基因的概念及结构

关于基因的概念及结构第1页，课件共73页，创作于2023年2月第一节基因的概念与发展一、发展历程1.1865年

Mendel——遗传因子最初由孟德尔的杂交试验提出“遗传因子”,此时为一逻辑推理产物，是一种与生物状状相应的符号，无实质内容。2.1909年丹麦Johanssen——基因第2页，课件共73页，创作于2023年2月3.1910年—40年代

Morgan等认为基因是三合一体，即基因既是一个功能单位，也是一个突变单位和一个交换单位。摩尔根通过对果绳的研究，阐明了连锁交换规律和伴性遗传，并进一步推理出基因在染色体上呈直线排列，基因是一种化学实体并决定性状。基因是突变和重组的最小单位第3页，课件共73页，创作于2023年2月4.1944年Avery首次证实基因是由DNA构成，及1953年DNA双螺旋模型的提出，人们认为基因是具有一定遗传效应的DNA片段5.1944年Beadle研究脉胞菌突变——提出一基因一酶学说,后来研究血红蛋白时发现蛋白质可由不同肽链组成，而突变只影响一条肽链——提出了一基因一多肽学说第4页，课件共73页，创作于2023年2月6.1955年，Benzer通过顺反互补实验发现一个基因内部的许多位点上可以发生突变，并且可能在这些位点间发生交换，说明一个基因并不是一个突变单位和一个交换单位7.60年代，Jacod和Monod研究细菌基因调控时发现基因是可分的，功能上是有差别的

第5页，课件共73页，创作于2023年2月结构基因—决定合成某种蛋白质调节基因—编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因,无翻译产物的基因8.新的发现——断裂基因，重叠基因，跳跃基因第6页，课件共73页，创作于2023年2月基因是实体，它的物质基础是DNA（或RNA）；基因是具有一定遗传效应的DNA分子中的特定核苷酸序列；基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据基因是可分的第7页，课件共73页，创作于2023年2月基因的分子生物学定义基因是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷序列。包含：编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，转录所必须的调控元件，编码区上游的非编码序列，内含子，编码区下游的非编码序列。第8页，课件共73页，创作于2023年2月基因结构第9页，课件共73页，创作于2023年2月基因的不同类型结构基因:为蛋白质或RNA编码的基因，其产物为酶促反应的有关的功细胞组分，它不影响其它基因的表达调节基因：不编码RNA或蛋白质的基因，其主要作用是调节其它基因的表达第10页，课件共73页，创作于2023年2月功能性基因：基因家族中，仍然为蛋白质或RNA编码的家族成员称假基因（Pseudogene）：基因家族中已不为蛋白质或RNA编码的家族成员第11页，课件共73页，创作于2023年2月第二节复等位基因（multiplealleles）复等位基因:一个群体中，一对同源染色体的同一基因座上存在着2个以上的等位基因，这就是复等位基因（multiplegene)复等位基因是生物遗传多态性在遗传上的直接原因第12页，课件共73页，创作于2023年2月复等位基因间的互作效应互补基因：某性状只有在二个以上的非等位基因共存时才会表现出来，这种由于互相补充而使一个性状得以表现的非等位基因，称为互补基因抑制基因：某一突变基因的表型效应由于第二个突变基因的出现而恢复正常时，称后一突变基因为前者的抑制基因第13页，课件共73页，创作于2023年2月相关概念上位效应：一对显性基因的表现受到另一对非等位基因的作用，这种非等位基因间的抑制或遮掩作用叫上位效应。起抑制作用的基因称为上位基因，被抑制的基因称为下位基因第14页，课件共73页，创作于2023年2月一个2倍体细胞最多只能有复等位基因的2个拷贝

