第17章——遗传物质的功能单位chaya

1、第五篇第五篇 遗传与进化遗传与进化第第17章章遗传物质的功能单位遗传物质的功能单位制作：吕梦春制作：吕梦春2015年年11月月25日日遗传学概述遗传学概述遗传学遗传学是一门涉及生命起源和生物进化的理论是一门涉及生命起源和生物进化的理论科学，同时也是一门密切联系生产实际的基科学，同时也是一门密切联系生产实际的基础科学。础科学。 遗传学遗传学研究生物研究生物遗传和变异遗传和变异的科学；是研究的科学；是研究生物体遗传信息和表达规律的科学；是研究生物体遗传信息和表达规律的科学；是研究和了解遗传物质本质的科学。和了解遗传物质本质的科学。绪论绪论 狭义定义狭义定义 遗传：遗传：子代和亲代、子代和子代个体之

2、间的相似性。子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性。变异：变异：子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。 广义定义广义定义 遗传：同遗传：同种种个体之间的相似性。个体之间的相似性。变异：同种个体之间的差异。变异：同种个体之间的差异。遗传与变异的关系？遗传与变异的关系？2022-2-54/23遗传学研究的任务遗传学研究的任务 a、遗传物质的结构：、遗传物质的结构： b、遗传物质的传递：、遗传物质的传递： c、遗传物质的表达：、遗传物质的表达：2022-2-55/23遗传学：遗传学： 是研究一切生物遗传和变异的科学是研究一切生物遗传和变异的科学。阐明生物阐明生物

3、遗传和变异的现象及其表现的规律；遗传和变异的现象及其表现的规律；自我复制；自我复制；能储存遗传信息；能储存遗传信息；能表达遗传信息；能表达遗传信息；可由突变产生变异。可由突变产生变异。理论上，遗传物质必须具备四个条件：理论上，遗传物质必须具备四个条件：第一节、遗传物质是核酸第一节、遗传物质是核酸第一节、遗传物质是核酸第一节、遗传物质是核酸 间接证据四个间接证据四个 1）含量：）含量：DNA含量相对恒定。含量相对恒定。 2）代谢：不受生物体的营养条件、年龄等）代谢：不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响；因素的影响； 3）突变：一些物理和化学因素可以引起生）突变：一些物理和化学因素可以引起生物体

4、遗传特性的改变。物体遗传特性的改变。 4）分布：）分布：DNA是所有生物染色体所共有：是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类等。噬菌体、病毒、植物、人类等。2022-2-57/23直接证据直接证据 1）格里费斯肺炎双球菌的转化实验）格里费斯肺炎双球菌的转化实验 2）艾弗里体外转化实验）艾弗里体外转化实验 3）赫尔斯和蔡森的噬菌体侵染与繁殖实验）赫尔斯和蔡森的噬菌体侵染与繁殖实验 （32P35S） 结论：结论： DNA是是绝大多数生物绝大多数生物的遗传物质。的遗传物质。2022-2-58/23TMV，SARS，HIV，大多数流感病毒，大多数流感病毒（如禽流感病毒、（如禽流感病毒、H5N

5、1等）等） 结论：在不含结论：在不含DNA的某些病毒（的某些病毒（TMV）中，中，RNA就是遗传物质。就是遗传物质。第一节第一节 遗传物质是核酸遗传物质是核酸一、遗传物质是一、遗传物质是DNA的直接证据的直接证据1928年，年，Griffith 肺炎双球菌体内转化实验肺炎双球菌体内转化实验二二. Hershey-Chase 的噬菌体实的噬菌体实验验 35S 32P Waring 10 blender 离心 离心 图 9- Hershey 和 Chase 的 T2 渗震实验第二节第二节 基因概念的发展基因概念的发展一、一、孟德尔的遗传因子孟德尔的遗传因子 现代遗传学之父现代遗传学之父二、萨顿和博

6、伟里建立二、萨顿和博伟里建立“遗传因遗传因 子位于染色体上子位于染色体上”的假说的假说三、约翰逊（三、约翰逊（Johannsen）称遗传因子为基）称遗传因子为基因（因（gene），此外，还创立了基因型和表型），此外，还创立了基因型和表型的概念。的概念。 基因是基因是遗传物质的结构和重组的单位遗传物质的结构和重组的单位，一，一个基因是不能被分割的最小单位；个基因是不能被分割的最小单位； 基因是基因是控制性状的功能单位控制性状的功能单位，能产生相应，能产生相应的表型，的表型，基因是突变的单位基因是突变的单位，他可以通过，他可以通过突变形成另一个等位基因；突变形成另一个等位基因； 基因位于染色体上，

7、呈线性排列。基因位于染色体上，呈线性排列。四、摩尔根创立的四、摩尔根创立的“三位一体三位一体”的基因假说的基因假说（P752页页）四、摩尔根创立的四、摩尔根创立的“三位一体三位一体”的基因假说的基因假说 基因是决定性状的最小单位、突变的最小基因是决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位。这种单位和重组的最小单位。这种“功能、交换、突功能、交换、突变变”三位一体的基因假说就是经典遗传学的基因三位一体的基因假说就是经典遗传学的基因概念。此外他们还得出了概念。此外他们还得出了连锁互换定律连锁互换定律（详见（详见18.1），该定律与分离定律、自由组合定律共称），该定律与分离定律、自由组合定律

