分子遗传学第二章 基因的性质

1、第 二 章 基 因 的 性 质（The Nature of the gene）共六十四页第一节 基因(jyn)的作用一、人的先天代谢缺陷 “inborn errors in metabolism”1黑尿症：正常人具有尿黑酸氧化酶，使尿黑酸转化为乙酰醋酸，最后分解为CO2和水。黑尿症患者无尿黑酸氧化酶。尿液中含有尿黑酸，排出经氧化后变黑。黑尿病基因为a，患者基因型aa，正常人为AA或Aa。共六十四页2苯丙酮尿症：PP个体不能形成苯丙氨酸羟化酶，使苯丙氨酸不能转化为酪氨酸。大量苯丙氨酸积累进一步引起下列反应： （1）苯丙氨酸自发转化为一种有毒物质苯丙酮酸，随尿排出(pi ch)（2）过量苯丙氨酸积

2、累，损害中枢神经系统，影响智力发育（3）血液中苯丙氨酸积累抑制了酪氨酸的代谢。后者是黑色素的前体，造成白化病，无正常的酪氨酸酶。 酪氨酸酶的基因为C。正常人为CC或Cc，白化病人为cc。共六十四页结论：先天性代谢缺陷是由于(yuy)一种酶的缺失造成，有一隐性基因控制。基因的作用是决定某种酶，从而控制代谢途径，控制某一性状。 基因是如何控制代谢途径或生化反应的呢？共六十四页二、“一个(y )基因一种酶”学说 四十年代，Beadle和Tatum 对链孢霉的研究进一步阐明了 基因的作用。基因是如何控制代谢(dixi)途径或生化反应的呢共六十四页1假定：某一生物合成(hchng)途径如下：起始(q s

3、h)物：1 2 3 4 5 终产物ABC D基因a决定酶A，如果基因b缺失：abcd基因b A B C D 1 2 3 4 5产物酶结果：产物2转化为3的反应不能进行。即在物质2上被阻断。如加入3或4，可以得到终产物5。如加入更多的1，也不可能合成终产物5。B共六十四页2. 阐明上述原理的例子分析 假定有一些实变体需要(xyo)物质G才能生长，生物合成途径中AE的所有成份是已知的，试验每种成份维持突变体生长的能力，结果如下： 成份ABCDEG 1+ 2+ 3+ 4+ 5+“+”能生长 “”不能生长 突 变 体 共六十四页问（1）：在 这一途径中，AE和G的顺序？思考：能使大多数突变体生长的物质

4、是最末生成的，而最早生成的物质能维持突变体生长的数目是最少的,可以得到(d do)以下顺序： E A C B D G共六十四页问（2）：上述突变体是由于途径中那一步受阻造成的？ 思考：E不能满足EA之间受阻的突变体生长的要求，而其它物质(wzh)都能满足 EA之间突变体生长的要求。从表中可知突变体5一定是由于EA转化受阻造成。同样，E或A不能使突变体4生长，其它物质(wzh)都能使其生长，因此4肯定是由于AC的转化中受阻造成。最后可得： ABCDE G 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 5 4 2 1 3GDBCAE共六十四页3Beadle和Tatum实验 营养缺陷型（auxotrophs）：不能

5、在基本(jbn)培养基上生长，只能在补加了特定营养物之后才能生长的实变体。 有一组需要精氨酸才能在基本培养基上生长的链孢霉突变体：它们对鸟氨酸和瓜氨酸的反应如下：arg突变体对不同附加物的生长反应 突变体鸟氨酸瓜氨酸精氨酸 arg1 + + + arg2 + + arg3 +共六十四页 Beadke等提出了链孢霉精氨酸合成的生化模型： 酶X 酶Y 酶Z 前体鸟氨酸瓜氨酸精氨酸 Beadle等将不同的突变体定位于相应的合成步骤(bzhu)上 arg1arg2arg3基因 X Y Z 酶 前体鸟氨酸瓜氨酸精氨酸共六十四页该模型(mxng)已成为“一个基因一种酶”的理论*要点：（1）细胞内的生化反应

