分能够表达遗传信息。 为此，他要求细胞足够大，可以方便的切割；同时细胞必须有明显的特征便于区 分。他选择了一种可以长至 5 厘米的单细胞藻类，伞藻（Acetabularia），以此作 为他试验模型的研究对象。就像孟德尔用豌豆、Sturtevant 用果蝇作为他们研究 的研究对象一样。Hammerling 选择了一种生物来研究，它能够符合他所提出的 要求，并假定由它所得到的结果适用于其他生物。 伞藻中的各个属有区别明显的假根、伞柄和伞帽，它们都是单个细胞的不同 部分。细胞核在假根里。Hammerling 先做了一个预备试验，他切除了一些细胞 的假根或伞帽。他发现，那些被切除了伞帽的细胞可以从它剩余的部分（假根和 伞柄）中长出新的伞帽。因此他推测伞藻的遗传信息就藏在它的假根里。 图 14.1 DNA 所有生物每个细胞中的 遗传蓝图是这条长而卷曲的分子，脱 氧核糖核酸（DNA）
对单个细胞的手术A.crenulata为了验证这个假设，HammerlingA.mediterranea选取了伞藻属的两个不同种，它们的伞帽有着很大的差别。地中海伞藻（A.mediterranea）有一个圆形的伞帽而巨尺伞藻（A.crenulata）则有一个分叉的花盘形的伞帽。Hammerling将巨尺伞藻的伞柄嫁接到地中海伞Nucleus inbase determinestypeof capregenerated藻的假根上（图14.2）。长出的伞帽图14.2Hammerling的伞藻交叉嫁接试验与巨尺伞藻略有不同。他将每一种伞藻的伞柄嫁接到另一种的假根上。在所有的情况下，最终长出的伞帽接着Hammerling切下这个伞帽，都是由含有细胞核的假根决定的，而非伞第二次以及以后的每一次所长出的伞柄。A.cremulate巨尺伞藻：A.mediterranea地帽都与地中海伞藻的完全相同。这个中海伞藻；试验有力的支持了Hammerling的假Nucleus in base determines type of capregenerated新生成的伞帽是由基部的细胞设，指导形成某种类型的伞帽的指令核决定的；在细胞核中，而这些指令必须通过伞柄才能到达伞帽。在这个试验中，最初长出的那个伞帽在形状上与后来的圆盘状的伞帽不同，而像是二者的中间体。Hammerling推测，这个与巨尺伞藻有几分相似的伞帽是由已经存在于主轴中的指令指导的，而这些指令早在主轴从巨尺伞藻中切下来时已经存在其中了。相应的，对于那些所有的随后产生的伞帽的合成，都使用地中海伞藻的假根中产生的信息，虽然它被嫁接了巨尺伞藻的伞柄。由于某些未知的原因，最初存在于主轴中的那些指令被“耗尽”了。我们现在知道这些遗传信息（以信使RNA的形式存在，在第I5章讨论）由假根中的细胞核出发、经由伞柄上传到生长中的伞帽中。伞藻的遗传信息在它的假根里，而细胞核也在其中。移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息
对单个细胞的手术 为了验证这个假设，Hammerling 选取了伞藻属的两个不同种，它们的 伞帽有着很大的差别。地中海伞藻 （A. mediterranea）有一个圆形的伞 帽而巨尺伞藻（A. crenulata）则有一 个分叉的花盘形的伞帽。Hammerling 将巨尺伞藻的伞柄嫁接到地中海伞 藻的假根上（图 14.2）。长出的伞帽 与巨尺伞藻略有不同。 接着 Hammerling 切下这个伞帽， 第二次以及以后的每一次所长出的伞 帽都与地中海伞藻的完全相同。这个 试验有力的支持了 Hammerling 的假 设，指导形成某种类型的伞帽的指令 在细胞核中，而这些指令必须通过伞 柄才能到达伞帽。 在这个试验中，最初长出的那个伞帽在形状上与后来的圆盘状的伞帽不同， 而像是二者的中间体。Hammerling 推测，这个与巨尺伞藻有几分相似的伞帽是 由已经存在于主轴中的指令指导的，而这些指令早在主轴从巨尺伞藻中切下来时 已经存在其中了。相应的，对于那些所有的随后产生的伞帽的合成，都使用地中 海伞藻的假根中产生的信息，虽然它被嫁接了巨尺伞藻的伞柄。由于某些未知的 原因，最初存在于主轴中的那些指令被“耗尽”了。我们现在知道这些遗传信息 （以信使 RNA 的形式存在，在第 15 章讨论）由假根中的细胞核出发、经由伞 柄上传到生长中的伞帽中。 伞藻的遗传信息在它的假根里，而细胞核也在其中 ，而细胞核也在其中。 移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息 ：每个细胞都含有一整套的遗传信息 图 14.2Hammerling 的伞藻交叉嫁接试验 他将每一种伞藻的伞柄嫁接到另一种的假 根上。在所有的情况下，最终长出的伞帽 都是由含有细胞核的假根决定的，而非伞 柄。 A.crenulate 巨尺伞藻；A. mediterranea 地 中海伞藻； Nucleus in base determines type of cap regenerated 新生成的伞帽是由基部的细胞 核决定的；
