脱氧核糖核酸

DNA由脱氧核苷酸組成的大分子聚合物。脱氧核苷酸由鹼基、脱氧核糖和磷酸構成。其中鹼基有4種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。

DNA分子結構中，兩條多脱氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞，構成雙螺旋結構。脱氧核糖-磷酸鏈在螺旋結構的外面，鹼基朝向裏面。兩條多脱氧核苷酸鏈反向互補，通過鹼基間的氫鍵形成的鹼基配對相連，形成相當穩定的組合。

脱氧核糖核酸（DNA）是生物細胞內攜帶有合成RNA和蛋白質所必需的遺傳信息的一種核酸，是生物體發育和正常運作必不可少的生物大分子 ^[1]  。

DNA中的核苷酸中鹼基的排列順序構成了遺傳信息。該遺傳信息可以通過轉錄過程形成RNA，然後其中的mRNA通過翻譯產生多肽，形成蛋白質。

在細胞分裂之前，DNA複製過程複製了遺傳信息，這避免了在不同細胞世代之間的轉變中遺傳信息的丟失。在真核生物中，DNA存在於細胞核內稱為染色體的結構中。在沒有細胞核的其它生物中，DNA要麼存在於染色體中要麼存在於其它組織（細菌有單環雙鏈DNA分子，而病毒有DNA或RNA基因組）。在染色體中，染色質蛋白如組蛋白、共存蛋白和凝聚蛋白將DNA在一個有序的結構中。這些結構指導遺傳密碼和負責轉錄的蛋白質之間的相互作用，有助於控制基因的轉錄。

DNA最初是由瑞士生物化學家弗里德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）1869年從手術繃帶的膿液中分離出來的，由於這種微觀物質位於細胞核中，當時被稱為核蛋白(nuclein) ^[2]  。

1919年，Phoebus Levene確定了DNA由含氮鹼基，糖和磷酸鹽組成的核苷酸結成 ^[3]  。Levene提出DNA由一條通過磷酸鹽結合在一起的核苷酸組成。他確信DNA長鏈較短，且其中的鹼基是以固定順序重複排列。

1937年，William Astbury展示了第一個X射線衍射研究的結果，表明DNA具有極其規則的結構 ^[4]  。

1928年，英國科學家弗雷德裏克·格里菲斯（1877-1941）在實驗中發現，平滑型的肺炎球菌，能轉變成為粗糙型的同種細菌 ^[5]  。該系統在沒有提供任何物質引起變化的證據的同時，表明某些物質可以將遺傳信息從死亡細菌的遺體傳遞給生物。1943年奧斯瓦爾德·埃弗裏等人的試驗證明DNA是這一轉變現象背後的原因 ^[6]  。

1944年，Erwin Schrödinger鑑於量子物理學少數原子的系統具有無序行為理論，斷言遺傳物質必須由大的非重複分子構成，方足以維持遺傳信息的穩定 ^[7]  。

1953年由Alfred Hershey和Martha Chase通過另一個經典實驗證實了DNA在遺傳中的作用，該實驗表明噬菌體T2的遺傳物質實際上是DNA，而蛋白質則是由 DNA的指令合成的 ^[8]  。

1953年，美國的沃森和英國的克里克提出了DNA雙螺旋結構的分子模型 ^[9]  。

1958年，馬修·梅瑟生與富蘭克林·史達在梅瑟生-史達實驗中，確認了DNA的複製機制 ^[10]  。後來克里克團隊的研究顯示，遺傳密碼是由三個鹼基以不重複的方式所組成，稱為密碼子。

1961年，哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出這些密碼子所構成的遺傳密碼 ^[11]  。

DNA是由重複的核苷酸單元組成的長聚合物，鏈寬2.2到2.6納米，每個核苷酸單體長度為0.33納米。儘管每個單體佔據相當小的空間，但DNA聚合物的長度可以非常長，因為每個鏈可以有數百萬個核苷酸。例如，最大的人類染色體（1號染色體）含有近2.5億個鹼基對 ^[12]  。

生物體中的DNA幾乎從不作為單鏈存在，而是作為一對彼此緊密相關的雙鏈，彼此交織在一起形成一個叫做雙螺旋的結構。每個核苷酸由可與相鄰核苷酸共價鍵結合的側鏈骨架和含氮鹼基組成，兩條鏈上的含氮鹼基通過鹼基互補以氫鍵相連。糖與含氮鹼基形成核苷，核苷與一個或多個磷酸基團結合成為核苷酸。

