11第十一章遗传的分子基础课件

1、11第十一章遗传的分子基础11第十一章遗传的分子基础一、 DNA是遗传物质的间接证据二、 DNA是遗传物质的直接证据(一)、细菌转化试验(二)、噬菌体侵染实验(三)、烟草花叶病毒感染实验第1节 核酸是遗传物质一、 DNA是遗传物质的间接证据第1节 核酸是遗传物质 DNA存在的普遍性； DNA含量的恒定性； DNA代谢的稳定性；基因突变与紫外线诱变波长（260nm）的关系。一、 DNA是遗传物质的间接证据 DNA存在的普遍性；一、 DNA是遗传物质的间接证据(一)、 细菌转化试验肺炎双球菌的两种类型 光滑型（S型）：SI、SII、SIII 有毒性，有荚膜，光滑的菌落； 粗糙型（R型）：RI、RI

2、I、RIII 无毒性，无荚膜，粗糙菌落。由于菌株间含有不同的多糖和蛋白质，感染生物以后诱导生成的抗体不同，区分为SI、SII、SIII 等；R型由S型突变而来，相应为RI、RII、RIII 等。 二 DNA是遗传物质的直接证据(一)、 细菌转化试验二 DNA是遗传物质的直接证据 1944年，Avery重复了上述实验，并把SIII型的DNA、Pr，夹膜提取物分别加入RII型培养基，结果只有DNA使少量RII型转化为SIII型，并能稳定遗传下去。证明：DNA是遗传物质。1928年Griffith肺炎双球菌转化实验如下： 1944年，Avery重复了上述实验，并把SIII型的D （二）噬菌体侵染大肠

3、杆菌实验 1952年，Hershey等用放射性同位素标记： 32P标记T2噬菌体的 DNA（DNA中无S）, 35S标记T2噬菌体的 Pr（Pr中无P） （二）噬菌体侵染大肠杆菌实验 195证明：T2噬菌体的遗传物质是DNA证明：（三） 烟草花叶病毒（TMV）感染实验 Frankel-Conrat, Singer (1956) 试验（三） 烟草花叶病毒（TMV）感染实验（三） 烟草花叶病毒（TMV）感染实验 蛋白质 RNA分别接种烟草叶片发病，形成花叶不发病，叶片正常不发病，叶片正常用RNA酶处理的RNA接种叶片TMV结论：在不含DNA的TMV 中，遗传物质是RNA（三） 烟草花叶病毒（TMV

4、）感染实验 蛋第2节 基因的概念基因是一个特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。第2节 基因的概念（一）“遗传因子”： 孟德尔把控制生物性状的因子称为“遗传因子” 。（二）染色体是基因的载体： 摩尔根实验证明基因位于染色体上，并呈直线排列，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。 并由此提出：基因既是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的“三位一体”概念。经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。一、基因概念的发展（一）“遗传因子”：一、基因概念的发展（三）DNA是遗传物质： 1928年Griffith首先发现了肺炎

5、球菌的转化，证实DNA是遗传物质而非蛋白质；Avery用生物化学的方法证明转化因子是DNA而不是其他物质。（四）基因是有功能的DNA片段：20世纪40年代Beadle和Tatum提出一个基因一个酶的假说，沟通了蛋白质合成与基因功能的研究1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA的复制方式。1957年Crick提出中心法则，61年提出三联体遗传密码，从而将DNA分子结构与生物体结合起来。（三）DNA是遗传物质：1957年Benzer用大肠杆菌T4噬菌体为材料，分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistor)的概念，证明基因是DNA分子上一个特定的区段，是一个功

6、能单位，包括许多突变位点（突变子），突变位点之间可以发生重组（重组子）理论上，一个基因有多少对核苷酸对就有多少突变子和的重组子，实际上，突变子数少于核苷酸对数，重组子数小于突变子数。11第十一章遗传的分子基础总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序 顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。 近代基因的概念： 基因是一段有功能的DNA序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。 11第十一章遗传的分子基础遗传上的突变单位和重组单位是突变子（muton)和重组子(roecon)。突变子是基因内改变后可以产生突变表型的最小单位。

7、它只相当与一个核苷酸对，不能将其定义为一个基因。重组子是性状重组时，可交换的最小单位。基因内不能有重组分开的遗传单位，也不能将其定义为一个基因。所以：基因可分，可分为很多突变子和重组子。遗传上的突变单位和重组单位是突变子（muton)和重组子(r思考：现代遗传学与经典遗传学基因概念的不同？思考：现代遗传学与经典遗传学基因概念的不同？二、基因的类别及其相互关系 根据基因的功能和性质，可将其分为以下几类： 结构基因（structural gene)和调节基因(regulatory gene): 既可转录又可翻译。 核糖体RNA基因（rRNA基因简称rDNA）和转移RNA基因（tRNA基因简称tDN

