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DNA的一級結構與功能
（一）DNA的一級結構
核酸是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸（polynucleotide），DNA的一級結構即是指四種核苷酸（dAMP、dCMP、dGMP、dTMP）按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連線形成的多核苷酸，由於核苷酸之間的差異僅僅是鹼基的不同，故又可稱為鹼基順序。核苷酸之間的連線方式是：一個核苷酸的5′位磷酸與下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯鍵，構成不分支的線性大分子，其中磷酸基和戊糖基構成DNA鏈的骨架，可變部分是鹼基排列順序。核酸是有方向性的分子，即核苷酸的戊糖基的5′位不再與其它核苷酸相連的5′末端，以及核苷酸的戊糖基3′位不再連有其它核苷酸的3′末端，兩個末端並不相同，生物學特性也有差異。寡核苷酸（oligonucleotide）是指二至十個甚至更多個核苷酸殘基以磷酸二酯鍵連線而成的線性多核苷酸片段。目前多由儀器自動合成而用作DNA合成的引物（Primer）、基因探針（probe）等，在現代分子生物學研究中具有廣泛的用途。
表示一個核酸分子結構的方法由繁至簡有許多種。由於核酸分子結構除了兩端和鹼基排列順序不同外，其它的均相同。因此，在核酸分子結構的簡式表示方法中，僅須註明一個核酸分子的哪一端是5′末端，哪一端是3′末端，末端有無磷酸基，以及核酸分子中的鹼基順序即可。如未特別註明5′和3′末端，一般約定，鹼基序列的書寫是由左向右書寫，左側是5′末端，右側為3′末端。
（二）基因組DNA
自然界絕大多數生物體的遺傳信息貯存在DNA的核苷酸排列順序中。DNA是巨大的生物高分子，一般將細胞內遺傳信息的攜帶者棗染色體所包含的DNA總體稱為基因組（genome）。同一物種的基因組DNA含量總是恆定的，不同物種間基因組大小和複雜程度則差異極大，一般講，進化程度越高的生物體其基因組構成越大、越複雜。
DNA分子中不同排列順序的DNA區段構成特定的功能單位，即基因（gene）。基因的功能取決於DNA的一級結構。一個DNA分子能攜帶多少基因呢？如果以1000～1500bp編碼一個基因計算，猿猴病毒SV40基因組DNA有5000鹼基對（base pair，bp），可編碼5種基因，人類基因組含3×109bp DNA，理論上可編碼200萬以上的基因，然而，由於哺乳動物的基因含有內含子（intorn），因而每個基因可長達5000～8000bp，少數可達20，000bp.按這樣大小的基因進行推算，人類基因組相當於40～60萬個基因。這可能嗎？雖然現在還不知道確切數字，但利用核酸雜交已測得哺乳類細胞含50，000～100，000種mRNA，由此推論整個基因組所含基因不會超過10萬個，只占全部基因組的6%，另外5～10%為rRNA等重複基因，其餘80～90%屬於非編碼區，沒有直接的遺傳學功能。DNA的復性動力學研究發現這些非編碼區往往都是一些大量的重複序列，這些重複序列或集中成簇，或分散在基因之間，可能在DNA複製、調控中具有重要意義，並與生物進化、種族特異性有關。可見原核細胞由於DNA分子較小，必須充分利用有限的核苷酸序列，這是真核基因組與原核基因組顯然不同之處。
真核基因組與原核基因組在結構上還有很多不同的特點，歸納如下：
1.真核生物基因組結構特點
①真核生物基因組DNA與蛋白質結合形成染色體，儲存於細胞核內，除配子細胞外，體細胞內的基因組是雙份的（即雙倍體，diploid），即有兩份同源的基因組。
②真核細胞基因轉錄產物為單順反子（monocistron），即一個結構基因轉錄、翻譯成一個mRNA分子，一條多肽鏈。
