脫氧核糖核酸 DNA

脫氧核糖核酸 DNA

有關該主題的非技術性介紹,請參見遺傳學簡介。對於其他用途,請參見DNA(歧義消除)。

DNA 雙螺旋的結構。結構中的原子由元素按顏色區分,兩個鹼基對的詳細結構在右下方顯示。

DNA 雙螺旋結構的一部分結構

脫氧核糖核酸(/ d 我ɒ ķ 小號ɪ ˌ ř aɪ b oʊ NJ ù ˌ ķ 升我ɪ ķ, – ˌ ķ 升eɪ – / (聽)關於這個聲音 ; 的DNA)是雙鏈,組成的分子線圈彼此圍繞形成雙螺旋,攜帶遺傳指令,用於所有已知生物的發育,功能,生長和繁殖和許多病毒。DNA和核糖核酸(RNA)是核酸;除了蛋白質,脂質和複雜的碳水化合物(多糖)外,核酸是對所有已知生命形式必不可少的四種主要大分子類型之一。

這兩條DNA鏈也被稱爲多核苷酸,因爲它們由稱爲核苷酸的簡單單體單元組成。 每個核苷酸均由四個含氮核鹼基(胞嘧啶 [C],鳥嘌呤 [G],腺嘌呤 [A]或胸腺嘧啶 [T]),稱爲脫氧核糖的糖和磷酸基團之一組成。核苷酸通過一個核苷酸的糖與另一個核苷酸的磷酸之間的共價鍵在鏈中相互連接,從而產生交替的 糖磷酸骨架。根據鹼基配對規則(A和T,C和G,帶有鹼基),兩條分開的多核苷酸鏈的含氮鹼基通過氫鍵結合在一起,形成雙鏈DNA。互補的含氮鹼基分爲嘧啶和嘌呤兩類。在DNA中,嘧啶爲胸腺嘧啶和胞嘧啶;嘌呤是腺嘌呤和鳥嘌呤。

雙鏈DNA的兩條鏈都存儲相同的生物學信息。當兩條鏈分開時,將複製此信息。DNA的很大一部分(對於人類而言,超過98%)是非編碼的,這意味着這些部分不能用作蛋白質序列的模式。DNA的兩條鏈彼此相反,因此是反平行的。與每種糖連接的是四種類型的核鹼基之一(非正式地,鹼基)。沿着主鏈的這四個核鹼基的序列編碼遺傳信息。RNA鏈是在以下過程中以DNA鏈爲模板創建的轉錄,其中DNA鹼基交換爲其相應的鹼基,但胸腺嘧啶(T)除外,後者用RNA代替尿嘧啶(U)。根據遺傳密碼,這些RNA鏈在稱爲翻譯的過程中指定蛋白質內氨基酸的序列。

在真核細胞中,DNA被組織成稱爲染色體的長結構。在典型的細胞分裂之前,這些染色體在DNA複製過程中被複制,從而爲每個子細胞提供了一整套染色體。真核生物(動物,植物,真菌和原生生物),店內大部分內的DNA的細胞核的核DNA,有的在線粒體中的線粒體DNA或葉綠體的葉綠體DNA。相比之下,原核生物(細菌和古細菌)僅將其DNA存儲在細胞質中的圓形染色體中。在真核染色體內,染色質蛋白(例如組蛋白)會緊實並組織DNA。這些壓縮結構指導DNA與其他蛋白質之間的相互作用,幫助控制DNA的哪些部分被轉錄。

DNA最早是由分離弗雷德里希·米歇爾在1869年它的分子結構最初是由鑑定弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在卡文迪什實驗室的內劍橋大學在1953年,其模型建設努力進行引導X射線衍射通過採集的數據雷蒙德高斯林,誰是一個後研究生羅莎琳德·富蘭克林在倫敦國王學院。研究人員將DNA用作探索物理定律和理論的分子工具,例如遍歷定理和彈性理論。DNA獨特的材料特性使其成爲對微細加工和納米加工感興趣的材料科學家和工程師的誘人分子。該領域的顯着進步是DNA摺紙和基於DNA的雜化材料。

DNA的化學結構;氫鍵以虛線顯示

DNA是由稱爲核苷酸的重複單元組成的長聚合物,每個重複單元通常用一個字母表示:A,T,C或G。 DNA的結構沿其長度是動態的,即能夠捲成緊密的圈和其他形狀。在所有物種中,它都是由兩個螺旋鏈組成的,這些螺旋鏈通過氫鍵相互結合。兩條鏈都繞相同的軸盤繞,並且具有相同的間距,即34 埃(Å)(3.4 納米)。這對鏈的半徑爲10埃(1.0納米)。根據另一項研究,在不同溶液中進行測量時,DNA鏈的寬度爲22至26埃(2.2至2.6納米),一個核苷酸單元的長度爲3.3埃(0.33納米)。儘管每個核苷酸都很小,但DNA聚合物可能非常大,並且包含數億個核苷酸,例如1號染色體。1 號染色體是人類最大的染色體,大約有2.2億個鹼基對,如果拉直,則長度爲85毫米。

DNA通常不以單鏈形式存在,而是以緊密結合在一起的一對鍊形式存在。 這兩條長鏈互相纏繞,呈雙螺旋狀。核苷酸既包含分子主鏈的一部分(將鏈保持在一起),又包含核鹼基(與螺旋中的另一條DNA鏈相互作用)。與糖連接的核鹼基稱爲核苷,與糖和一個或多個磷酸基團連接的鹼基稱爲核苷酸。包含多個連接的核苷酸(如在DNA中)的生物聚合物稱爲多核苷酸。

DNA鏈的主鏈由交替的磷酸基和糖基組成。 DNA中的糖是2-脫氧核糖,是戊糖(五碳)糖。糖通過在相鄰糖環的第三和第五個碳原子之間形成磷酸二酯鍵的磷酸基團連接在一起。這些被稱爲3′-末端(三個主要末端)和5′-末端(五個主要末端)碳,主要符號用於區分這些碳原子與脫氧核糖形成糖苷鍵的鹼基的碳原子。因此,任何DNA鏈通常在其一端具有連接至核糖5’碳原子的磷酸基團(5’磷酸基),而在其另一端具有與羥基的3’碳原子相連的遊離羥基。核糖(3’羥基)。沿着糖-磷酸主鏈的3’和5’碳原子的方向賦予每個DNA鏈方向性(有時稱爲極性)。在覈酸雙螺旋中,一條鏈中核苷酸的方向與另一條鏈中的方向相反:這些鏈是反平行的。DNA鏈的不對稱末端被稱爲具有五個主要末端(5’)和三個主要末端(3’)的方向性,其中5’末端具有末端磷酸基,而3’末端具有末端羥基。DNA和RNA之間的一個主要區別是糖,DNA中的2-脫氧核糖被RNA中的另一種戊糖核糖取代。