8、A ）： 只可转录不可翻译。前者专门转录rRNA， rRNA与相应蛋白质结合形成核糖体；后者专门转录tRNA， tRNA作用是激活氨基酸。 启动子（promotor0和操纵基因(operator): 既无转录功能又无翻译功能，确切说，它们不能称为基因。二、基因的类别及其相互关系 根据基因的功能和性质，可将其分为11第十一章遗传的分子基础其他类型重叠基因：隔裂基因：跳跃基因：假基因：其他类型三、基因与DNA一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？ 要看这

9、个特定的核苷酸序列是否与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段DNA的核苷酸序列和相应产物的序列。三、基因与DNA一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但第3节 基因顺反测验 两个突变分别在两条染色体上，称为反式（trans)，表现为突变型；两个突变同时排在一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均正常，称为顺式（cis)，顺式排列为野生型。由于排列方式不同而表型不同的现象称为顺反位置效应（cis-trans position effect ) 。假如两个独立起源的隐性突变，有类似表型，如何判断它们属于同一个基因的突变，还是属于两个基因的突变？

10、第3节 基因顺反测验 两个突变分别在两条染色一、互补测验的原理和方法 互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子） 一、互补测验的原理和方法 互补试验的原理 表型 有无功能互补 结论 反式: A+ B A B+ 反式: A+ B A B+ 突变型 属同一顺反子野生型 属不同顺反子 互补试验的原理 突变型 互补实验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证明这两个突变型分别属于不同基因；如不能表现出互补，则证明这两个突变型在同一基因内。对于不同基因间的突变型在互补测验中，不论是顺式还是反式排列均表现出互补效应；但若属于同一

11、基因的不同位点的突变，则顺式结构表现互补，反式结构则不能互补。说明基因是一个独立的功能单位。互补实验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证明这两个突变型顺反子：不同突变之间没有互补的功能区，一个顺反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个基因位点，是遗传上的一个作用（功能）单位，但不是一个突变单位或重组单位。 顺反试验：指将两个拟突变分别处于顺式和反式，根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验。顺反子：不同突变之间没有互补的功能区，一个顺反子就是一个基因判断两突变是否处于同一顺反子的方法: 顺式 反式 分析结论：两突变 + +/- - + -/- + 表现型 野生型 野生型 属于两个顺反子

12、 表现型 野生型 突变型 属于同一顺反子判断两突变是否处于同一顺反子的方法:第4节 基因突变的分子基础一、自发突变二、人工诱变三、诱变与肿瘤四、定点诱变第4节 基因突变的分子基础一、自发突变细胞水平上，基因相当于染色体上的一点，称为位点；分子水平上，一个位点还可以分成许多基本单位，称为座位。基因突变的分子机制：突变是基因内不同座位的改变。由突变子引起的基因突变才是真正意义上的点突变。细胞水平上，基因相当于染色体上的一点，称为位点；一、自发突变(spontaneous mutation)自发突变是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。发生原因：自发突变可能是由于DNA复制错误、碱基的异构互变

13、效应、自发的化学变化和转座因子等多种原因引起的。一、自发突变(spontaneous mutation) 由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变异构体（tautomer），当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位（tautomeric shift）。 在DNA复制过程中，可能产生碱基的错配，带有错配碱基的DNA在下一次复制时，则会引起碱基的替代，从而引起DNA分子的错误。（一）DNA复制错误 由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为DNA复制错误示意图DNA复制错误示意图 1、 碱基替换的两种方式碱基的互变异构可

14、以在DNA复制过程中自发发生。它导致的碱基替代如果是发生在同类碱基之间，即一种嘌呤被另一种嘌呤替代，或一种嘧啶被另一种嘧啶替代，这称为转换（transition）；若碱基的替代发生在异类碱基之间，即一种嘌呤被一种嘧啶替代，或反之，则称为颠换（transversion）。 1、 碱基替换的两种方式 2、碱基替换的遗传效应 () 同义突变（samesense mutation）不改变氨基酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关. 如GAU/GAC-天冬氨酸Asp. () 错义突变（missense mutation） 碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变. () 无义突变（nonsense mutati

15、on）编码区的单碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻译提前终止, 形成不完全的肽链. 2、碱基替换的遗传效应移码突变：在基因外显子中插入或缺失1, 2或4个核苷酸,阅读信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不同。 DNA复制时有时新合成链或模板链发生错误环出或跳格（slippage），导致移码突变（frameshift mutation）、缺失或重复。eg. E.coli中乳糖发酵的调节基因(lac): 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变 : 5-GTCTGGCTG

