分子遺傳學(xué)第二章 基因的性質(zhì)

1、第 二 章 基 因 的 性 質(zhì)（The Nature of the gene）共六十四頁第一節(jié) 基因(jyn)的作用一、人的先天代謝缺陷 “inborn errors in metabolism”1黑尿癥：正常人具有尿黑酸氧化酶，使尿黑酸轉(zhuǎn)化為乙酰醋酸，最后分解為CO2和水。黑尿癥患者無尿黑酸氧化酶。尿液中含有尿黑酸，排出經(jīng)氧化后變黑。黑尿病基因為a，患者基因型aa，正常人為AA或Aa。共六十四頁2苯丙酮尿癥：PP個體不能形成苯丙氨酸羥化酶，使苯丙氨酸不能轉(zhuǎn)化為酪氨酸。大量苯丙氨酸積累進(jìn)一步引起下列反應(yīng)： （1）苯丙氨酸自發(fā)轉(zhuǎn)化為一種有毒物質(zhì)苯丙酮酸，隨尿排出(pi ch)（2）過量苯丙氨酸積

2、累，損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，影響智力發(fā)育（3）血液中苯丙氨酸積累抑制了酪氨酸的代謝。后者是黑色素的前體，造成白化病，無正常的酪氨酸酶。 酪氨酸酶的基因為C。正常人為CC或Cc，白化病人為cc。共六十四頁結(jié)論：先天性代謝缺陷是由于(yuy)一種酶的缺失造成，有一隱性基因控制?；虻淖饔檬菦Q定某種酶，從而控制代謝途徑，控制某一性狀。 基因是如何控制代謝途徑或生化反應(yīng)的呢？共六十四頁二、“一個(y )基因一種酶”學(xué)說 四十年代，Beadle和Tatum 對鏈孢霉的研究進(jìn)一步闡明了 基因的作用?；蚴侨绾慰刂拼x(dixi)途徑或生化反應(yīng)的呢共六十四頁1假定：某一生物合成(hchng)途徑如下：起始(q s

3、h)物：1 2 3 4 5 終產(chǎn)物ABC D基因a決定酶A，如果基因b缺失：abcd基因b A B C D 1 2 3 4 5產(chǎn)物酶結(jié)果：產(chǎn)物2轉(zhuǎn)化為3的反應(yīng)不能進(jìn)行。即在物質(zhì)2上被阻斷。如加入3或4，可以得到終產(chǎn)物5。如加入更多的1，也不可能合成終產(chǎn)物5。B共六十四頁2. 闡明上述原理的例子分析 假定有一些實變體需要(xyo)物質(zhì)G才能生長，生物合成途徑中AE的所有成份是已知的，試驗每種成份維持突變體生長的能力，結(jié)果如下： 成份ABCDEG 1+ 2+ 3+ 4+ 5+“+”能生長 “”不能生長 突 變 體 共六十四頁問（1）：在 這一途徑中，AE和G的順序？思考：能使大多數(shù)突變體生長的物質(zhì)

4、是最末生成的，而最早生成的物質(zhì)能維持突變體生長的數(shù)目是最少的,可以得到(d do)以下順序： E A C B D G共六十四頁問（2）：上述突變體是由于途徑中那一步受阻造成的？ 思考：E不能滿足EA之間受阻的突變體生長的要求，而其它物質(zhì)(wzh)都能滿足 EA之間突變體生長的要求。從表中可知突變體5一定是由于EA轉(zhuǎn)化受阻造成。同樣，E或A不能使突變體4生長，其它物質(zhì)(wzh)都能使其生長，因此4肯定是由于AC的轉(zhuǎn)化中受阻造成。最后可得： ABCDE G 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 5 4 2 1 3GDBCAE共六十四頁3Beadle和Tatum實驗 營養(yǎng)缺陷型（auxotrophs）：不能

5、在基本(jbn)培養(yǎng)基上生長，只能在補加了特定營養(yǎng)物之后才能生長的實變體。 有一組需要精氨酸才能在基本培養(yǎng)基上生長的鏈孢霉突變體：它們對鳥氨酸和瓜氨酸的反應(yīng)如下：arg突變體對不同附加物的生長反應(yīng) 突變體鳥氨酸瓜氨酸精氨酸 arg1 + + + arg2 + + arg3 +共六十四頁 Beadke等提出了鏈孢霉精氨酸合成的生化模型： 酶X 酶Y 酶Z 前體鳥氨酸瓜氨酸精氨酸 Beadle等將不同的突變體定位于相應(yīng)的合成步驟(bzhu)上 arg1arg2arg3基因 X Y Z 酶 前體鳥氨酸瓜氨酸精氨酸共六十四頁該模型(mxng)已成為“一個基因一種酶”的理論*要點：（1）細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)

