核酸

　　核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，是生物化学与分子生物学研究的重要对象和领域。由于核酸的结构和功能比较复杂，分子很不稳定，在细胞中的含量又比较小，在四类生物大分子中，它的研究开始最晚。现代生物化学建立于18世纪下半叶。“蛋白质”一词最早于1838年，由J.J.Berzelius提出，“核酸”这个词出现要晚半个世纪。1868年瑞士外科医师米歇（Friedrich Miescher）由脓细胞中分离提取出一种含磷量很高的酸性物质，称为核素（nuclein），继任者发展了制备不含蛋白质的核酸的方法，1889年R.Altmann最早提出“核酸”（nucleic acid）一词。核酸的研究改变了整个生命科学的面貌，并由此诞生了分子生物学这一当今发展最迅速、最有活力的学科。　

　　核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）。RNA根据其结构和功能的不同主要分为三类：信使RNA(messenger RNA,mRNA)、转运RNA(transfer RNA,tRNA)和核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)。DNA是遗传信息的贮存和携带者，RNA主要是转录、传递DNA上的遗传信息，直接参与细胞蛋白质的的生物合成。在真核细胞中，DNA绝大部分（约98%）存在于细胞核染色质中，其余分布于细胞器（如线粒体、叶绿体）中；RNA绝大部分（约90%）分布在细胞质中，其余分布在细胞核内。

目录

? 核酸的化学成分

? 核酸的分子组成

? 核酸的相关分类

? 核酸的分子结构
? 核酸的相关性质
? 核酸的变性、复性和分子杂交
? DNA
? 核酸酶
? 锁核酸
? 反义核酸
? 核酸探针
? 核酸杂交

核酸的化学成分

　　核酸是由什么组成的？
　　核酸是生物体内的高分子化合物。它包括脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）两大类。DNA和RNA都是由一个一个核苷酸(nucleotide)头尾相连而形成的。RNA平均长度大约为2000个核苷酸，而人的DNA却是很长的，约有3X109个核苷酸。
　　单个核苷酸是由含氮有机碱(称碱基)、戊糖(即五碳糖)和磷酸三部分构成的。
　　碱基(base)：构成核苷酸的碱基分为嘌呤（purine)和嘧啶 >（pyrimi-dine)二类。前者主要指腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine,G），DNA和RNA中均含有这二种碱基。后者主要指胞嘧啶（cytosine,C）胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil,U），胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶则只存在于RNA中。这五种碱基的结构如图。
　　嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1是构成核苷酸时与核糖（或脱氧核糖）形成糖苷键的位置。
　　此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基（themodifiedcomponent),又称稀有碱基，(unusualcomponent)。它是指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。
　　戊糖(五碳糖):RNA中的戊糖是D－核糖(即在2号位上连接的是一个羟基)，DNA中的戊糖是D－2－脱氧核糖(即在2号位上只连一个H)。D－核糖的Ｃ－2所连的羟基脱去氧就是D－2脱氧核糖。
　　戊糖Ｃ－1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团，糖苷键的连接都是β－构型。
　　核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。
　　核苷酸(nucleotide)：核苷酸与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。核酸分子中的磷酸酯键是在戊糖C-3’和C-5’所连的羟基上形成的，故构成核酸的核苷酸可视为3’－核苷酸或5’－核苷酸。DNA分子中是含有A,G,C,T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中则是含A,G,C,U四种碱基的核苷酸。
　　当然核酸分子中的核苷酸都以形式存在，但在细胞内有多种游离的核苷酸，其中包括一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷。
　　核苷酸是怎么连接的？
　　3’，5’－磷酸二酯键：核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide），相邻二个核苷酸之间的连接键即：3’，5’－磷酸二酯键。这种连接可理解为核苷酸糖基上的3＇位羟基与相邻5＇核苷酸的磷酸残基之间，以及核苷酸糖基上的5＇位羟基与相邻3＇核苷酸的磷酸残基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是ＲＮＡ，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。DNA链的结构如下示意图。
　　寡核苷酸（oligonucleotide)：这是与核酸有关的文献中经常出现的一个术语，一般是指二至十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。但在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中，把含有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称作寡核苷酸。寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，它可作为DNA合成的引物（primer)、基因探针（probe)等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。
　　核酸链的简写式：核酸分子的简写式是为了更简单明了的叙述高度复杂的核酸分子而使用的一些简单表示式。它所要表示的主要内容是核酸链中的核苷酸（或碱基）。下面介绍二种常用的简写式。
　　字符式：书写一条多核苷酸链时，用英文大写字母缩写符号代表碱基（DNA和RNA中所含主要碱基及缩写符号见表１－１），用小写英文字母P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。因省略了糖基，故不再注解“脱氧”与否，凡简写式中出现Ｔ就视为DNA链，出现Ｕ则视为RNA链。以5＇和3＇表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。下面是分别代表DNA链和RNA链片段的二个简写式：
　　5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA
　　5＇pＡpＣpＵpＵpＧpＡpＡpＣpＧ3＇RNA
　　此式可进一步简化为：
　　5＇pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3＇
　　5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ3＇
　　上述简写式的5＇－末端均含有一个磷酸残基（与糖基的Ｃ－5＇位上的羟基相连）,3＇－末端含有一个自由羟基（与糖基的Ｃ－3＇位相连）,若5＇端不写Ｐ，则表示5＇－末端为自由羟基。双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残基的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链（complentarystrand)即可，链间的配对碱基用短纵线相连或省略，错配（mismatch)碱基对错行书写在互补链的上下两边，如下所示：
　　5＇ＧＧＡＡＴＣＴＣＡＴ3＇
　　3＇ＣＣＴＴＡＧＡＧＴＡ5＇
　　5＇ＧＧＡＡＴＣ错配）
　　线条式：在字符书写基础上，以垂线（位于碱基之下）和斜线（位于垂线与Ｐ之间）分别表示糖基和磷酸酯键。如下图所示
　　上式中，斜线与垂线部的交点为糖基的Ｃ－3＇位，斜线与垂线下端的交点为糖基的Ｃ－5＇位。这一书写式也可用于表示短链片段。不难看出，简写式表示的中心含义就是核酸分子的一级结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。

核酸的分子组成

核酸是一种多聚核苷酸，它的基本结构是核苷酸（nucleotide）。采用不同的降解法，可以将核酸降解成核苷酸，核苷酸还可以进一步降解为核苷和磷酸。核苷再进一步分解生成含氮碱基（base）和戊糖。碱基分两大类：嘌呤碱和嘧啶碱。所以，核酸由核苷酸组成，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。 

一、核苷酸 

核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类。两者基本化学结构相同，只是所含戊糖不同，个别碱基不同。核糖核苷酸是RNA的结构单位，脱氧核糖核苷酸是DNA的结构单位。细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，他们具有重要的生理功能。由此可见，对于核酸和蛋白质系统来说，核苷酸相当于氨基酸，碱基相当于氨基酸的功能基团（氨基酸侧链）。　

核酸是一类由碳、氢、氧、氮和磷组成的化合物。其中磷在各种核酸中的含量比较恒定，DNA的平均含磷量为9.9%，RNA的平均含磷量为9.4%。因此，只要测出核酸样品的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量。　

（一）戊糖  　

戊糖有D-核糖（D-ribose,R）和D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose,dR）两种。在核苷酸中，碳原子的编号加撇号(如1’、2’)等以与碱基上不加撇号的碳原子相区别。

（二）含氮碱  　

核酸中的含氮碱称碱基，包括嘌呤碱和嘧啶碱两类。嘌呤碱主要有腺嘌呤（adenine,A）和鸟嘌呤（gaunine,G）。 嘧啶碱主要有胞嘧啶（cytosine,C）、尿嘧啶（uracil,U）和胸腺嘧啶（thymine,?T）。含氮碱杂环中C和N的编号以不加撇号的1，2，3……表示。某些核酸分子中含有一些微量的稀有碱基，如2-甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤、5，6二氢尿嘧啶等（表3-1-2）。这些碱基可能是正常碱基被化学修饰形成的，或复制转录过程中掺入的非正常碱基。目前已知稀有碱基和核苷达近百种。

（三）核苷(nucleoside)  　

戊糖和碱基通过糖苷键连接而成核苷。糖苷键是由戊糖C-1′上的羟基与嘌呤碱N-9或嘧啶碱N-1上的氢原子经脱水缩合形成。核苷根据其所含戊糖的不同分为核糖核苷和脱氧核糖核苷。其中腺嘌呤核苷和胸腺嘧啶核苷的结构式如图3--3所示。由稀有碱基形成的核苷称稀有核苷，如假尿嘧啶核苷、次黄嘌呤核苷等。

（四）核苷酸(nucleotide) 　

核苷和磷酸通过磷酸酯键连接而成核苷酸。核糖核苷的戊糖有三个自由羟基，可形成三种核苷酸：2′-、3′-和5′-核糖核苷酸。脱氧核糖核苷的戊糖只有两个自由羟基，只能形成两种核苷酸：3′-和5′-脱氧核糖核苷酸。生物体内游离存在的核苷酸大多数是5′-核苷酸（5′-常可省略不写）。核糖核苷酸是组成RNA的基本单位，脱氧核糖核苷酸是组成DNA的基本单位。

二、其他核苷酸　

（一）多磷酸核苷　

生物体内各种5′-核苷酸和5′-脱氧核苷酸还可以在5′位上进一步磷酸化，形成二磷酸核苷（NDP和dNDP）和三磷酸核苷（NTP和dNTP）。其中NTP是合成RNA的原料，dNTP是合成DNA的原料。ATP(adenosine triphosphate)是体内最重要的高能化合物，分子中含有三个磷酸酯键，其中α-磷酸酯键为低能磷酸酯键，而β、γ磷酸酯键都是高能磷酸酯键。每1mol高能磷酸化合物水解时可释放出自由能大于20.93kJ。ATP是人体内各种生命活动的主要的直接供能者。 

（二）辅酶类核苷酸  　

体内代谢反应中的一些辅酶，也是核苷酸的衍生物。例如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）、黄素腺嘌呤二核酸（FAD）、辅酶A（HSCoA）等，其分子中都含有腺苷酸。这些辅酶类核苷酸均参与物质代谢中氢和某些化学基团的传递。　

（三）环化核苷酸　

组织细胞中还发现了两种环化核苷酸：3′，5′-环化腺苷酸（cAMP）和3′，5′-环化鸟苷酸(cGMP)。它们的含量甚微，但具有重要的生理活性，是一些激素作用的第二信使，在细胞信号转导过程中具有重要调控作用。

核酸的相关分类

　　核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的构件分子是核苷酸（nucleotide）。
　　天然存在的核酸可分为：
　　╭ 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）
　　╰ 核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）
　　DNA贮存细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。
　　RNA中参与蛋白质合成的有三类：
　　╭ 转移RNA（transfer RNA，tRNA）
　　∣ 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）
　　╰ 信使RNA（messenger RNA，mRNA）
　　20世纪末，发现许多新的具有特殊功能的RNA，几乎涉及细胞功能的各个方面。
　　核苷酸可分为：
　　╭ 核糖核苷酸：是RNA的构件分子
　　╰ 脱氧核糖核苷酸：是DNA构件分子。
　　细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们具有重要的生理功能。
　　核苷酸由：
　　╭ 核苷（nucleoside）
　　╰ 磷酸（Phosphonic.acid）
　　核苷由：
　　╭ 碱基（base）
　　╰ 戊糖（Pentose）
　　碱基（base）：
　　构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物，由嘧啶（pyrimidine）和嘌呤（purine）构成。
　　核酸：
　　╭ 嘌呤碱 ：
　　╭ 腺嘌呤
　　∣ ╰ 鸟嘌呤
　　╰ 嘧啶碱 ：
　　╭ 胞嘧啶
　　∣ 胸腺嘧啶
　　╰ 尿嘧啶
　　╭ DNA中含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，胸腺嘧啶主要存在于DNA中。
　　∣
　　╰ RNA中含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，尿嘧啶主要存在于RNA中。
　　在某些tRNA分子中也有胸腺嘧啶，少数几种噬菌体的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。这五种碱基受介质pH的影响出现酮式、烯醇式互变异构体。
　　在DNA和RNA中，尤其是tRNA中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基（rare bases）稀有碱基种类很多，大多数是甲基化碱基。tRNA中含稀有碱基高达10%。
　　戊糖：
　　核酸中有两种戊糖DNA中为D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中则为D-核糖（D-ribose）。在核苷酸中，为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1’，C-2’等。脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢，这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多。
　　核苷：
　　核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）相连接而成。戊糖中C-1’与嘧啶碱的N-1或者与嘌吟碱的N9相连接，戊糖与碱基间的连接键是N-C键，一般称为N-糖苷键。
　　RNA中含有稀有碱基，并且还存在异构化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用ψ表示），在它的结构中戊糖的C-1不是与尿嘧啶的N-1相连接，而是与尿嘧啶C-5相连接。
　　核苷酸：
　　核苷中的戊糖5’碳原子上羟基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。依磷酸基团的多少，有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。核苷酸在体内除构成核酸外，尚有一些游离核苷酸参与物质代谢、能量代谢与代谢调节，如三磷酸腺苷（ATP）是体内重要能量载体；三磷酸尿苷参与糖原的合成；三磷酸胞苷参与磷脂的合成；环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）作为第二信使，在信号传递过程中起重要作用；核苷酸还参与某些生物活性物质的组成：如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

核酸的分子结构

一个核苷酸分子戊糖的3′-羟基和另一个核苷酸分子戊糖的5′-磷酸可脱水缩合形成3′,5′-磷酸二酯键。许多核苷酸借助于磷酸二酯键相连形成的化合物称为多聚核苷酸。多聚核苷酸呈线状展开，称为多聚核苷酸链，它是核酸的基本结构形式。多聚核苷酸链有两个末端，戊糖5′位带有游离磷酸基的称为5′末端，戊糖3′位带有游离羟基的一端称为3′末端。

一、DNA的分子结构 

（一）DNA的碱基组成特点　

在50年代初，经Chargaff等人的分析研究表明，DNA的碱基组成有下列一些特点：　

1．各种生物的DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即G=C。因此，嘌呤碱的总数等于嘧啶碱的总数，即A+G=C+T。

2．DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组成，如人、牛和大肠杆菌的DNA碱基组成比例是不一样的。

3．DNA的碱基组成没有组织器官特异性，即同一生物体的各种不同器官或组织DNA的碱基组成相似。比如牛的肝、胰、脾、肾和胸腺等器官的DNA的碱基组成十分相近而无明显差别。

4．生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境等条件的影响。这就是说，每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物的遗传特性有关。

