南京农业大学生物化学课件

1、第第 4 节节 核酸与基因核酸与基因Concept of Nucleic acid Concept of Nucleic acid and the Geneand the Gene一一 基因的概念基因的概念 早期的基因概念早期的基因概念 经典的基因概念经典的基因概念 基因概念的演变与发展基因概念的演变与发展 基因的分子结构基因的分子结构 基因概念的多样性基因概念的多样性 融合遗传理论融合遗传理论 （Blending inheritane）母本体液母本体液 父本体液父本体液 子代具有父，母双亲的性状子代具有父，母双亲的性状 + 获得的性状是由环境影响获得的性状是由环境影响 (非遗传物质的改变非遗

2、传物质的改变) 新性状一旦获得新性状一旦获得, 便能遗传给后代便能遗传给后代L.B.Lamarck获得性遗传理论获得性遗传理论(Inheritance of acquired characters) 物种物种 加强和完善对环境的适应加强和完善对环境的适应 逐渐转变为新种逐渐转变为新种 泛生论假说泛生论假说 （Hypothesis of the Pangenesis） C. Darwin 1868 种质论种质论（Theory of germplasm）GermeplasmSomatoplasmRoot, Stem, LeafA.Weismann 1883. Somatoplasm Germpla

3、sm Germplasm孟德尔孟德尔 (1823-1884)“遗传学之父遗传学之父”阐述了遗传学的分离和自由组合两大定阐述了遗传学的分离和自由组合两大定律，以及律，以及“基因基因”的概念。的概念。Mendels Paper in English Experiments in Plant Hybridization (1865)by Gregor MendelRead at the meetings of February 8th, and March 8th, 1865 1 Introductory RemarksExperience of artificial fertilization,

4、such as is effected with ornamental plants in order to obtain new variations in color, has led to the experiments which will here be discussed. The striking regularity with which the same hybrid forms always reappeared whenever fertilization took place between the same species induced further experi

5、ments to be undertaken, the object of which was to follow up the developments of the hybrids in their progeny.遗传因子假说遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited factor) G. J. Mendel 1866. 生物性状由遗传因子控制生物性状由遗传因子控制 亲代传给子代的是遗传因子亲代传给子代的是遗传因子(A,a.) 遗传因子在体细胞内成双遗传因子在体细胞内成双(AA,aa), 在生殖细胞内为单（在生殖细胞内为单（A,a） 杂合子后代体细胞内具有成双

6、的杂合子后代体细胞内具有成双的 遗传因子遗传因子(Aa) 等位的遗传因子独立分离等位的遗传因子独立分离, 非等非等 位遗传因子间自由组合地分配到位遗传因子间自由组合地分配到 配子中配子中摩尔根：摩尔根：阐述了遗传学的连锁与交换定律，阐述了遗传学的连锁与交换定律，被誉为被誉为“现代实验生物学奠基人现代实验生物学奠基人”。Theory of the gene 基因是染色体上的实体基因是染色体上的实体 基因象链珠基因象链珠(bead)一样，孤立地呈一样，孤立地呈 线状地排列在染色体上线状地排列在染色体上 基因是；基因是； 功能功能(functional unit)(functional unit)突

7、变突变(mutation unit)(mutation unit) 交换交换(cross-over unit)(cross-over unit) “三位一体三位一体”的的 (Three in one) 最小的最小的 不可分割的不可分割的基本的基本的遗传单位遗传单位 (1926 T. H. Morgan) Transcriptable, translatable gene ( Z,Y,A ) Transcriptable but nontranslatable gene ( tDNA, rDNA )Nontranscriptable, nontranslatable gene ( promote

8、r, operator ) Forms of genes cis action factor Affects the activity only of DNA sequences on its own molecular of DNA, this property usually implies that the factor does not code for protein 通过核苷酸自身的特异二级结构控制与它紧密连锁的结通过核苷酸自身的特异二级结构控制与它紧密连锁的结构基因的表达，一般不编码蛋白质。构基因的表达，一般不编码蛋白质。( (无基因产物的无基因产物的DNADNA功能功能区区)

9、) Forms of genes trans action factor cis-dominant(显性显性)Affects the activity of any gene located on genome(基因组) by its translated product.通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达可转录，可翻译调节蛋白的可转录，可翻译调节蛋白的DNADNA功能区功能区, ,可通过互补测验体系确定可通过互补测验体系确定其功能区域其功能区域The ability of a site (cis-factor) to

10、control adjacent gene irrespective of the presence in the cell of other alleles(等位基因) of the site.cis acting factor 对与其紧密连锁基因的控制效应不受其等位基对与其紧密连锁基因的控制效应不受其等位基因的影响。因的影响。 DNA is genetic materialDNA is genetic material Is the protein genetic material ?Is the protein genetic material ?复制复制 ?表面遗传信息表面遗传信息 ?

