中山大學(xué)遺傳學(xué)課程PPT第五章 分子水平上的基因功能

1、中山大學(xué)遺傳學(xué)課程PPT第五章 分子水平上的基因功能教學(xué)提綱1、關(guān)于遺傳本質(zhì)探索的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)。2、DNA的根本性質(zhì)。3、基因的分子構(gòu)造。4、DNA與蛋白質(zhì)。5、基因的功能。6、基因的精細(xì)構(gòu)造。7、基因表達(dá)的調(diào)控！。第一節(jié) 關(guān)于遺傳本質(zhì)探索的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)1、Avery的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。2、Hershey和Chase的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)。3、Fraenkel-Conrat的煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)。蛋白質(zhì)約占66脫氧核糖核酸(DNA) 約占27核糖核酸(RNA) 約占6其它：如擬脂和無機(jī)物質(zhì)少量一、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)：細(xì)胞內(nèi)各類物質(zhì)的含量：一、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)續(xù)1含量：DNA

2、含量恒定。體細(xì)胞DNA含量是配子DNA的一倍；多倍體DNA含量倍增，但細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量不恒定。2代謝：利用放射性與非放射性元素進(jìn)展標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)：DNA分子代謝較穩(wěn)定；其它分子一邊形成、同時(shí)又一邊分解。3突變：紫外線誘發(fā)突變時(shí)，最有效波長均為2600埃；與DNA所吸收的紫外線光譜一致；證明基因突變與DNA分子的變異密切聯(lián)系。一、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)續(xù)4分布：DNA是所有生物染色體所共有：噬菌體、病毒、植物、人類等。而蛋白質(zhì)那么不同：噬菌體、病毒、細(xì)菌的蛋白質(zhì)一般不存在于染色體上，而真核生物染色體中有核蛋白。1細(xì)菌的轉(zhuǎn)化：肺炎雙球菌特征抗原型穩(wěn)定粗糙型(R)無莢膜、粗糙菌落、無毒IR、I

3、IR光滑型(S)有莢膜、光滑菌落、有毒IS、IIS、IIIS二、Avery的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)論：遺傳物質(zhì)DNA是轉(zhuǎn)化因子。三、Hershey和Chase的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)結(jié)論：進(jìn)入菌內(nèi)的是DNA；DNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才能產(chǎn)生完整的噬菌體。1956年，A.Gierer和G.Schramm作了以下的試驗(yàn)：煙草花葉病毒簡稱TMV (Tobacco Mosaic Virus)。TMV的蛋白質(zhì)外殼和單螺旋RNA接種：TMV蛋白質(zhì)煙草不發(fā)病；TMV RNA煙草發(fā)病新的TMV；TMV RNA RNA酶煙草不發(fā)病。1957年，F(xiàn)raenkel-Conrat和B.Singer通過病毒的重建進(jìn)一步證明了Gierer等

4、的結(jié)論試驗(yàn)結(jié)果更有說服力！，并且證明了除了DNA可以作為遺傳物質(zhì)大局部物種，RNA也可以作為遺傳物質(zhì)少局部物種，如病毒。四、Fraenkel-Conrat的煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)第二節(jié) DNA的根本性質(zhì)既然DNA是遺傳信息的攜帶者，那么它們的構(gòu)造是怎么的？它們又是怎樣來實(shí)現(xiàn)其傳遞遺傳信息的功能的？1953年，沃森Watson J. D.和克里克CrickF. H. C.提出DNA雙螺旋構(gòu)造模型。主要依據(jù)為：堿基互補(bǔ)配對的規(guī)律以及DNA分子的X射線衍射結(jié)果。沃森和克里克與維爾肯斯(Wilkins)一起獲得諾貝爾獎(jiǎng)(1962) 。一、DNA雙螺旋構(gòu)造1. 兩條互補(bǔ)多核酸鏈、在同一軸上互相盤旋；2. 雙鏈

5、具有反向平行的特點(diǎn)；3. 堿基配對原那么為：A=T、G=C，雙螺旋直徑約20A，螺距為34A(10個(gè)堿基對)。二、DNA構(gòu)造特點(diǎn)三、DNA的復(fù)制半保存還是全保存復(fù)制？DNA復(fù)制時(shí)，如果原來的兩條鏈保持完整，但互相分開，作為新鏈合成的模板，各自進(jìn)入子DNA分子中，這種復(fù)制形式叫做半保存復(fù)制。但是理論上全保存復(fù)制也是可能的。即兩條DNA親代鏈保存在一起作為子鏈合成的模板。Which is the correct one?1、DNA的半保存復(fù)制半保存復(fù)制的方法為：一端沿氫鍵逐漸斷開；以單鏈為模板，堿基互補(bǔ)；氫鍵結(jié)合，聚合酶等連接；形成新的互補(bǔ)鏈；形成了兩個(gè)新DNA分子。DNA的這種復(fù)制方式對保持生物

