第一节　DNA的结构和功能

DNA的结构单位是脱氧核苷一磷酸（dNMP），包括一磷酸脱氧腺苷（dAMP）、一磷酸脱氧鸟苷（dGMP）、一磷酸脱氧胞苷（dCMP）和一磷酸胸苷（TMP），分别由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）等碱基与磷酸、脱氧核糖构成。脱氧核苷一磷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接构成线性DNA单链，这是DNA的一级结构。两股DNA链互补结合并形成右手双螺旋结构，这是DNA的二级结构。原核生物及病毒的共价闭合环状DNA进一步盘曲形成超螺旋结构；真核生物线性DNA与蛋白质及少量RNA结合，经过层层压缩，最终形成染色体结构，这些是DNA的三级结构。

一、DNA的一级结构

四种脱氧核苷一磷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接，构成DNA单链。

在DNA单链中，每个核苷酸的3′-羟基与相邻核苷酸的5′-磷酸基缩合，形成3′，5′-磷酸二酯键（受2′-羟基影响，RNA的3′，5′-磷酸二酯键不如DNA的稳定）。核酸主链又称骨架，由磷酸基与戊糖交替连接构成，碱基相当于侧链。

核酸链有方向性，即有两个不同的末端，分别称为5′端和3′端，5′端有游离磷酸基，是头；3′端有游离羟基，是尾。DNA链有几种书写方式，都是从头到尾，即5′→3′端书写，与核酸的合成方向一致。

不同DNA分子的长度及脱氧核苷一磷酸的排列顺序不同。核苷酸广义上包括脱氧核苷一磷酸，所以DNA的一级结构通常被定义为DNA的核苷酸序列（图1-1）。不同核苷酸只是碱基不同，所以核苷酸序列也称为碱基序列。

二、DNA的二级结构

DNA典型的二级结构为右手双螺旋结构。此外，DNA分子还存在局部左手双螺旋结构、十字形结构和三股螺旋结构等。

（一）右手双螺旋结构

1953年，Watson和Crick结合Chargaff规则及Franklin和Wilkins对DNA纤维X射线衍射图的研究，提出了经典的DNA二级结构模型——双螺旋结构模型（double helix model，图1-2）。

1.两股DNA链反向互补形成双链结构　在该结构中，DNA主链位于外面，碱基侧链位于内部（但是暴露于大沟和小沟内）。双链碱基形成Watson-Crick碱基配对（图1-3），即腺嘌呤（A）以两个氢键与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）以三个氢键与胞嘧啶（C）结合，这种配对称为碱基配对原则。由此，一股DNA链的核苷酸序列决定着另一股DNA链的核苷酸序列，两股DNA链称为互补链。

2.DNA双链进一步形成右手双螺旋结构　在双螺旋结构中，碱基平面与螺旋轴垂直，糖基平面与碱基平面接近垂直，与螺旋轴平行；双螺旋直径为2nm，每一螺旋含10bp（bp为双链核酸长度单位，1bp为1个碱基对），螺距为3.4nm，相邻碱基对之间的轴向距离为0.34nm；双螺旋表面有两道沟槽，相对较深、较宽的为大沟（轴向沟宽2.2nm），相对较浅、较窄的为小沟（轴向沟宽1.2nm）。

3.氢键和碱基堆积力维持DNA双螺旋结构的稳定性　碱基对氢键维持双链结构的横向稳定性，即双链结构。碱基对平面之间的碱基堆积力（base-stacking force，包括范德华力和疏水作用）维持双螺旋结构的纵向稳定性，即螺旋结构。

上述右手双螺旋结构模型是92%相对湿度下制备的DNA钠盐纤维的二级结构，称为B-DNA。在溶液状态下，B-DNA每一螺旋含10.4～10.5bp，螺距为3.6nm，且形成碱基对的两个碱基并非共面，而是形成螺旋桨结构。细胞内DNA几乎都以B-DNA结构存在。

（二）其他二级结构

DNA局部存在其他二级结构，例如A-DNA、Z-DNA（图1-4）、十字形结构、三股螺旋结构。

1.A-DNA　也是右手螺旋DNA，但与B-DNA相比大沟变窄变深，小沟变宽变浅。A-DNA双螺旋直径为2.6nm，每一螺旋含11bp，螺距为2.9nm。A-DNA是75%相对湿度下制备的DNA钠盐纤维的二级结构。在细胞内，某些DNA-蛋白质复合物中含A-DNA，RNA双链区及某些DNA-RNA杂交双链的二级结构与A-DNA一致。

