第十七章遗传物质的功能单位

第十七章遗传物质的功能单位第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一遗传学概述遗传学是一门涉及生命起源和生物进化的理论科学，同时也是一门密切联系生产实际的基础科学。遗传学研究生物遗传和变异的科学；是研究生物体遗传信息和表达规律的科学；是研究和了解遗传物质本质的科学。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一遗传学的研究内容1.是研究生物遗传和变异的科学遗传学与生命起源和生物进化有关。2.是研究生物体遗传信息和表达规律的科学解决问题：物种代代相传；性状遗传。3.是研究和了解基因本质的科学遗传物质是什么？遗传物质性状？第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一遗传和变异的概念1.遗传：亲子间的相似现象。“种瓜得瓜、种豆得豆”2.变异：个体之间的差异。“母生九子，九子有别”3.遗传和变异是一对矛盾。遗传、变异和选择是生物进化的三大因素4.遗传和变异的表现与环境不可分割。第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一现代遗传学发展史的简要回顾现代遗传学可以分为4个时期1.1860年以前（光学显微镜、细胞理论物种起源）2.1860年－1900年（孟德尔遗传定律的发现和再发现）3.1900年－1944年4.1944到现在第6页，共42页，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年1903年，W.Sutton和T.Boveri

提出减数分裂过程中染色体行为的假设,成功地解释了孟德尔定律，并最终导致了基因位于染色体上的发现，奠立了遗传的染色体学说:基因在染色体上成线性排列1906年，W.Bateson从香豌豆中发现性状连锁；创造（遗传学）1909年，丹麦遗传学家约翰逊(W.Johannsen)创造了“Gene”这个词，中文音译为“基因”1913年，AlfredSturtevant利用果蝇作出了第一张遗传图谱第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年R.A.Fisher成功运用多基因假设分析资料，首次将数量变异划分为各个分量，开创数量性状遗传研究的思想方法。1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,为数量遗传学的发展奠定了基础。1926年，ThomasHuntMorgan发表了遗传学史上的名著《TheTheoryoftheGene》《基因论》，创立了基因学说，并于1933年诺贝尔奖1927年，L.Stadler和H.J.Muller发现了X射线诱导的基因突变1941年，G.W.Beadle

在红色面包霉生化遗传研究中，提出“一个基因一种酶”假说1943年，S.Luria和M.Delbrück证明细菌有正常的遗传系统，并把细菌作为遗传学研究的模式生物第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一1944年-现在1944年，O.T.Avery用纯化因子研究肺炎球菌的转化实验，证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质1952年，

A.D.Hershey等用同位素示踪法在研究噬菌体感染细菌的实验中，再次确认了DNA是遗传物质1953年，JamesWatson和FrancisCrick建立了DNA的双螺旋模型。1962年诺贝尔奖1968年到1973,W.Arber,H.Smith和D.Nathans等人发现了限制性内切酶，为重组DNA技术提供了强大的工具第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一1944年-现在1961年，

F.H.C.Crick等用实验证明他于1958年提出的关于遗传三联密码子的推测1961年，F.Jacob和J.Monod

提出了大肠杆菌的操纵子学说，阐明微生物基因表达的调节问题1971年，S.Cohen和

H.Boyer等人首次完成了DNA重组，开创了基因工程的时代1993年，K.B.Mullis由于发明PCR技术获诺贝尔化学奖20世纪90年代，“HMG”计划开始实施；随后，多种模式生物基因组计划开展21世纪，遗传学进入后基因组时代第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一第一节遗传物质是核酸一、遗传物质是DNA的直接证据1928年，Griffith

肺炎双球菌体内转化实验第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一

二.Hershey-Chase的噬菌体实验第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、RNA也是遗传物质1956年A.Gierer和G.Schraman发现：烟草花叶病毒（TMV），其遗传物质是RNA。1957年美国的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了这一结论。第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、真核生物中DNA是遗传物质的间接证据1、DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的；2、细胞核内的DNA的含量十分稳定，而且与染色体的数目存在着平行关系；3、DNA在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响；4、作用于DNA的一些物理和化学因素可以引起生物体遗传特性的改变。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一自我复制；能储存遗传信息；能表达遗传信息；可由突变产生变异。理论上，遗传物质必须具备四个条件：所以，DNA是生物主要的遗传物质。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一第二节基因概念的发展一、摩尔根创立的“三位一体”的基因假说：