6、由一系列不同反应步骤组成；（2）每一步反应都有一种特异性酶催化；（3）每一种酶由一个基因控制。共六十四页一、蛋白质的结构 一条肽链中的氨基酸线性顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质的三维构型决定于氨基酸的顺序即一级结构，基因是通过控制(kngzh)蛋白质的一级结构来决定酶的功能的。 第二节 基因与蛋白质的相互(xingh)关系共六十四页 Peptide bond formation between two amino acid, resulting from a dehydration reaction 13-16共六十四页The quaternary level of protein struc

7、ture as seen in hemoglobin 13-19共六十四页二、蛋白质顺序分析Sanger测定多肽顺序的方法(fngf)：蛋白质指纹（fingerprints）：蛋白质经水解后形成较小的片段，经层析法分离和染色后，不同大小的片段以特定的位置出现。不同的水解酶作用后产生不同的指纹。Sanger证明：某一特定蛋白质的氨基酸顺序是特异性的“The amino-acid sequence is what makes insulin insulin”.共六十四页三、基因突变与蛋白质变化的关系 1957年，Vernon Ingram对正常人的HbA和镰形细胞贫血症的基因突变纯合体的HbS作比

8、较研究。 正常人的血红蛋白（hemoglobin, Hb）由两条链和两条链组成，链有141个aa，链有146个aa。HbA和HbS的指纹只有一个位置上有区别，进一步对不同指纹部位作序列(xli)分析发现只有一个aa的差异： 1 2 3 4 5 6 7 正常HbA：缬组亮苏脯谷谷 镰形HbA：缬组亮苏脯缬谷共六十四页A comparison of erythrocytes from normal (a) and from individuals with sickle-cell anemia (b).正常(zhngchng)红细胞镰形红细胞共六十四页Investigation of hemogl

9、obin derived from HbAHbA and HbSHbS. individuals using electrophoresis, fingerprinting, and amino acid analysis.共六十四页结论：在链上第6位的缬氨酸代替了正常的谷氨酸，从而造成(zo chn)缺陷性血红蛋白。Ingram的研究结果说明：通过遗传分析确定的基因突变可以与一个蛋白质的aa顺序的变化相连系，基因决定蛋白质的一级结构顺序。共六十四页四、基因与蛋白质的线性对应 1967年，Charles Yanofsky对E.coli色氨酸合成酶的研究证明(zhngmng)了基因的变化与蛋白质

10、变化之间有线性对应。 色氨酸合成酶由A、B两条多肽组成，trpA基因和trpB基因控制各自多肽的合成。 在trpA基因图中其突变点的顺序与多肽A的氨基酸变化的位置有一种精确的对应关系。共六十四页H3N突变(tbin)位点COO1 15 22 49 175 177 183 211 213 234 235 243 赖 苯 谷 酪 亮 苏 甘 甘 甘 丝 谷 丙 酰 终 亮缬 谷 甲 半 精 异精谷缬半天(bntin)亮 终 止 酰 胱 亮 胱在E.coli 色氨酸合成酶trpA基因图中其突变点的顺序与多肽A的氨基酸变化的位置有一种精确的对应关系共六十四页 结论：基因(jyn)的线性顺序和多肽的线性

11、顺序之间有对应关系，即：基因(jyn)的核苷酸线性顺序决定蛋白质的aa线性顺序。共六十四页 五、“一个基因一种(y zhn)酶”学说对经典遗传学的某些解释1对遗传比例和显性的解释： 豌豆花色素的遗传，双因子杂种F2的比为9：7, P：（白） AAbb aaBB（白） F1：全部 AaBb （紫色） F2： A B A bb aaB aabb 紫9 白3 白3 白1共六十四页 解释： 在最终(zu zhn)产生紫花色素的生物合成途径中有两个白色前体： 基因A 基因B 酶A 酶B 前体1 前体2 紫花色素 A B A bb aaB aabb 紫9 白3 白3 白1共六十四页 显性表示某一酶的功能正

