第17章-遺傳物質(zhì)的功能單位chaya

第五篇遺傳與進化第17章——遺傳物質(zhì)的功能單位制作：呂夢春2015年11月25日遺傳學概述遺傳學是一門涉及生命起源和生物進化的理論科學，同時也是一門密切聯(lián)系生產(chǎn)實際的基礎科學。遺傳學研究生物遺傳和變異的科學；是研究生物體遺傳信息和表達規(guī)律的科學；是研究和了解遺傳物質(zhì)本質(zhì)的科學。 緒論

狹義定義

遺傳：子代和親代、子代和子代個體之間的相似性。變異：子代和親代、子代和子代個體之間的差異。廣義定義

遺傳：同種個體之間的相似性。變異：同種個體之間的差異。遺傳與變異的關(guān)系？2023/2/54/23 遺傳學研究的任務a、遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：b、遺傳物質(zhì)的傳遞：c、遺傳物質(zhì)的表達：2023/2/55/23遺傳學：

是研究一切生物遺傳和變異的科學。闡明生物遺傳和變異的現(xiàn)象及其表現(xiàn)的規(guī)律；自我復制；能儲存遺傳信息；能表達遺傳信息；可由突變產(chǎn)生變異。理論上，遺傳物質(zhì)必須具備四個條件：第一節(jié)、遺傳物質(zhì)是核酸第一節(jié)、遺傳物質(zhì)是核酸間接證據(jù)四個1）含量：DNA含量相對恒定。2）代謝：不受生物體的營養(yǎng)條件、年齡等因素的影響；3）突變：一些物理和化學因素可以引起生物體遺傳特性的改變。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。2023/2/57/23直接證據(jù)1）格里費斯肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗2）艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗3）赫爾斯和蔡森的噬菌體侵染與繁殖實驗

（32P35S）結(jié)論：DNA是絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)。2023/2/58/23RNA病毒：TMV，SARS，HIV，大多數(shù)流感病毒（如禽流感病毒、H5N1等）1956年A.Gierer和G.Schraman發(fā)現(xiàn)：煙草花葉病毒（TMV），其遺傳物質(zhì)是RNA。1957年美國的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建實驗證實了這一結(jié)論。結(jié)論：在不含DNA的某些病毒（TMV）中，RNA就是遺傳物質(zhì)。第一節(jié)遺傳物質(zhì)是核酸一、遺傳物質(zhì)是DNA的直接證據(jù)1928年，Griffith

肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗

二.Hershey-Chase的噬菌體實驗第二節(jié)基因概念的發(fā)展一、孟德爾的遺傳因子——現(xiàn)代遺傳學之父二、薩頓和博偉里建立“遺傳因

子位于染色體上”的假說三、約翰遜（Johannsen）稱遺傳因子為基因（gene），此外，還創(chuàng)立了基因型和表型的概念?；蚴沁z傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和重組的單位，一個基因是不能被分割的最小單位；基因是控制性狀的功能單位，能產(chǎn)生相應的表型，基因是突變的單位，他可以通過突變形成另一個等位基因；基因位于染色體上，呈線性排列。四、摩爾根創(chuàng)立的“三位一體”的基因假說（P752頁）四、摩爾根創(chuàng)立的“三位一體”的基因假說

基因是決定性狀的最小單位、突變的最小單位和重組的最小單位。這種“功能、交換、突變”三位一體的基因假說就是經(jīng)典遺傳學的基因概念。此外他們還得出了連鎖互換定律（詳見18.1），該定律與分離定律、自由組合定律共稱遺傳學三大基本定律。五、比德爾（Beadler）與其同事系統(tǒng)地研究了生化合成與基因的關(guān)系，提出了“一個基因一個酶”的理論，證明基因通過它所控制的酶決定著生物代謝中的生化反應步驟，進而決定著遺傳性狀。六、艾弗里（Avery）等人的細菌轉(zhuǎn)化試驗有力地證明了遺傳物質(zhì)為DNA，而不是蛋白質(zhì)，基因位于DNA上。七、本澤爾證實了基因是一個功能單位，而不是結(jié)構(gòu)上的最小單位，提出了順反子學說：①順反子：一段DNA序列（病毒中為一段RNA序列），能夠編碼一種多肽的所需要的最短的DNA片段，是遺傳的功能單位，即：一個順反子就是一個基因，②突變子：指基因中發(fā)生突變后能產(chǎn)生表型效應的遺傳物質(zhì)的最小單位，它可以是一個或多個核苷酸。③重組子：順反子中能通過交換重組改變表型的最小單位，它在結(jié)構(gòu)上不能通過交換而分開。一個基因不是一個突變單位，也不是一個重組單位，僅是一個功能單位，基因內(nèi)部的一個或者若干個脫氧核苷酸對才是重組單位或突變單位。即：一個順反子包含多個的突變子和重組子。九、超基因、假基因和擬基因的發(fā)現(xiàn)1.超基因：也稱基因簇，作用于一種性狀或一系列相關(guān)性狀的幾個緊密連鎖在同一條染色體上的一組基因。超基因中不同基因之間沒有調(diào)控的關(guān)系。分為簡單多基因家族和復雜多基因家族。2.假基因：具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變而失去了功能，是沒有功能的基因。3.擬基因：不包含有用的生物信息的基因。八、雅各布（Jacob）和莫諾建立基因表達調(diào)控的操縱子（operon）模型超基因如人類組織相容性抗原復合體HLA，稱為人類白細胞抗原（humanleucocyteantigen，HLA）。HLA復合體位于第6號染色體短臂上大約4000kb范圍內(nèi)，由一群密切連鎖的基因組成。HLA復合體是迄今已知的人體最復雜的基因體系。從著絲點一側(cè)起依次為Ⅱ類基因、Ⅲ類基因和Ⅰ類基因區(qū)域所在。1961年開始，美國生化學家尼倫伯格（Nirenberg）和馬太破譯了第一個遺傳密碼。三聯(lián)體密碼的破譯、中心法則的建立以及蛋白質(zhì)和核酸的人工合成，基因內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)的揭示，基因活動的調(diào)節(jié)和控制原理的發(fā)現(xiàn)，突變分子基礎的闡明等，使遺傳學的發(fā)展走在了生物科學的前列。十、現(xiàn)代基因的概念及特點1.概念：是DNA分子（RNA病毒是RNA）上具有遺傳效應的片段和功能單位。2.特點：見“754-755”（1）基因呈雙螺旋結(jié)構(gòu)并隨DNA的復制而復制（2）基因間一般不重疊（3）真核基因的主要載體是染色體（4）極少數(shù)基因是可移動的——

