基因的概念及結(jié)構(gòu)

基因的概念及結(jié)構(gòu)第1頁/共73頁第一節(jié)基因的概念與發(fā)展一、發(fā)展歷程1.1865年

Mendel——遺傳因子最初由孟德爾的雜交試驗(yàn)提出“遺傳因子”,此時(shí)為一邏輯推理產(chǎn)物，是一種與生物狀狀相應(yīng)的符號(hào)，無實(shí)質(zhì)內(nèi)容。2.1909年丹麥Johanssen——基因第2頁/共73頁3.1910年—40年代

Morgan等認(rèn)為基因是三合一體，即基因既是一個(gè)功能單位，也是一個(gè)突變單位和一個(gè)交換單位。摩爾根通過對(duì)果繩的研究，闡明了連鎖交換規(guī)律和伴性遺傳，并進(jìn)一步推理出基因在染色體上呈直線排列，基因是一種化學(xué)實(shí)體并決定性狀?；蚴峭蛔兒椭亟M的最小單位第3頁/共73頁4.1944年Avery首次證實(shí)基因是由DNA構(gòu)成，及1953年DNA雙螺旋模型的提出，人們認(rèn)為基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA片段5.1944年Beadle研究脈胞菌突變——提出一基因一酶學(xué)說,后來研究血紅蛋白時(shí)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)可由不同肽鏈組成，而突變只影響一條肽鏈——提出了一基因一多肽學(xué)說第4頁/共73頁6.1955年，Benzer通過順反互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因內(nèi)部的許多位點(diǎn)上可以發(fā)生突變，并且可能在這些位點(diǎn)間發(fā)生交換，說明一個(gè)基因并不是一個(gè)突變單位和一個(gè)交換單位7.60年代，Jacod和Monod研究細(xì)菌基因調(diào)控時(shí)發(fā)現(xiàn)基因是可分的，功能上是有差別的

第5頁/共73頁結(jié)構(gòu)基因—決定合成某種蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)基因—編碼阻遏或激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)基因,無翻譯產(chǎn)物的基因8.新的發(fā)現(xiàn)——斷裂基因，重疊基因，跳躍基因第6頁/共73頁基因是實(shí)體，它的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA（或RNA）；基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA分子中的特定核苷酸序列；基因是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)基因是可分的第7頁/共73頁基因的分子生物學(xué)定義基因是編碼有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核苷序列。包含：編碼蛋白質(zhì)肽鏈或RNA的核酸序列，轉(zhuǎn)錄所必須的調(diào)控元件，編碼區(qū)上游的非編碼序列，內(nèi)含子，編碼區(qū)下游的非編碼序列。第8頁/共73頁基因結(jié)構(gòu)第9頁/共73頁基因的不同類型結(jié)構(gòu)基因:為蛋白質(zhì)或RNA編碼的基因，其產(chǎn)物為酶促反應(yīng)的有關(guān)的功細(xì)胞組分，它不影響其它基因的表達(dá)調(diào)節(jié)基因：不編碼RNA或蛋白質(zhì)的基因，其主要作用是調(diào)節(jié)其它基因的表達(dá)第10頁/共73頁功能性基因：基因家族中，仍然為蛋白質(zhì)或RNA編碼的家族成員稱假基因（Pseudogene）：基因家族中已不為蛋白質(zhì)或RNA編碼的家族成員第11頁/共73頁第二節(jié)復(fù)等位基因（multiplealleles）復(fù)等位基因:一個(gè)群體中，一對(duì)同源染色體的同一基因座上存在著2個(gè)以上的等位基因，這就是復(fù)等位基因（multiplegene)復(fù)等位基因是生物遺傳多態(tài)性在遺傳上的直接原因第12頁/共73頁復(fù)等位基因間的互作效應(yīng)互補(bǔ)基因：某性狀只有在二個(gè)以上的非等位基因共存時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來，這種由于互相補(bǔ)充而使一個(gè)性狀得以表現(xiàn)的非等位基因，稱為互補(bǔ)基因抑制基因：某一突變基因的表型效應(yīng)由于第二個(gè)突變基因的出現(xiàn)而恢復(fù)正常時(shí)，稱后一突變基因?yàn)榍罢叩囊种苹虻?3頁/共73頁相關(guān)概念上位效應(yīng)：一對(duì)顯性基因的表現(xiàn)受到另一對(duì)非等位基因的作用，這種非等位基因間的抑制或遮掩作用叫上位效應(yīng)。起抑制作用的基因稱為上位基因，被抑制的基因稱為下位基因第14頁/共73頁一個(gè)2倍體細(xì)胞最多只能有復(fù)等位基因的2個(gè)拷貝

