1、.第4章 DNA、RNA、和遺傳信息流這個(gè)母親和她的兩個(gè)女兒基因相同，所以她們長(zhǎng)得很相像。基因必須表達(dá)后才能執(zhí)行其功能。蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。鋅指紋蛋白是一個(gè)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)。該蛋白質(zhì)（用綠色球表示鋅；用紅色表示蛋白質(zhì)）能夠與相應(yīng)的DNA區(qū)域(黑色）結(jié)合。這段DNA區(qū)域就是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)域 (left)Barnaby Hall/Photonica. (right) Drawn from 1AAY.pdb。DNA和RNA是核酸。核酸攜帶的遺傳信息能夠一代代傳遞。這些生物大分子是很多核苷酸的線性聚合物。每個(gè)核苷酸有糖基、磷酸、和堿基。磷酸連接的糖形成核酸骨架，起結(jié)構(gòu)作用。核酸鏈排布的堿基序列

2、攜帶遺傳信息。DNA分子是雙螺旋，有兩條序列互補(bǔ)的核酸鏈。一條核酸鏈可以充當(dāng)另一條核酸鏈的模板。DNA是所有細(xì)胞和很多病毒的基因。但是有些病毒的遺傳物質(zhì)是RNA分子?；驔Q定了細(xì)胞蛋白質(zhì)的種類，但是DNA不是蛋白質(zhì)合成的直接模板。DNA鏈的序列信息先拷貝到RNA分子(即信使RNA, mRNA)。mRNA所攜帶的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。DNA信息拷貝到RNA分子的過程叫轉(zhuǎn)錄（transcription)，而mRNA分子作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程叫翻譯(translation)。在正常細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的流動(dòng)（也稱基因表達(dá)）是DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA作為模板翻譯成蛋白質(zhì)。 DNA的核苷酸序列或m

3、RNA的核苷酸序列與蛋白質(zhì)氨基酸序列之間的關(guān)系就是遺傳密碼。幾乎所有生物所用的遺傳密碼都是相同的。密碼子(codon)用三聯(lián)堿基序列構(gòu)成，編碼一種氨基酸。真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯之間還有一個(gè)核酸剪接加工（splicing）步驟。真核基因有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)?；蜣D(zhuǎn)錄將內(nèi)含子和外顯子作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子稱為前體RNA（pre-RNA）。在mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)之前，必須先除去RNA分子內(nèi)的內(nèi)含子序列。真核生物內(nèi)含子和外顯子序列的存在對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)化有重要意義。4.1 核酸含有連接于核糖磷酸骨架的四種堿基核酸DNA和RNA適宜于充當(dāng)遺傳信息的載體，原因在于核酸分子的

4、共價(jià)結(jié)構(gòu)。這些生物大分子的結(jié)構(gòu)單位類似，各結(jié)構(gòu)單位之間以末端對(duì)末端連接的方式形成的線性聚合物（圖4.1）。這種聚合物的每個(gè)單體是核苷酸。一個(gè)核苷酸單體含有三個(gè)組分，分別是一個(gè)糖、一個(gè)磷酸、和一個(gè)堿基。各種核酸的堿基共有4種。核酸的堿基序列是核酸的獨(dú)有特性，含有線形信息。圖4.1 核酸的聚合物結(jié)構(gòu)。圖4.2 核糖和脫氧核糖。糖單位的院子用阿拉伯?dāng)?shù)字加“ ”表示，以區(qū)別于堿基原子的序號(hào)（圖4.4）。RNA和DNA的差異在于糖基組分和一種堿基DNA的糖基是脫氧核糖。前綴脫氧（deoxy-)表示核糖2'-位碳原子所連接的氧原子已經(jīng)脫去（圖4.2）。注意，糖的C-原子編號(hào)加上“ ”，而堿基環(huán)的原

5、子編號(hào)沒有添加“ ”，使兩者之間能夠區(qū)分。核酸分子的一個(gè)糖基與另一個(gè)糖基之間用磷酸二酯鍵連接。一個(gè)核糖的3-羥基與磷酸脫水縮合成磷酸酯，后者又與下一個(gè)核糖的5-羥基脫水縮合。用磷酸二酯鍵連接的糖鏈就是核酸骨架（圖4.3）。對(duì)同類核酸而言，核酸骨架都是一樣的。但核酸的堿基排序則不同。DNA分子含有兩種嘌呤堿基和兩種嘧啶堿基（圖4.4）。圖4.3 DNA和RNA的骨架。核酸骨架用3-到5-的磷酸二酯鍵連接。其中一個(gè)糖單位用紅色強(qiáng)調(diào)，一個(gè)磷酸基用藍(lán)色強(qiáng)調(diào)。圖4.4 嘌呤和嘧啶。堿基原子的編號(hào)不加“ ”。RNA分子用尿嘧啶替代DNA的胸腺嘧啶。與DNA相似，RNA分子也是核苷之間用3'-到5&

6、#39;-的磷酸二酯鍵連接的沒有分支的線性聚合物（圖4.3）。RNA的共價(jià)結(jié)構(gòu)與DNA的共價(jià)結(jié)構(gòu)相比，有兩點(diǎn)差異。（1）RNA的糖基是核糖，不是脫氧核糖。（2）RNA的一個(gè)堿基是尿嘧啶(U)，而不是胸腺嘧啶(T)。注意磷酸二酯鍵帶負(fù)電荷。負(fù)電荷對(duì)親核基團(tuán)如氫氧根離子有排斥作用。因此磷酸二酯比羧酸酯耐受堿攻擊的能力強(qiáng)。耐受性加強(qiáng)有助于儲(chǔ)存遺傳信息分子的完整性。DNA分子的2位沒有氧原子，使核酸耐受堿水解的能力更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。這一特性可能正是現(xiàn)代生物選用DNA（而不是RNA)作為遺傳物質(zhì)的原因。核苷酸是核酸的基本單位堿基與核糖共價(jià)連接的產(chǎn)物叫核苷。RNA分子的四種核苷分別是腺嘌呤核苷（adeno

7、sine），鳥嘌呤核苷(guanosine)，胞嘧啶核苷(cytidine)，和尿嘧啶核苷(uridine)。DNA分子的四種核苷分別是脫氧腺嘌呤核苷（deoxyadenosine），脫氧鳥嘌呤核苷(deoxyguanosine)，脫氧胞嘧啶核苷(deoxycytidine)，和脫氧胸腺嘧啶核苷(thymidine)。在這些核苷中，嘌呤的N-9位或嘧啶的N-1位與糖基的C-1'位共價(jià)連接（圖4.5）。如果按照標(biāo)準(zhǔn)方向書寫核酸結(jié)構(gòu)，堿基環(huán)處于糖基平面的上方，因此N-糖苷鍵是b-型。核苷酸是核苷與1個(gè)或幾個(gè)磷酸連接形成的磷酸酯。最常見的核苷酸是核苷5'-OH與磷酸交聯(lián)形成的核苷5&

