基因的分子基础和基因调控

基因的分子基础和基因调控第1页/共22页二、基本概念

1、遗传信息：核酸（nucleicacid）（DNA，RNA，主要指DNA）分子中核苷酸（nucleotide）序列所表达的信息。

2、遗传密码（geneticcode）：DNA上对应于氨基酸的核苷酸顺序。每个氨基酸是由连续三个核苷酸决定的，所以也叫三联体密码。

3、转录（transcription）：以DNA为模板合成mRNA的过程。即遗传信息从DNA转到RNA分子上。

4、密码子（codon）：mRNA上决定一个特定氨基酸的三个连续核苷酸，叫一个密码子。如CAU是组氨酸的密码子，CGU是精氨酸的密码子。CGUCGCCGACGGCAUCAC

5、简并（degeneracy）：大多数氨基酸可以由两个或两个以上的密码子所编码。如：组氨酸（CAU、CAC）、精氨酸（CGU、CGC、CGA、CGG）这有利于性状和物种的稳定。

6、翻译（translation）：以mRNA为模扳合成多肽的过程。

第2页/共22页7、中心法则（centraldogma）：1957年Crick把遗传信息的流向概括为中心法则：

复制DNA

转录

离体实验条件下

反转录

结构蛋白质：作为细胞的组成部分

RNA蛋白质功能蛋白质：如血红蛋白

复制

翻译

酶：

遗传信息从DNA—→mRNA—→

蛋白质的转录和翻译的过程以及遗传信息从DNA—→DNA的复制过程，称为中心法则，这个中心法则从噬着体到真核生物的整个生物界都是通用的，具有普遍意义（粗线）。进一步的研究发现，某些RNA病毒可以进行反转录（RNA—→DNA），还可以进行RNA的复制（1970年Howard和Temin在研究鸡病毒中提出了复制和反转录的细线顺序补充了中心法则）；后来又发现，在离体条件下DNA还可以指导蛋白质的合成，丰富了中心法则的内容。

第3页/共22页第二节

基因的结构、作用与调控

一、基因的结构二、基因的作用与性状的表达

三、基因调控

第4页/共22页一、基因的结构1、基因的等位性测定（互补测验）假定有两个独立起源的隐性突变基因（a1，a2），它们具有类似的表现型，如何判断它们是否属于同一个基因的突变。（1）如果是非等位基因

a1突变型×

a2突变型

（2）如果是等位基因a1突变型×

a2突变型

a1+a1++a2+a2a1++a2野生型a1a1a2a2a1

a2突变型第5页/共22页

反式排列：反式排列时，如杂交后代表现野生型，说明a1a2

是非等位基因；如杂交后代表现突变型，说明a1a2是等位基因。顺式排列：顺式排列时，不管是等位基因，还是非等位基因，其表现型永远是野生型，对等位性的测定没有什么意义。

互补测验（complementarytest）也叫顺反测验（cis-transtest），在顺反测验里，实际上是反式测验，本泽尔（Benzer,S.）提出了顺反子这个名词，用来表示功能的最小单位。在同一个顺反子内，反式排列，因不能互补，表现为突变型；如能互补，表现野生型，则属不同的顺反子即非等位gene。从意义上讲，顺反子相当于经典遗传学中的基因。a1++a2a1a2++第6页/共22页2、基因的微细结构

1957年本泽尔（BenzerS.）对T4噬菌体（烈性噬菌体）rⅡ区基因的微细结构进行了详细研究。在噬菌体染色体上三个不同部位有三个不同的r突变型；rⅠ、rⅡ、rⅢ（r表示被感染的宿主菌快速裂解，形成的噬菌斑大于野生型噬菌斑）。野生型T4噬菌体能裂解E.coli的K系和B系突变型T4噬菌体只能裂解B系，不能裂解K系。研究最清楚的是rⅡ突变型。rⅡ区内有1000多个突变型，把1000多个突变体两两成对同时感染E.coli的K系（即双重感染doubleinfection）。经过互补测验（顺反测验）发现，各个突变两两成对同时感染K系，有些组合可以裂解E.coli的K系，说明突变位点之间有互补作用，是非等位关系；有些组合不能裂解E.coli的K系，说明突变位点之间无互补作用，是等位基因的关系，据此把rⅡ区的这些突变分为两组A组和B组（A基因与B基因）。