轉(zhuǎn)座子（5）基因是一個功能單位，但不是結(jié)構(gòu)單位（6）割裂基因和連續(xù)基因是否含內(nèi)含子？（7）基因轉(zhuǎn)錄的mRNA具有相同的起始密碼和終止密碼一、原核細胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游啟動子終止子非編碼區(qū)不能轉(zhuǎn)錄為信使RNA，不能編碼蛋白質(zhì);但有調(diào)控遺傳信息表達的核苷酸序列,最重要的位于編碼區(qū)上游的RNA聚合酶結(jié)合位點.第三節(jié)基因的結(jié)構(gòu)一、原核細胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游與RNA聚合酶結(jié)合位點啟動子終止子RNA聚合酶能夠識別調(diào)控序列中的結(jié)合位點，并與其結(jié)合。轉(zhuǎn)錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動，并與DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。轉(zhuǎn)錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。接一、原核細胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游啟動子終止子編碼區(qū)能夠轉(zhuǎn)錄為相應的信使RNA，進而指導蛋白質(zhì)的合成，也就是說能夠編碼蛋白質(zhì)二、真核細胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚酶結(jié)合位點內(nèi)含子外顯子能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做外顯子不能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做內(nèi)含子，內(nèi)含子能轉(zhuǎn)錄為信使RNA

啟動子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)上游內(nèi)含子外顯子不同的基因外顯子和內(nèi)含子的數(shù)目是不同的如：人的血紅蛋白中，有一種蛋白質(zhì)叫做β－珠蛋白，它的基因有1700個堿基對，其中有3個外顯子和2個內(nèi)含子，能夠編碼146個氨基酸人的一種凝血因子的基因，在它的186000個堿基對中，有26個外顯子和25個內(nèi)含子，能夠編碼2552個氨基酸5’3’增強子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2AATAAA轉(zhuǎn)錄終止點真核細胞基因結(jié)構(gòu)示意圖啟動子：主要包括兩個序列（1）在5’端轉(zhuǎn)錄起始點上游約20~30個核苷酸處有TATA框，它是一個短的核苷酸序列，是啟動子中的一個順序，它是RNA聚合酶的重要接觸點，能使酶準確識別轉(zhuǎn)錄的起始點并開始轉(zhuǎn)錄。當TATA框中的堿基順序有所改變時，mRNA的轉(zhuǎn)錄就會從不正常的位置開始。5’3’增強子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2AATAAA轉(zhuǎn)錄終止點真核細胞基因結(jié)構(gòu)示意圖啟動子：主要包括兩個序列（2）在5’端轉(zhuǎn)錄起始點上游約70~80個核苷酸的地方，有CAAT框，是啟動子中另一個短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的另一個結(jié)合點，它的作用還不肯定，一般認為它控制著轉(zhuǎn)錄的起始頻率，而不影響轉(zhuǎn)錄的起始點。當框中的堿基順序改變后，mRNA的形成量會明顯減少。5’3’增強子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2AATAAA轉(zhuǎn)錄終止點真核細胞基因結(jié)構(gòu)示意圖增強子：在5’端轉(zhuǎn)錄起始點上游約100個核苷酸以遠處的位置，能使轉(zhuǎn)錄活性增強上百倍。終止子：在3’端終止密碼的下游有一個核苷酸順序為AATAAA，AATAAA順序和下游的反向重復順序合稱為終止子，是轉(zhuǎn)錄終止的信號。終止子的特殊堿基排列順序能夠阻礙RNA聚合酶的移動，并使其從DNA模板鏈上脫離下來。原核基因組的特點：1、基因組小2、利用率高，表現(xiàn)：1）全是編碼基因，極少數(shù)不轉(zhuǎn)錄；2）基因不重疊3）連續(xù)（結(jié)構(gòu)基因中沒有內(nèi)含子，）3、操縱子結(jié)構(gòu)原核生物基因組真核生物基因組真核生物基因組的特點：

