去氧核醣核酸(DNA)的結構與功能
圖01. 去氧核醣核酸DNA的結構與功能(DNA Structure and Functions)。
1. DNA(DeoxyriboNucleic Acid)是由核苷酸聚合而成的長鏈聚合體(polymer)。
2. 核苷酸(Nucleotides)由三部分所組成：
3. DNA的氮鹼基共有四種：鳥糞嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)。
4. DNA的四種氮鹼基比例具有規律性，
每一種生物體DNA中 [A]≒[T]；[C]≒[G] 稱為Chargaff Rule。
表一、去氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之比較：
5. 細胞質具有DNA的胞器：粒線體DNA與葉綠體DNA(為雙股環狀)，
一般而言葉綠體DNA較粒線體DNA(mtDNA)大，含有較多的核苷酸對。
人的粒線體中，約有2～10組mtDNA，每組mtDNA含有16,569個鹼基對，其中
具有37對基因，可表現13種蛋白質、22種搬運RNA(tRNA)與2種核糖體(rRNA)。
因，似原核細胞。
圖03. 去氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之結構比較。
一、DNA的分子結構：
1. 1953年，華生(James Watson)和克立克(Francis Crick)參考羅莎琳.富蘭克林
(Rosalind
Franklin)於1952年拍攝的DNA X光晶體繞射圖，建構了DNA雙股
螺旋的三度空間構造。
2. DNA是雙股反向平行互補螺旋體的構造。
(1.)雙股(Double-strand)
(2.)反向平行(Anti-Parallel)
(3.)互補(Complementary)指A與T配對；G與C配對。
(4.)螺旋體(Double- helix)
3. 雙股平行是指DNA分子為二條互相平行的核苷酸鏈，
每股是由核苷酸連接而成的長鏈作螺旋狀旋轉而成。
4. 組成DNA的核苷酸有四種：dATP、dTTP、dGTP、dCTP
最前方小寫的d是指五碳糖的第二個碳少一個氧的意思。 (請參考圖05.)
圖05. 左圖為腺嘌呤核苷單磷酸(AMP)之化學結構；右圖為核糖(Ribose)
與去氧核糖(2-Deoxyribose)的不同。
5.核苷酸的連接方式，是前一個核苷酸之五碳糖的第5個碳上磷酸根，
與後一個核苷酸五碳糖上第3個碳，形成磷酸雙脂鍵(Phosphodiester
Bond)相連
→形成骨架(backbone)。
圖06. DNA骨架間以磷酸雙脂鍵(Phosphodiester bond)連結；
氮鹼基間以氫鍵(Hydrogen
bond)相連。
圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/脱氧核糖核酸
圖07. 骨架間以磷酸雙脂鍵(Phosphodiester bond)連結；氮鹼基間
以氫鍵(Hydrogen
bond)連結。
6.二股核苷酸長鏈的排列方向相反：一股若為5’—>
7.二股核苷酸鏈間以氮鹼基相配對，並以氫鍵(Hydrogen
Bond)相連，以穩定DNA：
A=T (腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)彼此間形成雙氫鍵)、
C≡G (胞嘧啶(C)與鳥糞嘌呤(G)彼此間形成三氫鍵)。
圖08. 二股核苷酸鏈間以氮鹼基相配對，並以氫鍵(Hydrogen Bonds)相連
，以穩定DNA。雙股DNA以反向方式排列。
8. 雙股的直徑是20Å(＝2nm)，旋轉一圈含10對氮鹼基對的長度是34 Å(＝
3.4nm)，上下氮鹼基對的距離為3.4Å(＝0.34nm)。
圖09. DNA分子結構的模型：雙股的直徑是20Å(＝2nm)，旋轉一圈含10對氮鹼基對
的長度是34 Å(＝3.4nm)，上下氮鹼基對的距離為3.4Å(＝0.34nm)。
外側兩股黃綠色結構是DNA的骨架(梯柱)，
由磷酸根和去氧核醣以磷酸雙脂鍵組成。中間像階梯(梯及)的構造是由氮鹼基
以氫鍵結合形成，氮鹼基其英文縮寫分別是ATGC
A是腺嘌呤(Adenine)、T是胸腺嘧啶(Thymine)、
G是鳥糞嘌呤(Guanine)、 C是胞嘧啶(Cytocine)。
A跟T配對(A＝T)；G跟C配對(G≡C)。
圖10. 氮鹼基以A與T配對(A＝T)；G與C配對(G≡C)。
圖11. DNA的雙螺旋具有主要溝=大溝( major groove)以及次要溝=小溝(minor groove)，主要溝會與基因調節蛋白結合，次要溝的功能未明。
圖片來源：https://slideplayer.com/slide/8827640/26/images/22/%EF%BC%88二%EF%BC%89+DNA双螺旋结构模型要点+两条DNA单链分子反向平行环绕%EF%BC%8C右手螺旋走向%EF%BC%8C表面大沟与小沟相间。.jpg
二、DNA的功能：
1. 攜帶遺傳訊息(部分DNA上具有基因(genes))：
a.