DNA碱基组成的这些规律称Chargaff规则，这些规则为研究DNA双螺旋结构提供了重要依据。　

（二）一级结构　

DNA是由许多脱氧核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接起来的多聚核苷酸。DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序，称为DNA的一级结构。它是形成二级结构和三级结构的基础。　

（三）二级结构　

DNA的二级结构是一个双螺旋结构，其结构模型于1953年由美国的Watson和英国的Crick两位科学家共同提出，从本质上揭示了生物遗传性状得以世代相传的分子奥秘。其基本内容如下：　

1．主干链反向平行：DNA分子是一个由两条平行的脱氧多核苷酸链围绕同一个中心轴盘曲形成的右手螺旋结构，两条链行走方向相反，一条链为5′→3′走向，另一条链为3′→5′走向。磷酸基和脱氧核糖基构成链的骨架，位于双螺旋的外侧；碱基位于双螺旋的内侧。碱基平面与中轴垂直。

2．侧链碱基互补配对：两条脱氧多核苷酸链通过碱基之间的氢键连接在一起。碱基之间有严格的配对规律：A与T配对，其间形成两个氢键；G与C配对，其间形成三个氢键。这种配对规律，称为碱基互补配对原则。每一碱基对的两个碱基称为互补碱基，同一DNA分子的两条脱氧多核苷酸链称为互补链。 

3．双螺旋立体结构：DNA双螺旋的直径为2nm，一圈螺旋含10个碱基对，每一碱基平面间的轴向距离为0.34nm，故每一螺旋的螺距为3.4nm，每个碱基的旋转角度为36°。维持DNA结构稳定的力量主要是碱基对之间的堆积力，碱基对之间的氢键也起着重要作用。

（四）三级结构　

DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构，称为DNA的三级结构。绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子，这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构。超螺旋是DNA三级结构的最常见的形式。超螺旋方向与双螺旋方向相反，使螺旋变松者，叫做负超螺旋；超螺旋方向与双螺旋方向相同，使螺旋变紧者，叫做正超螺旋。在真核生物的染色质中，DNA的三级结构与蛋白质的结合有关。构成染色质的基本单位是核小体。核小体由核小体核心和连接区组成。核小体核心由组蛋白八聚体（由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成）和盘绕其上的一段约含146碱基对（base pair,bp）的DNA双链组成，连接区含有组蛋白H1和一小段DNA双链（约60个碱基对）。核小体彼此相连成串珠状染色质细丝，染色质细丝螺旋化形成染色质纤维，后者进一步卷曲、折叠形成染色单体。这样，DNA的长度被压缩近万倍。 

二、RNA的分子结构 

RNA分子中相邻的两个核糖核苷酸也是以3′，5′-磷酸二酯键连接形成多聚核糖核苷酸链。RNA的一级结构是指多聚核糖核苷酸链中核糖核苷酸的排列顺序。RNA分子是单链结构，其核苷酸残基数目在数十至数千之间，分子量一般在数百至数百万之间。　

RNA的多核苷酸链可以在某些部分弯曲折叠，形成局部双螺旋结构，此即RNA的二级结构。在RNA的局部双螺旋区，腺嘌呤（A）与尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）之间进行配对，无法配对的区域以环状形式突起。这种短的双螺旋区域和环状突起称为发夹结构。RNA在二级结构的基础上进一步弯曲折叠就形成各自特有的三级结构。　

（一）tRNA的结构特点 　

tRNA约含70~100个核苷酸残基，是分子量最小的RNA，占RNA总量的16%，现已发现有100多种。tRNA的主要生物学功能是转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。　

    各种tRNA的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形。这种三叶草形结构的主要特征是，含有四个螺旋区、三个环和一个附加叉。四个螺旋区构成四个臂，其中含有3′末端的螺旋区称为氨基酸臂，因为此臂的3′-末端都是C-C-A-OH序列，可与氨基酸连接。三个环分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。环Ⅰ含有5，6二氢尿嘧啶，称为二氢尿嘧啶环（DHU环）。环Ⅱ顶端含有由三个碱基组成的反密码子，称为反密码环；反密码子可识别mRNA分子上的密码子，在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用。环Ⅲ含有胸苷（T）、假尿苷（ψ）、胞苷（C），称为TψC环；此环可能与结合核糖体有关。tRNA在二级结构的基础上进一步折叠成为倒“L”字母形的三级结构。　

tRNA分子中稀有碱基的数量是所有核酸分子中比例最高的，这些稀有碱基的来源是转录之后经过加工修饰形成的。

（二）mRNA的结构特点  

mRNA的含量最少，约占RNA总量的2%。mRNA一般都不稳定，代谢活跃，更新迅速，半衰期短。mRNA分子中从5′-未端到3′-未端每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表氨基酸信息，称为密码子。mRNA的生物学功能是传递DNA的遗传信息，指导蛋白质的生物合成。细胞内mRNA的种类很多，分子大小不一，由几百至几千个核苷酸组成。真核生物mRNA的一级结构有如下特点：

　1．mRNA的3′-未端有一段含30~200个核苷酸残基组成的多聚腺苷酸（polyA）。此段polyA不是直接从DNA转录而来，而是转录后逐个添加上去的。有人把polyA称为mRNA的“靴”。原核生物一般无polyA的结构。此结构与mRNA由胞核转位胞质及维持mRNA的结构稳定有关，它的长度决定mRNA的半衰期。

2．mRNA的5′-未端有一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸（m7Gppp）的“帽”式结构。此结构在蛋白质的生物合成过程中可促进核蛋白体与mRNA的结合，加速翻译起始速度，并增强mRNA的稳定性，防止mRNA从头水解。　

在细胞核内合成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA（hnRNA）,它们在核内迅速被加工、剪接成为成熟的mRNA并透出核膜到细胞质。　

3、rRNA的结构特点  

rRNA是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总量的82%。rRNA单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机”。　

rRNA的分子量较大，结构相当复杂，目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可间接反应分子量的大小。原核生物和真核生物的核糖体均由大、小两种亚基组成。

过去认为，大亚基的蛋白质具有酶的活性，促使肽键形成，故称为转肽酶。20世纪90年代初，H.F.Noller等证明大肠杆菌的23SrRNA能够催化肽键的形成，才证明核糖体是一种核酶，从而根本改变了传统的观点。核糖体催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助的作用。

　　三、 DNA的空间结构
　　(一)DNA的二级结构
　　DNA二级结构即双螺旋结构（double helix structure）。20世纪50年代初Chargaff等人分析多种生物DNA的碱基组成发现的规则。
　　DNA双螺旋模型的提出不仅揭示了遗传信息稳定传递中DNA半保留复制的机制，而且是分子生物学发展的里程碑。
　　DNA双螺旋结构特点如下：①两条DNA互补链反向平行。②由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧，而疏水的碱基对则在螺旋分子内部，碱基平面与螺旋轴垂直，螺旋旋转一周正好为10个碱基对，螺距为3.4nm，这样相邻碱基平面间隔为0.34nm并有一个36?的夹角。③DNA双螺旋的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别。④两条DNA链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。根据碱基结构特征，只能形成嘌呤与嘧啶配对，即A与T相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。因此G与C之间的连接较为稳定。⑤DNA双螺旋结构比较稳定。维持这种稳定性主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力（stacking force）。
　　生理条件下，DNA双螺旋大多以B型形式存在。右手双螺旋DNA除B型外还有A型、C型、D型、E型。此外还发现左手双螺旋Z型DNA。Z型DNA是1979年Rich等在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时发现的。Z-DNA的特点是两条反向平行的多核苷酸互补链组成的螺旋呈锯齿形，其表面只有一条深沟，每旋转一周是12个碱基对。研究表明在生物体内的DNA分子中确实存在Z-DNA区域，其功能可能与基因表达的调控有关。DNA二级结构还存在三股螺旋DNA，三股螺旋DNA中通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他重要区域，因此具有重要生理意义。
　　（二） DNA三级结构——超螺旋结构
　　DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构。生物体内有些DNA是以双链环状DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌体DNA，细菌染色体与细菌中质粒DNA，真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA都是环状的。环状DNA分子可以是共价闭合环，即环上没有缺口，也可以是缺口环，环上有一个或多个缺口。在DNA双螺旋结构基础上，共价闭合环DNA（covalently close circular DNA）可以进一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）。根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋。正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数。几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构。
　　（三） DNA的四级结构——DNA与蛋白质形成复合物
　　在真核生物中其基因组DNA要比原核生物大得多，如原核生物大肠杆菌的DNA约为4.7×103kb，而人的基因组DNA约为3×106 kb，因此真核生物基因组DNA通常与蛋白质结合，经过多层次反复折叠，压缩近10 000倍后，以染色体形式存在于平均直径为5μm的细胞核中。线性双螺旋DNA折叠的第一层次是形成核小体（nucleosome）。犹如一串念珠, 核小体由直径为11nm×5.5nm的组蛋白核心和盘绕在核心上的DNA构成。核心由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成，为八聚体，146 bp长的 DNA以左手螺旋盘绕在组蛋白的核心1.75圈，形成核小体的核心颗粒，各核心颗粒间有一个连接区，约有60 bp双螺旋DNA和1个分子组蛋白H1构成。平均每个核小体重复单位约占DNA 200 bp。DNA组装成核小体其长度约缩短7倍。在此基础上核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体。
　　（四）DNA结构的多态性
　　Ｗatson和Crick所推导出来的DNA结构在生物学研究中有深远意义。他们是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92％相对温度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推设的。在这一条件下得出的DNA称B构象。实际上在溶液中的DNA的确呈这一构象，这也是最常见的DNA构象。但是，研究表明DNA的结构是动态的。在以钠、钾或铯作反离子，相对温度为75％时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象。这一构象不仅出现于脱水DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋区域的DNA－RNA杂交分子中。如果以锂作反离子，相对温度进一步降为66％，则DNA是C构象。但是这一构象仅在实验室中观察到，还未在生物体中发现。这些DNA分子中G-C碱基对较少，这些分子将取D和E构象。这些研究表明DNA的分子结构不是一成不变的，在不同的条件下可以有所不同。但是，这些不同构象的DNA都有共同的一点，即它们都是右手双螺旋；两条反向平行的核苷酸链通过Ｗatson-Crick碱基配对结合在一起；链的重复单位是单核苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。
　　但是，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X－射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象（英文字Zigzag的第一个字母）。还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。
　　立即就有几个问题被提了出来：这种结构是怎样生成的？这一结构在天然状态下存在吗？它有什么生物学意义？
　　研究表明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。这种碱基排列方式会造成核苷酸的糖苷键的顺式和反式构象的交替存在。当碱基与糖构成反式结构时，它们之间离得远；而当它们成顺式时，就彼此接近。嘧啶糖苷键通常是反式的，而嘌呤糖苷酸键既可成顺式的也可成反式的。而在Z－DNA中，嘌呤碱是顺式的。这样，在Z－DNA中嘧啶的糖苷链离开小沟向外挑出，而嘌呤上的糖苷键则弯向小沟。嘌呤与嘧啶的交替排列就使得糖苷键也是顺式与反式交替排列，从而使Z－DNA主链呈锯齿状或“之”字形。
　　人们相信，并用实验证明细胞DNA分子中确实存在有Z－DNA区。而且，细胞内有一些因素可以促使B－DNA转变为Z－DNA。比如，胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，在甲基周围形成局部的疏水区。这一区域扩伸到B－DNA的大沟中，使B－DNA不稳定而转变为Z－DNA。这种C5甲基化现象在真核生物中是常见的。因此在生物B构象的DNA中某些区段具有Z－DNA构象是可能的。DNA真是一个构象可变动态分子。
　　Z－DNA有会么生物学意义呢？应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关。比如ＳＶ40增强子区中就有这种结构，又如鼠类微小病毒ＤＮＳ复制区起始点附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。Z－DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调探蛋白识别方式也发生变化。这些都暗示Z－DNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤－啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。
　　DNA构象的可变性，或者说DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。原来，生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙，也让人们在这一领域中探索和攀越时减少疲劳和厌倦，乐而忘返，从而有更多更新的发现。
　　多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍线技术,其结果是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。同时，这项技术的样品分析条件使被测DNA分子与天然状态相差甚远。因此，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。1989年,应用扫描隧道显微镜(STM)研究DNA结构克服了上述技术的缺陷。这种先进的显微技术,不仅可将被测物放大500万倍,且能直接观测接近天然条件下单个DNA分子的结构细节。应该说它所取得的DNA结构资料更具有"权威性"。表1-6是STM测到的B-DNA结构参数及其与X射线衍线资料的比较结果。STM研究还证实了d(CG)重复序列的寡核苷酸片段为Z-DNA结构的事实。STM技术的应用是DNA结构研究中的重要进展,可望在探索DNA结构的某些未知点上展示巨大潜力。
　　四、基因与基因组
　　（一） 基因（gene）的现代分子生物学概念是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。一个基因通常包括编码蛋白质多肽链或RNA的编码序列，保证转录和加工所必需的调控序列和5’端、3’端非编码序列。另外在真核生物基因中还有内含子等核酸序列。
　　（二）基因组（genome）是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。在病毒中通常是一个核酸分子的碱基序列，单细胞原核生物是它仅有的一条染色体的碱基序列，而多细胞真核生物是一个单倍体细胞内所有的染色体。如人单倍体细胞的23条染色体的碱基序列。多细胞真核生物起源于同一个受精卵，其每个体细胞的基因组都是相同的。
　　1. 病毒基因组　
　　2.原核生物基因组　
　　3.真核生物基因组　
　　在高等真核生物中基因序列占整个基因组不到10%，大部分是非编码的间隔序列。人类基因组研究结果发现在人的基因组中与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组2 %。真核生物基因组的最大的特点是出现分隔开的基因，在这类基因中有编码作用的序列称外显子（exon），没有编码作用的序列称内含子（intron），它们彼此间隔排列。
　　五、各类RNA的结构
　　绝大部分RNA分子都是线状单链，但是RNA分子的某些区域可自身回折进行碱基互补配对，形成局部双螺旋。在RNA局部双螺旋中A与U配对、G与C配对，除此以外，还存在非标准配对，如G与U配对。RNA分子中的双螺旋与A型DNA双螺旋相似，而非互补区则膨胀形成凸出（bulge）或者环（loop），这种短的双螺旋区域和环称为发夹结构（hairpin）。发夹结构是RNA中最普通的二级结构形式，二级结构进一步折叠形成三级结构，RNA只有在具有三级结构时才能成为有活性的分子。RNA也能与蛋白质形成核蛋白复合物，RNA的四级结构是RNA与蛋白质的相互作用。
　　（一） tRNA的结构
　　tRNA约占总RNA的15%，tRNA主要的生理功能是在蛋白质生物合成中转运氨基酸和识别密码子，细胞内每种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA， 因此tRNA的种类很多，在细菌中约有30~40种tRNA，在动物和植物中约有50~100种tRNA。
　　1. tRNA一级结构：
　　tRNA是单链分子，含73~93核苷酸，分子质量为24 000～31 000，沉降系数4S。含有10%的稀有碱基。如二氢尿嘧啶（DHU）、核糖胸腺嘧啶（rT）和假尿苷（ψ）以及不少碱基被甲基化, 其3’端为CCA-OH，5’端多为pG, 分子中大约30%的碱基是不变的或半不变的，也就是说它们的碱基类型是保守的。
　　2. tRNA二级结构：
　　tRNA二级结构为三叶草型。配对碱基形成局部双螺旋而构成臂，不配对的单链部分则形成环。三叶草型结构由4臂4环组成。氨基酸臂由7对碱基组成，双螺旋区的3’末端为一个4个碱基的单链区-NCCA-OH 3’，腺苷酸残基的羟基可与氨基酸α羧基结合而携带氨基酸。二氢尿嘧啶环以含有2个稀有碱基二氢尿嘧啶（DHU）而得名，不同tRNA其大小并不恒定，在8-14个碱基之间变动，二氢尿嘧啶臂一般由3~4对碱基组成。反密码环由7个碱基组成，大小相对恒定，其中3个核苷酸组成反密码子（anticodon），在蛋白质生物合成时，可与mRNA上相应的密码子配对。反密码臂由5对碱基组成。额外环在不同tRNA分子中变化较大可在4~21个碱基之间变动，又称为可变环，其大小往往是tRNA分类的重要指标。TψC环含有7个碱基，大小相对恒定，几乎所有的tRNA在此环中都含TψC序列，TψC臂由5对碱基组成。
　　3. tRNA的三级结构：
　　二十世纪七十年代初科学家用X线射衍技术分析发现tRNA的三级结构为倒L形（图3-20b）。tRNA三级结构的特点是氨基酸臂与TψC臂构成L的一横，-CCAOH3’末端就在这一横的端点上，是结合氨基酸的部位，而二氢尿嘧啶臂与反密码臂及反密码环共同构成L的一竖，反密码环在一竖的端点上，能与mRNA上对应的密码子识别，二氢尿嘧啶环与TψC环在L的拐角上。形成三级结构的很多氢键与tRNA中不变的核苷酸密切有关，这就使得各种tRNA三级结构都呈倒L形的。在tRNA中碱基堆积力是稳定tRNA构型的主要因素。
　　（二）mRNA
　　原核生物中mRNA转录后一般不需加工，直接进行蛋白质翻译。mRNA转录和翻译不仅发生在同一细胞空间，而且这两个过程几乎是同时进行的。真核细胞成熟mRNA是由其前体核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）剪接并经修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质合成。所以真核细胞mRNA的合成和表达发生在不同的空间和时间。mRNA的结构在原核生物中和真核生物中差别很大。下面分别作一介绍：
　　1. 原核生物mRNA结构特点
　　原核生物的mRNA结构简单，往往含有几个功能上相关的蛋白质的编码序列，可翻译出几种蛋白质，为多顺反子。在原核生物mRNA中编码序列之间有间隔序列，可能与核糖体的识别和结合有关。在5’端与3’端有与翻译起始和终止有关的非编码序列，原核生物mRNA中没有修饰碱基， 5’端没有帽子结构，3’端没有多聚腺苷酸的尾巴（polyadenylate tail，polyA尾巴）。原核生物的mRNA的半衰期比真核生物的要短得多，现在一般认为，转录后1min，mRNA降解就开始。
　　2. 真核生物mRNA结构特点
　　真核生物mRNA为单顺反子结构，即一个mRNA分子只包含一条多肽链的信息。在真核生物成熟的mRNA中5’端有m7GpppN的帽子结构，帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解，并且能与帽结合蛋白结合识别核糖体并与之结合，与翻译起始有关。3’端有polyA尾巴，其长度为20~250个腺苷酸，其功能可能与mRNA的稳定性有关，少数成熟mRNA没有polyA尾巴，如组蛋白mRNA，它们的半衰期通常较短。
　　（三）rRNA的结构
　　rRNA占细胞总RNA的80%左右，rRNA分子为单链，局部有双螺旋区域（图3-22）具有复杂的空间结构，原核生物主要的rRNA有三种，即5S、16S和23S rRNA，如大肠杆菌的这三种rRNA分别由120、1542和2904个核苷酸组成。真核生物则有4种，即5S、5.8S、18S和28S rRNA, 如小鼠，它们相应含121、158、1874和4718个核苷酸。rRNA分子作为骨架与多种核糖体蛋白（ribosomal protein）装配成核糖体。
　　所有生物体的核糖体都由大小不同的两个亚基所组成。原核生物核糖体为70S，由50S和30S两个大小亚基组成。30S小亚基含16S的rRNA和21种蛋白质，50S大亚基含23S和5S两种rRNA及34种蛋白质。真核生物核糖体为80S，是由60S和40S两个大小亚基组成。40S的小亚基含18S rRNA及33种蛋白质，60S大亚基则由28S、5.8S和5S ３种rRNA及49种蛋白质组成。
　　（四）其他RNA分子
　　20世纪80年代以后由于新技术不断产生，人们发现RNA有许多新的功能和新的RNA基因。细胞核内小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA）是细胞核内核蛋白颗粒（Small nuclear ribonucleoprotein particles，snRNPs）的组成成分，参与mRNA前体的剪接以及成熟的mRNA由核内向胞浆中转运的过程。核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）是类新的核酸调控分子, 参与rRNA前体的加工以及核糖体亚基的装配。胞质小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA）的种类很多，其中7S LRNA与蛋白质一起组成信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）, SRP参与分泌性蛋白质的合成，反义RNA（antisense RNA）由于它们可以与特异的mRNA序列互补配对，阻断mRNA翻译，能调节基因表达。核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段。目前在医学研究中已设计了针对病毒的致病基因mRNA的核酶，抑制其蛋白质的生物合成，为基因治疗开辟新的途径，核酶的发现也推动了生物起源的研究。微RNA（microRNA，miRNA）是一种具有茎环结构的非编码RNA，长度一般为20-24个核苷酸，在mRNA翻译过程中起到开关作用，它可以与靶mRNA结合，产生转录后基因沉默作用（post-transcriptional gene silencing，PTGS），在一定条件下能释放，这样mRNA又能翻译蛋白质，由于miRNA的表达具有阶段特异性和组织特异性，它们在基因表达调控和控制个体发育中起重要作用。
　　六、RNA组
　　随着基因组研究不断深入，蛋白组学研究逐渐展开，RNA的研究也取得了突破性的进展，发现了许多新的RNA分子，人们逐渐认识到DNA是携带遗传信息分子，蛋白质是执行生物学功能分子，而RNA即是信息分子，又是功能分子。人类基因组研究结果表明，在人类基因组中约有30000～40000个基因，其中与蛋白质生物合成有关的基因只占整个基因组的2%，对不编码蛋白质的98%基因组的功能有待进一步研究，为此20世纪末科学家在提出蛋白质组学后，又提出RNA组学。RNA组是研究细胞的全部RNA基因和RNA的分子结构与功能。目前RNA组的研究尚处在初级阶段，RNA组的研究将在探索生命奥秘中做出巨大贡献。