DNA的一部分。基座水平位於兩條螺旋線之間(動畫版本)。

DNA雙螺旋主要通過兩個力來穩定:核苷酸之間的氫鍵和芳族核鹼基之間的鹼基堆積相互作用。在DNA中發現的四個鹼基是腺嘌呤(A),胞嘧啶(C),鳥嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)。如對腺苷一磷酸所示,這四個鹼基與糖-磷酸相連形成完整的核苷酸。腺嘌呤與胸腺嘧啶配對,鳥嘌呤與胞嘧啶配對,形成AT和GC 鹼基對。

核鹼基分類

核鹼基分爲兩類:嘌呤,A和G(稠合五元和六元雜環化合物)和嘧啶,六元環C和T。第五嘧啶核鹼基尿嘧啶( U)通常在RNA中取代胸腺嘧啶,與胸腺嘧啶的區別在於其環上缺少甲基。除RNA和DNA外,還創建了許多人工核酸類似物來研究核酸的性質或用於生物技術中。

非規範基礎

修飾的鹼基存在於DNA中。首先認識到的這些是5-甲基胞嘧啶,其於1925年在結核分枝桿菌的基因組中發現。細菌病毒(噬菌體)中存在這些非規範性鹼基的原因是爲了避免細菌中存在限制性酶。該酶系統至少部分充當分子免疫系統,以保護細菌免受病毒感染。胞嘧啶和腺嘌呤鹼基的修飾,更常見和修飾的DNA鹼基在動植物基因表達的表觀遺傳控制中起着至關重要的作用。

DNA中發現的非規範鹼基列表

已知在DNA中存在許多非規範鹼基。其中大多數是對規範鹼基加尿嘧啶的修飾。

修飾的腺苷

改良鳥嘌呤

修飾的胞嘧啶

修飾胸苷

尿嘧啶和修飾

其他

DNA主溝和次溝。後者是Hoechst染色染料33258 的結合位點。

凹槽

雙螺旋鍊形成DNA骨架。可能會發現另一個雙螺旋,描繪了股線之間的空間或凹槽。這些空隙與鹼基對相鄰並且可以提供結合位點。由於股線相對於彼此不對稱地定位,所以凹槽的尺寸不相等。一個凹槽(主凹槽)的寬度爲22 埃,另一個凹槽(次凹槽)的寬度爲12埃。主凹槽的寬度意味着在主凹槽中比在副凹槽中更容易接近基座的邊緣。結果,可以與雙鏈DNA中特定序列結合的蛋白質(例如轉錄因子)通常與暴露在主溝中的鹼基的側面接觸。這種情況在細胞內DNA的異常構象中有所不同(見下文),但長槽和小槽總是被命名以反映大小差異,如果將DNA扭轉回普通的B形式則會看到這種差異。

鹼基配對

更多信息:鹼基對

在DNA雙螺旋結構中,一條鏈上的每種核鹼基均與另一條鏈上的一種核鹼基鍵合。這稱爲互補鹼基配對。嘌呤與嘧啶形成氫鍵,腺嘌呤僅在兩個氫鍵中與胸腺嘧啶鍵合,而胞嘧啶僅在三個氫鍵中與鳥嘌呤鍵合。跨雙螺旋結合在一起的兩個核苷酸的這種排列稱爲沃森-克里克鹼基對。GC含量高的DNA 比GC含量低的DNA更穩定。Hoogsteen鹼基對是鹼基配對的罕見變體。由於氫鍵不共價,它們可以相對容易地被斷開和重新加入。DNA的雙螺旋的兩條鏈因而可以通過機械力或高拉開像拉鍊,無論溫度。由於這種鹼基對的互補性,DNA螺旋的雙鏈序列中的所有信息在每條鏈上均重複存在,這對DNA複製至關重要。互補鹼基對之間這種可逆的特異性相互作用對於生物體中DNA的所有功能至關重要。

頂部,帶有三個氫鍵的GC鹼基對。底部,有兩個氫鍵的AT鹼基對。配對之間的非共價氫鍵顯示爲虛線。

如上所述,大多數DNA分子實際上是兩條聚合物鏈,它們通過非共價鍵以螺旋方式結合在一起。這種雙鏈(dsDNA)結構主要是通過鏈內鹼基堆疊相互作用來維持的,這對於G,C堆疊最強。兩條鏈可以分開(稱爲融化的過程),形成兩個單鏈DNA(ssDNA)分子。熔融在高溫,低鹽和高pH下發生(低pH也會使DNA熔融,但是由於DNA因酸脫嘌呤而不穩定,因此很少使用低pH)。

dsDNA形式的穩定性不僅取決於GC含量(%G,C鹼基對),還取決於序列(因爲堆積是序列特異性的)和長度(更長的分子更穩定)。可以通過多種方式來測量穩定性。常用的方法是“熔化溫度”,即50%的ds分子轉化爲ss分子的溫度。熔化溫度取決於離子強度和DNA濃度。結果,決定DNA兩條鏈之間締合強度的是GC鹼基對的百分比和DNA雙螺旋的總長度。具有較高GC含量的長DNA螺旋具有較強的相互作用鏈,而具有較高AT含量的短螺旋具有較弱的相互作用鏈。在生物學中,需要容易分離的DNA雙螺旋部分(例如某些啓動子中的TATAAT Pribnow盒)往往具有較高的AT含量,使鏈更容易分開。

在實驗室中,可以通過找到打破一半氫鍵所需的溫度(其熔化溫度(也稱爲T m值))來測量這種相互作用的強度。當DNA雙螺旋中的所有鹼基對融化時,鏈分離並以兩個完全獨立的分子形式存在於溶液中。這些單鏈DNA分子沒有單一的共同形狀,但是某些構象比其他構象更穩定。

理性與反義

更多信息:感官(分子生物學)

如果DNA序列與翻譯成蛋白質的信使RNA拷貝的序列相同,則稱爲“有義”序列。相反鏈上的序列稱爲“反義”序列。有義和反義序列都可以存在於同一條DNA鏈的不同部分上(即,兩條鏈都可以包含有義和反義序列)。在原核生物和真核生物中,都產生了反義RNA序列,但是這些RNA的功能尚不完全清楚。一項建議是反義RNA 通過RNA-RNA鹼基配對參與調控基因表達。