DNA骨架結構是由磷酸與糖類基團交互排列而成。組成脱氧核糖核酸的糖類分子為環狀的2-脱氧核糖，屬於五碳糖的一種。磷酸基團上的兩個氧原子分別接在五碳糖的3號及5號碳原子上，形成磷酸雙酯鍵。這種兩側不對稱的共價鍵位置，使每一條脱氧核糖核酸長鏈皆具方向性。雙螺旋中的兩股核苷酸互以相反方向排列，這種排列方式稱為反平行。脱氧核糖核酸鏈上互不對稱的兩末端一邊叫做5'端，另一邊則稱3'端。脱氧核糖核酸與RNA最主要的差異之一，在於組成糖分子的不同，DNA為2-脱氧核糖，RNA則為核糖。

DNA的雙螺旋通過在兩條鏈上存在的含氮鹼基之間建立的氫鍵來穩定。組成DNA的四種鹼基是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。所有四種鹼基都具有雜環結構，但結構上腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤的衍生物，稱為嘌呤鹼基，而胞嘧啶和胸腺嘧啶與嘧啶有關，稱為嘧啶鹼基。

兩條核苷酸鏈沿着中心軸以相反方向相互纏繞在一起，很像一座螺旋形的樓梯，兩側扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結合的骨架，而踏板就是鹼基。DNA雙螺旋是右旋螺旋。不同磷酸鹽基團之間的凹槽仍然暴露在外。主溝寬2.2納米，而小溝寬1.2納米。兩個凹槽的不同寬度決定了蛋白質對不同鹼基的可接觸性，這取決於鹼基是在主溝還是小溝中。與DNA的蛋白質，如轉錄因子，通常與處在大溝中的鹼基接觸。

DNA的一級結構，是指4種核苷酸的連接及其排列順序，表示了該DNA分子的化學構成。

DNA的一級結構決定其高級結構，如B-DNA中多G-C區易形成左手螺旋DNA（Z-DNA），而反向重複的DNA片段易出現髮夾結構等。這些高級結構又決定和影響着一級結構的功能。 ^[29] 

DNA的二級結構是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結構。

通常情況下，DNA的二級結構分兩大類：一類是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA，DNA通常是以右手螺旋形式存在的；另一類是左手螺旋，即Z-DNA。 ^[29] 

DNA的高級結構，是指DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的更復雜的特定空間結構，包括超螺旋、線性雙鏈中的紐結（kink）、多重螺旋等。其中，超螺旋結構是DNA高級結構的主要形式，可分為正超螺旋（右手超螺旋）與負超螺旋（左手超螺旋）兩大類，負超螺旋是細胞內常見的DNA高級結構形式，正超螺旋是過度纏繞的雙螺旋。它們在不同類型的拓撲異構酶作用下或在特殊情況下可以相互轉變。 ^[29] 

DNA是高分子聚合物，其溶液為高分子溶液，具有很高的粘度，可被甲基綠染成綠色。DNA對紫外線（260nm）有吸收作用，利用這一特性，可以對DNA進行含量測定。當核酸變性時，吸光度升高，稱為增色效應；當變性核酸重新復性時，吸光度又會恢復到原來的水平。較高温度、有機溶劑、酸鹼試劑、尿素、酰胺等都可以引起DNA分子變性，即DNA雙鏈鹼基間的氫鍵斷裂，雙螺旋結構解開—也稱為DNA的解螺旋。

單鏈DNA（single－stranded DNA）大部分DNA以雙螺旋結構存在，但一經熱或鹼處理就會變為單鏈狀態。單鏈DNA就是指以這種狀態存在的DNA。單鏈DNA在分子流體力學性質、吸收光譜、鹼基反應性質等方面都和雙鏈DNA不同。某些噬菌體粒子內含有單鏈環狀的DNA，這樣的噬菌體DNA在細胞內增殖時則形成雙鏈DNA。

閉環DNA（closed circular DNA）沒有斷口的雙鏈環狀DNA，亦稱為超螺旋DNA。由於具有螺旋結構的雙鏈各自閉合，結果使整個DNA分子進一步旋曲而形成三級結構。另外如果一條或二條鏈的不同部位上產生一個斷口，就會成為無旋曲的開環DNA分子。從細胞中提取出來的質粒或病毒DNA都含有閉環和開環這二種分子。可根據兩者與色素結合能力的不同，而將兩者分離開來。

垃圾DNA（Junk DNA）是指生物體內不翻譯成蛋白質的DNA，過去多認為它們無用，所以稱為垃圾DNA ^[13]  。後來，科學家發現垃圾DNA中包含有重要的調節機制，從而能夠控制基礎的生物化學反應和發育進程，這將幫助生物進化出更為複雜的機體。生物越複雜，垃圾DNA似乎就越重要。

