基因、基因體與 dna

基因、基因體與 DNA

2 CHAPTER 4 DNA基因、基因體與

DNA 為遺傳物質的歷史回溯1828 年 Friedrich Wohler 證實了可用實驗室的化學藥品 ammonium cyanate 在試管中合成出尿素，是一種由動物產生的「活」的分子。這是第一次證明，其實沒有神奇的力量在生命體的化學物裡。DNA 是在 1869 由 Frederich Miescher 感染傷口的膿中萃取物發現的。直到將近一百年後，才由

Oswald Avery 確認它的重要性。在 1944年， Avery 發現，利用化學萃取一些會引起肺炎的細菌株而得到的萃取物，可傳給其他類似但較無害的菌種， Avery 純化這些必要的分子並證實它們就是 DNA ，即便他當時並沒有命名為 DNA ，因為DNA 的結構還沒有被研究。


James Watson 與 Francis Crick 在 1953 年，提出著名的雙股螺旋模型，證實基因代碼的化學性質也介紹DNA 複製的機制。 1950 年， Maurice Wilkins 與他的同事 Raymond Gosling 拿到第一張 DNA X- 光繞射的圖。 Rosalind Franklin 加入了 Wilkins 的實驗室並繼續 Gosling 的工作。 Watson 與 Crick 在 1952年拿了 Rosalind Franklin 與 Raymond Gosling 的 X-光繞射圖，並用以做為雙股螺旋模型的基礎。

找出遺傳物質的化學基礎讓 Watson 、 Crick 與Wilkins 在 1962 年贏得諾貝爾生理醫學獎，因為他們發現核酸的分子結構與活體基因訊息傳送的重要性。


維持生命需要多少的基因訊息才足夠最小的真菌基因體是 Mycoplasma genitalium ，它有一個環狀的染色體，約有 580,000 個 DNA 鹼基對 (bp) 。一般一個基因的平均鹼基數目為 1,000個鹼基，而在細菌中的非編碼 DNA 很少，約有

500 個基因。與其他小的細菌基因體比較，我們知道約有 250個基因是活細胞存在最基本的數目。最簡單的活細胞可能需要約 200 到 300 個基因。寄生的細菌，因為它並不能獨自生長，除非靠在其他微生物的表面。雖然有著較少的 DNA ，但它的基因較緊密且連續在一起，因此比 M. genitalium 有更多的基因代碼序列 ── 約 550 個。


非編碼 DNA真核細胞存有大量 DNA 是非編碼 DNA (non-coding

DNA) 。也正如字面意義所指，這些 DNA 的鹼基序列是毫無意義的，就我們目前所知是沒有任何有用的基因訊息。任何區間的 DNA ，不管是否有基因代碼意義，都可視為是基因的地址 (locus ，複數為 loci) ，也就是在染色體的位置 ( 或其他 DNA 分子上 ) 。因為任何

DNA 的序列可能是一種形式，如果這段 DNA 是無基因代碼意義，則使用對偶基因 (allele) 來代表。雖然細菌相對地只有很少的非編碼 DNA ，但真核細胞卻有著很大的量。高等真核細胞有較多量的非編

碼 DNA 。


在原核細胞中，幾乎所有的非編碼 DNA 都是存在於基因與基因之間 (intergenic DNA) 。真核細胞的情形則較為複雜，不僅是非編碼 DNA散落在染色體的基因間，基因本身也會被這些非編碼 DNA 給打斷。這些非編碼 DNA叫作基因間區段序列 (intervening sequence) ，也就是內含子 (intron) ，而真正含有基因訊息的 DNA 就是外顯子 (exon) 。大部分真核細胞基因的外顯子間夾雜著有內含子。


為了要利用被干擾打斷的基因做成蛋白質，內含子必須被移走。轉錄之後在 mRNA 的層級，內含子在細胞核中被移除。當基因被表達時 DNA首先被轉錄成一條很長的 RNA 分子，也就是說在主要的初級轉錄物 (primary transcript) 時期仍有內含子存在，再來初級轉錄物經由處理移走內含子產生了mRNA 。