2個(gè)等位基因，可以組成3種基因型

3個(gè)等位基因，可以組成6種基因型

4個(gè)等位基因，可以組成10種基因型

n個(gè)等位基因，可以組成n+n(n-1)/2種基因型其中純合體為n個(gè),雜合體為n(n-1)/2個(gè)第15頁/共73頁第三節(jié)順反子（cistron）早期的基因概念：基因是一個(gè)功能單位，重組單位，突變單位(三位一體)。發(fā)展的基因概念：基因是一個(gè)功能單位，基因內(nèi)部可突變和重組。一個(gè)基因就是一個(gè)順反子?；虻捻樖胶头词脚帕械?6頁/共73頁順反子概念的提出1955年，S.Benzer通過對(duì)T4噬菌體精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究提出了順反子(Cistron)，突變子（muton）和重組子（recon）的概念順反子：編碼一種多肽鏈的核苷酸序列,是一個(gè)功能單位突變子和重組子均為一核苷酸對(duì)第17頁/共73頁順反子學(xué)說否定了一個(gè)基因一個(gè)酶的假說單順反子是真核基因的轉(zhuǎn)錄形式。一個(gè)啟動(dòng)子后僅具有一個(gè)編碼序列。多順反子出現(xiàn)于原核生物，即若干個(gè)基因由一個(gè)啟動(dòng)子控制，轉(zhuǎn)錄在一條mRNA上第18頁/共73頁Fig15.10Thearrangementofgeneticmarkersincisandtransheterozygotes.?2003JohnWileyandSonsPublishers兩個(gè)相鄰的等位基因，基因型均為m1+m2+，但是在染色體上的排列方式不一樣，因而表型也不相同第19頁/共73頁Fig15.11Thecis-transpositioneffectobservedbyEdwardLewiswiththeaprandwmutationsofDrosophila.apr：杏色眼w：白色眼順式排列表現(xiàn)為紅色反式排列表現(xiàn)為杏色第20頁/共73頁第21頁/共73頁第22頁/共73頁如何判斷突變是在一個(gè)順反子內(nèi)還是2個(gè)不同的非等位基因

a1a1xa2a2

突變型突變型

a1a2突變型

突變型野生型

如果F1代是突變型，說明a1，a2位于同一順反子的不同位點(diǎn)，如果F1代是野生型，說明a1，a2

是兩個(gè)非等位基因。第23頁/共73頁順反子:

是一個(gè)遺傳單位,一個(gè)順反子決定一個(gè)多肽鏈突變子:

是DNA中構(gòu)成基因的一個(gè)或若干個(gè)核苷酸重組子:

重組子代表一個(gè)空間單位，它有起點(diǎn)和終點(diǎn)，可以是若干個(gè)密碼子的重組，也可以是單個(gè)核苷酸的互換順反子進(jìn)一步發(fā)展了基因的概念第24頁/共73頁第四節(jié)操縱子（Operon）由操縱基因操縱的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因連鎖在一起，由一個(gè)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄成為一個(gè)mRNA分子，然后翻譯成為幾種蛋白質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)操縱子乳糖操縱子：包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因β-半乳糖苷酶、乳糖透性酶、乙酰化酶第25頁/共73頁2023/3/14261.操縱子的提出大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)第26頁/共73頁2023/3/1427大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(-galactosidase)第27頁/共73頁2023/3/1428在環(huán)境中沒有乳糖時(shí)，大腸桿菌合成-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上二階段生長(zhǎng)細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測(cè)出細(xì)菌中-半乳糖苷酶活性顯著增高這種誘導(dǎo)現(xiàn)象，法國(guó)的Jocob和Monod等人通過研究，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學(xué)說第28頁/共73頁編碼阻礙基因的I位點(diǎn)啟動(dòng)子區(qū)域P位點(diǎn)操縱基因O位點(diǎn)三個(gè)結(jié)構(gòu)基因：ZYA第29頁/共73頁當(dāng)乳糖缺乏是，I基因表達(dá)阻遏物，阻礙物與操縱基因結(jié)合，啟動(dòng)子的活性收到阻礙，ZYA基因轉(zhuǎn)錄起始受到抑制在乳糖存在是，乳糖與阻遏物結(jié)合，改變阻遏物構(gòu)象使之不能與操縱基因結(jié)合因此起始ZYA基因的合成第30頁/共73頁Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.

