東海大學物理系‧計算科學總論

Introduction to DNA and Introduction to DNA and ChromosomeChromosome

東海大學數學系／物理系／環科系施奇廷

東海大學物理系‧計算科學總論

The Structure of a GeneThe Structure of a Gene

“We shall assume the structure of a gene to be that of a huge molecule, capable of only discontinuous change, which consists in the rearrangement of the atoms and leads to an isomeric molecule. The rearrangement may affect only a small region of the gene, and a vast number of different rearrangements may be possible.”

--What is Life? E. Schrödinger

東海大學物理系‧計算科學總論

What is DNA?What is DNA?

Huge 1D molecule –

two strands of nucleotides – double helix

Information for life

Cell > DNA > Nucleotide ( 核甘酸 ) > Base pair

Nucleotide bases( 鹼基 )

Guanine (G) ， Adenine (A), Cytosine (C) Thymine (T)

東海大學物理系‧計算科學總論

What is DNA? A PhotoWhat is DNA? A Photo

東海大學物理系‧計算科學總論

What is DNA? A Schematic ViewWhat is DNA? A Schematic View

東海大學物理系‧計算科學總論

NucleotidesNucleotides

東海大學物理系‧計算科學總論

The Book of LifeThe Book of Life

大英百科全書 Human Genome

26 英文字母 四種核甘酸

23 卷 23 對染色體

200,000 篇文章 35,000 基因

兩億個字元 30 億鹼基對

8.5”×12×20,000 頁 長 1m× 直徑 100Å

東海大學物理系‧計算科學總論

Brief History of GeneticsBrief History of Genetics

東海大學物理系‧計算科學總論

1860: Mendel1860: Mendel

1860 年代，奧地利神父孟德爾（ Gregor Mendel, 1822-1884 ）發現豌豆中有某種成對的「因子」可以決定遺傳性狀。

東海大學物理系‧計算科學總論

1869: Miescher1869: Miescher

1869 年，瑞士生物學家 Johann Miescher (1844~ 1895) 在病患繃帶的膿汁中發現一種新物質，由於是在細胞核中，他將之取名為「核素」 (nuclein) ，此即為DNA （去氧核糖核酸）。

東海大學物理系‧計算科學總論

1890: Discovery of Chromosome1890: Discovery of Chromosome

1890 年代，科學家在細胞分裂的過程中觀察到，成對的染色體在細胞分裂時會先複製出另一份，然後平均分配給兩個子細胞，因此開始有學者認為染色體可能是遺傳物質的攜帶者。

東海大學物理系‧計算科學總論

1908: Morgan1908: Morgan

Thomas Morgan (1866 ~1945) 首先利用果蠅來研究遺傳學，他發現有許多基因是一起遺傳的，因此推測有些基因在染色體上的位置是相連的，並且訂出了果蠅的基因圖譜。 Morgan 於 1933 年獲得諾貝爾生理及醫學獎。

東海大學物理系‧計算科學總論

1928: Griffith1928: Griffith

1928 年，英國軍醫 Frederick Griffith (1881~1941) 以老鼠實驗發現，將活的良性肺炎雙球菌與死的惡性肺炎雙球菌混合，可以引起轉型，得到活的惡性菌，使老鼠死亡。

東海大學物理系‧計算科學總論

1942: Beadle & Tatum1942: Beadle & Tatum

1942 年， George Beadle (1903~1989) 與 Edward Tatum (1909~1975) 以麵包上的紅黴菌實驗證實， DNA 上所帶的遺傳訊息，其功能是製造特定的蛋白質。他們獲得了 1958 年的諾貝爾生理與醫學獎。

東海大學物理系‧計算科學總論

1944: Avery1944: Avery

美國微生物學家 Oswald Avery (1877~1955) 實驗發現，Griffith 所觀察到的細菌轉型現象，是由 DNA 所造成，確認了攜帶遺傳因子的物質是 DNA 。

東海大學物理系‧計算科學總論

1949: Chargaff1949: Chargaff

1949 年， Irwin Chargaff (1905~) 提出了所謂的 Chargaff 法則： DNA 中的四種核甘酸：A 與 T 的含量相同， C 與 G 的含量相同，推翻了過去 ATCG含量均勻的假說。

東海大學物理系‧計算科學總論

1953: The Discovery of Double 1953: The Discovery of Double HelixHelix

1951 年， Rosalind Franklin 得到 DNA 分子的 X-ray繞射照片， 1953 年， Watson 與 Crick 解出了 DNA 的雙螺旋結構，此為分子生物學的大躍進。