6、由一系列不同反應(yīng)步驟組成；（2）每一步反應(yīng)都有一種特異性酶催化；（3）每一種酶由一個基因控制。共六十四頁一、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 一條肽鏈中的氨基酸線性順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的三維構(gòu)型決定于氨基酸的順序即一級結(jié)構(gòu)，基因是通過控制(kngzh)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)來決定酶的功能的。 第二節(jié) 基因與蛋白質(zhì)的相互(xingh)關(guān)系共六十四頁 Peptide bond formation between two amino acid, resulting from a dehydration reaction 13-16共六十四頁The quaternary level of protein struc

7、ture as seen in hemoglobin 13-19共六十四頁二、蛋白質(zhì)順序分析Sanger測定多肽順序的方法(fngf)：蛋白質(zhì)指紋（fingerprints）：蛋白質(zhì)經(jīng)水解后形成較小的片段，經(jīng)層析法分離和染色后，不同大小的片段以特定的位置出現(xiàn)。不同的水解酶作用后產(chǎn)生不同的指紋。Sanger證明：某一特定蛋白質(zhì)的氨基酸順序是特異性的“The amino-acid sequence is what makes insulin insulin”.共六十四頁三、基因突變與蛋白質(zhì)變化的關(guān)系 1957年，Vernon Ingram對正常人的HbA和鐮形細(xì)胞貧血癥的基因突變純合體的HbS作比

8、較研究。 正常人的血紅蛋白（hemoglobin, Hb）由兩條鏈和兩條鏈組成，鏈有141個aa，鏈有146個aa。HbA和HbS的指紋只有一個位置上有區(qū)別，進(jìn)一步對不同指紋部位作序列(xli)分析發(fā)現(xiàn)只有一個aa的差異： 1 2 3 4 5 6 7 正常HbA：纈組亮蘇脯谷谷 鐮形HbA：纈組亮蘇脯纈谷共六十四頁A comparison of erythrocytes from normal (a) and from individuals with sickle-cell anemia (b).正常(zhngchng)紅細(xì)胞鐮形紅細(xì)胞共六十四頁Investigation of hemogl

9、obin derived from HbAHbA and HbSHbS. individuals using electrophoresis, fingerprinting, and amino acid analysis.共六十四頁結(jié)論：在鏈上第6位的纈氨酸代替了正常的谷氨酸，從而造成(zo chn)缺陷性血紅蛋白。Ingram的研究結(jié)果說明：通過遺傳分析確定的基因突變可以與一個蛋白質(zhì)的aa順序的變化相連系，基因決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)順序。共六十四頁四、基因與蛋白質(zhì)的線性對應(yīng) 1967年，Charles Yanofsky對E.coli色氨酸合成酶的研究證明(zhngmng)了基因的變化與蛋白質(zhì)

10、變化之間有線性對應(yīng)。 色氨酸合成酶由A、B兩條多肽組成，trpA基因和trpB基因控制各自多肽的合成。 在trpA基因圖中其突變點的順序與多肽A的氨基酸變化的位置有一種精確的對應(yīng)關(guān)系。共六十四頁H3N突變(tbin)位點COO1 15 22 49 175 177 183 211 213 234 235 243 賴 苯 谷 酪 亮 蘇 甘 甘 甘 絲 谷 丙 酰 終 亮纈 谷 甲 半 精 異精谷纈半天(bntin)亮 終 止 酰 胱 亮 胱在E.coli 色氨酸合成酶trpA基因圖中其突變點的順序與多肽A的氨基酸變化的位置有一種精確的對應(yīng)關(guān)系共六十四頁 結(jié)論：基因(jyn)的線性順序和多肽的線性

11、順序之間有對應(yīng)關(guān)系，即：基因(jyn)的核苷酸線性順序決定蛋白質(zhì)的aa線性順序。共六十四頁 五、“一個基因一種(y zhn)酶”學(xué)說對經(jīng)典遺傳學(xué)的某些解釋1對遺傳比例和顯性的解釋： 豌豆花色素的遺傳，雙因子雜種F2的比為9：7, P：（白） AAbb aaBB（白） F1：全部 AaBb （紫色） F2： A B A bb aaB aabb 紫9 白3 白3 白1共六十四頁 解釋： 在最終(zu zhn)產(chǎn)生紫花色素的生物合成途徑中有兩個白色前體： 基因A 基因B 酶A 酶B 前體1 前體2 紫花色素 A B A bb aaB aabb 紫9 白3 白3 白1共六十四頁 顯性表示某一酶的功能正