6、遺傳的穩(wěn)定性是非常重要的。2、DNA復(fù)制的分子機(jī)制的研究-Cairns的巧妙實(shí)驗(yàn)1963年Cairns將大腸桿菌培養(yǎng)在含有3H-胸腺嘧啶核苷的培養(yǎng)基熱培養(yǎng)基上，DNA復(fù)制時(shí)，放射性同位素就摻入到DNA中。在熱培養(yǎng)基中經(jīng)過不同時(shí)間的培養(yǎng)使DNA經(jīng)歷不同次數(shù)的復(fù)制后，從細(xì)菌細(xì)胞中抽取DNA，飄浮到膜上，經(jīng)放射自顯影后，再在電子顯微鏡下觀察。DNA復(fù)制一次后，因?yàn)橹挥幸粭l鏈?zhǔn)切潞铣傻?，有放射性，因此電鏡下觀察到一個(gè)由小點(diǎn)構(gòu)成的圓圈。當(dāng)環(huán)形DNA雙鏈在熱培養(yǎng)基中進(jìn)入第二次復(fù)制周期，可以看到一個(gè)眼球狀的構(gòu)造，兩側(cè)各有一個(gè)Y型復(fù)制叉，放射自顯影圖中三個(gè)區(qū)段的粒子密度不同，中間的弧形區(qū)段粒子密度最高，它代表

7、兩條新鏈，分別是在第一和第二復(fù)制周期合成的，外圈的粒子密度較小，表示它是由一條非放射性的舊鏈和一條放射性新鏈組成。DNA復(fù)制的分子機(jī)制的研究復(fù)制是單向的還是雙向進(jìn)展的？3H-胸腺嘧啶核苷的培養(yǎng)基上使同位素?fù)饺氲紻NA上，在DNA上有低水平的3H存在，有剛好足夠的3H使X-膠片曝光后可見到復(fù)制起點(diǎn)處的DNA痕跡輕標(biāo)記，然后，將這些細(xì)胞短時(shí)間暴露在感光乳膠后，他們發(fā)現(xiàn)在伸長的染色體的兩端有兩條短的高密度銀粒的痕跡，對這一結(jié)果的唯一解釋是DNA正在從原點(diǎn)出現(xiàn)同時(shí)向兩個(gè)方向復(fù)制。這就證明了DNA的復(fù)制是雙向的。單復(fù)制起點(diǎn)和多復(fù)制起點(diǎn)原核生物的DNA內(nèi)有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。而真核生物的DNA長度約為E.col

8、i的數(shù)百倍，它們有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。四、原核生物DNA合成、有關(guān)DNA合成的酶：共性：只有53聚合酶的功能，DNA鏈只能由5向3延伸；DNA合成必須在引物引導(dǎo)下進(jìn)展；具有外切酶的活性、合成過程中的錯(cuò)誤校正功能。、DNA復(fù)制過程1DNA雙螺旋的解鏈* DNA解旋酶在ATP供能下，每分鐘旋轉(zhuǎn)3000次解開雙螺旋；* 單鏈DNA結(jié)合蛋白馬上結(jié)合在分開的單鏈上，以防止產(chǎn)生單鏈內(nèi)配對；* DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶來解決由于復(fù)制叉的推進(jìn)而產(chǎn)生超螺旋的問題。2.DNA合成的開場合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(約有20個(gè)堿基對) DNA聚合酶才開場起作用合成DNA片段。3.后隨鏈的不連續(xù)復(fù)制構(gòu)成

9、DNA的兩條核苷酸鏈?zhǔn)悄嫦蚱叫械?，?dāng)復(fù)制叉向兩側(cè)推進(jìn)時(shí)，如果在起始點(diǎn)的一側(cè)合成方向?yàn)?-3，而另一側(cè)的合成方向必然為3-5?？墒荄NA聚合酶只能以5-3方向合成DNA，這就很難解釋DNA在復(fù)制時(shí)兩條鏈如何能夠同時(shí)作為模板合成其互補(bǔ)鏈。為了解決這個(gè)矛盾，岡崎等人1968年提出了DNA的不連續(xù)復(fù)制模型。即：當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，一條鏈前導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)的，另一條鏈后滯鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)的，因此稱為半不連續(xù)復(fù)制。半不連續(xù)復(fù)制的證據(jù)1岡崎等用3H-脫氧胸苷標(biāo)記的T4噬菌體去感染大腸桿菌，然后通過堿性密度梯度離心法別離標(biāo)記的DNA產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)首先合成的是較短的DNA片段，接著出現(xiàn)較大的放射性標(biāo)記的分子。最初出現(xiàn)的D