在基因組中，遺傳信息存儲在稱為基因的DNA序列中，這個遺傳信息的傳遞由互補的含氮鹼基序列的存在得到保證。事實上，在轉錄過程中，遺傳信息可以很容易地被轉錄到互補的RNA鏈中（mRNA）。mRNA通過翻譯合成蛋白質。或者，細胞可以通過稱為DNA複製的過程簡單地複製遺傳信息。

真核生物基因組DNA位於細胞核內，線粒體和葉綠體內也有DNA。原核生物DNA被包裹在細胞質中不含細胞膜的不規則細胞器類核中 ^[14]  。遺傳信息包含在基因中，基因是能夠影響生物體表型的遺傳單位。每個基因含有開放閲讀框（能夠轉錄成RNA的區域）和由啓動子和增強子組成的調節區。在許多物種中，只有一小部分基因組序列可以被轉錄和翻譯。例如，人類基因組中只有1.5%序列含有編碼蛋白質的外顯子，超過50%的人類基因組由重複的非編碼DNA序列組成 ^[15]  。在任何情況下，不編碼蛋白質的DNA序列也可以轉錄成非編碼RNA，參與基因表達的調控 ^[16]  。 一些非編碼序列是對染色體的結構組成部分。端粒和着絲粒區域通常含有非常少的基因，但對於染色體的功能和穩定性是必需的 ^[17]  。

基因是含有能夠影響生物體表型特徵的遺傳信息的DNA序列。基因內的DNA鹼基序列作為模板可以合成RNA分子，在大多數情況下，RNA分子被翻譯成多肽，最終稱為蛋白質。將基因的核苷酸序列複製到RNA鏈中的過程稱為轉錄，由RNA聚合酶催化發生。RNA鏈有不同的命運：一些RNA分子實際上具有結構（例如在核糖體內發現的那些rRNA）或催化（如核酶）功能；絕大多數RNA經歷成熟過程產生mRNA，被翻譯成蛋白質。翻譯過程發生在細胞質中，其中mRNA與核糖體結合，並由遺傳密碼介導。核糖體允許順序讀取mRNA密碼子，有利於它們識別和與特定tRNA相互作用，這些tRNA攜帶對應於每個單個密碼子的氨基酸分子。

遺傳密碼是一組規則，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉譯為蛋白質的氨基酸序列，以用於蛋白質合成。密碼子由mRNA上的三個核苷酸（例如ACU，CAG，UUU）的序列組成，每三個核苷酸與特定氨基酸相關。例如，三個重複的胸腺嘧啶（UUU）編碼苯丙氨酸。使用三個字母，可以擁有多達64種不同的組合。由於有64種可能的三聯體和僅20種氨基酸，因此認為遺傳密碼是多餘的（或簡併的）：一些氨基酸確實可以由幾種不同的三聯體編碼。但每個三聯體將對應於單個氨基酸。最後，有三個三聯體不編碼任何氨基酸，它們代表停止（或無意義）密碼子，分別是UAA，UGA和UAG。

DNA複製是指DNA雙鏈在細胞分裂以前進行的複製過程，複製的結果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈（如果複製過程正常的話），每條雙鏈都與原來的雙鏈一樣。這個過程是通過名為半保留複製的機制來得以順利完成的。複製可以分為以下幾個階段：

起始階段：解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈，引物酶辨認起始位點，以解開的一段DNA為模板，按照5'到3'方向合成RNA短鏈。形成RNA引物。

DNA片段的生成：在引物提供了3'-OH末端的基礎上，DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行復制過程，由於複製過程只能由5'→3'方向合成，因此一條鏈能夠連續合成，另一條鏈分段合成，其中每一段短鏈成為岡崎片段（Okazaki fragments）。

RNA引物的水解：當DNA合成一定長度後，DNA聚合酶水解RNA引物，補填缺口。

DNA連接酶將DNA片段連接起來，形成完整的DNA分子。

最後DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

所有DNA功能都取決於其與特定蛋白質的相互作用。這些相互作用可以是非特異性的，也可以是極其特異性的。還有許多可以結合DNA的酶，其中，在DNA轉錄和複製中複製DNA序列的聚合酶特別重要。

