基因的概念及作用

基因的概念及作用第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、基因的研究簡(jiǎn)史概述●19世紀(jì)60年代孟德爾提出遺傳因子●1909年W.Johannsen首先使用基因（gene）一詞●1926年Morgan發(fā)表了“基因論”●20世紀(jì)40年代Bendle和Tatum提出了“一個(gè)基因，一個(gè)酶”的學(xué)說

●20世紀(jì)50年代Benzer提出了“順反子”概念●20世紀(jì)60年代遺傳密碼的破譯使人們對(duì)基因表達(dá)的機(jī)理有了更多的了解

●20世紀(jì)90年代形成了基因的現(xiàn)代概念第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四孟德爾（GregorJohannMendel1822～1884），《植物雜交試驗(yàn)》一文中指出，生物每一個(gè)性狀都是通過遺傳因子來傳遞的，遺傳因子是一些獨(dú)立的遺傳單位孟德爾的遺傳因子階段:第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Theoryofthegene

基因是染色體上的實(shí)體

基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈線狀地排列在染色體上

基因是：

功能(functionalunit)突變(mutationunit)

交換(cross-overunit)

“三位一體”的(Threeinone)最小的不可分割的基本的遺傳單位(1926T.H.Morgan)摩爾根的基因階段第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四順反子階段1957年法國(guó)遺傳學(xué)家本滋爾（Benzer）以T4噬菌體作為研究材料分析了基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了順反子學(xué)說。經(jīng)典遺傳學(xué)對(duì)基因的最后認(rèn)識(shí)。認(rèn)為順反子是編碼一條多肽鏈的單位的概念，一個(gè)基因內(nèi)部仍可劃分若干個(gè)起作用的小單位。這個(gè)學(xué)說打破了過去關(guān)于基因是突變、重組、決定遺傳性狀的“三位一體”概念及基因是最小的不可分割的遺傳單位的觀點(diǎn).第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四操縱子階段

1961年法國(guó)雅各布（F.Jacob）和莫諾（J.L.Monod）提出了操縱子學(xué)說。從此根據(jù)基因功能把基因分為結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因和操縱基因。第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因概念的進(jìn)一步發(fā)展70年代后，基因的概念隨著多學(xué)科滲透和實(shí)驗(yàn)手段日新月異又有突飛猛進(jìn)的發(fā)展1、基因具重疊性。2、斷裂基因3、McClintock轉(zhuǎn)座子4.假基因第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因重疊示意圖第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四噬菌體X174基因圖第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、基因的概念基因是原核、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?；蚴荄NA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位對(duì)于編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因來說，基因是決定一條多肽鏈的DNA片段第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，它具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能，包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)基因以及編碼阻遏蛋白的調(diào)節(jié)基因第二類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因第三類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動(dòng)基因和操縱基因三、基因分類第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三個(gè)小寫英文斜體字母三個(gè)小寫英文斜體字母加一個(gè)斜體大寫字母質(zhì)粒p四、基因的命名第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

非編碼區(qū)編碼區(qū)非編碼區(qū)

53

enhancerpromoter5UTR,3UTRexonintron

五、基因的結(jié)構(gòu)第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、基因的作用基因?qū)π誀畹谋磉_(dá)作用可分為直接作用和間接作用?；虻淖饔眉捌湔{(diào)控第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

絕大多數(shù)情況下，基因是通過控制酶的合成間接地控制性狀的表現(xiàn)。大多數(shù)生物性狀的表現(xiàn)都屬于此種作用。1、間接作用第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

指由基因直接作用于某個(gè)遺傳性狀。原因在于：遺傳性狀本身就是生物體的結(jié)構(gòu)蛋白或功能蛋白。2、直接作用

人類的鐮刀形紅血球貧血癥是由于控制血紅蛋白的基因的結(jié)構(gòu)中有1個(gè)堿基發(fā)生了變異。第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鐮狀細(xì)胞貧血（鐮刀形紅細(xì)胞）患者的紅細(xì)胞呈鐮刀狀且極易破裂，因而引起嚴(yán)重貧血，甚至死亡正常紅細(xì)胞鐮刀形紅細(xì)胞第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四紅細(xì)胞圓盤狀鐮刀狀血紅蛋白正常異常氨基酸谷氨酸纈氨酸mRNA