③存在大量重複序列，即在整個DNA中有許多重複出現的核苷酸順序，重複序列長度可長可短，短的僅含兩個核苷酸，長的多達數百、乃至上千。重複頻率也不盡相同；高度重複序列重複頻率可達106次，包括衛星DNA、反向重複序列和較複雜的重複單位組成的重複序列；中度重複序列可達103～104次，如為數眾多的Alu家族序列，KpnI家族，Hinf家族序列，以及一些編碼區序列如rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因等；單拷貝或低度重複序列，指在整個基因組中只出現一次或很少幾次的核苷酸序列，主要是編碼蛋白質的結構基因，在人基因組中占約60～65%，因此所含信息量最大。
④基因組中不編碼的區域多於編碼區域。
⑤基因是不連續的，在真核生物結構基因的內部存在許多不編碼蛋白質的間隔序列（intervening sequences），稱為內含子（intron），編碼區則稱為外顯子（exon）。內含子與外顯子相間排列，轉錄時一起被轉錄下來，然後RNA中的內含子被切掉，外顯子連線在一起成為成熟的mRNA，作為指導蛋白質合成的模板。
⑥基因組遠大於原核生物的基因組，具有許多複製起點，而每個複製子的長度較小。
2.原核生物基因組結構特點
①基因組較小，沒有核膜包裹，且形式多樣，如病毒基因組可能是DNA，也可能是RNA，可能是單鏈的，也可能是雙鏈的，可能是閉環分子，也可能是線性分子；細菌染色體基因組則常為環狀雙鏈DNA分子，並與其中央的RNA和支架蛋白構成一緻密的區域，稱為類核（nucleoid）。
②功能相關的結構基因常常串連在一起，並轉錄在同一個mRNA分子中，稱為多順反子mRNA（polycistronic mRNA），然後再加工成各種蛋白質的模板mRNA.
③DNA分子絕大部分用於編碼蛋白質，不編碼部分（又稱間隔區）通常包含控制基因表達的順序。例如，噬菌體ψx 174中只有5%是非編碼區。
④基因重疊是病毒基因組的結構特點，即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質分子。
⑤除真核細胞病毒外，基因是連續的，即不含內含子序列。
（三）限制性片段長度多態性
隨著對基因認識的不斷深入，發現在同種生物的不同個體之間，儘管其蛋白質產物的結構和功能完全相同或僅存在著細微的差異，但在DNA水平卻存在著差異，尤其在不編碼蛋白質的區域以及沒有重要調節功能的區域表現更為突出。這種不影響生物體表型的DNA突變被稱為中性突變。分子生物學技術的不斷發展已使得從DNA水平直接分析這類突變成為可能。
目前套用較多且成熟的方法是限制性片段長度多態性（Restriction fragment length polymorphism，RFLP）。即當DNA序列中某一個鹼基發生突變，使突變所在部位的DNA序列獲得或丟失某種限制性核酸內切酶位點；或當DNA分子內部發生較大的順序突變如缺失、重複、插入，或DNA高變區內某串聯重複順序的拷貝數不同致使其兩側限制性核酸內切酶位點發生相對位移時，利用相應的限制性核酸內切酶消化此DNA，便會產生與正常不同的限制性片段。這樣，在同種生物的不同個體中就會出現不同長度的限制性片段類型。
因為DNA的中性突變常以孟德爾顯性遺傳方式遺傳給下一代，所以對這類突變檢測已廣泛用於遺傳病的診斷、產前診斷、親子鑑定以及法醫學上對罪犯的確認等。
（四）DNA序列分析（DNa sequencing）
DNA的一級結構決定了基因的功能，欲想解釋基因的生物學含義，首先必須知道其DNA順序。因此DNA序列分析是分子遺傳學中一項既重要又基本的課題。1986年由美國學者提出的，目前正在實施的人類基因組計畫（human genome project），則是要通過對人類基因組3×109bp全序列的序列分析和人類基因的染色體圖譜制定達到了解其結構，認識其功能，即從分子遺傳學水平來認識人類自身的結構和功能特徵的目的。