8、#39;-磷酸或5'-核苷酸。例如ATP是腺苷5'-三磷酸。該核苷酸是通用的能源分子，很重要。ATP的三磷酸基團(tuán)水解所釋放的能量能驅(qū)動(dòng)很多細(xì)胞過程（15章）。脫氧鳥嘌呤核苷3'-磷酸(dGMP)與ATP的差別有（1）堿基是鳥嘌呤而不是腺嘌呤；（2）糖基是脫氧核糖而不是核糖；(3)只有一個(gè)磷酸而不是三個(gè)磷酸；和（4）磷酸化位置是3'而不是5'。單體核苷酸連接形成RNA和DNA。DNA分子的四個(gè)核苷酸單體是脫氧腺嘌呤核苷酸、脫氧鳥嘌呤核苷酸、脫氧胞嘧啶核苷酸、和胸腺嘧啶核苷酸。注意：盡管胸腺嘧啶核苷酸也是脫氧核糖核苷酸，但是通常不加前綴脫氧(deoxy-)，

9、因?yàn)镽NA幾乎沒有胸腺嘧啶。圖4.5 核苷的糖苷鍵是b-型。 圖4.6 腺嘌呤核苷5-三磷酸（ATP）和脫氧鳥嘌呤核苷3-磷酸（3-dGMP）?？s寫pApCpG或ACG表示DNA的一段三核苷酸，是用磷酸二酯鍵連接的脫氧腺苷單磷酸、脫氧胞苷單磷酸、和脫氧鳥苷單磷酸。p表示一個(gè)磷酸基團(tuán)（圖4.7）。5'-端有一個(gè)磷酸基團(tuán)與核糖5'-OH連接。注意，核酸與多肽鏈一樣有極性。DNA鏈的一端是5'-OH（或者與5'-OH結(jié)合的磷酸），另一端是游離的3'-OH。書寫核酸鏈時(shí)按照5'-向3'-的方向書寫。因此，ACG表示5'-端是A，3'

10、;-端是G。由于這種極性，ACG和GCA是兩種不同的化合物。圖4.7 DNA鏈的結(jié)構(gòu)。核酸鏈有一個(gè)5-端（通常與磷酸結(jié)合）和一個(gè)3-端(通常是羥基)。天然DNA分子的一個(gè)顯著特征是DNA的長(zhǎng)度。DNA分子必須含有很多核苷酸才能攜帶一種生物（即使是最簡(jiǎn)單生物）全部的遺傳信息。例如多瘤病毒的DNA長(zhǎng)度是5100個(gè)核苷酸。大腸桿菌基因組只有一個(gè)DNA雙鏈，每條鏈的長(zhǎng)度是460萬(wàn)核苷酸（圖4.8）。高等生物的DNA長(zhǎng)度更長(zhǎng)。人基因組DNA長(zhǎng)度有30億堿基，分成24種染色體（其中22種常染色體和X，Y性染色體）。已知DNA最長(zhǎng)的生物是印度muntjak（亞洲鹿），其基因組長(zhǎng)度與人基因組長(zhǎng)度相當(dāng)，但只有3

11、種染色體，其中最長(zhǎng)的染色體長(zhǎng)度達(dá)到10億多個(gè)核苷酸。如果將這種DNA分子完全伸展，長(zhǎng)度將超過1英尺。有些植物染色體含有更長(zhǎng)的DNA分子。圖4.8 大腸桿菌基因組的電鏡照片。Dr Gopal/Murti/Science Photo Library/Photo Researchers. 圖4.9 印度亞洲鹿及其染色體。雌性印度亞洲鹿（左邊）的細(xì)胞有三對(duì)非常大的染色體（染成桔色）。亞洲鹿細(xì)胞染色體與一對(duì)人染色體(綠色)進(jìn)行比較（右邊）。4.2 兩條序列互補(bǔ)的核酸鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)如同第1章所說的，核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)說明核酸能夠利用核苷酸序列攜帶遺傳信息。堿基配對(duì)的兩條多核苷酸鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)。DNA的雙螺旋

12、結(jié)構(gòu)有助于遺傳物質(zhì)的復(fù)制，即從一個(gè)核酸產(chǎn)生兩拷貝的子代核酸。氫鍵和疏水作用穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)在確定DNA三維結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)堿基特異性配對(duì)。Maurice Wilkins和Rosalind Franklin獲得了DNA纖維的x-光衍射圖譜（圖4.10）。該衍射圖譜說明DNA是兩條鏈纏繞形成規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)?；谶@些數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，James Watson 和Francis Crick推測(cè)DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，而且這種雙螺旋結(jié)構(gòu)（圖4.11）與核酸的功能相吻合。圖4.10 水合DNA纖維的x-射線衍射圖譜。中間的X形是螺旋結(jié)構(gòu)的典型特征。最強(qiáng)的狐是堿基堆積，相互間是3.4A。Courtesy of D

13、r Maurice Wilkins.圖4.11 Watson-Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。一條多核苷酸連用藍(lán)色表示，另一條多核苷酸連用紅色表示。嘌呤和嘧啶堿基用較淺的顏色表示，糖磷酸骨架的顏色較深。（A）軸向觀測(cè)圖。沿螺旋軸（垂直方向）每隔34A（即一條鏈的10個(gè)核苷酸）就出現(xiàn)一次重復(fù)。（B）星形觀測(cè)圖，沿螺旋的縱軸朝里面觀察。James Watson 和Francis Crick從x-光衍射圖譜推測(cè)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有下列特征：1. 兩條核酸鏈方向相反，圍繞同一軸纏繞形成螺旋結(jié)構(gòu)。2. 糖-磷酸骨架在雙螺旋外側(cè)，堿基處于雙螺旋內(nèi)部。3. 堿基幾乎與雙螺旋軸垂直，相鄰堿基間的距離是3.

14、4A。這種間距在x-光衍射圖譜（圖4.10）中可以看出。一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)重復(fù)是34A，10個(gè)堿基。因此每個(gè)堿基旋轉(zhuǎn)36o。4. 螺旋的直徑是20A。如果嘌呤和嘧啶的大小和形狀不同，這種規(guī)則結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)任一序列？為了回答這個(gè)問題，James Watson 和Francis Crick發(fā)現(xiàn)鳥嘌呤與胞嘧啶配對(duì)和腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)的形狀幾乎相同（圖4.12）。堿基之間特異的氫鍵將堿基結(jié)合在一起形成堿基對(duì)。盡管單一氫鍵的鍵能只有4 21 kJ/mol（或1 5 kcal/mol），但是DNA分子有大量氫鍵產(chǎn)生了可觀的結(jié)合力。這種堿基配對(duì)模式能夠解釋Erwin Chargaff在1950年觀察的現(xiàn)象，即所有

15、DNA分子中腺嘌呤與胸腺嘧啶的比例和鳥嘌呤與胞嘧啶的比例幾乎相同，而腺嘌呤與鳥嘌呤的比值在不同物種中差異很大（表4.1）。圖4.12 Watson和Crick提出的配對(duì)堿基結(jié)構(gòu)。在雙螺旋內(nèi)部，一層堿基對(duì)堆積在另一層堿基對(duì)上。堿基堆積對(duì)雙螺旋穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)表現(xiàn)在兩個(gè)方面。堿基堆積構(gòu)成的疏水效應(yīng)穩(wěn)定了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。疏水堿基聚集于雙螺旋內(nèi)部（避開DNA的水環(huán)境），而雙螺旋表面更親水。雙螺旋結(jié)構(gòu)的這種排列與蛋白質(zhì)折疊很相似（蛋白質(zhì)折疊將疏水殘基包裹在分子內(nèi)部、親水殘基暴露于分子外部）（2.4節(jié)）。疏水效應(yīng)使堿基堆積于另一個(gè)堿基之上。堆積堿基之間的吸引力是范德華力。單個(gè)范德華力很弱，通常在2 4 kJ

