遗传的分子基础ppt课件

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• 1952年，赫尔希（A．D．Hershey） 和蔡斯（M．Chase）证明了噬菌体 DNA能携带遗传信息到后代中去以后， 科学界才终于接受了DNA是遗传信息载 体的理论。
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• 人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质 的概念，是在1953年沃森和克里克提出 著名的DNA双螺旋分子结构模型之后。
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• 1951年，赫里奥特（R·Herriott）提出一个十 分富有魅力和启发性的假说：
“病毒的作用可能像一个充满着转化因子 的注射针。这样的病毒本身不会进入细 胞，但它不仅用尾部接触寄生细胞，并 可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小 孔，然后病毒头部的DNA就钻入细胞。”
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Alfred Day Hershey
• 在美国纽约洛克菲勒研究所工作的Avery 立刻敏感地抓住了这一问题，并在此基础 上继续研究，取得了重大突破。
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在格里菲斯发现肺炎球菌的遗 传转化现象之后不过数年（30 年代初），加拿大生物化学家 艾弗里领导的一个研究小组便 开始探寻转化因子。他们在实 验中发现：死去的S型菌并未 复活，而是S型菌的DNA进入了 R型菌，使其转化为新的S型致 病肺炎双球菌。艾弗里等人的 实验不仅揭开了“格里菲斯之 Oswald Theodore Avery 谜”，并且在世界上第一次证 （ 1877～1955 ） 明基因就在DNA上。
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噬菌体感染实验
• 35S标记蛋白质外壳的噬菌体感染细菌 细菌无放射性
• 32P标记DNA内芯的噬菌体感染细菌细 菌有放射性
• 这一结果确凿无疑地证明，进入寄主细胞内 的是噬菌体DNA，而不是蛋白质外壳。噬菌 体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息， 而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信 息。
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富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，
这张照片正是发现DNA结构的关键
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• DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生 物学史上的一座里程碑：
• ●为DNA复制提供了构型上的解释，使 人们对DNA作为基因的物质基础不再怀 疑
• ●奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺 旋模型在科学上的影响是深远的
第二章 遗传的分子基础
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一、基因的概念及其发展
（一）基因概念的提出 （二）基因结构与功能的探索 （三）现代分子遗传学关于基因的概念
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（一）基因概念的提出
孟德尔（Mendel）的遗传因子：一个因 子决定一个性状(1865年)。 约翰森（Johannsen）：首先提出基因 一词（1909年）。
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R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为 转化（transformation） 。
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• 导致R型细菌发生转化的因子，其化学本 质究竟是什么？这个问题，与遗传学家 提出的“基因的化学本质是什么？”实 质上是同一个问题。
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• 格里菲斯发现的转化现象为以后认识到 DNA是遗传物质奠定了基础。
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肺炎双球菌有两种类型：
• S型 菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑
（smooth），有毒性，可以使人患肺炎 或使小鼠患败血症
• R型 不具荚膜， 菌落粗糙（rough），
无毒性，不致病
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“死菌复活”之谜
格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个 令人惊异的现象：
加热杀死的能致病的S型菌＋不能致病的R 型菌→混合→注射到小鼠体内→小鼠病 死→从死鼠体内分离出大量的S型肺炎 球菌
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◆认识到基因的化学本质是核酸而不 是蛋白质，经历了一段漫长的历史 过程。
◆发现DNA的遗传功能，始于1928 年格里菲斯（P．Griffith）所做的 用肺炎双球菌感染小鼠的实验。
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1928年，英国科学家格里 菲思在肺炎球菌实验中首 次发现了基因是一类特殊 生物分子的证据。
Frederic Griffith 1879—1941
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Johann Gregor Mendel （1822～1884）
1857年，奥地利的一名神父孟 德尔在他所在的修道院后院开 始进行长达8年的豌豆杂交实 验。1865年，孟德尔根据豌豆 杂交实验的结果，发表了著名 的论文《植物杂交试验》，阐 述了他所发现的显性、隐性遗 传现象和两个重要遗传学规 律——分离规律和自由组合规 律。
一词来代替孟德尔假定的
“遗传因子”。从此基因便
成为遗传因子的代名词一直
Wilhelm Ludwig Johannsen 沿用至今。 不过此时的基
（1857～1927）
因仍然是一个未经证实的、
仅靠逻辑推理得出的概念。
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（二）基因结构和功能的探索
• 随着遗传学、分子生物学、生物 化学的发展，人们对基因本性的 认识逐渐深入，基因的概念和涵 义也不断地发展和丰富。
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美国生物学家尼伦伯格等
人在1961～1966年期间
成功破译了遗传密码，以
无可辩驳的科学依据证实
了DNA双螺旋结构的正
确性。人们对遗传机制有
了更深刻的认识。1968年
Marshall Warren Nirenberg （ 1927～）
获得诺贝尔生理学医学奖
奖。
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• DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合 成在细胞质中进行，细胞核中的遗传信 息如何转达到细胞质中呢？
Thomas Hunt Morgan （1866～1945）
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• 摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因 位置图，首次完成了当时最新的基因概 念的描述：
• 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单 位，它不仅是决定性状的功能单位，也 是一个突变单位和交换单位。
• 至此，人们对基因概念的理解更加具体 和丰富了。
难道S型致病菌复活了吗？这就是著名的 “格里菲斯之谜”。
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●这是一个令人困惑的结果
• R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会 致病，而两者混合注入却致病了。
●解释：
• 加热杀死的S型菌中存在某种导致细菌类型发生 转化的物质。这种物质究竟是什么，人们尚不 知道，暂时叫做“转化因子”（transforming principle）。
• 1953年4月25日英国的《Nature》刊登 了沃森和克立克的DNA的双螺旋结构模 型，这一天是分子生物学的诞生日。
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James Dewey Watson
Francis Harry Compton Crick
（ 1928～）
（ 1916～）