核酸的相关性质

　　核酸的性质 (包括化学、物理、以及光谱学和热力学)：
　　a.化学：
　　① 酸效应：在强酸和高温，核酸完全水解为碱基，核糖或脱氧核糖和磷酸。在浓度略稀的的无机酸中，最易水解的化学键被选择性的断裂，一般为连接嘌呤和核糖的糖苷键，从而产生脱嘌呤核酸。
　　② 碱效应
　　1. DNA:当PH值超出生理范围（PH7~8）时，对DNA结构将产生更为微妙的影响。碱效应使剪辑的互变异构态发生变化。这种变化影响到特定碱基间的氢键作用，结果导致DNA双链的解离，称为DNA的变性
　　2. RNA：PH较高时，同样的变性发生在RNA的螺旋区域中，但通常被RNA的碱性水解所掩盖。这是因为RNA存在的2`-OH参与到对磷酸脂键中磷酸分子的分子内攻击，从而导致RNA的断裂。
　　③ 化学变性：一些化学物质能够使DNA/RNA在中性PH下变性。由堆积的疏水剪辑形成的核酸二级结构在能量上的稳定性被削弱，则核酸变性。
　　b.物理：
　　④ 黏性：DNA的高轴比等性质使得其水溶液具有高黏性，很长的DNA分子又易于被机械力或超声波损伤，同时黏度下降。
　　⑤ 浮力密度：可根据DNA的密度对其进行纯化和分析。在高浓度分子质量的盐溶液（CsCl）中，DNA具有与溶液大致相同的密度，将溶液高速离心，则CsCl趋于沉降于底部，从而建立密度梯度，而DNA最终沉降于其浮力密度相应的位置，形成狭带，这种技术成为平衡密度梯度离心或等密度梯度离心。
　　c.光谱学：
　　⑥ 减色性：dsDNA相对于ssDNA是减色的，而ssDNA相对于dsDNA是增色的。
　　⑦ DNA纯度：A260/A280。
　　d.热力学：
　　⑧ 热变性：dsDNA与RNA的热力学表现不同，随着温度的升高RNA中双链部分的碱基堆积会逐渐地减少，其吸光性值也逐渐地，不规则地增大。较短的碱基配对区域具有更高的热力学活性，因而与较长的区域相比变性快。而dsDNA热变性是一个协同过程。分子末端以及内部更为活跃的富含A-T的区域的变性将会使其赴京的螺旋变得不稳定，从而导致整个分子结构在解链温度下共同变性。
　　⑨ 复性：DNA的热变性可通过冷却溶液的方法复原。不同核酸链之间的互补部分的复性称为杂交。
　　一、 核酸的大小和测定
　　一般来说，进化程度高的生物DNA分子应越大，能贮存更多遗传信息。但进化的复杂程度与DNA大小并不完全一致，如哺乳类动物DNA约为3×109 bp，但有些两栖类动物、南美肺鱼DNA大小可达1010bp到1011bp。
　　常用测定DNA分子大小的方法有电泳法、离心法。凝胶电泳是当前研究核酸的最常用方法，凝胶电泳有琼脂糖（agarose）凝胶电泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝胶电泳。
　　二、核酸的水解
　　DNA和RNA中的糖苷键与磷酸酯键都能用化学法和酶法水解。在很低pH条件下DNA和RNA都会发生磷酸二酯键水解。并且碱基和核糖之间的糖苷键更易被水解，其中嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定。在高pH时，RNA的磷酸酯键易被水解，而DNA的磷酸酯键不易被水解。
　　水解核酸的酶有很多种，若按底物专一性分类，作用于RNA的称为核糖核酸酶（ribonuclease，RNase），作用于DNA的则称为脱氧核糖核酸酶（deoxyribonuclease，DNase）。按对底物作用方式分类,可分核酸内切酶（endonuclease）与核酸外切酶（exonuclease）。核酸内切酶的作用是在多核苷酸内部的3’，5’磷酸二酯键，有些内切酶能识别DNA双链上特异序列并水解有关的3’，5’磷酸二酯键。核酸内切酶是非常重要的工具酶，在基因工程中有广泛用途。而核酸外切酶只对核酸末端的3’，5’磷酸二酯键有作用，将核苷酸一个一个切下，可分为5’→3’外切酶，与3’→5’外切酶。
　　三、核酸的变性、复性和杂交
　　（一） 变性
　　在一定理化因素作用下，核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链的现象称为变性（denaturation）。引起核酸变性的常见理化因素有加热、酸、碱、尿素和甲酰胺等。在变性过程中，核酸的空间构象被破坏，理化性质发生改变。由于双螺旋分子内部的碱基暴露，其A260值会大大增加。A260值的增加与解链程度有一定比例关系，这种关系称为增色效应（hyperchromic effect）。如果缓慢加热DNA溶液，并在不同温度测定其A260值，可得到 “S”形DNA熔化曲线（melting curve）。从DNA熔化曲线可见DNA变性作用是在一个相当窄的温度内完成的。
　　当A260值开始上升前DNA是双螺旋结构，在上升区域分子中的部分碱基对开始断裂，其数值随温度的升高而增加，在上部平坦的初始部分尚有少量碱基对使两条链还结合在一起，这种状态一直维持到临界温度，此时DNA分子最后一个碱基对断开，两条互补链彻底分离。通常把加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度（melting temperature Tm），Tm是研究核酸变性很有用的参数。Tm一般在85～95℃之间，Tm值与DNA分子中G C含量成正比。
　　（二） 复性
　　变性DNA在适当条件下，可使两条分开的单链重新形成双螺旋DNA的过程称为复性（renaturation）。当热变性的DNA经缓慢冷却后复性称为退火（annealing）。DNA复性是非常复杂的过程，影响DNA复性速度的因素很多：DNA浓度高，复性快；DNA分子大复性慢；高温会使DNA变性，而温度过低可使误配对不能分离等等。最佳的复性温度为Tm减去25℃，一般在60℃左右。离子强度一般在0.4mol/L以上。
　　（三） 杂交
　　具有互补序列的不同来源的单链核酸分子，按碱基配对原则结合在一起称为杂交（hybridization）。杂交可发生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之间。杂交是分子生物学研究中常用的技术之一，利用它可以分析基因组织的结构，定位和基因表达等，常用的杂交方法有Southern印迹法，Northern印迹法和原位杂交（insitu hybridization）等。

核酸的变性、复性和分子杂交

在某些理化因素的作用下，DNA分子中的碱基堆积力和氢键断裂，空间结构被破坏，从而引起理化性质和生物学功能的改变，这种现象称为核酸的变性。能引起DNA变性的理化因素有加热、pH值改变、乙醇、尿素等。DNA发生变性后，双螺旋被解开，有更多的碱基共轭双键暴露，对波长260nm的紫外光吸收增强，这种现象称为增色效应。如果在连续加热DNA的过程中以温度对紫外光吸收值作图，所得的曲线称为解链曲线（图3-3-1）。从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当狭窄的温度内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，由于这一现象和结晶的融解过程类似，又称融解温度（Tm）。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。DNA的Tm值一般在70℃~85℃之间。DNA的Tm值大小与DNA分子中G、C的含量有关，因为G—C之间有三个氢键，而A—T之间只有二个氢键，所以G、C越多的DNA，其分子结构越稳定，Tm值较高。变性DNA在适宜条件下，两条彼此分开的链经碱基互补可重新形成双螺旋结构，这一过程称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却即可复性，这一过程也称为退火。最适宜的复性温度比Tm约低25℃，这个温度叫做退火温度。

