第二章 基因概念的演变与发展ppt课件

1、2 基因的概念和演化2.1 基因概念的演化2.2 基因的分子构造2.3 核酸分子的空间构造2.4 基因概念的多样性.2.1 基因概念的演化2.1.1 早期的“基因概念2.1.2 经典基因概念2.1.3 DNA是主要的遗传物质.2.1.1 早期的“基因概念最早的关于遗传物质的解释 交融遗传实际Hippocrates，BC 5世纪： 父本精液与母本胚胎中的体液交融后，传送给后代并控制子代个体的性状表现。双亲体液中集中了来本身体各部分的控制生物遗传的要素。 AristotleBC 4世纪： 残疾人的后代不一定是残疾者。.获得性遗传实际Lamark 1809： 物种的构成是对环境的顺应过程，环境对形状

2、的改动一旦发生就可以获得并遗传给后代，使生物体逐渐转变为新种。这种观念否认遗传物质的存在。Darwin1866“泛生论假说： 生物体一切性状的表现受控于体内各部位的各种泛生粒。成为获得性遗传的实际支撑。泛生论.种质论Roux1883：经过察看细胞有丝分裂和减数分裂过程的察看，提出遗传单元直线陈列的染色体是遗传物质。Weismann1883切割老鼠尾巴实验，否认了“泛生论。Weismann提出“种质论1885： 多细胞生物的细胞可分为“体质和“种质。生物体的性状表现是由各组织、器官的体质细胞控制的，而体质细胞是由种质细胞产生的。 种质虽不直接控制性状的表达，但可衍繁本身，世代相继，种质是延续的。

3、 体质遭到环境条件的影响而发生改动能够会导致性状的变化，但不会改动体质的根本特征，也不会遗传给后代。.2.1.2 经典基因概念1865年，Mendel提出遗传因子假说，但是35年之后才得到学术界的注重，这也标志着遗传学的诞生。1910年，遗传学家Morgan提出连锁遗传规律，从而承继和开展了孟德尔的遗传学说。1926年，Morgan在里提出了“三位一体的基因概念Morgan的学生Sturtevant在后来的研讨修正了这个概念，他发现基因不是孤立地陈列在染色体上的遗传实体，基因的表达显然受染色体形状的影响。1955年，Benzer提出顺反子实际，从实际上修正了拟等位基因的概念，再次开展了经典的基

4、因概念。.每个性状由定位在染色体上的遗传因子控制，并提出了遗传因子的分别与自在组合的两大遗传规律。遗传因子假说Gregor Mendel1865年，Mendel将研讨成果公布，却没有得到研讨者的注重，但是，到了1900年，他的科学发现才被人们重新发现。遗传因子假说奠定了现代遗传学的重要根底。1909年，“Gene单词由Johannsen发明以表述Mendel的“遗传因子。.经过果蝇眼色突变性状的遗传实验发现了伴性遗传景象，他和他的同事们进一步经过大量的果蝇杂交实验又发现了遗传学的第三个根本规律-连锁遗传规律：基因是以线性方式陈列在染色体上，在染色体上占有一定位置；基因的传送同基因所在染色体的传

5、送是连锁的。Morgan中经典基因概念：即基因是孤立地陈列在染色体上的实体不再是代表某种性状的笼统符号A，a，B，b，是具有特定功能，能独立发生突变和遗传交换的、“三位一体的、最小的遗传单位。.Sturtevant对基因概念的修正基因的剂量及位置效应和表观遗传学景象epigenetics：基因不是一个孤立地排在染色体上的遗传实体基因的表达不仅有计量效应，也有位置效应基因的表达受染色体形状的影响。.等位基因复等位基因multiple alleles：当野生型A基因向不同方向发生突变构成不同形状的等位基因a1,a2,a3，总称为复等位基因。等位基因allele：指的是野生型基因A发生突变后构成的突

6、变基因a，它与野生型基因位于同源染色体的同一基因座位上。.拟等位基因拟等位基因：严密连锁、控制同一性状的非等位基因a1a1a2a2a1a2a1a2P配子F1传统基因概念1、突变体白眼果蝇w-w-与突变体杏仁色果蝇wawa杂交的F1代中，出现了1/1000高概率的红眼野生型个体2、不同糯玉米品系wxwx间杂交F1代花粉中发现了较高频率的非糯花粉粒Wx，这种频率是恒定的。.Benzer对基因概念的修正T4噬菌体RII突变使其不能侵染E. coli K12菌株，并且在侵染E. coli B菌株之后产生边缘明晰、圆形的大噬菌斑。数百个突变体两两组合，侵染B菌株，然后采用影印法转移到K12培育皿中。利用