11、 RNA is genetic material also RNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV) Hershey lambdar phage cycle Watson & Crick DNA double helixRII DNA SIII 1928 Griffith 1944 Avery O.T DNA作为遗传物质的优点作为遗传物质的优点 (自然选择的优势自然选择的优势) 储存遗传信息量大储存遗传信息量大1kb DNA1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息 核糖的核糖的2 OH2 O

12、H 脱氧脱氧在水溶液中的稳定性高于在水溶液中的稳定性高于RNA 可以突变可以突变方便修复方便修复以求不断进化以求不断进化以求稳定遗传以求稳定遗传A / T, C / G A / T, C / G 互补互补双螺旋结构双螺旋结构复制复制, , 转录转录遗传稳定遗传稳定生物进化的生物进化的C值矛盾值矛盾 (C value paradox of nucleotide) The total amount of DNA in the genome of haploid is a characteristic of each living species known as its Maximum C val

13、ue (单倍体基因组总单倍体基因组总DNA 的含量叫的含量叫作作C值值) 最大最大C值值 Maximum C valueThe total amount of DNA for encoding the genes information is termed its Minimum c value （编码基因编码基因信息的总信息的总DNA含量叫作含量叫作c値）値） 最小最小C值值 Minimum c valueC value paradox of nucleotideC value paradox of nucleotide 霉菌藻类藻类G+细菌细菌G-细菌细菌显花植物显花植物鸟类鸟类哺乳类哺乳

14、类爬行类爬行类两栖类两栖类硬骨鱼类硬骨鱼类软骨鱼类软骨鱼类赖皮类赖皮类甲壳类甲壳类昆虫类昆虫类软体动物软体动物蠕虫类蠕虫类真菌真菌枝原体枝原体A 生物体进化程度高低生物体进化程度高低 与大与大C值不成明显正相关值不成明显正相关 B 亲缘关系相近的生亲缘关系相近的生 物大物大C值相差较大值相差较大 C 一种生物内大一种生物内大C值与值与 小小c值相差极大值相差极大 （Euk. 人体人体 c = C/10） ( Prok. x174 c C ) 真核生物真核生物 DNA 染色体数染色体数 （2C） （2N）两栖鲵两栖鲵 168 pg 24肺鱼肺鱼 100 38蝾螈蝾螈 85.3 24警蛙警蛙 28

15、.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46绵羊绵羊 5.7 54果蝇果蝇 0.2 8贝母贝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella Salmonella 0.0143 pgE.coliE.coli 0.0040T2 T2 0.00022 0.0000055174174 0.000005重复序列分类重复序列分类 a) 高度重复序列高度重复序列 ( High repetitive sequence)Microsatellite DNA2-10 bp / copy105-106 copies / genomeC0t(1/2)

16、 0.001 多为串联重复排列多为串联重复排列分布于着丝点分布于着丝点, 端粒区端粒区, 结构基因两侧结构基因两侧5-50 copies / genomeMinisatellite DNA( Variable number tandem repeats . VNTR ) 重复基因重复基因 (Repetitive geneRepetitive gene)104 bp fragmentCsCl gradient centrifugationSequence in satellite DNASea crab2ATATAT.Drosophila5ATAATATAAT.Mouse9GAAAAATGAGA

17、AAAATGAbp of repeat unit sequence ProkaryoteEukaryote(GC%)42413455MOUSE CALF b) 中度重复序列中度重复序列 ( middle repetitive sequence middle repetitive sequence )100-1000 bp / copy10-104 copies / genomeC0t(1/2) 0.001 - 0.1rDNA tDNAHistone gene clusterMiddle repeat gene特点特点拷贝重复，多量拷贝重复，多量序列多为相似序列多为相似排列成束成串排列成束成串功

18、能完全相同功能完全相同具有进化的整体性，累积突变具有进化的整体性，累积突变 c) 单拷贝序列单拷贝序列 (single copy sequence, 1-3 copies) 低等真核生物低等真核生物 10-20% 高等植物高等植物 80% repetitive sequence 高等动物高等动物 50%多为结构基因多为结构基因如tRNA, 各种酶基因等 d) 反向重复序列反向重复序列 (inverted repetitive sequence) CAT GAACGTCC TATTGTC GGACGTTC TGAGTA CTTGCAGG ATAACAG CCTGCAAG ACT 在在DNA和和R

19、NA中可形成发夹结构或十字结构。中可形成发夹结构或十字结构。在在DNA中要形成这种结构需要能量，因此，发生中要形成这种结构需要能量，因此，发生可能性很小。可能性很小。 上述结构也回纹结构上述结构也回纹结构(Palidrome), 较短的回纹结构较短的回纹结构可作为一种特别信号，可被限制性内切酶所识别。可作为一种特别信号，可被限制性内切酶所识别。 e) 间隔序列间隔序列 人们对间隔序列的认识是限的。一些人认为人们对间隔序列的认识是限的。一些人认为这些序列是多余的，因此认为是这些序列是多余的，因此认为是“junk”。 基因组的非编码序列，包括编码区基因组的非编码序列，包括编码区( (外显子外显子)

20、 )之间的间隔序列之间的间隔序列内含子内含子，以及基因与基因之间，以及基因与基因之间的序列。的序列。 但近年来也有研究表明对转录等有作用，并不但近年来也有研究表明对转录等有作用，并不是是“junk”。 ： 内含子可在内含子可在DNA水平上移位水平上移位一个可移动一个可移动的基因元件，具有转座作用；的基因元件，具有转座作用； 生物体内的内含子本身有可译框架，能编码生物体内的内含子本身有可译框架，能编码蛋白质和酶；蛋白质和酶； RNA水平上的内含子水平上的内含子可变剪接是基因表达的可变剪接是基因表达的一种特殊调节方式；一种特殊调节方式； 内含子能编码小核仁内含子能编码小核仁RNA，积累在核仁中，与，积累在核仁中，与核糖体生成、装配有关。核糖体生成、装配有关。 重叠基因重叠基因 (overlapping gene) 方式方式 Mis-reading for stop codon ( Q RNA virus 1973. A. Weiner ) 400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA UGA, UAG 易被漏读，易被漏读， 错读错读 UAA 能严格终止能严格终止 14Kd Cp 97%38Kd Ip 3%种类种