第1章核酸的分子结构性质和功能

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1、第第1章章 核酸核酸的分子结的分子结构、性质和功能构、性质和功能核酸研究的历史核酸研究的历史 核酸的发现：1868年结构的研究：19世纪末期和20世纪初期功能的研究：20世纪上半叶第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能1928年Frederick Griffith的肺炎球菌转化实验首先发现了遗传物质第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能1943年Oswald Avery等对肺炎球菌的转化做进一步的实验说明遗传物质是DNA，不是蛋白质。第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能1952年Hershey Chase的噬菌体转

2、导实验则彻底证明了DNA是遗传物质。1969年他获得诺贝尔医学生理奖。 第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能1953年到了年到了DNA的双螺旋的双螺旋结构被揭示出结构被揭示出来之后，绝大来之后，绝大多数的人认为多数的人认为DNA是遗传物是遗传物质了质了。 第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能后来又发现了RNA病毒病毒，它们以RNA为遗传物质HIV第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能近来发现的朊病毒，是否说明，除了DNA RNA外，蛋白质也有可能充当

3、遗传物质？第一节第一节 DNA的结构和功能的结构和功能第二节第二节 RNA的结构和功能的结构和功能第三节第三节 核酸的分子杂交核酸的分子杂交第四节第四节 反义核酸和药物反义核酸和药物第五节第五节 病毒核酸病毒核酸本章主要内容本章主要内容第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能一、一、DNA的的一级一级结构构与种属的差异与种属的差异DNA的的一级结构一级结构就是指脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸通过3，5磷酸二酯键磷酸二酯键连接起来的线性多聚体以及脱氧核糖核苷酸的排列顺序。第一节第一节 DNA的结构和功能的结构和

4、功能第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA一级结构的两种表示方法第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能不同物种的DNA差异就在于各自DNA的一级结构不同，即组成DNA的脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同。 基因组计划就是测定不同物种DNA含有的核苷酸数量和排列顺序。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能 现在发现，不同物种的DNA含有的成分是不同的，细菌噬菌体的DNA几乎都被用来编码基因，而较高等的生物中，不编码的DNA比例逐渐提高，原来称之为“垃圾D

5、NA”，现在发现有重要的功能。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA中包含有哪些信息？ 一方面是生物生长发育所必需的基因，另外含有调节这些基因需要的指令。 另外，目前还发现人类的多种疾病、肿瘤的发生等都与DNA有关。 因此DNA被认为是细胞内最重要的物质，其中包含的秘密还需要人类去探索揭开。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA中包含有外星人写入的信息？ 澳大利亚天体生物学家保罗戴维斯在2004年8月7日最新一期新科学家杂志上发表了一个惊人观点：外星文明也许早将他们的“兴衰史”和对人类的“欢迎词”写进了我们的细胞DNA中，只有当

6、人类的科技发展到某个特定阶段，才能读懂DNA中那些由外星人留下的“加密信息”！第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能DNA中包含有外星人写入的信息？ ConTACTinG humAns musT be frusTrATinG if They miss The messAGe ThAts stArinG Them in The fACe, says Paul Davies 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能二、二、DNA的的二级结构二级结构-双螺旋模型双螺旋模型就是指两条脱氧多核苷酸链反向平行排列所形成的双螺旋结构。 第第1章章 核酸的分子

7、结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核酸的二级结构有多种形式核酸的二级结构有多种形式ABZ第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能这些不同的形态均是DNA的结构发生改变的结构，以适应DNA行使不同的功能。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA的结构的变化，一般都发生在染色体DNA正在行使其功能的局部局部区域区域，而不是全部。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能单链核酸还可以形成一些特殊的二级结构发卡结构(茎环结构)第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第第1章章 核酸的分子结构