7、统计学分析并绘制遗传连锁图。遗传重组实验.在具有功能互补效应的检验体系中，两突变位点是处于不同的非等位基因中。反之，那么处于同一等位基因中。互补检验利用杂合二倍体菌株野生型基因对突变型等位基因可以发生功能的互补特点，将带有不同突变位点的两个噬菌体同时感染K12菌株，构成双突变杂合二倍体，组成互补检验体系，以测定个突变位点所在的基因的等位性。.顺反子实际基因也即顺反子是染色体上的一个区段，在一个顺反子内有假设干个交换单位，最小的交换单位称为交换子recon。在一个顺反子中，有假设干个突变单位，最小的突变单位被称为突变子muton。在一个顺反子的构造区域内，假设发生突变就会导致功能的丧失，所以顺反

8、子cistron即基因只是一个具有特定功能的、完好的、不可分割的最小的遗传单位。经过互补检验分析rII构造rII4710410110310510651102A基因B基因顺反子实际.顺式测验反式测验突变在同一顺反子内突变在不同顺反子内当顺式有功能，而反式没有功能时,突变位点突变位点在同一顺反子内；当顺式有功能,而反式也有功能时，突变位点突变位点在不同顺反子内。rII4710410110310510651102A基因B基因.顺反子实际的意义将 “三位一体的经典基因概念修正为“一位一体的基因概念。动摇或否认了“拟等位基因的概念：拟等位是基因内部同位点的突变体，是复等位基因的不同成员。全同等位基因ho

9、moallele：在同一基因座位locus中，同一突变位点site向不同方向发生突变所构成的等位基因。非全同等位基因hetroallele：在同一基因座位中，不同突变位点发生突变所构成的等位基因。.2.1.3 DNA是主要的遗传物质1928-1944年, Avery肺炎双球菌遗传转化研讨，证明了DNA是主要的遗传物质。1950年，Chargaff发现了DNA组成的A=T，G=C，A+G/T+C=1的当量规律。1952年，Hershey和Chase进展T2噬菌体的侵染实验，直接证明了DNA是主要的遗传物质。1952年，Wilkins完成高质量的DNA纤维X射线衍射照片。1957年，Watson和

10、Crick提出了著名的DNA双螺旋构造的模型。.DNA携带遗传信息的方式1、以中心法那么为根底的构造基因遗传信息。 这种信息是经过转录RNA，翻译蛋白质而表达的以三联体密码子的方式编码，储存在非模板链有义链的一级构造上，并具有兼并性。2、 调控基因选择性表达的遗传信息。 这种信息是一具有特定三维构造的调理蛋白反式作用因子与特定核苷酸序列的DNA区段顺式作用因子相结合，从而启动某构造基因特异性表达的方式而表达的，也具有遗传的兼并性。.DNA作为遗传信息的优点信息量大,分子量大: 1Kb DNA有41000种遗传信息稳定的双螺旋构造: 自我复制，利于突变，方便修复2脱氧: 稳定性好比RNA稳定有T

11、,无U：消除C突变为U带来进化中的负担和潜在危险.RNA也可以作为遗传物质1956年，Gierer和Schraman分别了烟草花叶病毒TMV的蛋白质和RNA，并且用RNA接种烟草，产生典型的TMV侵染病斑，而蛋白质不具备这种才干。RNARNA蛋白质蛋白质1957年，Fraenkel-Conrat和Singre进展了TMV重建实验.蛋白质可以作为遗传物质吗？朊病毒Prion引起羊疫病、人Kuru病和牛海绵状脑炎疯牛病。Prusiner的出色研讨：朊病毒的繁衍是将本身PrPCS的分子构造信息经过与正常膜蛋白PrPC的结合，在分子伴侣的辅助下，传送给PrPC并将其转化为PrPCS的过程。.2.2 基

12、因的分子构造2.2.1 DNA和RNA分子的差别2.2.2 DNA的双螺旋构造模型2.2.3 DNA的变性与复性.核酸和脱氧核酸的分子组成.2.2.1 DNA和RNA分子的差别RNA核苷中的核糖为2非脱氧的OH基。RNA分子的碱基中没有T除tRNA中分子的TC环外，只需U。RNA分子多为单链分子。RNA分子的化学稳定性较差，易发生降解。在以DNA为主要的遗传物质的生物中，DNA分子链长，数目少，而RNA分子链短，数目多。.2.2.2 DNA的双螺旋构造模型Watson和Crick：DNA分子是由两条反向平行的多聚核苷酸链组成的，连酸骨架主链位于螺旋的外缘，A/T，G/C以氢键方式衔接构成的碱基

