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基因诊断的分子生物学基础

2017-07-06  柳叶刀star

基因诊断操作的对象为基因或其片段。基因是遗传学上的一个概念,是在染色体上占有一定的位置,表现一定功能的基本单位。基因的物质基础是脱氧核糖核酸(DNA)(有些病毒的基因是核糖核酸,RNA)。原核细胞(如细菌和病毒)的基因单位较小,其排布一般是连续的。真核细胞的基因一般较大,其排布是不连续的,它被称为插入序列的部分所分隔。


一、DNA及RNA的化学组成

DNA和RNA统称为核酸,早在1868年就被瑞士年轻医生米歇尔发现,在真核细胞中,98%以上的DNA存在于细胞核,少量的DNA分布在线粒体中。RNA主要存在于细胞质中,占其总量的90%左右。细胞外液则无核酸存在。对于非细胞形态的病毒来说,或含有DNA,或只含有RNA,因此可按所含核酸类型的不同,将病毒分为DNA病毒与RNA病毒。

组成核酸的基本单位是单核苷酸,所以核酸又称为多核苷酸。单核苷酸是由磷酸、戊糖及碱基组成。如果戊糖是脱过氧的,则形成的单核苷酸为脱氧单核苷酸。单核苷酸相互缩合形成RNA,脱氧单核苷酸相互缩合形成DNA。下表列举常见的核苷酸及缩写符号。


二、DNA分子结构

(一)DNA的碱基组成规律

组成DNA分子的脱氧核苷酸主要有四种,即dAMP,dGMP、dCMP和dTMP(d代表“脱氧”的意思),此外还含有少量的稀有碱基(主要是甲基化碱基)。50年代初,E.Chargaff等人对来自不同生物的DNA进行完全水解,对碱基进行了定量测定,总结出如下规律,一般称它为Chargaff规则。

1.所有DNA分子中,嘌呤碱总摩尔数等于嘧啶碱总摩尔数,即A G=T C,并且以摩尔为单位,A=T、G=C。

2.DNA的碱基组成具有种属的特异性,即不同生物种属的DNA具有各自独特的碱基组成。

3.DNA的碱基组成没有组织、器官的特性,即同种生物中不同组织及器官的DNA在碱基组成上是一致的。

4.生物体内DNA的碱基组成不受年龄、营养状态和环境的改变之影响。在所有DNA分子中A=T、G=C这一规律的发现,为DNA双螺旋结构模型的建立提供了重要的依据。

(二)DNA的一级结构

与蛋白质结构相似,核酸的结构也可分一级结构与空间结构进行讨论。核酸的一级结构是指其多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。核酸的空间结构是指多核苷酸链内或链间通过氢键等折叠卷曲的构象。核酸的空间结构又有二级结构与三级结构之分。

DNA是由四种脱氧核糖核酸通过3′.5′——磷酸二酯键彼此连接而成的线形或环状大分子。DNA分子没有侧链。其骨架由脱氧核糖和磷酸组成DNA的一级结构即是DNA多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。

由于生物遗传信息储存于DNA的核苷酸序列中,若能搞清各种生物DNA的脱氧核苷酸排列顺序,则对生命活动本质的认识将有重大意义。

(三)DNA的二级结构

目前公认的DNA二级结构是双螺旋结构,这种模型的建立,主要有两个方面的根据。一是前面提到的50年代初E.Chargaff等人对各种DNA碱基组成的定量分析结果。二是Wilkins小组用X光衍射法研究DNA的晶体,测得DNA分子呈螺旋结构。1953年j .Watson和F.Crick通过进一步研究,提出了DNA分子双螺旋结构模型。从而大大推动了分子生物学的发展。

DNA双螺旋结构模型的要点如下:

1.DNA分子由两条走向相反(一条5′→3′,另一条3′→5′)但互相平行的脱氧核糖核苷酸链组成,以一共同轴为中心,盘绕成双螺旋结构。

2.碱基在双螺旋内侧。一条链碱基上-NH的氢原子与另一条链碱基上的氧原子或氮原子形成氢键。氢键总是发生在A与T,G与C之间,前者有两个氢键,后者有三个氢键。这称为碱基配对或碱基互补规律。由此,两条多核苷酸链又可称为互补链。

