基因概念的演變與發(fā)展

基因概念的演變與發(fā)展第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位和突變單位以及控制性狀的功能單位?；蛘{(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2基因的概念和演變2.1基因概念的演變2.2基因的分子結(jié)構(gòu)2.3核酸分子的空間結(jié)構(gòu)2.4基因概念的多樣性第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.1基因概念的演變2.1.1早期的“基因”概念2.1.2經(jīng)典基因概念2.1.3DNA是主要的遺傳物質(zhì)第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2001Humangenomesequenced第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.1.1早期的“基因”概念最早的關(guān)于遺傳物質(zhì)的解釋融合遺傳理論（Hippocrates，BC5世紀(jì)）：

父本精液與母本胚胎中的體液融合后，傳遞給后代并控制子代個體的性狀表現(xiàn)。雙親體液中集中了來自身體各部分的控制生物遺傳的因素。

Aristotle（BC4世紀(jì)）：

殘疾人的后代不一定是殘疾者。第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四獲得性遺傳理論（Lamark1809）：

物種的形成是對環(huán)境的適應(yīng)過程，環(huán)境對形態(tài)的改變一旦發(fā)生就可以獲得并遺傳給后代，使生物體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N。這種觀點否認(rèn)遺傳物質(zhì)的存在。“泛生論”假說（Darwin1866）：

生物體一切性狀的表現(xiàn)受控于體內(nèi)各部位的各種泛生粒。成為獲得性遺傳的理論支撐。泛生論第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四種質(zhì)論Roux（1883）：通過觀察細(xì)胞有絲分裂和減數(shù)分裂過程的觀察，提出遺傳單元直線排列的染色體是遺傳物質(zhì)。Weismann（1883）：切割老鼠尾巴實驗，否定了“泛生論”。Weismann提出“種質(zhì)論”（1885）：

多細(xì)胞生物的細(xì)胞可分為“體質(zhì)”和“種質(zhì)”。生物體的性狀表現(xiàn)是由各組織、器官的體質(zhì)細(xì)胞控制的，而體質(zhì)細(xì)胞是由種質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的。種質(zhì)雖不直接控制性狀的表達(dá)，但可衍繁自身，世代相繼，種質(zhì)是連續(xù)的。體質(zhì)受到環(huán)境條件的影響而發(fā)生改變可能會導(dǎo)致性狀的變化，但不會改變體質(zhì)的基本特征，也不會遺傳給后代。第8頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.1.2經(jīng)典基因概念1865年，Mendel提出遺傳因子假說，但是35年之后才得到學(xué)術(shù)界的重視，這也標(biāo)志著遺傳學(xué)的誕生。1910年，遺傳學(xué)家Morgan提出連鎖遺傳規(guī)律，從而繼承和發(fā)展了孟德爾的遺傳學(xué)說。1926年，Morgan在《基因論》里提出了“三位一體”的基因概念Morgan的學(xué)生Sturtevant在后來的研究修正了這個概念，他發(fā)現(xiàn)基因不是孤立地排列在染色體上的遺傳實體，基因的表達(dá)顯然受染色體狀態(tài)的影響。1955年，Benzer提出順反子理論，從理論上修正了擬等位基因的概念，再次發(fā)展了經(jīng)典的基因概念。第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四每個性狀由定位在染色體上的遺傳因子控制，并提出了遺傳因子的分離與自由組合的兩大遺傳規(guī)律。遺傳因子假說GregorMendel1865年，Mendel將研究成果公布，卻沒有得到研究者的重視，但是，到了1900年，他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)才被人們重新發(fā)現(xiàn)。遺傳因子假說奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的重要基礎(chǔ)。1909年，“Gene”單詞由Johannsen創(chuàng)造以表述Mendel的“遺傳因子”。第10頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四通過果蠅眼色突變性狀的遺傳實驗發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳現(xiàn)象，他和他的同事們進(jìn)一步通過大量的果蠅雜交實驗又發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的第三個基本規(guī)律----連鎖遺傳規(guī)律：基因是以線性形式排列在染色體上，在染色體上占有一定位置；基因的傳遞同基因所在染色體的傳遞是連鎖的。Morgan《基因論》中經(jīng)典基因概念：即基因是孤立地排列在染色體上的實體（不再是代表某種性狀的抽象符號A，a，B，b……），是具有特定功能，能獨立發(fā)生突變和遺傳交換的、“三位一體”的、最小的遺傳單位。第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四經(jīng)典基因概念基因是染色體上的實體基因象念珠(bead)狀孤立地呈線性排列在染色體上基因是“三位一體”(Threeinone)交換(cross-overunit)突變(mutationunit)功能(functionalunit)