16、/mol （0.5 1 kcal/mol）。然而，雙螺旋核酸分子中大量原子處于范德華接觸狀態(tài)，因此范德華的凈效應(yīng)，即這些原子相互作用力的總和非常顯著。此外DNA分子骨架的五元環(huán)糖基具有剛性結(jié)構(gòu)，有利于堿基堆積。圖4.13 DNA纖維的截面圖。在雙螺旋內(nèi)部一個(gè)堿基對(duì)幾乎正好堆積在另一堿基對(duì)的頂部。雙螺旋結(jié)構(gòu)有利于遺傳信息的精確傳遞DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基之間形成堿基對(duì)提示遺傳物質(zhì)是如何復(fù)制的。雙螺旋中一條鏈核苷酸序列能精確決定另一條互補(bǔ)鏈的核苷酸序列。一條鏈的鳥嘌呤總是與另一條鏈的胞嘧啶配對(duì)，其余堿基配對(duì)均遵循這些法則。因此雙螺旋DNA鏈分開后形成的兩條鏈都可充當(dāng)模板指導(dǎo)新的雙螺旋DNA的構(gòu)建。

17、結(jié)果，子代DNA分子有一條鏈?zhǔn)莵碜杂H本，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻摹＿@就是半保留復(fù)制。1958年Mathew Meselson和 Franklin Stahl的試驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)假說。他們用15N標(biāo)記親本DNA，因此DNA鏈比普通DNA鏈重。將大腸桿菌置于以15N標(biāo)記的NH4Cl作為唯一氮源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)多代，其DNA就完全為15N標(biāo)記。然后將細(xì)菌轉(zhuǎn)移到只含有14N作為氮源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，看看15N和14N在DNA中的分布。密度梯度平衡離心分析15N和14N在DNA中的分布。少量DNA分子溶于密度接近DNA(1.7g/mL)的CsCl溶液中。離心直至平衡狀態(tài)。此時(shí)沉降和擴(kuò)散這兩個(gè)相反作用達(dá)到平衡，在離心管

18、中形成1.66 1.76g/mL的密度梯度。此時(shí), DNA分子被迫進(jìn)入密度與自身密度相等的介質(zhì)中。離心導(dǎo)致基因組DNA形成很窄的條帶，可以用紫外吸收觀測(cè)。由于15N和14N在DNA的密度差異大約是1%，密度梯度平衡離心能形成兩條明顯的條帶（圖4.14）。圖4.14 密度梯度離心分離15N DNA和14N DNA。（A）離心管的紫外吸收?qǐng)D譜顯示兩條不同的DNA條帶。（B）兩條帶的紫外吸收峰。當(dāng)細(xì)菌從15N-氮源轉(zhuǎn)移到14N-氮源培養(yǎng)基后，從培養(yǎng)不同時(shí)間的細(xì)菌抽提DNA。用密度梯度離心技術(shù)分析。發(fā)現(xiàn)繁殖一代的DNA樣品的位置處于14N-DNA和15N-DNA條帶之間（圖4.15）。而15N-DNA

19、條帶（親本）消失表明DNA復(fù)制不是全保留的。同樣，14N-DNA條帶缺乏表明子代DNA有一部分是親本。由于密度條帶剛好是15N-DNA條帶和14N-DNA條帶密度和的一半，因此子代DNA一半是親本鏈，另一半是新生鏈。圖4.15 用密度梯度離心檢測(cè)E.coli DNA的半保留復(fù)制。DNA條帶的位置取決于DNA分子的15N和14N含量。復(fù)制一代，所有DNA是一半為15N，另一半是14N的雜合鏈。經(jīng)過兩代，產(chǎn)生等量的兩條密度帶。一條是15N-DNA和14N-DNA鏈雜合條帶（相當(dāng)于第一代復(fù)制的產(chǎn)物帶），另一條就是14N-DNA條帶。于是，Melson和Stahl認(rèn)為，DNA是半保留復(fù)制的，每條子代D

20、NA雙螺旋有一條來自親本鏈，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?。這些結(jié)果與Watson-Crick的DNA復(fù)制模型完全一致（圖4.16）。圖4.16 半保留復(fù)制模型。親本DNA用藍(lán)色表示，新合成DNA用紅色表示。雙螺旋結(jié)構(gòu)能被可逆性熔化在DNA復(fù)制和其它生物過程中，雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩條DNA鏈必須相互分離（至少在局部發(fā)生兩條鏈分離）。兩個(gè)成對(duì)堿基之間的氫鍵發(fā)生斷裂，DNA雙螺旋的兩條鏈相互分開。加熱DNA溶液、或加入酸或堿使堿基離子化，能夠破壞DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。由于加熱使雙螺旋DNA的兩條鏈發(fā)生分離的溫度區(qū)間很窄，因此稱這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA熔化。DNA熔點(diǎn)（Tm）指一半的雙螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞的溫度。但是在細(xì)胞內(nèi)的

21、DNA是不可能靠加熱來熔化的。實(shí)際上，細(xì)胞內(nèi)的解旋酶利用ATP水解提供的化學(xué)能破壞DNA雙螺旋。核酸堆積堿基所吸收的紫外光比非堆積堿基所吸收的紫外光弱，這種效應(yīng)叫減色效應(yīng)（hypochromism)。因此，核酸熔化的檢測(cè)很簡(jiǎn)單，只是測(cè)定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260 nm波長(zhǎng)處（圖4.17）。 圖4.17 減色效應(yīng)。（A）DNA單鏈吸收的紫外光比DNA雙鏈更為有效。（B）DNA雙鏈轉(zhuǎn)變成DNA單鏈的過程中，在260nm的光吸收增加。如果溫度低于核酸熔點(diǎn)，分開的兩條互補(bǔ)鏈可以自動(dòng)結(jié)合重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為退火(annealing)。核酸既能熔化雙螺旋結(jié)構(gòu)，又能重新

22、形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的特征對(duì)核酸生物功能而言極為重要。在實(shí)驗(yàn)室，DNA熔化和退火是可逆的。這種能力成為研究核酸相似性的有力工具。例如，來自兩個(gè)不同生物的DNA經(jīng)熔化后進(jìn)行退火或雜交。如果序列相似，就會(huì)形成雜合雙鏈，一條DNA鏈來自一種生物，另一條DNA鏈來自另一種生物。雜交的程度是生物基因組親緣性的指標(biāo)。用RNA和DNA進(jìn)行類似的雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)艽_定相應(yīng)于某一特定RNA在細(xì)胞DNA的位置。我們?cè)诘?章還要討論這一技術(shù)。有些DNA是環(huán)狀超螺旋分子人染色體DNA分子是線狀的。但是電鏡和其它研究顯示有些生物的完整DNA分子是環(huán)狀的（圖4.18A)。環(huán)狀不是一個(gè)幾何概念，而是表示這種DNA分子是連續(xù)的，沒有末端。