2个等位基因，可以组成3种基因型

3个等位基因，可以组成6种基因型

4个等位基因，可以组成10种基因型

n个等位基因，可以组成n+n(n-1)/2种基因型其中纯合体为n个,杂合体为n(n-1)/2个第15页，课件共73页，创作于2023年2月第三节顺反子（cistron）早期的基因概念：基因是一个功能单位，重组单位，突变单位(三位一体)。发展的基因概念：基因是一个功能单位，基因内部可突变和重组。一个基因就是一个顺反子。基因的顺式和反式排列第16页，课件共73页，创作于2023年2月顺反子概念的提出1955年，S.Benzer通过对T4噬菌体精细结构的研究提出了顺反子(Cistron)，突变子（muton）和重组子（recon）的概念顺反子：编码一种多肽链的核苷酸序列,是一个功能单位突变子和重组子均为一核苷酸对第17页，课件共73页，创作于2023年2月顺反子学说否定了一个基因一个酶的假说单顺反子是真核基因的转录形式。一个启动子后仅具有一个编码序列。多顺反子出现于原核生物，即若干个基因由一个启动子控制，转录在一条mRNA上第18页，课件共73页，创作于2023年2月Fig15.10Thearrangementofgeneticmarkersincisandtransheterozygotes.©2003JohnWileyandSonsPublishers两个相邻的等位基因，基因型均为m1+m2+，但是在染色体上的排列方式不一样，因而表型也不相同第19页，课件共73页，创作于2023年2月Fig15.11Thecis-transpositioneffectobservedbyEdwardLewiswiththeaprandwmutationsofDrosophila.apr：杏色眼w：白色眼顺式排列表现为红色反式排列表现为杏色第20页，课件共73页，创作于2023年2月第21页，课件共73页，创作于2023年2月第22页，课件共73页，创作于2023年2月如何判断突变是在一个顺反子内还是2个不同的非等位基因

a1a1xa2a2

突变型突变型

a1a2突变型

突变型野生型

如果F1代是突变型，说明a1，a2位于同一顺反子的不同位点，如果F1代是野生型，说明a1，a2

是两个非等位基因。第23页，课件共73页，创作于2023年2月顺反子:

是一个遗传单位,一个顺反子决定一个多肽链突变子:

是DNA中构成基因的一个或若干个核苷酸重组子:

重组子代表一个空间单位，它有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换顺反子进一步发展了基因的概念第24页，课件共73页，创作于2023年2月第四节操纵子（Operon）由操纵基因操纵的几个结构基因连锁在一起，由一个启动子转录成为一个mRNA分子，然后翻译成为几种蛋白质，这样的结构称为一个操纵子乳糖操纵子：包括3个结构基因β-半乳糖苷酶、乳糖透性酶、乙酰化酶第25页，课件共73页，创作于2023年2月261.操纵子的提出大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长第26页，课件共73页，创作于2023年2月27大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(-galactosidase)第27页，课件共73页，创作于2023年2月28在环境中没有乳糖时，大肠杆菌合成-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中-半乳糖苷酶活性显著增高这种诱导现象，法国的Jocob和Monod等人通过研究，于1961年提出乳糖操纵子（lacoperon）学说第28页，课件共73页，创作于2023年2月编码阻碍基因的I位点启动子区域P位点操纵基因O位点三个结构基因：ZYA第29页，课件共73页，创作于2023年2月当乳糖缺乏是，I基因表达阻遏物，阻碍物与操纵基因结合，启动子的活性收到阻碍，ZYA基因转录起始受到抑制在乳糖存在是，乳糖与阻遏物结合，改变阻遏物构象使之不能与操纵基因结合因此起始ZYA基因的合成第30页，课件共73页，创作于2023年2月Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.

第31页，课件共73页，创作于2023年2月第五节超基因超基因（supergene)：是指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的基因基因家族：真核生物中由同一祖先基因在进化过程中经突变，重复和倒位等演变而成的具有相同或相似作用的所有基因，称基因家族第32页，课件共73页，创作于2023年2月血红蛋白超基因超基因家族或成员可位于同一染色体上或不同染色体上如脊椎动物的血红蛋白基因，为四聚体，由两条a链和两条β链组成，在不同发育阶段血红蛋白的组成不同

发育阶段血红蛋白的组成胚胎期（≤8周）ξ2ε2ξ2γ2α2ε2胎儿期（3-9月）α2γ2成人期（出生后）α2δ2α2β2第33页，课件共73页，创作于2023年2月

类α基因包括：ξ、ψξ、ψα、α1、α2、θ类β基因包括：ε、Gr、Ar、ψβ、δ、β类α和类β基因在染色体上，紧密连锁，呈直线排列，形成一个超基因

ξψξψαψααθ

εGrArψβδβ第34页，课件共73页，创作于2023年2月基因簇：指基因家族的成员以串联重复方式排列在一起或不同家族的成员构成一重复单位，以串联重复方式排列在一起。原核；5SRNA，16SRNA，23SRNA真核：5.8SRNA，18SRNA，28SRNAtRNA簇第35页，课件共73页，创作于2023年2月假基因（pseudogene）：在基因家族中与功能基因相似的序列，但有许多突变以致于失去了原有的功能，假基因是没有功能的基因。在爪蟾5S基因、珠蛋白基因簇、免疫球蛋白基因簇及组织相容性抗原基因簇中都发现有假基因。第36页，课件共73页，创作于2023年2月第六节真核生物的断裂基因断裂基因的发现1977年Flavell和Jeffreys兔球蛋白基因cDNA与DNA杂交实验同年Chambon鸡卵清蛋白的杂交实验真核生物的基因是断裂的第37页，课件共73页，创作于2023年2月基因的不连续性