原核生物和真核生物中的一些DNA序列,質粒和病毒中的其他DNA序列由於具有重疊基因而模糊了有義和反義鏈之間的區別。在這些情況下,某些DNA序列起雙重作用,當沿着一條鏈讀取時編碼一種蛋白質,而當沿着另一條鏈以相反方向讀取時編碼第二種蛋白質。在細菌中,這種重疊可能參與基因轉錄的調控,而在病毒中,重疊的基因增加了小病毒基因組內可編碼的信息量。

超卷

更多信息:DNA超螺旋

在稱爲DNA超螺旋的過程中,DNA可以像繩子一樣扭曲。當DNA處於“鬆弛”狀態時,鏈通常每隔10.4個鹼基對繞雙螺旋的軸一次,但是如果DNA扭曲,則鏈會變得更緊密或更鬆散地纏繞。如果DNA沿螺旋方向扭曲,則爲正超螺旋,鹼基更緊密地保持在一起。如果它們沿相反的方向扭轉,則這是負超卷,並且基座更容易分開。自然界中,大多數DNA都有輕微的負超螺旋現象,這種超螺旋現象是由稱爲拓撲異構酶的酶引入的。還需要這些酶來減輕在轉錄和DNA複製等過程中引入到DNA鏈中的扭曲應力。

從左到右,A,B和Z DNA的結構

替代DNA結構

更多信息:核酸的分子結構:一種脫氧核糖核酸結構,DNA分子模型,和DNA結構

DNA以許多可能的構象存在,包括A-DNA,B-DNA和Z-DNA形式,儘管在功能有機體中僅直接觀察到B-DNA和Z-DNA。 DNA採用的構象取決於水合水平,DNA序列,超螺旋的數量和方向,鹼基的化學修飾,金屬離子的類型和濃度以及溶液中多胺的存在。

關於A-DNA X射線衍射圖譜以及B-DNA 的第一份公開報告使用基於Patterson變換的分析,該分析僅提供了定向DNA纖維的有限數量的結構信息。 Wilkins 等人隨後提出了另一種分析方法。1953年,根據貝塞爾函數的平方,針對高水合DNA纖維在體內的 B-DNA X射線衍射散射圖譜。在同一本雜誌上,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克介紹了他們的分子模型DNA X射線衍射圖譜的分析表明該結構是雙螺旋。

儘管B-DNA形式在細胞條件下最常見,它不是明確定義的構象,而是一系列相關的DNA構象,它們以細胞中存在的高水合水平發生。它們相應的X射線衍射和散射圖樣是具有明顯無序度的分子副晶體的特徵。

與B-DNA相比,A-DNA形式是更寬的右旋螺旋,具有較淺的較寬的次要凹槽和較窄且較深的主要凹槽。A形式在非生理條件下發生在部分脫水的DNA樣品中,而在細胞中可能以DNA和RNA鏈的雜合配對以及酶-DNA複合物的形式產生。 鹼基已被甲基化化學修飾的DNA片段,其構象可能發生較大變化,並採用Z形式。此處,股線以左旋螺旋繞螺旋軸旋轉,與更常見的B形相反。這些異常的結構可以被特定的Z-DNA結合蛋白識別,並可能參與轉錄調控。

替代DNA化學

多年來,外生生物學家提出存在影子生物圈,這是地球上假定的微生物生物圈,其使用的生化和分子過程與目前已知的生命完全不同。提議之一是存在使用砷代替DNA中磷的生命形式。2010年發表了關於GFAJ-1 細菌 可能性的報告, 儘管該研究存在爭議 ,但有證據表明該細菌積極地阻止了砷摻入其中。 DNA主鏈和其他生物分子。

四重結構

更多信息:G-四鏈體

線性染色體的末端是稱爲端粒的DNA特化區域。這些區域的主要功能是允許細胞使用端粒酶複製染色體末端,因爲正常複製DNA的酶不能複製染色體的3’末端。這些專門的染色體帽還有助於保護DNA末端,並阻止細胞中的DNA修復系統將其視爲需要糾正的損傷。在人類細胞中,端粒通常是包含簡單TTAGGG序列的數千個重複序列的單鏈DNA的長度。

由端粒重複序列形成的DNA四鏈體。DNA主鏈的環狀構象與典型的DNA螺旋結構非常不同。中心的綠色球代表鉀離子。

這些富含鳥嘌呤的序列可以通過形成四鹼基單位的堆疊集合的結構而不是其他DNA分子中常見的鹼基對來穩定染色體末端。在此,四個鳥嘌呤鹼基形成平板,然後將這些平坦的四鹼基單元彼此堆疊,以形成穩定的G-四鏈體結構。這些結構通過鹼基邊緣之間的氫鍵結合和每個四個鹼基單元中心的金屬離子螯合來穩定。也可以形成其他結構,其中四個基部的中央組來自圍繞基部摺疊的單股或多個不同的平行股,每個基部爲中央結構貢獻一個基部。

除了這些堆疊結構之外,端粒還形成稱爲端粒環或T環的大環結構。在這裏,單鏈DNA在端粒結合蛋白穩定的長圓形中捲曲。在T環的最末端,單鏈端粒DNA通過端粒鏈破壞雙螺旋DNA和與兩條鏈之一的鹼基配對而被固定在雙鏈DNA區域上。這種三鏈結構稱爲位移環或D環。

單支

多個分支

分支的DNA可以形成包含多個分支的網絡。

分支DNA

更多信息:分支DNA和DNA納米技術

在DNA中,當DNA的互補雙鏈末端存在非互補區時,會發生磨損。但是,如果引入DNA的第三條鏈,則可能會出現分支的DNA,並且包含能夠與先前存在的雙鏈的磨損區域雜交的鄰接區域。儘管最簡單的分支DNA實例僅涉及DNA的三條鏈,但涉及其他鏈和多個分支的複合物也是可能的。支鏈DNA可用於納米技術中以構建幾何形狀,請參見下文有關技術用途的部分。

人工基地

主條目:核酸類似物

已經合成了幾種人工核鹼基,併成功地將其併入稱爲八王子DNA的八鹼基DNA類似物中。這些人工鹼基被稱爲S,B,P和Z,它們能夠以可預測的方式彼此結合(SB和PZ),保持DNA的雙螺旋結構,並被轉錄爲RNA。它們的存在暗示着地球上進化的四種天然核鹼基沒有什麼特別之處。