GAA

GUA鐮狀細(xì)胞貧血發(fā)生原因突變CTTCTTGAAGUA

谷氨酸

纈氨酸

DNAmRNA蛋白質(zhì)第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、基因作用的調(diào)控生物體的每一個(gè)細(xì)胞都含有相同的一整套基因，都具有發(fā)育成一個(gè)完整個(gè)體的潛能，而在個(gè)體發(fā)育的過程中，不可能所有的基因在任何時(shí)間，任何部位都發(fā)揮作用，而是只有在需要的分化時(shí)期和分化器官中才能發(fā)揮作用，進(jìn)行遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯，表達(dá)相應(yīng)的性狀，發(fā)育成相應(yīng)的器官，執(zhí)行相應(yīng)的功能，否則就處于關(guān)閉狀態(tài)。這說明基因具有對(duì)自身的調(diào)控作用。通過基因的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基因在生物個(gè)體發(fā)育的過程中各司其職，表現(xiàn)出各種不同功能的性狀，這些性狀組成一個(gè)完整而協(xié)調(diào)的生物體。第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

細(xì)胞或生物體中，一套完整單倍體的遺傳物質(zhì)的總和。人類基因組包含24條染色體以及線粒體上的全部的遺傳物質(zhì)。一、基因組（genomic）基因組中不同的區(qū)域具有不同的功能有些區(qū)域編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因有些區(qū)域復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào)有些區(qū)域的功能尚不清楚基因組學(xué)第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四某些生物的基因組數(shù)據(jù)

物種基因組大小基因數(shù)目基因長(zhǎng)度ΦX1740.7kb10λ噬菌體45Kb100大腸桿菌4.2Mb42001.2kb釀酒酵母13.5Mb63001.4kb果蠅14Mb1200011.3kb人3.3Gb3500016.3kb擬南芥70Gb25000第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因組學(xué)(genomics)是遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子水平后發(fā)展起來的一個(gè)分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征?；蚪M學(xué)強(qiáng)調(diào)的是以基因組為單位，而不是以單個(gè)基因?yàn)閱挝蛔鳛檠芯繉?duì)象，因此，基因組學(xué)的研究目標(biāo)是認(rèn)識(shí)基因組的結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化，弄清基因組包含的遺傳物質(zhì)的全部信息及相互關(guān)系，為最終充分合理地利用各種有效資源，為預(yù)防和治療人類遺傳疾病提供科學(xué)依據(jù)。二、基因組學(xué)第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因組學(xué)的重要組成部分是基因組計(jì)劃，如人類、水稻基因組計(jì)劃，大體可分為：1、構(gòu)建基因組的遺傳圖譜2、構(gòu)建基因組的物理圖譜3、測(cè)定基因組DNA的全部序列4、構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜5、分析基因組的功能第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基因組計(jì)劃研究開始于1990年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)和能源部(DOE)聯(lián)合啟動(dòng)了被譽(yù)為“人體阿波羅計(jì)劃”的“人類基因組計(jì)劃”(humangenomeproject，HGP)

。在美國(guó)提出人類基因組計(jì)劃后，英、法、日、前蘇聯(lián)、中等，也相繼啟動(dòng)了類似的研究項(xiàng)目。

2000年6月26日，各國(guó)科學(xué)家公布了人類基因組工作草圖，2001年8月26日，人類基因組計(jì)劃中國(guó)部分測(cè)序項(xiàng)目匯報(bào)及聯(lián)合驗(yàn)收會(huì)在京召開，標(biāo)志人類基因組“中國(guó)卷”通過驗(yàn)收。第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1992年8月，中國(guó)根據(jù)國(guó)情正式宣布實(shí)施自己的“水稻基因組研究計(jì)劃”，已完成水稻基因組物理圖譜的構(gòu)建。

2002年4月5日，《Science》以14頁(yè)的篇幅刊登和宣布中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立繪制完成的水稻基因組草圖序列（4.6億）第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一）基因組圖譜的構(gòu)建在進(jìn)行大規(guī)模序列測(cè)定之前，構(gòu)建基因組圖譜是測(cè)定大基因組全部核苷酸序列的重要一環(huán)?；蚪M圖譜可作為序列測(cè)定中制定測(cè)序方案的依據(jù)，以便先重后輕地分析基因，錨定測(cè)知的核酸序列在染色體上的位置。因此，在人類基因組計(jì)劃實(shí)施過程中，首先用了六年時(shí)間構(gòu)建高密度的基因組圖譜，然后才進(jìn)入測(cè)序工作。第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、遺傳圖譜