10、NA片段為1000-2000個(gè)核苷酸，稱為岡崎片段。用DNA連接酶的溫度敏感突變體進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，在連接酶不起作用的溫度下，便有大量的DNA片段的積累。說明在DNA復(fù)制過程中首先合成較短的片段，然后再由連接酶連接成大分子DNA。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)不能斷定DNA鏈的不連續(xù)合成只發(fā)生在一條鏈上還是兩條鏈上。半不連續(xù)復(fù)制的證據(jù)2對岡崎片段進(jìn)展測定，結(jié)果測得的數(shù)量遠(yuǎn)超過新合成DNA的一半，似乎兩條鏈都是不連續(xù)復(fù)制的。后來發(fā)現(xiàn)這是由于DNA聚合酶III不能區(qū)分尿嘧啶和胸腺嘧啶，使尿嘧啶取代胸腺嘧啶滲入DNA。錯(cuò)誤滲入的尿嘧啶可被尿嘧啶N-糖苷酶切除，產(chǎn)生無尿嘧啶的磷酸二酯鍵，在提取DNA時(shí)這種鍵很容易被堿水解而斷裂，

11、從而形成一些較短的片段。當(dāng)用缺乏糖苷酶的大腸桿菌突變體進(jìn)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，DNA的尿嘧啶不再被切除，此時(shí)新合成的DNA大約有一半放射性標(biāo)記出現(xiàn)在岡崎片段中，另一半直接進(jìn)入大的片段中。由此證明了半不連續(xù)復(fù)制的分子機(jī)制。第三節(jié) 基因的分子構(gòu)造基因一詞。原核生物的基因是一段連續(xù)編碼的DNA序列。1977年法國Chambon和美國的Berget等首次發(fā)現(xiàn)真核生物的基因是不連續(xù)的也稱斷裂基因split gene。編碼序列稱為外顯子exon，非編碼序列稱為內(nèi)含子intron。一、如何發(fā)現(xiàn)斷裂基因可通過mRNA與DNA的分子雜交而發(fā)現(xiàn)，雜交后用電鏡進(jìn)展觀察，如果基因中含有內(nèi)含子，因?yàn)槠鋗RNA中沒有相應(yīng)的序列，在所

12、形成的RNA-DNA雜交雙鏈的某一部位就會出現(xiàn)不能配對的單鏈環(huán)，這就是內(nèi)含子。用這個(gè)方法還可以確定內(nèi)含子在基因中的位置和大小。割裂基因的剪接二、基因的側(cè)翼序列與調(diào)控序列三、啟動子四、增強(qiáng)子enhancer和沉默子(silencer)增強(qiáng)子是位于啟動子上游或下游甚至基因內(nèi)的一段DNA序列，它可以增強(qiáng)啟動子發(fā)動轉(zhuǎn)錄的作用，從而明顯提高基因轉(zhuǎn)錄的效率。強(qiáng)啟動子如T7啟動子可以顯著增加外源基因的表達(dá)量。沉默子具有負(fù)的增強(qiáng)子的作用，它和增強(qiáng)子一樣，能對遠(yuǎn)隔25kb的啟動子發(fā)揮作用，且無論在靶啟動子的上下游都可起作用。五、終止子terminator終止子是指在轉(zhuǎn)錄過程中，提供轉(zhuǎn)錄終止信號的序列。但真正起終

13、止作用的不是DNA序列本身，而是轉(zhuǎn)錄生成的RNA。終止子有兩種類型：一類終止子必須在因子的存在下才能終止轉(zhuǎn)錄，稱為依賴因子的終止子；另一類為內(nèi)在終止子，終止子序列本身就足以使轉(zhuǎn)錄終止，故稱為不依賴因子的終止子。依賴因子的終止子轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制目前還不是太清楚。六、絕緣子insulator絕緣子是一種長幾十到幾百核苷酸對的調(diào)控序列，通常位于啟動子同鄰近基因的正調(diào)控元件增強(qiáng)子或負(fù)調(diào)控元件沉默子之間。絕緣子本身對基因的表達(dá)既沒有正效應(yīng)，也沒有負(fù)效應(yīng)，其作用只是不讓其他調(diào)控元件對基因的活化效應(yīng)或失活效應(yīng)發(fā)生作用。七、重疊基因所謂重疊基因，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列為兩

