基因的分子基礎(chǔ)和基因調(diào)控課件

1、第六章 基因的分子基礎(chǔ)和基因調(diào)控 第一節(jié) 基因的分子基礎(chǔ) 第二節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)、作用與調(diào)控 第三節(jié) 基因的概念與發(fā)展 第一節(jié) 基因的分子基礎(chǔ)一、遺傳物質(zhì)應(yīng)具備的四個條件 1941年美國遺傳學(xué)家比德爾（Beadle, G. W.）等人，開創(chuàng)了微生物遺傳學(xué)，由于此門學(xué)科的發(fā)展，加上生物化學(xué)、生物物理學(xué)及許多新技術(shù)不斷引入遺傳學(xué)，1953年，美國分子生物學(xué)家watson，J. D.和英國分子生物學(xué)家Crick, F. H. C. 提出了DNA雙螺旋模型，開創(chuàng)分子遺傳學(xué)，即現(xiàn)代遺傳學(xué)。隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)擁有大量的直接和間接證據(jù)，證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而在缺少DNA的某些病毒中，RNA就是遺

2、傳物質(zhì)。 DNA只所以能作為遺傳物質(zhì)，是因?yàn)樗邆淞诉z傳物質(zhì)應(yīng)具備的四個條件： （1）能夠自我復(fù)制，并且是半保存復(fù)制。 （2）能攜帶大量的遺傳信息。 （3）能準(zhǔn)確地把遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)。 （4）相對穩(wěn)定，但也能發(fā)生變異。 二、基本概念 1、遺傳信息：核酸（nucleic acid）（DNA，RNA，主要指DNA）分子中核苷酸（nucleotide）序列所表達(dá)的信息。 2、遺傳密碼（genetic code）：DNA上對應(yīng)于氨基酸的核苷酸順序。每個氨基酸是由連續(xù)三個核苷酸決定的，所以也叫三聯(lián)體密碼。 3、轉(zhuǎn)錄（transcription）：以DNA為模板合成mRNA 的過程。即遺傳信息從DNA

3、轉(zhuǎn)到RNA分子上。 4、密碼子（codon）：mRNA上決定一個特定氨基酸的三個連續(xù)核苷酸，叫一個密碼子。如CAU是組氨酸的密碼子，CGU是精氨酸的密碼子。CGUCGCCGACGGCAUCAC 5、簡并（degeneracy）：大多數(shù)氨基酸可以由兩個或兩個以上的密碼子所編碼。如：組氨酸（CAU、CAC ）、精氨酸 （CGU、CGC、CGA、CGG ）這有利于性狀和物種的穩(wěn)定。 6、翻譯（translation）：以mRNA為模扳合成多肽的過程。 7、中心法則（central dogma）：1957年Crick把遺傳信息的流向概括為中心法則： 復(fù)制 DNA 轉(zhuǎn)錄 離體實(shí)驗(yàn)條件下 反轉(zhuǎn)錄 結(jié)構(gòu)蛋白

4、質(zhì)：作為細(xì)胞的組成部分 RNA 蛋白質(zhì) 功能蛋白質(zhì)：如血紅蛋白 復(fù)制 翻譯 酶： 遺傳信息從DNA mRNA 蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程以及遺傳信息從DNADNA的復(fù)制過程，稱為中心法則，這個中心法則從噬著體到真核生物的整個生物界都是通用的，具有普遍意義（粗線）。 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，某些RNA病毒可以進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄（RNA DNA），還可以進(jìn)行RNA的復(fù)制（1970年Howard和Temin在研究雞病毒中提出了復(fù)制和反轉(zhuǎn)錄的細(xì)線順序補(bǔ)充了中心法則）；后來又發(fā)現(xiàn)，在離體條件下DNA還可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，豐富了中心法則的內(nèi)容。 第二節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)、作用與調(diào)控 一、基因的結(jié)構(gòu) 二、基因的作用與性狀的表達(dá)

5、 三、基因調(diào)控 一、基因的結(jié)構(gòu) 1、基因的等位性測定（互補(bǔ)測驗(yàn)） 假定有兩個獨(dú)立起源的隱性突變基因（a1，a2），它們具有類似的表現(xiàn)型，如何判斷它們是否屬于同一個基因的突變。 （1）如果是非等位基因 a1突變型 a2突變型 （2）如果是等位基因 a1突變型 a2突變型a1 +a1 + a2+ a2a1 + a2野生型 a1 a1 a2 a2 a1 a2突變型 反式排列：反式排列時，如雜交后代表現(xiàn)野生型，說明a1 a2 是非等位基因；如雜交后代表現(xiàn)突變型，說明a1 a2是等位基因。 順式排列：順式排列時，不管是等位基因，還是非等位基因，其表現(xiàn)型永遠(yuǎn)是野生型，對等位性的測定沒有什么意義。 互補(bǔ)測驗(yàn)