12、常(zhngchng)，隐性表示该酶缺少活性。一个杂合体Aa具有产生正常(zhngchng)功能酶的显性等位基因： 等位基因 A 等位基因 a 酶A 无功能的 酶 前体X 产物Y（产生Y表型） 杂合体Aa表现为Y表型。A对a是显性。共六十四页2临界值模型只有当产物Y的浓度超过某一临界值时才能产生表型Y。纯合体AA比杂合体Aa产生更多的酶A。因此(ync)就会产生更多的产物Y。杂合体Aa的表型取决于它的Y产物量与临界的关系。A2A2A1A1B1B1 B1B2 A1A2B2B2表型Y表型X 临界点 酶浓度(nngd)产物Y浓度共六十四页无临界值时，杂合体Aa为中间表型，这是一种(y zhn)不完全

13、显性。与产物(chnw)浓度相称的表型 产物Y浓度 酶浓度 C1C1 C1C2C2C2共六十四页第三节 遗传精细结构 经典遗传学关于基因的念珠理论 （1）基因是结构的基本单位，它不能由交换分开。交换只发生(fshng)在基因之间，而不能在内部。 （2）基因是突变的基本单位，基因可以从一种等位基因变为另一等位基因，但在基因内部没有可以变更的更小单位。 （3）基因是功能的基本单位，基因的一部分，如果存在的话是不能起作用的。 上述“三位一体”的基因概念在四十年代以前占统治地位。Benzer在50年代初的研究表明：念珠理论是不正确的。共六十四页 T4噬菌体的结构(jigu)The structure

14、of bacteriophage T4 including an icosahedral head filled with DNA, a tail consisting of a collar, tube sheath, base plate, and tail fibers. 共六十四页一、细菌(xjn)噬菌体的生活周期Life cycle of bacteriophage T4. 共六十四页二、T4噬菌体的rII系统 r型突变体：快速溶菌突变体（rapid lysis），Benzer选择rII突变体作研究的优点是：与野生型rII+ 相比具有不同的宿主范围(fnwi)。rII不能在E.col

15、i K上生长提供了一种选择手段。 T4 rII 突变体和rII+在E.coil上的表型 T4 E.coil B E.coil K（） rII大而清晰园 + rII+ 小而模糊 + + 小而模糊共六十四页 E.coil B能使rII突变体生长，称为(chn wi)rII的许可性宿主（Permisive host），E.coli K（）不能使rII突变体生长，称为rII的非许可性宿主（Nonpermisive host）。共六十四页三、噬菌体的杂交和选择 用两种不同的rII突变体感染同一细菌E.coli B，一旦 进入细胞，T4之间的DNA就发生(fshng)重组，从而产生重组类型的噬菌体。然后感

16、染E.coli K，野生型重组体的数目等于在K上的pfu/ml的数（Plague forming Unit） 优点：用rII系统和两个宿主，不需要筛选大量的噬菌斑就能选择到极少发生的重组体。共六十四页两个不同突变的噬菌体DNA重组的过程 用两个不同突变体的噬菌裂解液加到E.coli B株的肉汤培养液中，当二个突变类型的DNA感染同一细菌时可发生杂交。大多数复制的DNA是原来的类型，有时也能重组产生一种双重突变型和正常的重组体（即野生型）。杂交后代(hudi)植到E.coli B上后，都能良好生长，而植于E.coli K时，只有重组野生型才能生长，双突变体重组型不能生长。共六十四页Mix the

17、 two phagesCoinfect E.coli B AAr103r104Wild typeDouble mutant phageTake some of the phage preparation,dilute it(10-8), and infect E.coli BTake some of the phage preparation,dilute it(10-3 ), and infect E.coli KPlate the cells and observe the number of plaques.Total number of phagesWild type phages p

