遺傳學第11章 基因的本質

第十一章

基因的本質

基因概念的發(fā)展

基因表達的調控1第一節(jié)

基因概念的發(fā)展遺傳因子染色體是基因的載體基因的功能遺傳物質是核酸DNA的分子結構基因是順反子近代基因概念一、遺傳因子

經過八年的豌豆雜交試驗，1866年發(fā)表《植物雜交試驗》論文，提出了分離規(guī)律和獨立分配律。認為生物性狀由遺傳因子決定，性狀本身是不能遺傳的，控制性狀的遺傳因子才是遺傳的。MendelG.J.

（1822-1884）3

丹麥遺傳學家JohansenW.

1909年發(fā)表“純系學說”，明確區(qū)分“基因型”和“表現(xiàn)型”，提出“gene”的概念，代替了遺傳因子。談家楨先生在美期間翻譯為“基因”。

英國生物學家BatesonW.是孟德爾理論的捍衛(wèi)者和宣傳者，他以香豌豆為材料，得到了性狀連鎖的實驗結果。1906年，創(chuàng)造遺傳學“genetics”。4二、染色體是基因的載體1903年，SuttonW.和BoveriT.提出遺傳的染色體學說—基因位于染色體上。細胞遺傳學誕生。5一個功能單位—控制單位性狀；

一個突變單位—可以突變?yōu)椴煌牡任恍问剑灰粋€重組單位—基因之間發(fā)生重組；基因是Morgan等通過伴性遺傳、連鎖交換規(guī)律、基因定位的工作證明基因位于染色體上，呈直線排列，1926年出版《基因論》。

因其卓越工作，榮獲1933年度諾貝爾獎。該時期，細胞遺傳學發(fā)展迅速，成就巨大。6三、基因的功能

BeadleG.W.和TatumE.L.

以粗糙鏈孢霉為材料，證明基因通過它所控制的酶決定著代謝中生化反應步驟，進而決定生物性狀，1941年提出“一個基因一個酶”學說。BeadleG.W.TatumE.L.7AABBCCDD

●每種突變體是單一基因突變的結果

●

該物質的生化合成途徑已知突變b

他們獲得了多種粗糙脈胞菌的營養(yǎng)缺陷型突變體，結合突變體不能合成產物的生化合成途徑，分析突變與生化途徑的關系。生化遺傳學確立了。前體物中間產物1中間產物2中間產物3終產物8檢測的物質ABCDEF

---

+

-+

-+-

+

-+

---

-

-+

-++

+

-+

+++

+

-+EADBCF54213

Beadle和Tatum因該項工作和Lederberg在有關細菌的基因重組和遺傳物質結構方面的發(fā)現(xiàn)，共同獲得1958年度諾貝爾獎。

突變體123459四、遺傳物質是核酸

遺傳物質必須具備的基本特點:※

必須能穩(wěn)定地含有關于有機體細胞結構、功能、發(fā)育和繁殖的各種信息；※

必須能精確復制，使后代細胞和親代細胞具有相同的遺傳信息；※

必須能變異，如果沒有變異，就不會有進化。10

1928年GriffithF.在肺炎雙球菌感染小鼠的實驗中最早發(fā)現(xiàn)了轉化現(xiàn)象，開啟了對“轉化因子的研究”;

1944年，AveryO.T.等在肺炎雙球菌轉化實驗中證明了遺傳物質是DNA，而不是多糖、蛋白質。

直到1950年，雖然附著在活性DNA上的蛋白質含量已降低到0.02％，頑固者仍然在質疑

。11

某些病毒為RNA病毒，其遺傳信息由RNA攜帶。

1952年HersheyA.D.和ChaseM.的噬菌體復制實驗，進一步證明DNA的遺傳功能。

Hershey主要因病毒復制方面的成績獲1969年度諾貝爾獎。

1955年，

Avery去世。他曾多次獲得提名，后來諾貝爾獎評審委員會惋惜地承認：“Avery于1944年關于DNA攜帶遺傳信息的發(fā)現(xiàn)代表了遺傳學領域中一個最重要的成就，他沒能得到諾貝爾獎金是很遺憾的”。12五、DNA的分子結構1953年，WatsonJ.和CrickF.提出了DNA的雙螺旋結構模型，揭示了遺傳信息是如何儲存在DNA中，以及遺傳性狀何以在世代間得以保持。分子遺傳學的序幕拉開。他們獲得1962年諾貝爾獎。13FranklinR．WilkinsM.DNA的X射線衍射照片14六、基因是順反子1955年Benzer以噬菌體為材料，在分子水平上提出了順反子學說。SeymourBenzer