第31頁/共73頁第五節(jié)超基因超基因（supergene)：是指作用于一種性狀或作用于一系列相關(guān)性狀的幾個(gè)緊密連鎖的基因基因家族：真核生物中由同一祖先基因在進(jìn)化過程中經(jīng)突變，重復(fù)和倒位等演變而成的具有相同或相似作用的所有基因，稱基因家族第32頁/共73頁血紅蛋白超基因超基因家族或成員可位于同一染色體上或不同染色體上如脊椎動(dòng)物的血紅蛋白基因，為四聚體，由兩條a鏈和兩條β鏈組成，在不同發(fā)育階段血紅蛋白的組成不同

發(fā)育階段血紅蛋白的組成胚胎期（≤8周）ξ2ε2ξ2γ2α2ε2胎兒期（3-9月）α2γ2成人期（出生后）α2δ2α2β2第33頁/共73頁

類α基因包括：ξ、ψξ、ψα、α1、α2、θ類β基因包括：ε、Gr、Ar、ψβ、δ、β類α和類β基因在染色體上，緊密連鎖，呈直線排列，形成一個(gè)超基因

ξψξψαψααθ

εGrArψβδβ第34頁/共73頁基因簇：指基因家族的成員以串聯(lián)重復(fù)方式排列在一起或不同家族的成員構(gòu)成一重復(fù)單位，以串聯(lián)重復(fù)方式排列在一起。原核；5SRNA，16SRNA，23SRNA真核：5.8SRNA，18SRNA，28SRNAtRNA簇第35頁/共73頁假基因（pseudogene）：在基因家族中與功能基因相似的序列，但有許多突變以致于失去了原有的功能，假基因是沒有功能的基因。在爪蟾5S基因、珠蛋白基因簇、免疫球蛋白基因簇及組織相容性抗原基因簇中都發(fā)現(xiàn)有假基因。第36頁/共73頁第六節(jié)真核生物的斷裂基因斷裂基因的發(fā)現(xiàn)1977年Flavell和Jeffreys兔球蛋白基因cDNA與DNA雜交實(shí)驗(yàn)同年Chambon雞卵清蛋白的雜交實(shí)驗(yàn)真核生物的基因是斷裂的第37頁/共73頁基因的不連續(xù)性

在1977年以前，都認(rèn)為基因是一種為蛋白質(zhì)編碼的連續(xù)的核苷酸序列，因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)基因的研究都是從原核生物開始的，而在原核基因中很少有基因是間斷的后來在對(duì)真核生物基因進(jìn)行研究時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，真核基因比其相應(yīng)的mRNA長(zhǎng)得多，開始以為基因的一端或兩端存在一些不轉(zhuǎn)錄的序列但從核RNA（hnRNA）和mRNA的大小進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，核RNA比相應(yīng)的mRNA長(zhǎng)，而與真核基因的大小相似，因此有一部分序列在初始轉(zhuǎn)錄中存在，而在mRNA從核轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)之前被除去了真核基因中存在著一些可能被轉(zhuǎn)錄但不為蛋白質(zhì)或多肽編碼的序列—真核基因是間斷的。隨著對(duì)真核基因的深入研究，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)真核基因都是間斷的，包括外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)兩個(gè)大的部分第38頁/共73頁第39頁/共73頁基因的可變剪切黑腹果蠅tra基因果蠅的dsx基因肌鈣蛋白T基因基因的可變剪切現(xiàn)象在真核生物中普遍存在第40頁/共73頁同一DNA序列可編碼多種蛋白質(zhì)利用不同的啟動(dòng)子：有時(shí)基因不止一個(gè)啟動(dòng)子，或啟動(dòng)子中的不同成分可獨(dú)立起始轉(zhuǎn)錄，只是效率不同，因此可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生不同的mRNA利用不同的終止子：與啟動(dòng)子的情況類似改變拼接方式：將不同的外顯子拼接在一起，可產(chǎn)生不同mRNA（抗原、抗體可變剪接的意義第41頁/共73頁