1.基因組分布在多個染色體上。

2.基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有多復制起點。

3.轉(zhuǎn)錄后前體RNA必須經(jīng)過剪接過程才能形成成熟的mRNA4.大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的（斷裂基因）。

5.真核細胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條多肽鏈。

6.單一序列為主，存在大量重復序列。三、真核生物基因組與原核生物基因組的主要區(qū)別：（1）真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲存于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞內(nèi)的基因組是雙份的（即雙倍體）。細菌染色體基因組通常由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，染色體形成擬核，無核膜與胞漿分開。（2）基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有多個復制起點，而每個復制子的長度較小。（3）真核細胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條肽鏈。

原核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為多順反子，功能上相關(guān)的幾個基因往往在一起組成操縱子結(jié)構(gòu)。E.Coli中乳糖操縱子結(jié)構(gòu)模型

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶透過酶轉(zhuǎn)乙酰酶原核生物的基因簇中，結(jié)構(gòu)基因受一個啟動子調(diào)控。這全部基因要么一起表達，要么不表達，而且轉(zhuǎn)錄生成單一的mRNA分子，然后再分別翻譯成幾個不同的多肽分子。（4）真核基因組大部分基因含有內(nèi)含子，因此，基因是不連續(xù)的，稱為斷裂基因，需要進行轉(zhuǎn)錄后加工；原核基因組沒有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，不需進行轉(zhuǎn)錄后剪接加工。（5）真核基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。原核基因組大部分為編碼序列，不編碼區(qū)域僅占一小部分。（6）真核生物基因組存在重復序列，重復次數(shù)可達百萬次以上基因組遠遠大于原核生物的基因組。（7）真核生物基因組存在多基因家族、超基因家族和假基因。三、真核生物基因組與原核生物基因組的主要區(qū)別：第四節(jié)基因的表達調(diào)控2023/2/539/23基因表達(geneexpression)--基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA的合成屬于基因表達。中心法則(thecentraldogma)：I順式作用與反式作用順式作用：順式作用元件與靶基因位于同一條染色體上的DNA序列發(fā)揮調(diào)控作用的方式。反式作用：基因編碼產(chǎn)物，RNA或protein調(diào)控另一簇基因的表達的方式。順式作用元件：與基因連鎖的具有調(diào)控作用的DNA序列。如啟動子，終止子。反式作用因子：某些基因編碼的產(chǎn)物如蛋白質(zhì)或RNA，能調(diào)控另一個基因的表達。如RNA聚合酶基因表達的方式2023/2/540/23II正調(diào)控和負調(diào)控正調(diào)控：激活基因表達的過程，基因表達的活化物（activators）結(jié)合在受控基因上時，激活基因表達，不結(jié)合時就不表達的形式。真核生物常見負調(diào)控：抑制基因表達的過程，阻遏蛋白（repressorprotein）結(jié)合在受控基因上時不表達，不結(jié)合時就表達的形式。原核生物常見

正調(diào)控與負調(diào)控模式的比較

2023/2/542/23

2、誘導和阻遏表達

誘導（induction）--可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程。乳糖→利用乳糖的三種酶表達

阻遏（repression）--可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程色氨酸—色氨酸合成酶系2023/2/543/23基因表達調(diào)控的水平染色體和DNA水平上；轉(zhuǎn)錄水平上（最主要的方式）；轉(zhuǎn)錄后水平（RNA加工、成熟水平上）——真核生物；翻譯水平上；蛋白質(zhì)加工水平上；2023/2/544/23無論是真核細胞還是原核細胞都有一套準確地調(diào)節(jié)基因表達和蛋白質(zhì)合成的機制，使得細胞在需要的時間和地點產(chǎn)生相應的特異性的蛋白質(zhì)成為可能。

某一個體系在需要時被打開，不需要時被關(guān)閉。這種開關(guān)的活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)的?；虮磉_調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控和翻譯水平上的調(diào)控。基因的選擇性表達是細胞特異性的基礎原核基因的表達特點：1、較真核生物簡單。轉(zhuǎn)錄和翻譯相偶聯(lián)；基因組??；染色體簡單2、營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素起著重要作用。3、轉(zhuǎn)錄水平上常以操縱子模式進行負調(diào)控。2023/2/546/23真核基因的表達特點：1.與原核生物相比要復雜得多（轉(zhuǎn)錄與翻譯發(fā)生在不同的場所；基因數(shù)目多；含大量不編碼序列；染色體中包括大量的組蛋白和非組蛋白）2.染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段、激素水平起重要作用，營養(yǎng)和環(huán)境為次要因素。3.調(diào)控可以發(fā)生在多個不同水平上。多為正調(diào)控2023/2/547/23組蛋白（histones）：是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，是一類小分子堿性蛋白質(zhì)，含帶正電的精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸特別多。與DNA鏈中帶負電的磷酸基團結(jié)合。六種類型：H1、H2A、H2B、H3、H4及古細菌組蛋白非組蛋白是高等動植物的核蛋白質(zhì)中，除組蛋白之外的其他蛋白質(zhì)的總稱。非組蛋白主要是指與特異DNA序列相結(jié)合的蛋白質(zhì)，2023/2/548/23組蛋白和非組蛋白真核基因的表達特點：1.與原核生物相比要復雜得多（轉(zhuǎn)錄與翻譯發(fā)生在不同的場所；基因數(shù)目多；含大量不編碼序列；染色體中包括大量的組蛋白和非組蛋白）2.染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段、激素水平起重要作用，營養(yǎng)和環(huán)境為次要因素。3.調(diào)控可以發(fā)生在多個不同水平上。多為正調(diào)控2023/2/549/23PS1S2S3啟動子OPromoter調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因

