第3章1節(jié)基因的概念

1、 第三章第三章 基因和基因組基因和基因組 3.1 基因的概念及其本質(zhì)基因的概念及其本質(zhì) 基因的新概念基因的新概念 n斷裂基因 n重疊基因 n跳躍/移動基因 n等 1 斷裂基因（斷裂基因（splitting gene） 不連續(xù)基因不連續(xù)基因 割裂基因割裂基因 n發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：1977 美美Sharp & Roberts 同時同時 發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了斷裂基因斷裂基因 n 法法 Chambon 失機失機 n通過成熟通過成熟mRNA（或（或cDNA） 與編碼基因與編碼基因 的的DNA雜交雜交試驗而發(fā)現(xiàn)。試驗而發(fā)現(xiàn)。 Richard J. Roberts Phillip A. Sharp Nobel Prize

2、 1993 雜交（hybridization） n雜交：親緣關(guān)系很近的不 同來源的DNA單鏈或RNA 單鏈與DNA單鏈之間通過 堿基互補形成雜交分子的 過程。 圖核酸雜交及其應(yīng)用示意圖圖核酸雜交及其應(yīng)用示意圖1 雜化雙鏈雜化雙鏈 .突變體的鑒別突變體的鑒別 I 變性、復性和雜交變性、復性和雜交 .分子探針標記分子探針標記 n 法 Chambon 失機 雞的輸卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋 白，而其紅細胞（鳥類的紅細胞上有核的）只 合成血紅蛋白，那么兩種組織之間DNA有什 么不同呢？ n southern雜交 b b p p E .c o lia 9 2 0 0 E .c o lib 2 3

3、 5 0 E .c o lic 1 7 5 0 E .c o lid 1 2 5 0 紅 細 胞 輸 卵 管 圖 1 0 - 3 8雞 卵 清 蛋 白 c D N A探 針 和 紅 細 胞 及 輸 卵 管 D N A S o u t h e r n雜 交 的 結(jié) 果 EcoR1 HindIII Berget, Sharp小組和小組和Roberts小組用小組用R環(huán)法環(huán)法 雞卵清蛋白基 因DNA與其 mRNA雜交圖 n割裂基因：基因的編碼序列在DNA上不是連續(xù)的，而 是被不編碼的序列隔開。 n外顯子 Exon ：基因中編碼的序列，與mRNA的序列相 對應(yīng)。 n內(nèi)含子 Intron ：基因中不編碼的

4、序列。 Precursor mRNA (pre-mRNA) Heterogeneous nuclear RNA (HnRNA) 真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物又稱為 所以真核生物基因又稱為 Splitting gene Interrupted gene 間隔基因，斷裂基因 前體mRNA, 核內(nèi)不均一 RNA 由于真核生物的絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因都含有內(nèi)含子 剪接剪接: 前體前體RNA中由內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄下來的序列去除，并中由內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄下來的序列去除，并 把由外顯子轉(zhuǎn)錄的把由外顯子轉(zhuǎn)錄的RNA序列連接起來的過程。序列連接起來的過程。 割裂基因割裂基因 前體前體mRNA Introns 去除去除 Exons 連接連接

5、剪接剪接 2 重疊基因 2.1 重疊基因的概念 重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有 一段DNA序列。 2.2 重疊基因的發(fā)現(xiàn)：1978年，Sanger，F(xiàn)eir X174DNA全長：5386核苷酸 編碼的9種蛋白全長：2000個氨基酸； 3X2000 = 6000核苷酸 n噬菌體噬菌體G4、MS2和和SV40中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因 原核生物的重疊基因原核生物的重疊基因 2.3 基因重疊的方式 1） 大基因內(nèi)包含小基因： 如：B基因包含在A基因內(nèi)，E基因完全包含在D基因內(nèi)。 2） 前后兩基因首尾重疊： 例1： 如：基因D 終止 X174DNA序列：5TAATG3 重疊1個堿基

6、基因J 起始 例2： 如：基因A 終止 X174DNA序列 5ATGA3 重疊4個堿基 基因C 起始 n根據(jù)密碼子的起始位置，一個DNA順序可能有3種閱讀框 n例如，序列ATTCGATCGCAA CAA A ATT CGA TCG A TTC GAT CGC AA AT TCG ATC GCA （1） （3） （2） n但只有一種具有編碼的作用，稱為開放閱讀框 （open reading frame，ORF） n開放閱讀框：基因序列的一部分，包含一段可以 編碼蛋白的堿基序列，不能被終止子打斷。 真核生物的重疊基因真核生物的重疊基因 3. 移動基因 n轉(zhuǎn)座(因)子是基因組中一段可移動的DNA序列