“三位一體”的最小的不可分割的基本的遺傳單位第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四

?交換單位：基因間能進(jìn)行重組，而且是交換的最小單位。

?突變單位：一個基因能突變?yōu)榱硪粋€基因，產(chǎn)生等位基因。

A

a

?功能單位：控制有機體的性狀。(1926T.H.Morgan)第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四Sturtevant對基因概念的修正基因的劑量及位置效應(yīng)和表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象（epigenetics）：基因不是一個孤立地排在染色體上的遺傳實體基因的表達(dá)不僅有計量效應(yīng)，也有位置效應(yīng)基因的表達(dá)受染色體狀態(tài)的影響。第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四等位基因復(fù)等位基因（multiplealleles）：當(dāng)野生型（A）基因向不同方向發(fā)生突變形成不同狀態(tài)的等位基因（a1,a2,a3…），總稱為復(fù)等位基因。等位基因（allele）：指的是野生型基因（A）發(fā)生突變后形成的突變基因（a），它與野生型基因位于同源染色體的同一基因座位上。第15頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四擬等位基因擬等位基因：緊密連鎖、控制同一性狀的非等位基因a1a1a2a2×a1a2a1a2P配子F1傳統(tǒng)基因概念1、突變體白眼果蠅w-w-與突變體杏仁色果蠅wawa雜交的F1代中，出現(xiàn)了1/1000高概率的紅眼野生型個體2、不同糯玉米品系（wxwx）間雜交F1代花粉中發(fā)現(xiàn)了較高頻率的非糯花粉粒（Wx），這種頻率是恒定的。第16頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四Benzer對基因概念的修正T4噬菌體RII突變使其不能侵染E.coliK12菌株，并且在侵染E.coliB菌株之后產(chǎn)生邊緣清晰、圓形的大噬菌斑。數(shù)百個突變體兩兩組合，侵染B菌株，然后采用影印法轉(zhuǎn)移到K12培養(yǎng)皿中。利用統(tǒng)計學(xué)分析并繪制遺傳連鎖圖。遺傳重組實驗第17頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四在具有功能互補效應(yīng)的測驗體系中，兩突變位點是處于不同的非等位基因中。反之，則處于同一等位基因中。互補測驗利用雜合二倍體菌株野生型基因?qū)ν蛔冃偷任换蚩梢园l(fā)生功能的互補特點，將帶有不同突變位點的兩個噬菌體同時感染K12菌株，構(gòu)成雙突變雜合二倍體，組成互補測驗體系，以測定個突變位點所在的基因的等位性。第18頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四順反子理論基因（也即順反子）是染色體上的一個區(qū)段，在一個順反子內(nèi)有若干個交換單位，最小的交換單位稱為交換子（recon）。在一個順反子中，有若干個突變單位，最小的突變單位被稱為突變子（muton）。在一個順反子的結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，如果發(fā)生突變就會導(dǎo)致功能的喪失，所以順反子（cistron）即基因只是一個具有特定功能的、完整的、不可分割的最小的遺傳單位。通過互補測驗分析rII結(jié)構(gòu)rII4710410110310510651102A基因B基因順反子理論第20頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四順式測驗反式測驗突變在同一順反子內(nèi)突變在不同順反子內(nèi)當(dāng)順式有功能，而反式?jīng)]有功能時,突變位點突變位點在同一順反子內(nèi)；當(dāng)順式有功能,而反式也有功能時，突變位點突變位點在不同順反子內(nèi)。rII4710410110310510651102A基因B基因第21頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四順反子理論的意義將“三位一體”的經(jīng)典基因概念修正為“一位一體”的基因概念。動搖或否定了“擬等位基因”的概念：擬等位是基因內(nèi)部同位點的突變體，是復(fù)等位基因的不同成員。全同等位基因（homoallele）：在同一基因座位（locus）中，同一突變位點（site）向不同方向發(fā)生突變所形成的等位基因。非全同等位基因（hetroallele）：在同一基因座位中，不同突變位點發(fā)生突變所形成的等位基因。第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四基因的最終概念！基因的最新概念？GeneticsGenomicsFunctionalgenomics第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.1.3DNA是主要的遺傳物質(zhì)1928-1944年,Avery肺炎雙球菌遺傳轉(zhuǎn)化研究，證實了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。1950年，Chargaff發(fā)現(xiàn)了DNA組成的A=T，G=C，（A+G）/（T+C）=1的當(dāng)量規(guī)律。1952年，Hershey和Chase進(jìn)行T2噬菌體的侵染實驗，直接證實了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。1952年，Wilkins完成高質(zhì)量的DNA纖維X射線衍射照片。1957年，Watson和Crick提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型。第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA攜帶遺傳信息的方式1、以中心法則為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)基因遺傳信息。這種信息是通過轉(zhuǎn)錄RNA，翻譯蛋白質(zhì)而表達(dá)的以三聯(lián)體密碼子的方式編碼，貯存在非模板鏈（有義鏈）的一級結(jié)構(gòu)上，并具有兼并性。2、調(diào)控基因選擇性表達(dá)的遺傳信息。這種信息是一具有特定三維結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)蛋白（反式作用因子）與特定核苷酸序列的DNA區(qū)段（順式作用因子）相結(jié)合，從而啟動某結(jié)構(gòu)基因特異性表達(dá)的方式而體現(xiàn)的，也具有遺傳的兼并性。第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA作為遺傳信息的優(yōu)點信息量大,分子量大:1KbDNA有41000種遺傳信息穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu):自我復(fù)制，利于突變，方便修復(fù)2’脫氧:穩(wěn)定性好比RNA穩(wěn)定有T,無U：消除C突變?yōu)閁帶來進(jìn)化中的負(fù)擔(dān)和潛在危險第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四RNA也可以作為遺傳物質(zhì)1956年，Gierer和Schraman分離了煙草花葉病毒（TMV）的蛋白質(zhì)和RNA，并且用RNA接種煙草，產(chǎn)生典型的TMV侵染病斑，而蛋白質(zhì)不具備這種能力。RNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)1957年，F(xiàn)raenkel-Conrat和Singre進(jìn)行了TMV重建實驗第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質(zhì)可以作為遺傳物質(zhì)嗎？朊病毒（Prion）引起羊疫病、人Kuru病和牛海綿狀腦炎（瘋牛?。?。Prusiner的出色研究：朊病毒的繁殖是將自身PrPCS的分子結(jié)構(gòu)信息通過與正常膜蛋白PrPC的結(jié)合，在分子伴侶的輔助下，傳遞給PrPC并將其轉(zhuǎn)化為PrPCS的過程。第28頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.2基因的分子結(jié)構(gòu)2.2.1DNA和RNA分子的差異2.2.2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2.2.3DNA的變性與復(fù)性第29頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四核酸和脫氧核酸的分子組成第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.2.1DNA和RNA分子的差異RNA核苷中的核糖為2’非脫氧的OH基。RNA分子的堿基中沒有T（除tRNA中分子的TΨC環(huán)外），只有U。RNA分子多為單鏈分子。RNA分子的化學(xué)穩(wěn)定性較差，易發(fā)生降解。在以DNA為主要的遺傳物質(zhì)的生物中，DNA分子鏈長，數(shù)目少，而RNA分子鏈短，數(shù)目多。第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型Watson和Crick：DNA分子是由兩條反向平行的多聚核苷酸鏈組成的，連酸骨架主鏈位于螺旋的外緣，A/T，G/C以氫鍵方式連接形成的堿基對堆積在螺旋內(nèi)部，向右盤旋的B-雙螺旋棒狀實體。第32頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四雙螺旋的骨架脫氧核苷酸之間通過3’，5’磷酸二酯鍵將脫氧核糖5’位和3’位連接，形成螺旋體骨架。第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四堿基對和氫鍵A/T，G/C配對，堿基對之間以N-H---N和N-H---O的供體-氫原子-受體方式形成氫鍵互補配對。Waston鍵：A/T之間以二氫鍵配對，G/C之間以三氫鍵配對。第34頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四B-DNA螺旋直徑：2.0nm螺距：3.4nm，包含10個堿基對，0.34nm/堿基對，相對于螺旋縱軸上升或下降了36度。小溝：小于180度大溝：大于180度堿基頂部的極性基團裸露在大溝內(nèi)，存在較多能夠與蛋白質(zhì)因子形成特異結(jié)合的氫鍵和供體與受體，加之大溝的空間大，能夠提供蛋白質(zhì)因子沿大溝與DNA形成專一性結(jié)合的概率與多樣性遠(yuǎn)高于小溝，因而大溝往往是基因表達(dá)調(diào)控的重要位點。第35頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA雙螺旋的基本特點是：1、DNA是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的。2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。3、兩條鏈上的堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對。第36頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素磷酸酯鍵：強作用力（80-90kcal/mol），是連接核苷酸形成DNA雙螺旋骨架的重要作用力。也是促使DNA趨于穩(wěn)定的主要因素。氫鍵：本質(zhì)上是一種靜電力，是作用力僅有4-6kcal/mol的次級弱鍵，加熱即可使DNA雙鏈解鏈。但是由于DNA分子是成千上萬對堿基對堆積的實體，許多弱氫鍵按一定的方向，成線性的連續(xù)排列和堆積形成的集合能是十分大的，成為促使DNA趨于穩(wěn)定的主要因素。第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四細(xì)胞內(nèi)生理條件：0.2mol/LNa鹽。Na+圍繞DNA有效的屏蔽帶較強負(fù)電荷的兩條核苷酸鏈上磷酸基團之間的靜電斥力。堿基堆積力：在同一條核苷酸鏈中，相鄰堿基間的疏水作用力和范德華作用力，也稱為非特異性結(jié)合力。堿基對之間的擠壓、抵御可以使DNA分子的內(nèi)能增加，堿基間有序排列的狀態(tài)破壞，氫鍵作用力被減弱，會導(dǎo)致DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。第38頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.2.3DNA的變性與復(fù)性變性條件：加熱、極端溶劑、尿素、酰胺等有機試劑處理。氫鍵和堿基堆積力受到破壞，雙鏈解鏈。變性和復(fù)性是可逆過程。變性（denaturation）：當(dāng)天然DNA的兩條核苷酸鏈便逐漸彼此分離，形成無規(guī)則的線團，這一過程稱為變性。第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四使DNA變性的方法加溫變性：方便廣泛，但是高溫容易引起磷酸二酯鍵的斷裂。極端酸堿變性法：pH11.3強堿變性，使DNA的氫鍵全部解除，完全變性為單鏈DNA。變性劑處理法：尿素、甲酰胺等。第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA變性發(fā)生的檢測方法光吸收法：堿基的嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)對260nm的紫外線具有強烈的吸收特征值。50ug/mL雙鏈DNA、單鏈DNA和游離脫氧核苷酸的溶液A260分別為1.00、1.37、1.60。DNA增色效應(yīng)：在進(jìn)行DNA熱變性研究時，隨溫度升高單鏈狀態(tài)的DNA分子不斷增加而表現(xiàn)出的A260值遞增的效應(yīng)。1：雙鏈DNA；2：變性DNA；3：核苷酸的紫外吸收第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA分子熱變性動態(tài)過程：變性S形曲線。Tm值：增色效應(yīng)達(dá)到最大值一半的溫度定義為該DNA分子的變性溫度或Tm值（meltingtemperature）Tm值的定義第42頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四影響Tm值的因素DNA分子的堿基組成DNA分子的堿基排列鹽濃度DNA片段大小變性劑pHMarmur-Doty公式：Tm=69.3+0.41×(G+C)%(G+C)%=(Tm-69.3)×2.44限定條件：30-70%（G+C）含量1倍SSC緩沖液在A、T、G、C隨機分布的情況下，（G+C）含量愈高的DNA分子，Tm值越大。第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四A/T集中區(qū)域，可形成變性的跳躍現(xiàn)象，變性速度較快，Tm值較小不同堿基排列的DNA分子之間，堿基堆積力與Tm值之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系DNA分子的堿基排列第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)Na+濃度低屏蔽作用小斥力加強Tm↓當(dāng)Na+濃度高