3.各碱基对处于同一平面,且垂直于双螺旋的中心轴。相邻碱基对之间尚存在范德华(Van der Warls)引力,从而进一步稳定了双螺旋结构。

4.双螺旋的直径为2nm,每个螺距为3.4nm,内包含10个碱基对,因此每个碱基对距离为0.34 nm。

(四)DNA的三级结构

DNA三级结构是指双螺旋链作进一步的扭曲构象。超螺旋结构是DNA三级结构形式。目前发现许多病毒DNA,线粒体DNA,都是环型双链DNA,而具有超螺旋结构。当超螺旋型DNA的一条链上出现缺口时,超螺旋结构被松开,可解旋形成开环型结构。

DNA的三级结构与其结合的蛋白质有关。真核细胞染色质的基本结构单位是核小体。核小体是由组蛋白H2A,H2B,H3和H4各二个分子组成的八聚体,外绕DNA形成核心颗粒。连接各核心颗粒的区域称连接区,它是由组蛋白H1及大约60-100个碱基对DNA组成。一个完整的核小体由核心颗粒与连接区组成。各个核小体彼此相联沿染色质纤维的纵轴列成一种串珠状重复性结构。串珠状核小体长链可进一步卷曲,形成螺旋筒结构。在形成染色单体时,螺旋筒再进一步卷曲、折叠。人体每个细胞中长约1.7μm的DNA双螺旋链,最终被压缩8400多倍,分布于各染色单体中。


三、RNA分子结构

(一)RNA类型

细胞内含有三类主要的RNA,即核蛋白体RNA(Ribosomal RNA,rRNA)、转运RNA(Transfer RNA,tRNA)及信使RNA(Messenger RNA,mRNA)。

1.rRNA。是核蛋白体的组成部分,含量最多,约占细胞内全部RNA的74~80%,在真核细胞中有四种rRNA,分子大小不均。它们分别与70多种蛋白质相结合而构成核蛋白体大小亚基,是蛋白质生物合成的“装配机”。

2.tRNA。占细胞内RNA总量的10~25%,分散于胞液中。种类很多,每种氨基酸都有与其相对应的一种或几种tRNA。tRNA分子由70~90个核苷酸组成,所以分子量较小,tRNA的生理功能是运输活化了的氨基酸,参与蛋白质的生物合成。

3.mRNA。占细胞内RNA总量的2~5%,其代谢活跃,更新迅速,所以半衰期较短。细胞内mRNA的种类很多,但每种mRNA的含量却很少,它是蛋白质生物合成的直接模板。

(二)RNA的碱基组成

RNA分子中所含的四种基本碱基是:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外还有一些稀有碱基,如假尿嘧啶及带有甲基化的碱基等。RNA的碱基组成,不像DNA那样具有严格的A-T,G-C的规律。RNA结构也不像DNA那样整个分子都是双螺旋结构,而且只有局部呈双螺旋结构。

(三)RNA分子结构

除少数病毒外,RNA分子均为单链结构。与DNA相似,核苷酸通过3′.5′—磷酸二酯键连接而成多核苷酸链。单链结构的RNA,在局部区域由于自身回折也可盘曲形成双螺旋结构。双链部位的碱基一般也彼此通过氢键而互相配对,即A-U,G-C。有些不参加配对的碱基往往被排斥在双链外,形成环状突起。在不同的RNA分子中,双螺旋区所占比例也不相同。

1.tRNA结构

在所有RNA中,对tRNA的研究为最多,了解得也较清楚。tRNA的二级结构多呈三叶草形。由于双螺旋结构所占比例甚高,所以三叶草形结构十分稳定。tRNA是核蛋白体的组成部分。目前虽已测出不少的tRNA分子的一级结构,但对二级结构与其功能的研究还需进一步深入。

2.mRNA结构

mRNA分子结构的特点是,极大多数真核细胞mRNA的3′—端有一段长约200个碱基的多聚腺苷酸,称为mRNA的“尾”。这种结构可能与mRNA在细胞核内合成后移至细胞质的过程有关。在mRNA分子的5′—端接一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸,称它为mRNA的“帽”。mRNA分子中有编码区与非编码区。编码区是所有mRNA分子的主要结构部分,决定蛋白质分子一级结构。非编码区与蛋白质生物合成的调控有关。