非編碼 DNA 序列中也可能存在編碼 DNA內含子並非完全不存在於原核細胞中，但是不尋常的是通常只有一個單一的內含子在一個基因上，並不像真核細胞中，有許多基因存在多個內含子。在一些少見的例子中，原核細胞染色體基因被打斷，但這些基因是 RNA 分子的代碼而非蛋白質的代碼。在真細菌與古細菌的 tRNA 與 rRNA 的基因是在內含子中被發現。


重複序列的 DNA 是較高等生物的特性大部分的基因都是以一組存在，而這些特殊的序列基因，幾乎就是所有細菌的 DNA 。但在高等生物體，這些特殊的序列，就可能只有全部 DNA 的

20% 。如人類有 65% 的 DNA 為基因，蛙則有22% 。剩下來的 DNA 都是重複序列 (repeated sequences 或 repetitive sequences) 。重複序列就正如它們的名字一樣，在基因體裡重複出現。某些例子中，這些重複序列一個緊接著一個 (tandem repeat) ，但有些則是任意分散在基因體裡 (interspersed sequences) 。這些重複序列有些是真正的基因，但大部分則是非編碼 DNA 。


這些重複序列家族的成員，每一個鹼基幾乎都是一樣的，可以視為是沒有什麼變化的，即便有也是非常微小的差異，也就是所謂的共同序列 (consensus sequence) 。要找到這樣的共同序列，就是比較許多的個別序列的鹼基，在每一個位置都找出最常出現的鹼基，並得到所有的平均。


真核細胞也有所謂的假性基因 (pseudogene) 。這些真正基因的複製拷貝是有缺陷的，而這些缺失使得它們無法被表達。有時基因的複製具有功能，而重複的拷貝可能產生一些相關基因的家族。這些重複的拷貝會逐漸分開，以或高或低的不同程度，來調節成相似的功能。因此這些重複序列形成非常相近但不是完全一樣的基因家族。


因為原核細胞有 10,000 個或更多核糖體，它們的DNA通常有六個複製本的 rRNA和 tRNA 基因。在更大的真核細胞，它們有上百上千個複製本的rRNA和 tRNA 基因。這些存在於上百上千個複製本的序列，稱為中等重複序列 (moderately repetitive sequence) 。大約有 25% 的人類 DNA屬於這個種類。

許多中等重複非編碼 DNA 序列，由 LINEs 所組成，也就是「長的重複非編碼 DNA 序列 (Long INterspersed Elements, LINE) 」。它們被認為是由類似逆轉錄病毒衍生而來。


10% 的人類 DNA 有上萬到百萬個複製本的序列，大多數的高等重複 DNA 序列 (highly repetitive DNA) 包含 SINE 或短的重複非編碼 DNA 序列 (Short INterspersed Elements, SINE) 。這些序列至今所知幾乎全是無功能的。最廣為人知的 SINE 是300 個鹼基對的 Alu 因子 (Alu element) 。


衛星 DNA 是非編碼 DNA 以重複序列出現 LINEs 和 SINEs 的定義是這些重複序列隨意分散在基因體上，但還有一種在真核細胞中數量不少的高等重複 DNA 序列，被發現以長的聚集存在，就是縱列重複序列 (tandem

repeats) ，也就是所謂的衛星 DNA (satellite DNA) 。 Tandem 的意義為這些重複序列在 DNA 上是以一個接一個的形態出現，中間並無任何的空間存在。衛星DNA 的數量變化極大，在哺乳類如小鼠中約有 8% 的 DNA是衛星 DNA ，而在果蠅則將近有 50% 。

長序列的縱列重複序列常有不正確的排列出現，當一對染色體在減數分裂做交換時會排列整齊，不相等的交換 (unequal crossing over) 發生所產生一段重複序列的 DNA較短，另一段重複序列的 DNA 較長。


衛星 DNA插入染色體，並緊緊的環繞在異染色質 (heterochromatin) 上。異染色質位在染色體的中心體 (centromere) ，推測它負責某些結構上的功能。但這些衛星 DNA 序列與中心體序列 (centromere sequence) 是非常不同的，中心體是負責在細胞分裂中紡錘絲的附著。