8、、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能十字型结构十字型结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能三、三、DNA的三级结构的三级结构DNA的的三级三级结构结构是指在是指在DNA双螺双螺旋的结构基础上，旋的结构基础上，DNA进一步扭曲进一步扭曲所形成的特定的所形成的特定的空间结构。空间结构。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能超螺旋是DNA三级结构的主要形式。超螺旋又有正、负之分。 正常细胞内有一种酶叫做“拓扑异构酶”，专门负责改变DNA的拓扑结构。DNA在复制、转录等的时候，其空间拓扑结构均要发生变化。再次强调，DNA这些空间结构的变化都是

9、属于局部变化！不是整条DNA链都超螺旋！第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能四、四、DNA的的三三链链结构结构是指DNA中单链与双链之间、双链与双链之间的相互作用而形成的三链或四链结构。这时碱基之间的配对方式不是常见的Watson-Crick式的。最常见的是分子内的局部H-DNA结构。三链核酸（三链核酸（H-DNA）第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能另外在DNA重组时候也可能发生局部的三链结构，线形染色体的末段的回折也会形成四链结构等。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能这种DNA的三级结构在细胞中是天然存在

10、的，确切的生理功能还不十分清楚，有待于进一步研究。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第二节第二节 RNA的的结构构RNA的一级结构概念与DNA的一级结构概念相同，不同的是RNA是一种单链分子，分子量也比较小。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能RNA的二级结构主要是分子内的局部双链，形成类似A-DNA的二级结构，这种结构有助于保持RNA分子的结构稳定；不能形成双链的区域则形成环状突起。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能RNA的二级结构的二级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功

11、能RNA的二级结构的二级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能RNase P的二级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tRNA的二级结构的二级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能16 S rRNA 和 5S rRNA 的二级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能不同的RNA分子的三级结构是不同的。RNA分子的单链、环状结构与双螺旋结构之间的相互作用产生了RNA复杂的三级结构。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能另外，在一些复杂的超分子结构中，

12、RNA分子和蛋白质结合，执行一定的生理功能，其中的RNA分子还要与蛋白质分子相互作用，如核糖体、核酶。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核糖体核糖体第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核糖体的核糖体的50S亚基亚基结构构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能一种一种核酶核酶第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能四膜虫中的核酶四膜虫中的核酶第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能目前发现RNA分子的种类和功能都比以前所想象的要丰富的多。 microRNA（miR

13、NA）：小RNA small interfering RNAs (siRNAs)：小干扰RNA， 核酶 催化RNA 反义RNA（antisense RNA）mRNA tRNA rRNA第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能 tmRNA 核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA） 核内小RNA （small nuclear RNA, snRNA） 胞浆小RNA (small cytoplasmic RNA, scRN) 主要存在于细胞质内。 snoRNA (snoRNA)：核仁小RNA， 引物RNA 指导RNA （guide RN

14、A，gRNA） 端粒RNA第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能一、一、mRNA、tRNA、rRNA(一) mRNA和hnRNA1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中，基因DNA位于细胞核内，而蛋白质是在细胞质中合成的，因此要有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至细胞质中。后来的研究发现证实，这种中间物就是mRNA。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能mRNA是细胞内合成蛋白质的模板，但真核细胞和原核细胞的mRNA在组成核特点上有很大不同。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能在

15、真核生物中，最初由DNA转录生成的RNA(称为mRNA前体)不能直接作为蛋白质合成的模板，经过加工后才能做模板使用的mRNA称为成熟mRNA，只有成熟的mRNA才被运输到细胞质中指导蛋白质的合成。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能在对前体mRNA进行加工的过程中，会产生一系列大小不同的mRNA，这些中间产物称为核内核内不均一不均一RNA (heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能原核细胞原核细胞的的mRNA结构结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和

16、功能真核细胞的mRNA结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能真核与原核的真核与原核的mRNA差异还体现在：差异还体现在：mRNA的5端的特殊结构帽子结构mRNA的3端的特殊结构尾巴结构mRNA刚被转录出来时内含子的有无？一条mRNA中包含几个开放阅读框(ORF)?第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(二) tRNA1957年由Crick提出假说，认为在蛋白质合成过程中，应该有一种小分子在氨基酸和mRNA模板之间起着接头作用，后来在实验中的确发现。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tRNA分子有100多种，