基因是决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位（P752页）。这种“功能、交换、突变”三位一体的基因假说就是经典遗传学的基因概念第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、本泽尔证实了基因是一个功能单位而不是结构上的最小单位：①顺反子：一段DNA序列（病毒中为一段RNA序列），能够编码一种多肽的所需要的最短的DNA片段，是遗传的功能单位，包含不同的突变子和重组子。②突变子：指基因中发生突变后能产生表型效应的遗传物质的最小单位，它可以是一个或多个核苷酸。③重组子：顺反子中能通过交换重组改变表型的最小单位，它在结构上不能通过交换而分开。所以，一个基因不是一个突变单位，也不是一个重组单位，仅是一个功能单位，基因内部的一个或者若干个脱氧核苷酸对才是重组单位或突变单位。打破了“三位一体”的基因概念。第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、超基因、假基因和拟基因的发现：1.超基因：作用于一种性状或作用于一系列相关性状的几个紧密连锁在同一条染色体上的一组基因。超基因中不同基因之间没有调控的关系。分为简单多基因家族和复杂多基因家族。2.假基因：具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变而失去了功能，是没有功能的基因。3.拟基因：不包含有用的生物信息的基因。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一四、现代基因的概念及特点：1.概念：见“P754上面”2.特点：见“754-755”（1）基因呈双螺旋结构并随DNA的复制而复制（2）基因间一般不重叠（3）真核基因的主要载体是染色体（4）基因是可移动的转座子（5）基因是一个功能单位，但不是结构单位：详解见教材（6）割裂基因和连续基因是否含内含子（7）基因转录的mRNA具有相同的起始密码和终止密码第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子非编码区不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质;但有调空遗传信息表达的核苷酸序列,最重要的位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点.第三节基因的结构第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子编码区能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游与RNA聚合酶结合位点启动子终止子RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。接第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶转录半乳糖苷酶酶酶原核基因一般是多个成簇排列的，在基因簇的全部结构基因受一个启动子调控。这全部基因要么一起表达，要么不表达，而且转录生成单一的mRNA分子，然后再分别翻译成几个不同的多肽分子。第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区与RNA聚酶结合位点内含子外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使RNA

启动子终止子编码区上游编码区上游内含子外显子第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一不同的基因外显子和内含子的数目是不同的如：人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做β－珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，其中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸人的一种凝血因子的基因，在它的186000个碱基对中，有26个外显子和25个内含子，能够编码2552个氨基酸第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图启动子：主要包括两个序列（1）在5’端转录起始点上游约20~30个核苷酸处有TATA框，它是一个短的核苷酸序列，是启动子中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要接触点，能使酶准确识别转录的起始点并开始转录。当TATA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会从不正常的位置开始。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图启动子：主要包括两个序列（2）在5’端转录起始点上游约70~80个核苷酸的地方，有CAAT框，是启动子中另一个短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的另一个结合点，它的作用还不肯定，一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。当框中的碱基顺序改变后，mRNA的形成量会明显减少。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图增强子：在5’端转录起始点上游约100个核苷酸以远处的位置，能使转录活性增强上百倍。终止子：在3’端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，AATAAA顺序和下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。终止子的特殊碱基排列顺序能够阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来。第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别：（1）真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的（即双倍体）。细菌染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子组成，染色体形成类核，无核膜与胞浆分开。（2）基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。（3）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条肽链。原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构。第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一（4）真核基因组大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因组没有内含子结构，不需进行转录后剪接加工。（5）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大部分为编码序列，不编码区域仅占一小部分。（6）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上基因组远远大于原核生物的基因组。（7）真核生物基因组存在多基因家族、超基因家族和假基因。三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别：第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一第四节基因的表达调控第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一真核生物基因表达与调控第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一癌症研究的转折点-----人类基因组的全序列分析

DulbeccoRScience1986

回顾了70年代以来癌症研究的进展，使人们认识到包括癌症在人类疾病的发生，都与基因直接、间接有关；同时指出，要么仍处在零打碎敲的方法研究，要么从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列。这一计划的意义，可以与征服宇宙的计划媲美。这样的工作是任何一个实验室难以单独承担的项目。这个世界所发生的一切事情，都与这一人类的DNA序列息息相关第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一HGP的研究内容总体目标：15年内投入30亿美元，完成人类24条染色体的30亿个核苷酸序列分析主要内容：

1.基因组制图（遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱）

2.基因的定位与分析

3.基因组研究技术的建立、改进

4.模式生物基因组的图谱绘制及测序

5.相关课题的研究第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一人类基因组计划大事记1986年Dulbecco在“Science”首次提出1990年国际人类基因组计划正式启动1996年真核生物酵母(15Mb)1997年大肠杆菌(4,653,831bp，4283个基因)1997年底线虫（28Mb，19,000基因)1998年5月celera公司宣布加入该计划第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一人类基因组计划大事记1999年初celera公司宣布完成果蝇（120Mb)