迷你衛星 DNA 與 VNTRDNA片段中包含著短的縱列重複序列，但比衛星

DNA 有較少的數目，這些就是迷你衛星 DNA (mini-satellite) 或稱為不同數目的縱列重複序列VNTR (Variable Number of Tandem Repeat) 。

由於不相等的交換，在任一個 VNTR 的重複序列數目差異是極大的。雖然 VNTR屬於無意義的沒功能的基因，但它的不同版本仍被視為對偶基因。一些高變異的 VNTR 可能有多至 1,000 個不同的對偶基因，並在個別生物體產生非常不同的形式。這種數量上的變異可能以 DNA 指紋 (DNA

fingerprinting) 分析來確認個體。


自私 DNA 與垃圾 DNA 的起源一般認為在真核細胞染色體，發現的大部分重複與非編碼 DNA 是無用的，如此無用處的 DNA ，通常視為垃圾 DNA (junk DNA) 。它被認為是許多的重複序列與非編碼 DNA ，包括內含子，可能原先都由病毒 DNA來的。當病毒 DNA插入真核細胞染色體，逆轉錄病毒在產生這樣的染色體插入，扮演重要的功能。另外，轉位因子 (transposable

element) ) 可能負責產生顯著數量的重複序列 DNA 。


重複序列 DNA 的產生可分為兩個過程，原始的序列可能是病毒 DNA 或轉位因子，這些序列插入染色體而仍舊維持不變及具功能性。兩樣元素都可能複製，而複製本則插入染色體中的許多不同部位，因此這些寄生物序列的數目就增加了，再加上許多序列會有突變，可能是鹼基改變或是刪除，這些結果造成一系列家族的序列，但大部分的功能性已不存在了。轉位因子因為只注重自身的存活與複製，並不會在任何方面幫助寄主，所以稱之為自私 DNA (selfish

DNA) 。


自私 DNA 在基因體裡增長，可視為細胞的寄生物感染寄主的染色體。這些自私 DNA 的累積是靠著兩個相反的過程，複製與自私 DNA 的重新插入，再加上它自行產生的鹼基刪除。


迴文、倒轉重複序列、莖狀與環狀結構迴文 (palindrome) 的意思是一個字或句子，正著唸與倒著唸是相同的。在 DNA 的例子中，它是雙股螺旋，理論上兩種形式的迴文可被產生。如鏡子影像的迴文 (mirror-like palindrome) 就像一般的文字，但牽涉到到兩條 DNA 。倒轉重複 (inverted repeat) 序列的迴文是比較常見的，並具有生物功能的特殊意義。在倒轉重複序列，一個序列是正著唸與另一個互補序列倒著唸是相同的。


倒轉重複序列在蛋白質要接上 DNA 時的辨識序列是非常重要的，許多調控蛋白質可辨識倒轉重複序列，一些限制　與修飾酵素也可辨識倒轉重複序列。若以倒轉重複序列的單股來說，在每一股的右半段與左半段的序列，必須是互補的。如序列

GGATATCC 可被摺疊成髮夾 (hairpin) 狀，兩端以鹼基配對結合而成。


少數幾個非配對的鹼基 ( 以 N 代表任何鹼基 ) ，在鹼基對的直桿上方會形成個圈圈，稱為莖狀與環狀 (stem and loop) 結構。單股 DNA的任何倒轉重複序列，只要具有多餘的幾個鹼基在中間，就可形成這樣的結構。


多個 A-tracts 造成 DNA彎曲DNA 序列若包含幾個有 A 的鹼基 ( 連續 3 到 5 個核　酸長 ) ，並由 10 bp 間隔開來，就可形成彎曲。注意這些 A-tract 間的間隔，相當於雙股螺旋的一個轉折，彎曲發生在有 As轉的 3-端。彎曲的 DNA

(bent DNA) 在電泳分離時，會跑得比同樣長度但沒有彎曲的 DNA來得慢。


超螺旋在細菌 DNA 的包裝上是必要的一般的細菌約有一百萬分之一公尺長，而一個攜帶

4,000 個或更多的基因的單一 DNA 分子，則有一毫米長。若將細菌染色體全拉開，將是一個細菌的一千倍長。在細胞內的雙股螺旋 DNA 必須是超螺旋 (supercoiled) 狀，才能使得 DNA 更緊密。