核酸的核苷酸序列測定方法已經過近20年的發展，因而測序的具體方法五花八門、種類繁多。但是究其所依據的基本原理，不外乎Sanger的核酸鏈合成終止法及Maxam和Gilbert的化學降解法兩大類。雖然原理不同，但這兩種方法都同樣生成互相獨立的若干組帶放射性標記的寡核苷酸，每組寡核苷酸都有固定的起點，但卻隨機終止於特定的一種或多種殘基上。由於DNA鏈上每一個鹼基出現在可變終止端的機會均等，因而上述每一組產物都是一些寡核苷酸的混合物，這些寡核苷酸的長度由某一種特定鹼基在原DNA片段上的位置所決定。然後在可以區分長度僅相差一個核苷酸的不同DNA分子的條件下，對各組寡核苷酸進行電泳分析，只要把幾組寡核苷酸加樣於測序凝膠中若干個相鄰的泳道之上，即可從凝膠的放射自顯影片上直接讀出DNA上的核苷酸順序。以下分別介紹。
1.Sanger雙脫氧鏈終止法
DNA的合成總是從5′端向3′端進行的。DNA的合成需要模板以及相應的引導核酸鏈。DNA的合成過程中，在合成的DNA鏈的3′末端，依據鹼基配對的原則，通過生成新的3′，5′－磷酸二酯鍵，使DNA鏈合成終止，產生短的DNA鏈。具體測序工作中，平行進行四組反應，每組反應均使用相同的模板，相同的引物以及四種脫氧核苷酸；並在四組反應中各加入適量的四種之一的雙脫氧核苷酸，使其隨機地接入DNA鏈中，使鏈合成終止，產生相應的四組具有特定長度的、不同長短的DNA鏈。這四組DNA鏈再經過聚丙烯酸胺凝膠電泳按鏈的長短分離開，經過放射自顯影顯示區帶，就可以直接讀出被測DNA的核苷酸序列。
2.Maxam�Gilbert DNA化學降解法
這一方法的基本步驟為（1）先將DNA的末端之一進行標記（通常為放射性同位素32P；（2）在多組互相獨立的化學反應中分別進行特定鹼基的化學修飾；（3）在修飾鹼基位置化學法斷開DNA鏈；（4）聚丙烯醯胺凝膠電泳將DNA鏈按長短分開；（5）根據放射自顯影顯示區帶，直接讀出DNA的核苷酸序列。
DNA的二級結構與功能
（一）DNA的二級結構雙螺鏇結構模型（double helix model）
1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的雙螺鏇結構模型，揭示了遺傳信息是如何儲存在DNA分子中，以及遺傳性狀何以在世代間得以保持。這是生物學發展的重大里程碑。在DNA雙螺鏇結構模型建立之前，早在1868年，Miescher已經從膿細胞提取到核酸與蛋白質的複合物，當時稱為核素（nuclein）。但核酸在生命活動中的重要地位，卻遲至本世紀50年代才被認識。
本世紀20年代，Levene研究了核酸的化學結構並提出四核苷酸假說；40年代末，Avery，Hershey和Chase的實驗嚴密地證實了DNA就是遺傳物質；50年代初，Chargaff套用紫外分光光度法結合紙層析等簡單技術，對多種生物DNA作鹼基定量分析，發現DNA鹼基組成有規律:
（1）同一生物的不同組織的DNA鹼基組成相同；
（2）一種生物DNA鹼基組成不隨生物體的年齡、營養狀態或者環境變化而改變；
（3）幾乎所有的DNA，無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同（A］=［T），鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同（G］=［C），總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同（［A＋G］=［C]＋［T）。
（4）不同生物來源的DNA鹼基組成不同，表現在A＋T/G＋C比值的不同；
這些結果後來為DNA的雙螺鏇結構模型提供了一個有力的佐證。
Watson和Crick以立體化學原理為準則，對Wilkins和Franklin的DNa X�射線衍射分析結果加以研究，提出了DNA結構的雙螺鏇模式，其主要內容如下：
A.正面觀：長方框內有詳細說明，S代表脫氧核糖。�
B.俯視：塗黑的是鹼基，此處全部鹼基都是嘧啶，只看到糖的側面略呈三角形，最外圍是磷酸及其酯鍵。
（1）在DNA分子中，兩股DNA鏈圍繞一假想的共同軸心形成一右手螺鏇結構，雙螺鏇的螺距為3.4nm，直徑為2.0nm.。
（2）鏈的骨架（backbone）由交替出現的、親水的脫氧核糖基和磷酸基構成，位於雙螺鏇的外側。