7、，可以通過 切割、重新整合等一系列過程從基因組的一個位置“跳躍” 到另一個位置。 n最簡單的轉(zhuǎn)座子不含有任何宿主基因而常被稱為插入序列 （IS） n復合型的轉(zhuǎn)座因子稱為轉(zhuǎn)座子(transposon，Tn)。這種轉(zhuǎn) 座因子帶有同轉(zhuǎn)座無關(guān)的一些基因，它的兩端就是IS，構(gòu) 成了“左臂”和“右臂”。兩個“臂”可以是正向重復， 也可以是反向重復。這些兩端的重復序列可以作為Tn的一 部分隨同Tn轉(zhuǎn)座，也可以單獨作為IS而轉(zhuǎn)座。 玉米Ac/Ds 轉(zhuǎn)座子 n若玉米帶有野生型C基因，則胚乳呈紫色； nC基因的突變阻斷了紫色素的合成，那么胚乳呈白色。 n在胚乳發(fā)育的過程中，回復突變導致斑點的產(chǎn)生。回復突 變發(fā)生在

8、早期發(fā)育階段，紫斑就比較大。 nMcClintock推測原來的C突變（無色素）是由一個“可移 動的控制因子”引起的，稱解離因子解離因子（dissociator，Ds）， 它可以插入到C基因中（即轉(zhuǎn)座）。 n另一個可移動的控制因子是激活因子激活因子（activator，Ac）， 它的存在可激活Ds轉(zhuǎn)座，進入C基因或其他基因，也能使 Ds從基因中轉(zhuǎn)出，使突變基因產(chǎn)生“回復突變”，這就 是Ac/Ds系統(tǒng) S 玉米Ac/Ds系統(tǒng)的遺傳效應(yīng)舉例 紫色胚乳 無色胚乳 紫色斑點胚乳 激活Ds轉(zhuǎn)座 Ds可轉(zhuǎn)座到C基因 正常的C基因表達 產(chǎn)生紫色色素 被插入失活的C基因 在胚發(fā)育時激活Ds，使其從C基因中轉(zhuǎn)座出

9、來 突變的c基因 正常的C基因 突變的c基因回復 成為正常的C基因 n4. 假基因 n假基因(pseudogene)具有與功能基因相似的序列，但由 于有許多突變以致失去了原有的功能，所以假基因是沒 有功能的基因，常用表示。 n5. 超基因 n真核生物基因組中緊密連鎖的若干個基因座，它們作用 于同一性狀或一系列相關(guān)性狀。 n操縱子是細菌中與同一種生化功能有關(guān)的幾個基因(如控 制色氨酸合成的有關(guān)基因)在基因組內(nèi)聚成一簇而緊密連 鎖，并受一個基因調(diào)控。 n6. 基因族 n一個基因家族中的幾個成員緊密地排列在某一條染色體 上形成一個基因族 n人類基因組的超基因如血紅蛋白基因簇，位于16號染色 體，跨度

10、約30 kb，由編碼血紅蛋白的類。在個體發(fā)育的 不同時期，基因簇中的不同基因進行表達。 n7. 基因家族 n一個祖先基因經(jīng)過重復(duplication)和變異而產(chǎn)生的一組 基因，組成了一個基因家族(genefamily)。基因家族中的 各個成員可以聚集成簇也可以分散在不同染色體上，或 者兩種情況兼而有之。結(jié)構(gòu)基因家族中各個成員通常具 有相關(guān)的甚至相同的功能。 n8. 超基因家族 n一個共同的祖先基因通過各種各樣的變異，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu) 大致相同但功能卻不盡相似的一大批基因。這一大批基 因分屬于不同的基因家族，但可以總稱為一個基因超家 族(superfamily)。 二、基因的特點 n不連續(xù)性 n重

11、復性 n可移動性 n重疊性 三、基因的表示符號 n1. 每個基因由斜體小寫的三個字母表示 n2. 產(chǎn)生同一表型的不同基因，在三個字母后用不 同的大寫斜體英文字母表示 n如：trpA trpB n3. 突變型右上角“-”；抗性右上角“r”；敏感“s” n如：leu- ampr 四、堿基順序與氨基酸順序的關(guān)系 n1926年 美國 摩爾根基因論出版 n認為基因是組成染色體的遺傳單位，并且證明基 因在染色體上占有一定位置，而且呈線性排列。 n基因作為一個功能單位控制有機體的性狀表達。 n基因以整體進行突變，是突變的最小單位。 n基因在交換中不能被分割，是重組的最小單位。 n提出“功能、交換、突變”三位

