《核酸研究进展》PPT课件.ppt

核酸研究进展核酸研究进展内容简介内容简介 核酸的发现和研究核酸的发现和研究概貌概貌 核酸核酸基础基础 基因组基因组与基因组学与基因组学 核酸核酸结构结构与与结构预测结构预测核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展l18681868年年 Fredric MiescherFredric Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” ” l19441944年年 Avery Avery等人肺炎球菌转化试验等人肺炎球菌转化试验l19521952年年HersheyHershey等噬菌体转化试验，等噬菌体转化试验， l19531953年年 Watson Watson和和CrickCrick发现发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构l1958 Crick1958 Crick提出的中心法则提出的中心法则l19681968年年 NirenbergNirenberg发现遗传密码发现遗传密码l19751975年年 Temin Temin和和BaltimoreBaltimore发现逆转录酶发现逆转录酶l19811981年年 GilbertGilbert和和SangerSanger建立建立DNA DNA 测序方法测序方法l19851985年年 Mullis Mullis发明发明PCR PCR 技术技术l19901990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划( (HGP) HGP) l19941994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动l20012001年年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架美、英等国完成人类基因组计划基本框架l后基因时代后基因时代核酸基础核酸基础核酸的分子结构核酸的分子结构 DNA DNA的结构的结构 RNA RNA的结构的结构DNADNA的结构的结构 DNADNA的一级结构的一级结构 DNA DNA的二级结构的二级结构 DNA DNA的三级结构的三级结构DNADNA的一级结构的一级结构概念：概念：DNADNA的一级结构是指的一级结构是指DNADNA分子中脱氧核苷酸的分子中脱氧核苷酸的排列顺序。

不同的排列顺序不同的DNADNA分子（或片段）其一级结分子（或片段）其一级结构不同，即脱氧核苷酸排列顺序不同，也就是碱构不同，即脱氧核苷酸排列顺序不同，也就是碱基排列顺序不同基排列顺序不同意义：遗传信息意义：遗传信息v基本结构单位：脱氧核糖核苷酸基本结构单位：脱氧核糖核苷酸连接键：连接键：33，55磷酸二酯键磷酸二酯键阅读方向：从阅读方向：从5 5 端到端到3 3 端端DNADNA序列分析序列分析(DNA sequencing)(DNA sequencing) 双脱氧链终止法双脱氧链终止法 Sanger Sanger DNA DNA的自动测序的自动测序 DNA DNA化学降解法化学降解法 MaxamMaxamGilbertGilbert DNADNA序列分析序列分析简单回顾简单回顾DNADNA测序方法两位科学家的发明起了决定性作用：测序方法两位科学家的发明起了决定性作用：第一位是第一位是Frederick SangerFrederick Sanger，19771977年发明的年发明的DNADNA测序方法测序方法第二位是第二位是Leroy HoodLeroy Hood和同事和同事MichaelMichael Hunkapiller Hunkapiller及及Lloyd Lloyd SmithSmith在在19861986年对年对SangerSanger的方法作了改进。

的方法作了改进HoodHood的发明自动测的发明自动测序仪首先用荧光方法取代了放射方法，然后采用激光和电序仪首先用荧光方法取代了放射方法，然后采用激光和电脑来自动读取测序结果脑来自动读取测序结果第一台自动测序仪由第一台自动测序仪由AppliedApplied Biosystems Biosystems公司制造成功，一公司制造成功，一天能够产出天能够产出4,8004,800个个DNADNA序列碱基今天，市场上的测序仪仍序列碱基今天，市场上的测序仪仍然采用这种设计然采用这种设计今天已经趋向于采用毛细管阵列电泳（今天已经趋向于采用毛细管阵列电泳（capillaries arrays capillaries arrays electrophoresiselectrophoresis）技术AppliedApplied Biosystems Biosystems的毛细阵列电的毛细阵列电泳泳DNADNA分析仪分析仪37303730 xlxl能够并行处理能够并行处理9696孔板，一天可测出大约孔板，一天可测出大约200200万碱基l一个长达数十年的专利申请也许会重写发明一个长达数十年的专利申请也许会重写发明DNADNA自动测自动测序仪的历史。

序仪的历史 据美国科学杂志报道，位于纽约的据美国科学杂志报道，位于纽约的一家小型生物技术公司一家小型生物技术公司Enzo Biochem Enzo Biochem ，19821982年，申请年，申请DNADNA自动测序专利今年自动测序专利今年1111月中旬，美国专利和商标局月中旬，美国专利和商标局裁定：裁定：Enzo BiochemEnzo Biochem的这项技术含有与的这项技术含有与19981998年授予加州年授予加州理工学院前任生物学家黎若伊理工学院前任生物学家黎若伊胡德和同事的发明专利胡德和同事的发明专利相同的发明胡德等的这项专利为加州理工学院拥有，相同的发明胡德等的这项专利为加州理工学院拥有，该技术目前支撑着该技术目前支撑着7070亿美元的亿美元的DNADNA测序工业测序工业 Enzo Enzo经过经过律师数十年不懈努力赢得这个专利位于加州福斯特城律师数十年不懈努力赢得这个专利位于加州福斯特城的应用生物系统公司（的应用生物系统公司（Applied BiosystemApplied Biosystem）是购买的）是购买的胡德专利，在胡德专利，在20062006年公司测序仪的收入为年公司测序仪的收入为5.45.4亿美元，亿美元，加州理工学院因此专利而每年拥有数百万美元的版税收加州理工学院因此专利而每年拥有数百万美元的版税收入。