13、对堆积在螺旋内部，向右盘旋的B-双螺旋棒状实体。.双螺旋的骨架脱氧核苷酸之间经过3，5磷酸二酯键将脱氧核糖5位和3位衔接，构成螺旋体骨架。.碱基对和氢键A/T，G/C配对，碱基对之间以N-H-N和N-H-O的供体-氢原子-受体方式构成氢键互补配对。Waston键：A/T之间以二氢键配对，G/C之间以三氢键配对。.B-DNA螺旋直径：2.0nm螺距：3.4nm，包含10个碱基对，0.34nm/碱基对，相对于螺旋纵轴上升或下降了36度。小沟：小于180度大沟：大于180度 碱基顶部的极性基团裸露在大沟内，存在较多可以与蛋白质因子构成特异结合的氢键和供体与受体，加之大沟的空间大，可以提供蛋白质因子沿

14、大沟与DNA构成专注性结合的概率与多样性远高于小沟，因此大沟往往是基因表达调控的重要位点。.影响双螺旋构造稳定性的要素磷酸酯键：强作用力80-90kcal/mol，是衔接核苷酸构成DNA双螺旋骨架的重要作用力。也是促使DNA趋于稳定的主要要素。氢键：本质上是一种静电力，是作用力仅有4-6kcal/mol的次级弱键，加热即可使DNA双链解链。但是由于DNA分子是成千上万对碱基对堆积的实体，许多弱氢键按一定的方向，成线性的延续陈列和堆积构成的集合能是非常大的，成为促使DNA趋于稳定的主要要素。细胞内生理条件：0.2 mol/L Na盐。Na+围绕DNA有效的屏蔽带较强负电荷的两条核苷酸链上磷酸基团

15、之间的静电斥力。碱基堆积力：在同一条核苷酸链中，相邻碱基间的疏水作用力和范德华作用力，也称为非特异性结合力。碱基对之间的挤压、抵御可以使DNA分子的内能添加，碱基间有序陈列的形状破坏，氢键作用力被减弱，会导致DNA双螺旋构造的不稳定。.2.2.3 DNA的变性与复性变性条件：加热、极端溶剂、尿素、酰胺等有机试剂处置。氢键和碱基堆积力遭到破坏，双链解链。变性和复性是可逆过程。.使DNA变性的方法加温变性：方便广泛，但是高温容易引起磷酸二酯键的断裂。极端酸碱变性法：pH11.3强碱变性，使DNA的氢键全部解除，完全变性为单链DNA。变性剂处置法：尿素、甲酰胺等。.DNA变性发生的检测方法光吸收法：

16、碱基的嘌呤环和嘧啶环对260nm的紫外线具有剧烈的吸收特征值。50ug/mL双链DNA、单链DNA和游离脱氧核苷酸的溶液A260分别为1.00、1.37、1.60。DNA增色效应：在进展DNA热变性研讨时，随温度升高单链形状的DNA分子不断添加而表现出的A260值递增的效应。或者称为减色效应。1：双链DNA；2：变性DNA；3：核苷酸的紫外吸收.DNA分子热变性动态过程：变性S形曲线。Tm值：增色效应到达最大值一半的温度定义为该DNA分子的变性温度或Tm值melting temperatureTm值的定义.影响Tm值的要素DNA分子的碱基组成DNA分子的碱基陈列盐浓度DNA片段大小变性剂pHM

17、armur-Doty公式：Tm=69.3+0.41(G+C)%(G+C)%=(Tm-69.3)2.44限定条件： 30-70%G+C含量 1倍SSC缓冲液 在A、T、G、C随机分布的情况下，G+C含量愈高的DNA分子，Tm值越大。A/T集中区域，可构成变性的腾跃景象，变性速度较快，Tm值较小不同碱基陈列的DNA分子之间，碱基堆积力与Tm值之间存在明显的正相关关系当Na+浓度低屏蔽作用小斥力加强Tm 当Na+浓度高 屏蔽作用大斥力减弱熵值(S)上升碱基溶解性降低疏水作用力添加Tm 大片段DNA分子之间，片段长短对Tm值得影响较小；而短于100个碱基的DNA分子之间，片段较短的Tm值较小变性剂尿素