8、共称遗传学三大基本定律。遗传学三大基本定律。 五、比德尔（五、比德尔（Beadler）与其同事系统地研究了）与其同事系统地研究了生化合成与基因的关系，提出了生化合成与基因的关系，提出了“一个基因一个一个基因一个酶酶”的理论，证明基因通过它所控制的酶决定着的理论，证明基因通过它所控制的酶决定着生物代谢中的生化反应步骤，进而决定着遗传性生物代谢中的生化反应步骤，进而决定着遗传性状。状。 六、艾弗里（六、艾弗里（Avery）等人的细菌转化试验有力）等人的细菌转化试验有力地证明了遗传物质为地证明了遗传物质为DNA，而不是蛋白质，基因，而不是蛋白质，基因位于位于DNA上。上。七、本泽尔证实了基因是一个功

9、能单位，而不是七、本泽尔证实了基因是一个功能单位，而不是结构上的最小单位，提出了顺反子学说：结构上的最小单位，提出了顺反子学说：顺反子顺反子：一段：一段DNA序列（病毒中为一段序列（病毒中为一段RNA序列），序列），能够编码一种多肽的所需要的最短的能够编码一种多肽的所需要的最短的DNA片段，是遗传片段，是遗传的功能单位，即：一个顺反子就是一个基因，的功能单位，即：一个顺反子就是一个基因，突变子突变子：指基因中发生突变后能产生表型效应的遗传：指基因中发生突变后能产生表型效应的遗传物质的最小单位，它可以是一个或多个核苷酸。物质的最小单位，它可以是一个或多个核苷酸。重组子重组子：顺反子中能通过交换重

10、组改变表型的最小单：顺反子中能通过交换重组改变表型的最小单位，它在结构上不能通过交换而分开。位，它在结构上不能通过交换而分开。 一个基因不是一个突变单位，也不是一个重组单一个基因不是一个突变单位，也不是一个重组单位，仅是一个功能单位，基因内部的一个或者若干个位，仅是一个功能单位，基因内部的一个或者若干个脱氧核苷酸对才是重组单位或突变单位。脱氧核苷酸对才是重组单位或突变单位。即：即：一个顺一个顺反子包含多个的突变子和重组子。反子包含多个的突变子和重组子。九、超基因、假基因和拟基因的发现九、超基因、假基因和拟基因的发现1.超基因超基因：也称基因簇，作用于一种性状或一系：也称基因簇，作用于一种性状或

11、一系列相关性状的几个紧密连锁在同一条染色体上的列相关性状的几个紧密连锁在同一条染色体上的一组基因。超基因中不同基因之间没有调控的关一组基因。超基因中不同基因之间没有调控的关系。分为简单多基因家族和复杂多基因家族。系。分为简单多基因家族和复杂多基因家族。2.假基因假基因：具有与功能基因相似的序列，但由于：具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变而失去了功能，是没有功能的基因。有许多突变而失去了功能，是没有功能的基因。3.拟基因拟基因：不包含有用的生物信息的基因。：不包含有用的生物信息的基因。八、雅各布（八、雅各布（Jacob）和莫诺建立基因表达调控）和莫诺建立基因表达调控的的操纵子（操纵子（o

12、peron）模型模型超基因超基因 如人类组织相容性抗原复合体如人类组织相容性抗原复合体HLA，称为人类白细胞抗，称为人类白细胞抗原（原（human leucocyte antigen，HLA）。）。HLA复合体复合体位于第位于第6号染色体短臂上大约号染色体短臂上大约4000kb范围内，由一群密范围内，由一群密切连锁的基因组成。切连锁的基因组成。HLA复合体是迄今已知的人体最复复合体是迄今已知的人体最复杂的基因体系。从着丝点一侧起依次为杂的基因体系。从着丝点一侧起依次为类基因、类基因、类类基因和基因和类基因区域所在。类基因区域所在。 1961年开始，美国生化学家尼伦伯格（年开始，美国生化学家尼伦

13、伯格（Nirenberg）和马太破译了第一个遗传密码。）和马太破译了第一个遗传密码。 三联体密码的破译、中心法则的建立以及蛋白质和三联体密码的破译、中心法则的建立以及蛋白质和核酸的人工合成，基因内部精细结构的揭示，基因核酸的人工合成，基因内部精细结构的揭示，基因活动的调节和控制原理的发现，突变分子基础的阐活动的调节和控制原理的发现，突变分子基础的阐明等，使遗传学的发展走在了生物科学的前列。明等，使遗传学的发展走在了生物科学的前列。十、现代基因的概念及特点十、现代基因的概念及特点1.概念：是概念：是DNA分子（分子（RNA病毒是病毒是RNA）上具有遗）上具有遗传效应的片段和功能单位。传效应的片段

14、和功能单位。2.特点：见特点：见“754-755”（1）基因呈双螺旋结构并随基因呈双螺旋结构并随DNA的复制而复制的复制而复制（2）基因间一般不重叠）基因间一般不重叠 （3）真核基因的）真核基因的主要主要载体是染色体载体是染色体（4）极少数基因是）极少数基因是可移动可移动的的 转座子转座子（5）基因是一个功能单位，但不是结构单位基因是一个功能单位，但不是结构单位（6）割裂基因和连续基因）割裂基因和连续基因 是否含内含子？是否含内含子？（7）基因转录的）基因转录的mRNA具有相同的起始密码和终止密码具有相同的起始密码和终止密码一、原核细胞的基因结构一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区非编码区非

