[科普中國(guó)]-DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。兩條多核苷酸鏈以相同的旋轉(zhuǎn)繞同一個(gè)公共軸形成右手雙螺旋，螺旋的直徑2.0nm；兩條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，一條5’-3方向，另一條3’-5’方向；兩條多核苷酸鏈的糖-磷酸骨架位于雙螺旋外側(cè)，堿基平面位于鏈的內(nèi)側(cè)；相鄰堿基對(duì)之間的軸向距離為0.34nm，每個(gè)螺旋的軸距為3.4nm。1

DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用力有兩條多核苷酸鏈間的互補(bǔ)堿基對(duì)之間的氫鍵；堿基對(duì)疏水的芳香環(huán)堆積所產(chǎn)生的疏水作用力，以及堆積的堿基對(duì)間的范德華力；磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子化合物之間形成的鹽鍵。

1951年11月，英國(guó)科學(xué)家M. Wilkins和R?Franklin獲得了高質(zhì)量的DNA分子X(jué)線衍射照片。在綜合前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，J?Watson和F?Crick提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型，于1953年發(fā)表于《Nature》雜志。這一發(fā)現(xiàn)揭示了生物界遺傳性狀得以世代相傳的分子機(jī)制，它不僅解釋了當(dāng)時(shí)已知的DNA理化性質(zhì)，還將DNA的功能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，奠定了現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)。1

研究基礎(chǔ)人們?cè)?0世紀(jì)初就已經(jīng)知道基因位于染色體上，科學(xué)家也急于搞清楚染色體上的基因的化學(xué)本質(zhì)。起初，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，而不是DNA，直到1944年 Avery等利用從致病肺炎球菌中提取的DNA使另一種非致病性肺炎球菌的遺傳性狀改變而成為致病菌，證實(shí)了遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。人們才逐漸將核酸化學(xué)的研究和細(xì)胞的功能聯(lián)系起來(lái)。2

1951年， Pauling利用X線晶體衍射技術(shù)成功發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)，這一成果的發(fā)現(xiàn)對(duì)DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也起了很重要的啟發(fā)作用，引發(fā)人們思考DNA分子是否也同樣具有這個(gè)類似的螺旋結(jié)構(gòu)。同年， Wilkins和 Frankin利用技術(shù)成功獲得了高質(zhì)量的DNA分子結(jié)構(gòu)照片，分析結(jié)果表明DNA是螺旋狀分子，并且從密度上也提示了DNA以雙鏈的形式存在。2

1952年， Erwin changan等人采用層析和紫外吸收分析等技術(shù)研究了DNA分子的堿基成分，提岀了以下有關(guān)DNA分子的堿基組成的 Chargaff規(guī)則:①腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)總是相等（A=T），鳥嘌呤的含量總是與胞嘧啶相等（G=C）；②不同生物種屬的DNA堿基組成不同；③同一個(gè)體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成。預(yù)示了DNA分子中的堿基A與T，G與C以互補(bǔ)配對(duì)方式存在的可能性。2

1953年，美國(guó)生物學(xué)家 Watson和英國(guó)物理學(xué)家 Crick合作在英國(guó)劍橋卡文迪許研究所巧妙地綜合了當(dāng)時(shí)所能夠得到的關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)研究成果，揭示出核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，提岀脫氧核糖核酸（DNA）分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，即著名的“Wasn-Cick模型”，這一模型的提出是生物學(xué)發(fā)展史上的里程碑，后來(lái)被譽(yù)為“20世紀(jì)生物學(xué)中最偉大的發(fā)現(xiàn)”和“生物學(xué)中的決定性突破”，又被視為分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志，為今天生物工程學(xué)的蓬勃發(fā)展開辟了道路。1989年，美國(guó)科學(xué)家用“掃描隧道顯微鏡”直接觀察到了脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)。2

Watson和 Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型主要依據(jù):①已知核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)和核苷酸鍵長(zhǎng)與鍵角的數(shù)據(jù)；② Chargaff規(guī)則為DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)模型的建立提供了一個(gè)有力的證據(jù)，細(xì)胞中的DNA分子幾乎都是由雙鏈分子構(gòu)成的，對(duì)其組成成分的結(jié)晶學(xué)和物理化學(xué)研究表明，A和T、C和G可形成配對(duì)關(guān)系；③對(duì)DNA纖維進(jìn)行X線衍射分析獲得的精確結(jié)果。2

1953年，弗朗西斯·克里克、杰姆斯·沃森、莫里斯·威爾金斯、羅莎琳·富蘭克林發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時(shí)代。分子生物學(xué)使生物大分子的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑2

1962年10月，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)宣布，當(dāng)年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)的莫里斯·威爾金斯、弗朗西斯·克里克和美國(guó)的杰姆斯·沃森，理由是他們發(fā)現(xiàn)并證明了細(xì)胞核DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這對(duì)于研究和認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象與本質(zhì)具有重要意義。2

結(jié)構(gòu)要點(diǎn)Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有下列特征。1

（1） DNA由兩條反向平行的多聚脫氧核苷酸鏈形成右手螺旋：一條鏈的5’-3方向是自上而下，而另一條鏈的3’-5’方向是自下而上，稱為反向平行，它們圍繞著同一個(gè)螺旋軸旋轉(zhuǎn)而形成右手螺旋。 1

（2）由脫氧核糖和磷酸基團(tuán)構(gòu)成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，而疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。1

（3）位于DNA雙鏈內(nèi)側(cè)的堿基以氫鍵結(jié)合，形成了互補(bǔ)堿基對(duì)：一條鏈上的腺嘌呤（A）與另一條鏈上的胸腺嘧啶（T）形成了2個(gè)氫鍵；一條鏈上的鳥嘌呤（G）與另一條鏈上的胞嘧啶（C）形成了3個(gè)氫鍵這種堿基配對(duì)關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(duì)，DNA的兩條鏈則稱為互補(bǔ)鏈1