屏蔽作用大斥力減弱熵值(△S)上升堿基溶解性降低疏水作用力增加Tm↑鹽濃度第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四變性劑（尿素、酰胺）會與DNA分子中的堿基形成新的氫鍵，改變原有的A/T，G/C的配對關(guān)系，導(dǎo)致Tm值降低。大片段DNA分子之間，片段長短對Tm值得影響較??；而短于100個堿基的DNA分子之間，片段較短的Tm值較小DNA片段大小變性劑pH在5-9范圍內(nèi)，Tm值變化不大；pH<5，DNA分子易發(fā)生脫嘌呤，在2-3范圍內(nèi)，堿基發(fā)生質(zhì)子化（NH2→NH3+）；pH=12，堿基中的酮基轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐蓟?，減弱氫鍵，引起Tm值降低。pH第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA分子的復(fù)性（renaturation）DNA水溶液加熱變性時，雙螺旋兩條鏈分開；如果緩慢冷卻至低于Tm值25度條件下并維持較長一段時間，兩條鏈可以完全重新結(jié)合成各原來一樣的雙股螺旋過程。復(fù)性是變性的逆轉(zhuǎn)。但需要一定的條件，要在一定的鹽濃度下緩慢降溫。單鏈DNA雙鏈DNADenaturationRenaturation復(fù)性過程依賴于單鏈分子間的隨機碰撞第47頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四