promoterexon1exon2exon3exon4exon5terminatorA:利用不同的啟動(dòng)子（例：雞的強(qiáng)心肌和砂囊肌）

B:利用不同的終止子（鼠降鈣素基因）

C:改變拼接方式（例鼠雞鈣蛋白T）

12345

1235

第42頁/共73頁第七節(jié)重疊基因（overlappinggene)1973年Weiner研究RNA病毒時(shí)的發(fā)現(xiàn)1977年Sanger研究X174Phage時(shí)發(fā)現(xiàn)5387bp的基因組，編碼的蛋白質(zhì)比預(yù)期要多重疊基因概念：基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)不同，但是共用同一段DNA序列或幾個(gè)核苷酸的不同基因除了RNA病毒和噬菌體，SV40病毒中也有重疊基因第43頁/共73頁第44頁/共73頁原核生物重疊基因的類型一個(gè)基因的核苷酸序列完全包含在另一個(gè)基因的核酸序列當(dāng)中，只是由于讀碼框不同而編碼不同蛋白質(zhì)兩個(gè)基因核酸序列末端密碼子相互重疊，例如終止密碼TGA與起始密碼ATG重疊某些核苷酸區(qū)段重疊第45頁/共73頁真核生物也有重疊基因果蠅、人、秀麗新小桿線蟲中都有發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因的編碼序列完全寓居于另一個(gè)基因的內(nèi)含子當(dāng)中套嵌基因：一個(gè)基因的互補(bǔ)鏈編碼另外一個(gè)基因第46頁/共73頁第八節(jié)可動(dòng)基因(mobilegene)可動(dòng)基因的概念：在染色體體上的位置是可以移動(dòng)的基因被稱為可移動(dòng)基因，也可以稱為轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座因子（Transposableelement)。第47頁/共73頁易位：染色體發(fā)生斷裂，然后通過斷裂末端的重接，使染色體斷片連接在同一條染色體的新位置，或是連接轉(zhuǎn)移到另一條染色體上。此時(shí)，染色體斷片上的基因也隨著染色體的重接而移動(dòng)到新的位置轉(zhuǎn)座：在轉(zhuǎn)座酶的作用下，轉(zhuǎn)座子直接從原來位置切離下來，插入染色體的新位置；或者從自身的DNA序列轉(zhuǎn)錄出RNA，RNA逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA再插入染色體上新的位置轉(zhuǎn)座同易位的概念區(qū)別第48頁/共73頁McClintock的貢獻(xiàn)原始發(fā)現(xiàn)：1951年，McClintockB，在基因組中發(fā)現(xiàn)可以移動(dòng)的基因，1984年獲諾貝爾獎(jiǎng)玉米粒顏色的遺傳。正常：有色有色異常：有色色斑有色無色第49頁/共73頁1932年，美國(guó)遺傳學(xué)家B.McClintock發(fā)現(xiàn)玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳現(xiàn)象。

1951年首次提出轉(zhuǎn)座子的概念，認(rèn)為在基因組的不同區(qū)域存在可移動(dòng)的控制因子，controllingelement。

1983年獲諾貝爾獎(jiǎng)。第50頁/共73頁玉米色粒調(diào)控元件Ac-Ds系統(tǒng)第9染色體短臂，有色基因C附近C基因，色素合成基因。Ac基因，自主移動(dòng)的調(diào)節(jié)因子，4.5kb5個(gè)exon，編碼轉(zhuǎn)座酶Ds基因，非自主移動(dòng)的受體因子