14、個(gè)或兩個(gè)以上基因的組成局部。重疊基因?qū)τ谀切┚哂杏邢捱z傳信息含量的生物來說具有一定的適應(yīng)意義，它們能夠比一個(gè)序列一個(gè)產(chǎn)物產(chǎn)生更多的基因產(chǎn)物，復(fù)制過程所需的時(shí)間和能量都將減少。但重疊基因也有不利的一方面，即共同的序列上發(fā)生突變可能影響兩個(gè)甚至三個(gè)基因的功能。因此一個(gè)生物的重疊基因越多，它的適用性就越少，在進(jìn)化中就越趨于保守。第四節(jié) DNA與蛋白質(zhì)一、RNA的轉(zhuǎn)錄與加工一、三種RNA 分子信使RNA (mRNA)轉(zhuǎn)移RNA (tRNA)核糖體RNA (rRNA )1、mRNA：遺傳信息的攜帶者2、tRNA：氨基酸的運(yùn)送者。分子量為2500030000；7090個(gè)核苷酸組成；稀有堿基，如假尿嘧啶等。

15、tRNA構(gòu)造：5末端具有G大局部或C；3末端都以ACC結(jié)尾；一個(gè)富有鳥嘌呤的環(huán)；一個(gè)反密碼子環(huán)；一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)；3、rRNA：核糖體的組成成分原核生物rRNA3種:5S: 120個(gè)核苷酸；16S: 1540個(gè)核苷酸；23S: 2900個(gè)核苷酸。真核生物rRNA4種:5S:120個(gè)核苷酸；5.8S: 160個(gè)核苷酸；18S: 1900個(gè)核苷酸；28S: 4700個(gè)核苷酸。rRNA與核糖體的組裝：二、RNA 合成的一般特點(diǎn)區(qū)別RNA 合成DNA合成所用的原料核苷三磷酸脫氧核苷三磷酸模板數(shù)目一條DNA 鏈二條DNA 鏈引物不需要引物的引導(dǎo)RNA 聚合酶一種酶三種酶 RNA鏈的起始； RNA鏈的延伸；

16、 RNA鏈的終止及新鏈的釋放；三、原核生物RNA的合成、RNA聚合酶亞基與四聚體核心酶形成有關(guān)；亞基存在核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；含有與DNA模板結(jié)合的位點(diǎn)；因子只與RNA轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)。、RNA鏈合成的起始、RNA鏈的延伸 依賴因子的終止； 不依賴因子的終止。、RNA鏈的終止四、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工、原核生物與真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別1. 真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)展；原核生物那么在核區(qū)同時(shí)進(jìn)展轉(zhuǎn)錄和翻譯；2. 真核生物一個(gè)mRNA只編碼一個(gè)基因；原核生物一個(gè)mRNA編碼多個(gè)基因；3. 真核生物有RNA聚合酶、等三種不同的酶；原核生物那么只有一種RNA聚合酶；4.

17、真核生物中轉(zhuǎn)錄的起始更復(fù)雜，RNA的合成需要轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助進(jìn)展轉(zhuǎn)錄；原核生物那么較為簡單；5. 真核生物的mRNA 轉(zhuǎn)錄后進(jìn)展加工，然后運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)展翻譯；原核生物無需進(jìn)展加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。、真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工 5端戴帽； 3端加尾； 內(nèi)含子剪切。真核生物中：mRNA前體的成熟過程，切除內(nèi)含子，銜接外顯顯子。五、 遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯一、遺傳密碼：密碼子與氨基酸：DNA分子堿基只有4種，而蛋白質(zhì)氨基酸有20種。 堿基與氨基酸之間不可能一一對應(yīng)。141=4種：缺16種氨基酸；242=16種：比現(xiàn)存的20種氨基酸還缺4種；343=64種：由三個(gè)堿基一起組成的密碼子能夠形成64種組合

18、，20種氨基酸多出44種。簡并：一個(gè)氨基酸由二個(gè)或二個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象。三聯(lián)體或密碼子：代表一個(gè)氨基酸的三個(gè)一組的核苷酸。、遺傳密碼字典每一個(gè)三聯(lián)體密碼所翻譯的氨基酸是什么呢?從1961年開場，在大量試驗(yàn)的根底上，分別利用64個(gè)三聯(lián)體密碼，找到了相對應(yīng)的氨基酸。19661967年，完成了全部遺傳密碼表，如UGG為色氨酸。遺傳密碼表、遺傳密碼的根本特征1遺傳密碼為三聯(lián)體：三個(gè)堿基決定一種氨基酸；61個(gè)為有意密碼，起始密碼為GUG、AUG(甲硫氨酸)；3個(gè)為無意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號。2. 遺傳密碼間不能重復(fù):在一個(gè)mRNA上每個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子；均以3個(gè)