DNA 分子已是雙股螺旋，原先的雙股螺旋有著右手側扭轉，但超螺旋的扭轉是另一個方向，也就是左手側或「負向超螺旋 (negative supercoils) 」。在細菌 DNA 中，每一個超螺旋約有 200 個核　酸，在複製及轉錄時，負向超螺旋促使 DNA 螺旋解開，並幫助雙股分開。負向超螺旋是利用 DNA促旋酶 (gyrase) 引進到細菌染色體的。若沒有拓樸酶 I (topoisomerase I) 和拓樸酶 IV (topoisomerase IV) ， DNA 就會是極度的負向超螺旋。


在大腸桿菌的超螺旋程度是依據拓樸酶 I和拓樸酶 IV 間的平衡，拓樸酶 IV 的功能是輔助拓樸酶 I的作用，而拓樸酶 I 的功能是可移走多餘的負向超螺旋，這樣的功能恰好與 DNA促旋酶的作用相反。一般的細菌染色體，繞在蛋白質鷹架裡約有 50圈大型 DNA超螺旋。


細菌染色體和質體都是雙股環狀的 DNA 分子，並常稱為共價緊閉環狀 DNA (covalently closed circular DNA 或 cccDNA) 。如果雙股環狀的一股是有缺口，則超螺旋能被分開，這樣的分子為有缺口的環狀 (open circle) 。


拓樸酶和 DNA促旋酶在兩股扭曲 DNA 分子中所有的立體交叉處數目，稱為連接數 (linking number (L)) ，這個是雙股螺旋加上超螺旋的總和。 [ 雙股螺旋扭轉的數目，被認知為雙股螺旋轉 (twist, T) ，而超螺旋扭轉的數目為超螺旋轉數目 (writhe 或 writhing number,

W) 。至於 linking number (L) ，就是 twist 的數目加上 writhe 的數目 (L=T+W) 。 ]


相同的環形 DNA ，能有不一樣數目的超螺旋，這樣的異構物，稱為 topological異構物，也就是拓樸異構體 (topoisomers) 。能將超螺旋加入或移除的酵素，因而稱為拓樸酶 (topoisomerase) 。第一型拓樸酶 (type I topoisomerase) 打斷的只有一股DNA ，可以減少一個連接數。相反的，第二型拓樸酶 (type II topoisomerase) [包括 DNA促旋酶 (DNA gyrase)] 可打斷 DNA 的兩股，當兩股都打斷時，雙股 DNA 會經由斷裂處將雙股螺旋打開，而使得超螺旋的數目減少兩個。


DNA 促旋酶活性會被喹啉酮類抗生素 (quinolone antibiotics) 抑制，如 nalidixic acid 、 norfloxacin和 ciprofloxacin ，它們會結合 GyrA蛋白質而達到抑制的效用。當 GyrA蛋白質插入 DNA 雙股螺旋，並以共價結合方式接上斷裂 DNA 的 5'-端，就會形成沒有活性的複合物。 novobiocin 也會以接上 GyrB蛋白質而影響它與 ATP 的結合的方式，來抑制促旋酶的活性。


鎖形與打結的 DNA 必須被校正環狀 DNA 分子在複製或重組時，可能會形成打結狀，如此的結構狀稱為鎖形 (catenane) 狀的 DNA 。這樣的結構可以被特定細菌的第二型拓樸酶，如拓樸酶 IV 或相關的酵素解開。環狀 DNA 分子也可能成打結狀，第二型的拓樸酶可以同時產生或解開打結狀，就如同 DNA 促旋酶，有兩個不同的單位形成四倍體，一部分負責剪開 DNA ，而另一部分負責結合能量。也像 DNA 促旋酶、拓樸酶 IV 可被喹啉酮 (quinolone) 類抗生素抑制。