18、、酰胺会与DNA分子中的碱基构成新的氢键，改动原有的A/T，G/C的配对关系，导致Tm值降低。pH在5-9范围内，Tm值变化不大；pH5，DNA分子易发生脱嘌呤，在2-3范围内，碱基发生质子化NH2 NH3+； pH=12，碱基中的酮基转变为烯醇基，减弱氢键，引起Tm值降低。.DNA分子的复性renaturationDNA水溶液加热变性时，双螺旋两条链分开；假设缓慢冷却至低于Tm值25度条件下并维持较长一段时间，两条链可以完全重新结合成各原来一样的双股螺旋过程。复性是变性的逆转。但需求一定的条件，要在一定的盐浓度下缓慢降温。单链 DNA双链 DNADenaturationRenaturatio

19、n复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞. 影响DNA复性过程的要素 阳离子浓度 0.18 0.2M Na+ 可消除多聚核苷酸 间的静电斥力 复性反响的温度 Tm - 25 (60-65) 以消除单链 DNA S.S. DNA分子内的部分二级构造 单链DNA的初始浓度 C0 S.S. DNA分子的长度S.S. DNA愈长S.S. DNA愈短 分子分散愈慢 复性愈慢 分子分散愈快 复性愈快 DNA 分子中,核苷酸的陈列情况 (随机陈列, 反复陈列) .2.3 核酸分子的空间构造 主要内容： 2.3.1 DNA的一级构造 2.3.2 DNA的二级构造 2.3.3 DNA的三级构造.2.3.1 DNA的

20、一级构造DNA的一级构造是指由数量很多的A、T、G、C 4种根本核苷酸，经过3、5 磷酸二酯键衔接的直线或者环形分子。.DNA一级构造的主要研讨内容DNA的一级构造是由核苷酸的序列表达的，它编码了构造基因的遗传信息。特定调控区域的分布、组成也是一级构造研讨的重要领域。.DNA序列测序 1975年 Sanger发明核苷酸序列分析的“加减法引物延伸法奠定了测序的技术根底双脱氧末端终止法.测序技术的开展第一代测序技术：末端终止法。第二代测序技术：焦磷酸法。 Roche/454 Genome Sequencer Illumina-solexa ABI-SOLiD Dover/Harvard-Polon

21、ator第三代测序技术：基于纳米孔的测序技术。.一、二代测序技术比较.2.3.2 DNA的二级构造DNA二级构造是指两条多核苷酸链反向平行环绕所生成的双螺旋构造。通常情况下，DNA的二级构造分两大类：右手螺旋：B-DNA；A-DNA。左手螺旋：Z-DNA.1B-DNA分子及其不同形状Wilkins和Franklin制备高明晰的小牛胸腺DNA纤维的X射线衍射图。Watson和Crick 提示了DNA二级构造：右旋B-DNA双螺旋构造模型。.二级构造的不同形状常见形状：线型L型，环型C型。特殊形状：分支型B型，叉型Y型，置换型D型，发夹型H型，扭结型K型，环突型R型，三股螺旋，四股螺旋。.2A-D

22、NA分子当DNA钠盐纤维在相对湿度为92%时，所处的形状为B-DNA。当DNA钠盐纤维相对湿度为75%时所处的形状就叫A-DNA。A-DNA所构成的右手螺旋比B-DNA较大且较平，每旋转一圈的螺距为2.8nm，每圈包含11个碱基对，直径为2.55nm，每对碱基转角为33，碱基平面与轴夹角为20，这样使A-DNA的大沟窄而极深，而小沟浅.3左旋Z-DNA分子1978年Alecxander Rich对人工合成poly(dG-dC)6核苷酸结晶进展了X射线衍射分析，发现其呈现左旋Z型双螺旋构造。主要特征：12碱基/螺旋，螺距4.46nm，直径1.8nm；脱氧嘧啶核苷取反式构象，脱氧嘌呤核苷取顺式构象

23、。.DNA分子构型的比较.B-DNA与Z-DNA的动态转变Poly(dG.Br-dC)：dG的 C8 被Br取代。Poly(dG-dm5C)：dC第五位发生甲基化。Poly(dG.Br-dC)Poly(dG-dm5C)Poly(dG-dC)Z-DNAZ-DNAZ-DNAZ-DNAZ-DNAZ-DNANaCl浓度0.2 Mol/L 1.5 Mol/L 4 Mol/LB-DNAB-DNAB-DNA.生理条件下B-DNA和Z-DNA的转变Z-DNA在较低生理盐浓度条件下，Z-DNA的两条核苷酸链相距较近，链上磷酸基团间静电斥力没有得到完全屏蔽，导致其稳定性较差。但是Z-DNA与较多带正电荷蛋白质结合