人體大約由1015個細胞組成。
b.
每個細胞核中有23對染色體
(哺乳類成熟的紅血球及血小板無細胞核，所以細胞中無染色體為例外)。
c.
23對染色體上約有2.0〜2.5萬對基因。
d.
DNA的總長約2公尺。
e.
DNA由共約30億個(3.0×109 )核苷酸配對組成，氮鹼基外面的骨架是由
磷酸根及五碳醣(去氧核醣)以磷酸雙脂鍵相連；腺嘌呤(Adenine)胸腺嘧啶
(Thymine)以及鳥糞嘌呤(Guanine)胞嘧啶(Cytosine)間是以氫鍵相聯。
f.
雖然分子生物學比起二、三十年前已有長足的進步，但是對於2.0～2.5
萬對基因在生長發育過程或新陳代謝過程中，如何受到調控？
對絕大多數的基因對而言，
仍然是處於「知其然，而不知其所以然」的階段！！
g.
基因組(Genome)的定義：一種生物體所有遺傳物質的總和。
人類就是指3.0×109的核苷酸對(bp)，其中只有大約3％的核苷酸對(bp)
含有基因。(bp是base pair，鹼基對的縮寫)
h.
人類23對染色體上的DNA，含有約2.0〜2.5萬對的基因，
這些基因受到精準的機制調控，於適當的發育時期表現出適當的蛋白質，
來影響胚胎的發育，器官成熟，組織細胞的替換修補，新陳代謝。
i.
人的一生，如何在適當的時期表現適當的基因？
試舉一知其然，而不知其所以然的實例：
胚期(embryonic stage即1 week〜8 week)基因表現胚的血紅素球蛋白；
胎期(fetal stage即 9 week〜42 week) 基因表現胎的血紅素球蛋白；
出生後至成年期，基因表現成年期的血紅素球蛋白。
這可能是生命科學中最引人入勝的話題之一，只是許許多多的專家
研究了長達半個世紀之久，許多的環節仍在努力當中！
圖12. 胚期(embryonic stage 1W～8W)紅血球中血紅素球蛋白是α2ε2；
胎期(fetal stage 9W～42W)紅血球中血紅素球蛋白是α2γ2；
出生之後(postnatal) 紅血球中血紅素球蛋白轉換成α2β2或α2δ2。
此為不同的球蛋白基因分別於不同時期表現(expression)然後又關閉
的示意圖。
在胚發育過程，ε基因為何最先開啟，八周後又逐漸關閉？
在胎發育過程，為何γ基因接著開啟，42周後又逐漸關閉？…
不同發育時期，這些基因表現(gene expression)如何受到調控的問題，
至今沒有分子生物學家完全知曉！
圖13. 人類的DNA約3％具有基因(genes)。
DNA於細胞週期的不同時期，分別以染色質或染色體的形式存在。
※而基因(genes)只有在染色質(chromatin)形式時才能表現。
j. 染色體(chromosome)近中央具有中央節(centromere)：
是真核染色體緊密收縮處，在有絲分裂或減數分裂時，參與染色體的移動。
中央節是紡錘絲與染色體的接觸點，紡錘絲收縮，使染色體向兩極移動。
人類的中央節區包含一段約170鹼基對重複序列，稱為α衛星 (alpha
satellite)
隨染色體不同，重複次數約5,000-15,000次。
染色體(chromosome)兩端具有端粒(telomere)：
k.端粒的特性：
1具一小段端粒DNA約5-8 bases 前後重複多次。
2端粒DNA 序列及重複次數隨生物種類不同而不同。
哺乳類及人類為 5’‘TTAGGG3’，重複250-1000次、四膜藻(Tetrahymena)為
5'TTGGGG3‘
果蠅端粒內含轉移子( transposable element)。
圖14. 染色體兩端的端粒(telomere)長度隨著每次細胞分裂而縮短，
當細胞有絲分裂70～80次之後，端粒縮短到一定長度，細胞便無法
繼續分裂而凋亡(Apoptosis)。
圖片來源：http://huihui12.pixnet.net/blog/post/75415038-端粒長度對心血管
疾病的影響
圖15. 人類的基因組(The Human Genome)─一個個體所有基因對(人約為DNA的3％)＋
其它不含基因的核苷酸對(人約為DNA的97％)之總和稱為基因組(genome)。
圖16. 由DNA濃縮成染色質(chromatin)再濃縮成染色體(chromosome)。
濃縮的過程由圖(a)核小體(Nucleosomes)
→圖(b)染色質纖維(Chromatin fiber)
→圖(c)真染色質和異染色質(Euchromatin &
heterochromatin)
→圖(d)染色體(chromosome)，由染色質→染色體，
染色質長度縮短了7,000～10,000倍；寬度增加了約800倍。
l. 人類身體細胞核裡有23對染色體，第1至22對稱為體染色體，
