第六章基因的概念和结构优秀文档

第六章（1）基因的概念和结构

一、基因概念的演变二、基因的结构三、基因的鉴定生命科学学院卢龙斗

一、基因概念的演变1、在功能上基因概念的演变1）遗传因子是生物性状的符号1857—19091857年Mendel作了8年的碗豆杂交实验，创立了遗传学的第一、第二定律，在他的《植物的杂交实验》论文中把控制性状的某种东西叫做“遗传因子”（Geneticfactor),分别用A、B、C、D等字母代替遗传因子，此因子就是生物性状的符号，例如：红花A用表示，白花用a表示。这种因

什麽东西，在什麽地方还不清楚。但是，在哪个年代Mendel提出了遗传因子的概念，认为子代的性状是由于得到了亲代的遗传因子，这已经是一个伟大的进步，既：生物的性状有它的物质基础，打破了上帝决定一切的概念。2）基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功能单位1909—1940

1909年，丹麦人约翰逊（Johansen)1910年Morgan、Sturtevant、Briges的工作，提出基因在染色体上直线排列，不重复、不重叠、不分割基因是功能单位、突变单位、重组单位。把基因物质化。提出“三位一体”的概念。但是还

不清楚基因到底是什麽东西，是啥样的化学实体

1927年，摩尔根的弟子穆勒Muler发现用X射线可以使果蝇的基因发生突变，进一步证实了基因是实实在在的化学实体，同时开创了基因突变新领域。1946年获得诺贝尔奖金

3）基因是决定某种酶的DNA片段1940—1955

1940年，Beadle和Tatum用诱变剂处理红色面包霉得到各种营养缺陷型突变体。其中一种是精氨酸缺陷型，在此缺陷型又分成四种类型：

argEargFargGargH

精氨酸缺陷型的生长反应菌株基本基+谷基+鸟基+瓜基+精琥基+精野生型++++++argE--++++argF---+++argG----++argH-----+谷氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨酸

精氨酸的代谢过程和酶作用位置谷氨酸argE酶鸟氨酸argF酶瓜氨酸argG酶精氨琥珀酸argH酶精氨酸分析代谢途径：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前在那种物质上都长，说明那种物质最靠后分析基因作用位置:在多种物质上都长，说明基因作用靠前.在多种物质上都不长，说明基因作用靠后提出一个基因一种酶学说，1958年双双获诺贝尔奖金。但没有打破基因三位一体的概念

代谢途径分析鸟谷精瓜精琥ⅠⅡⅢⅣ

－－＋－+－－＋＋+＋－＋＋+－－+－－从竖行分析代谢途径：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前。在那种物质上都长，说明那种物质最靠后谷氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨酸

号，例如：红花A用表示，白花用a表示。重叠一个核苷酸：5’TAATG3’正链－－－＋基因C的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变缺失2区突变型134argF酶2)不同生物的基因数目25134的性状是由于得到了亲代的遗传因子，这已经是因一条多肽链的学说，打破了基因是一个功能单由于他们开创了基因调控的研究领域，谱写了子(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的在染色体上可以来回跳跃、移动位置的基因。GCCAATGCTATAEIEIEAATAAA

鸟谷精瓜精琥

ⅠⅡⅢⅣ

－－＋－+－－＋＋+＋－＋＋+－－+－－

基因作用位置分析ⅢⅡⅠⅣ

谷氨酸鸟氨酸瓜氨酸

精琥氨酸精氨酸

从横行分析基因作用位置:在多种物质上都长，说明基因作用靠前.在多种物质上都不长，说明基因作用靠后：ZYXWT1+－+－－2+－++＋3－－＋－－4－－+－－5+－+－＋缺陷型代谢物

YWTZX251341944年，Avery的细菌体外转化实验证明ＤNＡ是遗传物质，1952年，Hershey和Chase的噬菌体重组实验使生物学界承认ＤNＡ是遗传物质，1969年Hershey获诺贝尔奖金1953年Watson和Crick以及威尔金斯发现了双螺旋结构，因此，基因的概念成为：基因是决定某种酶的DNA片断。1962年三人同时获得诺贝尔奖金

4）基因是决定一条多肽链的DNA片段1955－1961A、顺反测验(1955Benzer)根据基因顺式排列和反式排列时的表现情况来判断两个位点是否属于一个基因的测定方法