局部的超螺旋當 DNA 在複製或基因在表現時，雙股螺旋首先會被打開，這是由於染色體的負向超螺旋的關係。當複製機器順著雙股螺旋的 DNA移動，它會在它的前端產生正向的超螺旋。同樣的，在轉錄的時候， RNA聚合酶順著 DNA 分子移動，它也會在它的前端產生正向的超螺旋。為了使複製與轉錄能在距離稍長的前端進行， DNA促旋酶必須插入負向的超螺旋才能取消掉正向的超螺旋。在移動的複製與轉錄機器之後，就有一波負向的超螺旋產生，而多餘的負向超螺旋以拓樸酶 I移除。


拓樸異構體可以利用電泳分離任一個 DNA 分子，超螺旋的 cccDNA移動較開放環狀的 DNA 分子移動得快，而開放環狀的 DNA就比線形分子移動得快。小型的環狀 DNA 分子，我們甚至可用電泳分離不同數目的超螺旋扭轉的拓樸異構體，數目愈多的扭轉數，結構愈緊密，因而在電泳裡也移動得比較快。


超螺旋影響 DNA 的結構超螺旋可讓 DNA處於物理緊張狀態，這會導致

DNA 的另類結構出現，這個另類結構可以舒緩DNA 結構緊張。以下是這三種結構，十字形結構 (cruciform structure)；左手雙股螺旋 (Z-DNA)；另一個是三螺旋 (H-DNA) 。十字形結構：在雙股 DNA( 或 RNA) 因倒轉重複形成的十字形結構。三螺旋：一種形式的 DNA 有著三股螺旋，因酸性及

purine 鹼基轉而形成。左手雙股螺旋：另一形式的 DNA 雙股螺旋有左手轉及每一轉友 12 鹼基對。


DNA 的另類螺旋結構Watson 與 Crick 的雙股螺旋稱為 B-form 或 B-

DNA ，用來區分其他的螺旋態 A-DNA 與 Z-DNA 。A-form 的雙股螺旋比 B-form 的較短及較肥大，每一個螺旋轉有 11 個鹼基對。A-DNA 是不常見的，雙股的 RNA 在 in vivo 是以這樣的形式存在。


Z-DNA 是左手轉的雙股螺旋，每一轉有 12 個鹼基對，它因此比 B-DNA 較長且窄細，它的磷酸糖骨架成鋸齒狀而非平滑的螺旋曲線。高鹽濃度傾向形成 Z-DNA ，因為它會降低 DNA骨架上負電的磷酸根排斥， Z-DNA具有高數目的 GC 或 GT ，對區域的 DNA 形成，如

GCGCGCGCGCGCGC 或 GTGTGTGTGTGTGT 　 CGCGCGCGCGCGCG 或 CACACACACACACA 如此的序列可簡寫成 (GC)n (GC)‧ n 和 (GT)n (AC)‧ n注意這樣的序列是以 5' 到 3' 的方向。


Z-DNA 是左手轉的螺旋，它的出現在 DNA 分子中可幫助解除超螺旋的緊張，當負向的超螺旋增加時，DNA 中的 GC- 或 GT- 形成 Z-form 的機率會跟著增加，它在小質體中的存在可以用電泳結果的不同來展現。單股特定的核酸水解　能在 Z-DNA 與正常的 B-DNA交接處切開。

短的人工合成的雙股螺旋 DNA ，可以用單純的GC 重複序列，在高鹽濃度下即便缺少超螺旋也可形成 Z-form 。亦可以用線形的 (GC)n 序列打入動物而產生針對 Z-DNA 的抗體，這些抗體能用來顯示在自然狀態的 DNA 中的 Z-form 螺旋部位，顯示它是高度超螺旋。


某些酵素被證實可以辨識特定的 Z-helix 的部位，如 RNA 編輯酵素 (RNA editing enzyme, ADAR1) 。ADAR1 代表 adenosine deaminase (RNA) type I ，它可以將 adenosine 上的胺基去除而成 inosine 。

H-DNA 則更加奇特 ── 它不是一個雙股螺旋，而是個三股螺旋，主要依照其中的一股長的嘌呤 (purine) 及另一股的嘧啶 (pyrimidine)；如

GGGGGGGGGGGGGG 或 GAGAGAGAGAGAGA 　 CCCCCCCCCCCCCCC 或 CTCTCTCTCTCTCTC 當 DNA具有高度的超螺旋，就需要這樣的兩個序列去形成 H-DNA 。