12、常(zhngchng)，隱性表示該酶缺少活性。一個雜合體Aa具有產(chǎn)生正常(zhngchng)功能酶的顯性等位基因： 等位基因 A 等位基因 a 酶A 無功能的 酶 前體X 產(chǎn)物Y（產(chǎn)生Y表型） 雜合體Aa表現(xiàn)為Y表型。A對a是顯性。共六十四頁2臨界值模型只有當(dāng)產(chǎn)物Y的濃度超過某一臨界值時才能產(chǎn)生表型Y。純合體AA比雜合體Aa產(chǎn)生更多的酶A。因此(ync)就會產(chǎn)生更多的產(chǎn)物Y。雜合體Aa的表型取決于它的Y產(chǎn)物量與臨界的關(guān)系。A2A2A1A1B1B1 B1B2 A1A2B2B2表型Y表型X 臨界點 酶濃度(nngd)產(chǎn)物Y濃度共六十四頁無臨界值時，雜合體Aa為中間表型，這是一種(y zhn)不完全

13、顯性。與產(chǎn)物(chnw)濃度相稱的表型 產(chǎn)物Y濃度 酶濃度 C1C1 C1C2C2C2共六十四頁第三節(jié) 遺傳精細(xì)結(jié)構(gòu) 經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的念珠理論 （1）基因是結(jié)構(gòu)的基本單位，它不能由交換分開。交換只發(fā)生(fshng)在基因之間，而不能在內(nèi)部。 （2）基因是突變的基本單位，基因可以從一種等位基因變?yōu)榱硪坏任换?，但在基因?nèi)部沒有可以變更的更小單位。 （3）基因是功能的基本單位，基因的一部分，如果存在的話是不能起作用的。 上述“三位一體”的基因概念在四十年代以前占統(tǒng)治地位。Benzer在50年代初的研究表明：念珠理論是不正確的。共六十四頁 T4噬菌體的結(jié)構(gòu)(jigu)The structure

14、of bacteriophage T4 including an icosahedral head filled with DNA, a tail consisting of a collar, tube sheath, base plate, and tail fibers. 共六十四頁一、細(xì)菌(xjn)噬菌體的生活周期Life cycle of bacteriophage T4. 共六十四頁二、T4噬菌體的rII系統(tǒng) r型突變體：快速溶菌突變體（rapid lysis），Benzer選擇rII突變體作研究的優(yōu)點是：與野生型rII+ 相比具有不同的宿主范圍(fnwi)。rII不能在E.col

15、i K上生長提供了一種選擇手段。 T4 rII 突變體和rII+在E.coil上的表型 T4 E.coil B E.coil K（） rII大而清晰園 + rII+ 小而模糊 + + 小而模糊共六十四頁 E.coil B能使rII突變體生長，稱為(chn wi)rII的許可性宿主（Permisive host），E.coli K（）不能使rII突變體生長，稱為rII的非許可性宿主（Nonpermisive host）。共六十四頁三、噬菌體的雜交和選擇 用兩種不同的rII突變體感染同一細(xì)菌E.coli B，一旦 進(jìn)入細(xì)胞，T4之間的DNA就發(fā)生(fshng)重組，從而產(chǎn)生重組類型的噬菌體。然后感

16、染E.coli K，野生型重組體的數(shù)目等于在K上的pfu/ml的數(shù)（Plague forming Unit） 優(yōu)點：用rII系統(tǒng)和兩個宿主，不需要篩選大量的噬菌斑就能選擇到極少發(fā)生的重組體。共六十四頁兩個不同突變的噬菌體DNA重組的過程 用兩個不同突變體的噬菌裂解液加到E.coli B株的肉湯培養(yǎng)液中，當(dāng)二個突變類型的DNA感染同一細(xì)菌時可發(fā)生雜交。大多數(shù)復(fù)制的DNA是原來的類型，有時也能重組產(chǎn)生一種雙重突變型和正常的重組體（即野生型）。雜交后代(hudi)植到E.coli B上后，都能良好生長，而植于E.coli K時，只有重組野生型才能生長，雙突變體重組型不能生長。共六十四頁Mix the

17、 two phagesCoinfect E.coli B AAr103r104Wild typeDouble mutant phageTake some of the phage preparation,dilute it(10-8), and infect E.coli BTake some of the phage preparation,dilute it(10-3 ), and infect E.coli KPlate the cells and observe the number of plaques.Total number of phagesWild type phages p

