基因的概念及結構

關于基因的概念及結構第1頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第一節(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提出“遺傳因子”,此時為一邏輯推理產物，是一種與生物狀狀相應的符號，無實質內容。2.1909年丹麥Johanssen——基因第2頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三3.1910年—40年代

Morgan等認為基因是三合一體，即基因既是一個功能單位，也是一個突變單位和一個交換單位。摩爾根通過對果繩的研究，闡明了連鎖交換規(guī)律和伴性遺傳，并進一步推理出基因在染色體上呈直線排列，基因是一種化學實體并決定性狀。基因是突變和重組的最小單位第3頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三4.1944年Avery首次證實基因是由DNA構成，及1953年DNA雙螺旋模型的提出，人們認為基因是具有一定遺傳效應的DNA片段5.1944年Beadle研究脈胞菌突變——提出一基因一酶學說,后來研究血紅蛋白時發(fā)現(xiàn)蛋白質可由不同肽鏈組成，而突變只影響一條肽鏈——提出了一基因一多肽學說第4頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三6.1955年，Benzer通過順反互補實驗發(fā)現(xiàn)一個基因內部的許多位點上可以發(fā)生突變，并且可能在這些位點間發(fā)生交換，說明一個基因并不是一個突變單位和一個交換單位7.60年代，Jacod和Monod研究細菌基因調控時發(fā)現(xiàn)基因是可分的，功能上是有差別的

第5頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三結構基因—決定合成某種蛋白質調節(jié)基因—編碼阻遏或激活結構基因轉錄的蛋白質基因,無翻譯產物的基因8.新的發(fā)現(xiàn)——斷裂基因，重疊基因，跳躍基因第6頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因是實體，它的物質基礎是DNA（或RNA）；基因是具有一定遺傳效應的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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因的分子生物學定義基因是編碼有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核苷序列。包含：編碼蛋白質肽鏈或RNA的核酸序列，轉錄所必須的調控元件，編碼區(qū)上游的非編碼序列，內含子，編碼區(qū)下游的非編碼序列。第8頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因結構第9頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因的不同類型結構基因:為蛋白質或RNA編碼的基因，其產物為酶促反應的有關的功細胞組分，它不影響其它基因的表達調節(jié)基因：不編碼RNA或蛋白質的基因，其主要作用是調節(jié)其它基因的表達第10頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三功能性基因：基因家族中，仍然為蛋白質或RNA編碼的家族成員稱假基因（Pseudogene）：基因家族中已不為蛋白質或RNA編碼的家族成員第11頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)復等位基因（multiplealleles）復等位基因:一個群體中，一對同源染色體的同一基因座上存在著2個以上的等位基因，這就是復等位基因（multiplegene)復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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三復等位基因間的互作效應互補基因：某性狀只有在二個以上的非等位基因共存時才會表現(xiàn)出來，這種由于互相補充而使一個性狀得以表現(xiàn)的非等位基因，稱為互補基因抑制基因：某一突變基因的表型效應由于第二個突變基因的出現(xiàn)而恢復正常時，稱后一突變基因為前者的抑制基因第13頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三相關概念上位效應：一對顯性基因的表現(xiàn)受到另一對非等位基因的作用，這種非等位基因間的抑制或遮掩作用叫上位效應。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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三一個2倍體細胞最多只能有復等位基因的2個拷貝

2個等位基因，可以組成3種基因型

3個等位基因，可以組成6種基因型

4個等位基因，可以組成10種基因型

n個等位基因，可以組成n+n(n-1)/2種基因型其中純合體為n個,雜合體為n(n-1)/2個第15頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)順反子（cistron）早期的基因概念：基因是一個功能單位，重組單位，突變單位(三位一體)。發(fā)展的基因概念：基因是一個功能單位，基因內部可突變和重組。一個基因就是一個順反子?；虻捻樖胶头词脚帕械?6頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三順反子概念的提出1955年，S.Benzer通過對T4噬菌體精細結構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,是一個功能單位突變子和重組子均為一核苷酸對第17頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三順反子學說否定了一個基因一個酶的假說單順反子是真核基因的轉錄形式。一個啟動子后僅具有一個編碼序列。多順反子出現(xiàn)于原核生物，即若干個基因由一個啟動子控制，轉錄在一條mRNA上第18頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三Fig15.10Thearrangementofgeneticmarkersincisandtransheterozygotes.?2003JohnWileyandSonsPublishers兩個相鄰的等位基因，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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第21頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第22頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三如何判斷突變是在一個順反子內還是2個不同的非等位基因