整個部位必須是具有鏡像迴文。 H-DNA含有一個三股螺旋，其中有一股具有較多的嘌呤和兩股有較多的嘧啶，另外一個含有較多的嘌呤則被取代，並未形成配對。在 H-DNA ，腺嘌呤 (adenine) 與兩個胸腺嘧啶

(thymines) 配對，而鳥嘌呤 (guanine) 與兩個胞嘧啶 (cytosines) 配對。每一個例子中，一組的配對是正常的，另一個則接在邊側 (稱為 Hoogsteen base pairs ── 也就是H-DNA) 。再來要形成 C=G=C三角形，其中一個氫鍵就需要一個多的質子 (H+) 。也就是說，在酸的環境下較利於H-DNA 的形成。強酸也傾向在 DNA骨架的磷酸根上加上質子，以減少它們的負電荷。如此一來，三股之間的排斥力減少，因而有利於形成三股螺旋。


真核細胞的組蛋白包裝 DNA真核細胞的染色體並非環狀，因此需要以 DNA 促旋酶來將 DNA 做超螺旋，可把 DNA 環繞著特殊蛋白質做扭轉並壓縮起來，這個特殊蛋白質就是組蛋白 (histone) 。真核細胞 DNA 的摺疊起始於環繞著組蛋白做螺旋轉，正電的組蛋白與負電的 DNA 可以互相中和。

若 DNA 上有著組蛋白則這樣的化合物叫作染色質 (chromatin) ，因為它首先在染色體被發現。 Chromatin 包含有球形的單位，也就是核小體 (nucleosome) ，每一個含有約略為 200 bp 的DNA 及 9 個組蛋白，各有兩個 H2A ， H2B ， H3和 H4 ，以及一個 H1 。


八個成對的組蛋白與兩個的螺旋轉 DNA互相捲繞在一起。每一個螺旋轉 DNA 約有 80 bp 長，螺旋中心共可容納 160 bp DNA 。附近以約有 40 bp 長的序列形成一個接線 (linker) 連接到下一個螺旋中心，接線的長度變化很大 ( 從 10 到 100 bp) 是取決於 DNA 序列。第九個組蛋白 H1 ，負責將螺旋中心接上下一個。


DNA 在接線部分是暴露在外的，可以用雙股 DNA特定的核酸水解酶來切開，這些核酸水解酶可以將雙股切開。實際上，微球菌 (micrococcal) 核酸水解酶可用來處理這類工作。切開可分為三個步驟，首先單個 200 bp 的 DNA 核小體會被釋放，接著接線部分被切除，留下約 165 bp 。最後，繞著螺旋中心的 DNA尾端被拉開，約 146 bp原先被保護好的 DNA 會經由更進一步的消化而去除。


中心的組蛋白， H2A ， H2B ， H3 與 H4 都是小的，多為球形的蛋白質，有著 102 到 135 個胺基酸。而接線組蛋白， H1 較長有著約 220 個胺基酸。 H1有兩個胳臂從中心球體往外伸出，中心部分接上本身的核小體，而兩個胳臂則聯繫核小體的兩側。


核心組蛋白有約 80 個胺基酸的本體，還有在N-端的尾巴有 20 個胺基酸。這個尾巴包含許多 lysine 可被乙醯化或去乙醯化 (acetylation) 。


真核細胞更進一步的 DNA包裝DNA外包裹著組蛋白並扭轉成一系列的核小體，就像是一長串的珠子，也因此稱為” beads on a

string” 。摺疊的過程持續進行，核小體鏈扭轉成巨大的螺旋結構，每一個螺旋有 6 個核小體。30奈米纖維 (30 nanometer fiber) 。這些纖維前後繞著圈子，這些圈圈的大小變化很大，平均每個圈約有 50 個螺旋轉 ( 約 300 個核小體 ) 。這些圈圈的結尾連結著蛋白質骨架 (protein scaffold) 或染色體軸 (chromosome axis) 。