T4噬菌体RⅡ区有2个位点：RⅡA、RⅡB

RⅡARⅡB

两个位点都正常时可在大肠杆菌K菌株上生长两个位点突变时不能在K菌株上生长

两个其中的1个位点突变时不能在K菌株上生长这2个位点属于一个基因的两个位点还是两个基因呢？

他设计了顺反测验的方法分析T4噬菌体RⅡ区的两个区域，描绘了基因的的精细结构，发表《细菌噬菌体遗传区的精细结构》论文，提出了顺反子(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的DNA片段的概念。

顺反子:一个不同突变之间没有互补的功能区.××

r1r2

顺式＋＋野生型性状

r1＋

反式＋r2

野生型性状

顺式时、反式时都为野生型性状，说明这两个位点能互补，此两个位点属于两个不同的基因

r1r2顺式

野生型性状

++r1＋反式

突变型性状

+

r2

顺式时产生野生型性状，反式时产生突变型性状，说明这两个位点不能互补，此两个位点属于同一个基因的两个不同位点

因Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。代谢途径分析5）计算机分析鉴定：通过同源性分析和外显子预对于不含CG岛的基因不适用基因的大小取决于基因中内含子的数目，取决于一、基因概念的演变菌噬菌体遗传区的精细结构》论文，提出了顺反RⅡA+RⅡB—：在K菌株上不生长同的点突变体。复突变的现象反复高频率出现的呢？作用

B、顺反测验结论单独感染时：

RⅡA—RⅡB—：在K菌株上不生长RⅡA—RⅡB+：在K菌株上不生长

RⅡA+RⅡB—：在K菌株上不生长

RⅡA+RⅡB+：在K菌株上生长混合感染时;

RⅡA—RⅡB—+RⅡA+RⅡB+：生长，有互补RⅡA—RⅡB++RⅡA+RⅡB—：生长，有互补RⅡA+RⅡB—+RⅡA—RⅡB+：生长，有互补发现RⅡA区是一个基因位点，RⅡB区是一个基因位点，两个位点都正常时，每位点编码一条多肽链，2条多肽链合起来形成一种酶，提出：一个基

因一条多肽链的学说，打破了基因是一个功能单位的概念在RⅡA区:a+

+bab++

在每个区的不同突变体之间也进行了一系列顺反测验，混合感染试验，证明RⅡA区是一个顺反子，RⅡAB区是一个顺反子。不生长，无互补生长，有互补C、基因精细结构分析突变子（muton)：可以突变的最小单位发现A基因有800bp，既有800个突变位点，B基因有500bp，既有500个突变位点

交换子（recon)：可以发生交换的最小单位A基因有800bp，既有800个交换位点，B基因有500bp,既有500个交换位点打破了基因“三位一体”的概念。

例题11、a,b,c,d,e是T4rⅡ的点突变体，1，2，3，4为缺失突变体。根据下列结果画出缺失突变体的缺失图和点突变的位置、顺序。表中“+”和“-”表示它们对B混合感染时有无野生型重组子出现。（南开大学2005年考研试题10分）abcde1++-++2++++-3-++-+4+-+++

知识要点1）缺失可以发生在T4rⅡ区段的不同部位，形成不同的缺失突变体。2）T4rⅡ区段可以在不同的位点发生突变，形成不同的点突变体。

3）只有野生型才能在对E.coliB感染后产生噬菌斑。若用缺失突变型和点突变型混合感染E.coliB，若出现噬菌斑说明二者发生了重组，说明点突变的位置不在该缺失区段内，若不出现噬菌斑，说明二者没有发生重组，说明点突变的位置在该缺失区段内

解题思路1）根据知识要点1），可以假定野生型的T4rⅡ是含有1、2、3、4号区段。T4rⅡ的缺失突变体1是1号区段缺失、缺失突变体2是2号区段缺失、缺失突变体3是3号区段缺失、缺失突变体4是4号区段缺失。2）根据知识要点2），T4rⅡ的5种点突变体可以发生在T4rⅡ的不同区段。3）根据知识要点3）分析表中实验结果，可以推测点突变的位置。