2.Z-DNA　是左手螺旋DNA，是1979年Rich等用X射线衍射技术分析人工合成的DNA片段CGCGCG晶体时发现的。Z-DNA双螺旋主链呈锯齿状，其表面只有一道沟槽，相当于BDNA的小沟，窄而深。Z-DNA双螺旋直径为1.8nm，每一螺旋含12bp，螺距为4.5nm。研究表明，生物体内DNA中富含CpG的序列容易形成Z-DNA结构，其功能可能是参与基因表达调控或DNA重组。

3.十字形结构　双链DNA中存在许多反向重复序列（IR），这种序列可以形成十字形结构。这种结构可能有助于DNA与DNA结合蛋白（DBP）结合，影响基因表达。此外，大肠杆菌DNA复制起点也存在十字形结构（图1-5）。人类基因组约含5%的反向重复序列。

三、DNA的超螺旋结构

细菌、线粒体及某些病毒等的DNA具有闭环结构，即其两股链均呈环状，这种DNA称为共价闭合环状DNA（cccDNA，简称闭环DNA）。共价闭合环状DNA的三级结构是在双螺旋结构（松弛结构，relaxed molecule）基础上进一步盘绕形成的超螺旋（superhelix）结构。超螺旋有正超螺旋和负超螺旋两种，DNA依双螺旋方向进一步缠绕形成正超螺旋（positive supercoil）；DNA依双螺旋相反方向旋转形成负超螺旋（negative supercoil）。两股DNA形成的正超螺旋为右手超螺旋、负超螺旋为左手超螺旋。四股DNA形成的正超螺旋为左手超螺旋、负超螺旋为右手超螺旋（图1-6）。DNA在细胞内通常处于负超螺旋状态，这有利于其复制和转录。

四、染色体的结构

真核生物染色体DNA与组蛋白、非组蛋白及少量RNA在细胞分裂间期形成染色质结构，在细胞分裂期形成染色体结构，两者的主要区别是压缩程度（称为压缩比、包装比）不同。

作为遗传物质，染色体有以下特征：①分子结构相对稳定；②能够自主复制；③能够指导RNA和蛋白质合成，从而控制生命过程；④会发生可遗传的变异。

（一）染色体组成

染色体的主要成分是DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白，其中DNA和组蛋白含量稳定，含量比接近1∶1；RNA和非组蛋白含量则随着生理状态的变化而变化。

1.组蛋白（histone） 是真核生物染色体的基本结构蛋白。C端2/3序列富含疏水性氨基酸，N端1/3序列富含碱性氨基酸精氨酸（Arg）和赖氨酸（Lys）（表1-1）。组蛋白属于碱性蛋白质，等电点在10以上。

组蛋白有H1、H2A、H2B、H3和H4共五类，其中H2A、H2B、H3和H4称为核心组蛋白（core histone），H1称为连接DNA组蛋白（linker histone）。从一级结构上看，核心组蛋白高度保守，特别是H3和H4，没有明显的种属特异性和组织特异性，含量也很稳定，例如豆类（Ile60、Arg77）与牛（Val60、Lys77）的H4仅有两个氨基酸残基不同，人与酵母的组蛋白H4仅有9个氨基酸残基不同。连接DNA组蛋白H1在不同生物体、不同组织细胞中的差异较大，在个体发育过程中也有变化。组蛋白在维持染色体的结构和功能方面起关键作用。

2.非组蛋白（nonhistone） 大多数非组蛋白比组蛋白大，且富含酸性氨基酸，属于酸性蛋白质。非组蛋白种类繁多，具有种属特异性和组织特异性，并且在整个细胞周期中都有合成，而不像组蛋白仅在S期与DNA同步合成。非组蛋白既有支架蛋白（scaffold protein），又有酶和转录因子等，其主要功能是参与DNA折叠、复制、修复、重组，RNA合成与加工，调控基因表达。非组蛋白特性：

（1）种类多样性　有20～100种，占染色质蛋白的60%～70%，各组织差异极大，更新快，包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、高速泳动族蛋白（HMG蛋白）、染色体支架蛋白、肌动蛋白、转录因子等。