23、細(xì)胞內(nèi)DNA分子壓縮很緊密。大腸桿菌染色體是環(huán)狀分子。如果完全伸展，大腸桿菌DNA長(zhǎng)度相當(dāng)于大腸桿菌直徑的1000倍。 圖4.18 線粒體環(huán)狀DNA的電鏡圖譜。（A）松弛的環(huán)狀DNA。(B) 超螺旋環(huán)狀DNA。封閉的DNA分子就是環(huán)狀DNA。雙螺旋DNA的軸進(jìn)一步扭曲纏繞形成超螺旋（圖4.18B）。超螺旋具有重要的生物學(xué)意義，原因是（1）超螺旋使DNA分子壓縮更緊密；和（2）超螺旋可能阻礙或促進(jìn)雙螺旋的解旋，從而影響DNA與其它分子之間相互作用。在第28章將討論DNA的拓?fù)涮卣鳌]有任何超螺旋扭曲的環(huán)狀DNA分子是松弛DNA分子。單鏈核酸有精細(xì)的結(jié)構(gòu)單鏈核酸通常會(huì)折疊形成特定的結(jié)構(gòu)。在有些領(lǐng)域

24、（如核糖體），單鏈核酸折疊形成的特定結(jié)構(gòu)是非常重要的。核糖體是RNA和蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物，是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。 單鏈核酸所形成的最簡(jiǎn)單、最常見的結(jié)構(gòu)是莖環(huán)結(jié)構(gòu)，是兩段互補(bǔ)序列和一段單鏈區(qū)結(jié)合在一起所形成的結(jié)構(gòu)（圖4.19）。多數(shù)情況下雙螺旋區(qū)完全是Watson-Crick堿基對(duì)。但是有些情況下雙螺旋區(qū)含有誤配甚至不配對(duì)的堿基對(duì)。這種誤配使雙螺旋的局部區(qū)域不穩(wěn)定，但是對(duì)核酸分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)及其功能非常重要（圖4.20）。圖4.19 莖環(huán)結(jié)構(gòu)。單鏈DNA或單鏈RNA能夠形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。核酸單鏈區(qū)域的結(jié)構(gòu)比莖環(huán)結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜，因?yàn)橛蟹秶鼜V的各個(gè)堿基之間的相互作用。常常有3個(gè)或更多堿基相互作用穩(wěn)定這些

25、結(jié)構(gòu)。在這種情況下，并不參與Watson-Crick堿基配對(duì)的氫鍵供體和氫鍵受體可能會(huì)形成非標(biāo)準(zhǔn)的堿基配對(duì)。金屬離子如Mg2+通常有助于這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。RNA分子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使之能夠承擔(dān)大量的生物功能。相比之，雙螺旋DNA分子就不能充當(dāng)這么多的生物功能。實(shí)際上RNA分子的復(fù)雜性不亞于蛋白質(zhì)。 圖4.20 一個(gè)RNA分子所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。RNA鏈可以折回與自身鏈的另一區(qū)域形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。（A）莖環(huán)結(jié)構(gòu)含有標(biāo)準(zhǔn)的Watson-Crick堿基對(duì)，也有非標(biāo)準(zhǔn)的堿基配對(duì)。（B）RNA分子的三維結(jié)構(gòu)和三個(gè)核苷酸之間的遠(yuǎn)程相互作用。左邊圖中，胞苷酸用藍(lán)色表示、腺苷酸用紅色表示、鳥苷酸用黑色表示、鳥苷酸用綠色表示

26、。右邊圖中，標(biāo)準(zhǔn)Watson-Crick堿基對(duì)的氫鍵用黑色虛線表示，其它氫鍵用綠色虛線表示。4.3 DNA聚合酶依據(jù)模板指令復(fù)制DNA現(xiàn)在我們談?wù)凞NA復(fù)制。細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行DNA復(fù)制的機(jī)器有20多種蛋白質(zhì)。1958年Arthur Kornberg及其同事從大腸桿菌分離出第一種DNA復(fù)制的酶，即DNA聚合酶，能夠促進(jìn)DNA骨架的形成。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)參與DNA復(fù)制和修復(fù)的DNA聚合酶有好幾種，分別用羅馬數(shù)字表示（第28章）DNA聚合酶促進(jìn)磷酸二酯鍵形成DNA聚合酶催化一個(gè)個(gè)脫氧核苷酸加合到DNA鏈上（圖4.21）。這個(gè)催化反應(yīng)的最簡(jiǎn)形式是 其中dNTP表示任意一種脫氧核苷酸，PPi是焦磷酸離子。圖4

27、.21 DNA聚合酶催化的聚合反應(yīng)。 DNA合成具有下列特征：1. 需要四種前體(即脫氧核苷5'-三磷酸 dATP, dGTP, dCTP, 和TTP)和Mg2+離子。2. 需要模板。新進(jìn)入的核苷酸與模板鏈相應(yīng)位點(diǎn)的堿基完全互補(bǔ)，DNA聚合酶才能催化此反應(yīng)形成磷酸二酯鍵。因此DNA聚合酶催化反應(yīng)模板指導(dǎo)的、合成與模板互補(bǔ)的DNA鏈。3. 需要引物啟動(dòng)DNA合成。引物鏈序列與模板鏈互補(bǔ)，并且有游離的3'-OH。DNA聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)是生長(zhǎng)鏈3'-OH親核攻擊脫氧核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子（圖4.22），形成磷酸二酯鍵，釋放焦磷酸。隨后焦磷酸酶水解焦磷酸、形成兩個(gè)磷酸根

28、。DNA鏈延伸的方向從5'-到3'-。4. 很多DNA聚合酶能夠刪除DNA鏈誤配核苷酸，從而糾正錯(cuò)誤。這些DNA聚合酶的核酸酶活性能夠切除堿基錯(cuò)誤的核苷酸。核酸酶活性顯著提高了DNA合成的忠實(shí)度，使每個(gè)堿基的錯(cuò)誤率低于10-8。圖4.22 鏈延伸反應(yīng)。DNA聚合酶催化磷酸二酯鍵的形成。有些病毒的基因是RNA所有細(xì)胞生物的基因都是DNA。有些病毒的基因也是DNA。但是還有些病毒的基因是RNA。病毒是用蛋白質(zhì)包裹遺傳物質(zhì)的顆粒，獨(dú)立狀態(tài)下病毒不能繁殖，但是能夠在細(xì)胞內(nèi)繁殖、并從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞。煙草花葉病毒是研究得很充分的一種RNA病毒。這種病毒能夠感染煙草葉子。病毒顆粒有