6、（complementary test）也叫順反測驗(yàn)（cis-trans test），在順反測驗(yàn)里，實(shí)際上是反式測驗(yàn)，本澤爾（Benzer, S.）提出了順反子這個名詞，用來表示功能的最小單位。在同一個順反子內(nèi)，反式排列，因不能互補(bǔ)，表現(xiàn)為突變型；如能互補(bǔ)，表現(xiàn)野生型，則屬不同的順反子即非等位gene。從意義上講，順反子相當(dāng)于經(jīng)典遺傳學(xué)中的基因。a1 + a2a1 a2+ + 2、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu) 1957年本澤爾（Benzer S.）對T4噬菌體（烈性噬菌體）r區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。 在噬菌體染色體上三個不同部位有三個不同的r突變型；r、r、r（r表示被感染的宿主菌快速裂解，形成的噬

7、菌斑大于野生型噬菌斑）。 野生型T4噬菌體能裂解E. coli的K系和B系 突變型T4噬菌體只能裂解B系，不能裂解K系。 研究最清楚的是r突變型。r區(qū)內(nèi)有1000多個突變型，把1000多個突變體兩兩成對同時感染E. coli的K系（即雙重感染double infection）。經(jīng)過互補(bǔ)測驗(yàn)（順反測驗(yàn)）發(fā)現(xiàn)，各個突變兩兩成對同時感染K系，有些組合可以裂解E. coli的K系，說明突變位點(diǎn)之間有互補(bǔ)作用，是非等位關(guān)系；有些組合不能裂解E. coli的K系，說明突變位點(diǎn)之間無互補(bǔ)作用，是等位基因的關(guān)系，據(jù)此把r區(qū)的這些突變分為兩組A組和B組（A基因與B基因）。 A、B基因間： A物質(zhì)B物質(zhì)能裂解K系

8、 （要裂解K系須同時具備A、B兩種物質(zhì)） E. coli T4噬菌體的染色體 A基因內(nèi)： 無A物質(zhì)B物質(zhì)不能裂解K系 但偶然也發(fā)現(xiàn)能裂解的，這是因?yàn)榛騼?nèi)發(fā)生了交換 A物質(zhì)B物質(zhì)能裂解K系 從A基因內(nèi)的各突變偶然出現(xiàn)互補(bǔ)的現(xiàn)象說明，基因內(nèi)也可以發(fā)生交換，因此交換單位要小于功能單位（基因或順反子），本澤爾的試驗(yàn)測出了交換單位可以是2.4個核苷酸對，即交換單位不是基因。 a + bm1 + + m2 m1 + + m2 + + m1 m2二、基因的作用與性狀的表達(dá) 基因?qū)z傳性狀表達(dá)的直接作用：基因的最后產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)蛋白或功能蛋白，基因的變異可以直接影響到蛋白質(zhì)的特性，從而表現(xiàn)出不同的遺傳性狀。人類

9、的鐮型紅血球貧血癥。 基因?qū)π誀畋磉_(dá)的間接作用：在更普遍的情況下，基因是通過控制酶的合成間接地影響生物性狀的表達(dá)。兔子的脂肪顏色。 1941年美國遺傳學(xué)家比德爾（Beadle, G. W.）和塔特姆（Tatum E. L.）提出了“一個基因一個酶”的假說，即一個基因通過控制一個酶的合成來控制某個生化過程，從而影響到某些遺傳性狀的表達(dá)。 從分子遺傳學(xué)的觀點(diǎn)來看，“一個基因一個酶”的假說是過分簡單了，其中的許多重要細(xì)節(jié)需要修改。因?yàn)橛械幕蛲ㄟ^轉(zhuǎn)錄合成一個mRNA通過翻譯合成一個多肽；而有的基因只轉(zhuǎn)錄到mRNA、tRNA、rRNA，不再翻譯；還有的基因既不轉(zhuǎn)錄也不翻譯，只對其它基因的活動起調(diào)控作用

10、；另外，酶的合成與否并不僅僅與基因有聯(lián)系，還要受制于基因作用的調(diào)控系統(tǒng)。 三、基因調(diào)控 1961年，法國科學(xué)家雅科（Jacob，F(xiàn).）和 莫諾（Monod，J.）根據(jù)大量的遺傳和生化研究結(jié)果提出了乳糖操縱元（lactose operon）模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。 乳糖操縱元 抑制基因（調(diào)節(jié)基因） 啟動子 操縱子 前導(dǎo)序列 結(jié)構(gòu)基因 終止區(qū) I P O L Z Y A 不轉(zhuǎn)錄 mRNA 阻遏蛋白結(jié)合到 操縱子上，阻止轉(zhuǎn)錄。 阻遏蛋白 沒有乳糖時，乳糖操縱元處于關(guān)閉狀態(tài) 乳糖操縱元 抑制基因（調(diào)節(jié)基因） 啟動子 操縱子 前導(dǎo)序列 結(jié)構(gòu)基因 終止區(qū) I P O L Z Y A 轉(zhuǎn)