标准答案缺失突变体的缺失图正常噬菌体DNA1234

缺失1区突变型234

缺失2区突变型134

缺失3区突变型124

缺失4区突变型123

点突变的顺序cedab

1区2区3区4区

（有些缺失突变体的缺失区段互相有重叠）

解题捷径点突变与缺失突变体混合感染后若不出现噬菌斑，说明二者不能发生重组，说明点突变位于该缺失区段。

1234561－＋＋－＋＋2－＋＋－＋3－＋＋－4－+＋5－＋6－能互补则不在一个顺反子不能互补则在一个顺反子1与4不互补,因此,1与4在一个顺反子142与5不互补，因此，2、5在一个顺反子253与6不互补，因此，3与6在一个顺反子36所以，涉及到3个基因，5）基因是实现一定遗传效应的核苷酸序列1961-1969

1961年，Monord和Jacobe对大肠杆菌乳糖代谢进行研究，提出了乳糖操纵子学说B、顺反测验结论4kb,基因间间隔平均为600bp,基因数目为第六章（1）基因的概念和结构三、基因的鉴定斑，说明二者不能发生重组，说明点突变位于该3×1076000因Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。+r2发现RⅡA区是一个基因位点，RⅡB区是一个基因2)不同生物的基因数目1953年Watson和Crick以及威尔金斯发r1＋完全重叠:E基因在D基因中,重叠322个核苷酸行研究，提出了乳糖操纵子学说

IPOZYA调节基因、结构基因：转录翻译形成蛋白质操纵基因：仅转录不翻译不形成蛋白质启动基因：不转录不翻译不形成蛋白质因此，基因不一定都得有产物Ｉ：调节基因；Ｐ：启动基因；Ｏ：操纵基因；Ｚ：半乳糖苷酶基因；Ｙ：半乳糖苷透性酶基因；Ａ：转乙酰基酶基因。由于他们开创了基因调控的研究领域，谱写了分子遗传学的新的一章，1965年Monord和

Jacobe双双获得诺贝尔奖金

1968年美国遗传学家普坦森(Ptashene)吉尔伯特(Gilbert)成功分离出一个具有抑制功能的DNA片断，用实验和实物证明了基因的调控机制

1969年，Shapiro分离出了大肠杆菌乳糖操纵子,进一步证实乳糖操纵子学说

2、在结构上基因概念的演变

1）重复基因

(repetitivegene)

基因以多个拷贝存在的现象。1968年美国学布里顿通过DNA的复性动力学研究发现在真核细胞DNA中存在重复顺序

物种5SRNAtRNA大肠杆菌760啤酒酵母140250黑腹果蝇165850人类20001300非洲爪蟾240001150

2）重叠基因:

(Over-lappinggene)一基因与另一基因存在共用一段核苷酸序列的现象

重叠基因的发现:1977年Sanger对一侏儒噬菌体¢X174的DNA结构和蛋白质进行研究,发现它能形成11种蛋白质,总分子量为25万道而顿,按此量该噬菌体应该有6078个核苷酸来编码,但是，此单链环状DNA仅有5386个核苷酸,少692个核苷酸,对这种现象的分析中发现了重叠基因

重叠类型：重叠一个核苷酸：5’TAATG3’正链3’ATTAC5’负链

5’UAAUG3’RNA

UAA为D基因的终止码,AUG为J基因的起始码,两个基因重叠一个核苷酸重叠两个核苷酸:5’ATGA3’正链3’TACT5’负链

5’AUGA3’RNA

A基因的终止码UGA与C基因的起始码AUG重叠两个核苷酸

部分重叠:K基因与A基因重叠83个核苷酸,与C基因重叠85个核苷酸K51218A3973133C390完全重叠:E基因在D基因中,重叠322个核苷酸E518840D390845

B基因在A基因中,重叠388个核苷酸

B504648A3973133

三重重叠：1978年,有人发现Sv40病毒3个外壳蛋白基因Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。有5234bp,环状双链基因组分成10分钟长.