（1）圖譜標(biāo)記圖譜構(gòu)建中需要可以鑒別的標(biāo)記(marker)，在構(gòu)建遺傳圖譜中，可用基因和DNA作為標(biāo)記。基因標(biāo)記：用基因作為標(biāo)記，分析各基因間的連鎖關(guān)系及遺傳距離，繪制出連鎖遺傳圖譜DNA標(biāo)記：限制性內(nèi)切酶多型性(RFLP)、簡(jiǎn)單序列長(zhǎng)度多型性(SSLP)、單核苷酸多型性(SNPs)第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）遺傳圖譜的構(gòu)建人類基因組遺傳圖譜的構(gòu)建：人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對(duì)8個(gè)家系的134個(gè)成員的分析中，主要根據(jù)5264個(gè)STR標(biāo)記繪制而成的。利用這些家系的資料繪制第1至22號(hào)染色體圖譜。對(duì)于X染色體圖譜，還利用了來自另外12個(gè)家系，170個(gè)成員的資料繪制而成。將5264個(gè)標(biāo)記定位在2335個(gè)位點(diǎn)，據(jù)此構(gòu)建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個(gè)標(biāo)記599Kb。第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四植物基因組遺傳圖譜的構(gòu)建：選擇親本產(chǎn)生構(gòu)圖群體遺傳標(biāo)記的染色體定位標(biāo)記間的連鎖分析第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、物理圖譜由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以還要構(gòu)建物理圖譜?；蚪M物理圖譜的構(gòu)建主要有三種途徑：①限制性酶圖譜②熒光原位雜交技術(shù)(FISH)③序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)

如表達(dá)的序列標(biāo)簽(EST)，來自cDNA第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖9－27酵母菌第III染色體遺傳圖譜(A)與物理圖譜(B)的比較

第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）基因組圖譜的應(yīng)用：1、基因組序列測(cè)定2、基因定位3、基因組比較分析4、分子標(biāo)記輔助選擇5、基因的克隆與分離

第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（三）后基因組學(xué)

后基因組學(xué)(post-genomics)是在完成基因組圖譜構(gòu)建以及全部序列測(cè)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究全基因組的基因功能、基因之間的相互關(guān)系和調(diào)控機(jī)制為主要內(nèi)容的學(xué)科。后基因組學(xué)主要利用DNA微列陣技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)、酵母菌雙雜交系統(tǒng)以及生物信息學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)已知的基因組序列進(jìn)行研究。

第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、DNA微列陣

DNA微列陣(DNAmicroarrays)就是利用DNA芯片技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行大量分子雜交，以分析比較不同組織或器官的基因表達(dá)水平，篩選突變基因，從核酸水平分析基因表達(dá)模式。

2、蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)是從蛋白質(zhì)水平來研究基因組的基因表達(dá)，分析基因組的蛋白質(zhì)類型、數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)變異以及相互作用的機(jī)制。第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、酵母菌雙雜交系統(tǒng)

酵母菌雙雜交系統(tǒng)(twohybrid-systems)是利用在酵母菌的同一個(gè)細(xì)胞中共同表達(dá)不同蛋白質(zhì)，以鑒定蛋白質(zhì)之間互作的一種分析方法。

4、生物信息學(xué)

生物信息學(xué)(bioinformatics)是利用計(jì)算機(jī)貯存原始資料，分析生物信息，將DNA芯片以及蛋白質(zhì)雙向電泳結(jié)果轉(zhuǎn)變成為可讀的遺傳學(xué)信息的學(xué)科。生物信息學(xué)是將現(xiàn)代生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合，收集、加工和處理生物資料。

第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖829酵母菌雙雜交系統(tǒng)

A、雙雜交系統(tǒng)組成

B、將A中的構(gòu)建體混合，轉(zhuǎn)化酵母菌第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四自從1996年酵母菌基因組全序列測(cè)定以來，在4年多時(shí)間里，全世界已有1000多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，5000多名科學(xué)家從事酵母菌后基因組學(xué)的研究，共發(fā)表論文7000多篇，鑒定1060個(gè)新基因的功能，但仍然還有約1600個(gè)閱讀框架的功能不清楚。這些結(jié)果充分說明后基因組學(xué)研究的復(fù)雜性。第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酵母1.5107擬南芥1.0107水稻4.3108人類3.3109玉米5.4109