胞嘧啶

5-甲基胞嘧啶

胸腺嘧啶

具有和不具有5-甲基的胞嘧啶的結構。脫氨基將5-甲基胞嘧啶轉化爲胸腺嘧啶。

鹼基修飾和DNA包裝

更多信息:DNA甲基化和染色質重塑

基因的表達受DNA如何包裝在染色體上的染色質結構影響。鹼基修飾可參與包裝,具有低或無基因表達的區域通常含有高水平的胞嘧啶鹼基甲基化。DNA包裝及其對基因表達的影響也可以通過對DNA包裹在染色質結構中的組蛋白核心進行共價修飾,或者通過染色質重塑複合物進行重塑來實現(參見染色質重塑)。此外,DNA甲基化與組蛋白修飾之間存在串擾,因此它們可以協調影響染色質和基因表達。

舉例來說,胞嘧啶甲基化產生5-甲基胞嘧啶,這對於染色體的X-失活很重要。甲基化的平均水平因生物體而異-線蟲秀麗隱杆線蟲缺乏胞嘧啶甲基化,而脊椎動物的甲基化水平較高,其DNA中最多有1%含有5-甲基胞嘧啶。儘管5-甲基胞嘧啶很重要,但它可以脫氨而留下胸腺嘧啶鹼基,因此甲基化的胞嘧啶特別容易發生突變。其他鹼基修飾包括細菌中的腺嘌呤甲基化,5-羥甲基胞嘧啶的存在在腦,和糖基化尿嘧啶以產生“J-基”在動質體。

損傷

更多信息:DNA損傷(自然發生),突變和衰老的DNA損傷理論

甲共價 加合物之間代謝活化的形式苯並[ 一個 ]芘,主要的誘變劑在菸草煙霧,和DNA

DNA可以被多種誘變劑破壞,從而改變DNA序列。突變體包括氧化劑,烷基化劑以及高能電磁輻射,例如紫外線和X射線。產生的DNA損傷的類型取決於誘變劑的類型。例如,紫外線可以通過產生胸腺嘧啶二聚體來破壞DNA,胸腺嘧啶二聚體是嘧啶鹼基之間的交聯。另一方面,氧化劑例如自由基或過氧化氫會產生多種形式的損壞,包括鹼基修飾(尤其是鳥苷修飾)和雙鏈斷裂。一個典型的人類細胞包含約150,000個遭受氧化損傷的鹼基。在這些氧化損傷中,最危險的是雙鏈斷裂,因爲這些斷裂難以修復,並且會產生點突變,插入,DNA序列缺失和染色體易位。這些突變可能導致癌症。由於DNA修復機制的固有侷限性,如果人類壽命足夠長,他們最終都會患上癌症。 由於產生活性氧的正常細胞過程,細胞水的水解活性等,自然也會發生天然的 DNA損傷。儘管這些損傷中的大多數已被修復,但是儘管修復過程起作用,但在任何細胞中仍可能殘留一些DNA損傷。隨着年齡的增長,這些剩餘的DNA損傷會在哺乳動物的有絲分裂後組織中累積。這種積累似乎是衰老的重要根本原因。

許多誘變劑適合兩個相鄰鹼基對之間的空間,這稱爲插入。大多數嵌入劑是芳香族和平面分子;例子包括溴化乙錠,a 啶,道諾黴素和阿黴素。爲了使插入劑適合鹼基對之間的插入,鹼基必須分開,並通過展開雙螺旋結構扭曲DNA鏈。這會抑制轉錄和DNA複製,從而導致毒性和突變。結果,DNA嵌入劑可能是致癌物,而對於沙利度胺而言,可能是致畸劑。其他,例如苯並[α ] py二醇環氧化合物和黃麴黴毒素形成可引起復制錯誤的DNA加合物。然而,由於其抑制DNA轉錄和複製的能力,其他相似的毒素也被用於化學療法中以抑制迅速生長的癌細胞。

真核生物核DNA在染色體內的位置

DNA通常在真核生物中以線性染色體出現,在原核生物中以環狀染色體出現。細胞中的染色體組構成其基因組 ; 在人類基因組中具有DNA的約3十億鹼基對佈置到46條染色體。通過DNA攜帶的信息中保持序列的DNA片段的稱爲基因。傳輸基因中遺傳信息的獲取是通過互補鹼基配對實現的。例如,在轉錄中,當細胞使用基因信息時,DNA序列通過DNA與正確的RNA核苷酸之間的吸引力被複製爲互補的RNA序列。通常,此RNA副本隨後會在稱爲翻譯的過程中用於生成匹配的蛋白質序列,該過程取決於RNA核苷酸之間的相同相互作用。以另一種方式,細胞可以簡單地以稱爲DNA複製的過程複製其遺傳信息。這些功能的詳細信息將在其他文章中介紹。這裏的重點是DNA與其他介導基因組功能的分子之間的相互作用。

基因和基因組

更多信息:細胞核,染色質,染色體,基因和非編碼DNA

基因組DNA在稱爲DNA縮合的過程中緊密而有序地堆積,以適應細胞的少量可用空間。在真核生物中,DNA位於細胞核中,少量存在於線粒體和葉綠體中。在原核生物中,DNA被保留在細胞質中不規則形狀的體內,稱爲核仁。基因組中的遺傳信息被保存在基因中,而有機體中該信息的完整集合稱爲其基因型。基因是遺傳的一個單元,是影響生物體特定特徵的DNA區域。基因包含一個開放閱讀框架可以被轉錄,調控序列,如啓動子和增強子,開放讀碼框的哪個控制轉錄。

在許多物種中,基因組總序列中只有一小部分編碼蛋白質。例如,僅約1.5%的人類基因組由蛋白質編碼外顯子組成,而超過50%的人類DNA由非編碼重複序列組成。真核生物基因組中存在大量非編碼DNA的原因以及物種之間基因組大小或C值的巨大差異代表了一個長期存在的難題,即“ C值謎 ”。但是,某些不編碼蛋白質的DNA序列仍可能編碼功能性非編碼RNA分子,它們參與基因表達的調控。

T7 RNA聚合酶(藍色)從DNA模板(橙色)產生mRNA(綠色)

一些非編碼DNA序列在染色體中發揮結構性作用。端粒和着絲粒通常包含很少的基因,但對染色體的功能和穩定性很重要。 人類中非編碼DNA的豐富形式是假基因,它們是由於突變而被禁用的基因的副本。這些序列通常只是分子化石,儘管它們有時可作爲通過基因複製和發散過程創建新基因的原始遺傳材料。