0.5-4.0kb，與Ac有同源序列

插入引起色素不能合成玉米的轉(zhuǎn)座因子第51頁/共73頁可動(dòng)基因(mobilegene)玉米粒顏色的遺傳（C基因決定有色）。

CAc有色

CDsAc花斑

CDs無色第52頁/共73頁Ac與Ds因子的結(jié)構(gòu)Ac因子：4.563kb；有5個(gè)外顯子，產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶，兩端有11個(gè)bp的反向重復(fù)序列5’CAGGGATGAAA….TTTCATCCCTG3’3’GTCCCTACTTT….AAAGTAGGGAC5’Ds因子（解離因子）：與Ac序列具有很大的相似性，但是中間缺失序列。有0.5-4.0kb，兩端有11個(gè)bp的反向重復(fù)序列，在插入位點(diǎn)上有6-8bp的正向重復(fù)序列第53頁/共73頁Ac與Ds因子的轉(zhuǎn)座機(jī)制Ac與Ds因子的轉(zhuǎn)座屬于非復(fù)制機(jī)制，即不是先進(jìn)行拷貝后將拷貝轉(zhuǎn)移，而是直接從原位置消失第54頁/共73頁第55頁/共73頁第56頁/共73頁轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制轉(zhuǎn)座時(shí)發(fā)生的插入作用有一個(gè)普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的（3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會(huì)被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個(gè)重復(fù)的靶序列之間轉(zhuǎn)座酶交錯(cuò)切開靶位點(diǎn)，插入序列插入與宿主的單鏈末端相連接，余下缺口由DNA聚合酶和連接酶填補(bǔ)，插入的兩端形成正向重復(fù)第57頁/共73頁第58頁/共73頁轉(zhuǎn)座引起的遺傳效應(yīng)插入突變插入失活插入帶來新的基因非精確解離形成突變(缺失，重復(fù)，到位)插入激活第59頁/共73頁第九節(jié)染色體外基因染色體外基因（extrachromosomalgene)：在真核和原核生物細(xì)胞中有一些位于染色體外的基因叫染色體外基因第60頁/共73頁一、質(zhì)粒（plasmid)細(xì)菌中除了染色體外，還有大量的小環(huán)狀分子，就是質(zhì)粒（plasmid)質(zhì)粒上有抗生素基因第61頁/共73頁第62頁/共73頁二、線粒體基因組線粒體是真核細(xì)胞中的細(xì)胞器。每個(gè)細(xì)胞中含有幾十至數(shù)千個(gè)線粒體。每個(gè)線粒體有多個(gè)線粒體基因組拷貝線粒體是非孟德爾式遺傳，在高等生物中具有母性遺傳的特征第63頁/共73頁線粒體基因組變化很大，可相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，動(dòng)物細(xì)胞的線粒體基因組較小，在人類、老鼠、牛等細(xì)胞中約為16.5kb。酵母線粒體基因組較大，但在不同菌株亦有變化，釀酒酵母約為84kb，每一細(xì)胞約有22個(gè)線粒體每一線粒體約有4個(gè)拷貝DNA，但在生長(zhǎng)的細(xì)胞中有很大變化第64頁/共73頁第七節(jié)基因的相互作用互補(bǔ)基因（conplementarygenes）修飾基因（modifiers）上位效應(yīng)（epistasis）

第65頁/共73頁基因的相互作用互補(bǔ)基因（complementarygenes）：不同對(duì)基因相互作用，出現(xiàn)了新的性狀。這兩個(gè)基因稱為互補(bǔ)基因。雞冠的遺傳：玫瑰冠X豌豆冠

RRpprrPP

胡桃冠RrPp胡桃冠玫瑰冠豌豆冠單冠

R-P-R-pprrP-rrpp9:3:3:1

第66頁/共73頁Fig4.13Combshapesinchickensofdifferentbreeds.

a:玫瑰冠

b:豌豆冠

c:胡桃冠

d:單冠第67頁/共73頁修飾基因（modifiers）調(diào)控其它基因表達(dá)的基因。歐州白繭X黃繭

IIyyiiYY

白蠶繭IiYy

白繭白蠶白繭黃繭

I-Y-I-yyiiyyiiY-931313：3

白蠶繭第68頁/共73頁上位效應(yīng)（epistasis）某對(duì)等位基因的表現(xiàn)，受到另一對(duì)等位基因的影響，這種現(xiàn)象稱上位效應(yīng)。隱性上位：一對(duì)純合隱性基因決定了另一對(duì)非等位基因表現(xiàn)的現(xiàn)象。兔子毛色遺傳：灰色X白色

CCGGccgg

灰色CcGg灰色黑色白色白色C-G-C-ggccG-ccgg934第69頁/共73頁上位效應(yīng)（epistasis）顯性上位：顯性基因決定了另一對(duì)非等位基因表現(xiàn)的現(xiàn)象燕麥穎殼顏色遺傳：黑色X黃色

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