12、一體的基因概念。 n4.1 “一個基因一種酶”和“一個基因一條多肽鏈” n4.2 基因順反子的概念 n4.3 基因是一段有功能的DNA序列 4.1 從 “一個基因一個酶”到“一個基因一條多肽鏈” n1941年 G W Beadle 和 E L Tatum n一個基因一個酶：紅色鏈孢霉各種營養(yǎng)缺陷突 變體與酶缺陷相關(guān)- 基因?qū)π誀畹目刂剖峭?過基因控制酶的合成來實現(xiàn)的。 n上世紀50年代，Yanofsky n一個基因一條多肽鏈：有些蛋白質(zhì)不只由一種 肽鏈組成，如血紅蛋白和胰島素，不同肽鏈由 不同基因編碼。 Beadle Tatum 4.2 基因順反子（基因順反子（Cistron）的概念）的概念

13、n1955年，美國本茲爾(Benzer)提出順反子的概念： n是指編碼一個蛋白質(zhì)的全部組成所需信息的最短片 段，即一個基因。 n基因僅是一個功能單位，基因內(nèi)部的堿基對才是重 組單位和突變單位。 順反測驗順反測驗 n怎樣判斷一個基因呢？有兩個標準： 編碼一條多肽鏈，只能判斷是，卻不能說不能 編碼多肽鏈的DNA序列就不是一個基因。 功能上被順反測驗（cis-trans test）或互補測驗 (complementary test)所規(guī)定。 順反測驗順反測驗 n根據(jù)基因的功能確定兩個基因是否等位的測驗 方法稱為順反測驗。 n假定兩個獨立起源的隱性突變，都與同一個單 位性狀相關(guān)，比如一個決定花的顏色是

14、紅色， 另一個決定花呈粉紅色，而野生型花是白色的。 這兩個突變是兩個不同的基因的突變呢還 是同一個基因內(nèi)兩個不同位點的突變呢？ 順反測驗順反測驗 n要回答這個問題，有兩個途徑： 假如我們知道這兩個基因在染色體上處于不同 的位置，就可以判斷它們是兩個不同的基因。 但就目前的水平，我們不能區(qū)分相鄰的兩個基 因座位。 看它們在功能上能否互補，即對其功能進行測 驗。 順反測驗順反測驗 n首先建立一個雙突變雜合二倍體。也就是說把 兩個隱性突變通過雜交引入同一個細胞。然后 測定這兩個突變基因之間有無互補功能。 雙突變雜合二倍體有兩種排列方式： 順式： + + 反式： a + a b + b 順反測驗順反測

15、驗 n順反測驗就是根據(jù)順式和反式表現(xiàn)是否相同來推測 兩個突變是屬于同一個順反子還是分屬于兩個相鄰 的順反子。 如果兩個隱性突變發(fā)生在同一個基因內(nèi)的不同 的位點上，在反式狀態(tài)下，兩條染色體上都只能產(chǎn) 生突變的mRNA，編碼突變的蛋白質(zhì)，當然只能產(chǎn) 生突變的表現(xiàn)型，在順式狀態(tài)下，由于隱性的突變 基因不表達，因而表現(xiàn)為野生型。 順反測驗順反測驗 若兩個突變發(fā)生在兩個相鄰的基因內(nèi)，在反 式條件下，兩個隱性的突變基因都不表達，但 它們的顯性野生型等位基因都能正常表達，因 而表現(xiàn)的野生型。順式狀態(tài)下，當然也表現(xiàn)為 野生型。 順反測驗順反測驗 n由這種功能測驗所規(guī)定的最小功能單位稱為順反子 n也就是說，同一

16、順反子上的兩個突變，在反式狀態(tài)下 是不能互補的；若兩個突變在反式狀態(tài)可以互補，便 意味著他們分屬于兩個不同的順反子。從這個意義上， 順反測驗又稱為互補測驗（complementary test） n順式結(jié)構(gòu)的表型效應(yīng)不同于反式結(jié)構(gòu)的表型效應(yīng)的現(xiàn) 象稱為順反位置效應(yīng)。具有順反位置效應(yīng)的兩個突變 型屬于同一個順反子。 順反測驗順反測驗 順反測驗證明基因是遺傳物質(zhì)的一個功能單位， 是一段連續(xù)的DNA序列。 但是，一個基因可以在許多不同的位置上發(fā)生 突變，所以基因不是一個突變單位。屬于同一個 基因內(nèi)的不同突變也是可以發(fā)生重組的，所以基 因也不是一個重組單位。 基因內(nèi) 突變位點突變位點 在同一基在同一基 因上因上 突變位點突變位點 在不同的在不同的 基因上基因上 基因上； 的基因上； 6.3 基因是一段有功能的DNA序列 DNA雙螺旋模型 1953年 Watson和Crick提出 遺傳中心法則 1957年 Crick提出 順反互補試驗 1955年 Benzer提出：順反子 三聯(lián)遺傳密碼的破譯 Nirenberg等 1961-67年： 70年代：可移動基因的證實、隔裂基因和重疊 基因的發(fā)現(xiàn)等。 近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列， 基因是