chapter 6 基因的精细结构

1、 Genomics, 2012-2013, NWU2021-11-101Section 1 基因概念的发展基因概念的发展Section 2 重组测验重组测验Section 3 互补测验互补测验Section 4 缺失作图缺失作图Section 5 基因的功能基因的功能 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-102 遗传因子：孟德尔提出遗传因子：孟德尔提出 基因基因: 1906年年 Bateson 提出提出Genetics 1909年年 Johannson 提出提出Gene Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-103 基因是位于染色体上的遗传

2、单位基因是位于染色体上的遗传单位 Sutton和和Boveri：遗传的染色体学说：遗传的染色体学说 摩尔根：证明基因以直线形式排列在染色体上摩尔根：证明基因以直线形式排列在染色体上 “三位一体三位一体”的基因概念的基因概念 三位三位：功能单位、突变单位、交换单位：功能单位、突变单位、交换单位 一体一体：基因：基因 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-104 从分子水平探索基因的结构和功能，基因是从分子水平探索基因的结构和功能，基因是DNA分子上分子上具有遗传效应的片段，由一定数量和一定顺序的核苷酸具有遗传效应的片段，由一定数量和一定顺序的核苷酸组成，含有特定的遗传信

3、息。组成，含有特定的遗传信息。 微生物遗传学的深入研究证明，基因并不是不可分割的微生物遗传学的深入研究证明，基因并不是不可分割的最小单位。最小单位。Benzer：首先把：首先把“分子基因分子基因”的概念引的概念引入遗传学，以入遗传学，以T4噬菌体为材料进行了研究工作噬菌体为材料进行了研究工作 ，正式提，正式提出出“顺反子顺反子”这个概念这个概念 。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-105r 基因是基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。r 基因由重组子、突变子序列构成的。基因由重组子、突变子序列构成的。| 重组

4、子是重组子是DNA重组的最小可交换单位；重组的最小可交换单位；| 突变子是产生突变的最小单位；突变子是产生突变的最小单位；| 重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)。r 顺反子：顺反子： Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为为顺反子顺反子(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。，顺反子内发生的突变间不能互补。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-106 1955年，美国的年，美国的S.Benzer（本泽）用大肠杆本泽）用大肠杆菌菌T4噬菌体作为材料，研究快速溶菌

5、（噬菌体作为材料，研究快速溶菌（rapid lysis）突变型突变型r的基因精细结构。的基因精细结构。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-107 表表4-1 野生型与几种突变型的区别野生型与几种突变型的区别类类 型型 不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型 B K( ) S野生型野生型rII+小噬菌斑小噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 rI 大噬菌斑大噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 rII 大噬菌斑大噬菌斑 无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死） 小噬菌斑小噬菌斑rIII大噬菌斑大噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑 Gen

6、etics, 2012-2013, NWU2021-11-108r47 + + r104 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-109重组值重组值 重组噬菌斑数重组噬菌斑数 X 100 总噬菌斑数总噬菌斑数 0.0141 在在K( )上生长的噬菌斑总数上生长的噬菌斑总数X2X100 在在B上生长的噬菌斑总数上生长的噬菌斑总数 370X102 X2 X100 525X106 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1010l 该方法称重组测验（该方法称重组测验（recombination test），），以遗以遗传图方式确定突变子间的空间关系。传

7、图方式确定突变子间的空间关系。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1011l 该法极灵敏，理论上该法极灵敏，理论上可测到两个可测到两个 rII突变突变间重组频率为间重组频率为 0.002%。l 实际观察的最小重组实际观察的最小重组频率为频率为 0.02，即，即 0.02个图距单位，未个图距单位，未发现小于该数值的重发现小于该数值的重组频率。组频率。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1012l T4染色体染色体: 1.8 X 105 bp，1500 cMl 0.02cM相当于相当于 2bp，l （0.021500） 1.8 X 105

8、=2.4 bpl 认为基因内相邻核苷酸位置上的突变可能重组，由认为基因内相邻核苷酸位置上的突变可能重组，由此可见重组子的单位可小到相当于一个核苷酸对此可见重组子的单位可小到相当于一个核苷酸对 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1013u 重组测验重组测验以遗传图距确定突变的以遗传图距确定突变的空间关系空间关系u 互补测验互补测验则是确定则是确定突变的功能关系突变的功能关系。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1014l 如如T4的的rII区有区有3000多个突变型都有相同表型：多个突变型都有相同表型：对对E.coli K寄主细胞致死，

9、但可在寄主细胞致死，但可在B菌株细胞中增殖。菌株细胞中增殖。l 是否它们都影响同一种遗传功能？即是否它们都影响同一种遗传功能？即rII中这中这3 000多个突变型是属于一个基因还是属于几个基因？多个突变型是属于一个基因还是属于几个基因？l 为了划分这种功能单位界限，必须进行为了划分这种功能单位界限，必须进行互补测验互补测验 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1015l 用不同用不同rll突变型成对组合，同时感染突变型成对组合，同时感染E.coli K菌株菌株l 如果被双重感染的细菌能产生子代噬菌体，那么如果被双重感染的细菌能产生子代噬菌体，那么必然是一个突变型补偿