Uv light destroysnucleus,oritisremovedAbnormalwith micropipette.embryoEmbryoNogrowthEggNucleus is1)(two2removedinnucleoli)micropipette.Tadpole3EpithelialcellnucleusisinsertedintoEmbryoEpithelialcellsenucleateTadpoleOccasionallyanare isolatedegg.(oneadultfrog developsfromtadpolenucleolus)Itscellspossessintestine.onenucleolus.图14.3Briggs和King的细胞核移植试验两种蛙有不同的核仁数。其中一种蛙的细胞核被去掉，这可以用一根微吸管吸取或是，更简单一些，用紫外线照射而破坏细胞核。从另一种蛙中取出细胞核植入前一种蛙的去核卵中。这个杂和的细胞可以发育。这个试验可能的三种结果是（1）不发育，也许是由于移植过程中对卵细胞造成了伤害：（2）能够正常地发育至早期胚胎阶段，但接下来的发育异常，无法存活（3）正常生长发育至成熟的蛙。这只蛙是提供细胞核的那只蝌蚪的后代，而非提供卵子的那只。仅有少数试验得到了这个结果，但是它们足以作为细胞核指导蛙发育的明证。Egg (two nucleoli)卵子（双核仁)；UV light destroys nucleus, or it is removed withmicropipette.用紫外线破坏细胞核或用微吸管将其移出。Tadpoleonenucleolus）蝌蚪（单核仁）；Epithelialcellsareisolatedfromtadpoleintestine.从蝌蚪的肠道中分离出上皮细胞；Nucleusisremovedinmicropipette.用微管取走细胞核；Epithelialcellnucleusisinsertedintoenucleateegg.上皮细胞的细胞核被注入已经被摘除自身细胞核的细胞中；Embryo胚胎；Abnormalembryo异常的细胞；nogrowth不生长；tadpole蝌蚪：Occasionally.anadultfrogdevelops.Itscellsprossessonenucleolus.少数情况下会发育成成蛙。它的细胞有一个细胞核。由于伞藻的假根中含有细胞核，Hammerling推测细胞核可能是遗传物质的贮存地点。这个假设的直接证明是由美国的两个胚胎学家一一RobertBriggs和ThomasKing-于1952年完成的。他们将玻璃吸液管拉制出一个细尖，以此在显微镜的下去掉蛙卵的细胞核。失去了细胞核的蛙卵不再生长。接着他们为其植入一个细胞核一一它来于自另一个已进一步分化的蛙胚细胞，这个被移植细胞核的蛙卵发育成一个成熟的蛙。很明显，细胞核指导着细胞的发育（图14.3)。被成功移植的细胞核
由于伞藻的假根中含有细胞核，Hammerling 推测细胞核可能是遗传物质的贮 存地点。这个假设的直接证明是由美国的两个胚胎学家——Robert Briggs 和 Thomas King——于 1952 年完成的。他们将玻璃吸液管拉制出一个细尖，以此在 显微镜的下去掉蛙卵的细胞核。失去了细胞核的蛙卵不再生长。接着他们为其植 入一个细胞核——它来于自另一个已进一步分化的蛙胚细胞，这个被移植细胞核 的蛙卵发育成一个成熟的蛙。很明显，细胞核指导着细胞的发育(图 14.3)。 被成功移植的细胞核 图 14.3 Briggs 和 King 的细胞核移植试验 两种蛙有不同的核仁数。其中一种蛙的细 胞核被去掉，这可以用一根微吸管吸取或是，更简单一些，用紫外线照射而破坏细胞核。 从另一种蛙中取出细胞核植入前一种蛙的去核卵中。这个杂和的细胞可以发育。这个试 验可能的三种结果是（1）不发育，也许是由于移植过程中对卵细胞造成了伤害；（2）能 够正常地发育至早期胚胎阶段，但接下来的发育异常，无法存活（3）正常生长发育至成 熟的蛙。这只蛙是提供细胞核的那只蝌蚪的后代，而非提供卵子的那只。仅有少数试验 得到了这个结果，但是它们足以作为细胞核指导蛙发育的明证。 Egg (two nucleoli)卵子（双核仁）；UV light destroys nucleus, or it is removed with micropipette.用紫外线破坏细胞核或用微吸管将其移出。Tadpole(one nucleolus) 蝌蚪（单 核仁）；Epithelial cells are isolated from tadpole intestine.从蝌蚪的肠道中分离出上皮细胞； Nucleus is removed in micropipette. 用微管取走细胞核；Epithelial cell nucleus is inserted into enucleate egg.上皮细胞的细胞核被注入已经被摘除自身细胞核的细胞中；Embryo 胚 胎；Abnormal embryo 异常的细胞；no growth 不生长； tadpole 蝌蚪；Occasionally.an adult frog develops.Its cells prossess one nucleolus.少数情况下会发育成成蛙。它的细胞有一个细 胞核