18、roduced by intragenic recombination两个(lin )不同突变的噬菌体DNA重组的过程共六十四页四基因内重组 Intragenic Recombination 将8个独立而来的rII突变体成对感染E.coli B。形成噬菌斑后再将其裂解液接种感染E.coli K，只有野生型重组体rII 才能生长，而双重组型（rIIrII）不能捡出，也不能生长。因此计算重组体的方法是以野生型的数2。公式(gngsh)如下：重组率= 2rII+ 噬菌体数 总 噬 菌 斑 数2在K上生长(shngzhng)的噬菌体数 在B上的噬菌斑数100%共六十四页 T4 rII位点基因(jyn)

19、内重组的选择。rII不能在K上生长，当二个带有rII不同等位基因(jyn)的T4感染同一B株后，其某些后代能在K上生长，即已成为rII，结果说明在一个基 因内发生了重组，而不是在基因间。 E.coli B rII rII ” 植于E.coli K上选择(xunz)共六十四页根据重组率所得基因图： rII1 rII7 rII4 rII5 rII2 rII8 rII3 rII6 _|_|_|_|_|_|_|_|_它们的图距就是rII+的重组率。rII基因内重组说明，基因是可以分割重组的，它由更小的单位组成，Benzer称其为重组子recon，重组可以发生在重组子之间，但不能发生在其内部。因此，重组

20、子(而不是基因)是重组的单位，基因是重组子完整的线性顺序(shnx)，一对核苷酸是重组的最小单位。共六十四页第四节 突变位点分析 基因内发生重组有助于构建详细的基因图，由各种等位基因突变体杂交发生基因重组的相对频率能揭示出基因内突变位点的顺序(shnx)和相对位置。一、缺失突变体（deletion mutants） 是由于DNA上消除了某个片段所引起的突变。在以缺失突变为背景的重组试验中，突变不可能恢复到野生型。因为和那个特定突变体相对应的野生型区段的DNA已不复存在。共六十四页 二、缺失作图 deletion mapping Benzer利用在rII区域中含有短的缺失的特殊突变(tbin)体

21、来定位其它新的突变(tbin)位点。 1原理：假定一个由12个突变位点组成的基因图： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 有一特殊突变体D1，当它分别与带有突变点1、2、3、4、5、6、7或8的突变体杂交时不能获得rII+重组体，那么D1就是缺失18位点的突变体： 9 10 11 12缺 失 区共六十四页 有另一突变体D2，当它与5、6、7、8、9、10、11或12突变位点的突变体杂交时不能获得rII+重组体。即D2就是缺失512的突变体 根据(gnj)重叠缺失区，可将基因分成三个区域 I II III D1 D2 1 2 3 4缺 失 区共六十四页 2如何定位新的突变(tb

22、in)位点？ （1）当与D1杂交能获得rII+重组体，与D2杂交却不能，该突变体的突变位点位于III区； （2）当与D2杂交时能够，但与D1杂交时不能获得rII+重组体，该突变位于I区； （3）与D1和D2杂交都不能得到rII+重组体，其突变位点位于II区。共六十四页 在III区里(q l)的一个突变体与D1杂交获得rII+的情形；I 和II缺失(qu sh)区I和II区D1新突变体+III区突变位点III区共六十四页 （4）缺失突变体之间也可以(ky)杂交从而象点突变那样定位，如果杂交得不到rII+重组体，那缺失区就是重叠的。例如有一缺失图： 12 3共六十四页 利用上述缺失图可将新的突变定

23、位。*思考：下图表示T4 rII A顺反子中4个缺失突变体的缺失图 1 2 3 4 现有在rII A中4个点突变体ad，分别试验它们与4种缺失突变体杂交(zjio)获得rII+的能力，结果如上表。 问：4种点突变的顺序怎样排列？ abcd 1+ 2+3+ 4+ 共六十四页思考题：有一组噬菌体缺失(qu sh)突变体（15），成对相互杂交得到下列结果（“+”表示能获得rII+重组体，“”表示不能）1 2 3 4 512345 + + + + + + + + + + 根据上述结果画出5个缺失突变体的缺失图。用线条表示(biosh)缺失区域。 共六十四页12345参考答案共六十四页 第五节 互补(h