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，如果F1代是野生型，說明a1，a2

是兩個非等位基因。第23頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三順反子:

是一個遺傳單位,一個順反子決定一個多肽鏈突變子:

是DNA中構成基因的一個或若干個核苷酸重組子:

重組子代表一個空間單位，它有起點和終點，可以是若干個密碼子的重組，也可以是單個核苷酸的互換順反子進一步發(fā)展了基因的概念第24頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)操縱子（Operon）由操縱基因操縱的幾個結構基因連鎖在一起，由一個啟動子轉錄成為一個mRNA分子，然后翻譯成為幾種蛋白質，這樣的結構稱為一個操縱子乳糖操縱子：包括3個結構基因β-半乳糖苷酶、乳糖透性酶、乙?；傅?5頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三261.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繁殖當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長第26頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三27大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進入細菌的半乳糖透過酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(-galactosidase)第27頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三28在環(huán)境中沒有乳糖時，大腸桿菌合成-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上二階段生長細菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細菌中-半乳糖苷酶活性顯著增高這種誘導現(xiàn)象，法國的Jocob和Monod等人通過研究，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學說第28頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三編碼阻礙基因的I位點啟動子區(qū)域P位點操縱基因O位點三個結構基因：ZYA第29頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三當乳糖缺乏是，I基因表達阻遏物，阻礙物與操縱基因結合，啟動子的活性收到阻礙，ZYA基因轉錄起始受到抑制在乳糖存在是，乳糖與阻遏物結合，改變阻遏物構象使之不能與操縱基因結合因此起始ZYA基因的合成第30頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.

第31頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第五節(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性狀的幾個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化過程中經(jīng)突變，重復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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三

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，形成一個超基因

ξψξψαψααθ

εGrArψβδβ第34頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因簇：指基因家族的成員以串聯(lián)重復方式排列在一起或不同家族的成員構成一重復單位，以串聯(lián)重復方式排列在一起。原核；5SRNA，16SRNA，23SRNA真核：5.8SRNA，18SRNA，28SRNAtRNA簇第35頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三假基因（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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第六節(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雜交實驗同年Chambon雞卵清蛋白的雜交實驗真核生物的基因是斷裂的第37頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因的不連續(xù)性

在1977年以前，都認為基因是一種為蛋白質編碼的連續(xù)的核苷酸序列，因為當時對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真核生物基因進行研究時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，真核基因比其相應的mRNA長得多，開始以為基因的一端或兩端存在一些不轉錄的序列但從核RNA（hnRNA）和mRNA的大小進行比較發(fā)現(xiàn)，核RNA比相應的mRNA長，而與真核基因的大小相似，因此有一部分序列在初始轉錄中存在，而在mRNA從核轉運到胞質之前被除去了真核基因中存在著一些可能被轉錄但不為蛋白質或多肽編碼的序列—真核基因是間斷的。隨著對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)和內含子(intron)兩個大的部分第38頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三同一DNA序列可編碼多種蛋白質利用不同的啟動子：有時基因不止一個啟動子，或啟動子中的不同成分可獨立起始轉錄，只是效率不同，因此可轉錄產生不同的mRNA利用不同的終止子：與啟動子的情況類似改變拼接方式：將不同的外顯子拼接在一起，可產生不同mRNA（抗原、抗體可變剪接的意義第41頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三