10、了另一个突变型所不具有必然是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，两个突变型称的功能，两个突变型称彼此互补彼此互补l 如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个两种突变型一定有一个相同功能受到损伤相同功能受到损伤。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1016 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-10171、顺反子也就是基因的同义词。顺反子可以包含一系列突变、顺反子也就是基因的同义词。顺反子可以包含一系列突变 单位单位突变子。突变子。 顺式构型顺式构型：是两个突变座位位于

11、同一染色体上：是两个突变座位位于同一染色体上 反式构型反式构型：是两个突变座位位于不同的染色体上：是两个突变座位位于不同的染色体上 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1018 比较顺式和反式构型个体的表型比较顺式和反式构型个体的表型,判断两突变是判断两突变是否发生在一个基因座位内的测验。否发生在一个基因座位内的测验。 通过测验确定两个表型效应相似的突变位点是否通过测验确定两个表型效应相似的突变位点是否位于同一个顺反子位于同一个顺反子或基因或基因内。内。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1019 Genetics, 2012-2013

12、, NWU2021-11-1020 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1021 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1022 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1023基因间互补基因间互补基因内互补基因内互补发生机率发生机率普遍存在普遍存在只少数能发生只少数能发生缺失突变缺失突变能发生互补能发生互补不能发生不能发生酶活性酶活性同野生型同野生型明显低于野生型（仅明显低于野生型（仅25%）基因间互补基因间互补顺反子间互补顺反子间互补基因内互补基因内互补顺反子内互补，等位互补顺反子内互补，等位互补 Genetic

13、s, 2012-2013, NWU2021-11-1024AmproripUC19(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位点）多克隆位点）Lac promoterlacZGene XWith IPTG+x-gal, 蓝白斑筛选蓝白斑筛选 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1025互补、回复突变和重组互补、回复突变和重组1. 均可恢复野生型均可恢复野生型2. 回复突变和重组涉及基因型的改变回复突变和重组涉及基因型的改变3. 互补反映基因产物间的相互作用互补反映基因产物间的相互作用 Genetics, 2012-2013, NWU2

14、021-11-1026l 相互间不发生互补的突变叫互补群相互间不发生互补的突变叫互补群,它们对它们对应于同一顺反子应于同一顺反子.l 进行许多突变间成对互补分析，可构建进行许多突变间成对互补分析，可构建互补图互补图l 这个方法可以确定生化途径中包含的基因数量这个方法可以确定生化途径中包含的基因数量,但但没有对基因间的物理联系加以说明没有对基因间的物理联系加以说明 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-10271，234 51234512345 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1028果蝇突变体果蝇突变体A、B、C、D、E、F、G都具有相

15、同的表型都具有相同的表型眼眼中缺少红色素。对它们进行互补测验结果如下：中缺少红色素。对它们进行互补测验结果如下：+表示互补，表示互补，-表示不互补表示不互补A -B -C -D -E -F -G -G-+-+-F-+-+-E-+-+-D-+-C-+-B-+-A-这些突变在几个基因中？这些突变在几个基因中？哪些突变在同一个基因中？哪些突变在同一个基因中？ Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-10291. 顺反子（顺反子（cistron）：）：Benzer把在反式构型中不能互补的各把在反式构型中不能互补的各个突变型在染色体上所占的一个区域称为一个顺反子。基因个突变型在染

16、色体上所占的一个区域称为一个顺反子。基因功能不可分割单位。顺反子可以包含一系列突变单位功能不可分割单位。顺反子可以包含一系列突变单位突变突变子子 2. 突变子（突变子（muton）一个顺反子内部能发生突变的最小单位。）一个顺反子内部能发生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一对碱基。一个突变子可以小到只有一对碱基。3. 重组子（重组子（recon）：由于基因内的各个突变子之间有一定距）：由于基因内的各个突变子之间有一定距离，所以彼此间能发生重组，这样，基因就有了第三个内涵离，所以彼此间能发生重组，这样，基因就有了第三个内涵“重组子重组子” 。由于基因内的各个突变子之间有一定距离，。由于基因内

17、的各个突变子之间有一定距离，所以彼此间能发生重组，这样，基因就有了第三个内涵所以彼此间能发生重组，这样，基因就有了第三个内涵“重组子重组子” Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1030R突变型突变型点突变（点突变（point mutation） 缺失突变（缺失突变（deletion mutation）1. 点突变是单个位点的突变，缺失突变是多个位点的突变点突变是单个位点的突变，缺失突变是多个位点的突变2. 点突变可以发生回复突变，缺失突变是不可逆的点突变可以发生回复突变，缺失突变是不可逆的3. 不同点突变之间可以发生重组，同一区段内的缺失突变不同点突变之间可以发生

