核酸的構(gòu)造與作用探索生命的密碼，揭示生命的本質(zhì)從分子結(jié)構(gòu)到生物功能，全面了解核酸科學引言：生命的藍圖1核酸定義儲存遺傳信息的生物大分子2生命基礎所有生物共有的遺傳物質(zhì)3發(fā)現(xiàn)歷程1868年米舍爾首次分離核酸在生物體中的地位信息存儲保存遺傳特征信息信息傳遞控制蛋白質(zhì)的合成分布位置細胞核和線粒體中DNA與RNA的區(qū)別DNA去氧核糖核酸雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)存儲遺傳信息RNA核糖核酸主要為單鏈結(jié)構(gòu)執(zhí)行基因表達核酸的基本單位——核苷酸磷酸提供反應活性五碳糖骨架結(jié)構(gòu)堿基攜帶遺傳信息核酸中的糖1核糖RNA中的五碳糖2去氧核糖DNA中缺少2'位羥基3生物學意義影響穩(wěn)定性和功能核酸中的磷酸基團連接骨架形成磷酸二酯鍵提供電荷賦予核酸負電荷保護功能抵抗酶降解核酸的堿基種類嘌呤腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)嘧啶胸腺嘧啶(T，僅DNA)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U，僅RNA)核苷酸如何形成長鏈磷酸二酯鍵3'-5'位連接方向性5'→3'合成方向鏈結(jié)構(gòu)單鏈或互補雙鏈DNA的雙螺旋模型1提出者沃森和克里克2時間1953年發(fā)表3特征右手螺旋，直徑2nm堿基互補配對原則完美匹配特異性識別氫鍵連接A-T兩個，C-G三個3穩(wěn)定雙螺旋支撐DNA結(jié)構(gòu)DNA空間結(jié)構(gòu)的多樣性1B型DNA最常見，右手螺旋2A型DNA脫水環(huán)境，更寬更短3Z型DNA左手螺旋，鋸齒狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)壓縮儲存節(jié)省細胞空間調(diào)控表達影響基因可及性拓撲改變拓撲異構(gòu)酶作用染色質(zhì)與染色體1DNA雙鏈基本遺傳物質(zhì)2核小體DNA纏繞組蛋白3染色質(zhì)纖維30nm纖維結(jié)構(gòu)4染色體有絲分裂高度壓縮RNA的結(jié)構(gòu)特征單鏈結(jié)構(gòu)靈活多變自身配對形成發(fā)夾環(huán)2'羥基具催化活性RNA的類型綜述信使RNA攜帶遺傳信息轉(zhuǎn)運RNA轉(zhuǎn)運氨基酸核糖體RNA蛋白質(zhì)合成場所非編碼RNA調(diào)控基因表達mRNA信使RNA轉(zhuǎn)錄合成DNA模板產(chǎn)生信息傳遞攜帶基因密碼蛋白質(zhì)編碼翻譯為氨基酸序列tRNA轉(zhuǎn)運RNA三葉草結(jié)構(gòu)特殊二級結(jié)構(gòu)1反密碼子識別mRNA密碼子2氨基酸連接特異性攜帶氨基酸3L形立體結(jié)構(gòu)適配核糖體4rRNA核糖體RNA1結(jié)構(gòu)支架核糖體骨架2催化功能肽鍵形成3復合體組分與蛋白質(zhì)協(xié)同非編碼RNA類型miRNA微小RNA~22個核苷酸抑制基因表達siRNA干擾RNA雙鏈小分子特異性降解mRNAlncRNA長非編碼RNA>200個核苷酸多種調(diào)控功能DNA的復制機制解鏈解旋酶打開雙鏈合成DNA聚合酶添加核苷酸校驗3'-5'外切酶糾錯半保留各保留一條原鏈復制起點與復制叉原核生物單一復制起點雙向延伸真核生物多個復制起點復制泡形成加速復制過程DNA修復機制堿基切除修復修復堿基損傷核苷酸切除修復處理扭曲損傷錯配修復校正復制錯誤雙鏈斷裂修復修復嚴重損傷基因的表