第7页/共22页A、B基因间：——→A物质＋B物质——→能裂解K系（要裂解K系须同时具备A、B两种物质）

E.coliT4噬菌体的染色体

A基因内：——→无A物质＋B物质——→不能裂解K系

但偶然也发现能裂解的，这是因为基因内发生了交换

——→—→A物质＋B物质—→能裂解K系

从A基因内的各突变偶然出现互补的现象说明，基因内也可以发生交换，因此交换单位要小于功能单位（基因或顺反子），本泽尔的试验测出了交换单位可以是2.4个核苷酸对，即交换单位不是基因。

a++bm1++m2m1++m2++m1m2第8页/共22页二、基因的作用与性状的表达

基因对遗传性状表达的直接作用：基因的最后产品是结构蛋白或功能蛋白，基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现出不同的遗传性状。人类的镰型红血球贫血症。基因对性状表达的间接作用：在更普遍的情况下，基因是通过控制酶的合成间接地影响生物性状的表达。兔子的脂肪颜色。第9页/共22页1941年美国遗传学家比德尔（Beadle,G.W.）和塔特姆（TatumE.L.）提出了“一个基因一个酶”的假说，即一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生化过程，从而影响到某些遗传性状的表达。从分子遗传学的观点来看，“一个基因一个酶”的假说是过分简单了，其中的许多重要细节需要修改。因为有的基因通过转录合成一个mRNA通过翻译合成一个多肽；而有的基因只转录到mRNA、tRNA、rRNA，不再翻译；还有的基因既不转录也不翻译，只对其它基因的活动起调控作用；另外，酶的合成与否并不仅仅与基因有联系，还要受制于基因作用的调控系统。第10页/共22页三、基因调控

1961年，法国科学家雅科（Jacob，F.）和

莫诺（Monod，J.）根据大量的遗传和生化研究结果提出了乳糖操纵元（lactoseoperon）模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制。乳糖操纵元

抑制基因（调节基因）

启动子

操纵子

前导序列

结构基因

终止区

IPOLZYA

不转录～～～～～mRNA

阻遏蛋白结合到操纵子上，阻止转录。

阻遏蛋白

没有乳糖时，乳糖操纵元处于关闭状态第11页/共22页乳糖操纵元

抑制基因（调节基因）

启动子

操纵子

前导序列

结构基因

终止区

IPOLZYA

转录↓↓↓～～～～～mRNA多顺反子mRNA～～～～～～～～～～～～～～翻译↓↓↓

阻遏蛋白－半乳糖苷酶乳糖渗透酶乙酰转移酶

有乳糖时，乳糖操纵元处于开启状态

从乳糖操纵元模型中发现：基因的功能是多样的，可以转录和翻译，也可以只转录不翻译（tRNA、rRNA），还可以既不转录又不翻译（启动基因、操纵基因），只起调控作用或其它作用。第12页/共22页第三节

基因的概念与发展

一、经典遗传学基因的概念

二、分子（现代）遗传学基因的概念

第13页/共22页一、经典遗传学基因的概念早期Mendel把控制性状的因子称为遗传因子；1909年丹麦学者约翰生（Johannsen,W.L.）把遗传因子称为基因；Morgan1926年发表了基因论，把基因定位在染色体上，奠定了经典遗传学的基础。1940年以前被称为经典遗传学阶段，此期的基因概念可以概括为如下几点：1、基因可以自我复制并具有相对稳定性。2、基因在染色体上有一定的位置，是交换的最小单位。3、基因是突变的最小单位。4、基因是一个控制性状的功能单位。

总起来说：基因是“三位”（功能单位、突变单位、交换单位）一体的概念。把交换单位和突变单位合称为结构单位。

第14页/共22页二、分子（现代）遗传学基因的概念

1941年美国遗传学家比德尔（Beadle,G.W.）提出了“一个基因一个酶”的假说；50年代确定DNA是主要的遗传物质，基因是DNA分子中的一段；57年本泽尔（Benzer，S.）用T4噬菌体的rⅡ区做实验，提出了基因概念的顺反子（cistron）假说，说明基因是可分的，不是“三位”一体的。功能单位、突变单位、交换单位具有不同的含义。（1）顺反子（作用子cistron）：是一个起特定作用的单位，是在DNA分子长链上具有特定功能的一段核苷酸顺序，它决定一条多肽链的合成，即一个顺反子对应一条多肽链，基本上符合通常指的基因。大约包括1000个核苷酸对。第15页/共22页（2）突变子（muton）：性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只是一个核苷酸。（3）重组子（recon）或叫交换子：在性状重组时，可以交换的最小单位。一个交换子可以小到只包含一对核苷酸。顺反子假说打破了经典遗传学中基因的“三位一体”的概念，一个基因可以包括许多突变子和交换子。以前认为基因是最小的结构单位（重组单位和突变单位）现已不能成立了，但基因是功能单位的概念仍然是正确的。61年提出了基因调控的乳糖操纵子模型，说明基因的功能是多样的。

第16页/共22页分子（现代）遗传学基因的概念

基因是DNA分子长链上具有特定遗传信息的一段，它或者通过转录和翻译决定一条多肽链的合成，或者转录为rRNA和tRNA，或者对其它基因的活动起调控作用；基因是可分的，一个基因可以包括许多更小的单位——突变子和交换子，基因的突变单位、功能单位、交换单位具有不同的意义。

第