不同来源的核酸变性后，合并在一起进行复性，只要它们存在大致相同的碱基互补配对序列，就可形成杂化双链，此过程叫做杂交。杂交分子可以是DNA/DNA、DNA/RNA或RNA/DNA。用同位素标记一个已知序列的寡核苷酸，通过杂交反应就可确定待测核酸是否含有与之相同的序列，这种被标记的寡核苷酸，叫做探针。杂交和探针技术对核酸结构和功能的研究，对遗传性疾病的诊断，对肿瘤病因学及基因工程的研究已有比较广泛的应用。

　　(1)DNA的变性：
　　指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。确切地就是维持双螺旋稳定性的氢键和疏水键的断裂。断裂可以是部分的或全部的，是可逆的或是非可逆的。DNA变性不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素都可以成为变性的条件，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等,均可破坏双螺旋结构引起核酸分子变性。变性能导致DNA 以下一些理化及生物学性质的改变。
　　溶液粘度降低。DNA双螺旋是紧密的"刚性"结构,变性后代之以“柔软” 而松散的无规则单股线性结构，DNA粘度因此而明显下降。
　　溶液旋光性发生改变。变性后整个DNA分子的对称性及分子局部的构性改变, 使DNA溶液的旋光性发生变化。
　　增色效应或高色效应(hyperchromic effect)。指变性后DNA 溶液的紫外吸收作用增强的效应。DNA分子具有吸收250－280nm波长的紫外光的特性，其吸收峰值在260nm。DNA分子中碱基间电子的相互作用是紫外吸收的结构基础,但双螺旋结构有序堆积的碱基又"束缚"了这种作用。变 性DNA 的双链解开,碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收,故而产生增色效应。一般以260nm下的紫外吸收光密度作为观测此效应的指标,变性后该指标的观测值通常较变性前有明显增加, 但不同来源DNA的变化不一,如大肠杆菌DNA经热变性后,其260nm的光密度值可增加40%以上, 其它不同来源的DNA溶液的增值范围多在20－30%之间。
　　以加热为变性条件时,增色效应与温度有十分密切的关系,这主要是变性温度取决于DNA自身的性质。热变性使DNA分子双链解开所需温度称为熔解温度( melting temperature,简写Tm)。因热变性是在很狭的温度范围内突发的跃变过程, 很像结晶达到熔点时的熔化现象,故名熔解温度。若以温度对DNA溶液的紫外吸光率作图,得到的典型DNA变性曲线呈S型。S型曲线下方平坦段,表示DNA的氢键未被破坏,待加热到某一温度处时,次级键突发断开,DNA迅速解链,同时伴随吸光率急剧上升,此后因"无链可解"而出现温度效应丧失的上方平坦段。Tm定义中包含了使被测DNA的50%发生变性的意义,即增色效应达到一半的温度作为Tm,它在S型曲线上,相当于吸光率增加的中点处所对应的横坐标。不同来源DNA间的Tm存在差别,在溶剂相同的前提下,这种差别主要是由DNA本身下列两方面的性质所造成的。(1)DNA的均一性。有二种含义，首先是指DNA分子中碱基组成的均一性,如人工合成的只含有一种碱基对的多核苷酸片段,与天然DNA比较,其Tm值范围就较窄。因前者在变性时的氢链断裂几乎可"齐同"进行,故所要求的变性温度更趋于一致。其次还包含有待测样品DNA的组成是否均一的意思,如样品中只含有一种病毒DNA,其Tm值范围较窄, 若混杂有其它来源的DNA,则Tm值范围较宽。其原因显然也与DNA的碱基组成有关。 总的说,DNA均一性,变性的DNA链各部分的氢键断裂所需能量较接近,Tm值范围较窄,反之亦然。(2)DNA的(G+C)含量。在溶剂固定的前提下，Tm值的高低取决于DNA分子中的(G+C)的含量。(G+C)含量越高,即G-C碱基对越多,Tm值越高。此点是易于理解的,因G-C碱基对具有3对氢键,而A-T碱基对只有2对氢键,DNA中(G+C)含量高显然更能增强结构的稳定性,破坏G-C间氢键需比A-T氢键付出更多的能量,故(G+C)含量高的DNA,其变性Tm也高。实验说明,Tm与DNA中(G+C)含量存在着密切相关性(图1-16),从中可看出,变性温度受到溶液离子强度的影响。Tm与(G+C)含量(X)百分数的这种关系可用以下经验公式表示(DNA溶于0.2mol/L NaCl中):
　　X%(G+C)=2.44(Tm-69.3)
　　(2)DNA的复性：
　　指变性DNA 在适当条件下,二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象,它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性,此过程称之为" 退火"(annealing)。这一术语也用以描述杂交核酸分子的形成(见后)。DNA的复性不仅受温度影响,还受DNA自身特性等其它因素的影响。以下简要说明之。
　　温度和时间。变性DNA溶液在比Tm低25℃的温度下维持一段长时间,其吸光率会逐渐降低。将此DNA再加热,其变性曲线特征可以基本恢复到第一次变性曲线的图形。这表明复性是相当理想的。一般认为比Tm低25℃左右的温度是复性的最佳条件,越远离此温度,复性速度就越慢。在很低的温度(如4℃以下)下,分子的热运动显著减弱互补链结合的机会自然大大减少。从热运动的角度考虑,维持在Tm以下较高温度,更有利于复性。复性时温度下降必须是一缓慢过程,若在超过Tm的温度下迅速冷却至低温(如4℃以下),复性几乎是及不可能的,核酸实验中经常以此方式保持DNA的变性(单链)状态。这说明降温时间太短以及温差大均不利于复性。
　　DNA浓度。复性的第一步是两个单链分子间的相互作用“成核”。这一过程进行的速度与DNA浓度的平方成正比。即溶液中DNA分子越多，相互碰撞结合“成核”的机会越大。
　　DNA顺序的复杂性。简单顺序的DNA分子,如多聚(A)和多聚(U)这二种单链序列复性时,互补碱基的配对较易实现。而顺序复杂的DNA,如小牛DNA的非重复部分,一般以单拷贝存在于基因组中,这种复杂特定序列要实现互补,显然要比上述简单序列困难得多。在核酸复性研究中,定义了一个Cot的术语,(Co为单链DNA的起始浓度,t是以秒为单位的时间),用以表示复性速度与DNA 顺序复杂性的关系。在探讨DNA顺序对复性速度的影响时,将温度、溶剂离子强度、核酸片段大小等其它影响因素均予以固定,以不同程度的核酸分子重缔合部分(在时间t时的复性率)取对数后对Cot作图,可以得到如图所示的曲线,用非重复碱基对数表示核酸分子的复杂性。如多聚(A)的复杂性为1,重复的(ATGC)n组成的多聚体的复杂性为4,分子长度是105核苷对的非重复DNA的复杂性为105。原核生物基因组均为非重复顺序,故以非重复核苷酸对表示的复杂性直接与基因组大小成正比,对于真核生物基因组中的非重复片段也是如此。在标准条件下(一般为0.18ml/L阳离子浓度,400核苷酸的长的片段)测得的复性率达0.5时的Cot值(称Cotl/2),与核苷酸对的复杂性成正比。对于原核生物核酸分子，此值可代表基因组的大小及基因组中核苷酸对的复杂程度。真核基因组中因含有许多不同程度的重复序列（repetitive sequence)，所得到的Cot曲线要上图中的S曲线复杂。
　　(3)核酸分子杂交：
　　分子杂交(简称杂交,hybridization)是核酸研究中一项最基本的实验技术。其基本原理就是应用核酸分子的变性和复性的性质,使来源不同的DNA(或RNA)片段,按碱基互补关系形成杂交双链分子(heteroduplex)。杂交双链可以在DNA与DNA链之间,也可在RNA与DNA链之间形成。杂交的本质就是在一定条件下使互补核酸链实现复性(加热或碱处理)使双螺旋解开成为单链,因此,变性技术也是核酸杂交的一个环节。
　　若杂交的目的是识别靶DNA中的特异核苷酸序列,这需要牵涉到另一项核酸操作的基本技术─探针(probe)的制备。探针是指带有某些标记物(如放射性同位素32P,荧光物质异硫氰酸荧光素等)的特异性核酸序列片段。若我们设法使一个核酸序列带上32P,那么它与靶序列互补形成的杂交双链,就会带有放射性。以适当方法接受来自杂交链的放射信号,即可对靶序列DNA的存在及其分子大小加以鉴别。在现代分子生物学实验中,探针的制备和使用是与分子杂交相辅相成的技术手段。核酸分子杂交作为一项基本技术,已应用于核酸结构与功能研究的各个方面。在医学上,目前已用于多种遗传性疾病的基因诊断(gene diagnosis),恶性肿瘤的基因分析,传染病病原体的检测等领域中,其成果大大促进了现代医学的进步和发展。