29、一個(gè)單鏈RNA分子(有6390核苷酸），和包裹該核酸分子的蛋白質(zhì)衣殼。衣殼由2130個(gè)完全相同的亞基構(gòu)成。一種RNA聚合酶在RNA模板指導(dǎo)下合成RNA分子（負(fù)責(zé)病毒RNA的復(fù)制），這種酶稱為RNA-指導(dǎo)的RNA聚合酶。另一類重要的RNA病毒是反轉(zhuǎn)錄病毒，感染細(xì)胞后病毒的遺傳物質(zhì)RNA轉(zhuǎn)變成DNA(而不是從DNA轉(zhuǎn)變成RNA)。這類病毒包括引起艾滋病的人免疫缺陷病毒(HIV-1)，以及一些動(dòng)物致瘤的RNA病毒。反轉(zhuǎn)錄病毒顆粒有兩拷貝的單鏈RNA分子。進(jìn)入細(xì)胞后，RNA分子經(jīng)病毒反轉(zhuǎn)錄酶作用轉(zhuǎn)變成DNA分子（圖4.23）。病毒的雙螺旋DNA（形式）能整合到宿主細(xì)胞的染色體中，與正常細(xì)胞DNA一道復(fù)

30、制。感染后期，整合到宿主染色體的病毒基因組表達(dá)形成病毒RNA和病毒蛋白質(zhì)，這些病毒RNA和病毒蛋白質(zhì)包裝形成病毒顆粒。圖4.23 反轉(zhuǎn)錄病毒遺傳信息流動(dòng)（從RNA到DNA）。反轉(zhuǎn)錄酶是感染病毒顆粒攜帶的DNA聚合酶，能夠?qū)⒎床《綬NA基因組轉(zhuǎn)變成DNA。反轉(zhuǎn)錄沒具有下列活性：催化合成與RNA鏈互補(bǔ)的DNA鏈；降解RNA/DNA雜合鏈的RNA鏈；隨后合成另一條與RNA序列相同的DNA鏈。 4.4 基因表達(dá)就是DNA信息轉(zhuǎn)化成功能分子當(dāng)DNA序列信息表達(dá)成RNA和蛋白質(zhì)時(shí)，基因的功能才能表達(dá)出來。這是本書后面章節(jié)要介紹的內(nèi)容。此處我們只介紹基因表達(dá)的一些基本知識(shí)。DNA就像檔案信息，適當(dāng)?shù)貎?chǔ)存、操

31、作避免損傷（突變）。DNA表達(dá)分兩個(gè)步驟。首先將DNA序列信息拷貝到RNA分子上，這個(gè)過程能形成很多拷貝的RNA分子，后者所攜帶的信息能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。進(jìn)一步翻譯mRNA、合成有功能的蛋白質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)還有其他類型的RNA分子，它們協(xié)助mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。在基因表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用的幾類RNA分子人們?cè)?jīng)認(rèn)為RNA分子在基因表達(dá)過程中處于被動(dòng)狀態(tài)，像mRNA那樣只是傳遞信息。然而，最近的研究表明RNA分子的功能很多，從催化到調(diào)節(jié)都有RNA分子參與。表4.2列出了細(xì)胞所含有的幾類RNA分子。1. mRNA是蛋白質(zhì)合成或翻譯的模板。大腸桿菌的一個(gè)基因或一組基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一種mRNA分子。真核生物一

32、個(gè)基因就能產(chǎn)生一種mRNA。細(xì)胞內(nèi)mRNAs差異很大。在原核生物，mRNA分子的平均長(zhǎng)度是1.2 kb左右。真核生物mRNA有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)（包括莖環(huán)結(jié)構(gòu)），這些結(jié)構(gòu)能調(diào)節(jié)mRNA的翻譯效率和mRNA的壽命。2. tRNA是多肽合成的氨基酸載體。它們攜帶氨基酸到達(dá)核糖體，依據(jù)mRNA序列組裝成多肽。一種氨基酸至少有一種tRNA。tRNA的長(zhǎng)度約為75核苷酸（相當(dāng)于25 kd)。3. rRNA是核糖體的主要組分（30章）。原核生物有三類rRNA，根據(jù)它們的沉降系數(shù)將原核rRNA分別命名為23S，16S，和5S RNA。每個(gè)核糖體含有一個(gè)23S，一個(gè)16S，和一個(gè)5S RNA。過去曾經(jīng)認(rèn)為rRNA在核

33、糖體中只起結(jié)構(gòu)作用，現(xiàn)在知道這些RNA分子才是蛋白質(zhì)合成的真正催化劑。在三類RNA分子中，rRNA是細(xì)胞內(nèi)含量最豐富的RNA分子，tRNA分子的細(xì)胞含量次之，mRNA分子的含量最少（只有細(xì)胞RNA總量的5%）。真核細(xì)胞還含有其他的小分子RNA。4. 核小分子RNA參與RNA外顯子的剪接。5. 一種小分子RNA是信號(hào)識(shí)別顆粒的必需組分。信號(hào)識(shí)別顆粒是細(xì)胞質(zhì)的一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物，能協(xié)助胞內(nèi)新生蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞特異位置或分泌到細(xì)胞外。6. miRNA（微RNA)是一類長(zhǎng)度只有21核苷酸左右的非編碼RNA。與序列互補(bǔ)的mRNA結(jié)合后阻止mRNA翻譯。7. 小分子干擾RNA（siRNA)與mRNA

34、結(jié)合后，促進(jìn)mRNA降解。miRNA和siRNA是科研人員抑制細(xì)胞內(nèi)特定基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)工具。8. RNA是端粒酶組分。端粒酶能維持DNA復(fù)制過程中染色體端粒的完整性。本章我們集中討論rRNA，mRNA，和tRNA。所有細(xì)胞RNA都由RNA聚合酶合成從DNA模板合成RNA，叫轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄反應(yīng)（圖4.24）。RNA聚合酶催化RNA鏈合成的起始和延伸。此酶催化反應(yīng)可簡(jiǎn)寫為：圖4.24 RNA聚合酶。RNA聚合酶有很多亞基，包括b-亞基（紅色）和b'-亞基（黃色）。這些亞基之間形成一個(gè)“鉗子”結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)錄DNA夾住?；钚晕稽c(diǎn)還有一個(gè)Mg2+（綠色），彎曲管道表示多肽鏈骨架。RNA聚

35、合酶需要下列組分：1. 模板。優(yōu)先選擇的模板是DNA雙鏈。單鏈DNA分子也能充當(dāng)RNA合成的模板。但是RNA分子(無論單鏈還是雙鏈）都不能充當(dāng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶酶促反應(yīng)的模板，RNA-DNA雜合鏈也不能充當(dāng)RNA聚合酶促反應(yīng)的模板。2. 活化前體，即四種核苷5'-三磷酸。3. 二價(jià)金屬離子，如Mg2+或 Mn2+。RNA合成和DNA合成有幾個(gè)共同點(diǎn)（圖4.25）。（1）合成方向也是從5'-3'。（2）延伸機(jī)制類似，即生長(zhǎng)鏈的3'-OH親和進(jìn)攻參與的核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子。（3）合成的驅(qū)動(dòng)力是焦磷酸水解。與DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶促反應(yīng)不需要引物。