（3）鹼基位於雙螺鏇的內側，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶鹼基以其疏水的、近於平面的環形結構彼此密切相近，平面與雙螺鏇的長軸相垂直。一股鏈中的嘌呤鹼基與另一股鏈中位於同一平面的嘧啶鹼基之間以氫鏈相連，稱為鹼基互補配對或鹼基配對（base pairing），鹼基對層間的距離為0.34nm.鹼基互補配對總是出現於腺嘌呤與胸腺嘧啶之間（A=T），形成兩個氫鍵；或者出現於鳥嘌呤與胞嘧啶之間（G=C），形成三個氫鍵。
（4）DNA雙螺鏇中的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈是5′→3′走向，另一股鏈是3′→5′走向。兩股鏈之間在空間上形成一條大溝（major groove）和一條小溝（minor groove），這是蛋白質識別DNA的鹼基序列，與其發生相互作用的基礎。
DNA雙螺鏇的穩定由互補鹼基對之間的氫鍵和鹼基對層間的堆積力（base�stacking force）維繫。DNA雙螺鏇中兩股鏈中鹼基互補的特點，邏輯地預示了DNA複製過程是先將DNA分子中的兩股鏈分離開，然後以每一股鏈為模板（親本），通過鹼基互補原則合成相應的互補鏈（複本），形成兩個完全相同的DNA分子。因為複製得到的每對鏈中只有一條是親鏈，即保留了一半親鏈，將這種複製方式稱為DNA的半保留複製（semi�conservative replication）。後來證明，半保留複製是生物體遺傳信息傳遞的最基本方式。
DNA雙螺鏇是核酸二級結構的重要形式。雙螺鏇結構理論支配了近代核酸結構功能的研究和發展，是生命科學發展史上的傑出貢獻。
（二）DNA結構的多態性
Watson和Crick提出的DNA雙螺鏇結構屬於B型雙螺鏇，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對濕度下進行X－射線衍射圖譜為依據進行推測的，這是DNA分子在水性環境和生理條件下最穩定的結構。然而以後的研究表明DNA的結構是動態的。在以鉀或絕作反離子，相對濕度為75%時，DNA分子的X－射線衍射圖給出的是A構象，A－DNA每螺鏇含11個鹼基對，而且變成A－DNA後，大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由於大溝、小溝是DNA行使功能時蛋白質的識別位點，所以由B－DNA變為A－DNA後，蛋白質對DNA分子的識別也發生了相應變化。一般說來，A－T豐富的DNA片段常呈B－DNA.採用乙醇沉澱法純化DNA時，整個過程中，大部分DNA由B－DNA經過C－DNA，最終變構為A－DNA.若DNA雙鏈中一條鏈被相應的RNA鏈所替換，會變構成A－DNA.當DNA處於轉錄狀態時，DNA模板鏈與由它轉錄所得的RNA鏈間形成的雙鏈就是A－DNA.由此可見A－DNA構象對基因表達有重要意義。此外，B－DNA雙鏈都被RNA鏈所取代而得到由兩條RNA鏈組成的雙螺鏇結構也是A－DNA.除A－DNA、B－DNA螺鏇外，還存在B′－DNA、C－DNA、D－DNA等.
總之，DNA的雙螺鏇結構永遠處於動態平衡中，DNA分子構象的變化與糖基和鹼基之間空間相對位置有關。
1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的X-射線衍射圖譜時出人意料地發現這種六聚體的構象與上面講到的完全不同。它是左手雙螺鏇，與右手螺鏇的不同是螺距延長（4.5nm左右），直徑變窄（1.8nm），每個螺鏇含12個鹼基對，分子長鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構象（英文字Zigzag的第一個字母）。還有，這一構象中的重複單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且Z�DNA只有一個螺鏇溝，它相當於B構象中的小溝，它狹而深，大溝則不復存在。進一步的分析還證明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA.