（2）结合特异性　以离子键、氢键结合于特定DNA序列的大沟。这些序列进化上具有保守性。相应的非组蛋白多可二聚化。

非组蛋白的结合特异性源于其含各种DNA结合域，如螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋（第六章，150页）。

（3）功能多样性　虽然一个真核细胞中非组蛋白只有10000个分子，仅占细胞总蛋白的1/50000，但有多方面的功能，包括染色质组装、基因表达调控。

3.RNA　占染色体质量的1%～3%，含量最低，变化较大，可能通过与组蛋白、非组蛋白相互作用而调控基因表达。

（二）染色体结构

真核生物DNA在双螺旋的基础上经过多级压缩形成染色体结构（图1-7）。

1.核小体　是染色体的基本结构单位，由组蛋白八聚体和180～200bp核小体DNA构成（表1-2）。

（1）两个H2A-H2B二聚体与一个（H3-H4）2四聚体构成组蛋白八聚体（histone octamer），又称核小体核心（nucleosome core）。

（2）组蛋白八聚体被核心DNA（core DNA，145～147bp）以左手螺线管（solenoid）方式缠绕不到两圈，形成核小体核心颗粒（nucleosome core particle），直径约为10nm。

（3）核小体核心颗粒与连接DNA（15～60bp）构成核小体（nucleosome，人单倍体DNA与核心组蛋白形成1.7×107个核小体）。

（4）若干核小体形成直径约为10nm的串珠结构（又称10nm纤维，图1-8）。从DNA双螺旋到串珠结构，压缩比（packing ratio，又称包装比）是7。

2.30nm纤维　串珠结构经过螺旋化形成直径约为30nm、螺距约为12nm的螺线管，称为30nm纤维，其每一螺旋含6个核小体，且每个核小体需结合一分子H1（覆盖约20bp DNA。结合较弱，可在盐溶液中分离）构成染色质小体（chromatosome）。核心组蛋白N端、H1、高离子强度对螺线管的形成和稳定起重要作用。从串珠纤维到30nm纤维，压缩比是6。

30nm纤维进一步结合非组蛋白、少量RNA及与复制转录有关的酶类，形成染色质纤维（chromatin fiber）。

3.300nm纤维　在细胞分裂前期，染色质纤维进一步螺旋化形成直径约为300nm的超螺线管（supersolenoid）结构，称为300nm纤维、染色线（chromonema）。从30nm纤维到300nm纤维，压缩比是40。

4.染色单体　300nm纤维凝缩成直径约为700nm的染色单体，压缩比是5。因此，细胞分裂中期染色单体的压缩比高达8000～10000；相比之下，在细胞分裂间期，染色质结构的压缩比仅为100～1000。

需要说明的是，①真核生物染色体结构尚未完全阐明，有多种模型，这里介绍的只是其中一种模型。②由于细胞内不断进行代谢，特别是基因表达及DNA复制，DNA的扭曲盘绕是一个动态过程，所以在不同时期及DNA的不同区段，其盘绕方式和盘绕程度都不相同。

（三）DNA三级结构的生理意义

DNA形成染色体结构有着重要的生理意义。

1.染色体是DNA适应细胞空间的压缩状态　DNA分子在长度上高度压缩，有利于组装。例如人体细胞核内有46条染色体，其DNA总长度1.7～2m，被压缩到约200μm（细胞核直径10～15μm），压缩了8000～10000倍。

成年人体约有1014个细胞，所含DNA总长度为2×1011　km。对比一下地球和太阳之间的距离（1.5×108　km）或可理解其压缩的意义。

2.DNA包装成染色体后不易受到损伤　相比之下裸DNA（naked DNA）容易受到损伤。

3.细胞分裂时染色体可有效地分配到子细胞中　避免形成非整倍体、异倍体。

4.染色体赋予DNA特定的空间结构　从而使其功能表达受到调控。

5.超螺旋结构影响DNA复制和转录　细胞核内DNA结构处于动态变化之中。超螺旋的改变可以协调DNA局部解链，影响复制和转录等的启动及进程。

五、染色体外DNA

真核细胞核之外还存在线粒体DNA、叶绿体DNA（植物），许多原核细胞及个别真核细胞还存在质粒，它们统称染色体外DNA。染色体外DNA与原核生物染色体DNA均为裸露结构，故统称基因带（genonema）。