36、此外RNA聚合酶沒有核酸酶活性，缺乏校正功能。圖4.25 RNA聚合酶催化的鏈延伸機(jī)制。在大腸桿菌中合成這三類RNA（mRNA, rRNA, 和tRNA)的酶都是同一種RNA聚合酶依據(jù)DNA模板的指導(dǎo)合成的。哺乳細(xì)胞合成這三類RNA的聚合酶不同。我們?cè)?9章將介紹這些RNA聚合酶。RNA聚合酶接受DNA模板的指導(dǎo)與早先介紹的DNA聚合酶類似，RNA聚合酶也接受DNA模板的指導(dǎo)。最早的證據(jù)來自新生RNA鏈的堿基組成與DNA模板鏈的堿基組成互補(bǔ)。fX174病毒是單鏈DNA病毒，從這種單鏈DNA模板轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA分子的堿基組成就是這樣（表4.3）。雜交試驗(yàn)揭示RNA聚合酶合成的RNA鏈與DNA模板

37、鏈互補(bǔ)。在RNA分子存在時(shí)，將DNA分子熔化、再重新結(jié)合。如果RNA鏈與DNA模板鏈序列互補(bǔ)，就會(huì)產(chǎn)生RNA-DNA雜合鏈。轉(zhuǎn)錄直接受DNA模板鏈指導(dǎo)的最有力證據(jù)是序列分析的結(jié)果RNA堿基序列與DNA模板堿基序列完全互補(bǔ)（圖4.26）圖4.26 mRNA與DNA序列互補(bǔ)。mRNA堿基序列（紅色）與DNA模板鏈的堿基序列（藍(lán)色）互補(bǔ)。該序列是色氨酸操縱子的一部分。色氨酸操縱子有5個(gè)基因，負(fù)責(zé)色氨酸合成另一條鏈叫編碼鏈，其序列與RNA鏈完全相同（除了T替代U外）。轉(zhuǎn)錄從啟動(dòng)子附近起始、在轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)結(jié)束在一串很長(zhǎng)的DNA序列中，RNA聚合酶要先探測(cè)出哪個(gè)區(qū)域需要轉(zhuǎn)錄，確定轉(zhuǎn)錄得起始位點(diǎn)。DNA模板

38、含有啟動(dòng)子(promoter)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域能夠與RNA聚合酶結(jié)合，并且能夠確定轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)。細(xì)菌轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游有兩個(gè)特征性序列，分別是Pribnow box和-35區(qū)域（圖4.27A）。不同基因Pribnow box之間的公共序列是TATAAT，位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游-10位（從轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)+1位上游相鄰的核苷酸-1位算起）；而-35區(qū)域的公共序列是TTGACA。轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的核苷酸常常是嘌呤核苷酸。編碼蛋白的真核基因，其啟動(dòng)子區(qū)域公共序列是TATAAA，稱為TATA box或Hogness Box，處于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-25位附近（圖4.27B）。很多真核啟動(dòng)子也有CAAT box（公共序列是GGN

39、CAATCT)，集中于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-75位。真核基因的轉(zhuǎn)錄還受促進(jìn)序列(enhancer sequence)促進(jìn)，而enhancer距轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)相距很遠(yuǎn)（有時(shí)達(dá)幾千個(gè)堿基對(duì)），可以在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游，也可以在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游。圖4.27 原核生物（A）和真核生物（B）的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子。圖中標(biāo)出了啟動(dòng)子的公共序列。轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的核苷酸是+1位，與+1位相鄰的5-核苷酸叫-1位。所顯示的序列是編碼鏈的核苷酸序列。RNA聚合酶沿DNA模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，直到RNA聚合酶合成出轉(zhuǎn)錄終止序列為止。轉(zhuǎn)錄終止序列編碼轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。大腸桿菌的轉(zhuǎn)錄終止序列是RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)（圖4.28）。自互補(bǔ)形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)中，G

40、和C的含量很高。這個(gè)結(jié)構(gòu)后面是一串U時(shí)，RNA聚合酶就會(huì)自動(dòng)離開新生RNA鏈。此外，在rho因子（一種蛋白質(zhì)）協(xié)助下，RNA合成也會(huì)終止?，F(xiàn)在對(duì)真核生物轉(zhuǎn)錄終止的信息了解有限。第29章將詳細(xì)討論轉(zhuǎn)錄的起始和終止。DNA模板序列就有各自的轉(zhuǎn)錄起始和轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。在真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA分子要修飾（圖4.29）。5'-端有帽子結(jié)構(gòu)，3'-端有poly(A)尾巴。第29章將詳細(xì)介紹這些內(nèi)容。圖4.28 E coli mRNA 3-末端的核苷酸序列。該區(qū)域有一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)后面是一串尿苷酸。圖4.29 真核mRNA的修飾。真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要修飾。5-末端添加

41、帽子核苷酸，3-末端添加poly(A)。tRNA是蛋白質(zhì)合成中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)分子mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板。那么它如何指導(dǎo)氨基酸正確連接成蛋白質(zhì)分子呢？1958年，F(xiàn)rancis Crick寫道：“RNA能夠提供氫鍵的結(jié)合位點(diǎn)。因此你就能想象當(dāng)它充當(dāng)模板時(shí)也存在這種氫鍵。因此自然會(huì)想到攜帶氨基酸的接頭分子與RNA匹配。最簡(jiǎn)單的策略是需要20種接頭分子，每種接頭分子攜帶一種氨基酸?！辈痪镁陀袑?shí)驗(yàn)證據(jù)支持這一創(chuàng)新性假設(shè)。蛋白質(zhì)合成的接頭分子就是tRNA。第30章將詳細(xì)介紹tRNA分子的結(jié)構(gòu)與功能。tRNA分子有氨基酸連接位點(diǎn)和模板識(shí)別位點(diǎn)。氨基酸的羧基與tRNA分子3'-端的3'-OH

42、或2'-OH連接形成酯，是蛋白質(zhì)合成的活化氨基酸（圖4.30）。tRNA分子將活化的氨基酸運(yùn)送到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所。各種氨基酸與相應(yīng)的tRNA分子連接需要氨酰-tRNA合成酶催化， ATP水解提供連接反應(yīng)所需要的能量。每種氨基酸至少有一種氨酰-tRNA合成酶。tRNA分子的模板識(shí)別位點(diǎn)就是三堿基構(gòu)成的反密碼子（圖4.31）。tRNA的反密碼子與mRNA的三堿基序列（即密碼子）互補(bǔ)。圖4.30 氨基酸與tRNA分子連接。氨基酸（藍(lán)色）與tRNA分子末端腺苷酸的3-OH連接形成酯。圖4.31 氨酰-tRNA分子的通用結(jié)構(gòu)。氨基酸與RNA分子3-末端結(jié)合。反密碼子是模板識(shí)別位點(diǎn)。tRNA分子三葉

43、草結(jié)構(gòu)中堿基之間有很多氫鍵（綠色點(diǎn)）。4.5 氨基酸由起始位點(diǎn)固定的一組三堿基（密碼子）編碼遺傳密碼是DNA(或DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA)與蛋白質(zhì)的氨基酸序列之間的聯(lián)系紐帶。截至1961年，Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana, Francis Crick, Sydney Brenner, 和其他科學(xué)家對(duì)遺傳密碼的研究獲得了下列結(jié)果。1. 三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸。蛋白質(zhì)組成的基本單位是20種氨基酸，但是核酸的組分只有四種核苷酸。簡(jiǎn)單計(jì)算顯示至少需要三個(gè)核苷酸編碼，才能滿足20種氨基酸。遺傳試驗(yàn)顯示氨基酸確實(shí)由一組三堿基（或密碼子）編碼。2. 密碼子不重疊