15、编码区编码区编码区编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 启动子启动子终止子终止子非编码区非编码区不能转录为信使不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质，不能编码蛋白质 ;但有调但有调控遗传信息表达的核苷酸序列控遗传信息表达的核苷酸序列,最重要的位于编最重要的位于编码区上游的码区上游的RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点.第三节第三节 基因的结构基因的结构一、原核细胞的基因结构一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 与与RNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点启动子启动子终止子终止子RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与聚合

16、酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿聚合酶沿DNA分子移动，分子移动，并与并与DNA分子的一条链为模板合成分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕。转录完毕后，后，RNA链释放出来，紧接着链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。模板链上脱落下来。接接一、原核细胞的基因结构一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 启动子启动子终止子终止子编码区编码区能够转录为相应的信使能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质，进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码

17、蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质 二、真核细胞的基因结构二、真核细胞的基因结构编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区与与RNA聚酶聚酶结合位点结合位点内含子内含子 外显子外显子 能够编码蛋白质的序列叫做外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子 不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使含子能转录为信使RNA 启动子启动子终止子终止子编码区上游编码区上游 编码区上游编码区上游 内含子内含子 外显子外显子 不同的基因外显子和内含子的数目是不同的不同的基因外显子和内含子的数目是不同的如：人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做如：人的血红蛋白中，有一种蛋白

18、质叫做珠蛋珠蛋白，它的基因有白，它的基因有1700个碱基对，其中有个碱基对，其中有3个外显子个外显子和和2个内含子，能够编码个内含子，能够编码146个氨基酸个氨基酸人的一种凝血因子的基因，在它的人的一种凝血因子的基因，在它的186000个碱基对个碱基对中，有中，有26个外显子和个外显子和25个内含子，能够编码个内含子，能够编码2552个个氨基酸氨基酸53增强子增强子CAAT框框TATA框框转录起始点转录起始点外外显显子子1外外显显子子2外外显显子子3内内含含子子1内内含含子子2AATAAA转录终止点转录终止点真核细胞基因结构示意图真核细胞基因结构示意图启动子启动子：主要包括两个序列：主要包括两

19、个序列（1）在）在5端转录起始点上游约端转录起始点上游约2030个核苷酸处有个核苷酸处有TATA框框，它是一个短的核苷酸序列，是启动子中的一个顺序，它是它是一个短的核苷酸序列，是启动子中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要接触点，能聚合酶的重要接触点，能使酶准确识别转录的起始点使酶准确识别转录的起始点并并开始开始转录转录。当。当TATA框中的碱基顺序有所改变时，框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会的转录就会从不正常的位置开始。从不正常的位置开始。53增强子增强子CAAT框框TATA框框转录起始点转录起始点外外显显子子1外外显显子子2外外显显子子3内内含含子子1内内含含子子2AATAAA转

20、录终止点转录终止点真核细胞基因结构示意图真核细胞基因结构示意图启动子启动子：主要包括两个序列：主要包括两个序列（2）在）在5端转录起始点上游约端转录起始点上游约7080个核苷酸的地方，有个核苷酸的地方，有CAAT框，是启动子中另一个短的核苷酸序列，是框，是启动子中另一个短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的聚合酶的另一个结合点，它的作用还不肯定，一般认为它另一个结合点，它的作用还不肯定，一般认为它控制着转录的控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点起始频率，而不影响转录的起始点。当框中的。当框中的碱基顺序改变后，碱基顺序改变后，mRNA的形成量会明显减少。的形成量会明显减少。53增强子增强子CAA

21、T框框TATA框框转录起始点转录起始点外外显显子子1外外显显子子2外外显显子子3内内含含子子1内内含含子子2AATAAA转录终止点转录终止点真核细胞基因结构示意图真核细胞基因结构示意图增强子增强子：在：在5端转录起始点上游约端转录起始点上游约100个核苷酸以远处的位置，个核苷酸以远处的位置，能使能使转录活性增强上百倍转录活性增强上百倍。终止子终止子：在：在3端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，AATAAA顺序和下游的反向重复顺序合称为终止子，顺序和下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录是转录终止的信号终止的信号。终止子的特殊碱基排列顺序能够阻碍。终

22、止子的特殊碱基排列顺序能够阻碍RNA聚合酶聚合酶的移动，并使其从的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来。模板链上脱离下来。原核基因组的特点：原核基因组的特点： 1、基因组小、基因组小 2、利用率高，表现：、利用率高，表现： 1）全是编码基因，极少数不转录；）全是编码基因，极少数不转录； 2）基因不重叠）基因不重叠 3）连续（结构基因中没有内含子，）连续（结构基因中没有内含子，） 3、操纵子结构、操纵子结构原核生物基因组真核生物基因组真核生物基因组的特点：真核生物基因组的特点： 1. 基因组分布在多个染色体上。基因组分布在多个染色体上。 2. 基因组远远大于原核生物的基因组，具有多复制起点。基因