屬于“最聰明的沒有獲得諾貝爾獎的人”，是開創(chuàng)分子生物學的重要人物，他獲得過幾乎所有重要的生物醫(yī)學獎項—拉斯卡獎、格拉芙獎、沃爾夫獎等。15雌果蠅雄果蠅基因型16A區(qū)的數(shù)目小眼數(shù)基因型16A區(qū)的數(shù)目小眼數(shù)+/++/B+/BBB/BBB/BB23446780360457025+BBB12374090301、位置效應16

+/BB個體中，兩個B在同一染色體上，稱為順式（cis）排列；在B/B個體中，兩個B在不同的染色體上，稱為反式（trans）排列。

由于基因在染色體上排列方式的不同而表型不同的現(xiàn)象，稱為位置效應（positioneffect），或稱為順反位置效應（cis-transpositioneffect）。

基因在染色體上的位置有功能上的意義。172、曲霉中的試驗StrainAStrainBnn混合培養(yǎng)有時形成異核體偶爾核融合二倍體核曲霉菌（Aspergillusnidulans）分生孢子2n2n菌落18二倍體后代中出現(xiàn)約0.14%的野生型

?腺嘌呤缺陷型ad16、ad82n是腺嘌呤缺陷型ad16和ad8是同一基因突變的結果ad16和ad8是同一基因的不同突變位點19

體細胞交換或有絲分裂交換：交換發(fā)生在二倍體菌絲的有絲分裂中，而不是發(fā)生在減數(shù)分裂中。++ad16ad8復制+ad16+ad8體細胞交換+ad16+ad8+ad16+ad8ad16ad8++著絲粒的隨機趨向++ad8ad16ad8++突變型野生型ad16++ad8ad16ad8++突變型野生型ad1620突變型野生型ad16++ad8╳╳反式排列ad16++ad8╳╳順式排列

基因內的不同位點上可以發(fā)生突變，基因內的不同突變位點之間可以發(fā)生重組。一個基因21類型不同大腸桿菌菌斑平板上表型BK（?）S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑rⅠ小噬菌斑大噬菌斑無噬菌斑rⅡ小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑rⅢ3、重組測驗Benzer分離到幾千個快速溶菌（r）突變體，根據(jù)其表型不同，區(qū)分為rⅠ、rⅡ、rⅢ。

這些突變之間的結構關系？22接種在E.coliB平板大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑小噬菌斑接種在E.coliK(

?

)平板小噬菌斑無噬菌斑無噬菌斑無噬菌斑23rx和ry

之間的重組值2

(r+

噬菌斑數(shù))總噬菌斑數(shù)100%==2

在E.coliK(?)平板上長出的噬菌斑數(shù)在E.coliB平板上長出的噬菌斑數(shù)100%

重組測驗（recombinationtest）：以遺傳圖的方式確定突變子之間的空間關系。

理論上，基因內相鄰核苷酸位置上的突變是可能重組的。24Benzer的方法可用來測算一個基因內部不同位點間的距離，它的精確度可達到十萬分之一，即0.001個圖距單位，所以稱為基因的精細作圖。254、互補測驗

互補測驗（complementationtest）：確定不同突變之間的功能關系。

許多突變型都有相同的表型，這些突變型是屬于一個基因呢，還是屬于不同的基因？

互補（complementation）：指兩個突變型同時感染E.coliK時，可以相互彌補對方的缺隙，共同在菌體內增殖，引起溶菌，釋放原來的兩個突變型。26rⅡ區(qū)的部分連鎖圖r47r51H04H01H06H02A區(qū)B區(qū)27沒有互補28有互補29

運用互補實驗來確定有同一表型效應的兩個突變型是否屬于同一順反子。沒有互補突變型有互補野生型m1++╳╳m2m1++╳╳m2順式（對照）野生型同一順反子中的突變位點反式不同順反子中的突變位點m1++╳野生型╳m2m1++╳╳m230

一個順反子是一個功能水平上的基因；是DNA分子上的一個特定的區(qū)段，就其功能而言是一個獨立的單位。但在這一特定的DNA片段內含有許多突變位點，稱為突變子（muton），即突變后可以產生變異的最小單位（或者是DNA中構成基因的一個或若干個核苷酸）；這些突變位點之間可以發(fā)生重組，稱為重組子（recon），即不能由重組分開的最小單位。5、順反子

一個不同突變之間沒有互補的功能區(qū)稱為順反子（cistron）。31轉座因子（跳躍基因）

細胞中能改變自身位置的一段DNA順序，稱為轉座因子（transposableelement），也稱為跳躍基因（jumpinggene）。1951年，McClintock提出轉座因子的概念，81歲時（1983年）獲諾貝爾獎。七、近代的基因概念發(fā)展32解離因子（dissociator，Ds）：非自主轉座；影響鄰近基因的作用

激活因子（activator，Ac）：自主轉座；解除Ds對C的抑制作用；無其他表型效應

Ac因子有轉座酶基因，是自主性因子；Ds是Ac發(fā)生了缺失或其他變化，丟失了內部序列，喪失了轉座酶活性，但是留下了完整的轉座酶作用位點，具有轉座的能力。1、玉米中的轉座因子33玉米中的轉座現(xiàn)象3435

