第十七章遺傳物質(zhì)的功能單位

第十七章遺傳物質(zhì)的功能單位第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一遺傳學(xué)概述遺傳學(xué)是一門涉及生命起源和生物進(jìn)化的理論科學(xué)，同時(shí)也是一門密切聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)科學(xué)。遺傳學(xué)研究生物遺傳和變異的科學(xué)；是研究生物體遺傳信息和表達(dá)規(guī)律的科學(xué)；是研究和了解遺傳物質(zhì)本質(zhì)的科學(xué)。第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容1.是研究生物遺傳和變異的科學(xué)遺傳學(xué)與生命起源和生物進(jìn)化有關(guān)。2.是研究生物體遺傳信息和表達(dá)規(guī)律的科學(xué)解決問題：物種代代相傳；性狀遺傳。3.是研究和了解基因本質(zhì)的科學(xué)遺傳物質(zhì)是什么？遺傳物質(zhì)性狀？第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一遺傳和變異的概念1.遺傳：親子間的相似現(xiàn)象?！胺N瓜得瓜、種豆得豆”2.變異：個(gè)體之間的差異?！澳干抛?，九子有別”3.遺傳和變異是一對(duì)矛盾。遺傳、變異和選擇是生物進(jìn)化的三大因素4.遺傳和變異的表現(xiàn)與環(huán)境不可分割。第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一現(xiàn)代遺傳學(xué)發(fā)展史的簡(jiǎn)要回顧現(xiàn)代遺傳學(xué)可以分為4個(gè)時(shí)期1.1860年以前（光學(xué)顯微鏡、細(xì)胞理論物種起源）2.1860年－1900年（孟德爾遺傳定律的發(fā)現(xiàn)和再發(fā)現(xiàn)）3.1900年－1944年4.1944到現(xiàn)在第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年1903年，W.Sutton和T.Boveri

提出減數(shù)分裂過程中染色體行為的假設(shè),成功地解釋了孟德爾定律，并最終導(dǎo)致了基因位于染色體上的發(fā)現(xiàn)，奠立了遺傳的染色體學(xué)說:基因在染色體上成線性排列1906年，W.Bateson從香豌豆中發(fā)現(xiàn)性狀連鎖；創(chuàng)造（遺傳學(xué)）1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜(W.Johannsen)創(chuàng)造了“Gene”這個(gè)詞，中文音譯為“基因”1913年，AlfredSturtevant利用果蠅作出了第一張遺傳圖譜第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年R.A.Fisher成功運(yùn)用多基因假設(shè)分析資料，首次將數(shù)量變異劃分為各個(gè)分量，開創(chuàng)數(shù)量性狀遺傳研究的思想方法。1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,為數(shù)量遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1926年，ThomasHuntMorgan發(fā)表了遺傳學(xué)史上的名著《TheTheoryoftheGene》《基因論》，創(chuàng)立了基因?qū)W說，并于1933年諾貝爾獎(jiǎng)1927年，L.Stadler和H.J.Muller發(fā)現(xiàn)了X射線誘導(dǎo)的基因突變1941年，G.W.Beadle

在紅色面包霉生化遺傳研究中，提出“一個(gè)基因一種酶”假說1943年，S.Luria和M.Delbrück證明細(xì)菌有正常的遺傳系統(tǒng)，并把細(xì)菌作為遺傳學(xué)研究的模式生物第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1944年-現(xiàn)在1944年，O.T.Avery用純化因子研究肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明了遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)1952年，

A.D.Hershey等用同位素示蹤法在研究噬菌體感染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中，再次確認(rèn)了DNA是遺傳物質(zhì)1953年，JamesWatson和FrancisCrick建立了DNA的雙螺旋模型。1962年諾貝爾獎(jiǎng)1968年到1973,W.Arber,H.Smith和D.Nathans等人發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶，為重組DNA技術(shù)提供了強(qiáng)大的工具第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1944年-現(xiàn)在1961年，

F.H.C.Crick等用實(shí)驗(yàn)證明他于1958年提出的關(guān)于遺傳三聯(lián)密碼子的推測(cè)1961年，F(xiàn).Jacob和J.Monod

提出了大腸桿菌的操縱子學(xué)說，闡明微生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)問題1971年，S.Cohen和