3.rRNA结构

rRNA是核蛋白体的组成部分。目前虽已测出了不少的rRNA分子的一级结构,但对二级结构与其功能的研究还需进一步深入。


四、核酸的理化性质

天然DNA分子的长度可达几厘米,而分子直径只有2nm。如此细丝状的双螺旋结构使DNA分子具有一系列理化特性。如粘度极大,在外力作用下易断裂等。

(一)核酸的分子大小与粘度

天然DNA的分子量极大,例如,果蝇巨染色体只有一线形DNA,长达四厘米,分子量约为8×102道尔顿。高分子溶液的粘度比一般溶液的粘度要大得多,不规则团分子比球状分子的粘度要大,而线形分子的粘度更大。因此在溶液中呈线形分子的DNA,即使是极稀的溶液,也具有极大的粘度。RNA溶液的粘度要小得多。当核酸溶液在某些理化因素作用下发生变性,使螺旋结构转变为线团时,粘度降低。所以可用粘度作为DNA变性的指标。

(二)核酸的紫外吸收

嘌呤碱、嘧啶碱以及由它们参与组成的核苷,核苷酸及核酸对紫外光都有强烈的吸收作用。它们吸收紫外光的共同特点是在260nm处为最大吸收值。而由芳香族氨基酸参与组成的蛋白质最大吸收值在280nm处。利用这一特性,可以鉴别核酸样品作为杂质的蛋白质含量。

(三)核酸的变性、复性与杂交

1.核酸变性

核酸变性是指核酸双螺旋结构解开,氢键断裂,但并不涉及核苷酸间磷酸二酯键的断裂。若磷酸二酯键的断裂称为降解,核酸降解时,核酸分子量降低。而核酸的变性并不引起核酸分子量的变化。

引起核酸变性的因素很多。由于温度升高而引起的变性称热变性。如将DNA的稀盐溶液加热到50℃以上几分钟,双螺旋结构即破坏,氢键断裂,DNA分子的两条链彼此分离,形成无规则线团。变性后的DNA,由于结构上的变化,因而发生了一系列理化性质的改变,如260nm处紫外吸收值升高(称增色效应),粘度降低以及生物学活性丧失等。能使50%DNA分子发生变性的温度称为变性温度(Melting temperature,Tm)Tm一般为70~85℃。Tm值与分子中G—C含量有关,即G—C配对数愈多,则Tm值愈高,反之愈低。由于溶液酸碱度的改变而引起的变性称酸碱变性。对DNA分子来说,碱基对在pH4.0~11.0之间最为稳定,超此范围,可引起DNA分子酸碱变性。乙酸、丙酮等有机溶液及尿素也可引起核酸的变性。

2.核酸复性

变性DNA在适当条件下,又可使两条彼此分离的链重新缔合而形成双螺旋结构,这一过程称为复性或退火。复性后的DNA可基本恢复一系列的理化性质,生物学活性也可得到部分恢复。

变性核酸的复性是有条件的。如将热变性的DNA溶液骤然冷低温,DNA不可能复性。只有缓慢地将它冷却时,DNA才有可能复性。另外,变性DNA片段越大,则复性越慢。变性DNA浓度越大则越易复性。

3.核酸杂交

不同来源的DNA加热变性后,只要两条多核苷酸链的碱基有一定数量能彼此互补,就可以经退火处理复性现象,形成新的杂交体双螺旋结构,这种依据相应碱基配对而使不完全互补的两条链相互结合称为分子杂交。因此分子杂交的基础是DNA的变性与互补,也可以杂交形成新的双螺旋结构。目前杂交技术已广泛地应用于核酸结构与功能的研究。将已知的特定基因(如先天性遗传疾病的某些特定基因)用同位素标记,制备成基因探针,利用分子杂交技术,基因探针可与同源序列互补形成杂交体,因此可用检测组织细胞内有无特定基因或DNA片段,如临床上已应用于产前诊断遗传性疾病。


五、DNA的复制

DNA作为遗传物质的基本特点就是能够准确地自我复制,而DNA的互补双螺旋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复制的方式

