第二章基因和基因組及基因工程的概念

1、第二章第二章基因和基因組及基因工程的概念基因和基因組及基因工程的概念第一節(jié)第一節(jié)基因的概念基因的概念第二節(jié)第二節(jié)基因組基因組第三節(jié)第三節(jié)基因工程的定義和研究內(nèi)容基因工程的定義和研究內(nèi)容第四節(jié)第四節(jié)基因工程的發(fā)展史基因工程的發(fā)展史第一節(jié)基因的概念一、基因與“遺傳因子”二、基因與染色體三、基因與蛋白質四、基因與DNA五、基因密碼的破譯六、基因的概念七、基因的新概念一、基因與“遺傳因子” 對遺傳物質基礎的認識有個發(fā)展過程，孟德爾（G.Menodel）在18571864年以豌豆為材料進行雜交實驗的研究中,提出“遺傳因子”決定和控制著生物體的各種性狀。 1909年丹麥生物學家W.Johannsen為了強

2、調“遺傳因子”與生命的關系,他根據(jù)希臘“給予生命”之義的詞“gene”（基因）創(chuàng)造性地用“gene”這個術語來代替“遺傳因子”?；蜻@個詞當時被用來描述遺傳性狀，但對基因的物質概念還未能認識，只是遺傳的一個符號。孟德爾的豌豆雜交試驗遺傳因子是成對的，一個來自父本，一個來自母本，形成配體時彼此分開，在性細胞中是成單的，雜交子一代各自保持獨立和純一狀態(tài)，形成配子時又彼此分開，互不混雜，完整地傳給后代，雌雄配子結合有等同隨機結合的機會。圓形種子皺形種子雜交第一代(均為圓形)回交圓形豆皺形豆5474粒1850粒3：1雜交第一代(均為黃色圓形)回交黃色圓形豆黃色皺形豆 綠色圓形豆綠色皺形豆315粒121

3、粒108粒32粒9：331二、基因與染色體 1910年1926年,美國的摩爾根（T.H.Morgan）選用果蠅做研究材料，發(fā)現(xiàn)了基因連鎖和交換現(xiàn)象，創(chuàng)立了遺傳的染色體理論（Chromosomoltheoryofinheritance），繪制了基因連鎖圖,接受了孟德爾的遺傳原理,指出遺傳物質必須由某種獨立的要素組成,即遺傳因子或叫做基因。從而證明了基因是位于染色體上呈直線按順序排列的遺傳單位，基因是攜帶遺傳信息的結構單位，又是控制遺傳性狀的功能單位。摩爾根果蠅雜交試驗 有4對染色體，一對小粒狀，2對V形，一對呈棒狀XX或XY（性染色體）X1X2（紅眼）+XWY（白眼）（野生型）（突變型）雜交子一

4、代（雌雄均為紅眼）X1XW，X1Y，X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY為紅眼雄性及白眼雄性三、基因與蛋白質 1941年G.W.Beadle和E.L.Tatum應用X射線誘導鏈孢霉菌（Newosporecrassa）在DNA損傷修復后,產(chǎn)生了大量營養(yǎng)缺陷性突變體,提出了“一個基因一種酶”學說,后來又修正為“一個基因一種蛋白質”的學說,或“一個基因一種多肽鏈”學說。四、基因與DNA 1928年美國O.T.Avery首次證明了控制遺傳特性的物質是DNA,而不是蛋白質,染色體上的基因為DNA分子。 1953年J.watson和F.Crick根據(jù)堿基配

5、對規(guī)律和DNA分子的X射線衍射圖譜等實驗,提出了DNA分子的雙螺旋結構。 1958年證明了DNA半保留復制和DNARNA蛋白質合成的中心法則（如圖）。遺傳中心法則五、基因密碼的破譯 1961年F.Crick,S.Brenner,M.W.Nirenberg,H.G.Khorana等確立了每三個核苷酸可作為決定一個氨基酸的密碼子。 1964年64種三聯(lián)密碼子全部被破譯公布。64種密碼子中有61個密碼子可用于編碼20種氨基酸,有3個密碼子為終止信號,只表示鏈的終止,不表達任何氨基酸。其中AUG為啟始密碼子，并具有通用性、偏愛性和簡并性。遺傳密碼的兼并性六、基因的概念 按照分子生物學理論，基因的概念應