Z－DNA有什麼生物學意義呢？應當指出Z－DNA的形成通常在熱力學上是不利的。因為Z－DNA中帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩定區的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺鏇卻是DNA複製和轉錄等過程中必要的環節，因此認為這一結構與基因調節有關。比如SV40增強子區中就有此結構，又如鼠類微小病毒DNS複製區起始點附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺鏇上溝的特徵在其信息表達過程中起關鍵作用。調控蛋白都是通過其分子上特定的胺基酸側鏈與DNA雙螺鏇溝中的鹼基對一側的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識別DNA上的遺傳信息的。大溝所帶的遺傳信息比小溝多。溝的寬窄和深淺也直接影響到調控蛋白質對DNA信息的識別。Z�DNA中大溝消失，小溝狹而深，使調控蛋白識別方式也發生變化。這些都暗示Z�DNA的存在不僅僅是由於DNA中出現嘌呤一啶嘧交替排列之結果，也一定是在漫漫的進化長河中對DNA序列與結構不斷調整與篩選的結果，有其內在而深刻的含意，只是人們還未充分認識而已。
DNA構象的可變性，或者說DNA二級結構的多態性的發現拓寬了人們的視野。原來，生物體中最為穩定的遺傳物質也可以採用不同的姿態來實現其豐富多采的生物學功能。
多年來，DNA結構的研究手段主要是X射線衍射技術，其結果是通過間接觀測多個DNA分子有關結構參數的平均值而獲得的。同時，這項技術的樣品分析條件使被測DNA分子與天然狀態相差甚遠。因此，在反映DNA結構真實性方面這種方法存在著缺陷。1989年，套用掃描隧道顯微鏡（scanning tummeling microscopy，STM）研究DNA結構克服了上述技術的缺陷。這種先進的顯微技術，不僅可將被測物放大500萬倍，且能直接觀測接近天然條件下單個DNA分子的結構細節。STM技術的套用是DNA結構研究中的重要進展，可望在探索DNA結構的某些未知點上展示巨大潛力。
（三）DNA結構的不均一性（heterogeneity）
在DNA的一級結構中，四種鹼基A，T，C，G遠非均勻分布，儘管雙螺鏇的構型大體相同，但沿著DNA鏈各處的物理結構不完全相同，各處雙螺鏇的穩定性也就顯示出差別，充分體現了DNA一級結構決定高級結構的原理。其不均一性主要有：1.反向重複序列（inverted repeats）
又稱迴文序列（palindrome），它能在DNA或RNA中形成髮夾結構。這種迴文結構通常是作為一種特別信號，如限制性核酸內切酸（restriction encl閂迥onuclease）及調節蛋白的識別位點，轉錄終止信號等。
2.富含A/T的序列
在高等生物中，A+T與G＋C的含量差不多相等，然而在它們的染色體某一區域，A.T含量可能相當高。如在很多有重要調節功能的DNA區段都富含A.T，特別是在複製起點和啟動子的Pribnow框（真核生物為TATA框）的序列中，其對於複製和起始十分重要。因為A－T對只有二條氫鍵，此處的雙鏈較G－C對處易於解開，有利於起始複合物的形成。
3.嘌呤和嘧啶的排列順序對雙螺鏇結構穩定性的影響。
人們考察了十種相鄰的二核苷酸對（nearest�neighbor doublets），發現一個非常有趣的現象，那就是鹼基組成相同，但嘌呤和嘧啶的排列順序不同，雙螺鏇的穩定性具有顯著的差異。例如5′Gc 3′ 3′G 5′和5′GC 3′ 3′GC 5′的穩定性相差很大，前者的穩定性遠大於後。它們的氫鍵數目是相同的，它們的差別在於相鄰鹼基之間的堆集力不同。即從嘌呤到嘧啶的方向的鹼基堆集作用顯著地大於同樣組成的嘧啶到嘌呤方向的鹼基堆集作用。（這裡的方向就是常規的從5′端到3′端的方向）。這是因為前者的嘌呤環和嘧啶環重迭面積大於後者的嘧啶環和嘌呤環的重迭面積，這在B型DNA中確是如此。
