基因结构与功能

基因结构与功能基因结构与功能第1页第一节基因概念一、基因概念发展（一）遗传“因子”：孟德尔认为，生物性状遗传由遗传因子所控制，性状本身不遗传。（二）染色体是基因载体：摩尔根试验证实基因位于染色体上，并呈直线排列，提出了遗传学是连锁交换规律，建立了遗传染色体学说，为细胞遗传学奠定了主要基础。并由此提出基因既是一个功效单位，是一个突变单位，也是一个交换单位“三位一体”概念。∴经典遗传学认为：基因是一个最小单位，不能分割；既是结构单位，又是功效单位。基因结构与功能第2页（三）DNA是遗传物质：1928年Griffith首先发觉了肺炎球菌转化，证实DNA是遗传物质而非蛋白质；Avery用生物化学方法证实转化因子是DNA而不是其它物质。（四）基因是有功效DNA片段20世纪40年代Beadle和Tatum提出一个基因一个酶假说，沟通了蛋白质合成与基因功效研究1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA复制方式。基因结构与功能第3页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1957年Benzer用大肠杆菌T4噬菌体为材料，分析了基因内部精细结构，提出了顺反子（cistor)概念，证实基因是DNA分之上一个特定区段，是一个功效单位，包含许多突变位点（突变子），突变位点之间能够发生重组（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。基因结构与功能第4页总之：顺反子学说打破了“三位一体”基因概念，把基因详细化为DNA分子上特定一段次序---顺反子，其内部又是可分，包含多个突变子和重组子。近代基因概念：基因是一段有功效DNA序列，是一个遗传功效单位，其内部存在有许多重组子和突变子。突变子：指改变后能够产生突变型表型最小单位。重组子：不能由重组分开基础单位。基因结构与功能第5页（五）操纵子模型

1961年法国分子生物学家Jacob和Monod经过对大肠杆菌乳糖突变体研究，提出了操纵子学说（operontheory)。说明了基因在乳糖利用中作用。基因结构与功能第6页（六）跳跃基因（转座子）和断裂基因发觉

20世纪50年代以前认为每一基因组DNA是固定，而且其位置和他们功效无关。50年代初芭芭拉在玉米控制因子研究中指出一些遗传因子能够转移位置，之后在真核生物和原核生物中发觉基因组中一些成份不固定性是普遍现象，称跳跃基因。70年代后发觉大多真核生物基因都是不连续，被不编码序列隔开，称断裂基因。基因结构与功能第7页二、基因类别及其相互关系依据基因功效和性质，可将其分为以下几类：（一）结构基因（structuralgene)和调整基因(regulatorygene):既可转录又可翻译。（二）核糖体RNA基因（rRNA基因简称rDNA）和转移RNA基因（tRNA基因简称tDNA）：只可转录不可翻译。前者专门转录rRNA，rRNA与响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。（三）开启子（promotor0和操纵基因(operator):既无转录功效又无翻译功效，确切说，它们不能称为基因。基因结构与功能第8页基因结构与功能第9页三、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正确区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息DNA分子区段。怎样判断一段核苷酸序列是否是某个基因？要看这个特定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氨基酸序列相对应，这么就必须同时测定某一段DNA核苷酸序列和对应产物序列。基因结构与功能第10页第二节重组测验一、拟等位基因黑腹果蝇中wa代表杏色眼基因,w代表明色眼基因，且都位于X染色体上

Pwawa×wY

杏色白色

F1wawwaY(杏色眼）

F2wawawawwaYwY

若wa和w为等位基因，F2应该只有亲本两种表型，但在大量F2群体中却出现了1/1000野生型红眼出现，红眼不是突变产生，因为不可能出现如此高频率基因结构与功能第11页深入研究证实：这是因为杏色眼基因和白眼基因在染色体上所占位置（座位）相同，但属于不一样位点，因而它们之间能够发生交换。