17、各携带一种氨基酸，将其转运到核糖体中参与蛋白质的合成。tRNA由70120个核苷酸构成，各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tRNA典型的三叶草结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tRNA的三级结构第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tRNA几个特点几个特点携带氨基酸的氨基酸臂3末端反密码子臂反密码子环含有较多的稀有密码子额外环是分类的重要指标同功tRNA携带同种氨基酸的tRNA副密码子(第二套遗传密码)决定tRNA携带何种氨基酸的序列特

18、征第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(三) 核糖体RNA(rRNA) 核糖体RNA (ribosomal RNA)是细胞内含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%以上。核糖体的另外一个主要成分是蛋白质，有几十种，核糖体大亚基中的蛋白称为rpl，在小亚基中的称rps。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核糖体核糖体的组成的组成第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能小核小核RNA(small nuclear RNA，snRNA)存在于真核细胞的细胞核内，是一类称为小核核蛋白体复小核核蛋白体复合体合体(snRNP

19、)的组成成分，有U1，U2，U4，U5，U6snRNA等，均为小分子核糖核酸，其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的剪接，并且在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中也起着十分重要的作用。二、其他二、其他RNA分子分子(一) 核内小RNA和细胞质中的小RNA第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核仁小核仁小RNA(snoRNA)，它们与rRNA前体的加工有关，包括断裂、甲基化、假尿嘧啶核苷的形成。另一特点是，snoRNA不是由其单独的基因所编码，而是由切除的内含子片段加工而成，有近 200种类型 。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结

20、构、性质和功能小胞浆RNA (scRNA, small cytosol RNA)又称为7SL RNA，长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位于粗面内质网上所需的信号识别体(signal recognization particle)的组成成分。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(二) 引物RNA 和指导RNA引物RNA 是指DNA复制时作为聚合酶起始引物而合成的一段RNA。指导RNA 是指mRNA在转录后的编辑中负责核苷酸插入或删除的RNA分子。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(三) 端粒RNA和核酶RNA 端粒端粒

21、RNA 端粒RNA，是端粒酶的重要组成部分，参与线性染色体的末端复制。端粒酶与细胞的衰老死亡有一定的关系。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核酶核酶, 有催化功能的RNA，20世纪80年代由Cech 和Altman首先发现RNA具有催化功能。自然界存在的核酶既可以催化分子内反应，也可以催化分子间反应。目前在实验室中也可以通过“分子进化”手段产生“人工核酶”。还产生自然界不存在的“DNA核酶”。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义反义RNA（antisense RNA）：对基因表达和细胞功能具有重要的调节功能。反义RNA通过与靶基因序

22、列互补而结合，或直接阻止其功能，或改变靶部位的构象而影响其功能。 (四) 其他种类的RNA分子第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能microRNA（miRNA）：小）：小RNAsmall interfering RNAs (siRNAs)：小干扰：小干扰RNA， 这两类RNA分子都是长度为21-25个核苷酸的RNA分子，可以调节细胞内mRNA的翻译。这种调节是通过降解目标mRNA分子或不降解RNA分子但是减弱或阻止其翻译来进行的。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能tmRNA 存在于细菌内，发现于20世纪80年代。tmRNA同时具备信使

23、RNA和转录RNA的功能，它是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分子之一。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能现在认为现在认为RNA分子在生物体中的作用主要有以下几种：分子在生物体中的作用主要有以下几种：（1）在遗传信息的翻译中起着非常重要的作）在遗传信息的翻译中起着非常重要的作用。有用。有3种种RNA分子共同完成：分子共同完成：mRNA、tRNA和和rRNA。（2）具有催化功能和其他的持家功能。）具有催化功能和其他的持家功能。如发现如发现了许多的具有催化活性的核酶了许多的具有催化活性的核酶，染色体的结构染色体的结构RNA，噬菌体的装配，噬菌体的装配RNA等。