轉錄和翻譯

更多信息:遺傳密碼,轉錄(遺傳)和蛋白質生物合成

基因是包含遺傳信息並可以影響生物表型的DNA序列。在基因內,沿着DNA鏈的鹼基序列定義了信使RNA序列,然後定義了一個或多個蛋白質序列。基因的核苷酸序列與蛋白質的氨基酸序列之間的關係由翻譯規則(統稱爲遺傳密碼)確定。遺傳密碼由由三個核苷酸(例如ACT,CAG,TTT)的序列形成的三個字母的“ 密碼”組成。

在轉錄中,基因的密碼子通過RNA聚合酶複製到信使RNA中。然後,核糖體對該RNA拷貝進行解碼,該核糖體通過將信使RNA鹼基配對以轉移帶有氨基酸的RNA來讀取RNA序列。由於3個字母的組合中有4個鹼基,因此有64個可能的密碼子(4 3個 組合)。它們編碼二十種標準氨基酸,使大多數氨基酸具有不止一種可能的密碼子。還有三個“終止”或“廢話”密碼子表示編碼區的末端。這些是TAA,TGA和TAG密碼子。

DNA複製:雙螺旋是退繞由解旋酶和拓撲異構酶。接着,一種DNA聚合酶產生前導鏈拷貝。另一種DNA聚合酶與落後的鏈結合。在DNA連接酶將它們連接在一起之前,這種酶會形成不連續的片段(稱爲Okazaki片段)。

複寫

更多信息:DNA複製

細胞分裂對於生物體的生長至關重要,但是,當細胞分裂時,它必須在其基因組中複製DNA,以便兩個子細胞具有與其父代相同的遺傳信息。DNA的雙鏈結構爲DNA複製提供了一種簡單的機制。在這裏,兩條鏈分開,然後通過一種稱爲DNA聚合酶的酶來重建每條鏈的互補DNA序列。該酶通過互補鹼基配對找到正確的鹼基並將其結合到原始鏈上,從而形成了互補鏈。由於DNA聚合酶只能沿5’到3’方向延伸DNA鏈,因此使用了不同的機制來複制雙螺旋的反平行鏈。這樣,舊鏈上的鹼基決定了新鏈上出現的鹼基,並且細胞最終以其DNA的完美拷貝結束。

細胞外核酸

裸露的細胞外DNA(eDNA)大部分是通過細胞死亡釋放的,在環境中幾乎無處不在。其在土壤中的濃度可能高達2μg/ L,在自然水生環境中的濃度可能高達88μg/ L。已經提出了eDNA的各種可能功能:它可能參與水平基因轉移;它可能提供營養;並且它可以充當吸收或滴定離子或抗生素的緩衝劑。細胞外DNA在幾種細菌的生物膜中充當功能性細胞外基質成分。它可以作爲識別因子來調節生物膜中特定細胞類型的附着和擴散。它可能有助於生物膜的形成;它可能有助於生物膜的物理強度和對生物壓力的抵抗力。

在母親的血液中發現無細胞的胎兒DNA,可以對其進行測序以確定有關胎兒發育的大量信息。

DNA的所有功能都取決於與蛋白質的相互作用。這些蛋白質相互作用可以是非特異性的,或者蛋白質可以特異性結合單個DNA序列。酶也可以與DNA結合,其中,在轉錄和DNA複製中複製DNA鹼基序列的聚合酶尤爲重要。

DNA結合蛋白

更多信息:DNA結合蛋白

DNA(橙色)與組蛋白(藍色)的相互作用。這些蛋白質的鹼性氨基酸與DNA上的酸性磷酸基團結合。

結合DNA的結構蛋白是非特異性DNA-蛋白相互作用的很好理解的例子。在染色體內,DNA與結構蛋白形成複合體。這些蛋白質將DNA組織成稱爲染色質的緊湊結構。在真核生物中,這種結構涉及DNA與稱爲組蛋白的小鹼性蛋白複合物的結合,而在原核生物中,涉及多種類型的蛋白。 組蛋白形成稱爲核小體的盤狀複合物,其中包含兩個完整的纏繞在其表面的雙鏈DNA匝。這些非特異性相互作用是通過組蛋白中的鹼性殘基形成的,從而形成離子鍵與DNA的酸性糖-磷酸主鏈相連,因此在很大程度上與鹼基序列無關。這些基本氨基酸殘基的化學修飾包括甲基化,磷酸化和乙酰化。這些化學變化改變了DNA與組蛋白之間相互作用的強度,使DNA或多或少地可被轉錄因子接近並改變了轉錄速率。染色質中的其他非特異性DNA結合蛋白包括可與彎曲或扭曲的DNA結合的高遷移率族蛋白。這些蛋白質在彎曲核小體陣列並將它們排列成組成染色體的更大結構中很重要。

一組獨特的DNA結合蛋白是特異性結合單鏈DNA的DNA結合蛋白。在人類中,複製蛋白A是該家族中最容易理解的成員,可用於分離雙螺旋的過程,包括DNA複製,重組和DNA修復。這些結合蛋白似乎穩定了單鏈DNA,並保護其不形成莖環或被核酸酶降解。

λ阻遏物螺旋-轉-螺旋轉錄因子與其DNA靶標結合

相反,其他蛋白質已經進化爲結合特定的DNA序列。其中最深入研究的是各種轉錄因子,它們是調節轉錄的蛋白質。每個轉錄因子與一組特定的DNA序列結合,並激活或抑制具有這些序列與其啓動子接近的基因的轉錄。轉錄因子以兩種方式完成此操作。首先,它們可以直接或通過其他介體蛋白結合負責轉錄的RNA聚合酶。這將聚合酶定位在啓動子上,並使其開始轉錄。或者,轉錄因子可以結合酶在啓動子上修飾組蛋白。這改變了DNA模板對聚合酶的可及性。

由於這些DNA靶標可以遍及生物體的整個基因組,因此一種轉錄因子的活性變化會影響成千上萬的基因。因此,這些蛋白質通常是控制環境變化或細胞分化和發育反應的信號轉導過程的靶標。這些轉錄因子與DNA相互作用的特異性來自與DNA鹼基邊緣進行多次接觸的蛋白質,從而使它們能夠“讀取” DNA序列。這些基礎相互作用中的大多數是在最容易接近基礎的主要凹槽中進行的。