影響DNA復(fù)性過程的因素

●

陽離子濃度

0.18~0.2MNa+可消除多聚核苷酸間的靜電斥力●復(fù)性反應(yīng)的溫度Tm-25℃(60-65℃)

以消除單鏈DNA（S.S.DNA）分子內(nèi)的部分二級結(jié)構(gòu)●

單鏈DNA的初始濃度C0●S.S.DNA分子的長度S.S.DNA愈長S.S.DNA愈短→分子擴散愈慢→復(fù)性愈慢→分子擴散愈快→復(fù)性愈快●DNA分子中，核苷酸的排列狀況(隨機排列,重復(fù)排列)

第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.3核酸分子的空間結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容：

2.3.1DNA的一級結(jié)構(gòu)

2.3.2DNA的二級結(jié)構(gòu)

2.3.3DNA的三級結(jié)構(gòu)第49頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.3.1DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)是指由數(shù)量很多的A、T、G、C4種基本核苷酸，通過3’、5’磷酸二酯鍵連接的直線或者環(huán)形分子。第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA一級結(jié)構(gòu)的主要研究內(nèi)容DNA的一級結(jié)構(gòu)是由核苷酸的序列體現(xiàn)的，它編碼了結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息。特定調(diào)控區(qū)域的分布、組成也是一級結(jié)構(gòu)研究的重要領(lǐng)域。第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA序列測序1975年Sanger發(fā)明核苷酸序列分析的“加減法”（引物延伸法）奠定了測序的技術(shù)基礎(chǔ)雙脫氧末端終止法第52頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四測序技術(shù)的發(fā)展第一代測序技術(shù)：末端終止法。第二代測序技術(shù)：焦磷酸法。Roche/454GenomeSequencer