操縱子（operon）

結(jié)合RNA聚合酶表達功能蛋白?操縱子（operon）:原核生物的基因表達調(diào)控的功能單位操縱基因Operator2023/2/550/23原核生物的基因表達調(diào)控乳糖操縱子模型操縱子(operon):

調(diào)節(jié)基因(I)（產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白）、啟動子(P)、操縱基因(O)、結(jié)構(gòu)基因(Z、Y、A)、終止子2023/2/551/23（調(diào)節(jié)基因）①結(jié)構(gòu)基因群2023/2/552/23

操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達十幾個。乳糖操縱子含有Z、Y和A3個結(jié)構(gòu)基因。分別編碼β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶、β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶②啟動子2023/2/553/23

啟動子(promoter,

P)是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5＇側(cè)上游，控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。

③操縱區(qū)2023/2/554/23

操縱區(qū)——operator（操作基因）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強弱。④調(diào)控基因——i

2023/2/555/23

調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱基因結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有：激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強或起動其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導的調(diào)控方式為正調(diào)控

阻遏蛋白(repressiveprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導的調(diào)控方式為負調(diào)控

⑤終止子

2023/2/556/23

終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。在一個操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個基因的后面有一個終止子。

以上5種元件是每一個操縱子必定含有的。其中啟動子、操縱區(qū)位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后。2023/2/557/23調(diào)節(jié)基因操縱子Lac阻遏物β－半乳糖苷酶β－半乳糖苷透性酶β－半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶E.Coli誘導型Lac操縱子結(jié)構(gòu)模型基因長度結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因是一類編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因，有l(wèi)acZlacY,lacA三個基因彼此緊密連鎖，按Z、Y、A順序排列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA上的特定位點結(jié)合來控制轉(zhuǎn)錄，是調(diào)控的關(guān)鍵。作用是標志轉(zhuǎn)錄起始的位點，RNA聚合酶在這一位點與DNA接觸，并開始進行轉(zhuǎn)錄。是調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白的結(jié)合部位，決定了RNA聚合酶是否能夠與DNA序列上的啟動子接觸。原核生物的基因表達調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時①阻遏蛋白的負調(diào)控阻遏基因乳糖操縱子的調(diào)控機制mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶②、乳糖存在時的誘導調(diào)控發(fā)現(xiàn)：葡萄糖關(guān)閉乳糖操縱子的表達（葡萄糖效應或降解物抑制效應）cAMP：環(huán)腺苷酸，濃度受葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)；當葡萄糖可供分解利用時，cAMPCRP：cAMP受體蛋白，又稱分解代謝物激活蛋白CAP，CAP可增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。（2）乳糖操縱子的CAP正調(diào)控生化里cAMP普遍稱為環(huán)腺苷酸,在細胞信號傳導中是重要的第二信使（包括：環(huán)磷腺苷（cAMP），環(huán)磷鳥苷(cGMP)，肌醇磷脂，鈣離子，廿碳烯酸類，一氧化氮等。）.（2）乳糖操縱子的CAP正調(diào)控

代謝調(diào)節(jié)基因表達CRP(環(huán)腺苷酸受體蛋白)或

CAP(降解物基因活化蛋白)cAMP-CAP

被激活：CRP(環(huán)腺苷酸受體蛋白)或

CAP(降解物基因活化蛋白)

促進代謝操縱子進行轉(zhuǎn)錄引發(fā)物質(zhì)進行代謝2023/2/563/23cAMPcAMP-CAP結(jié)合到代謝操縱子的一定部位葡萄糖分解代謝的降解物腺苷酸環(huán)化酶活性抑制磷酸二酯酶

活化

降低cAMP濃度降低cAMP濃度降解物阻遏機制：

由于乳糖操縱子的啟動子是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。lac操縱子的強誘導既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這機制，細菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。2023/2/564/23結(jié)構(gòu)基因：trpE，trpD，trpC，trpB，trpA，分別編碼色氨酸合成過程中的五個酶。調(diào)控區(qū):啟動子Promoter、操縱基因operator、前導序列（Leadersequenceofaprotein）和衰減子(attenuator)trp操縱子的結(jié)構(gòu)(1)色氨酸操縱子：2023/2/565/23色氨酸（Tryptophan），β-吲哚基丙氨酸，為白色或微黃色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末；無臭，味微苦。水中微溶，在乙醇中極微溶解，在氯仿中不溶，在甲酸中易溶，在氫氧化鈉試液或稀鹽酸中溶解。色氨酸是植物體內(nèi)生長素生物合成重要的前體物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與IAA相似，在高等植物中普遍存在。色氨酸操縱子的阻遏調(diào)控