根據Gotoh 1981年的研究，十種相鄰二核苷酸對的Tm值如表15？所示，單位為℃，所用離子強度為19.5mmol/l Na＋。
由表15-5可以看到，5′TA 3′ 3′AT5′的Tm值最低。在真核生物中，常可以在�19到�27的位置上看到一個叫做TATA框的結構（又稱Hogness框），這是RNA聚合酶的結合位點。在這裡RNA聚合酶和有關蛋白質因子形成轉錄起複合物。
又如，生命有機體選擇UAA作為最有效的終止密碼子絕不是偶然的，因為64個三聯體密碼子中，它與反密碼子（假定有的話）形成的互補產物5′UAA3′3′AUU5′的Tm值是最低的一個，即使在生理溫度下也是不穩定的。當初有人花了很多工夫去尋找一個不攜帶胺基酸的專供肽鏈終止用的tRNA，其實並不存在這種tRNA.肽鏈的釋放是由釋放因子RF在起作用。在三種終止密碼子中，UAG和UGA常會為突變型的tRNA無義抑制，而UAA則很少發生無義抑制也可能就是這個道理。這也就說明了為什麼在肽鏈終止處常常會出現雙重終止密碼子。
（四）DNA的變性、復性與分子雜交
DNA雙螺鏇結構模型，不僅與其生物功能有密切關係，還能解釋DNA的重要特性棗變性與復性，這對於深入了解DNA分子結構與功能的關係又有重要意義。1.DNA變性（denaturation）
指DNA分子由穩定的雙螺鏇結構松解為無規則線性結構的現象。變性時維持雙螺鏇穩定性的氫鍵斷裂，鹼基間的堆積力遭到破壞，但不涉及到其一級結構的改變。凡能破壞雙螺鏇穩定性的因素，如加熱、極端的pH、有機試劑甲醇、乙醇、尿素及甲醯胺等，均可引起核酸分子變性。變性DNA常發生一些理化及生物學性質的改變：
溶液粘度降低。DNA雙螺鏇是緊密的剛性結構，變性後代之以柔軟而鬆散的無規則單股線性結構，DNA粘度因此而明顯下降。
溶液鏇光性發生改變。變性後整個DNA分子的對稱性及分子局部的構性改變，使DNA溶液的鏇光性發生變化。
增色效應（hyperchromic effect）。指變性後DNA溶液的紫外吸收作用增強的效應。DNA分子中鹼基間電子的相互作用使DNA分子具有吸收260nm波長紫外光的特性。在DNA雙螺鏇結構中鹼基藏入內側，變性時DNA雙螺鏇解開，於是鹼基外露，鹼基中電子的相互作用更有利於紫外吸收，故而產生增色效應。
對雙鏈DNA進行加熱變性，當溫度升高到一定高度時，DNA溶液在260nm處的吸光度突然明顯上升至最高值，隨後即使溫度繼續升高，吸光度也不再明顯變化。若以溫度對DNA溶液的紫外吸光率作圖，得到的典型DNA變性曲線呈S型（圖15�8）。可見DNA變性是在一個很窄的溫度範圍內發生的。通常將核酸加熱變性過程中，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為核酸的解鏈溫度，由於這一現象和結晶的融解相類似，又稱融解溫度（Tm，melting temperature）。在Tm時，核酸分子內50%的雙螺鏇結構被破壞。特定核酸分子的Tm值與其G＋C所占總鹼基數的百分比成正相關，兩者的關係可表示為：
Tm=69.3＋0.41（%G+C）
一定條件下（相對較短的核酸分子），Tm值大小還與核酸分子的長度有關，核酸分子越長，Tm值越大；另外，溶液的離子強度較低時，Tm值較低，融點範圍也較寬，反之亦然，因此DNA製劑不應保存在離子強度過低的溶液中。
2.DNA復性（renaturation）
指變性DNA在適當條件下，二條互補鏈全部或部分恢復到天然雙螺鏇結構的現象，它是變性的一種逆轉過程。熱變性DNA一般經緩慢冷卻後即可復性，此過程稱之為退火（annealing）。這一術語也用以描述雜交核酸分子的形成（見後）。DNA的復性不僅受溫度影響，還受DNA自身特性等其它因素的影響：