18、重组，同一区段内的缺失突变不能发生重组。不能发生重组。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1031+-+-+-点突变之间可以重组点突变之间可以重组缺失突变与点突变之间不能重组缺失突变与点突变之间不能重组 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1032一系列的点突变系一系列的点突变系一组重叠缺失突变系一组重叠缺失突变系 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1033 凡是能和某一缺失凡是能和某一缺失突变型进行重组的点突变型进行重组的点突变，它的位置一定突变，它的位置一定不在缺失范围内，凡不在缺失范围内，凡是不能重组

19、的点突变，是不能重组的点突变，它们的位置一定在缺它们的位置一定在缺失范围内。失范围内。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-10341.将待测点突变（将待测点突变（X）先与几个最大的缺失突变体分别杂先与几个最大的缺失突变体分别杂交，从中找出交，从中找出最小不重组最小不重组和和最大可重组缺失突变最大可重组缺失突变；2.从最小不重组区（从最小不重组区（PB242）中减去与之重叠的最大重组中减去与之重叠的最大重组区（区（A105）=点突变的位置（点突变的位置（A5区内）。区内）。3.将点突变与将点突变与A5区内的几个缺失突变体分别杂交，根据结区内的几个缺失突变体分别杂交，

20、根据结果确定：点突变就在果确定：点突变就在A5区内的区内的c2区内。区内。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1035待测突变型待测突变型r548 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1036l 这一方法也适用于其他基因定位。这一方法也适用于其他基因定位。l Benzer根据这一原理方便地把数千个独立的根据这一原理方便地把数千个独立的 rII突变定位在突变定位在rII遗传图上更小的区段内，这遗传图上更小的区段内，这种方法称为缺失作图（种方法称为缺失作图（ deletion mapping）。）。l 比重组作图简便且精确。因为重组作图工作

21、量比重组作图简便且精确。因为重组作图工作量大，为了确定一个新突变的位点，往往要进行大，为了确定一个新突变的位点，往往要进行大量杂交分析。大量杂交分析。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1037 如果实验得到如果实验得到a1a1和和a2a2两种表型相同的果蝇两种表型相同的果蝇突变品系，如何判断突变品系，如何判断a1和和a2是同一基因的突变还是不是同一基因的突变还是不同基因的突变同基因的突变? 如果是同一基因突变，如何判定是如果是同一基因突变，如何判定是同一位点的突变还是不同位点的突变。同一位点的突变还是不同位点的突变。 通过通过互补实验互补实验检测检测. 两种突变

22、型杂交两种突变型杂交, 如果如果F1代代全部为野生型全部为野生型, 说明是不同基因说明是不同基因, 否则是同一基因否则是同一基因. F1代相互交配代相互交配, 如果群体足够大如果群体足够大, 出现少量野生型的出现少量野生型的是同一基因不同位点是同一基因不同位点, 没有出现野生型的是同一位点没有出现野生型的是同一位点突变突变 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1038r 1941年年G.Beadle和和E.Tatum用链孢霉为材料研究基因功用链孢霉为材料研究基因功能，提出一基因一酶假说能，提出一基因一酶假说r 假设分离的假设分离的5种突变体种突变体1、2、3、4和和

23、5，不能合成生长所，不能合成生长所需物质需物质G，同时该合成途径中，同时该合成途径中A、B、C、D和和E都是必需的都是必需的,可以用以下方法确定这些物质的合成顺序可以用以下方法确定这些物质的合成顺序 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1039由此可确定它们的合成顺序为：由此可确定它们的合成顺序为： E A C B D G 同时也可以确定几种突变体分别的突变位点为同时也可以确定几种突变体分别的突变位点为 ： 5 4 2 1 3 E A C B D G Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1040分析得出分析得出: 基因基因 arg1 ar

24、g2 arg3 酶酶1 酶酶2 酶酶3 前体物前体物 鸟鸟aa 瓜瓜aa 精精aa 添加的氨基酸添加的氨基酸菌株菌株鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸I生长生长II生长生长生长生长III生长生长生长生长生长生长链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸的反应链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸的反应 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1041一个基因一种酶的局限性个基因一种酶的局限性 (1) 并非所有的基因都为蛋白质编码；并非所有的基因都为蛋白质编码； (2) 有的酶由多个基因编码；有的酶由多个基因编码； (3) 有的一个基因控制多个酶；有的一个基因控制多

25、个酶； (4) 有的有的RNA具有催化活性；具有催化活性； Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1042 由由结构基因结构基因和上游的和上游的控制区控制区组成。组成。 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1043组成型组成型突变体突变位点集中在突变体突变位点集中在 lacO和和I这两个基因位点上这两个基因位点上 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1044阻扰阻扰RNA聚合酶起始转录的聚合酶起始转录的阻遏物阻遏物不能结合上去，因不能结合上去，因而其相邻的结构基因而其相邻的结构基因 lac ZYA得以继续表达。得以继续表达。当当O+Oc时时 Genetics, 2012-2013, NWU2021-11-1045Oc Z-O+Z+OcZ-O+Z+诱导型诱导型组成型组成型像像Oc突变作用这样突变作用这样,其显性效应只对处于同一染色体其显性效应只对处于同一染色体上它所调控的基因才起作用的现象，称为上它所调控的基因才起作用的现象，称为顺式