DNA

　　DNA（为英文Deoxyribonucleic acid的缩写）,又称脱氧核糖核酸，是染色体的主要化学成分，同时也是基因组成的，有时被称为“遗传微粒”。DNA是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。主要功能是长期性的资讯储存，可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。
　　单体脱氧核糖核酸聚合而成的聚合体——脱氧核糖核酸链，也被称为DNA。在繁殖过程中，父代把它们自己DNA的一部分（通常一半，即DNA双链中的一条）复制传递到子代中，从而完成性状的传播。因此，化学物质DNA会被称为“遗传微粒”。原核细胞的拟核是一个长DNA分子。真核细胞核中有不止一个染色体，每条染色体上含有一个或两个DNA。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种性状的几乎所有蛋白质和RNA分子的全部遗传信息;编码和设计生物有机体在一定的时空中有序地转录基因和表达蛋白完成定向发育的所有程序;初步确定了生物独有的性状和个性以及和环境相互作用时所有的应激反应.除染色体DNA外，有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞的线粒体和叶绿体中。DNA病毒的遗传物质也是DNA,极少数为RNA.
　　DNA是一种长链聚合物，组成单位称为核苷酸，而糖类与磷酸分子借由酯键相连，组成其长链骨架。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相接，这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列，可组成遗传密码，是蛋白质氨基酸序列合成的依据。读取密码的过程称为转录，是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息，另有一些本身就拥有特殊功能，例如rRNA、snRNA与siRNA。
【四链体DNA】
　　Sundpuist和Klug在模拟1种原生动物棘毛虫的端粒DNA时,人工合成了1段DNA序列,发现在一定条件下模拟的富G单链DNA可形成四链体DNA结构。由此推测染色体端粒尾的单链之间也形成了四链体。Kang等人分别用实验证实在晶体和溶液中，富G DNA也能够形成四链体DNA结构。
　　四链体DNA的基本结构单位是G-四联体，即在四联体的中心有1个由4个带负电荷的羧基氧原子围成的“口袋”通过G-四联体的堆积可以形成分子内或分子间的右手螺旋，与DNA双螺旋结构比较，G-四联体螺旋有2个显著的特点：1、它的稳定性决定于口袋内所结合的阳离子种类，已知k离子的结合使四联体螺旋最稳定；2、它的热力学和动力学性质都很稳定。
　　就目前对一些生物的DNA序列分析得知，富鸟嘌呤的DNA序列多见于一些在功能上及进化上都相当保守的基因组区域，许多研究表明，富鸟嘌呤DNA链所形成的G-DNA可能是作为分子之间相互识别的元件之一，在生物体细胞中起着一些特殊作用
【DNA的复制】
　　DNA是遗传信息的载体，故亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝，并分配到两个子细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。而DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。
　　（一）DNA的半保留复制
　　Waston和Click在提出DNA双螺旋结构模型时曾就DNA复制过程进行过研究，发现DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂（通过解旋酶），双螺旋结构解旋分开，每条链分别作模板合成新链。由于每个子代DNA的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，故称之为半保留式复制(semiconservative replication)。
　　（二）DNA复制过程
　　1．DNA双螺旋的解旋
　　（1）单链DNA结合蛋白（single—stranded DNA binding protein, ssbDNA蛋白）
　　（2）DNA解链酶（DNA helicase）
　　（3）DNA解链
　　2．冈崎片段与半不连续复制
　　3．复制的引发和终止
　　（三）端粒和端粒酶
　　1941年美籍印度人麦克林托克（Mc Clintock）就提出了端粒(telomere)的假说，认为染色体末端必然存在一种特殊结构——端粒。现在已知染色体端粒的作用至少有二：① 保护染色体末端免受损伤，使染色体保持稳定；② 与核纤层相连，使染色体得以定位。
【DNA的理化性质】
　　DNA是大分子高分子聚合物，DNA溶液为高分子溶液，具有很高的粘度。DNA对紫外线有吸收作用，当核酸变性时，吸光值升高；当变性核酸可复性时，吸光值又会恢复到原来水平。温度、有机溶剂、酸碱度、尿素、酰胺等试剂都可以引起DNA分子变性，即使得DNA双键间的氢键断裂，双螺旋结构解开。
　　DNA(deoxyribonucleic acid)指脱氧核糖核酸(染色体和基因的组成部分) 脱氧核苷酸的高聚物，是染色体的主要成分。遗传信息的绝大部分贮存在DNA分子中。
【DNA的酶催化活性】
　　20世纪90年代，Cuenoud等发现DNA也有酶催化活性，他们根据共有序列设计并合成了由47个核苷酸组成的单链DNA——E47，它可以催化两个底物DNA片段之间的连接。DNA的双功能性对“RNA世界”的进化观点提出了挑战。
【分布和功能】
　　原核细胞的染色体是一个长DNA分子。真核细胞核中有不止一个染色体，每个染色体也只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种的所有蛋白质和RNA结构的全部遗传信息；策划生物有次序地合成细胞和组织组分的时间和空间；确定生物生命周期自始至终的活性和确定生物的个性。除染色体DNA外，有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞的线粒体和叶绿体中。DNA病毒的遗传物质也是DNA。
【DNA的发现】
　　自从孟德尔的遗传定律被重新发现以后，人们又提出了一个问题：遗传因子是不是一种物质实体？为了解决基因是什么的问题，人们开始了对核酸和蛋白质的研究。
　　遗传学创始人孟德尔早在1868年，人们就已经发现了核酸。在德国化学家霍佩·赛勒的实验室里，有一个瑞士籍的研究生名叫米歇尔（1844--1895），他对实验室附近的一家医院扔出的带脓血的绷带很感兴趣，因为他知道脓血是那些为了保卫人体健康，与病菌“作战”而战死的白细胞和被杀死的人体细胞的“遗体”。于是他细心地把绷带上的脓血收集起来，并用胃蛋白酶进行分解，结果发现细胞遗体的大部分被分解了，但对细胞核不起作用。他进一步对细胞核内物质进行分析，发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质。霍佩·赛勒用酵母做实验，证明米歇尔对细胞核内物质的发现是正确的。于是他便给这种从细胞核中分离出来的物质取名为 “核素”，后来人们发现它呈酸性，因此改叫“核酸”。从此人们对核酸进行了一系列卓有成效的研究。
　　20世纪初，德国科赛尔（1853--1927）和他的两个学生琼斯（1865--1935）和列文（1869－－1940）的研究，弄清了核酸的基本化学结构，认为它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。其中碱基有4种（腺瞟吟、鸟嘌吟、胸腺嘧啶和胞嘧啶），核糖有两种（核糖、脱氧核糖），因此把核酸分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。
　　列文急于发表他的研究成果，错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了"四核苷酸假说"。这个错误的假说，对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用，也在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。人们认为，虽然核酸存在于重要的结构--细胞核中，但它的结构太简单，很难设想它能在遗传过程中起什么作用。
　　美国遗传学家摩尔根蛋白质的发现比核酸早30年，发展迅速。进入20世纪时，组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现，到1940年则全部被发现。
　　1902年，德国化学家费歇尔提出氨基酸之间以肽链相连接而形成蛋白质的理论，1917年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。于是，有的科学家设想，很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用，也必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此，那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体。
　　1928年，美国科学家格里菲斯（1877--1941）用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注人老鼠体内，结果他发现老鼠很快发病死亡，同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质，使无荚菌转化为有荚菌。这种假设是否正确呢？格里菲斯又在试管中做实验，发现把死了的有美菌与活的无荚菌同时放在试管中培养，无荚菌全部变成了有荚菌，并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸（因为在加热中，荚中的核酸并没有被破坏）。格里菲斯称该核酸为"转化因子"。
　　1944年，美国细菌学家艾弗里（1877--1955）从有美菌中分离得到活性的“转化因子”，并对这种物质做了检验蛋白质是否存在的试验，结果为阴性，并证明“转化因子”是DNA。但这个发现没有得到广泛的承认，人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质，残留的蛋白质起到转化的作用。
　　美籍德国科学家德尔布吕克（1906--1981）的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进入大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒，个体微小，只有用电子显微镜才能看到它。它像一个小蝌蚪，外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘，头的内部含有DNA，尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时，先把尾部末端扎在细菌的细胞膜上，然后将它体内的DNA全部注人到细菌细胞中去，蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面，再没有起什么作用了。进入细菌细胞后的噬菌体DNA，就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质，从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体，直到细菌被彻底解体，这些噬菌体才离开死了的细菌，再去侵染其他的细菌。
　　1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希（1908一）和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离，结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有32P标记的核酸全部注人大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传信息的功能，而蛋白质则是由 DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。
　　几乎与此同时，奥地利生物化学家查加夫（1905--）对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下，他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。因此，他对列文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。在1948－ 1952年4年时间内，他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌吟G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A 与T、G与C是配对存在的，从而否定了"四核苷酸假说"，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。
　　1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。
　　沃森（1928一）在中学时代是一个极其聪明的孩子，15岁时便进入芝加哥大学学习。当时，由于一个允许较早人学的实验性教育计划，使沃森有机会从各个方面完整地攻读生物科学课程。在大学期间，沃森在遗传学方面虽然很少有正规的训练，但自从阅读了薛定愕的《生命是什么？--活细胞的物理面貌》一书，促使他去"发现基因的秘密"。他善于集思广益，博取众长，善于用他人的思想来充实自己。只要有便利的条件，不必强迫自己学习整个新领域，也能得到所需要的知识。沃森22岁取得博士学位，然后被送往欧洲攻读博士后研究员。为了完全搞清楚一个病毒基因的化学结构，他到丹麦哥本哈根实验室学习化学。有一次他与导师一起到意大利那不勒斯参加一次生物大分子会议，有机会听英国物理生物学家威尔金斯（1916--）的演讲，看到了威尔金斯的DNAX射线衍射照片。从此，寻找解开DNA结构的钥匙的念头在沃森的头脑中索回。什么地方可以学习分析X射线衍射图呢？于是他又到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习，在此期间沃森认识了克里克。
　　克里克（1916一2004）上中学时对科学充满热情，1937年毕业于伦敦大学。1946年，他阅读了《生命是什么？－活细胞的物理面貌》一书，决心把物理学知识用于生物学的研究，从此对生物学产生了兴趣。1947年他重新开始了研究生的学习，1949年他同佩鲁兹一起使用X射线技术研究蛋白质分子结构，于是在此与沃森相遇了。当时克里克比沃森大12岁，还没有取得博士学位。但他们谈得很投机，沃森感到在这里居然能找到一位懂得DNA比蛋白质更重要的人，真是三生有幸。同时沃森感到在他所接触的人当中，克里克是最聪明的一个。他们每天交谈至少几个小时，讨论学术问题。两个人互相补充，互相批评以及相互激发出对方的灵感。他们认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。只有借助于精确的X射线衍射资料，才能更快地弄清DNA的结构。为了搞到DNAX射线衍射资料，克里克请威尔金斯到剑桥来度周末。在交谈中威尔金斯接受了DNA结构是螺旋型的观点，还谈到他的合作者富兰克林（1920一1958，女）以及实验室的科学家们，也在苦苦思索着DNA结构模型的问题。从1951年11月至1953年4月的18个月中，沃森、克里克同威尔金斯、富兰克林之间有过几次重要的学术交往。
　　1951年11月，沃森听了富兰克林关于DNA结构的较详细的报告后，深受启发，具有一定晶体结构分析知识的沃森和克里克认识到，要想很快建立 DNA结构模型，只能利用别人的分析数据。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。1951年底，他们请威尔金斯和富兰克林来讨论这个模型时，富兰克林指出他们把DNA的含水量少算了一半，于是第一次设立的模型宣告失败。
　　有一天，沃森又到国王学院威尔金斯实验室，威尔金斯拿出一张富兰克林最近拍制的“B型”DNA的X射线衍射的照片。沃森一看照片，立刻兴奋起来、心跳也加快了，因为这种图像比以前得到的“A型”简单得多，只要稍稍看一下“B型”的X射线衍射照片，再经简单计算，就能确定DNA分子内多核苷酸链的数目了。
　　克里克请数学家帮助计算，结果表明源吟有吸引嘧啶的趋势。他们根据这一结果和从查加夫处得到的核酸的两个嘌吟和两个嘧啶两两相等的结果，形成了碱基配对的概念。
　　他们苦苦地思索4种碱基的排列顺序，一次又一次地在纸上画碱基结构式，摆弄模型，一次次地提出假设，又一次次地推翻自己的假设。
　　沃森(左)和克里克有一次，沃森又在按着自己的设想摆弄模型，他把碱基移来移去寻找各种配对的可能性。突然，他发现由两个氢键连接的腺膘吟一胸腺嘧啶对竟然和由3个氢键连接的鸟嘌吟一胞嘧啶对有着相同的形状，于是精神为之大振。因为嘌吟的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查加夫规律也就一下子成了 DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。那么，两条链的骨架一定是方向相反的。
　　经过沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了DNA金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基因交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。由于缺乏准确的X射线资料，他们还不敢断定模型是完全正确的。
　　威尔金斯富兰克林下一步的科学方法就是把根据这个模型预测出的衍射图与X射线的实验数据作一番认真的比较。他们又一次打电话请来了威尔金斯。不到两天工夫，威尔金斯和富兰克林就用X射线数据分析证实了双螺旋结构模型是正确的，并写了两篇实验报告同时发表在英国《自然》杂志上。1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。
　　20世纪30年代后期，瑞典的科学家们就证明DNA是不对称的。第二次世界大战后，用电子显微镜测定出DNA分子的直径约为2nm。
　　DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4 种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。因此，基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等，这些生物技术的发展必将使人们利用生物规律造福于人类。现代生物学的发展，愈来愈显示出它将要上升为带头学科的趋势。
【DNA重组技术的发展】
　　20世纪50年代，DNA双螺旋结构被阐明，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。随后，遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及基因表达的调控相继被认识。至此，人们已完全认识到掌握所有生物命运的东西就是DNA和它所包含的基因，生物的进化过程和生命过程的不同，就是因为DNA和基因运作轨迹不同所致。
　　知道DNA的重大作用和价值后，生命科学家首先想到能否在某些与人类利益密切相关的方面打破自然遗传的铁律，让患病者的基因改邪归正以达治病目的，把不同来源的基因片段进行“嫁接”以产生新品种和新品质……于是，一个充满了诱惑力的科学幻想奇迹般地成为现实。这是发生在20世纪70年代初的事情。
　　实现这一科学奇迹的科技手段就是DNA重组技术。1972年，美国科学家保罗?伯格首次成功地重组了世界上第一批DNA分子，标志着DNA重组技术――基因工程作为现代生物工程的基础，成为现代生物技术和生命科学的基础与核心
　　DNA重组技术的具体内容就是采用人工手段将不同来源的含某种特定基因的DNA片段进行重组，以达到改变生物基因类型和获得特定基因产物的目的的一种高科学技术。