23、组远远大于原核生物的基因组，具有多复制起点。 3. 转录后前体转录后前体RNA必须经过剪接过程才能形成成熟的必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNA 4. 大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的（断裂基大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的（断裂基因）。因）。5. 真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。分子和一条多肽链。6. 单一序列为主，存在大量重复序列。单一序列为主，存在大量重复序列。三、真核生物基因组与原核生物基因组的主三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别

24、：要区别：（1）真核生物基因组）真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的（即细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的（即双倍体）。细菌染色体基因组通常由一条环状双链双倍体）。细菌染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子分子组成，染色体形成拟核，无核膜与胞浆分开。组成，染色体形成拟核，无核膜与胞浆分开。（2）基因组远远大于原核生物的基因组，具有多个复制起点，）基因组远远大于原核生物的基因组，具有多个复制起点，而每个复制子的长度较小。而每个复制子的长度较小。（3）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构

25、基因经过）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个转录和翻译生成一个mRNA分子和一条肽链。分子和一条肽链。 原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构。因往往在一起组成操纵子结构。E.Coli中乳糖操纵子结构模型中乳糖操纵子结构模型 lacZ lacY lacA 调节基因调节基因启动子启动子 操纵基因操纵基因结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶转录转录半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶原核生物的基因簇中，结构基因受一个启动子调控。这全部原核生物的基因簇中，结构基因受一个启

26、动子调控。这全部基因要么一起表达，要么不表达，而且转录生成单一的基因要么一起表达，要么不表达，而且转录生成单一的mRNA分子，然后再分别翻译成几个不同的多肽分子。分子，然后再分别翻译成几个不同的多肽分子。（4）真核基因组大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续）真核基因组大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因组没有内的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因组没有内含子结构，不需进行转录后剪接加工。含子结构，不需进行转录后剪接加工。（5）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大部分

27、为编码序列，不编码区域仅占一小部分。部分为编码序列，不编码区域仅占一小部分。（6）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上基因组远远大于原核生物的基因组。基因组远远大于原核生物的基因组。 （7）真核生物基因组存在多基因家族、超基因家族和假基因。）真核生物基因组存在多基因家族、超基因家族和假基因。三、真核生物基因组与原核生物基因组的主三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别：要区别：第四节第四节 基因的表达调控基因的表达调控2022-2-539/23DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表达基因表达(gene expr

28、ession)(gene expression)-基因转录及翻基因转录及翻译的过程。译的过程。rRNArRNA、tRNAtRNA的合成属于基因表达。的合成属于基因表达。中心法则中心法则(the central dogma)(the central dogma)：I顺式作用与反式作用顺式作用与反式作用顺式作用：顺式作用：顺式作用元件与靶基因位于同一条染色体上的顺式作用元件与靶基因位于同一条染色体上的DNA序列发挥调控作用的方式序列发挥调控作用的方式。反式作用：反式作用：基因编码产物，基因编码产物，RNA或或protein调控另一簇基因的表调控另一簇基因的表达的方式。达的方式。顺式作用元件：顺式作

29、用元件：与基因连锁的具有调控作用的与基因连锁的具有调控作用的DNA序列。序列。如启如启动子，终止子。动子，终止子。反式作用因子：反式作用因子：某些基因编码的产物如蛋白质或某些基因编码的产物如蛋白质或RNA，能调控，能调控另一个基因的表达。另一个基因的表达。如如RNA聚合酶聚合酶基因表达的方式基因表达的方式2022-2-540/23II正调控和负调控正调控和负调控正 调 控 ： 激 活 基 因 表 达 的 过 程 ， 基 因 表 达 的 活 化 物正 调 控 ： 激 活 基 因 表 达 的 过 程 ， 基 因 表 达 的 活 化 物（ activators ）结合在受控基因上时，激活基因表达，不

30、结）结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。真核生物常见合时就不表达的形式。真核生物常见负调控：抑制基因表达的过程，阻遏蛋白（负调控：抑制基因表达的过程，阻遏蛋白（repressor protein）结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。原核结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。原核生物常见生物常见 正调控与负调控模式的比较正调控与负调控模式的比较 2022-2-542/23 2 2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达 诱导（诱导（inductioninduction）-可诱导基因在特定可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。环境信号刺激下表达增强的过程

31、。乳糖乳糖 利用乳糖的三种酶表达利用乳糖的三种酶表达 阻遏（阻遏（repressionrepression）-可阻遏基因表达产可阻遏基因表达产物水平降低的过程物水平降低的过程色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系色氨酸合成酶系2022-2-543/23基因表达调控的水平基因表达调控的水平 染色体和染色体和DNA水平上；水平上； 转录水平上（最主要的方式）；转录水平上（最主要的方式）； 转录后水平（转录后水平（RNA加工、成熟水平上）加工、成熟水平上）真核生物；真核生物； 翻译水平上；翻译水平上； 蛋白质加工水平上；蛋白质加工水平上；2022-2-544/23 无论是真核细胞还是原核细胞都有一套无论是真核