11、錄 mRNA 多順反子 mRNA 翻譯 阻遏蛋白 半乳糖苷酶 乳糖滲透酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 有乳糖時，乳糖操縱元處于開啟狀態(tài) 從乳糖操縱元模型中發(fā)現(xiàn)：基因的功能是多樣的，可以轉(zhuǎn)錄和翻譯，也可以只轉(zhuǎn)錄不翻譯（tRNA、rRNA），還可以既不轉(zhuǎn)錄又不翻譯（啟動基因、操縱基因），只起調(diào)控作用或其它作用。第三節(jié) 基因的概念與發(fā)展 一、經(jīng)典遺傳學(xué)基因的概念 二、分子（現(xiàn)代）遺傳學(xué)基因的概念 一、經(jīng)典遺傳學(xué)基因的概念 早期Mendel把控制性狀的因子稱為遺傳因子； 1909年丹麥學(xué)者約翰生（Johannsen, W. L.）把遺傳因子稱為基因； Morgan1926年發(fā)表了基因論，把基因定位在染色體上，奠定了經(jīng)

12、典遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。 1940年以前被稱為經(jīng)典遺傳學(xué)階段，此期的基因概念可以概括為如下幾點(diǎn)： 1、基因可以自我復(fù)制并具有相對穩(wěn)定性。 2、基因在染色體上有一定的位置，是交換的最小單位。 3、基因是突變的最小單位。 4、基因是一個控制性狀的功能單位。 總起來說：基因是“三位”（功能單位、突變單位、交換單位）一體的概念。把交換單位和突變單位合稱為結(jié)構(gòu)單位。 二、分子（現(xiàn)代）遺傳學(xué)基因的概念 1941年美國遺傳學(xué)家比德爾（Beadle, G. W.）提出了“一個基因一個酶 ”的假說； 50年代確定DNA是主要的遺傳物質(zhì)，基因是DNA分子中的一段； 57年本澤爾（Benzer，S.）用T4噬菌體的r區(qū)做實(shí)

13、驗(yàn)，提出了基因概念的順反子（cistron）假說，說明基因是可分的，不是“三位”一體的。功能單位、突變單位、交換單位具有不同的含義。 （1）順反子（作用子cistron）：是一個起特定作用的單位，是在DNA分子長鏈上具有特定功能的一段核苷酸順序，它決定一條多肽鏈的合成，即一個順反子對應(yīng)一條多肽鏈，基本上符合通常指的基因。大約包括1000個核苷酸對。 （2）突變子（muton）：性狀突變時， 產(chǎn)生突變的最小單位。一個突變子可以小到只是一個核苷酸。 （3）重組子（ recon） 或叫交換子：在性狀重組時，可以交換的最小單位。一個交換子可以小到只包含一對核苷酸。 順反子假說打破了經(jīng)典遺傳學(xué)中基因的“

14、三位一體”的概念，一個基因可以包括許多突變子和交換子。以前認(rèn)為基因是最小的結(jié)構(gòu)單位（重組單位和突變單位）現(xiàn)已不能成立了，但基因是功能單位的概念仍然是正確的。 61年提出了基因調(diào)控的乳糖操縱子模型，說明基因的功能是多樣的。 分子（現(xiàn)代）遺傳學(xué)基因的概念 基因是DNA分子長鏈上具有特定遺傳信息的一段，它或者通過轉(zhuǎn)錄和翻譯決定一條多肽鏈的合成，或者轉(zhuǎn)錄為rRNA和tRNA，或者對其它基因的活動起調(diào)控作用；基因是可分的，一個基因可以包括許多更小的單位突變子和交換子，基因的突變單位、功能單位、交換單位具有不同的意義。 基因概念的完善和補(bǔ)充 （1）跳躍基因（jumping gene）：1956年麥克林托克（McClintock，B.）提出。70年代初證明插入序列及轉(zhuǎn)座子均為跳躍基因。轉(zhuǎn)座因子是20世紀(jì)遺傳學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)之一，McClintock于1983年獲得了Nobel Prize。 （2）隔裂（斷裂）基因（split gene）：1978年研究發(fā)現(xiàn)基因的核苷酸序列中有不轉(zhuǎn)錄成mRNA的間隔區(qū)，或轉(zhuǎn)錄不翻譯，這些區(qū)段叫內(nèi)含子（intron），能表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）的片段叫外顯子，基因是內(nèi)含子和外顯子的嵌合體，說明有的基因內(nèi)部是不連續(xù)的。 （3）重疊基因（overlapping gene）：1977年發(fā)