2023/2/567/23真核生物基因表達與調(diào)控①轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控——組蛋白轉(zhuǎn)位模型：DNA的一個特定位置上的一種特異性的非組蛋白磷酸化以后，磷酸基帶負電荷，于是非組蛋白與帶負電荷的DNA相斥，并與帶正電荷的組蛋白強烈地結(jié)合在一起。組蛋白和非組蛋白復合體從DNA上脫離開來，使這部分DNA裸露出來，不再受組蛋白的抑制而開始轉(zhuǎn)錄真核生物基因表達與調(diào)控②轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控RNA聚合酶I催化rRNA的轉(zhuǎn)錄，RNA聚合酶Ⅱ催化mRNA的轉(zhuǎn)錄，RNA聚合酶Ⅲ催化tRNA和5sRNA的轉(zhuǎn)錄。③轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控對初產(chǎn)生的RNA加工剪接，去掉內(nèi)含子和非編碼區(qū)順序，把幾個外顯子連接起來，成為成熟的mRNA。④翻譯水平的調(diào)控，mRNA的戴帽與核糖體小亞基識別并與之結(jié)合，是開始翻譯的條件。⑤翻譯后的調(diào)控翻譯的最初產(chǎn)物是一個大的蛋白質(zhì)分子。有時，必須經(jīng)酶切成更小的分子才能有生物活性。如胰島素原→胰島素。真核生物基因表達與調(diào)控點突變2023/2/571/23無義突變置換突變移碼突變：DNA堿基中一對或少數(shù)幾對鄰近的核苷酸的增加或減少錯義突變中性突變同義突變非功能性突變不改變功能的突變第五節(jié)

基因突變轉(zhuǎn)換：嘌呤被另一個嘌呤取代或嘧啶被另一個嘧啶取代；顛換：嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代點突變：一般是在染色體上一個位點內(nèi)遺傳物質(zhì)的化學變化，即堿基對的變化引起的突變。數(shù)目改變種類改變?nèi)笔蛔儾迦胪蛔冎亟M突變2023/2/573/23大片段突變基因的自由組合（發(fā)生在減數(shù)第一次分裂后期）、基因的交叉與互換（發(fā)生在減數(shù)第一次分裂前期，四分體時期，同源染色體的非姐妹染色單體間發(fā)生交換）基因工程和細菌轉(zhuǎn)化（如肺炎雙球菌由R型轉(zhuǎn)化為S型）.

前兩種是狹義的基因重組,后兩種是廣義的基因重組.突變的誘發(fā)因素⑴自發(fā)突變：由DNA復制，DNA損傷修復等導致的基因突變⑵誘發(fā)突變：由于環(huán)境因素引起的突變，引起突變的因子稱為誘變劑：①物理性：紫外線和電離輻射——X射線，γ射線，中子流等，2023/2/574/23突變的誘變劑②化學性：改變DNA結(jié)構(gòu)的化學試劑：亞硝酸鹽，烷化劑等；堿基類似物：5—尿嘧啶（BU）是T類似物。結(jié)合到DNA分子上的化合物：丫啶類造成移碼突變；③生物性：某些病毒的DNA或RNA逆轉(zhuǎn)錄成的cDNA的整個或片段整合到寄主的DNA中，可引起寄主基因突變。2023/2/575/23基因突變的特性：

隨機性（任何時期，任意部位）多向性（相對地，指一定范圍內(nèi)的）稀有性（自然狀態(tài)下突變頻率低）可逆性（正向突變和回復突變）多有害性平行性2023/2/578/23201103青島農(nóng)業(yè)大學

1、基因：DNA分子上具有特定遺傳效應的一段特定的核苷酸序列。遺傳效應：有蛋白質(zhì)產(chǎn)物或RNA產(chǎn)物或?qū)ζ渌蚱鹫{(diào)節(jié)效應的功能。

2、基因組：一個單倍體染色體組中所包含的全部遺傳物質(zhì)。有核基因組和質(zhì)基因組之分。圖4-1

基因組大小

種類Mb大腸桿菌4.64啤酒酵母12.1線蟲100果蠅140蝗蟲5000小鼠3300豌豆4800玉米5000小麥17000人3000

2023/2/580/23Bp——basepair,1Mb=1000Kb1Kb=1000bpC值1、在每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值2、每個物種C值相對恒定，不同物種C值差異極大。相對比較簡單的單細胞真核生物象啤酒酵母，其基因組就有1.75×10^7bp大約是細菌基因組的3-4倍。最簡單的多細胞生物隱桿線蟲其基因組有8×10^7bp，大約是酵母的4倍。看來生物的復雜性和其DNA含量之間有較好的相關(guān)C值悖論高等生物具有比低等生物更復雜的生命活動，所以，理論上應該是它們的C值也應該更高。但是事實上高等生物的C值不一定高于比它低等的生物。這種生物學現(xiàn)象稱為C值悖論。2023/2/582/23分類最小基因組支原體0.58X106細菌2.8X106酵母3.0X107霉菌5.5X107蠕蟲1.1X108昆蟲0.5X109鳥類0.2X1010兩棲類0.1X1010哺乳類2.8X1010