24、 b) Complementation 基因(jyn)另一类功能的性质是互补作用共六十四页 一、二倍体的互补作用 （白）A A b b a a B B（白） AaBb（紫） AaBb个体能完成(wn chng)紫花色素所需的两步生化反应，因为二条染色体上各自能提供一个起作用的基因： 共六十四页 染色体1 A b 酶A (1)起始(q sh)物 (2)中间(zhngjin)物 (3)终产物紫花色素 染色体2 a B酶B染色体1能提供酶A，染色体2能提供酶B。这两个部分缺陷的染色体能相互补偿缺陷的部位，也就是说能互补。共六十四页二、噬菌体T4的互补作用 1当不能单独在K菌株上生长的两个rII突变体

25、混合感染时，它们能象野生型噬菌体那样在K株上生长，这样两种突变型称为互补的突变型，因为每一种能补偿另一种功能。使两者都能生长。（T4染色体在宿主(szh)细胞中暂时二倍化）共六十四页 2不同的rII突变体可以分成(fn chn)两类：即A组和B组。A组中的所有突变体能与B组中的所有突变体互补，而A组中的某一突变体不能与该组中的另一突变体互补，同样B组中的某一突变体也不能与该组中另一突变体互补。A组中的所有突变体能定位到rII区段的一边，B组中的所有突变体能定位到rII区段的另一边上 A组 B组A互补(h b)群B互补群共六十四页混合(hnh)感染rII突变体rII突变体 E .coli k()

26、互补作用 无互补作用细胞裂解(li ji)释放 细胞不裂解(li ji)无子出子代噬菌体 代噬菌体释放rII互补作用图解：两个不同的突变体rII和rII同时感染E.coli K，一般情况下，rII突变体不会裂解K产生子代噬菌体；然而当两个rII能互补时，就会裂解并有噬菌体生长，如果两个突变体不能互补，就不会裂解，也不会有噬菌体生长。共六十四页3rII突变体互补的解释： rIIA rIIB rII1 （1） （2） 裂解 有两个基因rIIA和rIIB在细菌裂解中起作用，裂解的两个步骤(bzhu)分别由rIIA基因产生的酶A和rIIB基因产生的酶B控制。两个rII突变体分别在rIIA或rIIB区域

27、缺陷 。 + rIIA rIIB + rII酶A酶B共六十四页由于rII1和rII2的染色体各自能产生裂解途径中所必需的一种(y zhn)酶,所以裂解就能发生,即有野生型表型出现，称这两个rII突变体能互补与二倍体植物细胞染色体互补作用相类似，T4噬菌体的混合感染使噬菌体染色体处于暂时的“二倍体”细胞状况，在这过程中发生了互补作用。共六十四页三、顺反子（Cistron）不能互补的突变必然影响的是同一功能单位，能够互补的突变必定影响不同的功能单位，通过(tnggu)顺反试验发现的遗传功能单位称为顺反子。rII区段中包括两个作用单位A和B。也就是两个顺反子。共六十四页顺反子的概念来自顺反试验：它是

28、用于说明在同一染色体上（顺式）或相对染色体上（反式）排列的突变位点之间的互补试验。顺式试验实际是对照，反式试验才是真正(zhnzhng)的互补试验。如果反式排列时有互补作用，说明两个突变位点处于不同的顺反子中，如不能互补，说明它们属于同一顺反子。共六十四页 顺式试验(shyn)反式试验(shyn)突变位点位于同一顺反子中突变位点于不同顺反子中A B A B A B A B+ + +一个顺反子是一段遗传区域，在这一遗传区域中的突变位点之间没有互补作用。例如两个不同的rII突变体（反式结构）感染同一细菌，而噬菌体不能生长，那么这两个突变位于同一顺反子中（右上）；如果有互补作用，即后代噬菌体能生长，那么这两个突变体位于不同的顺反子中（右下），在右上图中，只有顺反子B的功能正常，而在右下图中，A、B两个顺反子的功能都正常。共六十四页 顺反子（Cistro