（4）堿基對(duì)平面與雙螺旋的螺旋軸垂直，每?jī)蓚€(gè)相鄰的堿基對(duì)平面之間的垂直距離為0. 34 nm，每一個(gè)螺旋含有10.5個(gè)堿基對(duì)，螺距為3.54 nm，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2. 37 nm。從外觀上，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面存在一個(gè)大溝（major groove）和一個(gè)小溝（ minor groove），大溝是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。1

（5） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要依靠堿基對(duì)之間的氫鍵和堿基平面的疏水堆積力共同維持。相鄰的兩個(gè)堿基對(duì)平面在旋進(jìn)過(guò)程中會(huì)彼此重疊（ overlapping），由此產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力（ base stacking interaction）。這種堿基堆積力和互補(bǔ)鏈之間堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并且前者的作用更為重要。1

多樣性Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型被稱為B- DNA或B型DNA，是基于與細(xì)胞內(nèi)相似的溫度環(huán)境中進(jìn)行X線衍射所得的分析結(jié)果。這是DNA在水性環(huán)境下和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定和最普遍的結(jié)構(gòu)形式。但這種結(jié)構(gòu)不是一成不變的，溶液的離子強(qiáng)度或相對(duì)濕度的變化可以使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的溝槽、螺距、旋轉(zhuǎn)角度等發(fā)生變化。例如降低環(huán)境的相對(duì)濕度，B型DNA會(huì)發(fā)生可逆性的構(gòu)象改變，被稱為A型DNA。盡管兩型都為右手螺旋，但A型DNA較粗，每?jī)蓚€(gè)相鄰堿基對(duì)平面之間的距離為0. 26 nm，每圈螺旋結(jié)構(gòu)含有11個(gè)堿基對(duì)，雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2. 55 nm，而且比B型DNA的剛性強(qiáng)。1979年，美國(guó)科學(xué)家A·Rich等在研究人工合成的CGCGCG晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種DNA具有左手螺旋（left-handed helix）的結(jié)構(gòu)特征。后來(lái)證明這種結(jié)構(gòu)在天然DNA分子中同樣存在，并稱為Z型DNA。不同結(jié)構(gòu)的DNA在功能上可能有所差異，與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和控制相適應(yīng)。1

特殊結(jié)構(gòu)一些特定的DNA序列會(huì)導(dǎo)致DNA分子形成特殊的空間結(jié)構(gòu)，繼而影響DNA的功能和代謝。例如連續(xù)出現(xiàn)的6個(gè)腺苷酸會(huì)導(dǎo)致DNA發(fā)生約18。的彎曲，這種彎曲可能在DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合中具有一定功能。當(dāng)一條單鏈DNA的序列出現(xiàn)了局部的反向互補(bǔ)時(shí)，該單鏈DNA可以回折構(gòu)成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。當(dāng)DNA分子的兩條鏈上同時(shí)出現(xiàn)這種局部的反向互補(bǔ)序列時(shí)，可以形成“十”字形結(jié)構(gòu)。1

某些特殊情況下，DNA還能形成三鏈或者四鏈的結(jié)構(gòu)。至今發(fā)現(xiàn)的三鏈DNA可分為兩大類，即三股螺旋結(jié)構(gòu)和我國(guó)科學(xué)家白春禮等1990年用掃描隧道電子顯微鏡技術(shù)觀察到的三股發(fā)辮結(jié)構(gòu)。三股螺旋結(jié)構(gòu)是在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的，區(qū)域內(nèi)的3條鏈的堿基均為整段嘌呤或嘧啶，形成Pu - Pu - Py和Py - Pu - Py兩型（Pu代表嘌呤鏈，Py代表嘧啶鏈）。其中最常見(jiàn)的是Py - Pu - Py型，它的3條鏈中有2條為正常的雙螺旋，第3條嘧啶鏈位于雙螺旋的大溝中，與嘌呤鏈的方向一致，并隨雙螺旋結(jié)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)。而第3條鏈既可來(lái)源于分子內(nèi)，也可來(lái)源于分子間。例如在低pH值條件下，含（TC）n或（AG）n并形成鏡像重復(fù)序列的雙鏈DNA拆開后產(chǎn)生的多聚嘧啶鏈發(fā)生回折，并嵌入剩下的雙鏈DNA大溝中形成分子內(nèi)的三鏈DNA。三鏈中堿基配對(duì)的方式與雙螺旋DNA相同，即其堿基仍以A-T、G≡C配對(duì)，但第3鏈上的胞嘧啶的N-3必須發(fā)生質(zhì)子化，與C≡G中的鳥嘌呤的N-7形成新的氫鍵，同時(shí)胞嘧啶的N-4的氫原子可與鳥嘌呤中的O-6形成氫鍵，這樣就形成了C≡G·C+的三鏈結(jié)構(gòu)，其中C≡G之間是Watson-Crick氫鍵，而G·C+被稱為Hoogsteen氫鍵或者Hoogsteen配對(duì)。同理也可以形成T=A·T的三鏈結(jié)構(gòu)。1

四鏈DNA的基本結(jié)構(gòu)單位是G四聯(lián)體（G tetraplex），即由4個(gè)鳥嘌呤通過(guò)8個(gè)Hoogsteen氫鍵相互連接為一個(gè)四角形，再堆積形成分子內(nèi)或分子間的右手螺旋。四鏈中DNA鏈的方向可以為同向，也可以為反向。真核生物DNA線性分子3'-末端富含GT序列的端?？尚纬蒅四鏈體結(jié)構(gòu)。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

江松敏 - 副教授 - 復(fù)旦大學(xué)