32、细胞还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制，使得细胞在需要的时间和地点产生制，使得细胞在需要的时间和地点产生相应的特异性的蛋白质成为可能。相应的特异性的蛋白质成为可能。 某一个体系在需要时被打开，不需要某一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种开关的活性是通过调节时被关闭。这种开关的活性是通过调节转录来实现的。转录来实现的。 基因表达调控主要发生在转录水平上的基因表达调控主要发生在转录水平上的调控和翻译水平上的调控。调控和翻译水平上的调控。基因的选择性表达是细胞特异性的基础 原核基因的表达特点：原核基因的表达特点： 1、较真核生物简单。转

33、录和翻译相偶联；、较真核生物简单。转录和翻译相偶联；基因组小；染色体简单基因组小；染色体简单 2、营养状况和环境因素起着重要作用。、营养状况和环境因素起着重要作用。 3、转录水平上常以操纵子模式进行负调控。、转录水平上常以操纵子模式进行负调控。2022-2-546/23 真核基因的表达特点：真核基因的表达特点： 1.与原核生物相比要复杂得多（转录与翻译与原核生物相比要复杂得多（转录与翻译发生在不同的场所；基因数目多；含大量发生在不同的场所；基因数目多；含大量不编码序列；染色体中包括大量的不编码序列；染色体中包括大量的组蛋白组蛋白和非组蛋白）和非组蛋白） 2.染色质的结构、发育阶段、激素水平起重

34、染色质的结构、发育阶段、激素水平起重要作用，营养和环境为次要因素。要作用，营养和环境为次要因素。 3.调控可以发生在多个不同水平上。多为正调控可以发生在多个不同水平上。多为正调控调控2022-2-547/23 组蛋白（组蛋白（histones）：是真核生物染色体的基本）：是真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质，含带正电结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质，含带正电的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多。与的精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多。与DNA链中带负电的磷酸基团结合。链中带负电的磷酸基团结合。 六种类型：六种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4及古细菌及古细菌组蛋白组蛋白 非组

35、蛋白是高等动植物的核蛋白质中，除组蛋白非组蛋白是高等动植物的核蛋白质中，除组蛋白之外的其他蛋白质的总称。非组蛋白主要是指与之外的其他蛋白质的总称。非组蛋白主要是指与特异特异DNA序列相结合的蛋白质，序列相结合的蛋白质，2022-2-548/23组蛋白和非组蛋白组蛋白和非组蛋白 真核基因的表达特点：真核基因的表达特点： 1.与原核生物相比要复杂得多（转录与翻译与原核生物相比要复杂得多（转录与翻译发生在不同的场所；基因数目多；含大量发生在不同的场所；基因数目多；含大量不编码序列；染色体中包括大量的组蛋白不编码序列；染色体中包括大量的组蛋白和非组蛋白）和非组蛋白） 2.染色质的结构、发育阶段、激素水

36、平起重染色质的结构、发育阶段、激素水平起重要作用，营养和环境为次要因素。要作用，营养和环境为次要因素。 3.调控可以发生在多个不同水平上。多为正调控可以发生在多个不同水平上。多为正调控调控2022-2-549/23PS1S2S3启动子启动子OPromoter调控序列调控序列结构基因结构基因 操纵子（操纵子（operonoperon） 结合结合RNARNA聚合酶聚合酶表达功能蛋白表达功能蛋白?操纵子（操纵子（operonoperon）: :原核生物的基因表达调控的功能单位原核生物的基因表达调控的功能单位操纵基因操纵基因Operator2022-2-550/23原核生物的基因表达调控原核生物的基因

37、表达调控乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型操纵子操纵子(operon):(operon): 调节基因调节基因(I I)（产生调节蛋白）产生调节蛋白） 、启动子启动子(P P)、操纵基因操纵基因(O O)、结构基因结构基因( (Z Z、Y Y、A A) )、终止、终止子子2022-2-551/23I结合阻遏物RNA酶结合产生阻遏蛋白操纵基因启动子阻遏物基因结构基因AYZOP（调节基因）（调节基因） 结构基因群结构基因群2022-2-552/23 操纵子中被调控的操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可称编码蛋白质的基因可称为结构基因为结构基因(structural gene, SG)(structural

38、gene, SG)。一个操。一个操纵子中含有纵子中含有2 2个以上的结构基因个以上的结构基因，多的可达十，多的可达十几个。几个。 乳糖操纵子含有乳糖操纵子含有Z Z、Y Y和和A3A3个结构基个结构基因。分别编码因。分别编码-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、-半乳糖苷半乳糖苷酶透性酶、酶透性酶、-半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷转乙酰酶 启动子启动子2022-2-553/23 启动子启动子(promoter,(promoter, P)P)是指是指能被能被RNARNA聚合酶识聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段别、结合并启动基因转录的一段DNADNA序列序列。操。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基纵子至

39、少有一个启动子，一般在第一个结构基因因5 5侧上游侧上游，控制整个结构基因群的转录。，控制整个结构基因群的转录。 操纵区操纵区2022-2-554/23 操纵区操纵区operatoroperator（操作基因）（操作基因）是指能被是指能被调控蛋白特异性结合的一段调控蛋白特异性结合的一段DNADNA序列序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。基因转录的强弱。 调控基因调控基因ii 2022-2-555/23 调控基因调控基因(regulatory gene)(re