G4噬菌体：基因Ｋ全长都与其它基因重叠，５’端区与基因Ａ的最后８６个Ｎｔ重叠，３’端与基因Ｃ的开头８９个Ｎｔ重叠，在①和②两个位点上，ＤＮＡ阅读框的三种方式都得到应用。（终止、起始、编码）HACDBK

反向重叠：双链DNA都转录，密码阅读框相同，但方向不同，形成不同的蛋白质，两个转录互相干扰，表达是一强一弱

5’3’3’5’5’5’3’3’不对称转录对称转录重叠操纵子：指结构基因与调控序列的重叠，调控序列之间的重叠重叠基因意义：在于经济有效的利用遗传信息，不利一面是一个硷基的变化会影响几个基因真核生物基因重叠：如果蝇、海胆、人类某些基因也发现有重叠，但不普遍。真核生物存在内含子、外显子，选择性剪接时形成不同的蛋白质，这也是基因重叠现象，大鼠肌钙蛋白T基因此方式产生α、β两种产物

ABCDEJFGHK起始3973506413339056884510012386292351终止13348390845840961227529113903218有三中重叠方式：完全重叠：如B基因落在A基因内，E基因落在D基因内。部分重叠：如K基因与A及C基因。少数核苷酸重叠：A基因与C基因ΦX174的重叠基因主要存在于5000-0-1000的区域内，这些基因也称nestgenes.G4噬菌体：基因Ｋ全长都与其它基因重叠，５’端区与基因Ａ的最后８６个Ｎｔ重叠，３’端与基因Ｃ的开头８９个Ｎｔ重叠，在①和②两个位点上，ＤＮＡ阅读框的三种方式都得到应用。HACDBK①②Qβ噬菌体：与ΦX174及G4的重叠不同，Qβ噬菌体的重叠基因是按相同的阅读框阅读的，即所谓的通读（readthrough)。如其外壳蛋白基因完全落在A1基因内。外壳蛋白400bpA1基因800bp病毒及真核生物：SV40病毒的t基因落在T基因内；VP1，VP2，VP3三个外壳蛋白之间有122bp的重叠。

3）断裂基因：(splitegene)含有可转译区段和不转译区段的一类结构基因断裂基因的发现：1977年美国生物化学家Sharp和英国生物化学家Roberts以腺病毒为材料，发现基因在排列上有一些不相关的片断隔开，呈现不连续状态，发现了断裂基因，1993年两人获诺贝尔奖金。Crick称之为分子遗传学的一次“微型革命”

5´3´

用限制性酶酶切得到含有腺病毒外壳蛋白六聚体基因A的DNA片断，利用此基因的mRNA与该DNA片断杂交，在5´端出现出现3个环，在3´端则二者互补，没有出现环状结构，因此，认为该基因存在割裂现象同时Berget小组也发现了这种现象。mRNADNA

在Sharp和Roberts的实验发现割裂基因之前法国的Chambon小组已经在研究鸡卵清蛋白基因的表达和激素的关系时也发现了类似现象。但是，他们不能解释这种现象。1977年Berget在美国冷泉港作了一个关于断裂基因的报告，Chambon受到启发，对他们的实验进一步研究，在真核生物发现了断裂基因。

1978年，Gilbert把出现在成熟的mRNA中的片段叫做外显子（exon)，把不出现在成熟的mRNA中的片段叫做内含子(intron)

鸡卵清蛋白基因的结构（7700bp）外显子内含子1、47（前导序列）A2、185B3、51C4、129D5、118E6、143F7、156G8、10431872bp5828bp

断裂基因的特征：内含子可多可少，可长可短，外显子可多可少，可长可短。内含子比例大于外显子。外显子可在一个基因中可不在一个基因中。存在Chambon规律。存在一致序列Chambon规律：指内含子5’端和3’端碱基的保守性和规律性。一致序列：指内含子与外显子交接处保守性很强的核苷酸序列。

5’外显子AGGT内含子AGGT外显子3’切割1：5’外显子AGGT外显子3’

切割2：5’外显子AGGT外显子3’切割3：5’外显子AGGT外显子3’

断裂基因的普遍性：在低等生物中很少存在断裂基因，但在个别原核生物如古细菌，大肠杆菌的噬菌体中也存在。

在真核生物中断裂基因比较普遍，但不绝对。（酵母菌大部分基因不中断）。编码蛋白质的核基因、编码rRNA的核基因、编码tRNA的核基因以及一些真核生物的线粒体基因、叶绿体基因等胶原蛋白基因40000bp有41个外显子，40个内含子假肥大型肌营养不良基因(DMD)长2300000bp，有75个外显子，74个内含子

鸡前胶原蛋白基因，鸡半卵清蛋白基因，小鼠胶原蛋白基因，人类珠蛋白基因，酵母的cob基因等，因此，断裂基因已成为真核生物的真质标记断裂基因的研究进展：原核生物中断裂基因的发现：1984年，Chu发现因有一个1084bp的内含子。腺病毒、Sv40病毒、原核生物中的古细菌也都发现有断裂基因现象。RNA内含子：外显子、内含子一起转录成前体RNA,加工切除内含子后形成成熟