19、一組形成氨基酸密碼。AUG GUA CUG UCA 甲硫氨酸纈氨酸亮氨酸絲氨酸 密碼子與密碼子之間無逗號，按三個(gè)三個(gè)的順序一直閱讀下去，不漏讀不重復(fù)。 如果中間某個(gè)堿基增加或缺失后，閱讀就會按新的順序進(jìn)展下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱為移碼突變)。AUG UAC UGU CA甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸4簡并性. 簡并現(xiàn)象：色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，僅一個(gè)三聯(lián)體密碼；其余氨基酸都有一種以上的密碼子。. 61個(gè)為有意密碼，起始密碼為GUG、AUG(甲硫氨酸)。3個(gè)為無意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號。. 簡并現(xiàn)象的意義：同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定

20、性也越大。如：UCUUCC或UCA或UCG，均為絲氨酸。5遺傳密碼的有序性決定同一個(gè)氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個(gè)密碼子中，第1個(gè)和第2個(gè)堿基的重要性大于第3個(gè)堿基，往往只是最后一個(gè)堿基發(fā)生變化。例如：脯氨酸pro：CCU、CCA、CCC、CCG。6通用性 在整個(gè)生物界中，從病毒到人類，遺傳密碼通用。 1980年以后發(fā)現(xiàn)：具有自我復(fù)制能力的線粒體tRNA(轉(zhuǎn)移核糖核酸)在閱讀個(gè)別密碼子時(shí)有不同的翻譯方式。如：酵母、鏈孢霉與哺乳動物的線粒體。四、蛋白質(zhì)的合成1、核糖體：原核生物與真核生物核糖體的區(qū)別區(qū)別原核生物真核生物小亞基30S 40S50S60S小亞基30S40SrRNA大亞基：5S、2

21、3S小亞基：16S大亞基：5S、5.8S、28S小亞基：18S多肽大亞基：31小亞基：21大亞基：49小亞基：332、核糖體中合成蛋白質(zhì)： 多肽鏈的起始：多肽鏈的延伸在核體上合成蛋白質(zhì)：多聚核糖體提高蛋白質(zhì)的合成效率： 多肽鏈的終止：蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄后的翻譯見教材P218圖5-33。由核糖體釋放的新生肽鏈并不是一個(gè)完整的有生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，它必須經(jīng)過翻譯后修飾或加工才具有生物學(xué)活性。即通過一系列化學(xué)反響把一條新合成的肽鏈轉(zhuǎn)換成功能性蛋白質(zhì)的過程。這些修飾包括去掉甲硫氨酸上的甲酰基、磷酸化作用、乙酰化作用、羥基化作用、糖基化作用、二硫鍵的形成、輔基的聯(lián)結(jié)以及肽鍵的裂解以使蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)等。第

22、四節(jié) 中心法那么及其開展1中心法那么：從噬菌體到真核生物的整個(gè)生物界共同遵循的規(guī)律。遺傳信息DNAmRNA 蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯，以及遺傳信息從DNA DNA的復(fù)制過程。2中心法那么的開展. RNA的反轉(zhuǎn)錄RNA腫瘤病毒：反轉(zhuǎn)錄酶，以RNA為模板來合成DNA。如：HIV病毒RNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄成DNA，然后整合到人類染色體中。對于遺傳工程上基因的酶促合成、致癌機(jī)理研究有重要作用。增加中心法那么中遺傳信息的流向，豐富了中心法那么內(nèi)容。. RNA的自我復(fù)制大局部RNA病毒還可以把RNA直接復(fù)制成RNA。. DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成60年代中期，麥克斯McCarthy和荷勒Holland：試驗(yàn)體系中參加抗生素

23、等，變性的單鏈DNA在離體條件下可以直接與核糖體結(jié)合，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。第五節(jié) 基因的功能-一基因一酶假說1902年英國醫(yī)生S.A. Garrod在對一人類的常見先天代謝病-黑尿病的研究中認(rèn)為一個(gè)酶的失常造成了尿黑酸代謝途徑的阻斷，他認(rèn)為基因是通過控制酶和其他蛋白質(zhì)的合成來控制代謝的，一個(gè)基因的缺陷引起一種酶的變化，從而產(chǎn)生一種遺傳性狀。Garrod的觀點(diǎn)直到1940年才被Beadle和Tatum證實(shí)，他們提出了一基因一酶的學(xué)說，并于1958年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。類似于氨芐富集法原理！一基因一酶從上述實(shí)驗(yàn)，他們得出結(jié)論：一個(gè)基因的缺陷導(dǎo)致一個(gè)根本酶的缺陷，從而產(chǎn)生一個(gè)生長依賴突變型，即一個(gè)基因一個(gè)酶