第23對是性染色體。每一條染色體是由一條DNA加組織蛋白(Histones)等
所濃縮組成。
m. 人體的23對染色體上約有2.0～2.5萬對基因。
2. 能複製(replication)：
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圖18. DNA的半保留式複製圖。
3. 能修補(repair)：
例如DNA的一股如因紫外線(UV)照射而形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)，
則可啟動細胞核中的修補機制(e.g.p53 system)，
利用完好的一股做模板進行修補。
圖19. DNA損傷(DNA Damage)的原因。
圖20. DNA因為去嘌呤化(depurination)或去胺基化(deamination)，
而導致損傷。
圖21. 紫外線(UV)照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)。
圖22. 紫外線(UV)照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)的詳細圖。
DNA損傷後，細胞會做判斷：
→DNA如果能夠修補即啟動DNA修補機制。
→DNA如不能修補即進行細胞程式性死亡(Apoptosis)。
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圖23. DNA修補機制之一─p53 路徑(p53 pathway)。
在正常的細胞核中，p53活性被mdm2調節蛋白抑制。
當DNA損傷(DNA damage)、缺氧(Hypoxia)或細胞獲得的養分不足等壓力因素下，
mdm2調節蛋白與p53分開，p53 會誘導兩種可能：
1. DNA如果能修補→細胞週期（＝細胞分裂）停止→DNＡ修復
→細胞週期重新開始。
2. DNA如果不能修補→apoptosis(細胞程式性死亡or 細胞凋亡)→
丟棄損傷的細胞。
圖片來源：https://www.labroots.com/trending/genetics-and-genomics/4234/stabilizing-ultimate-tumor-suppressor
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圖24. 細胞週期(cell cycle)的檢查點(checking pointｓ)。
細胞週期G1期限制點(Restriction point)的設置，主要在檢查DNA損傷
(DNA Damage)後能否修補。
是母細胞能否分裂為二個子細胞，很重要的一項考量。
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圖25. p53蛋白質就好像細胞核的「警報系統」或基因組的保護者
(The Guardian of Genome)，當收到a.～g.各種訊號後：
a. 氧化壓力 b. 營養缺乏 c. 細胞缺氧 d. DNA損傷 e. 致癌基因表現
f. 核醣體異常 g. 端粒消耗 都可以使p53基因表現，形成p53蛋白質。
而作出細胞凋亡(Apoptosis)、細胞老化(Senescence)、血管新生(Angiogenesis)、
細胞週期停止(cell-cycle arrest)、DNA 修補(DNA repair)等反應。
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※許多癌症的發生，即在於p53蛋白修補DNA的功能異常所致。
4. DNA指紋分析(DNA Fingerprinting)─DNA的人為功能。
a.
刑事鑑定可利用犯罪現場遺留的血液、精液、皮膚、唾液或毛髮中的DNA，來辨識可能的加害人。此過程稱為DNA指紋分析，又稱為遺傳指紋分析（Genetic
fingerprinting）。
b.
此測定法於1984年由英國遺傳學家Alec Jeffreys發展出來的。
c.
測定的原理：限制片段長度多型性(Restriction Polymorphism)。
d.
1988年英國的謀殺案嫌犯Colin Pitchfork，成為第一位因去氧核糖核酸特徵測定證據而遭定罪者。
e.
去氧核糖核酸指紋分析也可用來辨識重大災害中的罹難者。
圖26.
DNA指紋分析法(DNA Fingerprinting)。
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