18、roduced by intragenic recombination兩個(lin )不同突變的噬菌體DNA重組的過程共六十四頁四基因內(nèi)重組 Intragenic Recombination 將8個獨立而來的rII突變體成對感染E.coli B。形成噬菌斑后再將其裂解液接種感染E.coli K，只有野生型重組體rII 才能生長，而雙重組型（rIIrII）不能撿出，也不能生長。因此計算重組體的方法是以野生型的數(shù)2。公式(gngsh)如下：重組率= 2rII+ 噬菌體數(shù) 總 噬 菌 斑 數(shù)2在K上生長(shngzhng)的噬菌體數(shù) 在B上的噬菌斑數(shù)100%共六十四頁 T4 rII位點基因(jyn)

19、內(nèi)重組的選擇。rII不能在K上生長，當(dāng)二個帶有rII不同等位基因(jyn)的T4感染同一B株后，其某些后代能在K上生長，即已成為rII，結(jié)果說明在一個基 因內(nèi)發(fā)生了重組，而不是在基因間。 E.coli B rII rII ” 植于E.coli K上選擇(xunz)共六十四頁根據(jù)重組率所得基因圖： rII1 rII7 rII4 rII5 rII2 rII8 rII3 rII6 _|_|_|_|_|_|_|_|_它們的圖距就是rII+的重組率。rII基因內(nèi)重組說明，基因是可以分割重組的，它由更小的單位組成，Benzer稱其為重組子recon，重組可以發(fā)生在重組子之間，但不能發(fā)生在其內(nèi)部。因此，重組

20、子(而不是基因)是重組的單位，基因是重組子完整的線性順序(shnx)，一對核苷酸是重組的最小單位。共六十四頁第四節(jié) 突變位點分析 基因內(nèi)發(fā)生重組有助于構(gòu)建詳細(xì)的基因圖，由各種等位基因突變體雜交發(fā)生基因重組的相對頻率能揭示出基因內(nèi)突變位點的順序(shnx)和相對位置。一、缺失突變體（deletion mutants） 是由于DNA上消除了某個片段所引起的突變。在以缺失突變?yōu)楸尘暗闹亟M試驗中，突變不可能恢復(fù)到野生型。因為和那個特定突變體相對應(yīng)的野生型區(qū)段的DNA已不復(fù)存在。共六十四頁 二、缺失作圖 deletion mapping Benzer利用在rII區(qū)域中含有短的缺失的特殊突變(tbin)體

21、來定位其它新的突變(tbin)位點。 1原理：假定一個由12個突變位點組成的基因圖： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 有一特殊突變體D1，當(dāng)它分別與帶有突變點1、2、3、4、5、6、7或8的突變體雜交時不能獲得rII+重組體，那么D1就是缺失18位點的突變體： 9 10 11 12缺 失 區(qū)共六十四頁 有另一突變體D2，當(dāng)它與5、6、7、8、9、10、11或12突變位點的突變體雜交時不能獲得rII+重組體。即D2就是缺失512的突變體 根據(jù)(gnj)重疊缺失區(qū)，可將基因分成三個區(qū)域 I II III D1 D2 1 2 3 4缺 失 區(qū)共六十四頁 2如何定位新的突變(tb

22、in)位點？ （1）當(dāng)與D1雜交能獲得rII+重組體，與D2雜交卻不能，該突變體的突變位點位于III區(qū)； （2）當(dāng)與D2雜交時能夠，但與D1雜交時不能獲得rII+重組體，該突變位于I區(qū)； （3）與D1和D2雜交都不能得到rII+重組體，其突變位點位于II區(qū)。共六十四頁 在III區(qū)里(q l)的一個突變體與D1雜交獲得rII+的情形；I 和II缺失(qu sh)區(qū)I和II區(qū)D1新突變體+III區(qū)突變位點III區(qū)共六十四頁 （4）缺失突變體之間也可以(ky)雜交從而象點突變那樣定位，如果雜交得不到rII+重組體，那缺失區(qū)就是重疊的。例如有一缺失圖： 12 3共六十四頁 利用上述缺失圖可將新的突變定

23、位。*思考：下圖表示T4 rII A順反子中4個缺失突變體的缺失圖 1 2 3 4 現(xiàn)有在rII A中4個點突變體ad，分別試驗它們與4種缺失突變體雜交(zjio)獲得rII+的能力，結(jié)果如上表。 問：4種點突變的順序怎樣排列？ abcd 1+ 2+3+ 4+ 共六十四頁思考題：有一組噬菌體缺失(qu sh)突變體（15），成對相互雜交得到下列結(jié)果（“+”表示能獲得rII+重組體，“”表示不能）1 2 3 4 512345 + + + + + + + + + + 根據(jù)上述結(jié)果畫出5個缺失突變體的缺失圖。用線條表示(biosh)缺失區(qū)域。 共六十四頁12345參考答案共六十四頁 第五節(jié) 互補(h