（一）线粒体DNA

1894年，Altmann发现线粒体。1963年，Nass&Nass在鸡胚肝细胞中发现线粒体内含线粒体DNA（mtDNA），它所携带的遗传信息可以指导合成部分线粒体蛋白，因而属于细胞核外遗传系统。

一个细胞可以含成百上千个线粒体，一个线粒体含多个mtDNA拷贝，因此一个细胞含许多mtDNA拷贝，可达细胞总DNA的1%。mtDNA属于重复序列（25页）。

绝大多数mtDNA为闭环结构，一股链含较多的嘌呤碱基，浮力密度较高，称为H链（heavy chain，重链）；另一股链含较多的嘧啶碱基，浮力密度较低，称为L链（light chain，轻链）。草履虫mtDNA虽为线性结构，但末端是发夹结构，因此没有游离单链末端。

人线粒体多数含2～10个mtDNA拷贝，位于线粒体基质的不同区域。每个拷贝含16569bp，几乎均为编码序列（基因间区累计仅87bp），编码2种rRNA（12S rRNA和16S rRNA）、22种tRNA（转运20种氨基酸，其中转运Leu和Ser的tRNA各有2种）和13种蛋白质（约占心肌615种线粒体蛋白的2%，分别是呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和ATP合成酶的7、1、3和2种肽链，每种约50AA）。人mtDNA于1981年完成序列分析。

（二）叶绿体DNA

1962年，Ris和Plant在衣藻叶绿体中发现DNA（292kb，是已知最大的叶绿体DNA。已知最小的是刺松藻叶绿体DNA，85kb）。叶绿体DNA（cpDNA）为共价闭合环状DNA，每个叶绿体约含12个cpDNA。1986年，Ohyama及Shinozaki领导的研究小组分别完成了地钱（Marchantia polymorpha）cpDNA（121024bp）和烟草（Nicotiana tabacum）cpDNA（155844bp）的序列分析。虽然两种cpDNA的长度不同，但其所含基因的种类甚至在cpDNA中的排列几乎一致，提示它们有共同的起源。地钱cpDNA含128个基因，编码4种rRNA（23S、16S、4.5S、5S）、31种tRNA及100多种叶绿体蛋白质（主要是光合系统成分）。叶绿体DNA在G1期复制，所需DNA聚合酶由染色体DNA编码，游离核糖体合成。

（三）附加体

附加体（episome）又称额外染色体（accessory chromosomes）、游离基因，是存在于细菌和某些真核细胞中的一类染色体外遗传物质，既能独立存在并自主复制，又能整合到染色体中，随染色体复制而复制，例如质粒和噬菌体。

质粒（plasmid）是游离于细菌（及个别低等真核细胞）染色体DNA之外、能自主复制的遗传物质，大多数是一种共价闭合环状DNA，大小为2～400kb。质粒含复制起点，能够转化细菌，利用其DNA复制系统，随着染色体DNA的复制而复制，或自主复制，并在细胞分裂时分配给子细胞。质粒在两方面不同于染色体DNA：①它们不是细菌生长所必需的，很多细菌没有质粒。②一个细胞通常含多个质粒拷贝。

一个细胞内所含某种质粒的数目，称为质粒拷贝数。质粒拷贝数由其复制类型决定，并据此分为两类：①严紧型质粒（stringent plasmid）：其复制与宿主染色体同步，拷贝数较低，一个细胞内仅有1～3个，例如pSC101。②松弛型质粒（relaxed plasmid）：其复制与宿主染色体不同步，可以自主复制，拷贝数较高，一个细胞内可有10～500个，例如ColE1。一种质粒是属于严紧型还是松弛型，常和宿主细胞（host cell，是指病毒、质粒或其他外源DNA转化并赖以复制或扩增的细胞）的代谢状况有关。例如，R质粒在大肠杆菌中属于严紧型，而在奇异变形杆菌（P.mirabilis）中属于松弛型。因此，质粒复制不仅由自身控制，还受宿主制约。

根据所携带基因功能的不同可将质粒分为R质粒（又称抗性质粒）、F质粒（又称性因子、F因子、致育因子）、Col质粒（又称Col因子、大肠杆菌素生成因子）等。

质粒在重组DNA技术中用于构建载体。