1953年，DNA双螺旋结构模型被提出来了，两位创立者 是美国生物化学家沃森（James Dewey Watson， 1928～）和英国生物物理学家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916～）。获1962年的诺贝尔生理 学医学奖。
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1、基因与染色体
• 在孟德尔的成果获得承认后，生物界都 知道是遗传因子（即基因）决定了生物 的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什 么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答 了这一问题，基因在染色体上。
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•摩尔根和他的学生利用果 蝇作了大量的研究。1926 年出版《基因论》，建立 了著名的基因学说。
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基因是何物? 基因的物质结构和化学组成怎样? 基因是如何决定遗传性状的? 这些问题在摩尔根时代仍然是谜。
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2、 基因与DNA
• 摩尔根确定了染色体是基因的载体。基 因研究发展到细胞学水平之后，急需解 决两个基本问题：
（1）基因的化学本性是什么？ （2）基因是如何工作的？
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在研究基因的化学本质上，细胞化学起了重要作 用。
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• 艾弗里等人的实验证据：
分离S型死菌的提取液→分别检测各分离 组分（蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA） 的转化活性→只有DNA具有转化因子活性
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进一步的实验：
用化学法和酶法
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去除S型死菌抽提物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA
↓
抽提物的剩余物质
↓
R型→转化→S型
1944年，他们确认，“转化因子”就是DNA。
• 细胞化学研究表明，染色体的主要成分 是蛋白质和核酸。那么，基因究竟是蛋 白质还是核酸？ຫໍສະໝຸດ Baidu
蛋白质作为生命物质的主要成分和生命活 动的体现者，它不仅参与所有的生命过 程，而且它的化学结构也有多样性和可 塑性。
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• ◆所以在相当一段时间里，学术 界认为基因是蛋白质，认为只有 像蛋白质这样复杂的大分子才能 决定细胞的特征和遗传
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Hugo De Vries (1848～1935)
Carl Erich Correns (1864～1933)
Erich von Tschermak （1871～1962）
重新发现孟德尔的生物学家
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• 1909年，丹麦遗传学家约翰
逊在《精密遗传学原理》一
书中根据希腊语“给予生命”
之义，创造“基因”（gene）
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孟德尔的遗传因子
孟德尔提出：
●生物的遗传性状是通过“遗传因子” （hereditary factor）进行传递的 ●遗传因子是一些独立的遗传单位 孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗 传因子区分开来
遗传因子作为基因的雏形名词诞生了
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“重新发现”孟德尔
1900年，是遗传学史乃至生物科学史上划时 代的一年，来自三个国家的三位学者独立 地“重新发现”了孟德尔的遗传规律，他 们是荷兰的德弗里斯(Hugo De Vries， 1848～1935)、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，1864～1933)和澳大利亚的契马 克(Erich von Tschermak-Seysenegg， 1871～1962)。从此，遗传学进人了孟德尔 时代。
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从1857年孟德尔进 行豌豆杂交实验算 起，经过无数科学 家近百年的探索， 蒙在生命遗传奥秘 上的面纱正在一层 层地剥去。
科学探索的道路 是螺旋式的，科学 家们在阶梯上不断 攀登，一个新的螺 旋展现在他们的眼 前，而这将引起一 场生命科学的革命。
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• 最初由孟德尔提出的遗传因子的概念， 通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、 克里克等几代科学家的研究，已经使生 物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础 之上。
• 结果: （1）可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影
响转化活性； （2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶对
转化活性无影响； （3）在加入分解、消化DNA的DNA酶后，转化活性丧失。
这些实验进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能。
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• 发现遗传物质的化学本质是DNA，这是基 因研究上一个重要的里程碑。但在当时， 这项重要的发现并未引起足够的重视。 艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖的候选人， 但当时评奖委员会认为“最好等到DNA的 转化机理更多地为人们所了解的时候再 说”。可是，当争议平息、诺贝尔奖评 选委员会准备授奖之时，他已经去世了。
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摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义
◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认 为基因是一种物质，是染色体上的一个特 定的区段。 ◆确立并发展了染色体的遗传理论。
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Thoman Hunt Morgan
（ 1866～1945）
因发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理
论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖
• 信息RNA和转运RNA的发现给这个问 题提供了答案，1958年克立克提出的 “中心法则”很快得到了证实。
（1908～1997）
当人们为艾弗里的实验而激烈争论时， 研究噬菌体的美国微生物学家赫尔希 等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完 全分开，单独观察DNA的作用呢？他 们受赫里奥特思路的启发设计了一个 精巧的噬菌体感染实验。赫尔希与德 尔布吕克和卢里亚一起，获1969年的
诺贝尔生理学医学奖奖。
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• DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引 起了很多物理学家的兴趣，1945年，薛定谔 在《生命是什么》一书中提出了遗传密码的 概念。
• 1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的 概念。
• 1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合 成了由笨丙氨酸组成的多肽长链。
• 到1966年，64种遗传密码的含义全部得到了 解答，形成了一部密码辞典。
艾弗里等人的试验和结论是对DNA认识史上的一次重 大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传 统观念。
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但当时的主流观点并不接受艾弗里DNA 是遗传物质的观念，认为提取的DNA 无论如何纯净，仍然可能有残余的蛋 白质，蛋白质才是有活性的转化因子
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针对学术界的否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA 酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。