24、 b) Complementation 基因(jyn)另一類功能的性質(zhì)是互補作用共六十四頁 一、二倍體的互補作用 （白）A A b b a a B B（白） AaBb（紫） AaBb個體能完成(wn chng)紫花色素所需的兩步生化反應(yīng)，因為二條染色體上各自能提供一個起作用的基因： 共六十四頁 染色體1 A b 酶A (1)起始(q sh)物 (2)中間(zhngjin)物 (3)終產(chǎn)物紫花色素 染色體2 a B酶B染色體1能提供酶A，染色體2能提供酶B。這兩個部分缺陷的染色體能相互補償缺陷的部位，也就是說能互補。共六十四頁二、噬菌體T4的互補作用 1當(dāng)不能單獨在K菌株上生長的兩個rII突變體

25、混合感染時，它們能象野生型噬菌體那樣在K株上生長，這樣兩種突變型稱為互補的突變型，因為每一種能補償另一種功能。使兩者都能生長。（T4染色體在宿主(szh)細(xì)胞中暫時二倍化）共六十四頁 2不同的rII突變體可以分成(fn chn)兩類：即A組和B組。A組中的所有突變體能與B組中的所有突變體互補，而A組中的某一突變體不能與該組中的另一突變體互補，同樣B組中的某一突變體也不能與該組中另一突變體互補。A組中的所有突變體能定位到rII區(qū)段的一邊，B組中的所有突變體能定位到rII區(qū)段的另一邊上 A組 B組A互補(h b)群B互補群共六十四頁混合(hnh)感染rII突變體rII突變體 E .coli k()

26、互補作用 無互補作用細(xì)胞裂解(li ji)釋放 細(xì)胞不裂解(li ji)無子出子代噬菌體 代噬菌體釋放rII互補作用圖解：兩個不同的突變體rII和rII同時感染E.coli K，一般情況下，rII突變體不會裂解K產(chǎn)生子代噬菌體；然而當(dāng)兩個rII能互補時，就會裂解并有噬菌體生長，如果兩個突變體不能互補，就不會裂解，也不會有噬菌體生長。共六十四頁3rII突變體互補的解釋： rIIA rIIB rII1 （1） （2） 裂解 有兩個基因rIIA和rIIB在細(xì)菌裂解中起作用，裂解的兩個步驟(bzhu)分別由rIIA基因產(chǎn)生的酶A和rIIB基因產(chǎn)生的酶B控制。兩個rII突變體分別在rIIA或rIIB區(qū)域

27、缺陷 。 + rIIA rIIB + rII酶A酶B共六十四頁由于rII1和rII2的染色體各自能產(chǎn)生裂解途徑中所必需的一種(y zhn)酶,所以裂解就能發(fā)生,即有野生型表型出現(xiàn)，稱這兩個rII突變體能互補與二倍體植物細(xì)胞染色體互補作用相類似，T4噬菌體的混合感染使噬菌體染色體處于暫時的“二倍體”細(xì)胞狀況，在這過程中發(fā)生了互補作用。共六十四頁三、順反子（Cistron）不能互補的突變必然影響的是同一功能單位，能夠互補的突變必定影響不同的功能單位，通過(tnggu)順反試驗發(fā)現(xiàn)的遺傳功能單位稱為順反子。rII區(qū)段中包括兩個作用單位A和B。也就是兩個順反子。共六十四頁順反子的概念來自順反試驗：它是

28、用于說明在同一染色體上（順式）或相對染色體上（反式）排列的突變位點之間的互補試驗。順式試驗實際是對照，反式試驗才是真正(zhnzhng)的互補試驗。如果反式排列時有互補作用，說明兩個突變位點處于不同的順反子中，如不能互補，說明它們屬于同一順反子。共六十四頁 順式試驗(shyn)反式試驗(shyn)突變位點位于同一順反子中突變位點于不同順反子中A B A B A B A B+ + +一個順反子是一段遺傳區(qū)域，在這一遺傳區(qū)域中的突變位點之間沒有互補作用。例如兩個不同的rII突變體（反式結(jié)構(gòu)）感染同一細(xì)菌，而噬菌體不能生長，那么這兩個突變位于同一順反子中（右上）；如果有互補作用，即后代噬菌體能生長，那么這兩個突變體位于不同的順反子中（右下），在右上圖中，只有順反子B的功能正常，而在右下圖中，A、B兩個順反子的功能都正常。共六十四頁 順反子（Cistro