6、當是指編碼有功能蛋白質多肽鏈或RNA分子所必需的全部核酸序列（即DNA序列）。根據(jù)這個概念，一個基因不僅含編碼蛋白質肽鏈或RNA分子的核酸序列,還包括保證轉錄所必需的非編碼的調控序列即位于編碼區(qū)上游5端的啟動子非編碼序列、內(nèi)含子（intron）和位于編碼區(qū)下游3端的終止子非編碼序列。編碼區(qū)是發(fā)揮基因功能的結構基因（或功能基因），而起調控、啟動和終止作用的非編碼區(qū)屬于調控基因。七、基因的新概念1、移動基因、移動基因2、斷裂基因（、斷裂基因（splitgene）3、重疊基因、重疊基因4、假基因、假基因5、重復序列及重復基因、重復序列及重復基因1、移動基因、移動基因 移動基因（movablegene

7、）又叫轉位因子（transposableelements）,由于它可以在染色體基因組上移動，甚至可在不同染色體間躍遷，故又稱跳躍基因（jumpinggene）,這種基因是J.A.Shapiro在研究大腸桿菌高效突變時發(fā)現(xiàn)的。有三種類型：1.插入序列（insertionsequences,簡稱IS），其長度為數(shù)百個到數(shù)千個堿基對之間（如圖2-1）。2.轉位子（Tn)，即兩側的IS和一個中心序列（帶有遺傳信息）3.噬菌體Mu和D108，其轉位作用如圖2-2。2、斷裂基因（、斷裂基因（splitgene） 在真核細胞中的核苷酸序列中間插入與氨基酸編碼無關的DNA間隔區(qū)段，使一個有功能的結構基因分隔成

8、不連續(xù)的若干區(qū)段，將這種編碼序列不連續(xù)，有間隔區(qū)段的DNA片斷稱為斷裂基因。這種非編碼間隔區(qū)段DNA稱間隔子（內(nèi)含子），有轉錄和編碼功能的編碼序列稱表達子。原核細胞無內(nèi)含子。其二者mRNA剪輯作用如圖2-3，2-4，2-53、重疊基因、重疊基因 不同基因的核苷酸序列有時為相鄰兩個基因共用，將核苷酸彼此重疊的兩個基因稱為重疊基因（overlappinggenes）,在174噬菌體有兩種類型的重疊基因（圖2-6）。4、假基因、假基因 在珠蛋白基因簇（genecluster）各片斷核苷酸序列分析時發(fā)現(xiàn)，除了有正常的功能基因之外，還有功能失活的特殊序列片斷，它不能行使表達功能。該類無表達功能的畸變核苷

9、酸基因序列片斷，稱為假基因。其產(chǎn)生原因如圖2-7、2-85、重復序列及重復基因、重復序列及重復基因幾乎所有的真核細胞（酵母除外）的基因組DNA中都具有重復序列（repeatedsequence）,它無轉位移動能力，因此它區(qū)別于轉位作用的IR（invertedrepeat）。IR是指序列的重復性。但無基因序列的交叉重疊性，故不同于重疊基因序列。重復序列可分為四種類型： (1)不重復序列，是唯一的序列，只有一個拷貝。 (2)低度重復序列，一般有1-10個拷貝。 (3)中度重復序列，有數(shù)十至數(shù)萬（105）拷貝。如圖2-9、2-10 (4)高度重復序列拷貝數(shù)可達106以上,包括衛(wèi)星DNA、高豐度SIN

10、E家族的Alu序列。第二節(jié)基因組“基因組基因組”是表示某物種單倍體的總是表示某物種單倍體的總DNA，對，對于二倍體高等生物其配子的于二倍體高等生物其配子的DNA總和即為一組基因總和即為一組基因組。不同生物基因組數(shù)目不同，如表組。不同生物基因組數(shù)目不同，如表研究得較多的為以下三類基因組： 一、病毒基因組 二、細菌基因組 三、真核生物基因組第三節(jié)基因工程的定義和研究內(nèi)容基因工程的定義基因工程的定義通常是指通常是指在體外把核酸分子（基因）在體外把核酸分子（基因）組合到特定的載體上（病組合到特定的載體上（病毒，質粒，噬菌體等）并毒，質粒，噬菌體等）并使之進入（或導入）到原使之進入（或導入）到原來沒有這