24、等。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（3）RNA转录后的加工和修饰要依赖于各类小RNA和其蛋白质复合物。RNA转录后的信息加工过程十分复杂，包括切割、修饰、异构、附加、拼接、编辑和再编辑等等，这些过程一般都需要一些特殊的RNA分子参与。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（4）对基因的表达和细胞功能具有重要的调节功能。如反义RNA、microRNA等。这方面的进展很快，发现了RNA的许多重要的生理功能。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（5）在生物的进化中起重要的作用。）在生物的进化中起重要的作用。“RN

25、A世界世界”的假说提出对的假说提出对“DNA中心中心”的观点是一个非常大的冲击。这种学说的观点是一个非常大的冲击。这种学说认为世界上首先出现的大分子是认为世界上首先出现的大分子是RNA，它同时具有，它同时具有DNA和蛋白质两种分子和蛋白质两种分子的功能。后来才慢慢产生了的功能。后来才慢慢产生了DNA分子分子和蛋白质分子。和蛋白质分子。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能一、一、核酸核酸分子杂交的基本原理分子杂交的基本原理第三节第三节 核酸分子的杂交核酸分子的杂交将不同的DNA分子混合在一起，复性时不同DNA分子之间序列相同或相似的部分也可以结合在一起，形成杂种的DN

26、A分子（整体或局部），这种 DNA的复性叫做杂交。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核酸的杂交*第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能核酸杂交可以发生在核酸杂交可以发生在DNA与与DNA之间、之间、DNA与与RNA之间、之间、DNA与与RNA之间。之间。核酸杂交时，两种核酸分子可以都位于液体中(称为液相杂交液相杂交),也可以有一种被固定在某种介质上，杂交反应仍在液体中进行(称为固相杂交固相杂交)。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能二、核酸杂交的探针及标记二、核酸杂交的探针及标记探针(probe)一般是指一段

27、已知序列的核苷酸片段，长度从几十到几千个核苷酸长度不等，能够与靶分子特异性结合。探针的标记探针的标记就是指探针与能够产生强烈信号的基团或原子或配体结合的过程。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能三、核酸杂交的类型和应用常见的几种核酸杂交形式有Southern 杂交、Northern杂交、菌落原位杂交、生物芯片等。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能Southern 杂交1975年由英国科学家Southern发明，将靶基因变性后固定在膜上进行的杂交。探针可以使用DNA或RNA。动画：Southern杂交第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能

28、核酸的分子结构、性质和功能Northern 杂交1977年由Alwine建立并经过Thomas改进。是指检测RNA的杂交，探针使用RNA或DNA，操作过程与Southern杂交类似。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能菌落原位杂交菌落原位杂交*不需将DNA从细菌中提取出来，直接使菌体裂解，DNA释放出来，并固定在支持介质上，然后进行杂交的方法，适合于大规模筛选。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能生物芯片（biochip）生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一

29、体的高度交叉的新技术。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，一次就可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量等不足。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能生物芯片的概念来源于计算机芯片(chip)，实质是在面积不大的基片表面上按照一定的次序排列了一系列固定在一定位置的的可以识别的生物分子（蛋白质或核酸）。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能随后的分子之间的结合或反应在同一条件下进行，反应的结果应用放射

30、性同位素或非同位素方法显示，然后使用特定的仪器扫描并记录结果，再通过计算机软件分析实验结果。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能早期的生物芯片主要是用于早期的生物芯片主要是用于DNA的序列测定、基因表达分析和基的序列测定、基因表达分析和基因突变体的检测，所以称为因突变体的检测，所以称为DNA芯片或基因芯片芯片或基因芯片(gene chip)，但，但是后来，这一技术已经扩展到免是后来，这一技术已经扩展到免疫反应，受体结合等非核酸领域，疫反应，受体结合等非核酸领域，所以称为生物芯片更为合适。所以称为生物芯片更为合适。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、