44、。如果一個(gè)序列是ABCDEF，在重疊的情況下ABC編碼第一個(gè)氨基酸，BCD編碼下一個(gè)氨基酸，CDE編碼第三個(gè)氨基酸，如此下去。在不重疊的情況下，ABC編碼第一個(gè)氨基酸，DEF編碼第二個(gè)氨基酸，如此下去。遺傳學(xué)試驗(yàn)證實(shí)密碼子不重疊。3. 密碼子沒有逗號(hào)。從固定的起點(diǎn)開始，一個(gè)接一個(gè)地讀下去，沒有逗號(hào)（不會(huì)停頓）。4. 遺傳密碼有簡(jiǎn)并性。很多氨基酸有多個(gè)遺傳密碼。三聯(lián)堿基有64種組合。3種三聯(lián)堿基是終止密碼子，其余61種組合編碼20種氨基酸。因此多數(shù)氨基酸有一個(gè)以上的密碼。遺傳密碼的主要特征表4.4列出了這64種遺傳密碼。由于遺傳密碼簡(jiǎn)并程度高（只有色氨酸和甲硫氨酸各自只有一個(gè)遺傳密碼），剩余的1

45、8種氨基酸有兩個(gè)或多個(gè)三聯(lián)堿基密碼。實(shí)際上，亮氨酸、精氨酸、和絲氨酸的遺傳密碼各有6個(gè)。某種氨基酸遺傳密碼的數(shù)量與該氨基酸在蛋白質(zhì)分子中出現(xiàn)的頻率正相關(guān)。編碼同一氨基酸的不同三聯(lián)堿基稱為同義密碼（synonyms）。例如CAU和CAC就是同義密碼，它們都是編碼組氨酸的密碼子。遺傳密碼表(表4.4)并沒有特意將表格重畫以標(biāo)出同義密碼子。在該表中，多數(shù)同義密碼子處于同一方格中（除非某個(gè)氨基酸有4個(gè)以上的同義密碼）。同義密碼通常前兩位的核苷酸相同，只是第三位的核苷酸有差異，如編碼頡氨酸的GUA, GUC, GUG, 和GUU。就是說大多數(shù)同義密碼子最后一位核苷酸不同。仔細(xì)觀察密碼子表還發(fā)現(xiàn)，XYC和

46、XYU通常編碼同一氨基酸，而XYG和XYA也是編碼同一種氨基酸。當(dāng)我們?cè)诘?0.3節(jié)討論tRNA反密碼子特性時(shí)我們就知道這種等效性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。遺傳密碼簡(jiǎn)并性有何生物意義？如果沒有簡(jiǎn)并性，用20種三聯(lián)堿基編碼20種氨基酸，剩余的44種三聯(lián)堿基將導(dǎo)致多肽合成終止。這樣密碼子發(fā)生突變引入終止密碼的頻率就非常高，產(chǎn)生沒有活性的蛋白質(zhì)。用另一種氨基酸替代原來氨基酸的突變危害就小多了。如此具有簡(jiǎn)并性的遺傳密碼設(shè)計(jì)，在一個(gè)核苷酸發(fā)生變異時(shí)通常會(huì)形成同義密碼子或用性質(zhì)差異不大另一種氨基酸替代。因此簡(jiǎn)并性使基因突變的危害性減少到最低程度。mRNA含有轉(zhuǎn)錄的起始和終止信號(hào)mRNA在核糖體被翻譯成蛋白質(zhì)。核糖體是核

47、糖體蛋白質(zhì)和核糖體RNA構(gòu)成的大分子復(fù)合物。核糖體構(gòu)成的翻譯機(jī)器如何解讀mRNA？細(xì)菌中蛋白質(zhì)合成的起始信號(hào)很復(fù)雜。多肽鏈合成起始使用修飾氨基酸，即甲酰甲硫氨酸(fMet)。一種特異的tRNA分子，即起始tRNA分子攜帶fMet。fMet-tRNA能識(shí)別AUG起始密碼子，有時(shí)也識(shí)別GUG起始密碼子(但頻率低）。但是AUG也是多肽鏈內(nèi)部甲硫氨酸的密碼子，而GUG是多肽鏈內(nèi)部頡氨酸的密碼子。因此原核生物多肽鏈合成起始的第一個(gè)氨基酸信號(hào)比后續(xù)的氨基酸要復(fù)雜得多。AUG和GUG只是起始信號(hào)的一部分（圖4.32）。在原核生物中，起始密碼子上游（與起始密碼子隔了幾個(gè)核苷酸）有一段富含嘌呤堿基的序列，即SD

48、序列(Shine-Dalgarno sequence)能夠與核糖體RNA分子的互補(bǔ)序列配對(duì)（30.3節(jié)）。在真核生物中，最靠近mRNA分子5'-端的AUG通常就是蛋白質(zhì)合成的起始密碼子。該AUG為甲硫氨酰- tRNA起始識(shí)別。一旦確定了mRNA起始密碼子，就確定了mRNA解碼的框架（即從起始AUG密碼子開始進(jìn)行連續(xù)地并且不重疊地讀碼三聯(lián)堿基）。UAA, UAG, 和UGA是翻譯的終止密碼子。tRNA不能閱讀這些密碼子，只有釋放因子（一種蛋白質(zhì)）能識(shí)別（30.3節(jié)）。釋放因子與核糖體結(jié)合能釋放剛剛合成的蛋白質(zhì)分子。圖4.32 蛋白質(zhì)合成的起始。在原核生物(A)和真核生物(B)起始蛋白質(zhì)合

49、成需要起始信號(hào)。遺傳密碼的普適性所有生物的遺傳密碼是相同的嗎？現(xiàn)在已經(jīng)知道很多野生和突變基因的核苷酸序列，也知道它們所編碼的蛋白質(zhì)序列。突變后蛋白質(zhì)相應(yīng)氨基酸的改變與遺傳密碼預(yù)測(cè)的結(jié)果完全相同。而且，在差異非常大的生物體內(nèi)翻譯同一mRNA分子產(chǎn)生的蛋白質(zhì)完全相同。如人血紅蛋白mRNA用麥胚抽提液翻譯的產(chǎn)物正確，細(xì)菌能有效地表達(dá)編碼人蛋白質(zhì)（如胰島素）的DNA分子。這些試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈暗示遺傳密碼具有普遍適用性。但是，人線粒體DNA序列測(cè)定的結(jié)果顯示線粒體用UGA編碼色氨酸（而不是終止密碼子）（表4.5），用AGA和AGG編碼線粒體的終止密碼子（而不是編碼精氨酸），線粒體AUA編碼甲硫氨酸（而不是編