24、。一基因一酶？1有些基因并不編碼蛋白質(zhì)，比方編碼一些具有調(diào)控功能的核酸RNA。2基因所編碼的蛋白的功能是多樣的，不只是酶這種形式；3許多酶由二聚體或四聚體組成，而其中每一個(gè)亞基都是一個(gè)基因決定的。一基因一多肽？1有些基因并不編碼蛋白質(zhì)，比方編碼一些具有調(diào)控功能的核酸RNA。2同一個(gè)基因不同的翻譯后加工或不同的剪接方式，可以產(chǎn)生不同的多肽。第六節(jié) 基因的精細(xì)構(gòu)造-順反子在經(jīng)典的遺傳學(xué)中，基因是最小的功能單位、突變單位和重組單位。但現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，基因并不是最小的的功能單位、突變單位和重組單位，1955年，美國分子生物學(xué)家本澤Benzer通過對大腸桿菌的噬菌體T4的rII區(qū)基因的深入研究，提醒了基因

25、內(nèi)部的精細(xì)構(gòu)造。提出了基因的順反子Cistron概念。他發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)基因內(nèi)部，可以發(fā)生假設(shè)干不同位點(diǎn)的突變，倘假設(shè)在一個(gè)基因內(nèi)部發(fā)生兩個(gè)以上位點(diǎn)的突變，其順式和反式構(gòu)造的表型效應(yīng)是不同的。例如順式是野生型，反式卻是突變型，所以，基因就是一個(gè)順反子具有順反效應(yīng)的因子。基因內(nèi)部這些不同位點(diǎn)之間還可以發(fā)生交換和重組。所以，一個(gè)基因不是一個(gè)突變單位，也不是一個(gè)重組單位。本澤分別把它們稱為突變子muton和重組子recon。顯然，一個(gè)突變子或重組子可小到一個(gè)核苷酸對。 基因的順反子概念沖破了傳統(tǒng)的“功能、交換、突變?nèi)灰惑w的基因概念，糾正了長期以來認(rèn)為基因是不能再分的最小單位的錯(cuò)誤看法，使人們對基因的認(rèn)

26、識有了顯著的提高。 一、基因內(nèi)重組現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)s和lzg，它們有著類似的眼的突變表型。用lzs/ lzg與lzgY雄蠅交配，按常理在后代中應(yīng)只有突變的表型，然而在大量的后代中發(fā)現(xiàn)有0.2%的個(gè)體具有正常野生型表型，這種比率不能用回復(fù)突變來解釋。更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)說明這些野生型個(gè)體具有一個(gè)野生型的lozenge等位基因lz+。Oliver認(rèn)為這些野生型等位基因的產(chǎn)生是由于在lozenge位點(diǎn)發(fā)生了交換的結(jié)果。 基因內(nèi)重組的證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，lz+總是與XY一起出現(xiàn)，而從沒有與X+或Y+一起出現(xiàn)過，證明在lzs和lzg內(nèi)的兩個(gè)點(diǎn)之間發(fā)生了交換。順反子與互補(bǔ)試驗(yàn)互補(bǔ):指兩個(gè)隱性突變型可以互相彌補(bǔ)對方的缺陷

27、,表現(xiàn)為野生型的表型。應(yīng)用互補(bǔ)測驗(yàn)可以確定有同一表型效應(yīng)的兩個(gè)突變型是等位的屬于同一順反子還是非等位的屬于不同順反子。其實(shí)就是看反式排列時(shí)是否有互補(bǔ)效應(yīng)。如反式時(shí)互補(bǔ)，說明兩個(gè)突變位點(diǎn)位于不同的順反子中，反之，它們屬于同一順反子如以下圖。重組率的計(jì)算如將突變型rx和ry雜交后，將溶菌液稀釋為106，取0.1ml涂布在B株上，生成的噬菌斑數(shù)為525個(gè)，另一份稀釋為102，同樣取0.1ml涂布在K株上，生成的噬菌斑數(shù)為370個(gè)，那么rx和ry兩個(gè)突變位點(diǎn)間的重組率為？370X102X2/(525X106)=0.0141%0.02%?55。所以上述兩個(gè)突變位點(diǎn)間的距離約為2bp,可見重組子的單位可以