31、性质和功能其实生物芯片的主要原理还是核酸或蛋白其实生物芯片的主要原理还是核酸或蛋白质之间的杂交，只是将核酸固定的手段以质之间的杂交，只是将核酸固定的手段以及杂交后检测的手段不同，以及核酸的密及杂交后检测的手段不同，以及核酸的密度不同，使用芯片一次可以同时做多次反度不同，使用芯片一次可以同时做多次反应，避免了多次实验之间条件的差异，同应，避免了多次实验之间条件的差异，同时需要的样品的量少、可以大规模操作等。时需要的样品的量少、可以大规模操作等。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成光导原位合成或微量点样微量点样等方法，将大量

32、生物大分子比如核酸片段、多肽分子分子甚至组织切片组织切片、细胞细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能根据芯片上的固定的探针不同根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理根据原理还有元件型微阵列芯片元件型微阵列芯片、通道型微阵列通道型微阵

33、列芯片芯片、生物传感芯片生物传感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片芯片。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已经被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列微阵列(DNA Microarray)。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA微阵列微阵列有寡核苷酸芯片、有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和芯片和Genomic芯片之分，芯片之分，

34、第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能基因芯片的应用领域基因芯片的应用领域 用基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。（1） 基因表达水平的检测基因表达水平的检测第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（2） 基因诊断基因诊断 从正常人的基因组中分离出DNA，与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。 现在

35、，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯现在，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步开始进入市场。基因诊断是基因芯片中最具有商业逐步开始进入市场。基因诊断是基因芯片中最具有商业化价值的应用。化价值的应用。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(3) 药物筛选药物筛选 如何分离和鉴定药的有效成份是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选、通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机理，即可以利用基因芯片分析

36、用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。 生物芯片技术使得药物筛选，靶基因鉴别和新药生物芯片技术使得药物筛选，靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片测试的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片药物筛选技术工作目前刚刚起步。这一技术具有药物筛选技术工作目前刚刚起步。这一技术具有很大的潜在应用价值。很大的潜在应用价值。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（4） 个体化医疗个体化医疗 临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异（单核苷

37、酸多态性，SNP），导致对药物产生不同的反应。 在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。 利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（5） 测序测序 基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Mark chee等用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能（6） 生物信息学研究生物信息学研

38、究 人类基因组计划完成后的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能，后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。基因的功能并不独立的基因的功能并不独立的, 基因之间的复杂的相互基因之间的复杂的相互作用组成了一张交错复杂的立体的关系网。我作用组成了一张交错复杂的立体的关系网。我们现在需要站在更高的层次全面的理解这种相们现在需要站在更高的层次全面的理解这种相互关系，全面了解不同个体基因变异、不同组互关系，全面了解不同个体基因变异、不同组织、不同时间、不同生命状态等的基因表达差织、不同时间、不同生命状态等的基因表达差异信息，并找出其中规律。异信息，并找出其中规律

39、。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能生物信息学将在这个过程中扮演至关重要的角色。基因芯片技术就是为实现这一环节而建立的，使对个体生物信息进行高速、并行采集和分析成为可能，必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台，成为基因组信息学研究的主要技术支撑。 基因芯片技术可以允许研究人员同时测定基因芯片技术可以允许研究人员同时测定成千上万个基因的作用方式，几周内获得成千上万个基因的作用方式，几周内获得的信息用其它方法需要几年才能得到。的信息用其它方法需要几年才能得到。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能在实际应用方面，生物芯片技

40、术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能DNA芯片技术*基因芯片研究基因表达差异*第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能芯片上短核苷酸的合成*第第1章章 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能其他形式的杂交，名称各异，如斑点杂交、狭缝杂交、噬菌斑杂交等，只是形式的差异，本质上还是Southern 或Northern杂交。第第1章章