第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人類基因組計(jì)劃（擴(kuò)展課）

（humangenomeproject,HGP）人類基因組計(jì)劃曼哈頓原子計(jì)劃阿波羅登月計(jì)劃

第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四六國(guó)科學(xué)家公布人類基因組細(xì)節(jié)研究成果一、基因數(shù)量少得驚人。一些研究人員曾經(jīng)預(yù)測(cè)人類約有14萬個(gè)基因，但塞萊拉公司將人類基因總數(shù)定在2.6383萬—3.9114萬個(gè)之間。如果最終確定出的基因數(shù)在這個(gè)范圍內(nèi)，比如3萬個(gè)左右，那么，人類只比果蠅多大約1.3萬個(gè)基因。塞萊拉公司的科學(xué)家測(cè)出的序列準(zhǔn)確地覆蓋了基因組的95%，并已經(jīng)確定了所有基因的2／3，平均測(cè)序精度為99.96%。第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、人類基因組中存在“熱點(diǎn)”和大片“荒漠”。人類基因組序列中所謂的“荒漠”就是包含極少或根本不包含基因的部分，基因組上大約1／4的區(qū)域是長(zhǎng)長(zhǎng)的、沒有基因的片段。基因密度在第17、第19和第22號(hào)染色體上最高，在X染色體、第4、第18號(hào)和Y染色體上相對(duì)貧瘠。第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、35.3%的基因組包含重復(fù)的序列。這意味著所有這些重復(fù)序列，即原來被認(rèn)為的“垃圾DNA”應(yīng)該被進(jìn)一步研究。事實(shí)上，第19號(hào)染色體57%是重復(fù)的。除了重復(fù)片段，科學(xué)家還鑒定了210萬個(gè)人與人之間不同的基因序列，這些序列被稱為“單核苷酸多態(tài)性”，它們通常是無害的。第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、地球上人與人之間99.99%的基因密碼是相同的。研究發(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(gè)基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一。第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人類基因組計(jì)劃大事記

1990年10月被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。1998年5月

一批科學(xué)家在美國(guó)羅克威爾組建Celera遺傳公司，目標(biāo)是投入3億美元，到2001年繪制出完整的人體基因圖譜，與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)。10月23日

美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所在美國(guó)《Science》（科學(xué)）雜志上發(fā)表聲明說，人類基因組計(jì)劃的全部測(cè)序工作將比原計(jì)劃提前兩年，即在2003年完成。第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1999年3月15日

英國(guó)韋爾科姆基金會(huì)宣布，由于科學(xué)家加快工作步伐，人類基因組工作草圖將提前至2000年完成。9月

中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定人類基因組全部序列的1%，也就是3號(hào)染色體上的3000萬個(gè)堿基對(duì)，使中國(guó)成為繼美、英、日、德、法之后第六個(gè)國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與國(guó)，也是參與這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國(guó)家。12月1日

國(guó)際人類基因組計(jì)劃聯(lián)合研究小組宣布，他們完整地譯出人體第22對(duì)染色體的遺傳密碼，這是人類首次成功地完成人體染色體基因完整序列的測(cè)定。第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2000年3月14日

美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾發(fā)表聯(lián)合聲明，呼吁將人類基因組研究成果公開，以便世界各國(guó)的科學(xué)家都能自由地使用這些成果。他們是針對(duì)一些私營(yíng)生物技術(shù)公司為了商業(yè)利益而與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)，并試圖將自己的研究成果申請(qǐng)專利而發(fā)出此聲明的。

4月6日

Celera公司宣布已破譯出一名實(shí)驗(yàn)者的完整遺傳密碼。但不少歐美科學(xué)家對(duì)Celera公司的成果表示質(zhì)疑，認(rèn)為該公司的研究“沒有提供有關(guān)基因序列的長(zhǎng)度和完整性的可靠參數(shù)”，因而是“有漏洞的”。第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4月末

我國(guó)科學(xué)家按照國(guó)際人類基因組計(jì)劃的部署，完成了1%人類基因組的工作框架圖。5月

國(guó)際人類基因組計(jì)劃完成時(shí)間再度提前，預(yù)計(jì)從原定的2003年6月提前至2001年6月。5月8日

由德國(guó)和日本等國(guó)科學(xué)家組成的國(guó)際科研小組宣布，他們已經(jīng)基本完成了人體第21對(duì)染色體的測(cè)序工作。6月26日

各國(guó)科學(xué)家公布了人類基因組工作草圖。第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四我國(guó)1994年提出并開始實(shí)施的“中華民族基因組中若干點(diǎn)位基因結(jié)構(gòu)的研究”項(xiàng)目，則正式將人類基因組計(jì)劃納入國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目；同時(shí)在國(guó)家863計(jì)劃中也做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和安排，國(guó)家863計(jì)劃在“九五”以重大疾病基因分離克隆及結(jié)構(gòu)功能研究為目標(biāo)正式立項(xiàng)，給予了較大的支持，在1997年列為重大項(xiàng)目后，支持的力度大大加強(qiáng)。為了合理配置和利用有限的資金和設(shè)備資源，我國(guó)人類基因組研究第53頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四南方中心---1998年初在上海成立了以陳竺院士為核心