11、類分子的宿主體來沒有這類分子的宿主體內(nèi)，能使基因在宿主內(nèi)繁內(nèi)，能使基因在宿主內(nèi)繁殖或表達生物活性物質。殖或表達生物活性物質?；蚬こ痰暮诵膬?nèi)容是重基因工程的核心內(nèi)容是重組組DNA技術，還包括體外技術，還包括體外DNA突變，體內(nèi)基因操作突變，體內(nèi)基因操作以及基因的化學合成等。以及基因的化學合成等。第四節(jié)基因工程的發(fā)展史 一、四大里程碑 二、三大技術發(fā)明 三、基因工程的誕生病毒基因組 特點：特點：1.結構簡單，無細胞結構，基因組為結構簡單，無細胞結構，基因組為DNA或或RNA組成，有雙鏈組成，有雙鏈/單鏈，環(huán)狀單鏈，環(huán)狀/線狀。線狀。2.有調控元件和轉錄有調控元件和轉錄元件組成，轉錄元件可轉錄成為

12、多順反子元件組成，轉錄元件可轉錄成為多順反子mRNA。3.有有重疊基因。重疊基因。4.逆轉錄病毒（逆轉錄病毒（RV）可使）可使RNA變變cDNA其結其結構如圖，具構如圖，具U3RU5的長末端重復序列（的長末端重復序列（LTR），具隨機），具隨機整和能力，可用作病毒載體。整和能力，可用作病毒載體。細菌基因組 約有三千個基因，無內(nèi)含約有三千個基因，無內(nèi)含子，為雙鏈子，為雙鏈DNA，但無核，但無核仁、核膜，多為單拷貝，仁、核膜，多為單拷貝，無重疊基因，有多種功能無重疊基因，有多種功能調控區(qū)，有復制起始區(qū)、調控區(qū)，有復制起始區(qū)、終止區(qū)、轉錄起始區(qū)，終終止區(qū)、轉錄起始區(qū)，終止區(qū)常有反向重復序列。止區(qū)常有

13、反向重復序列。另外有質粒存在，質粒可另外有質粒存在，質?？勺鳛檩d體。作為載體。真核生物基因組 特點：大而復雜，為雙倍體，有低中高重復序列，多為斷裂基因，基因組中非編碼區(qū)多于編碼區(qū)（占90%），大多于蛋白質結合形成染色體，DNA占35%，RNA占5%，其余為蛋白質（組蛋白或非組蛋白） 與C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（稱C值）均大于低等生物，但某些植物或兩棲動物的C值比人高出幾十倍，這種與進化復雜性不一致的C值反?，F(xiàn)象稱為C值矛盾。 類型 多基因家族四大里程碑1. 遺傳物質的明確DNA2. DNA雙螺旋結構理論（半保留復制及其中心法則）3. 基因遺傳密碼子的破譯4. 基因轉譯載體的發(fā)現(xiàn)三大

14、技術發(fā)明1. 工具酶的發(fā)明：內(nèi)切酶、合成酶、連接酶2. 基因合成和測序（合成儀、測序儀）3. PCR技術（PCR擴增儀）基因工程的誕生1972年是基因工程的誕生之年。美國斯坦福大學P.Berg將SV40的DNA導入噬菌體載體在大腸桿菌中獲表達。S.Cohen等人將抗四環(huán)素、新霉素基因的質粒轉化大腸桿菌，獲得抗四環(huán)素，抗新霉素重組菌落，從而揭開基因工程的序幕。類型1.單拷貝序列：人類約占60%65%2.中度重復序列：長短300700bp，重復次數(shù)達105。通常為Alu、Kpn、Hinf、rRNA、tRNA、組蛋白基因等。3.高度重復序列：衛(wèi)星DNA及微衛(wèi)星DNA反向重復序列：人類約占5%，長度300bp在復性時，若有間隔序列，可形成發(fā)夾結構，若無間隔序列，可形成回文結構，可能與復制、轉錄調控有關。多基因家族 指來源相同，結構相似，功能相關的基因在染色體上成串存在，形成多基因家族。如rRNA、tRNA、組蛋白基因等為成串的，干擾素、珠蛋白、生長激素等為分散的。衛(wèi)星DNA 衛(wèi)星衛(wèi)星DNA又稱隨體又稱隨體DNA，由，由CsCl超速離心后，分散在主峰旁，形超速離心后，分散在主峰旁，形似衛(wèi)星分布而稱之。一般似衛(wèi)星分布而稱之。一般5-10bp短短序列，人類為序列，人類為171bp，保護和穩(wěn)定，保護和