DNA與組織蛋白（圖1中白色部分）的交互作用，這種蛋白質中

的鹼性氨基酸（左下藍色），可與DNA上的酸性磷酸基團結合（右下紅色）。

結構蛋白可與DNA結合，是非專一性DNA-蛋白質交互作用的常見例子。染色體中的結構蛋白與DNA組合成複合物，使DNA組織成緊密結實的染色質構造。對真核生物來説，染色質是由脱DNA與一種稱為組織蛋白的小型鹼性蛋白質所組合而成；而原核生物體內的此種結構，則摻雜了多種類型的蛋白質。

DNA可在組織蛋白的表面上附着並纏繞整整兩圈，以形成一種稱為核小體的盤狀複合物。組織蛋白裏的鹼性殘基，與DNA的酸性糖磷酸骨架之間可形成離子鍵，使兩者發生非專一性交互作用，也使複合物中的鹼基序列相互分離。

在鹼性氨基酸殘基上所發生的化學修飾有甲基化、磷酸化與乙酰化等，這些化學作用可使DNA與組織蛋白之間的作用強度發生變化，進而使DNA與轉錄因子接觸的難易度改變，影響轉錄作用的速率。其他位於染色體內的非專一性DNA結合蛋白，還包括一種能優先與DNA結合，並使其扭曲的高移動性羣蛋白。這類蛋白質可以改變核小體的排列方式，產生更復雜的染色質結構。

DNA結合蛋白中有一種專門與單鏈DNA結合的類型，稱為單鏈DNA結合蛋白。人類的複製蛋白A是此類蛋白中獲得較多研究的成員，作用於多數與解開雙螺旋有關的過程，包括DNA複製、重組以及DNA修復。這類結合蛋白可固定單鏈DNA，使其變得較為穩定，以避免形成莖環（stem-loop），或是因為核酸酶的作用而水解。

相對而言，其他的蛋白質則只能與特定的DNA序列進行專一性結合。大多數關於此類蛋白質的研究集中於各種可調控轉錄作用的轉錄因子。這類蛋白質中的每一種，都能與特定的DNA序列結合，進而活化或抑制位於啓動子附近序列的基因轉錄作用。轉錄因子有兩種作用方式，第一種可以直接或經由其他中介蛋白質的作用，而與負責轉錄的RNA聚合酶結合，再使聚合酶與啓動子結合，並開啓轉錄作用。第二種則與專門修飾組織蛋白的酵素結合於啓動子上，使DNA模板與聚合酶發生接觸的難度改變。

由於目標DNA可能散佈在生物體中的整個基因組中，因此改變一種轉錄因子的活性可能會影響許多基因的運作。這些轉錄因子也因此經常成為信號傳遞過程中的作用目標，也就是作為細胞反映環境改變，或是進行分化和發育時的媒介。具專一性的轉錄因子會與DNA發生交互作用，使DNA鹼基的周圍產生許多接觸點，讓其他蛋白質得以“讀取”這些DNA序列。多數的鹼基交互作用發生在大凹槽，也就是最容易從外界接觸鹼基的部位。

核酸酶和連接酶：核酸酶是能夠切割DNA鏈的酶，因為它們催化磷酸二酯鍵的水解。從位於DNA鏈末端的核苷酸開始水解DNA的核酸酶稱為核酸外切酶。另一方面，直接切入DNA鏈的那些是內切核酸酶。分子生物學中使用最廣泛的核酸酶，稱為限制性內切酶，以切割特定序列的DNA。在自然界中，這種酶通過在進入細菌細胞時消化噬菌體DNA來保護細菌免受噬菌體感染。通常，限制性核酸酶識別特定的迴文核苷酸序列，稱為限制性位點。這些酶廣泛用於涉及在載體內亞克隆DNA的技術中。

DNA連接酶：是能夠使用來自ATP或NAD的化學能將先前切割或斷裂的DNA鏈聚集在一起的酶。連接酶在DNA滯後鏈複製中特別重要，因為它們將岡崎碎片組合成DNA鏈。連接酶在DNA修復和基因重組中也發揮重要作用。

拓撲異構酶和解旋酶：拓撲異構酶是具有活性核酸酶和連接酶的酶。這些酶能夠改變DNA的拓撲特性。它們中的一些通過切割DNA螺旋並允許其旋轉，降低其超螺旋程度，然後通過連接酶將兩端連接。另一方面，其它拓撲異構酶能夠在連接斷裂的DNA鏈之前，切斷螺旋，並允許第二個螺旋通過斷裂部位。拓撲異構酶是許多涉及DNA的過程所必需的，例如DNA複製和轉錄 ^[18]  。解旋酶是能夠利用核苷三磷酸中存在的化學能的蛋白質，尤其是ATP，以破壞核鹼基之間形成的氫鍵，從而允許DNA的雙螺旋打開成單鏈。