2023/2/583/23

進化地位高，結(jié)構(gòu)復雜的生物的同類生物最小基因組比較，符合進化程度越高，生物基因組越大的規(guī)律。

201103青島農(nóng)業(yè)大學201103青島農(nóng)業(yè)大學二、人類基因組結(jié)構(gòu)

人類基因組結(jié)構(gòu)龐大、復雜：基因組DNA總長度為30億個bp，3-4萬個基因分布在24條染色體上，非編碼區(qū)遠遠多于編碼區(qū)，占90%以上，結(jié)構(gòu)基因占3%，以單拷貝形式存在。

1、DNA序列中的組成結(jié)構(gòu)

可分為3種類型：

（1）單一序列(非重復序列、單拷貝序列）

占60-65%，在編碼DNA中絕大多數(shù)為結(jié)構(gòu)基因201103青島農(nóng)業(yè)大學（2）中度重復序列：占20-30%，拷貝數(shù)為104-105，

包括組蛋白基因、免疫球蛋白基因及RNA基因，絕大多數(shù)中度重復序列為不編碼序列，成為間隔區(qū)，如人類Alu序列家族。

（3）高度重復序列：又稱為衛(wèi)星DNA

通常是小于10bp的短小序列組成基本單元，重復達105以上，占基因組的10%，不能轉(zhuǎn)錄，組成異染色質(zhì)。

201103青島農(nóng)業(yè)大學2、結(jié)構(gòu)基因

（1）概念：為蛋白質(zhì)編碼的基因叫-。其DNA序列大多數(shù)是不連續(xù)的，編碼序列之中往往還插入有非編碼序列。

（2）結(jié)構(gòu)：

內(nèi)含子：非編碼的序列叫—。

外顯子：編碼序列的片段叫—。

一個結(jié)構(gòu)基因常常是由多個內(nèi)含子和多個外顯子相間排列組成的。圖4-2，n個內(nèi)含子嵌合排列在n+1外顯子之間，故有內(nèi)外之分。

201103青島農(nóng)業(yè)大學

201103青島農(nóng)業(yè)大學（3）功能：內(nèi)含子的長度比外顯子的大好幾倍，一起轉(zhuǎn)錄成RNA以后，必須經(jīng)過剪接加工過程，將內(nèi)含子部分切除，使外顯子連接起來，才能形成成熟的mRNA，成為翻譯蛋白質(zhì)的模板。內(nèi)含子，含而不顯的片段對基因的表達有重要的調(diào)控作用。圖4-3。

3、多基因家族和基因簇：

（1）多基因家族：真核生物的基因組中有許多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，這樣的一組基因稱為基因家族

201103青島農(nóng)業(yè)大學（2）基因簇或超基因：同一基因家族中，一些結(jié)構(gòu)和功能更為相似的基因彼此靠近成串地排列在一起，形成一個基因簇。如人類類α珠蛋白基因族、類β珠蛋白基因族。

在人類基因組中，有中等重復序列構(gòu)成的大的基因群，包含有幾百個功能相關(guān)的基因，緊密成簇狀排列，稱為超基因。如人類組織相容性抗原復合體HLA，及免疫球蛋白的重鏈和輕鏈基因。

HGP的研究內(nèi)容總體目標：15年內(nèi)投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個核苷酸序列分析主要內(nèi)容：

1.基因組制圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜、基因圖譜）

2.基因的定位與分析

3.基因組研究技術(shù)的建立、改進

4.

模式生物基因組的圖譜繪制及測序

5.相關(guān)課題的研究二十世紀的三大計劃ManhatonApolloHGP201103青島農(nóng)業(yè)大學

（1）遺傳圖（geneticmap）或稱為遺傳連鎖圖：是根據(jù)基因或者遺傳標記之間的交換（重組）值來確定基因在染色體上的相對距離、位置的圖譜。其距離單位是厘摩（centimorgan，cM），以此紀念現(xiàn)代遺傳學奠基人摩爾根，1cM相當于1%的交換值，大約相當于1000kb。

（2）物理圖（physicalmap）：是應用物理或化學技術(shù)直接確定基因或遺傳標記在染色體上或DNA上的具體位置。其距離是以具體的物理長度為單位的（核苷酸對的數(shù)目、染色體顯帶的標號）。物理圖以一個"物理標記"作為路標，以Mb、Kb、bP作為圖距的基因組圖。