高度壓縮染色質被認知為異染色質 (heterochromatin) ，在光學顯微鏡下看來是緊密的，這樣的形式並無法做轉錄。

在細胞分裂期間，異染色質部分持續在中心體以及在染色體的盡頭。這些部分包括上述所提的衛星DNA ，約為染色體的 10% 。剩下的染色質，也就是真染色質 (euchromatin) ，是在一種較伸展的形式。


在兩次細胞分裂之間，大部分的 DNA 是壓縮的。它包含一個伸展的雙股螺旋 DNA 分子，完全不像一般常見的染色體照片。就在細胞分裂之前， DNA壓縮且摺疊起來，如同上述情況，一般的細胞分裂中期染色體，就像常見到的照片一樣，在這之前 DNA已經複製，並準備分裂成兩個子染色體。因此它包含兩個完全相同的雙股螺旋 DNA分子，但它們仍接在中心體上，這就是所謂的染色分體 (chromatid) 。


高溫使得 DNA 雙股分開；冷卻使它們結合氫鍵相對來講是弱的，但因為一分子的 DNA通常包含百萬個鹼基對，把所有百萬個弱的鍵結加起來，其力量就強化到可以使兩股結合在一起。當 DNA被加熱，氫鍵開始被打斷，如果溫度夠高的話，兩股會分開。這就是「熔化 (melting) 或變性

(denaturation) 」。


每個 DNA 分子根據其鹼基組成，有它自己的熔化溫度 (melting temperature, Tm) 。因此， DNA 分子的熔化溫度，根據嚴格的定義是，在熔化曲線的中點。這比猜測在什麼溫度會有完全的熔化來得準確。


熔化溫度受到 pH 與溶液鹽濃度的影響，若要比較熔化溫度就必須標準化 pH 與溶液鹽的濃度。極端的 pH 會打斷氫鍵，而高鹼性的 pH 會將鹼基去中子，因而減少它們形成氫鍵的能力，在 pH>11.3 時，DNA 會完全的熔化。相反的，非常低的 pH 會引起多重的中子化，進而影響氫鍵的形成。當 DNA 因pH 而熔化，多用鹼性處理，因為鹼性不像酸性，它不會影響鹼基與去氧核糖上的糖鍵結形成。 DNA 在高離子濃度是相對的較穩定的，這是因為離子抑制靜電排定力來自在骨架上帶負電的磷酸根，使得它顯現穩定效果。在純水中， DNA甚至會在室溫下熔化。


DNA 分子若有較高比率的 GC 鹼基對，就有較高的熔化溫度。 AT 鹼基對比較弱，因為它們只有兩個氫鍵，而 GC 鹼基對有三個。加上， GC 鹼基對與其鄰近的分子相容性比 AT 鹼基對來得高。在早期的分子生物學，熔化溫度是用來預估 DNA樣品中 GC 對上 AT 的百分比。 DNA 鹼基的組成通常以 GC 比率 (GC ratio) 來表示， GC 量 (% G+C) 可用下列公式來計算：


當 DNA 分子熔化，有著局部高濃度的 AT 對會比較早熔化，而富有 GC 的部分就能維持久一些的雙股螺旋結構。


如果熔化的 DNA 分子的單股冷卻後，這個 DNA 單股將會以鹼基配對來辨識它的另一半，於是雙股DNA又會產生。這個稱為煉合 (annealing) 或復性 (renaturation) 。

適當的煉合條件， DNA 必須緩慢冷卻以允許單股DNA 找到它適當的另一半。再者，溫度應維持夠高，使得氫鍵在一個或數個鹼基的範圍可被隨意的打斷。在 Tm溫度以下的 20 ～ 25C通常是適當的選擇。如果 DNA來自兩個不同但相關的來源， DNA 會熔化再煉合回去時，雜交的 DNA (hybrid DNA) 就會形成。


DNA 與 / 或 RNA 的雜交 (hybridization) 原先是在能很方便直接分析 DNA 序列之前，用來估算不同生物體的相關聯性，尤其是細菌這種 DNA 的量相對來說是小的生物體。雜交的另外用途包括偵測特定的基因序列與基因複製。

基因、基因體與 dna

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