28、小到約1個(gè)核苷酸對bp。上圖說明A組內(nèi)的兩個(gè)突變型或B組內(nèi)的兩個(gè)突變型不能互補(bǔ)(順式排列)，但A組的突變型能彌補(bǔ)B組的突變型(反式排列)，說明A和B兩個(gè)區(qū)段是兩個(gè)獨(dú)立的遺傳功能單位。Benzer把通過順反子效應(yīng)互補(bǔ)測驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)的遺傳功能單位稱為順反子。小結(jié)原核生物中，基因和順反子等價(jià)，基因是遺傳功能單位，也是可表達(dá)的遺傳信息單位。真核生物中，基因和順反子不等價(jià)，順反子等價(jià)于真核基因的外顯子。第八節(jié) 基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控是多水平的。主要調(diào)控點(diǎn)分為：轉(zhuǎn)錄調(diào)控transcription control和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控posttranscription control。轉(zhuǎn)錄調(diào)控是指以DNA為模板合成

29、RNA的調(diào)控。轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要包括1RNA加工調(diào)控僅在真核細(xì)胞中發(fā)生；2翻譯調(diào)控；3mRNA降解調(diào)控；4蛋白質(zhì)活性調(diào)控。一、 原核基因的表達(dá)調(diào)控1.乳糖操縱子lactose operon：F.Jacob和J. Monod提出，是理解基因表達(dá)調(diào)控的根底工作。操縱子operon：在單一操縱基因控制下的一群鄰接的構(gòu)造基因稱為操縱子。操縱子通常由幾個(gè)相關(guān)的構(gòu)造基因及其控制區(qū)組成，是基因表達(dá)的協(xié)同單位。操縱子的控制區(qū)包括操縱基因、啟動子及CAMP受體蛋白。誘導(dǎo)基因inducing gene:在誘導(dǎo)物存在時(shí)能刺激其表達(dá)的基因。組成型基因constitutive genes:總是能夠表達(dá)，且其合成速率不受環(huán)境

30、變化或代謝狀態(tài)的影響的基因。另一個(gè)問題當(dāng)E.coli生長在含有葡萄糖和乳糖的混合培養(yǎng)基上時(shí)，它首先利用葡萄糖而不利用乳糖，為什么？這是由于還有一個(gè)調(diào)控系統(tǒng)加在乳糖操縱子之上，叫分解代謝阻遏系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)允許細(xì)胞優(yōu)先利用葡萄糖。上圖的解釋RNA聚合酶在工作時(shí)需要得到另一個(gè)蛋白的協(xié)助，這個(gè)蛋白叫cAMP受體蛋白，能被cAMP分子激活。在缺乏葡萄糖時(shí)，在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP合成cAMP，然后形成CRPcAMP復(fù)合物，從而激活操縱子的轉(zhuǎn)錄。而葡萄糖的存在直接使腺苷酸環(huán)化酶失活，導(dǎo)致細(xì)胞中的cAMP數(shù)量迅速減少，由于沒有cAMP就無法形成CRPcAMP復(fù)合物，因此就無法激活乳糖操縱子。乳糖操縱子

31、小結(jié)在正常情況下，無誘導(dǎo)物時(shí)，轉(zhuǎn)錄作用被調(diào)節(jié)基因i產(chǎn)生的阻遏蛋白所阻斷。參加誘導(dǎo)物后，能與阻遏蛋白形成復(fù)合物使其失活，從操縱基因上解離出來，基因開放，轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA，翻譯出三種相關(guān)的酶。cAMP-CRP是一個(gè)正調(diào)節(jié)因子，阻遏蛋白是一個(gè)負(fù)調(diào)節(jié)因子。色氨酸操縱子tryptophan operon色氨酸操縱子與乳糖操縱子有明顯的不同，有一個(gè)弱化作用attenuation的次級調(diào)控機(jī)制，是更高水平和更精細(xì)的調(diào)控元件。色氨酸操縱子的二級調(diào)控模式當(dāng)色氨酸過剩時(shí)，調(diào)節(jié)基因trpR產(chǎn)生的阻遏蛋白與色氨酸形成有活性的共阻遏物，與色氨酸操縱基因結(jié)合，從而阻斷基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)氨基酸水平較低時(shí)，阻遏蛋白不