　　到了20世纪70年代中后期，由于出现了工程菌以及实现DNA重组和后处理都有工程化的性质，基因工程或遗传工程作为DNA重组技术的代名词被广泛使用。现在，基因工程还包括基因组的改造、核酸序列分析、分子进化分析、分子免疫学、基因克隆、基因诊断和基因治疗等内容。可以说，DNA重组技术创立近 30多年来所获得的丰硕成果已经把人们带进了一个不可思议的梦幻般的科学世界，使人类获得了打开生命奥秘和防病治病“魔盒”的金钥匙。
　　目前，DNA重组技术已经取得的成果是多方面的。到20世纪末，DNA重组技术最大的应用领域在医药方面，包括活性多肽、蛋白质和疫苗的生产，疾病发生机理、诊断和治疗，新基因的分离以及环境监测与净化。
　　许多活性多肽和蛋白质都具有治疗和预防疾病的作用，它们都是从相应的基因中产生的。但是由于在组织细胞内产量极微，所以采用常规方法很难获得足够量供临床应用。
　　基因工程则突破了这一局限性，能够大量生产这类多肽和蛋白质，迄今已成功地生产出治疗糖尿病和精神分裂症的胰岛素，对血癌和某些实体肿瘤有疗效的抗病毒剂――干扰素，治疗侏儒症的人体生长激素，治疗肢端肥大症和急性胰腺炎的生长激素释放抑制因子等100多种产品。
　　基因工程还可将有关抗原的DNA导入活的微生物，这种微生物在受免疫应激后的宿主体内生长可产生弱毒活疫苗，具有抗原刺激剂量大、且持续时间长等优点。目前正在研制的基因工程疫苗就有数十种之多，在对付细菌方面有针对麻风杆菌、百日咳杆菌、淋球菌、脑膜炎双球菌等的疫苗；在对付病毒方面有针对甲型肝炎、乙型肝炎、巨细胞病毒、单纯疱疹、流感、人体免疫缺陷病毒等的疫苗……。我国乙肝病毒携带者和乙肝患者多达一二亿，这一情况更促使了我国科学家自行成功研制出乙肝疫苗，取得了巨大的社会效益和经济效益。
　　抗体是人体免疫系统防病抗病的主要武器之一，20世纪70年代创立的单克隆抗体技术在防病抗病方面虽然发挥了重要作用，但由于人源性单抗很难获得，使得单抗在临床上的应用受到限制。为解决此问题，近年来科学家采用DNA重组技术已获得了人源性抗体，这种抗体既可保证它与抗原结合的专一性和亲合力，又能保证正常功能的发挥。目前，已有多种这样的抗体进行了临床试验，如抗HER-2人源化单抗治疗乳腺癌已进入Ⅲ期试验，抗IGE人源化单抗治疗哮喘病已进入Ⅱ期试验。
　　抗生素在治疗疾病上起到了重要作用，随着抗生素数量的增加，用传统方法发现新抗生素的几率越来越低。为了获取更多的新型抗生素，采用DNA重组技术已成为重要手段之一。目前人们已获得数十种基因工程“杂合”的抗生素，为临床应用开辟了新的治疗途径。
　　值得指出的是，以上所述基因工程多肽、蛋白质、疫苗、抗生素等防治药物不仅在有效控制疾病，而且在避免毒副作用方面也往往优于以传统方法生产的同类药品，因而更受人们青睐。
　　人类疾病都直接或间接与基因相关，在基因水平上对疾病进行诊断和治疗，则既可达到病因诊断的准确性和原始性，又可使诊断和治疗工作达到特异性强、灵敏度高、简便快速的目的。于基因水平进行诊断和治疗在专业上称为基因诊断和基因治疗。目前基因诊断作为第四代临床诊断技术已被广泛应用于对遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、病毒细菌寄生虫病和职业病等的诊断；而基因治疗的目标则是通过DNA重组技术创建具有特定功能的基因重组体，以补偿失去功能的基因的作用，或是增加某种功能以利对异常细胞进行矫正或消灭。
　　在理论上，基因治疗是治本治愈而无任何毒副作用的疗法。不过，尽管至今国际上已有100多个基因治疗方案正处于临床试验阶段，但基因治疗在理论和技术上的一些难题仍使这种治疗方法离大规模应用还有一段很长的距离。不论是确定基因病因还是实施基因诊断、基因治疗、研究疾病发生机理，关键的先决条件是要了解特定疾病的相关基因。随着“人类基因组计划”的临近完成，科学家们对人体全部基因将会获得全面的了解，这就为运用基因重组技术造逼于人类健康事业创造了条件。
　　不过，虽然基因技术向人类展示了它奇妙的“魔术师”般的魅力，但也有大量的科学家对这种技术的发展予以人类伦理和生态演化的自然法则的冲击表示出极大的担忧。从理论上来讲，这种技术发展的一个极致就是使人类拥有了创造任何生命形态或从未有过的生物的能力。人们能够想像这将是怎样的结果吗?
　　科学家在DNA中发现除基因密码之外的新密码
　　据台湾媒体报道，美国与以色列科学家相信，他们已在DNA(去氧核醣核酸)之中找到除了基因密码之外的第二种密码。新发现的密码负责决定核体─亦即DNA所环绕的微型蛋白质线轴─之位置。这些线轴同时保护与控制通往DNA本身的途径。
　　这项发现若获得证实，可能开启有关控制基因更高位阶的机制新知。譬如，每一种人体细胞得以激活其所需基因，却又无法触及其它种类细胞所使用的基因等既关键又神秘的过程。
　　以色列魏兹曼研究院的塞格尔与美国西北大学的威顿及其同僚，在这一期“自然”科学期刊中，撰文描述这种DNA新密码。
　　每一个人体细胞里都有约三千万个核体。之所以需要这么多的核体，是因为DNA线包覆每一个核体仅一.六五次，每个DNA螺旋就包含一百四十七个单位，而且单一染色体里的DNA分子在长度上可能就有高达二亿二千五百万个单位。
　　生物学家多年来一直怀疑，DNA上的某些位置，特别是DNA最容易弯曲的那些位置，可能比其它位置更有利于核体的存在，但整体模式并不显而易见。如今，塞格尔与威顿博士分析了酵母菌基因内约二百个位置的序列，这些都是既知核体纠结在一起的地方，两人发现其中确实隐含一个模式存在。
　　透过了解此一模式，他们成功预测其它有机体大约五成核体的位置。这个模式乃是能让DNA更容易弯曲，以及紧密包复核体的两种序列结合而成。但在此一模式中，每一个核体纠结的位置仅需若干序列出现即可，因此并不明显。正由于其形成条件松散，因此并不与基因密码冲突。
【DNA亲子鉴定】
　　鉴定亲子关系目前用得最多的是DNA分型鉴定。人的血液、毛发、唾液、口腔细胞等都可以用于用亲子鉴定，十分方便。 一个人有23对（46条）染色体，同一对染色体同一位置上的一对基因称为等位基因，一般一个来自父亲，一个来自母亲。如果检测到某个DNA位点的等位基因，一个与母亲相同，另一个就应与父亲相同，否则就存在疑问了。
　　利用DNA进行亲子鉴定，只要作十几至几十个DNA位点作检测，如果全部一样，就可以确定亲子关系，如果有3个以上的位点不同，则可排除亲子关系，有一两个位点不同，则应考虑基因突变的可能，加做一些位点的检测进行辨别。DNA亲子鉴定，否定亲子关系的准确率几近100%，肯定亲子关系的准确率可达到99.99%。
　　DNA亲子鉴定测试的常见问题
　　什么是DNA亲子鉴定测试?
　　DNA(脱氧核糖核酸)是人身体内细胞的原子物质。 每个原子有46个染色体,另外,男性的精子细胞和女性的卵子, 各有23个染色体,当精子和卵子结合的时候。这46个原子染色体就制造一个生命, 因此,每人从生父处继承一半的分子物质, 而另一半则从生母处获得。
　　DNA亲子鉴定测试与传统的血液测试有很大的不同。 它可以在不同的样本上进行测试, 包括血液,腮腔细胞, 组织细胞样本和精液样本。 由于血液型号, 例如A型, B型, O型或RH型, 在人群中的运用比较普遍, 用来分辨每一个人的血缘关系, 但不如DNA亲子鉴定测试有效。除了真正双胞胎外, 每人的DNA是独一无二的. 由于它是这样独特, 就好像指纹一样, 用于亲子鉴定, DNA是最为有效的方法。我们的结果通常是比法庭上要求的还准确10到100倍。
　　亲子鉴定的准确性
　　DNA亲子鉴定是目前最准确的亲权鉴定方法，如果小孩的遗传位点和被测试男子的位点（至少1个）不一致，那么该男子便100％被排除血缘关系之外，即他绝对不可能是孩子的父亲。如果孩子与其父母亲的位点都吻合，我们就能得出亲权关系大于99．99％的可能性，即证明他们之间的血缘亲子关系。
　　亲子鉴定须知（1） 被鉴定人应由母－子－可疑父亲或父母－子组成，只要求父子或母子二人鉴定者一般不予受理；（2） 成年被鉴定人均应自愿同意鉴定，12岁以上的青少年应适当求其对鉴定的意见；（3） 被鉴定人应了解自己或近亲属有无遗传病史；（4） 被鉴定子女年龄一般在半岁以上为好；（5） 羊水或绒毛作亲子鉴定应孕妇及可疑父亲签定委托鉴定协议书。
【DNA超速离心】
　　近代质粒DNA分离纯化以从大肠杆菌中分离为代表，鉴于大局杆菌（E.coli）在分子生物学研究中的重要地位，从E.coli中分离纯化质控DNA〈Piasmid DNA〉成为近年来超离心技术中一个重要课题。而质粒DNA的快速分离纯化又对超离心设备（超速离心机、转头和附属设备）提出了更高要求。
　　E.coli是典型的原核细胞生物，由于原核细胞缺乏其核细胞所具有的那种由单位膜组成的可把多种功能组分分隔为专一化的和局部独立区域的内膜系统，因而没有其核细胞所包含的细胞器（核、内质网、高尔基体、线拉体、溶酶体等等）。电镜显微照片显示E.coli有两个可以区别的内部区域一一细胞质和核质，在它们外面围着一层较薄的细胞质膜和很厚的细胞壁，在细胞壁外部附着一些一端游离的鞭毛。质粒DNA位于核区，以细丝状存在，这种细丝状物在多种情况下是极长的环状DNA的一些片断所折叠起来的聚密体。
　　针对E.coli的显微结构待点，在进行超离心分离纯化质粒DNA之前的预处理顺序是：
　　E.coli→用溶菌酶去细胞壁→用表面活性剂如SDS、Trit X-100等EE细胞膜→用乙酸锅使DNA、RNA及蛋白质大部分沉淀(90%以上)。
　　沉淀物可以在加入TE缓冲液(10m-MTris-HCL lmMEDTA,pH8.0)后分子筛上住去蛋白,去RNA;也可以用超速离心法去蛋白质,去RNA，去级状DNA或DNA断片。
【质粒DNA超速离心的分离方法】
　　传统的分离方法：数年前，由于受设备条件限制，质粒DNA的分离一般用CsCl平衡等密度离心法，自形成梯度。以10~12ml单管容量为例，用甩平转头分离，36.000rpm×60小时，用角式转头分离45,OOOrpm×36小时，前者包括加减速在内共用去1.3亿转驱动部寿命，后者也要用去1亿转驱动部寿命，这对当时超速离心机总寿命为100~200亿转来看，无疑每次实验费用过高，加上CsCl用量多、价格贵等因素，使这类分离纯化工作成为非常昂贵的实验。
　　（1）超速垂直管转头的离心分离（钦合金或碳纤维制造的）：从1975年垂直管转头向世后，近年来各主要离心机生产商开发的垂直管转头，单管容量0.2ml到4Oml，最高转速从50,000rpm到120,000rpm,RCFmax可达700,OOOXg，90年代开发的新机型和转头己能够使质粒DNA垂直管离心分离实验做起来得心应手。
　　（3）近垂直管转头离心分离：为了消除垂直管转头用于质粒DNA离心在壁部形成的RNA沉淀对已形成的DNA区带的污染，同时也为了改进一般斜角式转头（倾角25?——35?）由于沉降距离较长，因而分离时间也较长的缺点，近几年开发了多种近垂直管转头（即Near VerticalTube Rot时,简称NVT转头或Neo Angle Rotor,小假角转头,简称NT).它们的离心管纵剖面中心轴线与离心机驱动轴线之间夹角在7.5?——10?之间,转速从65,000rpm到120,OOOrpm，RCFmax可达646,000×g单管容量从2ml至13.5ml。NVT（或NT）转头的开发主要是为质粒DNA分离而设计，当然它也适用于线粒体DNA、染色体DNA、RNA及血清脂蛋白的分离?纯化。
　　（3）不连续阶梯梯度分离:质校DNA分离纯化传统方法是采用金管CsCl自形成梯度平衡等密度离心法，离心开始时金管CsCl密度均一，样品均匀分布其中。
【人类基因组计划】
　　人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本国和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为三大科学计划。
　　2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本国国和中国的6国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成。最终完成图要求测序所用的克隆能忠实地代表常染色体的基因组结构，序列错误率低于万分之一。 95%常染色质区域被测序，每个Gap小于150kb。完成图将于2003年完成，比预计提前2年。
　　美国和英国科学家2006年5月18日在英国《自然》杂志网络版上发表了人类最后一个染色体——1号染色体的基因测序。
　　在人体全部22对常染色体中，1号染色体包含基因数量最多，达3141个，是平均水平的两倍，共有超过2.23亿个碱基对，破译难度也最大。一个由150名英国和美国科学家组成的团队历时10年，才完成了1号染色体的测序工作。
　　科学家不止一次宣布人类基因组计划完工，但推出的均不是全本，这一次杀青的“生命之书”更为精确，覆盖了人类基因组的99．99％。解读人体基因密码的“生命之书”宣告完成，历时16年的人类基因组计划书写完了最后一个章节。
【“垃圾DNA”】
　　酵母和蠕虫之类的简单生物是如何进化为鸟和哺乳动物这样的复杂生物的呢？一项针对基因组进行的广泛比较研究显示，问题的答案可能就隐藏在生物的垃圾脱氧核糖核酸（DNA）中。美国科学家发现，生物越复杂，其携带的垃圾DNA就越多，而恰恰是这些没有编码的“无用”DNA帮助高等生物进化出了复杂的机体。
　　自从第一个真核生物——包括从酵母到人类的有细胞核的生物——的基因组被破译以来，科学家一直想知道，为什么生物的大多数DNA并没有形成有用的基因。从突变保护到染色体的结构支撑，对于这种所谓的垃圾DNA的可能解释有许多种。但是去年从人类、小鼠和大鼠身上得到的完全一致的关于垃圾DNA的研究结果却表明，在这一区域中可能包含有重要的调节机制，从而能够控制基础的生物化学反应和发育进程，这将帮助生物进化出更为复杂的机体。与简单的真核生物相比，复杂生物有更多的基因不会发生突变的事实无疑极大地强化了这一发现。
　　为了对这一问题有更深的了解，由美国加利福尼亚大学圣塔克鲁斯分校(UCSC)的计算生物学家David Haussler领导的一个研究小组，对5种脊椎动物——人、小鼠、大鼠、鸡和河豚——的垃圾DNA序列与4种昆虫、两种蠕虫和7种酵母的垃圾DNA序列进行了比较。研究人员从对比结果中得到了一个惊人的模式：生物越复杂，垃圾DNA似乎就越重要。
　　这其中暗含的可能性在于，如果不同种类的生物具有相同的DNA，那么这些DNA必定是用来解决一些关键性的问题的。酵母与脊椎动物共享了一定数量的DNA，毕竟它们都需要制造蛋白质，但是只有15%的共有DNA与基因无关。研究小组在7月14日的《基因组研究》杂志网络版上报告说，他们将酵母与更为复杂的蠕虫进行了比较，后者是一种多细胞生物，发现有40%的共有DNA没有被编码。随后，研究人员又将脊椎动物与昆虫进行了对比，这些生物比蠕虫更为复杂，结果发现，有超过66%的共有DNA包含有没有编码的DNA。
　　参与该项研究工作的UCSC计算生物学家Adam Siepel指出，有关蠕虫的研究结果需要慎重对待，这是由于科学家仅仅对其中的两个基因组进行了分析。尽管如此，Siepel还是认为，这一发现有力地支持了这样一种理论，即脊椎动物和昆虫的生物复杂性的增加主要是由于基因调节的精细模式。
【DNA探针】
　　DNA探针是最常用的核酸探针，指长度在几百碱基对以上的双链DNA或单链DNA探针。现已获得DNA探针数量很多，有细菌、病毒、原虫、真菌、动物和人类细胞DNA探针。这类探针多为某一基因的全部或部分序列，或某一非编码序列。这些DNA片段须是特异的，如细菌的毒力因子基因探针和人类Alu探针。这些DNA探针的获得有赖于分子克隆技术的发展和应用。以细菌为例，目前分子杂交技术用于细菌的分类和菌种鉴定比之G+C百分比值要准确的多，是细菌分类学的一个发展方向。加之分子杂交技术的高敏感性，分子杂交在临床微生物诊断上具有广阔的前景。细菌的基因组大小约5×106bp，约含3000个基因。各种细菌之间绝大部分DNA是相同的，要获得某细菌特异的核酸探针，通常要采取建立细菌基因组DNA文库的办法，即将细菌DNA切成小片段后分别克隆得到包含基因组的全信息的克隆库。然后用多种其它菌种的DNA作探针来筛选，产生杂交信号的克隆被剔除，最后剩下的不与任何其它细菌杂交的克隆则可能含有该细菌特异性DNA片段。将此重组质粒标记后作探针进一步鉴定，亦可经DNA序列分析鉴定其基因来源和功能。因此要得到一种特异性DNA探针，常常是比较繁琐的。探针DNA克隆的筛选也可采用血清学方法，所不同的是所建DNA文库为可表达性，克隆菌落或噬斑经裂解后释放出表达抗原，然后用来源细菌的多克隆抗血清筛选阳性克隆，所得到多个阳性克隆再经其它细菌的抗血清筛选，最后只与本细菌抗血清反应的表达克隆即含有此细菌的特异性基因片段，它所编码的蛋白是该菌种所特有的。用这种表达文库筛选得到的显然只是特定基因探针。
【DNA修复】
　　DNA修复（DNA repairing）是细胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来（如细胞的癌变等），但如果细胞不具备这修复功能，就无法对付经常在发生的DNA损伤事件，就不能生存。所以研究DNA修复也是探索生命的一个重要方面，而且与军事医学、肿瘤学等密切相关。对不同的DNA损伤，细胞可以有不同的修复反应。
　　DNA含有A、C、G、T四种碱基，通常情况下A——T，C——G组合碱基对构成DNA链的横档。基因就是通过解读DNA中这些碱基排列顺序来传达给细胞指令，控制细胞工作。
　　很多因素会引起DNA链断裂，DNA链在重组中碱基要重新排列，导致基因解读的碱基排列和原来不同，发出错误指令，造成细胞错误的生长及工作状态，因此发生了细胞变异，也就会产生了肿瘤细胞。肿瘤细胞会吸收大量的人体养份或正常细胞而快速成长，因此肿瘤细胞比正常细胞要大的多，细胞核比正常大1-5倍，并且多发生畸形等情况。同时肿瘤DNA链在同样的情况也会发生断裂，因为DNA具有自身修复和半保留复制的功能，DNA连接酶可将DNA片段再次连接起来，在旋转酶的作用下重新形成螺旋状。并且一小段DNA就可遗传肿瘤细胞的特性生成新的肿瘤细胞。现在科学家常常提到的克隆，就是利用了DNA的这一特性。所以大部分情况下肿瘤DNA链的重组是一变二或一变多的过程，这就形成肿瘤细胞的复制和繁殖，由此就造成肿瘤的扩大、扩散、转移及恶化，最终威胁人类的健康和生命。
【单链DNA】
　　单链DNA（single－stranded DNA）大部分DNA以双螺旋结构存在，但一经热或碱处理就会变为单链状态。单链DNA就是指以这种状态存在的DNA。单链DNA在分子流体力学性质、吸收光谱、碱基反应性质等方面都和双链DNA不同。某些噬菌体粒子内含有单链环状的DNA，这样的噬菌体DNA在细胞内增殖时则形成双链DNA。
【闭环DNA】
　　闭环DNA（closed circular DNA）没有断口的双链环状DNA，亦称为超螺旋DNA。由于具有螺旋结构的双链各自闭合，结果使整个DNA分子进一步旋曲而形成三级结构。另外如果一条或二条链的不同部位上产生一个断口，就会成为无旋曲的开环DNA分子。从细胞中提取出来的质粒或病毒DNA都含有闭环和开环这二种分子。可根据两者与色素结合能力的不同，而将两者分离开来。
【连接DNA】
　　连接DNA (Linker DNA)：核小体中除146bp核心DNA 外的所有DNA。
【模板DNA】
　　模板DNA可以是单链分子,也可以是双链分子,可以是线状分子,也可以是环状分子(线状分子比环状分子的扩增效果稍好).就模板DNA而言,影响PCR的主要因素是模板的数量和纯度。
【互补DNA】
　　互补DNA（cDNA, complementary DNA ）构成基因的双链DNA分子用一条单链作为模板，转录产生与其序列互补的信使RNA分子,然后在反转录酶的作用下,以mRNA分子为模板,合成一条与mRNA序列互补的单链DNA,最后再以单链DNA为模板合成另一条与其互补的单链DNA,两条互补的单链DNA分子组成一个双链cDNA分子.因此,双链cDNA分子的序列同转录产生的mRNA分子的基因是相同的.所以一个cDNA分子就代表一个基因.但是cDNA仍不同于基因,因为基因在转录产生mRNA时,一些不编码的序列即内含子被删除了,保留的只是编码序列,即外显子.所以cDNA序列都比基因序列要短得多,因为cDNA中不包括基因的非编码序列---内含子。
【DNA限制性片断长度多态性分析】
　　在人类基因组中，平均约200对碱基可发生一对变异（称为中性突变），中性突变导致个体间核苷酸序列的差异，称为DNA多态性。不少DNA多态性发生在限制性内切酶识别位点上，酶解该DNA片段就会产生长度不同的片断，称为限制性片段长度多态性(RFLP)。RFLR按孟德尔方式遗传，在某一特定家族中，如果某一致病基因与特异的多态性片断紧密连锁，就可用这一多态性片段为一种“遗传标志”，来判断家庭成员或胎儿是否为致病基因的携带者。甲型血友病、囊性纤维病变和苯丙酮尿症等均可借助这一方法得到诊断。