的限制性內切酶 EcoRV位(綠色)中的複合物與它的底物DNA

DNA修飾酶

核酸酶和連接酶

核酸酶是通過催化磷酸二酯鍵的水解而切割DNA鏈的酶。從DNA鏈末端水解核苷酸的核酸酶稱爲核酸外切酶,而核酸內切酶則在鏈內切割。分子生物學中最常用的核酸酶是限制性內切核酸酶,可切割特定序列的DNA。例如,左側所示的EcoRV酶識別6個鹼基的序列5′-GATATC-3’,並在水平線上進行切割。在自然界中,這些酶可以保護細菌免受噬菌體的侵害當噬菌體DNA進入細菌細胞時,將其消化,這是限制性修飾系統的一部分。在技​​術上,這些序列特異性核酸酶用於分子克隆和DNA指紋識別。

稱爲DNA連接酶的酶可以重新連接切割或斷裂的DNA鏈。在滯後鏈 DNA複製中,天茄特別重要,因爲它們將在複製叉處產生的DNA短片段連接在一起,成爲DNA模板的完整副本。它們還用於DNA修復和基因重組。

拓撲異構酶和解旋酶

拓撲異構酶是同時具有核酸酶和連接酶活性的酶。這些蛋白質改變了DNA中的超螺旋量。這些酶中的一些通過切割DNA螺旋並允許一個區段旋轉來工作,從而降低其超螺旋水平。然後酶密封DNA斷裂。這些酶的其他類型能夠切割一個DNA螺旋,然後在重新加入螺旋之前使第二條DNA鏈穿過此斷裂。拓撲異構酶是涉及DNA的許多過程所必需的,例如DNA複製和轉錄。

解旋酶是一種分子運動蛋白。它們使用中的化學能的三磷酸核苷,主要是三磷酸腺苷(ATP),打破鹼基之間的氫鍵和放鬆DNA雙螺旋成單鏈。這些酶對於大多數需要酶進入DNA鹼基的過程都是必不可少的。

聚合酶

聚合酶是酶即合成從多核苷酸鏈的三磷酸核苷。其產品的序列是基於現有的多核苷酸鏈(稱爲模板)創建的。這些酶通過在生長的多核苷酸鏈末端的3′ 羥基重複添加核苷酸來發揮作用。結果,所有聚合酶均在5’至3’方向上起作用。在這些酶的活性位點,進入模板的核苷三磷酸鹼基對:這允許聚合酶準確合成其模板的互補鏈。聚合酶根據其使用的模板類型進行分類。

在DNA複製中,依賴DNA的DNA聚合酶複製DNA多核苷酸鏈。爲了保存生物學信息,至關重要的是每個副本中的鹼基序列必須與模板鏈中的鹼基序列精確互補。許多DNA聚合酶具有校對活性。在此,聚合酶識別出由於錯配核苷酸之間缺乏鹼基配對而在合成反應中偶爾出現的錯誤。如果檢測到不匹配,則激活3’至5′ 核酸外切酶活性,並去除錯誤的鹼基。在大多數生物中,DNA聚合酶在一種稱爲複製體的大型複合物中起作用,該複合物中包含多個輔助亞基,例如DNA鉗或解旋酶。

RNA依賴性DNA聚合酶是一類特殊的聚合酶,可將RNA鏈的序列複製到DNA中。它們包括逆轉錄酶和端粒酶,逆轉錄酶是一種逆轉錄病毒感染細胞的病毒酶,端粒酶是端粒複製所必需的。 例如,HIV逆轉錄酶是用於AIDS病毒複製的酶。端粒酶是一種不尋常的聚合酶,因爲它包含自己的RNA模板作爲其結構的一部分。它合成端粒在染色體末端。端粒可防止相鄰染色體末端的融合,並保護染色體末端不受損害。

通過DNA依賴性RNA聚合酶進行轉錄,該酶將DNA鏈的序列複製到RNA中。爲了開始轉錄基因,RNA聚合酶與稱爲啓動子的DNA序列結合並分離DNA鏈。然後,它將基因序列複製到信使RNA轉錄物中,直到到達稱爲終止子的DNA區域,然後在該區域終止並與DNA分離。與人類依賴DNA的DNA聚合酶一樣,RNA聚合酶II是一種轉錄人類基因組大多數基因的酶,它是具有多個調控和輔助亞基的大型蛋白質複合體的一部分。

基因重組中霍利迪交界中間體的結構。四個獨立的DNA鏈分別染成紅色,藍色,綠色和黃色。

更多信息:基因重組

重組涉及兩個染色體(M和F)的斷裂和重新結合,以產生兩個重排的染色體(C1和C2)。

DNA螺旋通常不與DNA的其他片段相互作用,在人類細胞中,不同的染色體甚至佔據了原子核中稱爲“ 染色體領地 ”的獨立區域。不同染色體的這種物理分離對於DNA充當穩定的信息存儲庫的能力非常重要,因爲染色體發生相互作用的幾次次數之一是發生在有性繁殖時發生的基因重組中的染色體交換。染色體交叉是指兩個DNA螺旋斷裂,交換一個片段,然後重新結合。

重組使染色體可以交換遺傳信息併產生新的基因組合,從而提高了自然選擇的效率,並且在新蛋白質的快速進化中可能很重要。遺傳重組也可以參與DNA修復,尤其是細胞對雙鏈斷裂的反應。

染色體交換的最常見形式是同源重組,其中涉及的兩個染色體共享非常相似的序列。非同源重組可能會損壞細胞,因爲它會產生染色體易位和遺傳異常。重組反應被稱爲重組酶的酶(如RAD51)催化。重組的第一步是由核酸內切酶或DNA損傷引起的雙鏈斷裂。部分被重組酶催化的一系列步驟隨後導致至少兩個霍利迪結連接兩個螺旋,其中每個螺旋中的一條單鏈片段與另一螺旋中的互補鏈退火。霍利迪結是一種四面體結結構,可以沿着一對染色體移動,將一條鏈換成另一條。然後通過切割連接處和釋放的DNA重新連接來終止重組反應。在重組過程中,只有極性相似的鏈交換DNA。卵裂有兩種類型:東西卵裂和南北卵裂。南北向的切割切斷了兩條DNA鏈,而東西向的切割則切斷了一條DNA鏈。重組過程中霍利迪連接的形成使遺傳多樣性,基因在染色體上交換以及野生型病毒基因組的表達成爲可能。