promoterexon1exon2exon3exon4exon5terminatorA:利用不同的啟動子（例：雞的強心肌和砂囊?。?/p>

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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第七節(jié)重疊基因（overlappinggene)1973年Weiner研究RNA病毒時的發(fā)現(xiàn)1977年Sanger研究X174Phage時發(fā)現(xiàn)5387bp的基因組，編碼的蛋白質比預期要多重疊基因概念：基因轉錄起始點不同，但是共用同一段DNA序列或幾個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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第44頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三原核生物重疊基因的類型一個基因的核苷酸序列完全包含在另一個基因的核酸序列當中，只是由于讀碼框不同而編碼不同蛋白質兩個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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三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)一個基因的編碼序列完全寓居于另一個基因的內含子當中套嵌基因：一個基因的互補鏈編碼另外一個基因第46頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第八節(jié)可動基因(mobilegene)可動基因的概念：在染色體體上的位置是可以移動的基因被稱為可移動基因，也可以稱為轉座元件或轉座因子（Transposableelement)。第47頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三易位：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，或是連接轉移到另一條染色體上。此時，染色體斷片上的基因也隨著染色體的重接而移動到新的位置轉座：在轉座酶的作用下，轉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序列轉錄出RNA，RNA逆轉錄產生cDNA再插入染色體上新的位置轉座同易位的概念區(qū)別第48頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三McClintock的貢獻原始發(fā)現(xiàn)：1951年，McClintockB，在基因組中發(fā)現(xiàn)可以移動的基因，1984年獲諾貝爾獎玉米粒顏色的遺傳。正常：有色有色異常：有色色斑有色無色第49頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三1932年，美國遺傳學家B.McClintock發(fā)現(xiàn)玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳現(xiàn)象。

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

1983年獲諾貝爾獎。第50頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三玉米色粒調控元件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，自主移動的調節(jié)因子，4.5kb5個exon，編碼轉座酶Ds基因，非自主移動的受體因子

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座因子第51頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三可動基因(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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三Ac與Ds因子的結構Ac因子：4.563kb；有5個外顯子，產物是轉座酶，兩端有11個bp的反向重復序列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bp的反向重復序列，在插入位點上有6-8bp的正向重復序列第53頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三Ac與Ds因子的轉座機制Ac與Ds因子的轉座屬于非復制機制，即不是先進行拷貝后將拷貝轉移，而是直接從原位置消失第54頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第55頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第56頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三轉座作用的機制轉座時發(fā)生的插入作用有一個普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的（3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會被復制，使插入的轉座子位于兩個重復的靶序列之間轉座酶交錯切開靶位點，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，插入的兩端形成正向重復第57頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第58頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三轉座引起的遺傳效應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，到位)插入激活第59頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第九節(jié)染色體外基因染色體外基因（extrachromosomalgene)：在真核和原核生物細胞中有一些位于染色體外的基因叫染色體外基因第60頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三一、質粒（plasmid)細菌中除了染色體外，還有大量的小環(huán)狀分子，就是質粒（plasmid)質粒上有抗生素基因第61頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第62頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三二、線粒體基因組線粒體是真核細胞中的細胞器。每個細胞中含有幾十至數(shù)千個線粒體。每個線粒體有多個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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三線粒體基因組變化很大，可相差兩個數(shù)量級，動物細胞的線粒體基因組較小，在人類、老鼠、牛等細胞中約為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，每一細胞約有22個線粒體每一線粒體約有4個拷貝DNA，但在生長的細胞中有很大變化第64頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三第七節(jié)基因的相互作用互補基因（conplementarygenes）修飾基因（modifiers）上位效應（epistasis）

第65頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三基因的相互作用互補基因（complementarygenes）：不同對基因相互作用，出現(xiàn)了新的性狀。這兩個基因稱為互補基因。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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三Fig4.13Combshapesinchickensofdifferentbreeds.

a:玫瑰冠

b:豌豆冠

c:胡桃冠

d:單冠第67頁，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三修飾基因（modifiers）調控其它基因表達的基因。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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三上位效應（epistasis）某對等位基因的表現(xiàn)，受到另一對等位基因的影響，這種現(xiàn)象稱上位效應。隱性上位：一對純合隱性基因決定了另一對非等位基因表現(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，講稿共73頁，2023年5月2日，星期三上位效應（epistasis）顯性上位：顯性基因決定了另一對非等位基因表現(xiàn)的現(xiàn)象燕麥穎殼顏色遺傳：黑色