41、 核酸核酸的分子结构、性质和功能的分子结构、性质和功能第四节第四节 反义核酸反义核酸及药物及药物一、一、反义核酸反义核酸概述概述反义核酸反义核酸指根据碱基互补原理，人工合成或细胞中天然存在的特定互补的DNA或RNA片段（或其衍生物），它们可以与特定的基因相互作用，通过空间位阻效应或诱导RNAase活性的降解作用，在基因的复制转录剪接以及mRNA的运输翻译等水平上抑制或封闭目的基因的表达。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义核酸反义核酸最初是指可以与mRNA互补结合的一段寡核苷酸片段，所以又叫寡核苷酸寡核苷酸。后来发现反义寡核苷酸不仅可以与单链mRNA结合，还可以

42、与双链DNA结合形成三链核酸。反义核酸发挥作用一般是作用于目的基因的以下区域：（1）mRNA的5端非翻译区，核糖体结合位点等（2）mRNA的5端编码区，起始密码子等（3）mRNA的5端帽子形成位点（4）前体mRNA外显子和内含子结合位点等（5）mRNA的polyA的形成部位（6）阻止mRNA的成熟和向细胞质中的运输等另外，反义核酸与目的基因形成二聚体后容易被降解，并且二聚体也促进了自身剪辑的修饰。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义核酸在细胞质和细胞核中均可以发挥作用，但是实际作用效果有所不同。与许多因素有关。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构

43、、性质和功能二、二、反义技术反义技术与药物与药物反义核酸技术反义核酸技术就是指利用人工合成或细胞天然的与特定基因互补的DNA或RNA片段或其衍生物来抑制或封闭特定基因的表达技术。目前已经发展到第3代。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第一代技术第一代技术 反义反义DNA是指利用人工合成的与待封闭的基因的某一区段互补的正常或经过化学修饰的DNA片断，用来抑制或封闭这一特定基因的表达。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义DNA可以分为几种情况：(1) 正常的正常的DNA片段片段 ：正常的DNA片段，分子带负电(2) 甲基磷酸型甲基磷酸型

44、DNA片段片段 ：DNA磷上的羟基由甲基取代，分子不带电荷(3) 硫代磷酸型硫代磷酸型DNA片段片段：DNA磷上的羟基由巯基取代，分子带负电荷第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(4) 双硫代磷酸型双硫代磷酸型DNA片段片段：在硫代磷酸型DNA片段基础上，将磷位上没有参与形成磷酸二酯键的另外一个氧也用硫取代，抑制核酸酶的能力更强，但是对细胞的毒性也更强。(5) -构型的构型的DNA片段片段，与mRNA的结合能力更强（以上的所有反义DNA均为型）(6) 其他其他各种反义各种反义DNA片段的末端化学修饰片段的末端化学修饰，为了弥补以上各种DNA片段的不足之处。第第1章章

45、 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第二代技术第二代技术 反义反义RNA反义RNA是指其核苷酸序列与其所调控的RNA序列互补的RNA片段。它可以与目的基因的RNA形成双链复合物，从而影响到基因的表达，对目的基因起到调节的作用。反义RNA可以通过人工合成得到也可以利用重组DNA技术得到。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能第三代技术第三代技术 肽核酸（肽核酸（PNA）肽核酸肽核酸(PNA)是在特定的肽链上连接上不同的碱基，即使用类氨基多肽链类氨基多肽链代替核酸中的核糖磷酸骨架核糖磷酸骨架，并按照一定的序列结合上不同的标准的碱基ATCG所形成的肽核酸，

46、这种肽核酸可以与其互补的DNA或RNA特异结合，从而抑制基因的表达。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能肽核酸对靶基因的结合能力强，稳定性好，容易吸收，在体内具有内切酶活性和抑制端粒酶的作用。利用肽核酸研制成的药物被称为第三代反义寡核苷酸药物。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义核酸技术的应用反义核酸技术的应用 反义核酸技术的出现是分子生物学中的一项革命，给人们提供了前所未有的新的探索自然、研究生命奥秘的新工具。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(1) 为基因的分析提供了更好的研究手段，为基因的分析提供了