在1977年以前，都认为基因是一种为蛋白质编码的连续的核苷酸序列，因为当时对基因的研究都是从原核生物开始的，而在原核基因中很少有基因是间断的后来在对真核生物基因进行研究时经常发现，真核基因比其相应的mRNA长得多，开始以为基因的一端或两端存在一些不转录的序列但从核RNA（hnRNA）和mRNA的大小进行比较发现，核RNA比相应的mRNA长，而与真核基因的大小相似，因此有一部分序列在初始转录中存在，而在mRNA从核转运到胞质之前被除去了真核基因中存在着一些可能被转录但不为蛋白质或多肽编码的序列—真核基因是间断的。随着对真核基因的深入研究，现已发现，绝大多数真核基因都是间断的，包括外显子(exon)和内含子(intron)两个大的部分第38页，课件共73页，创作于2023年2月第39页，课件共73页，创作于2023年2月基因的可变剪切黑腹果蝇tra基因果蝇的dsx基因肌钙蛋白T基因基因的可变剪切现象在真核生物中普遍存在第40页，课件共73页，创作于2023年2月同一DNA序列可编码多种蛋白质利用不同的启动子：有时基因不止一个启动子，或启动子中的不同成分可独立起始转录，只是效率不同，因此可转录产生不同的mRNA利用不同的终止子：与启动子的情况类似改变拼接方式：将不同的外显子拼接在一起，可产生不同mRNA（抗原、抗体可变剪接的意义第41页，课件共73页，创作于2023年2月

promoterexon1exon2exon3exon4exon5terminatorA:利用不同的启动子（例：鸡的强心肌和砂囊肌）

B:利用不同的终止子（鼠降钙素基因）

C:改变拼接方式（例鼠鸡钙蛋白T）

12345

1235

第42页，课件共73页，创作于2023年2月第七节重叠基因（overlappinggene)1973年Weiner研究RNA病毒时的发现1977年Sanger研究X174Phage时发现5387bp的基因组，编码的蛋白质比预期要多重叠基因概念：基因转录起始点不同，但是共用同一段DNA序列或几个核苷酸的不同基因除了RNA病毒和噬菌体，SV40病毒中也有重叠基因第43页，课件共73页，创作于2023年2月第44页，课件共73页，创作于2023年2月原核生物重叠基因的类型一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个基因的核酸序列当中，只是由于读码框不同而编码不同蛋白质两个基因核酸序列末端密码子相互重叠，例如终止密码TGA与起始密码ATG重叠某些核苷酸区段重叠第45页，课件共73页，创作于2023年2月真核生物也有重叠基因果蝇、人、秀丽新小杆线虫中都有发现一个基因的编码序列完全寓居于另一个基因的内含子当中套嵌基因：一个基因的互补链编码另外一个基因第46页，课件共73页，创作于2023年2月第八节可动基因(mobilegene)可动基因的概念：在染色体体上的位置是可以移动的基因被称为可移动基因，也可以称为转座元件或转座因子（Transposableelement)。第47页，课件共73页，创作于2023年2月易位：染色体发生断裂，然后通过断裂末端的重接，使染色体断片连接在同一条染色体的新位置，或是连接转移到另一条染色体上。此时，染色体断片上的基因也随着染色体的重接而移动到新的位置转座：在转座酶的作用下，转座子直接从原来位置切离下来，插入染色体的新位置；或者从自身的DNA序列转录出RNA，RNA逆转录产生cDNA再插入染色体上新的位置转座同易位的概念区别第48页，课件共73页，创作于2023年2月McClintock的贡献原始发现：1951年，McClintockB，在基因组中发现可以移动的基因，1984年获诺贝尔奖玉米粒颜色的遗传。正常：有色有色异常：有色色斑有色无色第49页，课件共73页，创作于2023年2月1932年，美国遗传学家B.McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象。