溫度和時間。一般認為比Tm低25℃左右的溫度是復性的最佳條件，越遠離此溫度，復性速度就越慢。復性時溫度下降必須是一緩慢過程，若在超過Tm的溫度下迅速冷卻至低溫（如4℃以下），復性幾乎是不可能的，核酸實驗中經常以此方式保持DNA的變性（單鏈）狀態。這說明降溫時間太短以及溫差大均不利於復性。
DNA濃度。溶液中DNA分子越多，相互碰撞結合的機會越大。
DNA順序的複雜性。簡單順序的DNA分子，如多聚（A）和多聚（U）這二種單鏈序列復性時，互補鹼基的配對較易實現。而順序複雜的序列要實現互補，則困難得多。在核酸復性研究中，定義了一個Cot的術語，（Co為單鏈DNA的起始濃度，t是以秒為單位的時間），用以表示復性速度與DNA順序複雜性的關係。在探討DNA順序對復性速度的影響時，將溫度、溶劑離子強度、核酸片段大小等其它影響因素均予以固定，以不同程度的核酸分子重締合部分（在時間t時的復性率）對Cot作圖，可以得到所示的曲線。曲線上方為示複雜性的核酸分子的非重複鹼基對數。如多聚（A）的複雜性為1，重複的（ATGC）n組成的多聚體的複雜性為4，分子長度是105核苷酸對的非重複DNA的複雜性為105.原核生物基因組均為非重複順序，故以非重複核苷酸對表示的複雜性直接體現基因組大小，對於真核生物基因組中的非重複片段也是如此。在標準條件下（一般為0.18ml/L陽離子濃度，400核苷酸長的片段）測得的復性率達0.5時的Cot值（稱Cot1/2），與核苷酸對的複雜性成正比。對於原核生物核酸分子，此值可代表基因組的大小及基因組中核苷酸對的複雜程度。真核基因組中因含有許多不同程度的重複序列（repetitive sequence），所得到的Cot曲線更為複雜。
DNA的變性和復性原理，現已在醫學和生命科學上得到廣泛的套用。如核酸雜交與探針技術，聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）技術等。
3.分子雜交：（hybridization）
不同來源的核酸變性後，合併在一處進行復性，這時，只要這些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成鹼基互補配對的片段，復性也會發生於不同來源的核酸鏈之間，形成所謂的雜化雙鏈（heterodup lex），這個過程稱為雜交（hybridization。雜交可以發生於DNA與DNA之間，也可以發生於RNA與RNA之間和DNA與RNA之間。例如，一段天然的DNA和這段DNA的缺失突變體（假定這種突變是DNA分子中部丟失了若乾鹼基對）一起雜交，電子顯微鏡下可以看到雜化雙鏈中部鼓起小泡。測量小泡位置和長度，可確定缺失突變發生的部位和缺失的多少。核酸雜交技術是目前研究核酸結構、功能常用手段之一，不僅可用來檢驗核酸的缺失、插入，還可用來考察不同生物種類在核酸分子中的共同序列和不同序列以確定它們在進化中的關係。其套用當然遠不止於確定突變位置這一例。
在核酸雜交的基礎上發展起來的一種用於研究和診斷的非常有用的技術稱探針技術（Probe）。一小段（例如十數個至數百個）核苷酸聚合體的單鏈，有放射性同位素如32P、35S或生物素標記其末端或全鏈，就可作為探針。把待測DNA變性並吸附在一種特殊的濾膜，例如硝酸纖維素膜上。然後把濾膜與探針共同培育一段時間，使發生雜交。用緩衝液沖洗膜。由於這種濾膜能較牢固地吸附雙鏈的核酸，單鏈的在沖洗時洗脫了。帶有放射性的探針若能與待測DNA結合成雜化雙鏈，則保留在濾膜上。通過同位素的放射自顯影或生物素的化學顯色，就可判斷探針是否與被測的DNA發生雜交。有雜交現象則說明被測DNA與探針有同源性（homogeneity），即二者的鹼基序列是可以互補的。例如：想知道某種病毒是否和某種腫瘤有關，可把病毒的DNA製成探針。從腫瘤組織提取DNA，與探針雜交處理後，有雜化雙鏈的出現，就說明兩種DNA之間有同源性。這不等於可以說這種病毒引起腫瘤，但至少這是可以繼續深入研究下去的一條重要線索。