是否生物体内的每一个细胞都可以指导产生一个完整的个体？Briggs和King的试验不能给出确定的答案。因为被植入细胞核的卵常常不能正常地发育。接着进行的两个试验明确的回答了上述问题。第一个实验是约翰格登在牛津和耶鲁用另一种蛙做的。他将蝌蚪的细胞核植入去核卵中。这是一个困难的试验一一他必须使供体和受体的分裂期同步。在一些情况下卵可以正常发育，这就证明了进一步发育的细胞的细胞核仍然保有全部的遗传信息，它可以指导其他细胞发育。植物细胞的全能性（topipotency）在第二个试验中，由F.C.Steward于1958年在康奈尔大学进行。他将充分发育的胡萝卜的小块（由韧皮部（phloem）分离出来）放入含有培养液的培养瓶中。他观察到由组织块中分离出的单个细胞将分化并发育成根。当他将根固定在一个固体培养基上时，它们正常地发育成完整成熟的植株。Steward的试验证明了：即使在成熟植物的组织内，单个细胞仍然是“全能”的一一各自都含有一整套完整的遗传信息，也可以发育成完整的个体。正如你们将在19章中学到的那样，动物细胞与植物细胞一样具有全能性，一个成体动物细胞可以发育为一个完整的成熟个体。遗传信息储存在真核细胞的细胞核中。每个细胞核都含有完整的遗传信息。Griffith试验：遗传信息可以在个体间传递确定了细胞核储藏有遗传信息之后，人们的目光集中到染色体上，孟德尔学说早就认为它是遗传信息的载体。孟德尔所研究的遗传信息的单位，基因（genes），也特别为科学家关注，它们到底是如何在染色体中组织的？当时人们已经知道染色体含有蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）。它们到底谁承载着基因？开始于20世纪20年代并延续了30年的研究最终回答了这些疑问。在1928年，英国的微生物学家Frederick.Griffith用一种病菌做了一系列试验，得到了料想不到的结果。当他用一种致命的病菌（肺炎链球菌的一种，肺炎双球菌（pheumococus））感染老鼠，老鼠死于败血。而当它用病菌的突变体肺炎性肺炎双球菌(S.pheumoniae)感染老鼠，这种突变体缺少致病菌所具有的荚膜
是否生物体内的每一个细胞都可以指导产生一个完整的个体？Briggs 和 King 的试验不能给出确定的答案。因为被植入细胞核的卵常常不能正常地发育。 接着进行的两个试验明确的回答了上述问题。第一个实验是约翰 格登在牛津和 耶鲁用另一种蛙做的。他将蝌蚪的细胞核植入去核卵中。这是一个困难的试验— —他必须使供体和受体的分裂期同步。在一些情况下卵可以正常发育，这就证明 了进一步发育的细胞的细胞核仍然保有全部的遗传信息，它可以指导其他细胞发 育。 植物细胞的全能性（topipotency） 在第二个试验中，由 F. C. Steward 于 1958 年在康奈尔大学进行。他将充分 发育的胡萝卜的小块（由韧皮部（phloem）分离出来）放入含有培养液的培养瓶 中。他观察到由组织块中分离出的单个细胞将分化并发育成根。当他将根固定在 一个固体培养基上时，它们正常地发育成完整成熟的植株。Steward 的试验证明 了：即使在成熟植物的组织内，单个细胞仍然是“全能”的——各自都含有一整 套完整的遗传信息，也可以发育成完整的个体。正如你们将在 19 章中学到的那 样，动物细胞与植物细胞一样具有全能性，一个成体动物细胞可以发育为一个完 整的成熟个体。 遗传信息储存在真核细胞的细胞核中。每个细胞核都含有完整的遗传信息 。每个细胞核都含有完整的遗传信息。 Griffith 试验：遗传信息可以在个体间传递 ：遗传信息可以在个体间传递 确定了细胞核储藏有遗传信息之后，人们的目光集中到染色体上，孟德尔学 说早就认为它是遗传信息的载体。孟德尔所研究的遗传信息的单位，基因 （genes），也特别为科学家关注，它们到底是如何在染色体中组织的？当时人们 已经知道染色体含有蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）。它们到底谁承载着基因？ 开始于 20 世纪 20 年代并延续了 30 年的研究最终回答了这些疑问。 在1928年，英国的微生物学家Frederick. Griffith用一种病菌做了一系列试验， 得到了料想不到的结果。当他用一种致命的病菌（肺炎链球菌的一种，肺炎双球 菌（pheumococus） ）感染老鼠，老鼠死于败血。而当它用病菌的突变体肺炎性 肺炎双球菌(S. pheumoniae)感染老鼠，这种突变体缺少致病菌所具有的荚膜