50、碼異亮氨酸）。其他物種的線粒體，如酵母線粒體，所用的密碼子也不同于標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼子。線粒體遺傳密碼不同于細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞遺傳密碼的原因在于線粒體自身有一套獨(dú)立的tRNAs。那么編碼細(xì)胞蛋白質(zhì)的遺傳密碼子與標(biāo)準(zhǔn)密碼子有無差異？至少有16種生物含有這種差異密碼子。纖毛原蟲用UAA和UAG編碼氨基酸，而不是終止密碼子。這種生物只用UGA作為終止密碼子。因此遺傳密碼幾乎具有通用性（但不是絕對(duì)通用）。在線粒體和一些生物體中有些遺傳密碼與標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼不同。纖毛原生動(dòng)物在真核生物進(jìn)化早期就與其它生物分道揚(yáng)鑣。人線粒體的AUA和AUG發(fā)生簡(jiǎn)并，都編碼甲硫氨酸。線粒體密碼子與標(biāo)準(zhǔn)密碼子的主要差異是線粒體將遺傳密碼進(jìn)一步

51、簡(jiǎn)化。為什么在幾十億年的進(jìn)化過程（從細(xì)菌到人類）中遺傳密碼一直不變？改變mRNA讀碼將改變某一生物大多數(shù)（即使不是全部）蛋白質(zhì)的氨基酸序列。這種改變將影響很多蛋白質(zhì)功能（甚至喪失蛋白質(zhì)功能），因此會(huì)消除這類改變mRNA讀碼的變異，結(jié)果是維持遺傳密碼不變。4.6 大多數(shù)真核基因是內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)嵌合型細(xì)菌蛋白質(zhì)由細(xì)菌DNA一段序列按三聯(lián)堿基連續(xù)地編碼。過去我們也認(rèn)為，真核生物基因的編碼方式與原核生物一樣。但是1977年P(guān)hilip Sharp和Richard Roberts的研究工作徹底否定了這種觀點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真核基因是不連續(xù)的。用mRNA與編碼該基因的DNA雜交

52、，然后用電鏡觀察（圖4.33）發(fā)現(xiàn)真核基因是嵌合型。血紅蛋白b-基因的編碼區(qū)插入了兩個(gè)間隔區(qū)，大的間隔區(qū)有550堿基對(duì)，小的間隔區(qū)有120堿基對(duì)。因此b-球蛋白基因編碼區(qū)被裂解成三段。在人類，平均每個(gè)基因有8個(gè)內(nèi)含子，有的基因甚至有100多個(gè)內(nèi)含子。內(nèi)含子的大小在50核苷酸至10000核苷酸之間。圖4.33 電鏡檢測(cè)內(nèi)含子。mRNA分子(紅色)與相應(yīng)的基因雜交。（A）如果基因連續(xù)，就只能觀測(cè)到一個(gè)單鏈DNA環(huán)（藍(lán)色）。（B）如果有內(nèi)含子就能觀察到雙鏈DNA環(huán)（藍(lán)色和綠色）和單鏈DNA環(huán)（藍(lán)色）。如果內(nèi)含子不止一個(gè)，就能觀測(cè)到更多的環(huán)。RNA加工產(chǎn)生成熟RNA分子在基因表達(dá)的哪個(gè)階段刪除內(nèi)含子？

53、從細(xì)胞核分離新合成的RNA分子（RNA前體，pre-mRNA）比這些基因所編碼的mRNA分子大。例如b-球蛋白基因轉(zhuǎn)錄的前體分子有15S，而成熟的mRNA只有9S。實(shí)際上b-球蛋白mRNA已經(jīng)沒有該基因的兩個(gè)區(qū)域，即從15S的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物切除了這兩個(gè)區(qū)域，同時(shí)將其余區(qū)域連接在一起形成成熟的mRNA（圖4.34）。從初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物切除的區(qū)域叫內(nèi)含子（基因內(nèi)的間隔序列），而成熟mRNA保留的區(qū)域叫外顯子（能夠表達(dá)成蛋白質(zhì)的序列）。這類斷裂基因表達(dá)的一個(gè)共同特征是成熟RNA分子中外顯子的排列次序與DNA分子中外顯子排列次序完全相同。與連續(xù)基因一樣，斷裂基因與它所編碼的多肽產(chǎn)物共線性（但是表現(xiàn)在mRNA

54、水平）。圖4.34 b-球蛋白基因的轉(zhuǎn)錄和加工。該基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，5-端戴帽，3-端帶poly(A)尾巴。刪除初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的內(nèi)含子，形成成熟的mRNA分子。RNA剪接很復(fù)雜，由剪接體（spliceosome）負(fù)責(zé)。剪接體是蛋白質(zhì)和小分子RNA構(gòu)成的復(fù)合物。RNA起催化作用（29.3節(jié)）。剪接體的酶促成分識(shí)別前體RNA的剪接位點(diǎn)。內(nèi)含子的5'-末端總是GU, 3'-末端總是AG（AG前面有一個(gè)嘧啶富集區(qū)）（圖4.35）。這些公共序列是剪接信號(hào)的一部分。圖4.35 mRNA前體剪接的公共序列。很多外顯子編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域高等真核生物（如鳥類和哺乳類）的很多基因是斷裂基因

55、。較低等的真核生物(如酵母）有很高比例的連續(xù)基因。原核生物的斷裂基因就非常稀有。那么，究竟是生物進(jìn)化成真核生物時(shí)插入內(nèi)含子，還是原來就有基因內(nèi)含子（但是發(fā)展成原核生物或簡(jiǎn)單真核生物時(shí)基因簡(jiǎn)化刪除了內(nèi)含子）？比較進(jìn)化上高度保守蛋白質(zhì)編碼基因的序列提示，內(nèi)含子序列在古代基因就已經(jīng)存在，只是為了適應(yīng)快速生長(zhǎng)，生物進(jìn)化過程中刪除了基因內(nèi)部的內(nèi)含子序列。有些基因的內(nèi)含子在基因內(nèi)的位置至少有10億年。而且在生物差異進(jìn)化成霉菌、植物、和脊椎動(dòng)物之前就有共同的剪接機(jī)制（因?yàn)椴溉榧?xì)胞抽提液能夠剪接酵母RNA)。分裂基因有什么優(yōu)勢(shì)？很多外顯子編碼蛋白質(zhì)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單位。一種假設(shè)認(rèn)為，重排這些結(jié)構(gòu)單位（即外顯子）能制造新蛋白質(zhì)，這種策略叫外顯子shuffling（改編）。由于蛋白質(zhì)的功能結(jié)構(gòu)單元沒變，只是讓功能單位的相互作用模式不同，外顯子重排式產(chǎn)生新基因的一種快速有效的方法（圖4.36）。內(nèi)含子發(fā)生斷裂和重組對(duì)基因編碼蛋白質(zhì)沒有災(zāi)難性影響。相反，不同外顯子之間發(fā)生序列交換通常會(huì)喪失蛋白質(zhì)功能。圖4.36 外顯子改編。DNA重組導(dǎo)致外顯子改編能增加遺傳物質(zhì)的庫(kù)容。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是選擇性剪接能夠產(chǎn)生一系列相關(guān)蛋白質(zhì)。例如，在抗體產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)，新生