201103青島農(nóng)業(yè)大學201103青島農(nóng)業(yè)大學1995年，第一張以稱為序列標簽位點STS為物理標記的物理圖譜問世，它包括了94％的基因組和1500多個標記位點，平均間距為200Kb（這就是所謂的分辨率）。這樣，物理圖就把人類龐大基因組分成具有界標的1500個小區(qū)域。人類基因組物理圖的問世是基因組計劃中的一個重要里程碑，被遺傳學家譽為20世紀的"生命（生物學）周期表"。第三張圖是序列圖，指遺傳物質(zhì)上核苷酸序列物理圖的簡稱?？梢哉f它是人類基因組在分子水平上最高層次、最為詳盡的物理圖。測定總長為1米、由30億對核昔酸組成的基因組全部DNA序列，是基因組計劃中最為明確、最為艱巨的定時、定量、定質(zhì)的硬任務。第四張圖是轉(zhuǎn)錄圖。是以基因的外顯子序列為標記，精確地表明這些標記在基因組或染色體位置的物理圖物理圖包括序列圖和轉(zhuǎn)錄圖在人體某一特定的組織中僅有10％的基因被表達。也就是說，只有不足1萬個基因被表達。如果將這些mRNA通過一種反轉(zhuǎn)錄的過程構(gòu)建成CDNA文庫，然后再測定這些DNA的序列，最終繪制成一張可表達基因圖--轉(zhuǎn)錄圖。201103青島農(nóng)業(yè)大學遺傳圖制作它是以在某個遺傳位點上具有多個等位基因的遺傳標記作為"路標"，以遺傳學上的距離即兩個遺傳位點之間進行交換、重組的百分率cM作為"圖距"，反映基因遺傳效應的基因組圖。201103青島農(nóng)業(yè)大學DNA多態(tài)性DNA的多態(tài)性指正常人群中，DNA分子或基因的某些位點可以發(fā)生中性改變，使DNA的一級結(jié)構(gòu)各不相同，但并不影響基因的表達，形成多態(tài)；DNA的多態(tài)性可以看作是在分子水平上的個體區(qū)別的遺傳標志。201103青島農(nóng)業(yè)大學第一代的DNA標記——RFLPrestrictfragmentlengthpolymorphism（限制性片段長度多態(tài)性）分析。這些RFLP片斷可被某些限制性內(nèi)切酶特異識別并切割。DNA序列的改變甚至是一個堿基的改變，將會改變限制性內(nèi)切酶酶切片段的長度變化，并可通過一種稱為凝膠電泳的方法來方便地顯示這種長度的"多態(tài)性"。201103青島農(nóng)業(yè)大學第二代遺傳標記——STR在檢測RFLP的過程中，人們發(fā)現(xiàn)有一種類型是由于DNA重復序列造成的。這些DNA重復序列在人類基因組中有很多拷貝，它們可以頭對頭或頭對尾地串聯(lián)成一簇，分布于基因組的各個位點。在某一位點上，數(shù)目可變的串聯(lián)重復多態(tài)性（VNTR）也可以提供不同的長度片斷。201103青島農(nóng)業(yè)大學第二代遺傳標記——STR=SSR有的VNTR重復單位長度為6－12個堿基，稱為小衛(wèi)星minisatellite；有的VNTR重復單位為2－7個堿基，稱為微衛(wèi)星或簡短串聯(lián)重復（STR——icrosatellite,）。STR具有高度多態(tài)性，同一遺傳位點數(shù)目變化很大，在群體中也可形成多達幾十種的等位基因，這是其他遺傳標記所不能比擬的；201103青島農(nóng)業(yè)大學第三代DNA遺傳標記——SNPSNP是從分子水平上對單個核苷酸的差異進行檢測，SNP標記可幫助區(qū)分兩個個體遺傳物質(zhì)的差異。人類基因組大約每1250bpSNP出現(xiàn)一次，已有2000多個標記定位于人類染色體，對人類基因組學研究具有重要意義。SNP是人類基因組DNA序列變異的主要形式，是決定人類疾病的重要遺傳基礎。201103青島農(nóng)業(yè)大學熒光原位雜交fluorescenceinsituhybridazation,主要用于基因變異和染色體定位研究。FISH進行基因定位：將DNA探針用同位素或熒光染料標記，按照堿基互補配對原則，與固定在玻片上的中期染色體雜交后，在熒光顯微鏡下呈現(xiàn)不同顏色的熒光。FISH是一項十分靈敏的技術(shù)，可以檢測出非整倍體，基因擴增，微小的染色體重排或易位等染色體變異201103青島農(nóng)業(yè)大學Sequence