专利和商标局的决定让加州理工学院和应用生物系入专利和商标局的决定让加州理工学院和应用生物系统公司的财务状态处于危险之中双方就谁是技术的第统公司的财务状态处于危险之中双方就谁是技术的第一发明者争执不已，答案还有待实验室的记录本和日程一发明者争执不已，答案还有待实验室的记录本和日程表公布之后才会出现表公布之后才会出现双脱氧链终止法双脱氧链终止法 双脱氧链终止法双脱氧链终止法 310型全自动DNA测序仪DNADNA的自动测序的自动测序 DNA自动测序自动测序采采用用荧荧光光替替代代放放射射性性核核素素标标记记是是实实现现DNADNA序序列列分分析析自自动动化化的的基基础础用用不不同同荧荧光光分分子子标标记记四四种种双双脱脱氧氧核核苷苷酸酸，然然后后进进行行SangerSanger测测序序反反应应，反反应应产产物物经经电电泳泳（平平板板电电泳泳或或毛毛细细管管电电泳泳）分分离离后后，通通过过四四种种激激光光激激发发不不同同大大小小DNADNA片片段段上上的的荧荧光光分分子子使使之之发发射射出出四四种种不不同同波波长长荧荧光光，检检测测器器采采集集荧荧光光信信号号，并并依依此此确确定定DNADNA碱碱基基的的排排列列顺顺序。

序 DNA自动测序结果举例DNADNA化学降解法化学降解法基本步骤基本步骤: :(1)(1)先将先将DNADNA的末端之一进行标记的末端之一进行标记( (通常为放射性通常为放射性同位素同位素32P32P；(2)(2)在多组互相独立的化学反应中分别进行特定在多组互相独立的化学反应中分别进行特定碱基的化学修饰；碱基的化学修饰；(3)(3)在修饰碱基位置化学法断开在修饰碱基位置化学法断开DNADNA链；链；(4)(4)聚丙烯酰胺凝胶电泳将聚丙烯酰胺凝胶电泳将DNADNA链按长短分开；链按长短分开；(5)(5)根据放射自显影显示区带，直接读出根据放射自显影显示区带，直接读出DNADNA的的核苷酸序列核苷酸序列真核生物基因组结构特点真核生物基因组结构特点1 1）真核生物细胞内有两份同源的基因组真核生物细胞内有两份同源的基因组2 2）真核细胞结构基因基因转录产物为单顺反子真核细胞结构基因基因转录产物为单顺反子3 3）大量重复序列：）大量重复序列： 高度重复序列：高度重复序列：10106 6次，包括卫星次，包括卫星DNADNA、反向重复序列和较、反向重复序列和较复杂的重复单位组成的重复序列；复杂的重复单位组成的重复序列； 中度重复序列可达中度重复序列可达10103 310104 4次，如次，如AluAlu家族，家族，KpnIKpnI，HinfHinf家家族，以及编码区序列如族，以及编码区序列如rRNArRNA基因、基因、tRNAtRNA基因、组蛋白基因等；基因、组蛋白基因等； 单拷贝或低度重复序列整个基因组中只出现一次或很少几单拷贝或低度重复序列整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列，主要是编码蛋白质的结构基因。

次的核苷酸序列，主要是编码蛋白质的结构基因4 4）间隔序列）间隔序列(intervening sequences)(intervening sequences)，内含子，内含子(intron)(intron)5 5）具有许多复制起点，每个复制子的长度较小具有许多复制起点，每个复制子的长度较小原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点基因组较小基因组较小, ,形式多样，可能形式多样，可能是是DNADNA，也可能是也可能是RNARNA，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双链链DNADNA分子功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个一个mRNAmRNA分子中，称为多顺反子分子中，称为多顺反子DNADNA分子绝大部分用于编码蛋白质，间隔区通常包含分子绝大部分用于编码蛋白质，间隔区通常包含控制基因顺序控制基因顺序基因重叠是病毒基因组的结构特点基因重叠是病毒基因组的结构特点除真核细胞病毒外，基因是连续的，不含内含子序除真核细胞病毒外，基因是连续的，不含内含子序列。

列DNADNA的二级结构的二级结构 WatsonWatson和和CrickCrick双螺旋结构模型双螺旋结构模型 DNADNA结构的多态性结构的多态性 WatsonWatson和和CrickCrick双螺旋结构模型双螺旋结构模型DNADNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性B-DNA与与Z-DNA的比较的比较比较内容比较内容B-DNAZ-DNA螺旋手性螺旋手性右旋右旋左旋左旋螺旋周期的核苷酸数目螺旋周期的核苷酸数目1012螺旋直径螺旋直径20A18A螺距螺距34A45A相邻碱基对间的转角相邻碱基对间的转角36A60A轴心与碱基的关系轴心与碱基的关系穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱基对不穿过碱基对B-DNA结构参数结构参数l性质性质 X X射线衍射分析射线衍射分析 STM STM分析分析l螺旋的手性螺旋的手性 右旋右旋 右旋右旋l螺旋的旋转周期螺旋的旋转周期 33.8A *34.4+2A(32- 33.8A *34.4+2A(32-36A)36A)l大沟大沟 lA *AA *Al A 7A A 7Al小沟小沟 lA A 间距间距:12A:12Al A 2A A 2A大沟和小沟有关值大沟和小沟有关值DNADNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性在生理盐溶液中在生理盐溶液中92%92%相对湿度下是相对湿度下是B B型双螺旋。

型双螺旋在钾离子相对湿度为在钾离子相对湿度为75%75%时，时，DNAD。