1. 東海大學物理系‧計算科學總論 Introduction to DNA and Chromosome 東海大學數學系／物理系／環科系 施奇廷

2. 東海大學物理系‧計算科學總論 The 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

3. 東海大學物理系‧計算科學總論 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)

4. 東海大學物理系‧計算科學總論 What is DNA? A Photo

5. 東海大學物理系‧計算科學總論 What is DNA? A Schematic View

6. 東海大學物理系‧計算科學總論 Nucleotides

7. The 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

8. 東海大學物理系‧計算科學總論 Brief History of Genetics

9. 東海大學物理系‧計算科學總論 1860: 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。

10. 東海大學物理系‧計算科學總論 1869: 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）。

11. 東海大學物理系‧計算科學總論 1890: 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。

12. 東海大學物理系‧計算科學總論 1908: 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。

13. 東海大學物理系‧計算科學總論 1928: 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。

14. 東海大學物理系‧計算科學總論 1942: 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。

15. 東海大學物理系‧計算科學總論 1944: 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 。

16. 東海大學物理系‧計算科學總論 1949: 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。

17. 東海大學物理系‧計算科學總論 1953: The Discovery of Double Helix 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。

18. 東海大學物理系‧計算科學總論 1955: 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。

19. 東海大學物理系‧計算科學總論 1966: 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。

20. 東海大學物理系‧計算科學總論 1977: 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。

21. 東海大學物理系‧計算科學總論 1989: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 ）

22. 東海大學物理系‧計算科學總論 The 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 genome Working Draft of complete human genome 97% coverage, 85% complete 97% coverage, 85% complete

23. 東海大學物理系‧計算科學總論 2000: Human Genome Draft Completed 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”

24. 東海大學物理系‧計算科學總論 Growth of GenBank 年份 Seq.Bp. 1982606680338 198557005204420 19903953349179285 19955556943.8×10 8 2000101060231.1×10 10 2001149763101.6×10 10

25. 東海大學物理系‧計算科學總論 Central Dogma: The Path of the Information DNA RNA Protein

26. 東海大學物理系‧計算科學總論 The 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) Promoter tells the cell when to turn on the gene and how much transcription will occur

27. 東海大學物理系‧計算科學總論 Transcription 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

28. 東海大學物理系‧計算科學總論 Transcription: Copying

29. 東海大學物理系‧計算科學總論 Transcription: Splicing

30. 東海大學物理系‧計算科學總論 Translation: Genetic Code Genetic code: 3-nucleotides = a CODON 64 codons 3 stop codons Rest (61) codes to 20 amino acids

31. 東海大學物理系‧計算科學總論

32. Chromosomes 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。

33. 東海大學物理系‧計算科學總論

35. 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 Chromosome