24、并在被结合的部分DNA区域引入较高的离子强度，细胞内丰富的dm5C，细胞内的Br原子和DNA分子的超螺旋构造等促进Z-DNA构成和稳定。在基因表达调控区内构成Z-DNA的序列，可经过与特异蛋白结合，发生甲基化修饰或构成超螺旋构造方式直接参与基因表达的调控。.2.4 基因概念的多样性 主要内容： 2.4.1 生物进化的C 值矛盾 2.4.2 重叠基因 2.4.3 反复基因 2.4.4 间隔基因 2.4.5 腾跃基因或转座子 2.4.6 假基因.2.4.1 生物进化的C值矛盾大C值：某生物单倍体基因组DNA的核苷酸数。小c值：受中心法那么限定，编码构造基因DNA的核苷酸数。.C值矛盾A 生物体进化

25、程度高低 与大C值不成明显正相关 B 亲缘关系相近的生 物大C值相差较大 C 一种生物内大C值与 小c值相差极大 Euk. 人体 c = C/10 ( Prok. x174 c C ) .2.4.2 重叠基因基因重叠：不同的基因功能共用一段一样的DNA序列。1977年，Sanger对X174基因组序列和基因产物分析，发现了基因内基因景象，即基因重叠。. 400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA UGA, UAG 易被漏读， 错读 UAA 能严厉终止 14Kd CP 97%38Kd IP 3% Q RNA virus (1973. A. Weiner ) RNA.X174的B基因和K基因重

26、叠在A*基因内。它们以不同的读码框架进展识读和翻译。.-AUG-TCAUGCCCAA-AUGAGGC-Vp2 Start(SV40病毒) Vp1 StartVp3 StartSV40Vp1 Vp2 Vp3 选择不同的起始密码.重叠基因的类型反向重叠基因：编码在同一DNA区段不同极性单链上的重叠基因。同向重叠基因：编码在同一DNA区段同一极性单链上的重叠基因。.重叠基因的生物学意义a) 原核生物进化的经济原那么 (较小的C值编码较多的基因信息) b) 提高蛋白质疏水性, 以加强生物体自然选择的顺应性 密码子进化实际以为; NYR多为Hydrophobic amino acid, 改动蛋白质性能

27、原始密码子多为 RNYRNYRNY RNYRNYRNY +1移码, 进化 (N A/G U/C) (N Y R ).2.4.3 反复基因按照C0t1/2值的大小，反复拷贝数的多少将反复序列分为：1中度反复序列2高度反复序列.1中度反复序列100-1000 bp / copy10-104 copies / genomeC0t(1/2) 为 0.001 - 0.1rDNA tDNA组蛋白基因真核生物主体rDNA.特点拷贝反复，多量序列多为类似陈列成束成串串联基因功能完全一样具有进化的整体性，累积突变.2高度反复序列微卫星DNAMicrosatellite DNA2-10 bp / copy105-

28、106 copies / genomeC0t(1/2) 0.001 多为串联反复陈列分布于着丝点, 端粒区, 构造基因两侧.104 bp 片段CsCl 密度梯度离心原核生物真核生物(GC%)42413455小鼠 小牛Sequence in satellite DNA海蟹2ATATAT.果蝇5ATAATATAAT.小鼠9GAAAAATGAGAAAAATGAbp of repeat unit sequence .反复序列构成的假说滚环扩增-突变腾跃复制不对称交换.2.4.4 间隔基因人呼吸道病毒腺病毒2 Hexon cp基因mRNA和DNA杂交.鸡卵清蛋白基因DNA与mRNA分子杂交.间隔基因：真

29、核生物的构造基因是由假设干外显子和内含子序列相间隔陈列组成。外显子：DNA上与成熟mRNA对应的核苷酸区段，或构造基因在DNA中的氨基酸编码区，或间隔基因中的非间隔区。内含子：指构造基因中可转录但是在mRNA成熟前又被剪切的核苷酸区域，即DNA与成熟mRNA中的非对应区段，或构造基因在DNA中的氨基酸非编码区，或间隔基因中的间隔区。概念.核内不均一RNA.间隔基因的普遍性不仅绝大多数构造基因是间隔基因，rDNA和tDNA也是间隔基因。间隔基因是真核生物的主要构造方式，但是原核生物中也存在间隔基因。某些低等真核生物的线粒体以及叶绿体中也发现了间隔基因。.外显子和内含子的共同性质间隔基因的外显子在基因中的陈列顺序和它在成熟mRNA产物中的陈列顺序是一样的。某种间隔基因在一切组织中都具有一样的内含子成分。核基因的内含子通常在一切的可读框中都含有，普通没有编码功能。大多数内含子上发生的突变不影响蛋白质的构造。.间隔基因概念的相对性内含子并非都不编码蛋白质 酵