達流程概述DNA遺傳信息存儲轉(zhuǎn)錄合成RNARNA信息傳遞翻譯合成蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)執(zhí)行生物功能轉(zhuǎn)錄過程詳解啟動子識別RNA聚合酶結(jié)合鏈解開形成轉(zhuǎn)錄泡延伸合成5'→3'方向終止信號RNA與DNA分離mRNA后修飾1加帽子5'端甲基化G加成2剪接去除內(nèi)含子3加尾巴3'端多腺苷酸化翻譯過程機制1起始起始密碼子識別2延伸肽鏈逐步合成3終止終止密碼子釋放tRNA在翻譯中的作用密碼識別反密碼子配對氨基酰化攜帶特定氨基酸傳遞功能將氨基酸轉(zhuǎn)移至肽鏈基因調(diào)控簡述轉(zhuǎn)錄調(diào)控啟動子活性增強子作用抑制因子表觀遺傳調(diào)控DNA甲基化組蛋白修飾染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化非編碼RNA在調(diào)控中的作用miRNA靶向結(jié)合mRNA結(jié)果降解或抑制翻譯lncRNA多種調(diào)控機制結(jié)果染色質(zhì)重構(gòu)人類基因組計劃2003完成年份30億堿基對數(shù)量2萬基因數(shù)量99.9%人類間相似度核酸在進化中的作用1遺傳變異突變積累2自然選擇有利變異保留3物種分化DNA序列差異遺傳變異與多樣性突變單堿基改變插入或缺失重組染色體交換片段產(chǎn)生新組合SNP單核苷酸多態(tài)性個體差異標記核酸與疾病1：基因突變鐮刀型貧血單堿基改變BRCA1/2乳腺癌易感基因亨廷頓舞蹈癥三核苷酸重復擴增核酸與疾病2：病毒遺傳物質(zhì)RNA病毒新冠病毒流感病毒突變率高逆轉(zhuǎn)錄病毒HIVRNA→DNA轉(zhuǎn)化整合入宿主基因組核酸檢測技術(shù)1：PCR變性95℃分離雙鏈1退火55℃引物結(jié)合2延伸72℃聚合酶合成3循環(huán)30-40次擴增4核酸檢測技術(shù)2：測序Sanger測序第一代，鏈終止法高通量測序大規(guī)模平行測序單分子測序?qū)崟r長讀長單細胞測序單細胞基因組分析核酸探針及分子雜交1探針制備標記特異序列2變性解鏈靶核酸3雜交探針結(jié)合靶序列4檢測顯示特異信號核酸合成與基因編輯CRISPR/Cas9精確切割DNA靶向原理gRNA引導識別修飾方式敲除、插入、替換RNA干擾與基因功能研究siRNA導入雙鏈小干擾RNARISC復合物加載單鏈引導鏈靶向結(jié)合識別互補mRNA基因沉默切割或抑制翻譯合成生物學與核酸1合成基因組人工設計染色體2基因線路自定義調(diào)控網(wǎng)絡3DNA結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)折紙術(shù)mRNA疫苗1包裝遞送脂質(zhì)納米顆粒2細胞攝取進入細胞質(zhì)3蛋白表達合成病毒蛋白4免疫應答產(chǎn)生抗體保護實驗室核酸提取基本流程細胞裂解破壁釋放核酸去除蛋白酚氯仿提取沉淀乙醇沉淀核酸純化重懸于緩沖液核酸電泳與分析原理電場中負電荷核酸遷移小分子移動快應用分子量測定純度檢測PCR產(chǎn)物驗證核酸定量檢測紫外分光法260nm吸光度快速簡便熒光染料法特異性結(jié)合染料高靈敏度qPCR擴增實時監(jiān)測高特異性核酸領域的最新進展單細胞組學單細胞精確分析AI預測人工智能預測結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)整合多組學數(shù)據(jù)關聯(lián)核酸結(jié)構(gòu)與疾病預測核酸與精準醫(yī)療基因檢測個體基因組