Pwa+/wa+×+w/YF1wa+/+wwa+/Y

（配子）（配子）

wa++wwaw++wa+YF2出现++/wa+和++/Y（红眼野生型）基因结构与功能第12页顺反位置效应（cis-transpositioneffect)：

wa+/+w两个突变分别在两条染色体上，称为反式（trans)，waw/++两个土百年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)。反式表现为突变型，顺式排列为野生型，这种因为排列方式不一样而表型不一样现象成为顺反位置效应。基因结构与功能第13页拟等位基因（pseudoallele)：表型效应类似紧密连锁功效性等位基因，但不是结构性等位基因，其发觉证实：基因是可分。基因结构与功能第14页二、噬菌体突变型1、噬菌斑形态突变型2、寄主范围突变型3、条件致死突变型概念：条件致死突变（P101）Benzer试验所用T4rⅡ突变就是一个条件致死突变型。（见P101表4-1）基因结构与功能第15页表4-1野生型与几个突变型区分类型不一样大肠杆菌平板上噬菌斑表型BK()S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rI大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑

rII大噬菌斑无噬菌斑（致死）小噬菌斑rIII大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑基因结构与功能第16页三、Benzer重组试验两种rⅡ突变类型：rx、ry

r+rx

×

ryr+

↓混合感染

E.coliB株

接种

B株K(λ)株

计数

r+ry、rxr+

r+r+

r+r+、rxry仅生长一

四种基因型种重组型

均能生长

基因结构与功能第17页基因结构与功能第18页重组值计算：rxry数量与r+r+相同，计算时r+r+噬菌体数×2。

基因结构与功能第19页此种测定方法称为重组测验（recombinationtest)，它以遗传图方式确定突变子之间关系，此方法测定重组频率非常灵敏能够取得小到0.001％，即十万分之一重组值。

基因结构与功能第20页第三节互补测验一、互补测验原理和方法

互补测验（顺反测验）：依据功效确定等位基因测验。即依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）

彼此互补（complementation)：用rⅡ

突变型成对组协议时去感染大肠杆菌K(λ)株，若被双重感染细菌中产生两种亲代基因型子代噬菌体（也有少许重组型噬菌体），那么就必定是一个突变型赔偿了另一个突变型所不含有功效，这两个突变型就称为彼此互补。基因结构与功能第21页若双重感染细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功效受到损伤。基因结构与功能第22页互补测验结果发觉：

rⅡ

突变型可分成rⅡA和rⅡB两个互补群。全部rⅡA突变型突变位点都在rⅡ

区一头，是一个独立功效单位,全部rⅡB突变型突变位点都在rⅡ

区另一头，也是一个独立功效单位.基因结构与功能第23页凡是属于rⅡA突变之间不能互补,同理凡是属于rⅡB突变之间也不能互补,只有rⅡA和rⅡB突变之间能够互补,即双重感染大肠杆菌K(λ)株后可产生子代。说明:rⅡA和rⅡB是两个独立功效单位,分别含有不一样功效,但它们功效又是互补。基因结构与功能第24页

互补试验原理

表型有没有功效互补结论反式:A+BAB+反式:

A+BAB+

突变型－属同一顺反子野生型＋属不一样顺反子基因结构与功能第25页二、顺反子互补试验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证实这两个突变型分别属于不一样基因；如不能表现出互补，则证实这两个突变型在同一基因内。对于不一样基因间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；但若属于同一基因不一样位点突变，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功效单位。基因结构与功能第26页顺反子：不一样突变之间没有互补功效区，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，是遗传上一个作用（功效）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，依据其表型确定两个突变是否是同一基因试验。基因结构与功能第27页判断两突变是否处于同一顺反子方法:

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表现型野生型突变型属于同一顺反子基因结构与功能第28页基因结构与功能第29页遗传上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能够产生突变表型最小单位。它只相当与一个核苷酸对，不能将其定义为一个基因。重组子是基因内不能有重组分开遗传单位，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。基因结构与功能第30页三、基因内互补1、基因内互补机理基因结构与功能第31页2、基因内互补与基因间互补区分基因间互补基因内互补发生机率普遍存在仅少数能发生缺失突变能发生互补不能发生酶活性同野生型一样显著低于野生型（仅25%）基因结构与功能第32页第四节缺失作图点突变和缺失突变区分：