Illumina-solexaABI-SOLiDDover/Harvard-Polonator第三代測序技術(shù)：基于納米孔的測序技術(shù)。第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四一、二代測序技術(shù)比較第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.3.2DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA二級結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。通常情況下，DNA的二級結(jié)構(gòu)分兩大類：右手螺旋：B-DNA；A-DNA。左手螺旋：Z-DNA。第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（1）B-DNA分子及其不同形態(tài)Wilkins和Franklin制備高清晰的小牛胸腺DNA纖維的X射線衍射圖。Watson和Crick揭示了DNA二級結(jié)構(gòu)：右旋B-DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四二級結(jié)構(gòu)的不同形態(tài)常見形態(tài)：線型（L型），環(huán)型（C型）。特殊形態(tài)：分支型（B型），叉型（Y型），置換型（D型），發(fā)夾型（H型），扭結(jié)型（K型），環(huán)突型（R型），三股螺旋，四股螺旋。第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（2）A-DNA分子當(dāng)DNA鈉鹽纖維在相對濕度為92%時，所處的狀態(tài)為B-DNA。當(dāng)DNA鈉鹽纖維相對濕度為75%時所處的狀態(tài)就叫A-DNA。A-DNA所形成的右手螺旋比B-DNA較大且較平，每旋轉(zhuǎn)一圈的螺距為2.8nm，每圈包含11個堿基對，直徑為2.55nm，每對堿基轉(zhuǎn)角為33o，堿基平面與軸夾角為20o，這樣使A-DNA的大溝窄而極深，而小溝淺。第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（3）左旋Z-DNA分子1978年AlecxanderRich對人工合成poly(dG-dC)6核苷酸結(jié)晶進(jìn)行了X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)左旋Z型雙螺旋結(jié)構(gòu)。主要特征：12堿基/螺旋，螺距4.46nm，直徑1.8nm；脫氧嘧啶核苷取反式構(gòu)象，脫氧嘌呤核苷取順式構(gòu)象。第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA分子構(gòu)型的比較第60頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四生理條件下B-DNA和Z-DNA的轉(zhuǎn)變Z-DNA在較低生理鹽濃度條件下，Z-DNA的兩條核苷酸鏈相距較近，鏈上磷酸基團間靜電斥力沒有得到完全屏蔽，導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差。但是Z-DNA與較多帶正電荷蛋白質(zhì)結(jié)合并在被結(jié)合的局部DNA區(qū)域引入較高的離子強度，細(xì)胞內(nèi)豐富的dm5C，細(xì)胞內(nèi)的Br原子和DNA分子的超螺旋結(jié)構(gòu)等促進(jìn)Z-DNA形成和穩(wěn)定。第61頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四在基因表達(dá)調(diào)控區(qū)內(nèi)形成Z-DNA的序列，可通過與特異蛋白結(jié)合，發(fā)生甲基化修飾或形成超螺旋結(jié)構(gòu)方式直接參與基因表達(dá)的調(diào)控。第62頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四三股螺旋DNA分子類型：分子內(nèi)三股螺旋分子間三股螺旋平行三股螺旋第63頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四三股螺旋DNA形成的條件及結(jié)構(gòu)特點第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四無論何種形式的三螺旋DNA,第二股中間鏈必須是Purin鏈。第三股鏈至少長于8dNt。真核生物基因組內(nèi),約1%左右的序列為大于100bp的homologouscluster(重復(fù)序列與調(diào)控序列)三股螺旋DNA多存在于其中。第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四DNA的高級結(jié)構(gòu)是指DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA高級結(jié)構(gòu)的主要形式，可分為正超螺旋與負(fù)超螺旋兩大類，它們在特殊情況下可以相互轉(zhuǎn)變，如：2.3.3DNA的三級結(jié)構(gòu)負(fù)超螺旋松馳DNA正超螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶溴乙錠拓?fù)洚悩?gòu)酶溴乙錠第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四超螺旋結(jié)構(gòu)第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四研究細(xì)菌質(zhì)粒DNA時發(fā)現(xiàn)，天然狀態(tài)下該DNA以負(fù)超螺旋為主，稍被破壞即出現(xiàn)開環(huán)結(jié)構(gòu)，兩條鏈均斷開則呈線性結(jié)構(gòu)。在電場作用下，相同分子質(zhì)量的超螺旋DNA比線性DNA遷移率大，線性DNA又比開環(huán)的DNA遷移率大，以此可判斷質(zhì)粒結(jié)構(gòu)是否被破壞。所有生物的DNA幾乎有5%為負(fù)超？第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四總結(jié)：DNA在水溶液中，構(gòu)型偏B型狀態(tài)DNA以10.5bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型小于10.5bp/helix向正超螺旋發(fā)展(緊縮態(tài))大于10.5bp/helix向負(fù)超螺旋發(fā)展(松弛態(tài))第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.4基因概念的多樣性主要內(nèi)容：

2.4.1生物進(jìn)化的C值矛盾

2.4.2重疊基因

2.4.3重復(fù)基因

2.4.4間隔基因

2.4.5跳躍基因或轉(zhuǎn)座子

2.4.6假基因第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.4.1生物進(jìn)化的C值矛盾大C值：某生物單倍體基因組DNA的核苷酸數(shù)。小c值：受中心法則限定，編碼結(jié)構(gòu)基因DNA的核苷酸數(shù)。第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四C值矛盾A生物體進(jìn)化程度高低與大C值不成明顯正相關(guān)B親緣關(guān)系相近的生物大C值相差較大

C一種生物內(nèi)大C值與小c值相差極大（Euk.人體c=C/10）(Prok.Φx174c＞C)

第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.4.2重疊基因基因重疊：不同的基因功能共用一段相同的DNA序列。1977年，Sanger對φX174基因組序列和基因產(chǎn)物分析，發(fā)現(xiàn)了基因內(nèi)基因現(xiàn)象，即基因重疊。第74頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四400Nt800NtAUG----------------------UGA-----------------------UAAUGA,UAG易被漏讀，錯讀UAA能嚴(yán)格終止14KdCP97%38KdIP3%

QRNAvirus

(1973.A.Weiner)

RNA第75頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四φX174的B基因和K基因重疊在A*基因內(nèi)。它們以不同的讀碼框架進(jìn)行識讀和翻譯。第76頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四---AUG--------TCAUGCCCAA----AUGAGGC--------------Vp2Start(SV40病毒)