聚合酶：聚合酶是從核苷三磷酸合成多核苷酸鏈的酶。它們通過向鏈上存在的先前核苷酸的3'-OH添加核苷酸起作用。因此，所有聚合酶都以5'-3'方向起作用。DNA複製需要DNA依賴的DNA聚合酶，實現DNA序列的完美拷貝。有些DNA聚合酶具有校對功能，能夠檢測含氮鹼基之間的錯配錯誤並激活3'或5'外切核酸酶作用以去除不正確的鹼基 ^[19]  。在大多數生物體中，DNA聚合酶在稱為replisoma的較大蛋白質複合物中起作用，該複合體由許多酶例如解旋酶組成 ^[20]  。RNA依賴的DNA聚合酶是使用RNA片段作為模板合成DNA的特殊類聚合酶，包括逆轉錄酶（一種參與逆轉錄病毒感染的病毒酶）和端粒酶（它是端粒複製所必需的） ^[21]  。與DNA依賴性DNA聚合酶一樣，這些RNA依賴的DNA聚合酶也在由輔助分子和調節分子組成的廣泛蛋白質複合物中起作用 ^[22]  。

通常從血液、皮膚、唾液、頭髮和其它組織和體液中分離DNA，以識別罪犯或犯罪行為。常用的遺傳指紋識別。該技術比較重複DNA的可變區段的長度，例如短串聯重複序列和小衞星，它們在個體之間有不同。因此，檢查中的兩個DNA樣品之間的比較不是基於對整個DNA序列的分析，而是僅基於這些重複序列部分。事實上，兩個沒有血緣關係的個體間99.9%的DNA序列是相同的。這種方法通常非常可靠，但犯罪現場被其他人的DNA污染時，對罪犯的識別會很複雜 ^[23]  。這種方法由英國遺傳學家Sir Alec Jeffreys於1984年開發。遺傳指紋識別也可用於識別羣體性事件的受害者。未經同意採集DNA的行為稱為基因盜竊。

現代生物學和生物化學大量使用DNA。術語重組DNA是指人工構建和組裝的DNA片段。它們可以以質粒的形式或通過其它類型的載體整合插入到生物體中。由此產生的生物被稱為轉基因生物。可用於生產重組蛋白，用於生物醫學研究 ^[24]  或農業栽培 ^[25]  。

2022年，國際標準化組織（ISO）發佈兩項國際標準，通過實時熒光PCR方法檢測火雞和鵝的特異DNA片段，實現了對食品和飼料中相關動物成分種類的鑑定。該方法標準的建立將有效遏制企業肉類摻假行為，對保障全球肉類真實性和飼料安全性發揮重要的技術支撐作用。 ^[30] 

2023年，德國馬克斯·普朗克演化人類學研究所和荷蘭萊頓大學研究人員合作開發了一種創新DNA提取方法，科學家從一個約2萬年曆史的鹿牙墜飾中，復原了古代DNA ^[34]  。

2022年12月14日，據新民晚報消息，《自然》（《Nature》）雜誌發佈的最新封面研究論文顯示，研究團隊在格陵蘭島最北端冰河時代沉積物中，分離出200萬年前的環境DNA片段。 ^[31] 

2023年3月，中國農業科學院深圳農業基因組研究所聯合國內科研單位成功開發新型DNA斷裂檢測技術（DEtail-seq），該技術能夠在多個物種中高效地檢測減數分裂DNA雙鏈斷裂位點的3’末端，是一種接近單核苷酸水平的超高分辨率全基因組DNA斷裂位點檢測方法。 ^[32] 

2023年4月6日，《科學》發表的一項研究指出，雄性黃瘋蟻是有兩個不同基因譜系的嵌合體。這標誌着黃瘋蟻是已知的第一種將這種特性作為生命基本特徵的動物。研究團隊發現，雄性的黃瘋蟻嵌合體在螞蟻的種姓制度中起着至關重要的作用，也可能有助於提高該物種逃避生態系統不利影響的能力。 ^[33] 

2023年8月23日，美國國家人類基因組研究所宣佈，已經完成對人類Y染色體脱氧核糖核酸（DNA）全部基因測序。Y染色體是決定性別的染色體，這一染色體上的遺傳信息通常只在雄性之間傳遞。這項研究成果或有助男性不育症的相關研究。 ^[35-36] 

2023年，首爾大學團隊開發出DNA納米技術，可像摺紙一樣摺疊或展開厚度為人類頭髮千分之一的DNA納米結構。 ^[37]