1951年首次提出转座子的概念，认为在基因组的不同区域存在可移动的控制因子，controllingelement。

1983年获诺贝尔奖。第50页，课件共73页，创作于2023年2月玉米色粒调控元件Ac-Ds系统第9染色体短臂，有色基因C附近C基因，色素合成基因。Ac基因，自主移动的调节因子，4.5kb5个exon，编码转座酶Ds基因，非自主移动的受体因子

0.5-4.0kb，与Ac有同源序列

插入引起色素不能合成玉米的转座因子第51页，课件共73页，创作于2023年2月可动基因(mobilegene)玉米粒颜色的遗传（C基因决定有色）。

CAc有色

CDsAc花斑

CDs无色第52页，课件共73页，创作于2023年2月Ac与Ds因子的结构Ac因子：4.563kb；有5个外显子，产物是转座酶，两端有11个bp的反向重复序列5’CAGGGATGAAA….TTTCATCCCTG3’3’GTCCCTACTTT….AAAGTAGGGAC5’Ds因子（解离因子）：与Ac序列具有很大的相似性，但是中间缺失序列。有0.5-4.0kb，两端有11个bp的反向重复序列，在插入位点上有6-8bp的正向重复序列第53页，课件共73页，创作于2023年2月Ac与Ds因子的转座机制Ac与Ds因子的转座属于非复制机制，即不是先进行拷贝后将拷贝转移，而是直接从原位置消失第54页，课件共73页，创作于2023年2月第55页，课件共73页，创作于2023年2月第56页，课件共73页，创作于2023年2月转座作用的机制转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间转座酶交错切开靶位点，插入序列插入与宿主的单链末端相连接，余下缺口由DNA聚合酶和连接酶填补，插入的两端形成正向重复第57页，课件共73页，创作于2023年2月第58页，课件共73页，创作于2023年2月转座引起的遗传效应插入突变插入失活插入带来新的基因非精确解离形成突变(缺失，重复，到位)插入激活第59页，课件共73页，创作于2023年2月第九节染色体外基因染色体外基因（extrachromosomalgene)：在真核和原核生物细胞中有一些位于染色体外的基因叫染色体外基因第60页，课件共73页，创作于2023年2月一、质粒（plasmid)细菌中除了染色体外，还有大量的小环状分子，就是质粒（plasmid)质粒上有抗生素基因第61页，课件共73页，创作于2023年2月第62页，课件共73页，创作于2023年2月二、线粒体基因组线粒体是真核细胞中的细胞器。每个细胞中含有几十至数千个线粒体。每个线粒体有多个线粒体基因组拷贝线粒体是非孟德尔式遗传，在高等生物中具有母性遗传的特征第63页，课件共73页，创作于2023年2月线粒体基因组变化很大，可相差两个数量级，动物细胞的线粒体基因组较小，在人类、老鼠、牛等细胞中约为16.5kb。酵母线粒体基因组较大，但在不同菌株亦有变化，酿酒酵母约为84kb，每一细胞约有22个线粒体每一线粒体约有4个拷贝DNA，但在生长的细胞中有很大变化第64页，课件共73页，创作于2023年2月第七节基因的相互作用互补基因（conplementarygenes）修饰基因（modifiers）上位效应（epistasis）

第65页，课件共73页，创作于2023年2月基因的相互作用互补基因（complementarygenes）：不同对基因相互作用，出现了新的性状。这两个基因称为互补基因。鸡冠的遗传：玫瑰冠X豌豆冠

RRpprrPP

胡桃冠RrPp胡桃冠玫瑰冠豌豆冠单冠

R-P-R-pprrP-rrpp9:3:3:1

第66页，课件共73页，创作于2023年2月Fig4.13Combshapesinchickensofdifferentbreeds.

a:玫瑰冠

b:豌豆冠

c:胡桃冠

d:单冠第67页，课件共73页，创作于2023年2月修饰基因（modifiers）调控其它基因表达的基因。欧州白茧X黄茧

IIyyiiYY

白蚕茧IiYy

白茧白蚕白茧黄茧

I-Y-I-yyiiyyiiY-931313：3

白蚕茧第68页，课件共73页，创作于2023年2月上位效应（epistasis）某对等位基因的表现，受到另一对等位基因的影响，这种现象称上位效应。隐性上位：一对纯合隐性基因决定了另一对非等位基因表现的现象。兔子毛色遗传：灰色X白色

CCGGccgg

灰色CcGg灰色黑色白色白色C-G-C-ggccG-ccgg934第69页，课件共73页，创作于2023年2月上位效应（epistasis）显性上位：显性基因决定了另一对非等位基因表现的现象燕麦穎壳颜色遗传：黑色X