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SiteSTS序列位置標簽：一段短的DNA序列（200－500個堿基對），這種序列在染色體上只出現(xiàn)一次，其位置和堿基順序都是已知的。在PCR反應中可以檢測處STS來，STS適宜于作為人類基因組的一種地標，據(jù)此可以判定DNA的方向和特定序列的相對位置。ETS是cDNA上的STS。——物理圖譜（序列圖、轉(zhuǎn)錄圖）201103青島農(nóng)業(yè)大學SNPsinglenucleotidepolymorphism單核苷酸多態(tài)性，是指在基因組內(nèi)特定核苷酸位置上存在兩種不同堿基，其中最少一種在群體中的頻率不小于1％。SNP是人類基因組DNA序列變異的主要形式，是決定人類疾病的重要遺傳基礎。201103青島農(nóng)業(yè)大學PCR擴增技術(shù)是一種體外DNA擴增技術(shù)，是在模板DNA、引物和4種脫氧核苷酸存在的條件下，依賴于DNA聚合酶的酶促合反應，將待擴增的DNA片段與其兩側(cè)互補的寡核苷酸鏈引物經(jīng)“高溫變性——低溫退火——引物延伸”三步反應的多次循環(huán)，使DNA片段在數(shù)量上呈指數(shù)增加，從而在短時間內(nèi)獲得我們所需的大量的特定基因片段。201103青島農(nóng)業(yè)大學凝膠電泳技術(shù)DNA和RNA多核苷酸鏈可叫做多聚陰離子。因此,當核酸分子被放置在電場中時,它們就會向正電極的方向遷移。由于糖-磷酸骨架結(jié)構(gòu)上的重復性質(zhì),相同數(shù)量的雙鏈DNA幾乎具有等量的凈電荷,因而它們能以同樣的速度向正電極方向遷移。在一定的電場強度下,DNA分子的這種遷移速度,亦即電泳的遷移率,取決于核酸分子本身的大小和構(gòu)型,分子量較小的DNA分子比分子量較大的DNA分子遷移要快些。這就是應用凝膠電泳技術(shù)分離DNA片段的基本原理。201103青島農(nóng)業(yè)大學SDS凝膠電泳201103青島農(nóng)業(yè)大學201103青島農(nóng)業(yè)大學（六）HGP的結(jié)果1、全部人類基因組約有2.91Gbp，約有39000多個基因；平均的基因大小有27kb；其中G+C含量偏低，僅占38%，而2號染色體中G+C的含量最多；到目前仍有9%的堿基對序列未被確定；美國和英國科學家2006年5月18日在英國《自然》雜志網(wǎng)絡版上發(fā)表了人類最后一個染色體——1號染色體的基因測序。在人體全部22對常染色體中，1號染色體包含基因數(shù)量最多，達3141個，是平均水平的兩倍，共有超過2.23億個堿基對，破譯難度也最大。一個由150名英國和美國科學家組成的團隊歷時10年，才完成了1號染色體的測序工作。而13號染色體含基因量最少；

201103青島農(nóng)業(yè)大學2、目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和定位了26000多個功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能，在已知基因中酶占10.28%，核酸酶占7.5%，信號傳導占12.2%，轉(zhuǎn)錄因子占6.0%，信號分子占1.2%，受體分子占5.3%，選擇性調(diào)節(jié)分子占3.2%，等。發(fā)現(xiàn)并了解這些功能基因的作用對于基因功能和新藥的篩選都具有重要的意義

3、基因數(shù)量少得驚人：一些研究人員曾經(jīng)預測人類約有14萬個基因，但Celera公司將人類基因總數(shù)定在2.6383萬到3.9114萬個之間，不超過40,000，只是線蟲或果蠅基因數(shù)量的兩倍，人有而鼠沒有的基因只有300個。

201103青島農(nóng)業(yè)大學4、人類單核苷酸多態(tài)性的比例約為1/1250bp，不同人群僅有140萬個核苷酸差異，人與人之間99.99％的基因密碼是相同的。并且發(fā)現(xiàn)，來自不同人種的人比來自同一人種的人在基因上更為相似。在整個基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別；

5、人類基因組中存在“熱點”和大片“荒漠”。在染色體上有基因成簇密集分布的區(qū)域，也有大片的區(qū)域只有“無用DNA”—不包含或含有極少基因的成分?；蚪M上大約有1／4的區(qū)域沒有基因的片段。在所有的DNA中,只有1%-1.5%DNA能編碼蛋白，在人類基因組中98%以上序列都是所謂的“無用DNA”,分布著300多萬個長片斷重復序列。201103青島農(nóng)業(yè)大學6、男性的基因突變率是女性的兩倍，而且大部分人類遺傳疾病是在Y染色體上進行的。所以，可能男性在人類的遺傳中起著更重要的作用；

7、人類基因組中大約有200多個基因是來自于插入人類祖先基因組的細菌基因。這種插入基因在無脊椎動物是很罕見的，說明是在人類進化晚期才插入我們基因組的?？赡苁窃谖覀?nèi)祟惖拿庖叻烙到y(tǒng)建立起來前，寄生于機體中的細菌在共生過程中發(fā)生了與人類基因組的基因交換；

201103青島農(nóng)業(yè)大學8、發(fā)現(xiàn)了大約一百四十萬個單核苷酸多態(tài)性，并進行了精確的定位，初步確定了30多種致病基因。隨著進一步分析，我們不僅可以確定遺傳病、腫瘤、心血管病、糖尿病等危害人類生命健康最嚴重疾病的致病基因，尋找出個體化的防治藥物和方法，同時對進一步了解人類的進化產(chǎn)生重大的作用；9、人類基因組編碼的全套蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)組)比無脊椎動物編碼的蛋白質(zhì)組更復雜。人類和其他脊椎動物重排了已有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域，形成了新的結(jié)構(gòu).也就是說人類的進化和特征不僅靠產(chǎn)生全新的蛋白質(zhì)，更重要的是要靠重排和擴展已有的蛋白質(zhì)，以實現(xiàn)蛋白質(zhì)種類和功能的多樣性。有人推測一個基因平均可以編碼2-10種蛋白質(zhì)，以適應人類復雜的功能。模式生物人類基因組計劃還包括對下列五種模式生物的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠2023/2/5116/23謝謝12年遺傳進