40、gulatory gene)是是编码能与操编码能与操纵基因结合的调控蛋白的基因纵基因结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有：调控蛋白有： 激活蛋白激活蛋白(activating protein)(activating protein)：与操纵区：与操纵区结合后能结合后能增强或起动增强或起动其调控的基因转录，所介其调控的基因转录，所介导的调控方式为导的调控方式为正调控正调控 阻遏蛋白阻遏蛋白(repressive protein)(repressive protein)：与操纵区：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介导的调控方式为导的调控方式为负调控

41、负调控 终止子终止子 2022-2-556/23 终止子（终止子（terminatorterminator，T T）是）是给予给予RNARNA聚聚合酶转录终止信号的合酶转录终止信号的DNADNA序列序列。在一个操纵子。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。个终止子。 以上以上5 5种元件种元件是每一个操纵子是每一个操纵子必定含有的必定含有的。其中启动子、操纵区位于紧邻结构基因群的上其中启动子、操纵区位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后。游，终止子在结构基因群之后。2022-2-557/23调节基因调节基因操纵子操纵子L

42、ac 阻遏物阻遏物半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶半乳糖苷半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰基转移酶E.Coli 诱导型诱导型Lac操纵子结构模型操纵子结构模型基基因因 长长度度结构基因调节基因启动子操纵基因是一类编码是一类编码蛋白质或蛋白质或RNA的基因，有的基因，有lacZlacY,lacA三个三个基因彼此紧密基因彼此紧密连锁，按连锁，按Z、Y、A顺序排列。顺序排列。调节基因编码调节基因编码的调节物通过的调节物通过与与DNADNA上的特上的特定位点结合来定位点结合来控制转录，是控制转录，是调控的关键。调控的关键。作用是标志转作用是标志转录起始的位点，录起始的位点，RNARNA聚合酶在

43、聚合酶在这一位点与这一位点与DNADNA接触，并开始进接触，并开始进行转录。行转录。是调节基因所是调节基因所编码的阻遏蛋编码的阻遏蛋白的结合部位，白的结合部位，决定了决定了RNARNA聚聚合酶是否能够与合酶是否能够与DNADNA序列上的序列上的启动子接触。启动子接触。原核生物的基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏蛋白的负调控阻遏蛋白的负调控阻遏基因阻遏基因乳糖操纵子的调控机制乳糖操纵子的调控机制mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖别乳糖别乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶、乳糖存

44、在时的诱导调控、乳糖存在时的诱导调控 发现：葡萄糖关闭乳糖操纵子的表达（葡萄糖效发现：葡萄糖关闭乳糖操纵子的表达（葡萄糖效应或降解物抑制效应）应或降解物抑制效应） cAMP：环腺苷酸，：环腺苷酸， 浓度受葡萄糖代谢的调节；浓度受葡萄糖代谢的调节； 当葡萄糖可供分解利用时，当葡萄糖可供分解利用时， cAMP CRP：cAMP受体蛋白，又称分解代谢物激活蛋受体蛋白，又称分解代谢物激活蛋白白CAP，CAP可增强可增强RNA聚合酶的转录活性，聚合酶的转录活性，使转录提高使转录提高50倍。倍。（2 2）乳糖操纵子的）乳糖操纵子的CAPCAP正调控正调控生化里生化里cAMP普遍称为环腺苷酸普遍称为环腺苷酸

45、,在细胞信号传导中是在细胞信号传导中是重要的第二信使（包括：环磷腺苷（重要的第二信使（包括：环磷腺苷（cAMP），环磷），环磷鸟苷鸟苷(cGMP)，肌醇磷脂，钙离子，廿碳烯酸类，一，肌醇磷脂，钙离子，廿碳烯酸类，一氧化氮等。）氧化氮等。）.（2 2）乳糖操纵子的）乳糖操纵子的CAPCAP正调控正调控 代谢调节基因表达代谢调节基因表达 CRP(CRP(环腺苷酸受体蛋白环腺苷酸受体蛋白) )或或 CAP(CAP(降解物基因活化蛋白降解物基因活化蛋白) ) cAMP-CAP cAMP-CAP 被激活：被激活：CRP(CRP(环腺苷酸受体蛋白环腺苷酸受体蛋白) )或或 CAP(CAP(降解物基因活化蛋

46、白降解物基因活化蛋白) ) 促进代谢操纵子进行转录促进代谢操纵子进行转录 引发物质进行代谢引发物质进行代谢2022-2-563/23 cAMP cAMPcAMP-CAPcAMP-CAP结合到结合到代谢操纵子的一定部位代谢操纵子的一定部位葡萄糖分解代葡萄糖分解代谢的降解物谢的降解物腺苷酸环腺苷酸环化酶活性化酶活性抑制抑制磷酸磷酸二酯酶二酯酶 活化活化 降低降低cAMPcAMP浓度浓度降低降低cAMPcAMP浓度浓度降解物阻遏机制：降解物阻遏机制：由于乳糖操纵子的启动子是由于乳糖操纵子的启动子是弱启动子弱启动子，单，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使纯因乳糖的存在发生去阻遏使laclac操纵子转录开操纵

47、子转录开放，还不能使细菌放，还不能使细菌很好利用乳糖很好利用乳糖，必需同时有，必需同时有CAPCAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖利用乳糖。laclac操纵子的强诱导操纵子的强诱导既需要有乳糖的既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖充分利用乳糖。2022-2-564/23结构基因：结构基因：trpE，trpD，trpC，trpB，trpA，分别