核酸酶

　　核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷酸二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能作用于RNA，称为核糖核酸酶（RNase），有些核酸酶只能作用于DNA，称为脱氧核糖核酸酶（DNase），有些核酸酶专一性较低，既能作用于RNA也能作用于DNA，因此统称为核酸酶（nuclease）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶（exonuclease）和核酸内切酶（endonuclease）。
　　一、核酸外切酶
　　有些核酸酶能从DNA或RNA链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于DNA的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA的核酸外切酶称为核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于DNA或RNA。核酸外切酶从3′端开始逐个水解核苷酸，称为3′→5′外切酶，例如，蛇毒磷酸二酯酶即是一种3′→5′外切酶，水解产物为5′核苷酸；核酸外切酶从5′端开始逐个水解核苷酸，称为5′→3′外切酶，例如：牛脾磷酸二酯酶即是一种5′→3′外切酶，水解产物为3′核苷酸。
　　二、核酸内切酶
　　核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5′磷酸二酯键，把磷酸基团留在3′位置上，称为5′-内切酶；而有些仅水解3′-磷酸二酯键，把磷酸基团留在5′位置上，称为3′-内切酶。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求，例如胰脏核糖核酸酶（RNaseA）即是一种高度专一性核酸内切酶，它作用于嘧啶核苷酸的C′3上的磷酸根和相邻核苷酸的C′5之间的键，产物为3′嘧啶单核苷酸或以3′嘧啶核苷酸结尾的低聚核苷酸
　　20世纪70年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链DNA上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease，简称限制酶）。当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源DNA在细菌细胞内的表达，而细菌本身的DNA由于在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰，不被水解，从而得到保护。
　　近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前已提纯的限制性核酸内切酶有100多种，许多已成为基因工程研究中必不可少的工具酶。
　　限制性核酸内切酶可被分成三种类型。Ⅰ型和Ⅲ型限制酶水解DNA需要消耗ATP，全酶中的部分亚基有通过在特殊碱基上补加甲基基团对DNA进行化学修饰的活性。
　　Ⅰ型和Ⅲ型酶具有限制和修饰两种作用，而特异性弱，切割位点的序列不固定，不已知，不宜用于基因克隆中。
　　Ⅱ型限制酶水解DNA不需要ATP也不以甲基化或其它方式修饰DNA，能在所识别的特殊核苷酸顺序内或附近切割DNA。因此，被广泛用于DNA分子克隆和序列测定。

锁核酸

　　LNA-Locked Nucleic Acid 一种类寡核苷酸衍生物，结构中β-D-呋喃核糖的2'-O、
　　4’-C位通过缩水作用形成刚性的结构。LNA核苷酸包括A,C,G,T,U,mC六种堿基.
　　锁核酸（Locked nucleic acid，LNA）是一种经过修饰的RNA，LNA中一部分核糖上的2'与4'碳连结在一起。一般可见于A-DNA或RNA。
　　这类核酸可以增加引子或探针（probe）的融解温度（Tm值），加强这些实验用物质的稳定性，可应用在即时聚合酶连锁反应（real-time PCR）等技术中。
　　锁核酸(locked nucleic acid,LNA)作为一种新颖的核苷酸衍生物在药学研究领域引起了人们的广泛关注,有希望成为分子水平治疗各种疾病的新突破口.它是一种特殊的双环状核苷酸衍生物,结构中含有一个或多个2 ′-O,4′-C-亚甲基-β-D-呋喃核糖核酸单体,核糖的2′-O位和4′-C位通过不同的缩水作用形成氧亚甲基桥、硫亚甲基桥或胺亚甲基桥,并连接成环形,这个环形桥锁定了呋喃糖C3′-内型的N构型,降低了核糖结构的柔韧性,增加了磷酸盐骨架局部结构的稳定性.由于LNA与DNA/RNA在结构上具有相同的磷酸盐骨架,故其对DNA、RNA有很好的识别能力和强大的亲和力.与其他寡核苷酸类似物相比,LNA有很多优点:a.和DNA、RNA互补的双链有很强的热稳定性(ΔTm=3～8℃);b.抗3′脱氧核苷酸酶降解的稳定性;c.LNA-DNA杂交物能激活RNase H;d.水溶性好,自由穿入细胞膜,易被机体吸收;e.体内无毒性作用;f.高效的自动寡聚化作用,合成方法相对简单,部分或完全修饰的LNA寡核酸链可用氨基磷酸法在DNA自动合成仪上合成。

反义核酸

　　反义RNA是指与靶RNA(多为mRNA)具有互补序列的RNA分子,通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式.参与基因的表达调控.
　　详细：反义核酸是指能与特定mRNA精确互补、特异阻断其翻译的RNA或DNA分子。利用反义核酸特异地封闭某些基因表达，使之低表达或不表达，这种技术即为反义核酸技术[1-3]。它包括反义RNA、反义DNA和核酶(ribozymes)三大技术。反义核酶作为一种基因下向调节作用因子，在抑制一些有害基因的表达和失控基因的过度表达上发挥着重要作用。随着反义核酶技术的发展和成熟，已逐渐应用于抗某些人体寄生虫病的研究。本文拟就反义核酸技术的作用原理和特点作一简要概述，着重阐述其在寄生虫领域中的应用进展。
反义核酸的作用原理
　　反义核酸目前有三种来源：一是利用固相亚磷酰胺法人工合成的短小反义寡聚核苷酸(antisense oligodeoxyncleotides，AON)，这是反义核酸最普遍的应用方式，包括未修饰AON和硫代磷酸酯化(PS)、磷酸二酯化(PO)和甲基化等修饰AON二类，其中以PSAON应用最广泛。ANO设计合成简单，只要其顺序与靶mRNA部分顺序互补即可，而对基因的读码框无要求；二是更具有实用价值的工人表达载体，包括单个基因和多个基因的联合反义表达载体[3]，它是利用基因重组技术将靶基因序列反向持插入到载体的启动子和终止子之间，通过转录可源源不断产生反义RNA分子；三是天然存在的反义核酸分子，但目前分离纯化尚存在困难。
反义RNA和反义DNA
　　反义RNA是指能和mRNA完全互补的一段小分子RNA或寡聚核苷酸片段，反义DNA是指能与基因DNA双链中的有义链互补结合的短小DNA分子。反义RNA和反义DNA主要是通过mRNA的翻译和基因DNA的转录而发挥作用[10]：1)抑制翻译。反义核酸一方面通过与靶mRNA结合形成空间位阻效应，阻止核糖体与mRNA结合，另一方面其与mRNA结合后激活内源性RNase或ribozyme，降解mRNA[3]；2)抑制转录。反义DNA与基因DNA双螺旋的调控区特异结合形成DNA三聚体(triplex),或与DNA编码区结合，终止正在转录的mRNA链延长[3]。此外，反义核酸还可抑制转录后mRNA的加工修饰，如5'端加帽、3'端加尾(poly a)、中间剪接和内部碱基甲基化等，并阻止成熟mRNA由细胞核向细胞浆内运输。
核酶
　　Cech等发现四膜虫核糖体RNA前体在成熟过程中，可精确地自我切除某些片段并重新连接，这种具有酶催化活性的RNA称之为核酶。
　　核酶广泛存在于生物细胞中，有锤头状和发夹二种结构。酶活性中心由两个臂和中间的功能区组成[13]。两个臂序列高度保守，与靶RNA特异互补结合，相当于一种反义RNA，而功能区则可通过降解RNA的磷酸二酯键而分解消化靶RNA，而核酶本身在作用过程中并不消耗。核酶裂解分子依赖严格的空间结构形成，裂解部位总是位于靶RNA分子中GUX三联体(X：C、U、A)下游方向即3'端。
　　核酶除天然存在外，也可人工合成。根据核酶的作用位点、靶mRNA周围的序列和核酶本身高度保守序列，可方便地人工设计合成核酶的特异性序列。此外，利用基因工程将核酶的编码基因克隆在SP6或T7等启动子下游，通过转录合所需核酶。核酶能特异切割RNAA分子，使阻断基因表达，特别是阻断有害基因的表达成为可能。如果已知靶mRNA中GUX三联体的位置，可将核酶的编码基因插入反义表达载体的适当位置，这样转录所产生的含有核酶的反义RNA具有双重功能：一方面具有反义抑制作用，另一方面具有切割靶mRNA的催化作用。核酶在抗肿瘤、抗病毒方面具有十分诱人的前景，第一个应用核酶进行艾滋病基因治疗的临床计划已获准，核酶作为一种遗传信息药物，在肿瘤基因治疗中必将日益受到重视。
反义核酸的作用特点
　　反义核酸作为基因治疗药物之一，与传统药物相比具有诸多优点。1)高度特异性：反义核酸药物通过特异的碱基互补配对作用于靶RNA或DNA，犹如“生物导弹”。2)高生物活性、丰富的信息量；反义核酸是一种携带特定遗传信息的信息体，碱基排列顺序可千变万化，不可穷尽。3)高效性：直接阻止疾病基因的转录和翻译。4)最优化的药物设计：反义核酸技术从本质上是应用基因的天然顺序信息，实际上是最合理的药物设计。5)低毒、安全：反义核酸尚未发现其有显著毒性，尽管其在生物体内的存留时间有长有短，但最终都将被降解消除，这避免了如转基因疗法中外源基因整合到宿主染色体上的危险性。