1、点突变是单个位点突变，缺失突变是多个位点突变；

2、点突变可回复，而缺失突变不可；

3、点突变之间可发生重组，缺失突变同另一个基因组在这个缺失区点突变间不可重组，即无法经过重组而恢复野生型核苷酸次序。基因结构与功能第33页缺失作图：Benzer依据这一原理很方便地把数千个独立rⅡ突变定位在rⅡ遗传图上更小区段内，此方法称缺失作图。凡是能和某一缺失突变进行重组，他位置一定不在缺失范围内，凡是不能重组，它位置一定在缺失范围内。

缺失1

缺失2abc

细线表示缺失区，二者分别与各种突变体杂交，缺失2只有与a区中突变体杂交才能产生野生型重组体，缺失1只有与c区突变体杂交才能产生野生型重组体，但2个缺失与b区突变体杂交均不能产生野生型重组体。基因结构与功能第34页二、缺失作图方法（P107）基因结构与功能第35页第五节断裂基因与重合基因一、外显子与内含子1977年法国Chambon等和Berget等首次报道基因内部有间隔次序（spacersequence)，并由此提出断裂基因（splitgene）概念。在成熟mRNA上反应出DNA区段，即DNA序列中被转录成为mRNA片段称为外显子（exon或extron)在成熟mRNA上未反应出DNA区段称为内含子(intron)基因结构与功能第36页二、断裂基因意义1、有利于储存较多信息，增加信息量；2、有利于变异和进化；3、增加重组机率；4、可能是基因调控装置基因结构与功能第37页三、重合基因1978年英国剑桥大学分子生物学Sarger分析了X174DNA全序列后，发觉它核苷酸实际数比理论数少614个氨基酸。同试验室Barrell等发觉其基因组中有些密码是重合，从而形成重合基因。重合基因几个重合方式：1、大基因内包含小基因2、前后两个基因首尾重合3、三个基因之间三重重合基因结构与功能第38页4、反向重合5、重合操纵子普遍认为：重合基因不但是能经济和有效利用DNA遗传信息量，节约碱基，而且更主要是便于对基因表示起调控作用。如色氨酸操纵子中trpD基因翻译依赖与上游基因trpE翻译，原因是trpE终止密码子与trpD起始密码子重合。基因结构与功能第39页第六节基因功效一、Garrod先天性代谢缺点二十世纪初，英国医生Garrod首先发觉人类中几个先天性代谢缺点疾病，如苯丙酮尿症（PKU），它有常染色体隐性基因决定。这是因为这种隐性基因不能产生苯丙氨酸羟化酶，因而不能把提内多出苯丙氨酸转化为酪氨酸，所以血液中苯丙氨酸积累起来，只能经过苯丙氨酸转移酶作用，从另一代谢路径转变成有毒苯丙酮酸，苯丙酮酸从尿液中排除，可经过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症。基因结构与功能第40页苯丙酮酸酪氨酸3，4二羟苯丙氨酸

苯丙酮酸对羟苯丙酮酸黑色素尿黑酸

aa(黑尿症）已酰醋酸

CO2+H2O苯丙酮尿症ppcc

白化病基因结构与功能第41页Garrod认为这些代谢缺点病是因为缺乏一些酶。所以，他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是经过控制酶和其它蛋白质合成来控制细胞代谢。二、一个基因一个酶假说

Beadle和Tatum于1941年提出，并所以于1958年取得诺贝尔奖。基因结构与功能第42页（一）生物合成过程基因：abcd↓↓↓↓

酶：ABCD

代谢物：1→2→3→4→5

前体物色素原a色素原b红色紫色基因结构与功能第43页

检测物质

ABCDEG突

1—

—

—+—+2—+—+—+变

3—

—

—

—

—+4—+++—+体

5++++—+

突变型:54213↓↓↓↓↓代谢过程:E→A→C→B→D→G（二）突变型与合成缺点基因结构与功能第44页（三）一个基因一个酶试验依据

精氨酸缺点型补充培养基:鸟aa瓜aa精aa

菌株I――＋精氨酸突变型菌株II－＋＋菌株III＋＋＋

分析得出:基因