更多信息:RNA世界假說

DNA包含遺傳信息,可以使所有形式的生命發揮功能,生長和繁殖。然而,目前尚不清楚DNA 在40億年的生命史中執行了多長時間,因爲有人提出最早的生命形式可能已使用RNA作爲其遺傳物質。 RNA可能擔任早期的中央部分細胞的新陳代謝,因爲它可以既發送遺傳信息並進行催化作爲其一部分的核酶。這個古老的RNA世界,曾經將核酸用於催化和遺傳學,可能已經影響了進化基於四個核苷酸鹼基的當前遺傳密碼。這將發生,因爲這種生物中不同鹼基的數量是在增加複製精度的少量鹼基與增加核酶催化效率的大量鹼基之間的權衡。但是,沒有直接證據表明古老的遺傳系統,因爲從大多數化石中回收DNA是不可能的,因爲DNA在環境中的生存時間不到一百萬年,並在溶液中緩慢降解成短片段。已經提出了對較舊DNA的主張,最著名的是關於從2.5億年曆史的鹽晶體中分離出活細菌的報道,但是這些主張是有爭議的。

DNA的結構單元(腺嘌呤,鳥嘌呤和相關的有機分子)可能是在外太空形成的。 還可以在實驗室中,在模擬外太空發現的條件下,使用起始化學物質(如嘧啶),形成包括尿嘧啶,胞嘧啶和胸腺嘧啶在內的生命複雜的DNA和RNA 有機化合物。在隕石中發現。嘧啶,如多環芳烴(PAHs)是宇宙中發現的最富碳的化學物質,可能是由紅色巨人或星際宇宙塵埃和氣體雲形成的。

基因工程

更多信息:分子生物學,核酸方法和基因工程

已經開發出了從生物中純化DNA的方法,例如苯酚-氯仿提取,並在實驗室中對其進行了操作,例如限制性消化和聚合酶鏈反應。現代生物學和生物化學在重組DNA技術中大量使用了這些技術。重組DNA是由其他DNA序列組裝而成的人造DNA序列。通過使用病毒載體,它們可以以質粒的形式或適當的形式轉化爲生物。所述的基因修飾產生可用於產生產物的生物,如重組蛋白,在使用醫學研究,或在生長農業。

DNA分析

更多信息:DNA分析

法醫可以使用在犯罪現場發現的血液,精液,皮膚,唾液或頭髮中的DNA來識別個體(例如犯罪者)的匹配DNA。此過程正式稱爲DNA分析,也稱爲DNA指紋識別。在DNA分析中,比較人與人之間重複DNA可變部分(例如短串聯重複序列和小衛星)的長度。該方法通常是用於鑑定匹配DNA的極其可靠的技術。但是,如果場景被來自多個人的DNA污染,則識別可能會很複雜。 DNA分析技術是由英國遺傳學家亞歷克·傑弗里斯爵士(Sir Alec Jeffreys)於1984年開發的,在1988年的恩德比謀殺案中,法醫界首次將其用於定罪科林·皮克福克。

法醫學的發展以及現在能夠從血液,皮膚,唾液或頭髮的微小樣本中獲得基因匹配的能力,導致了許多病例的重新檢查。現在可以發現證據,這在原始檢查時是科學上不可能的。結合在某些地方取消雙重危險法,可以在先前的審判未能提供足夠的證據說服陪審團的情況下重新審理案件。被指控犯有嚴重罪行的人可能需要提供DNA樣本以進行匹配。對法醫獲得的DNA匹配最明顯的辯護是聲稱證據已發生交叉污染。這導致對新的嚴重犯罪案件採取了嚴格的嚴格處理程序。

通過與家人匹配,DNA譜分析還成功地用於確定大規模傷亡事件的受害者,嚴重事故中的身體或身體部位以及大規模戰爭墳墓中的個別受害者。

DNA譜圖也用於DNA親子鑑定,以確定某人是孩子的親生父母還是祖父母,當所謂的父母與孩子生物學相關時,其親子關係的概率通常爲99.99%。正常的DNA測序方法是在出生後發生的,但是有一種新的方法可以在母親仍然懷孕時測試親子鑑定。

DNA酶或催化DNA

更多信息:脫氧核酶

脫氧核酶,也稱爲DNA酶或催化性DNA,於1994年首次發現。它們大多是單鏈DNA序列,是通過稱爲體外選擇或指數富集的配體的系統進化的組合方法從大量隨機DNA序列中分離得到的(SELEX)。DNAzyme催化多種化學反應,包括RNA-DNA裂解,RNA-DNA連接,氨基酸磷酸化-去磷酸化,碳-碳鍵形成等。DNAzyme可以將化學反應的催化速率提高到未催化反應的100,000,000,000倍。最爲廣泛研究的DNA酶類別是RNA裂解類型,已被用於檢測不同的金屬離子和設計治療劑。已報道了幾種金屬特異性DNA酶,包括GR-5 DNA酶(鉛特異性), CA1-3 DNA酶(銅特異性), 39E DNA酶(鈾酰特異性)和NaA43 DNA酶(鈉特異性)。據報道,NaA43 DNAzyme對鈉的選擇性是其他金屬離子的10,000倍以上,被用於製造細胞中的實時鈉傳感器。

生物信息學

更多信息:生物信息學

生物信息學涉及存儲,數據挖掘,搜索和操縱生物數據(包括DNA 核酸序列數據)的技術的開發。這些導致了計算機科學的廣泛應用進展,尤其是字符串搜索算法,機器學習和數據庫理論。字符串搜索或匹配算法可以在較大的字母序列中找到字母序列的出現,因此可以搜索特定的核苷酸序列。的DNA序列可以被排列與其它的DNA序列,以確定同源序列並找到使它們與衆不同的特定突變。這些技術,尤其是多重序列比對,用於研究系統發生關係和蛋白質功能。代表整個基因組價值的DNA序列的數據集,例如人類基因組計劃產生的數據集,如果沒有註釋來標識每個染色體上的基因和調控元件的位置,就很難使用。可以通過基因發現算法識別具有與蛋白質或RNA編碼基因相關的特徵模式的DNA序列區域,這使研究人員可以預測特定基因的存在。基因產物及其在生物中的可能功能,甚至在通過實驗將其分離出來之前。整個基因組也可以進行比較,這可以闡明特定生物的進化歷史,並可以檢查複雜的進化事件。

DNA納米技術

左側的DNA結構(示意性顯示)將自動組裝爲右側原子力顯微鏡顯示的結構。DNA納米技術是利用DNA分子的分子識別特性來設計納米級結構的領域。圖片來自Strong,2004年。