探針技術 在遺傳性疾病診斷上已開始套用。例如診斷地中海貧血或血紅蛋白病，可以由已確診的病人白細胞中提取DNA，這就是診斷探針。用診斷探針檢查，不但可以對有症狀患者進行確診，還可以發現一些沒有症狀的隱性遺傳性疾病。從胎兒的羊水也可以提取到少量DNA.由於探針技術比較靈敏，就使遺傳性疾病的產前診斷較為容易辦得到了。雜交和探針技術是許多分子生物學技術的基礎，在生物學和醫學的研究中，以及臨床診斷中得到了日益廣泛的套用。
DNA的三級結構與功能
（一）DNA超螺鏇
DNA雙螺鏇DNA進一步扭曲盤繞則形成其三級結構，超螺鏇是DNA三級結構的主要形式。自從1965年Vinograd等人發現多瘤病毒的環形DNA的超螺鏇以來，現已知道絕大多數原核生物都是共價封閉環（covalently closed circle，CCC）分子，這種雙螺鏇環狀分子再度螺鏇化成為超螺鏇結構（superhelix或supercoil），如圖15-11所示。有些單鏈環形染色體（如φ×174）或雙鏈線形染色體（如噬菌體入），在其生活周期的某一階段，也必將其染色體變為超螺鏇形式。對於真核生物來說，雖然其染色體多為線形分子但其DNA均與蛋白質相結合，兩個結合點之間的DNA形成一個突環（loop）結構，類似於CCC分子，同樣具有超螺鏇形式。超螺鏇按其方向分為正超螺鏇和負超螺鏇兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結構時，存在著負超螺鏇。研究發現，所有的DNA超螺鏇都是由DNA拓撲異構酶產生的。
（二）染色質和核小體
1.染色質
真核生物的染色體（chromasome）在細胞生活周期的大部分時間裡都是以染色質（chromatin）的形式存在的。染色質是一種纖維狀結構，叫做染色質絲，它是由最基本的單位棗核小體（nucleosome）成串排列而成的。DNA是染色體的主要化學成分，也是遺傳信息的載體，約占染色體全部成分的27%，另外組蛋白和非組蛋白占66%，RNA占6%.
組蛋白（histones）是一種鹼性蛋白質，等電點一般在PH10.0以上，其特點是富含二種鹼性胺基酸（賴氨酸和精氨酸），根據這兩種胺基酸在蛋白質分子中的相對比例，將組蛋白分為五種類型.
現已證明：H1是與核小體的核心顆粒相當靠近的，認為它位於連線DNA上，只是一種習慣說法。�
五種組蛋白在同一生物的不同組織中完全一樣，在不同的真核生物中也很相似。組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用。
2.核小體
核小體是構成染色質的基本結構單位，使得染色質中DNA、RNA和蛋白質組織成為一種緻密的結構形式。核小體由核心顆粒（core particle）和連線區DNA（linker DNA）二部分組成，在電鏡下可見其成捻珠狀，前者包括組蛋白H2A，H2B，H3和H4各兩分子構成的緻密八聚體（又稱核心組蛋白），以及纏繞其上一又四分之三圈長度為146bp的DNA鏈；後者包括兩相鄰核心顆粒間約60bp的連線DNA和位於連線區DNA上的組蛋白H1，連線區使染色質纖維獲得彈性。核小體是DNA緊縮的第一階段，在此基礎上，DNA鏈進一步摺疊成每圈六個核小體，直徑30nm的纖維狀結構，這種30nm纖維再扭曲成襻，許多襻環繞染色體骨架（Scaffold）形成棒狀的染色體，最終壓縮將近一萬倍。這樣，才使每個染色體中幾厘米長（如人染色體的DNA分子平均長度為4cm）的DNA分子容納在直徑數微米（如人細胞核的直徑為6－7μm）的細胞核中。
核小體的形成以及DNA超螺鏇結構與功能的關係還不十分清楚，可能與基因的轉錄調節控制有關。