H.Boyer等人首次完成了DNA重組，開創(chuàng)了基因工程的時(shí)代1993年，K.B.Mullis由于發(fā)明PCR技術(shù)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)20世紀(jì)90年代，“HMG”計(jì)劃開始實(shí)施；隨后，多種模式生物基因組計(jì)劃開展21世紀(jì)，遺傳學(xué)進(jìn)入后基因組時(shí)代第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(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(shí)驗(yàn)第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二.Hershey-Chase的噬菌體實(shí)驗(yàn)第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、RNA也是遺傳物質(zhì)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(guó)的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)論。第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、真核生物中DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)1、DNA分布在染色體內(nèi)，是染色體的主要成分，而染色體是直接與遺傳有關(guān)的；2、細(xì)胞核內(nèi)的DNA的含量十分穩(wěn)定，而且與染色體的數(shù)目存在著平行關(guān)系；3、DNA在代謝中較穩(wěn)定，不受生物體的營(yíng)養(yǎng)條件、年齡等因素的影響；4、作用于DNA的一些物理和化學(xué)因素可以引起生物體遺傳特性的改變。第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自我復(fù)制；能儲(chǔ)存遺傳信息；能表達(dá)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(gè)條件：所以，DNA是生物主要的遺傳物質(zhì)。第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)基因概念的發(fā)展一、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（P752頁(yè)）。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(xué)的基因概念第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、本澤爾證實(shí)了基因是一個(gè)功能單位而不是結(jié)構(gòu)上的最小單位：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，包含不同的突變子和重組子。②突變子：指基因中發(fā)生突變后能產(chǎn)生表型效應(yīng)的遺傳物質(zhì)的最小單位，它可以是一個(gè)或多個(gè)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。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，僅是一個(gè)功能單位，基因內(nèi)部的一個(gè)或者若干個(gè)脫氧核苷酸對(duì)才是重組單位或突變單位。打破了“三位一體”的基因概念。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、超基因、假基因和擬基因的發(fā)現(xiàn)：1.超基因：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(jiǎn)單多基因家族和復(fù)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。第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、現(xiàn)代基因的概念及特點(diǎn)：1.概念：見“P754上面”2.特點(diǎn)：見“754-755”（1）基因呈雙螺旋結(jié)構(gòu)并隨DNA的復(fù)制而復(fù)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）基因是可移動(dòng)的轉(zhuǎn)座子（5）基因是一個(gè)功能單位，但不是結(jié)構(gòu)單位：詳解見教材（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第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、原核細(xì)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(dòng)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)空遺傳信息表達(dá)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(diǎn).第三節(jié)基因的結(jié)構(gòu)第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、原核細(xì)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(dòng)子終止子編碼區(qū)能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的信使RNA，進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，也就是說能夠編碼蛋白質(zhì)第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、原核細(xì)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(diǎn)啟動(dòng)子終止子RNA聚合酶能夠識(shí)別調(diào)控序列中的結(jié)合位點(diǎn)，并與其結(jié)合。轉(zhuǎn)錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動(dòng)，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。接第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶酶酶原核基因一般是多個(gè)成簇排列的，在基因簇的全部結(jié)構(gòu)基因受一個(gè)啟動(dòng)子調(diào)控。這全部基因要么一起表達(dá)，要么不表達(dá)，而且轉(zhuǎn)錄生成單一的mRNA分子，然后再分別翻譯成幾個(gè)不同的多肽分子。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、真核細(xì)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(diǎn)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(dòng)子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)上游內(nèi)含子外顯子第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(gè)堿基對(duì)，其中有3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子，能夠編碼146個(gè)氨基酸人的一種凝血因子的基因，在它的186000個(gè)堿基對(duì)中，有26個(gè)外顯子和25個(gè)內(nèi)含子，能夠編碼2552個(gè)氨基酸第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5’3’增強(qiáng)子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)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(diǎn)真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)示意圖啟動(dòng)子：主要包括兩個(gè)序列（1）在5’端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約20~30個(gè)核苷酸處有TATA框，它是一個(gè)短的核苷酸序列，是啟動(dòng)子中的一個(gè)順序，它是RNA聚合酶的重要接觸點(diǎn)，能使酶準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)并開始轉(zhuǎn)錄。當(dāng)TATA框中的堿基順序有所改變時(shí)，mRNA的轉(zhuǎn)錄就會(huì)從不正常的位置開始。第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5’3’增強(qiáng)子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)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(diǎn)真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)示意圖啟動(dòng)子：主要包括兩個(gè)序列（2）在5’端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約70~80個(gè)核苷酸的地方，有CAAT框，是啟動(dòng)子中另一個(gè)短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的另一個(gè)結(jié)合點(diǎn)，它的作用還不肯定，一般認(rèn)為它控制著轉(zhuǎn)錄的起始頻率，而不影響轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)。當(dāng)框中的堿基順序改變后，mRNA的形成量會(huì)明顯減少。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5’3’增強(qiáng)子CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)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(diǎn)真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)示意圖增強(qiáng)子：在5’端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約100個(gè)核苷酸以遠(yuǎn)處的位置，能使轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)上百倍。終止子：在3’端終止密碼的下游有一個(gè)核苷酸順序?yàn)锳ATAAA，AATAAA順序和下游的反向重復(fù)順序合稱為終止子，是轉(zhuǎn)錄終止的信號(hào)。終止子的特殊堿基排列順序能夠阻礙RNA聚合酶的移動(dòng)，并使其從DNA模板鏈上脫離下來。第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因組是雙份的（即雙倍體）。細(xì)菌染色體基因組通常由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，染色體形成類核，無核膜與胞漿分開。（2）基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)，而每個(gè)復(fù)制子的長(zhǎng)度較小。（3）真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子。一個(gè)結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯生成一個(gè)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(gè)基因往往在一起組成操縱子結(jié)構(gòu)。第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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(jìn)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(jìn)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(fù)序列，重復(fù)次數(shù)可達(dá)百萬次以上基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)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33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因的表達(dá)調(diào)控第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一真核生物基因表達(dá)與調(diào)控第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)-----人類基因組的全序列分析

DulbeccoRScience1986

回顧了70年代以來癌癥研究的進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到包括癌癥在人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關(guān)；同時(shí)指出，要么仍處在零打碎敲的方法研究，要么從整體上研究和分析整個(gè)人類基因組及其序列。這一計(jì)劃的意義，可以與征服宇宙的計(jì)劃媲美。這樣的工作是任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室難以單獨(dú)承擔(dān)的項(xiàng)目。這個(gè)世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關(guān)第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一HGP的研究?jī)?nèi)容總體目標(biāo)：15年內(nèi)投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個(gè)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(jìn)

4.模式生物基因組的圖譜繪制及測(cè)序

5.相關(guān)課題的研究第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人類基因組計(jì)劃大事記1986年Dulbecco在“Science”首次提出1990年國(guó)際人類基因組計(jì)劃正式啟動(dòng)1996年真核生物酵母(15Mb)1997年大腸桿菌(4,653,831bp，4283個(gè)基因)1997年底線蟲（28Mb，19,000基因)1998年5月celera公司宣布加入該計(jì)劃第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人類基因組計(jì)劃大事記1999年初celera公司宣布完成果蠅（120Mb)