47、更好的研究手段，不需要改变基因的结构，就可以分析简单不需要改变基因的结构，就可以分析简单或复杂生物体内的基因的功能，而常规手或复杂生物体内的基因的功能，而常规手段则必须对生物的基因组进行突变改造，段则必须对生物的基因组进行突变改造，过程复杂。而且这种方法的一大优点就是过程复杂。而且这种方法的一大优点就是高度特异地抑制某一种高度特异地抑制某一种mRNA的翻译，不的翻译，不影响其他基因的正常表达。影响其他基因的正常表达。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能(2) 以标记的反义RNA或反义DNA为探针进行原位杂交，可以在细胞或亚细胞的水平上对基因的表达进行定位研究和定量研

48、究。(3) 特异抑制一些基因的表达，从而研究特异抑制一些基因的表达，从而研究一些基因在癌或一些基因在癌或恶性性肿瘤瘤发病中的作用，病中的作用，从而从而为疾病的基因治疾病的基因治疗做基做基础准准备。(4) 疾病的早期诊断。反义RNA的灵敏度高。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能基因治疗基因治疗20世纪80年代初美国加州大学Cline首次对-珠蛋白生成障碍性贫血患者进行基因治疗尝试时遭到人们的非议，但时隔10年，分子生物学飞速发展，改变了人们的思维。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能1990年9月14日，在马里兰州贝塞斯达国家保健研究所

49、医疗中心，一位因患遗传性腺苷脱氨酶（腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）缺乏症）缺乏症导致抵抗力下降的4岁女孩，接受了医生们用经处理的腺病毒为载体，将正常ADA基因导入患儿的白细胞中，并表达了正常的ADA，成为第一个接受基因治疗并获成功的患者。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能近来基因研究不断深入，基因治疗的概念也有所发展，不仅可导导入正常基因入正常基因以纠正遗传性疾病的基因缺陷，也可导入特定的导入特定的DNA、RNA片段片段以封闭或抑制特定基因的表达，即反义技术治疗肿瘤或病毒感染等疾病。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结

50、构、性质和功能反义技术基因治疗反义技术基因治疗就就是利用反义核酸是利用反义核酸的的作用，导入细胞内抑制或封闭基因表达作用，导入细胞内抑制或封闭基因表达的技术的技术，达到治疗的目的。达到治疗的目的。 第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能反义核酸用于基因治疗发展较快，如反义核酸最佳作用靶点的选择，采用化学修饰方法提高反义核酸在细胞内的稳定性，常用硫修饰，形成硫代反义核酸硫代反义核酸，为了便于反义核酸导入细胞，反义核酸常只有10-30bp大小。有时还用脂质体或微囊包装反义核酸，或以逆转录病毒作为载体等，提高反义核酸的稳定性和导入效率，从而提高治疗效果。 第第1章章 核酸的

51、分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能虽然基因治疗已部分应用于临床并获虽然基因治疗已部分应用于临床并获得成功，但尚属研究阶段，导入基因得成功，但尚属研究阶段，导入基因的稳定性，表达时效等问题尚待解决。的稳定性，表达时效等问题尚待解决。特别是外来基因导入引起的伦理讨论特别是外来基因导入引起的伦理讨论尚无定论尚无定论 。第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能近年来，科学家们发现，细胞内有一些长度为22-25个核苷酸长度的RNA可以非常特异地抑制一些基因的表达，从而产生另外一项反义技术反义RNA技术，在分子生物学的理论研究和医学疾病治疗方面提供了一种崭新的工具。本章完本章完第第1章章 核酸的分子结构、性质和功能核酸的分子结构、性质和功能