RNA

蛋白质内含子：外显子、内含子一起转录、翻译成一条多肽链然后从太连中将对应于内含子部分的序列切除形成蛋白质翻译内含子：转录成的成熟mRNA存在内含子，而在翻译过程中跳过内含子，形成肽链内含子含而显：酵母线粒体细胞色素b基因有B1、B2、B3、B4、B5、B6六个外显子负责编码形成细胞色素b的酶

有I1、12、I3、I4、I5五个内含子，在mRNA成熟过程中，I2I3I4各自编码一种蛋白质叫做RNA成熟酶，来删除自己外显子外而不显：人类的激酶基因的第一个外显子的88bp不编码蛋白质，仅出现在成熟的mRNA中外显子的不连续转录：锥虫的可变表面抗原基因的大外显子与小外显子不在一个基因中，而是分别转录后又接在一起的重叠内含子：指一个基因形成的一mRNA的内含子可以是该基因另一个mRNA的外显子

断裂基因的意义：储存较多遗传信息：经过加工一个基因可以形成多种蛋白质

增加了重组机会：内含子存在加长了基因长度，利于重组利于变异和进化：交界处一个碱基变化可以使剪接变化，导形成大的变异

自我防护机制：突变发生在内含子处时，没有损害基因调控装置：内含子在转录水平基因表达中起调节作用4）跳跃基因（jumpinggenes)在染色体上可以来回跳跃、移动位置的基因。

CCCccccc跳跃基因的发现：McClintock终生未婚，进行玉米遗传育种研究，被誉为玉米夫人。40年代她发现玉米籽粒颜色遗传的一些奇怪现象

玉米色素合成基因C为显性，不能合成色素基因c为隐性。位于玉米9号染色体上。基因型CC、Cc为有色玉米，cc为无色玉米。当基因型为cc时,在无色的背景上出现许多紫色斑点。突变的频率很低，回复突变的频率更低，那么是什么原因导致类似回复突变的现象反复高频率出现的呢？对实验现象的解释：

激活—解离系统（Activator-Dissociator,Ac-Ds）在玉米9号染色体色素基因C附近存在一个Ac基因，是激活位点，可以激活其他基因改变自己的位置。一个Ds基因，是解离位点，在Ａｃ作用下Ds跳跃到色素基因C的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变为c。Ds又可以从C基因近旁或其中跳跃出来而使之又称为显性基因C。在此系统中提出了跳跃基因的概念，开创了基因转座研究的新领域。1983年获得诺贝尔奖金。

二、基因的大小、数目、结构

1、基因的大小真核生物的基因比较大，如哺乳动物的基因可达100kb,很少有小于2000bp的，大多在5---100kb之间。在分析一段DNA序列时，如果小于100个密码子的就不能看作一个基因原核生物的基因比较小,如¢X174的K基因仅仅167个核苷酸。基因的大小取决于基因中内含子的数目，取决于内含子的长短，一般内含子是外显子的5--10倍

不同生物的平均基因大小

种类平均平均平均外显子数目基因长度kb

mRNA长度kb

2、基因的数目1)计算基因数目的方法通过基因表达测算：不准确通过突变分析测算：若某区段充满致死突变，则测定此染色体区段的致死位点数量，然后据此推出整个基因组中基因的数目通过基因密度测算:测基因组的序列,然后测出平均每个开放阅读框的大小,测出每个阅读框之间的间隔,计算出基因的数目。例如酵母菌的基因组全长为12000kb,平均每个阅读框长度为1.4kb,基因间间隔平均为600bp,基因数目为6000个

2)不同生物的基因数目种类基因组大小(bp)基因数目¢X174538611枝原体1.0×106

750T4噬菌体1.6×105200大肠杆菌4.2×1064288酵母1.3×1076000果蝇1.4×1088750水稻4.6×10845000人类3.0×10935000

3、基因的结构1）原核生物基因的结构

ATGTAA12

56743

1、启动子2、转录起始信号3、核糖体结合位点4、5’非转译区5、转录区（基因）6、3’非转译区7、终止子ATG起始码TAA终止码GCCAATGCTATAE