48、编码色氨酸合成过程中的五个酶。分别编码色氨酸合成过程中的五个酶。调控区调控区:启动子启动子Promoter、操纵基因、操纵基因operator、前导序列（前导序列（Leader sequence of a protein）和）和衰减子衰减子(attenuator)trptrp操纵子的结构操纵子的结构(1)(1)色氨酸操纵子色氨酸操纵子：2022-2-565/23 色氨酸（色氨酸（Tryptophan），），-吲哚基吲哚基丙氨酸丙氨酸，为白色或，为白色或微黄色结晶或结晶性粉末；无臭，味微苦。水中微溶，在乙微黄色结晶或结晶性粉末；无臭，味微苦。水中微溶，在乙醇中极微溶解，在氯仿中不溶，在醇中极微溶

49、解，在氯仿中不溶，在甲酸甲酸中易溶，在氢氧化钠中易溶，在氢氧化钠试液或稀盐酸中溶解。色氨酸是植物体内生长素生物合成重试液或稀盐酸中溶解。色氨酸是植物体内生长素生物合成重要的要的前体物质前体物质，其结构与，其结构与IAA相似，在相似，在高等植物高等植物中普遍存在。中普遍存在。色氨酸操纵子的阻遏调控色氨酸操纵子的阻遏调控 2022-2-567/23真核生物基因表达与调控真核生物基因表达与调控 转录前的调控 组蛋白转位模型：DNA的一个特定位置上的一种特异性的非组蛋白磷酸化以后，磷酸基带负电荷，于是非组蛋白与带负电荷的DNA相斥，并与带正电荷的组蛋白强烈地结合在一起。组蛋白和非组蛋白复合体从DNA上

50、脱离开来，使这部分DNA裸露出来，不再受组蛋白的抑制而开始转录真核生物基因表达与调控真核生物基因表达与调控 转录水平的调控转录水平的调控 RNA聚合酶聚合酶I催化催化rRNA的转录，的转录，RNA聚合酶聚合酶催化催化mRNA的转录，的转录，RNA聚合酶聚合酶催化催化tRNA和和5sRNA的转录。的转录。 转录后的调控转录后的调控 对初产生的对初产生的RNA加工剪接加工剪接，去掉内含子和非编码区顺序，把几个外显子连，去掉内含子和非编码区顺序，把几个外显子连接起来，成为成熟的接起来，成为成熟的mRNA。 翻译水平的调控，翻译水平的调控， mRNA的戴帽与核糖体的戴帽与核糖体小亚基识别并与之结合，是

51、开始翻译的条件。小亚基识别并与之结合，是开始翻译的条件。 翻译后的调控翻译后的调控 翻译的最初产物是一个大翻译的最初产物是一个大的蛋白质分子。有时，必须经酶切成更小的分子的蛋白质分子。有时，必须经酶切成更小的分子才能有生物活性。如胰岛素原才能有生物活性。如胰岛素原胰岛素。胰岛素。真核生物基因表达与调控真核生物基因表达与调控 点突变点突变2022-2-571/23无义突变无义突变置换突变置换突变移码突变：移码突变： DNA碱基中一对或少数几对邻碱基中一对或少数几对邻 近的核苷酸的增加或减少近的核苷酸的增加或减少错义突变错义突变中性突变中性突变同义突变同义突变非功能性突变非功能性突变不改变功能的突

52、变不改变功能的突变第五节第五节 基因突变基因突变转换：嘌呤被另一个嘌呤取代或嘧啶被另一个嘧转换：嘌呤被另一个嘌呤取代或嘧啶被另一个嘧啶取代；啶取代；颠换：嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代颠换：嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代点突变：一般是在染色体上一个位点内遗传物质的化学变点突变：一般是在染色体上一个位点内遗传物质的化学变化，即碱基对的变化引起的突变。化，即碱基对的变化引起的突变。数目改变数目改变种类改变种类改变 缺失突变缺失突变 插入突变插入突变 重组突变重组突变2022-2-573/23 大片段突变大片段突变基因的自由组合基因的自由组合（发生在减数第一次分裂后期）、（发生在减数第一次分裂后期）

53、、基因的交叉与互换基因的交叉与互换（发生在减数第一次分裂前期，（发生在减数第一次分裂前期，四分体时期，同源染色体的非姐妹染色单体间发生四分体时期，同源染色体的非姐妹染色单体间发生交换）交换）基因工程和细菌转化基因工程和细菌转化（如肺炎双球菌由（如肺炎双球菌由R型转化为型转化为S型）型）. 前两种是狭义的基因重组前两种是狭义的基因重组,后两种是广义的基因重组后两种是广义的基因重组. 突变的诱发因素突变的诱发因素 自发突变：由自发突变：由DNA复制，复制，DNA损伤修复等导致损伤修复等导致的基因突变的基因突变 诱发突变：由于环境因素引起的突变，引起突诱发突变：由于环境因素引起的突变，引起突变的因子