从前面的内容可知,DNA是由两条互补的多核苷酸链组成的,其中一条链上的核苷酸排列顺序可以决定另一条链上的核苷酸顺序。据此推测,在复制过程中,首先DNA双螺旋的两条多核苷酸链之间氢键断裂,双链解开,然后每条链各自作为模板,以脱氧核糖核苷酸为原料,按照碱基配对规律,合成新的互补链。这样形成的两个子代DNA分子与原来的亲代DNA分子的核苷酸顺序完全相同。在此过程中,每个子代分子的一条链来自亲代DNA,另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。实验证明,DNA半保留复制的方式是正确的。由于DNA在代谢上的稳定性,经过许多代的复制,DNA分子上的遗传信息仍可传给后代。

(二)参与复制的酶类

DNA的复制过程极为复杂,但其速度甚快,这是由于许多酶参与了复制过程。

1.DNA聚合酶(DNA polymerase)。四种脱氧核糖核苷酸(dNTP,N代表A、T、G、C四种碱基)是DNA合成的原料。在原有DNA模板链存在时,DNA聚合酶催化四种dNTP通过与模板链的碱基互补规律,合成新的DNA链,故此酶又被称为DNA指导的DNA聚合酶(DNa directed DNA polymerase,缩写为DDDP)。

值得注意的是,DNA聚合酶不能自行从头合成DNA链,而必须有一个原有的多核苷酸链作为引物,DNA聚合酶只能在引物的3′末端上逐步合成DNA链。由此可见,DNA链的合成方向是从5′端至3′端进行的。

无论在原核细胞或真核细胞中,均存在着多种DNA聚合酶,它们的性质不完全相同。目前认为,在真核细胞中,DNA聚合酶α在复制中起关键作用,而DNA聚合酶β主要在DNA损伤的修复中起作用。

2. 引物酶。由于DNA聚合酶不能自行从头合成DNA链,因此在复制过程中首先需要合成一小段RNA的多核苷酸链作引物,在这段RNA引物的基础上引导DNA链的合成,催化RNA引物合成的酶是引物酶,实际上它是一种特殊的RNA聚合酶。

3.DNA连接酶。因为复制过程中,DNA链的合成方向只能由5′端→3′端方向进行,因此其中有一条新链的合成是不连续的。起初生成的是许多短链。需要DNA连接酶将它们连接起来。

4.参与DNA解旋、解链的酶及因子。已知DNA具有超螺旋结构。复制时必须松弛DNA模板的超螺旋结构,并使DNA的双链分开,暴露碱基,否则不可能在模板上按碱基配对原则合成新的互补DNA链。松驰模板DNA超螺旋,分开双链主要由拓扑异构酶,解链酶及DNA结合蛋白等来完成。

(三)DNA复制的过程

DNA复制大致可分为以下几个阶段。

1.起始与引物RNA的合成

DNA复制有固定的起始部位,在真核细胞DNA双链上有多个起始部位。复制时,解链酶等先使DNA的一段双链解开,形成复制点。这个复制点的形状象一个叉子,故称为复制叉。引物酶能辩认起始部位,并以四种核糖核苷酸为底物,以解开的一段DNA链为模板,按5′-3′方向合成RNA片段。在这一阶段只合成了引物RNA,为DNA链的合成做好了准备工作。

2.DNA片段的生成

在细胞内,DNA的两条链都可作为模板,同时合成两条DNA链。由于DNA两条链是反向平行的,即一条链是5′→3′方向,而另一条链则是3′→5′方向。但是,DNA聚合酶催化DNA链的合成只能顺着5′→3′方向进行。因此,在新的DNA链中有一条连续合成的(称前导链),而另一条是不连续合成的(称随从链。在随从链合成过程中,先合成的是较短的片段(称为冈崎片段),然后将这些片段再连结起来,形成完整的DNA链。冈崎片段的合成方向仍然是5′→3′,反应直至下一个引物RNA的5′端为止。

3.RNA引物的水解

DNA片段合成一定长度后,链中的RNA引物被核酸酶水解而切掉。此时出现的缺口由DNA片段继续延长而填补。

4.完整的DNA分子的形成

相邻的两个DNA片段在DNA连接酶作用下连接起来,形成大分子DNA链,与其对应的模板DNA链一起生成子代双螺旋DNA,即完整的DNA分子。

DNA复制过程十分准确,极少发生错误,由此保证了子代DNA与亲代DNA分子完全相同,这是遗传稳定性的重要基础。某些因素可使DNA结构改变,则导致子代DNA结构的相应变化,称为遗传的变异。

(转自 MRSA基因分子诊断)

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