東海大學物理系‧計算科學總論

1955: Sequence of Insulin1955: Sequence of Insulin

英國科學家 Fred Sanger 定出了胰島素的氨基酸序列（長度為 51 個氨基酸），獲得 1958 年諾貝爾化學獎。

東海大學物理系‧計算科學總論

1966: Genetic Code1966: Genetic Code

Marshall Nirenberg 與 H. Gobind Khorana 研究小組找到了遺傳碼（ genetic code ）。在 DNA 序列中每三個核甘酸鹼基代表一個氨基酸，稱為一個「編碼子」（ codon ）。他們因此獲得了 1968年諾貝爾獎。

東海大學物理系‧計算科學總論

1977: Sequencing the DNA1977: Sequencing the DNA

Fred Sanger 開發出「連續反應中斷」（ chain termin-ation ）定序法定出了一個病毒的完整序列 5375 個碼，這是當時最簡便的 DNA 定序法，也是後來自動定序的基礎，使他獲得 1980 年諾貝爾化學獎。

東海大學物理系‧計算科學總論

1989:The Human Genome Project1989:The Human Genome Project

20世紀末，美國國家衛生院、英國衛康基金會、以及後來加入的民間組織 TIGR ，一起推動了堪稱與登陸月球重要性相當的「人類基因組計畫」（ Human Genome Project, HGP ）

東海大學物理系‧計算科學總論

The Human GenomeThe Human Genome

1999 December 2

Chromosome 22 completed (47.7 Mb)Chromosome 22 completed (47.7 Mb)2000 May 8

Chromosome 21 completed (50.0 Mb)Chromosome 21 completed (50.0 Mb)2000 June 26

Working Draft of complete human genomeWorking Draft of complete human genome97% coverage, 85% complete97% coverage, 85% complete

東海大學物理系‧計算科學總論

2000: Human Genome Draft 2000: Human Genome Draft CompletedCompleted

2000 年六月，美國總統 Bill Clinton、英國首相 Tony Blair 共同宣布，第一份人類基因組草圖，比預計的 2005 年，提前五年完成。

“the most important fact of life on this Earth is our common humanity”

東海大學物理系‧計算科學總論

Growth of GenBankGrowth of GenBank

年份 Seq. Bp.

1982 606 680338

1985 5700 5204420

1990 39533 49179285

1995 555694 3.8×108

2000 10106023 1.1×1010

2001 14976310 1.6×1010

東海大學物理系‧計算科學總論

Central Dogma: The Path of the Central Dogma: The Path of the InformationInformation

DNA

RNA

Protein

東海大學物理系‧計算科學總論

The Path of the InformationThe Path of the Information

Transcription 轉錄Copies and splices a gene (single strand of DNA sequence) into an mRNA sequence

Translation 翻譯Converts mRNA into a protein (string of amino acids)

Promotertells the cell when to turn on the gene and how much transcription will occur

東海大學物理系‧計算科學總論

TranscriptionTranscription

Start signal (e.g. TATAAT) and stop signal (e.g. AAAAA)

Splicing: keep exons（外碼子） , throw out intron （內碼子）

mRNA: concatenation of exons

東海大學物理系‧計算科學總論

Transcription: CopyingTranscription: Copying

東海大學物理系‧計算科學總論

Transcription: SplicingTranscription: Splicing

東海大學物理系‧計算科學總論

Translation: Genetic CodeTranslation: Genetic Code

Genetic code:

3-nucleotides = a CODON

64 codons

3 stop codons

Rest (61) codes to 20 amino acids

東海大學物理系‧計算科學總論

東海大學物理系‧計算科學總論

ChromosomesChromosomes承載生物體內所有遺傳物質的構造稱為染色體，能夠被特定染劑染上顏色。平時細胞核內的染色體延長成絲狀，分散於細胞核內染色亦深淺不一，稱為染色質 (chromatin) 。在細胞分裂的過程中，染色質不斷地濃縮捲曲成粗細一致、染色均勻、但長短不一的緊密物體，是為染色體。

東海大學物理系‧計算科學總論

東海大學物理系‧計算科學總論

東海大學物理系‧計算科學總論

染色體異常是許多遺傳疾病的起因，可能在細胞分裂時自然發生，也可能由外在的物理或化學因子誘發，通常的形式有：缺失、重複、倒轉、異位。

Mutation of Mutation of ChromosomeChromosome