Vp1StartVp3StartSV40Vp1Vp2Vp3選擇不同的起始密碼第77頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四重疊基因的類型反向重疊基因：編碼在同一DNA區(qū)段不同極性單鏈上的重疊基因。同向重疊基因：編碼在同一DNA區(qū)段同一極性單鏈上的重疊基因。第78頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四重疊基因的生物學(xué)意義a)原核生物進(jìn)化的經(jīng)濟原則(較小的C值編碼較多的基因信息)b)提高蛋白質(zhì)疏水性,以增強生物體自然選擇的適應(yīng)性

密碼子進(jìn)化理論認(rèn)為;

NYR多為Hydrophobicaminoacid,改變蛋白質(zhì)性能

原始密碼子多為RNYRNYRNY

RNYRNYRNY

+1移碼,進(jìn)化

(NA/GU/C)

(NYR)第79頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3重復(fù)基因重復(fù)拷貝數(shù)的多少將重復(fù)序列分為：（1）中度重復(fù)序列（2）高度重復(fù)序列第80頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（1）中度重復(fù)序列100-1000bp/copy10-104

copies/genomerDNA

tDNA組蛋白基因真核生物主體rDNA第81頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四特點拷貝重復(fù)，多量序列多為相似排列成束成串（串聯(lián)基因）功能完全相同具有進(jìn)化的整體性，累積突變第82頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（2）高度重復(fù)序列微衛(wèi)星DNAMicrosatelliteDNA2-10bp/copy105-106copies/genome多為串聯(lián)重復(fù)排列分布于著絲點,端粒區(qū),結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)第83頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四104bp片段CsCl密度梯度離心原核生物真核生物(GC%)42413455小鼠小牛SequenceinsatelliteDNA海蟹2ATATAT…..果蠅5ATAATATAAT…..小鼠9GAAAAATGAGAAAAATGAbpofrepeatunit

sequence第84頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四重復(fù)序列形成的假說滾環(huán)擴增-突變跳躍復(fù)制不對稱交換第85頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四2.4.4間隔基因人呼吸道病毒腺病毒2Hexoncp基因mRNA和DNA雜交第86頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四雞卵清蛋白基因DNA與mRNA分子雜交第87頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四間隔基因：真核生物的結(jié)構(gòu)基因是由若干外顯子和內(nèi)含子序列相間隔排列組成。外顯子：DNA上與成熟mRNA對應(yīng)的核苷酸區(qū)段，或結(jié)構(gòu)基因在DNA中的氨基酸編碼區(qū)，或間隔基因中的非間隔區(qū)。內(nèi)含子：指結(jié)構(gòu)基因中可轉(zhuǎn)錄但是在mRNA成熟前又被剪切的核苷酸區(qū)域，即DNA與成熟mRNA中的非對應(yīng)區(qū)段，或結(jié)構(gòu)基因在DNA中的氨基酸非編碼區(qū)，或間隔基因中的間隔區(qū)。概念第88頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四（核內(nèi)不均一RNA）第89頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四間隔基因的普遍性不僅絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因是間隔基因，rDNA和tDNA也是間隔基因。間隔基因是真核生物的主要結(jié)構(gòu)形式，但是原核生物中也存在間隔基因。某些低等真核生物的線粒體以及葉綠體中也發(fā)現(xiàn)了間隔基因。第90頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四外顯子和內(nèi)含子的共同性質(zhì)間隔基因的外顯子在基因中的排列順序和它在成熟mRNA產(chǎn)物中的排列順序是相同的。某種間隔基因在所有組織中都具有相同的內(nèi)含子成分。核基因的內(nèi)含子通常在所有的可讀框中都含有，一般沒有編碼功能。大多數(shù)內(nèi)含子上發(fā)生的突變不影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。第91頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四間隔基因概念的相對性內(nèi)含子并非都不編碼蛋白質(zhì)

酵母細(xì)胞色素b的基因內(nèi)含子II。外顯子并非都編碼蛋白質(zhì)

人尿激酶原基因外顯子I并非真核生物所有的結(jié)構(gòu)基因都為間隔基因

Histone基因家族、Interferon基因和酵母中多數(shù)基因。第92頁，共103頁，2023年，2月20日，星期四◆外顯子與內(nèi)含子的角色是否固定不變？一般說，真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)基因都