32、與色氨酸結(jié)合形成復(fù)合物，這時(shí)就能進(jìn)展色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄。這是色氨酸操縱子在第一水平上的調(diào)控有阻遏蛋白的情況下；類似乳糖操縱子模型！在缺乏色氨酸的狀態(tài)下，色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄速率是在有色氨酸存在的狀態(tài)下的70倍，但在trpR突變?nèi)狈ψ瓒舻鞍椎那闆r下，即使添加色氨酸到培養(yǎng)基上，色氨酸生物合成酶的合成速率仍然減少了10倍為什么？。這是由于弱化作用造成的。這是色氨酸操縱子在第二水平上的調(diào)控?zé)o阻遏蛋白的情況下。弱化子attenuator弱化子：控制色氨酸操縱子前導(dǎo)序列的DNA 序列稱為弱化子。它含有一個(gè)不依賴因子的終止子，是一段富含G/C的回文序列，可以形成發(fā)夾構(gòu)造，因此可在此終止轉(zhuǎn)錄，它實(shí)際上是一個(gè)轉(zhuǎn)錄

33、暫停信號。弱化子的調(diào)控實(shí)際上是通過翻譯手段來控制基因的轉(zhuǎn)錄。小結(jié)色氨酸操縱子與乳糖操縱子的不同：1.調(diào)節(jié)基因遠(yuǎn)離操縱子。2.有兩個(gè)水平的調(diào)控，存在弱化子。3.乳糖操縱子是粗的調(diào)控機(jī)制，只能使轉(zhuǎn)錄起始或不起始開或關(guān)。而色氨酸操縱子是更精細(xì)更高效的調(diào)控機(jī)制，能在一定程度上彌補(bǔ)阻遏作用的缺乏。對于已經(jīng)起始了的轉(zhuǎn)錄，可以通過弱化子使它中途停頓下來已經(jīng)合成了足夠量的產(chǎn)物，不需要再合成了以防止浪費(fèi)或過高的產(chǎn)物對細(xì)胞造成不良影響。二 、真核基因的表達(dá)調(diào)控真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)是細(xì)胞的全能性和基因表達(dá)的時(shí)空性。全能性：同一種生物的所有細(xì)胞都具有一樣的遺傳組成，它們都有發(fā)育成完整個(gè)體的潛能。時(shí)空性：在個(gè)體發(fā)育的

34、不同階段，基因表達(dá)的種類和數(shù)量是不一樣的。真核基因的調(diào)控機(jī)制：基因構(gòu)造的活化轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄過程胞漿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)合成蛋白修飾和定位等。經(jīng)典的操縱子學(xué)說不適用于真核生物。染色質(zhì)的構(gòu)造與基因的表達(dá)調(diào)控1. 真核生物染色體DNA與大量組蛋白和非組蛋白結(jié)合，通過組蛋白和非組蛋白的結(jié)合，來調(diào)控DNA的轉(zhuǎn)錄。2. 染色質(zhì)的螺旋化程度也與DNA的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)。近年來的許多研究說明，活化與未活化基因的染色質(zhì)構(gòu)造明顯不同，染色質(zhì)構(gòu)造的改變?yōu)檗D(zhuǎn)錄創(chuàng)造了條件。2. DNA超螺旋構(gòu)造與基因的表達(dá)調(diào)控(1). 研究說明，只有把DNA卷曲成超螺旋才可能進(jìn)展復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。其中復(fù)制受超螺旋程度的影響不大，而轉(zhuǎn)錄極易受到超螺旋松緊程度

35、的影響。(2). 在任何細(xì)胞中，凡需表達(dá)的基因其超螺旋程度需要恰好符合該段DNA解鏈的要求，允許RNA聚合酶與之結(jié)合并進(jìn)展轉(zhuǎn)錄；而那些暫不需要表達(dá)的基因，那么以不適合解鏈的超螺旋程度存在，因而不會被轉(zhuǎn)錄。3. DNA甲基化對基因表達(dá)的影響甲基化methylation是在甲基化酶methylase的作用下，將一個(gè)甲基添加到DNA分子的堿基上。使用某些II型限制性內(nèi)切酶可以研究DNA序列的甲基化情況。如HpaII識別并切割未甲基化的CCGG，而MspI識別無論是否甲基化的CCGG。切割后的片段分別進(jìn)展電泳，即可鑒定這些CCGG序列是否甲基化。DNA甲基化對基因表達(dá)的影響續(xù)(1). CG順序的甲基化能抑制基因表達(dá)，有些基因始終高度甲基化，因而很少表達(dá)；而有些看家基因housekeeping gene那么始終保持低水平的甲基化。(2). 在生物發(fā)育的某一階段或細(xì)胞分化的