54、称为诱变剂：变的因子称为诱变剂： 物理性：紫外线和电离辐射物理性：紫外线和电离辐射X射线，射线，射线，射线，中子流等，中子流等，2022-2-574/23突变的诱变剂突变的诱变剂 化学性：化学性：改变改变DNA结构的化学试剂：结构的化学试剂：亚硝酸盐，亚硝酸盐，烷化剂等；烷化剂等；碱基类似物：碱基类似物：5尿嘧啶（尿嘧啶（BU）是）是T类似物。类似物。结合到结合到DNA分子上的化合物：丫啶类造分子上的化合物：丫啶类造成移码突变；成移码突变； 生物性：某些病毒的生物性：某些病毒的DNA或或RNA逆转录成的逆转录成的cDNA的整个或片段整合到寄主的的整个或片段整合到寄主的DNA中，可引中，可引起寄

55、主基因突变。起寄主基因突变。2022-2-575/23基因突变的特性：基因突变的特性： 随机性（任何时期，任意部位）随机性（任何时期，任意部位） 多向性（相对地，指一定范围内的）多向性（相对地，指一定范围内的） 稀有性（自然状态下突变频率低）稀有性（自然状态下突变频率低） 可逆性（正向突变和回复突变）可逆性（正向突变和回复突变） 多有害性多有害性 平行性平行性2022-2-578/23201103青岛农业大学 1 1、基因、基因：DNADNA分子上具有特定遗传效应分子上具有特定遗传效应的一段特定的核苷酸序列。的一段特定的核苷酸序列。遗传效应：遗传效应：有蛋白质产物或有蛋白质产物或RNARNA产

56、物或产物或对其它基因起调节效应的功能。对其它基因起调节效应的功能。 2 2、基因组、基因组：一个单倍体染色体组中所一个单倍体染色体组中所包含的全部遗传物质。有核基因组和质包含的全部遗传物质。有核基因组和质基因组之分。基因组之分。 图图4-14-1 基因组大小基因组大小 种类种类 Mb大肠杆菌大肠杆菌 4.64啤酒酵母啤酒酵母 12.1线线 虫虫 100果果 蝇蝇 140蝗蝗 虫虫 5000小小 鼠鼠 3300豌豌 豆豆 4800玉玉 米米 5000小小 麦麦 17000人人 3000 2022-2-580/23Bpbase pair,1Mb=1000Kb1Kb=1000bpC值 1、在每一种生

57、物中其单倍体基因组的、在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量总量是特异的，被称为是特异的，被称为C值值 2、每个物种、每个物种C值相对恒定，不同物种值相对恒定，不同物种C值差异极值差异极大。大。 相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其相对比较简单的单细胞真核生物象啤酒酵母，其基因组就有基因组就有1.75107bp大约是细菌基因组的大约是细菌基因组的3-4倍。最简单的多细胞生物隐杆线虫其基因组有倍。最简单的多细胞生物隐杆线虫其基因组有8107bp，大约是酵母的，大约是酵母的4倍。看来生物的复倍。看来生物的复杂性和其杂性和其DNA含量之间有较好的相关含量之间有较好的相关 C值悖论 高等生物具

58、有比低等生物更复杂的生命活高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，动，所以，理论上应该是它们的理论上应该是它们的C值也应值也应该更高。但是事实上高等生物的该更高。但是事实上高等生物的C值不一值不一定高于比它低等的生物。定高于比它低等的生物。这种生物学现象这种生物学现象称为称为C值悖论。值悖论。2022-2-582/23分类最小基因组分类最小基因组支原体支原体 0.58 X 106细菌细菌 2.8 X 106酵母酵母 3.0 X 107霉菌霉菌 5.5 X 107蠕虫蠕虫 1.1 X 108昆虫昆虫 0.5 X 109鸟类鸟类 0.2 X 1010两栖类两栖类 0.1 X 1010哺乳类哺

59、乳类 2.8 X 1010 2022-2-583/23 进化地位高，进化地位高，结构复杂的生物结构复杂的生物的同类生物最小的同类生物最小基因组比较，符基因组比较，符合进化程度越高，合进化程度越高，生物基因组越大生物基因组越大的规律。的规律。 201103青岛农业大学201103青岛农业大学二、人类基因组结构二、人类基因组结构 人类基因组结构庞大、复杂：基因组人类基因组结构庞大、复杂：基因组DNA总长度为总长度为30亿个亿个bp，3-4万个基因分布万个基因分布在在24条染色体上，非编码区远远多于编码区，条染色体上，非编码区远远多于编码区，占占90%以上，结构基因占以上，结构基因占3%，以单拷贝形

60、，以单拷贝形式存在。式存在。 1、DNA序列中的组成结构序列中的组成结构 可分为可分为3种类型：种类型：（1）单一序列单一序列(非重复序列、单拷贝序列）非重复序列、单拷贝序列） 占占60-65%，在编码，在编码DNA中绝大多数为中绝大多数为结构基因结构基因201103青岛农业大学（2）中度重复序列中度重复序列：占占20-30%，拷贝数，拷贝数为为104-105 ， 包括组蛋白基因、免疫球蛋白包括组蛋白基因、免疫球蛋白基因及基因及RNA基因，绝大多数中度重复序列基因，绝大多数中度重复序列为不编码序列，成为间隔区，为不编码序列，成为间隔区，如人类如人类Alu序序列家族。列家族。（3）高度重复序列高