更多信息:DNA納米技術

DNA納米技術利用DNA和其他核酸的獨特分子識別特性來創建具有有用特性的自組裝分支DNA複合物。因此,DNA被用作結構材料,而不是生物學信息的載體。這導致創建了二維週期性晶格(均基於圖塊並使用DNA摺紙方法)和多面體形狀的三維結構。 納米機械裝置和算法自組裝也得到了證明,這些DNA結構已用於模板化其他分子的排列,例如金納米顆粒和鏈黴親和素蛋白。

歷史與人類學

更多信息:系統發育學和遺傳譜系

由於DNA隨時間收集突變,然後被繼承,因此它包含歷史信息,並且通過比較DNA序列,遺傳學家可以推斷生物的進化歷史及其系統發育。系統發育學領域是進化生物學的有力工具。如果比較物種內的DNA序列,則種羣遺傳學家可以瞭解特定種羣的歷史。這可以用於從生態遺傳學到人類學的研究。

信息儲存

主條目:DNA數字數據存儲

DNA作爲信息存儲設備具有巨大的潛力,因爲與電子設備相比,DNA 具有更高的存儲密度。但是,高昂的成本,極慢的讀寫時間(內存等待時間)以及不足的可靠性阻礙了其實際使用。

更多信息:分子生物學的歷史

DNA首先由瑞士醫生Friedrich Miescher分離,他於1869年在廢棄的手術繃帶的膿液中發現了一種微觀物質。當它駐留在細胞核中時,他稱其爲“核蛋白”。 1878年,阿爾布雷希特·科塞爾(Albrecht Kossel)分離了“核酸”的非蛋白質成分,即核酸,後來分離出其五個主要核鹼基。

1909年,Phoebus Levene鑑定了RNA的鹼基,糖和磷酸核苷酸單位(當時稱爲“酵母核酸”)。 1929年,Levene在“胸腺核酸”(DNA)中鑑定了脫氧核糖。 Levene提出DNA由一串四個通過磷酸基團連接在一起的核苷酸單元組成(“四核苷酸假說”)。萊文(Levene)認爲這條鏈條很短,基數按固定順序重複。1927年,尼古拉·科爾佐夫(Nikolai Koltsov)提出,遺傳特徵將通過“巨大的遺傳分子”來繼承,這種遺傳分子由“兩條鏡面鏈組成,它們將以每條鏈爲模板,以半保守的方式複製”。1928年,弗雷德裏克·格里菲斯(Frederick Griffith)在他的實驗中發現,通過將滅活的“光滑”細菌與活“粗糙”形式混合,可以將“光滑”形式的肺炎球菌的性狀轉移到同一細菌的“粗糙”形式。 該系統提供了第一個明確的建議,即DNA攜帶遺傳信息。

在1933年,在研究處女海膽卵,吉恩·布拉切特建議DNA在所找到的細胞核和RNA是本專細胞質。當時,“酵母核酸”(RNA)僅在植物中發生,而“胸腺核酸”(DNA)僅在動物中發生。後者被認爲是四聚體,具有緩衝細胞pH的功能。

1937年,威廉·阿斯特伯裏(William Astbury)製作了第一批X射線衍射圖,表明DNA具有規則的結構。

1943年,奧斯瓦爾德·埃弗裏(Oswald Avery)以及同事科林·麥克勞德(Colin MacLeod)和麥克林·麥卡蒂(Maclyn McCarty)將DNA確定爲轉化原理,支持格里菲斯的建議(埃弗裏·麥克勞德·麥卡蒂實驗)。 1952年,阿爾弗雷德·赫爾希(Alfred Hershey)和瑪莎·蔡斯(Martha Chase)在赫爾希·切斯(Hershey-Chase)實驗中證實DNA是腸細菌噬菌體T2的遺傳物質時,DNA 在遺傳中的作用得到了證實。

後在1951年,弗朗西斯·克里克開始工作詹姆斯·沃森在卡文迪什實驗室的內劍橋大學。1953年2月,萊納斯·鮑林(Linus Pauling)和羅伯特·科裏(Robert Corey)提出了一種核酸模型,該模型包含三個相互纏繞的鏈,磷酸酯位於軸附近,鹼基位於外部。 1952年5月,雷蒙德·高斯林(Raymond Gosling)在羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin)的指導下工作的一名研究生拍攝了X射線衍射圖像,標爲“ 照片51 ”,在高水合水平的DNA下。這張照片是莫里斯·威爾金斯(Maurice Wilkins)交給沃森(Watson)和克里克(Crick)的,對他們獲得正確的DNA結構至關重要。富蘭克林告訴克里克和沃森,骨幹必須在外面。在此之前,萊納斯·鮑林(Linus Pauling)以及沃森和克里克(Watson and Crick)的模型是錯誤的,鏈條內側,而底座則朝外。她對DNA晶體的空間羣的識別向克里克揭示了兩條DNA鏈是反平行的。

1953年2月,沃森(Watson)和克里克(Crick)完成了他們的模型,該模型現已被接受爲DNA雙螺旋的第一個正確模型。1953年2月28日,克里克中斷了顧客在劍橋The Eagle 酒吧的午餐時間,宣佈他和沃森“發現了生活的祕密”。

在1953年4月25日的《自然》(Nature)雜誌上,發表了五篇系列文章,給出了沃森(Watson)和克里克(Crick)雙螺旋結構DNA以及支持它的證據。該結構在一封名爲“ 核酸分子結構的脫氧核糖核酸的結構”中進行了報道,他們說:“我們沒有注意到我們立即提出的特定配對提示了可能的複製機制,這沒有逃脫。遺傳物質。” 隨後是富蘭克林和高斯林的來信,這是他們自己的X射線衍射數據及其原始分析方法的第一本出版物。 隨後是威爾金斯和他的兩個同事的一封信,其中包含對體內 B-DNA X射線模式的分析,並支持沃森和克里克結構在體內的存在。

富蘭克林死後,1962年,沃森,克里克和威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。諾貝爾獎僅授予在世的獲獎者。關於誰應該爲這項發現獲得榮譽的辯論仍在繼續。

在1957年的一次有影響力的演講中,克里克提出了分子生物學的核心教條,該教條預言了DNA,RNA和蛋白質之間的關係,並闡明瞭“適配器假說”。最終證實了雙螺旋結構所暗示的複製機制,隨後於1958年通過Meselson-Stahl實驗進行了研究。克里克及其同事的進一步工作表明,遺傳密碼基於鹼基的不重疊三胞胎,稱爲密碼子,從而使哈爾·戈賓德·霍拉納,羅伯特·W·霍利和馬歇爾·沃倫·尼倫伯格能夠解密遺傳密碼。這些發現代表了分子生物學的誕生。

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