核酸探针

　　化学及生物学意义上的探针(probe)，是指与特定的靶分子发生特异性相互作用，并可被特殊的方法探知的分子。抗体-抗原、生物素-抗生物素蛋白、生长因子-受体的相互作用都可以看作是探针与靶分子的相互作用。
　　核酸探针技术原理是碱基配对。互补的两条核酸单链通过退火形成双链，这一过程称为核酸杂交。核酸探针是指带有标记物的已知序列的核酸片段，它能和与其互补的核酸序列杂交，形成双链，所以可用于待测核酸样品中特定基因序列的检测。每一种病原体都具有独特的核酸片段，通过分离和标记这些片段就可制备出探针，用于疾病的诊断等研究。
　　(一) 核酸探针的种类
　　1.按来源及性质划分　可将核酸探针分为基因组DNA探针、cDNA探针、RNA探针和人工合成的寡核苷酸探针等几类。
　　作为诊断试剂，较常使用的是基因组DNA探针和cDNA探针。其中，前者应用最为广泛，它的制备可通过酶切或聚合酶链反应(PCR)从基因组中获得特异的DNA后将其克隆到质粒或噬菌体载体中，随着质粒的复制或噬菌体的增殖而获得大量高纯度的DNA探针。将 RNA进行反转录，所获得的产物即为cDNA。cDNA探针适用于RNA病毒的检测。cDNA探针序列也可克隆到质粒或噬菌体中，以便大量制备。
　　将信息RNA(mRNA)标记也可作为核酸分子杂交的探针。但由于来源极不方便，且RNA极易被环境中大量存在的核酸酶所降解，操作不便，因此应用较少。
　　用人工合成的寡聚核苷酸片段做为核酸杂交探针应用十分广泛，可根据需要随心所欲合成相应的序列，可合成仅有几十个bp的探针序列，对于检测点突变和小段碱基的缺失或插入尤为适用
　　2.按标记物划分　有放射性标记探针和非放射性标记探针两大类。放射性标记探针用放射性同位素做为标记物。放射性同位素是最早使用，也是目前应用最广泛的探针标记物。常用的同位素有32P、3H、35S。其中，以32P应用最普遍。放射性标记的优点是灵敏度高，可以检测到Pg级；缺点是易造成放射性污染，同位素半衰期短、不稳定、成本高等。因此，放射性标记的探针不能实现商品化。目前，许多实验室都致力于发展非放射性标记的探针。
　　目前应用较多的非放射性标记物是生物素(Biotin)和地高辛(digoxigenin)。二者都是半抗原。生物素是一种小分子水溶性维生素，对亲和素有独特的亲和力，两者能形成稳定的复合物，通过连接在亲和素或抗生物素蛋白上的显色物质(如酶、荧光素等)进行检测。地高辛是一种类固醇半抗原分子，可利用其抗体进行免疫检测，原理类似于生物素的检测。地高辛标记核酸探针的检测灵敏度可与放射性同位素标记的相当，而特异性优于生物素标记，其应用日趋广泛。
　　(二) 核酸探针的标记
　　1.放射性同位素标记法　常将放射性同位素如32 P连接到某种脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)上做为标记物，然后通过切口平移法标记探针。
　　切口平移法(nick translation)是利用大肠杆菌DNA聚合酶I (E.coli DNA polymerase I) 的多种酶促活性将标记的dNTP掺入到新形成的DNA链中去，形成均匀标记的高比活DNA探针。其操作方法如下：
　　(1) 取1?g DNA溶于少量无菌双蒸水中，加入5?l距离大约10×切口平移缓冲液 ( 0.5mol/L Tris－HCl，PH7.2；0.1 mol/L MgSO4 ；1mmol/L二硫苏糖醇；500?g/mL牛血清白蛋白)，加入除标记物(如?-32 p-dATP)外的其它三种dNTP(如dCTP，dGTP，dTTP)溶液，20mmol/L溶液各1?l。
　　(2) 加入100?ci(10?l)标记物溶液，加入无菌双蒸水至终体积为46.5?l,混匀，加入0.5?l稀释的DNaseI溶液，混匀；加入1?l(约5单位)E.coli DNA polymerase I，混匀。
　　(3) 置14-16℃反应1-2小时。
　　2.非放射性标记法　可将生物素、地高辛连接在dNTP上，然后象放射性标记一样用酶促聚合法掺入到核酸链中制备标记探针。也可让生物素、地高辛等直接与核酸进行化学反应而连接上核酸链。其中，生物素的光化学标记法较为常用。其原理是利用能被可见光激活的生物素衍生物-光敏生物素(photobiotin)，光敏生物素与核酸探针混合后，在强的可见光照射下，可与核酸共价相连，形成生物素标记的核酸探针。可适用于单、双链DNA及RNA的标记，探针可在-20℃下保存8-10个月以上。具体操作方法如下：
　　(1) 将双链DNA变性或用NaOH处理形成缺口，单链DNA或RNA毋需处理，将核酸样品溶于水。
　　(2) 暗室下在微量离心管中加入10?g DNA，1mg/ml光敏生物素20?l，加水至50?l，混匀。
　　(3) 冰浴中打开离心管盖，在300-500瓦灯下照射10分钟(液面距灯泡10cm)。
　　(4) 加入100?l 0.1mol/L Tris－HCl，pH8.0，加入100?l 2-丁醇抽提两次，离心，弃上层。
　　(5) 乙醇沉淀核酸探针；用70％乙醇漂洗真空抽干，备用。
　　除上述标记法外，探针的制备和标记还可通过PCR反应直接完成。
　　(三) 核酸杂交　杂交技术有固相杂交和液相杂交之分。固相杂交技术目前较为常用，先将待测核酸结合到一定的固相支持物上，再与液相中的标记探针进行杂交。固相支持物常用硝酸纤维素膜(nitrocellulose filter membrane，简称NC膜)或尼龙膜(nylon membrane)。
　　固相杂交包括膜上印迹杂交和原位杂交。前者包括三个基本过程：第一，通过印迹技术将核酸片段转移到固相支持物上；第二，用标记探针与支持物上的核酸片段进行杂交；第三，杂交信号的检测。
　　用探针对细胞或组织切片中的核酸杂交并进行检测的方法称之为核酸原位杂交。某特点是靶分子固定在细胞中，细胞固定在载玻片上，以固定的细胞代替纯化的核酸，然后将载玻片浸入溶有探针的溶液里，探针进入组织细胞与靶分子杂交，而靶分子仍固定在细胞内。例如。可用特异性的细菌、病毒的核酸做为探针对组织、细胞进行原位杂交，以确定有无该病原体的感染等。原位杂交不需从组织中提取核酸，对于组织中含量极低的靶序列有极高的敏感性，在临床应用上有独特的意义。
　　近年来液相杂交技术有所发展。液相杂交与固相杂交的主要区别是不用纯化或固定的靶分子，探针与靶序列直接在溶液里作用。液相杂交步骤有所简化，杂交速度有所提高，增加了特异性和敏感性，但与临床诊断所要求的特异性和敏感性还有一定的距离。
　　各种杂交技术中，膜上印迹杂交技术应用最为广泛，它由以下三个基本过程组成。
　　1.核酸印迹技术
　　(1) 斑点印迹(Dot-blot)　将待测核酸样品变性后直接点样在膜上，称之为斑点印迹。为使核酸牢固结合在膜上，通常还将点样后的膜进行80℃真空烘烤2h。
　　应用斑点印迹技术，可在一张膜上同时进行多个样品的检测，操作简便、快速，在临床诊断中应用较广。适合进行特定基因的定性及定量研究，但不能鉴定所测基因的分子量。
　　(2) Southern印迹(Southern blot)　这是指将DNA片段经琼脂糖凝胶电泳分离后转移到固相支持物上的过程。
　　常规处理如下，先用限制性内切酶对DNA样品进行酶切处理，经琼脂糖凝胶电泳将所得DNA片段按分子量大小分离，接着对凝胶进行变性处理，使双链DNA解离成单链，并将其转移到NC膜或其它固相支持物上，转移后各DNA片段的相对位置保持不变。用探针与经Southern印迹处理的DNA样品杂交，可鉴定待测DNA的大小、进行克隆基因的酶切图谱分析、基因组基因的定性及定量分析、基因突变分析及限制性片段长度多态性分析(RFLP)等。
　　Southern印迹的操作方法有三种：
　　① 毛细管转移(或虹吸印迹)。这是一传统方法，进行毛细管转移时，DNA片段由液流携带从凝胶转移到固相支持物表面。安放装置时，在转移槽中央的平台上由下到上依次叠放变性凝胶、滤膜、一叠干的吸水纸巾；凝胶与转移缓冲液通过一纸桥连接；滤膜上的纸巾吸水而产生并维持毛细管作用，液体由于毛细管作用抽吸通过凝胶，并将DNA片段携带聚集在滤膜上。DNA片段的大小和琼脂的浓度决定了转移的速度。小片段DNA(＜1kb)在1小时内可从 0.7％琼脂糖凝胶上几乎定量转移，而大片段DNA的转移较慢且效率较低，如大于15kb的 DNA片段需要18小时而转移尚不完全。
　　② 电转移。利用电场的电泳作用将凝胶中的DNA转移到固相支持物上，可达到简单、迅速、高效的目的。一般2-3小时内可转移完毕。电转法不宜采用NC膜，因为NC膜结合 DNA依赖高盐溶液，而高盐溶液在电泳过程中会破坏缓冲体系，使DNA损伤。一般使用化学活化膜和正电荷修饰的尼龙膜。此外，电转过程中转移体系的温度升高，必须使用循环冷却水。商业化的电转仪一般附有冷却设备，也可在冷室中进行。具体操作时，按仪器使用说明安装电转装置，将变性凝胶夹在转移膜内平行电极内侧的多孔板之间，排除夹层间气泡，加入转移缓冲液并通电进行电转。
　　③ 真空印迹法　这是近年来发展起来的一种简单、快速、高效的DNA和RNA印迹法。其基本原理是利用真空作用将转膜缓冲液从凝胶上层的容器抽到下层，凝胶中的核酸片段将随缓冲液移置到凝胶下面的固相支持物上。这一方法的最大优点是快速高效，可在转膜的同时进行DNA的变性与中和，30分钟至1小时可完成，适合检疫工作的要求。已有商业化的真空转移仪提供，可按商品使用说明进行操作。
　　Southern印迹后的滤膜仍需进行固定处理，对NC膜可用80℃真空烘烤2小时，对尼龙膜还可用短波紫外线(波长254nm)照射几分钟。
　　(3) Northern印迹(Northern blot)　Northern印迹是指将RNA片段变性及电泳分离后，转移到固相支持物上的过程。RNA样品经Northern印迹后进行杂交反应可鉴定其中特异 mRNA分子的量与大小。
　　Northern印迹的方法与Southern印迹基本相同，可参照进行。但RNA的变性方法与 DNA不同。DNA样品可先通过凝胶电泳进行分离，再用碱处理凝胶使DNA变性。而RNA不能用碱变性,因为碱会导致RNA水解。因此，在Northern印迹前，须进行RNA变性电泳，在电泳过程中使RNA解离形成单链分布在凝胶上，再进行印迹转移。
　　RNA变性电泳的原理，是用一定剂量的乙二醛-二甲基亚矾，或甲醛和甲基氢氧化汞等处理RNA样品和凝胶，使双链RNA在电泳过程中变性而完全解离形成单链。
　　2.杂交反应的基本过程　杂交反应包括预杂交、杂交和漂洗几步操作。
　　预杂交的目的是用非特异性DNA分子(鲑精DNA或小牛胸腺DNA)及其它高分子化合物(Denhart’s溶液)将待测核酸分子中的非特异性位点封闭，以避免这些位点与探针的非特异性结合。杂交反应是使单链核酸探针与固定在膜上的待测核酸单链在一定温度和条件下进行复性反应的过程。杂交反应结束后，应进行洗膜处理以洗去非特异性杂交以及未杂交的标记探针，以避免干扰特异性杂交信号的检测。膜洗净后,将继续进行杂交信号的检测。
　　(1) 以放射性标记探针与固定在NC膜上的核酸进行杂交为例，杂交反应操作如下：
　　① 配制所需试剂
　　SSC溶液(20×)：3mol/L NaCl，0.3mol/L柠檬酸钠。
　　Denhardt’s溶液(50×)：聚蔗糖5g，聚乙烯吡咯烷酮5g，牛血清白蛋白(BSA)5g加水至500ml。
　　预杂交液：6×SSC，5×Denhardt’s溶液，0.5％SDS，100?g/ml经变性或断裂成片段的鲑精DNA。
　　② 将含靶核酸的NC膜漂浮于6×SSC液面，使其由下至上完全湿润，并继续浸泡2分钟。
　　③ 将湿润NC膜装入塑料袋中，按0.2ml/cm2的量加入预杂交液，尽可能挤出气泡，将袋封口，置68℃水浴1-2小时或过夜。
　　④ 将双链探针做变性处理使成单链，即于100℃加热5分钟，然后立即置冰浴使骤冷。
　　⑤ 从水浴中取出杂交袋，剪去一角，将单链探针加入，尽可能将袋内空气挤出去，重新封口，并将杂交袋装入另一个干净的袋内，封闭，以防放射性污染。
　　⑥ 将杂交袋浸入68℃水浴，温育8-16小时。
　　⑦ 取出杂交袋，剪开，取出滤膜迅速浸泡于大量2×SSC和0.5％SDS中，室温振荡5分钟，勿使滤膜干燥。
　　⑧ 将NC膜移入盛有大量2×SSC和0.1％SDS溶液的容器中，室温漂洗15分钟。
　　⑨ 将NC膜移入一盛有大量0.1×SSC和0.5％SDS溶液的容器中，37℃漂洗30分钟至1小时。
　　⑩ 将NC膜移入一盛有新配0.1×SSC和0.5％SDS溶液的容器中，68℃漂洗30分钟至1小时。
　　⑾ 取出滤膜，用0.1×SSC室温稍稍漂洗，然后置滤纸上吸去大部分液体，待做杂交信号的检测。
　　3杂交信号的检测　当探针是放射性标记时，杂交信号的检测通过放射自显影进行。即利用放射线在X光片上的成影作用来检测杂交信号。操作时，在暗室内将滤膜与增感屏、X光片依序放置暗盒中，再将暗盒置-70℃曝光适当时间，取出X光片，进行显影和定影处理。
　　对于非放射性标记的探针，则需将非放射性标记物与检测系统偶联，再经检测系统的显色反应来检测杂交信号。以地高辛的碱性磷酸酶检测反应为例，地高辛(Dig)是一种半抗原，杂交反应结束后，可加入碱性磷酸酶标记的抗Dig抗体，使之在膜上的杂交位点形成酶标抗体Dig复合物，再加入酶底物如氮蓝四唑盐(NBT)和5-溴-4-氯-3-吲哚酚磷酸甲苯胺盐(BCIP)，在酶促作用下，底物开始显蓝紫色。其基本反应程序类似ELISA，杂交信号的强弱，通过底物显色程度的深浅、有无来确定。

核酸杂交

　　核酸杂交是从核酸分子混合液中检测特定大小的核酸分子的传统方法。其原理是核酸变性和复性理论。即双链的核酸分子在某些理化因素作用下双链解开，而在条件恢复后又可依碱基配对规律形成双边结构。杂交通常在一支持膜上进行，因此又称为核酸印迹杂交。根据检测样品的不同又被分为DNA印迹交（Southern blot hybridization ）和RNA印迹杂交（Northern blot hybridization）。其基本过程包括下列几个步骤。
　　（1）制备样品：首先需要从待检测组织样品提取DNA或RNA。DNA应先用限制性内切酶消化以产生特定长度的片段，然后通过凝胶电泳将消化产物按分子大小进行分离。一般来说DNA分子有其独特的限制性内切酶图谱，所以经酶切消化和电泳分离后可在凝胶上形成特定的区带。再将含有DNA片段的凝胶进行变性处理后，直接转印到支持膜上并使其牢固结合。这样等检测片段在凝胶上的位置就直接反映在了转印在膜上。RNA样品则可直接在变性条件下电泳分离，然后转印并交联固定。
　　（2）制备探针：探针是指一段能和待检测核酸分子依碱基配对原则而结合的核酸片段。它可以是一段DNA、RNA或合成的寡核苷酸。在核酸杂交实验中，探针需要被标记上可直接检测的元素或分子。这样，通过检疫与恩印膜上的核酸分子结合上的探针分子，既可知道被检测的核酸片段在膜上的位置，也就是在电泳凝胶上的位置，也就知道了它的分子大小。
　　（3）杂交：首先要进行预杂交，即用非特异的核酸溶液封闭膜上的非特异性结合位点。由于转印在膜上的核酸分子已经是变性的分子，所以杂交过程中只需变性标记好的探针，再让探针与膜在特定的温度下反应，然后洗去未结合的探针分子即可。
　　（4）检测：检测的方法依标记探针的方法而异。用放射性同位素标记的探针需要用放射自显影来检测其在膜上的位置；而如果是用生物素等非同位素方法标记的探针则需要用相应的免疫组织化学的方法进行检测。