16、GC-33、移码突变与产生移码突变：在基因外显子中插入或缺失1, 2或4个核苷酸,阅11第十一章遗传的分子基础 4、突变热点 基因中某些位点比其它位点突变率高，称突变热点。 Eg：分析T4-Phage r 基因1500个突变体： r A (1800bp)有200个位点； r B (850bp)有108个位点 。 （二） 、自发的化学突变1、碱基的脱嘌呤（depurination）脱嘌呤是自发化学变化中最常见的一种，它是由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂，从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来。研究发现，在37条件下培养一个哺乳动物细胞20小时，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地

17、脱落。如果这种损伤得不到修复，就会引起很大的遗传损伤，因为在DNA复制过程中，无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补，而可能随机地选择一个碱基插进去，结果导致突变。（二） 、自发的化学突变1、碱基的脱嘌呤（depurina2、脱氨基（deamination）脱氨基作用是指在一个碱基上去掉氨基，常见的是胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（5mC），它们脱氨基后分别变成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），从而使DNA分子受到损伤。由于在DNA中U不是一个正常碱基，因此如果它不被除去修复，在DNA复制中它将与腺嘌呤（A）配对，导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对。脱氨基造成的碱基转换2、脱氨基（deamination

18、）脱氨基造成的碱基转换3、转座子（transposon）在生物基因组内存在的可移动DNA序列-转座因子或插入序列（insertion sequence），通过在基因组内的移动也经常引起基因功能的失活或改变。3、转座子（transposon） 转座子或插入序列引起基因突变的机制 转座子或插入序列引起基因突变的机制 现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起的。现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类二、人工诱变（induced mutaion） 诱变机制 碱基类似物 eg. 5-BU 和5-BrdU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物，酮

19、式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。另有2-氨基嘌呤(2-AP, A类似物)、5- 氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶等。 特异性错配 eg.烷化剂: 甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍( NG)、芥子气等。通过改变碱基结构使碱基错配。 如：G-C; 当G烷基化后可与T配对，导致碱基转换。烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断裂或其他突变 二、人工诱变（induced mutaion） 诱变机制 嵌合剂的致突作用 eg. .吖啶类染料: 吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。 辐射诱导效应 (1)紫外线UV:形成嘧啶二聚体，如T二聚体，同一条单链内，影响复制时与A的配对，中止复制；双链之

20、间，影响双链变性，并影响复制。 (2)电离辐射：如X-ray、可引起碱基的降解或脱落，A变成H;C变成T，出现转换。黄曲霉的作用 ：使鸟嘌呤G脱落，SOS修复引入A, 造成突变。 嵌合剂的致突作用 三、诱变与肿瘤 肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突变会致癌。一些诱变剂可以特异性诱导抑癌基因突变，导致肿瘤发生。 eg. 黄曲霉素可诱导基因G T颠换，导致肝癌的发生；UV可诱导基因5 -TC-3发生C T颠换，形成“T二聚体”，导致人类鳞状细胞皮肤癌的发生。三、诱变与肿瘤 四、定点诱变 定义：利用人工合成的寡核苷酸，在离体的条件下，制造基因中任何部位的位点特异性突变的技术

21、。 四、定点诱变第5节基因突变的修复机制一、DNA的防护机制密码简并性 CUAUUA,亮氨酸回复突变 某个座位遗传密码的回复突变可使突变型恢复成原来的野生型，尽管回复突变的频率比正突变频率低得多。抑制 有基因间抑制和基因内抑制。前者指控制翻译机制的抑制者基因，通常是tRNA基因发生突变，而使原来的无义突变、误义突变或移码突变恢复成野生型。后者指突变基因另一座位上的突变掩盖了原来座位的突变(但未恢复原来的密码顺序)，使突变型恢复成野生型。第5节基因突变的修复机制一、DNA的防护机制致死和选择 如果防护机制未起作用，一个突变可能致死；二倍体和多倍体 高等生物的多倍体具有几套染色体组，每个基因都有几

22、份，故能比二倍体和低等生物表现强烈的保护作用。致死和选择 二、DNA修复（一） 光复活(photoreactivation) 1. 概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。 2. 条件：可见光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚体 二、DNA修复3. 光修复过程： 光复活酶与T=T结合形成复合物; 复合物吸收可见光，切断T=T之间的C-C共价键,使二聚体变成单体; 光复酶从DNA链解离. 光复活是原核生物中的一种主要修复形式。3. 光修复过程：（二） 切除修复1.概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要条件。2.特点：1)消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤。 2)切除的片段可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁修复。（二） 切除修复1.概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损3.切除修复过程： 内切酶的作用在DNA损伤的一端,切开形成一个切口; 外切酶的作用将损伤部位切除; 聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口; 连接酶的作用将DNA连接形成完整的DNA链。3.切除修复过程：4.特异性切除修复不明显的损伤需要特异性修复。 (1)糖基化酶修复：如