由于Ds基因解離的時間有早有晚、有長有短，表現(xiàn)在籽粒上的色斑就有大有小。換句話說，玉米籽粒（或葉片）之所以出現(xiàn)色斑，以及色斑的大小，既決定于色素基因C的表達，也是由于另外一個或多個基因調節(jié)和控制的結果。轉座因子的機理是從1944年至1950年才完全弄清楚。

McClintock1950年發(fā)表了《玉米易突變位點的由來與行為》，1951年發(fā)表了《染色體結構和基因表達》兩篇論文。36

隨著分子生物學的發(fā)展，逐漸發(fā)現(xiàn)了許多與McClintock轉座因子相同或相似的現(xiàn)象。例如，20世紀60年代末在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了F因子、“插入序列”（IS）等。

1976年，在冷泉港召開的“DNA插入因子、質粒和游離基因”專題討論會上，明確地承認可用“轉座因子”來說明所有能夠插入基因組的DNA片段。37McClintock在美國遺傳學界是享有盛譽的女科學家，從30年代開始研究玉米，有關玉米染色體的鑒定、分裂過程、連鎖交換、結構變異、斷裂·融合·橋循環(huán)等都與她有關，她還成功地闡明了脈孢菌減數(shù)分裂的全過程。雖然是用經典遺傳學方法完成的，但她同時也開啟了通往分子遺傳學的另一扇門。這是McClintock在細胞學水平上對基因的追蹤，盡管當時人們還不知道DNA的本質。38

IS是一類較小的轉座因子，可以從染色體的一個位置轉移到另一個位置，或從質粒轉移到染色體上。IS本身沒有任何表型效應，只攜帶和它轉座作用有關的轉座酶基因。2、原核生物中的轉座因子1）插入序列（insertionsequences,IS）2）轉座子（transposon,Tn）

是一類較大的轉座因子，兩端具有IR，除了會有與它的轉座作用有關的基因外，還帶有抗藥基因。39

操縱子（operon）

基因不僅是傳遞遺傳信息的載體，又具有調控其他基因表達活性的功能。基因可以有其自身的產物，也可以沒有產物。

斷裂基因和重疊基因

在一條DNA鏈上，從ATG開始到終止密碼子為止的連續(xù)核苷酸密碼序列稱為通讀框（openreadingframe）。40

斷裂基因（interruptedgene）

基因的編碼順序由許多非編碼區(qū)域隔開，使閱讀框不連貫。

出現(xiàn)在mRNA分子中的基因序列稱為外顯子（exon），不出現(xiàn)在mRNA分子中的基因序列稱為內含子（intron）。

真核生物的基因一般都有內含子，原核生物的基因一般沒有內含子。不同基因其內含子的大小及數(shù)目不同。4142

斷裂基因的生物學意義：

有利于儲存較多的遺傳信息；

有利于變異和進化；

內含子有調控作用。

增加重組頻率；

英國科學家羅伯茨RichardJ.Roberts和美國科學家夏普PhillipA.Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因而共同獲得1993年度諾貝爾獎。43

一般認為重疊基因不僅可以經濟、有效地利用遺傳信息量，更重要的可能是便于對基因表達起調控作用。

真核生物中也有重疊基因，如一個基因的內含子是另一個基因的外顯子。

指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。重疊基因（overlappinggene）44癌基因（oncogene）抑癌（抗癌）基因（anti-oncogene）染色體外基因

質粒線粒體基因葉綠體基因

假基因（pseudogene）

基因家族和基因簇45第二節(jié)基因表達的調控基因的類別基因表達調控一、基因的類別根據(jù)基因的功能和性質，分為：1、結構基因（structuralgenes）

調節(jié)基因（regulatorygenes）

結構基因不僅可以轉錄成mRNA，而且可翻譯成多肽鏈，從而構成各種結構蛋白質及各種酶。

調節(jié)基因可以轉錄成mRNA，翻譯成阻遏蛋白或激活蛋白，調控其他基因的活性。472、核糖體RNA基因（ribosomalRNAgenes，rDNA）轉移RNA基因（transferRNAgenes，tDNA）

這類基因只轉錄成相應的mRNA，而不翻譯成多肽鏈。它們都是多拷貝的。3、啟動子（promoter）操縱基因（operator）

這類基因都是不轉錄的DNA區(qū)段，決定結構基因的開啟或關閉。48二、基因表達調控

基因表達是結構基因在生物體內的轉錄、翻譯以及所有的加工過程。任何影響基因的開啟與關閉、轉錄和翻譯過程速率的較直接的因素及其作用，就是對基因表達的調控。49MonodJ.JacobF.和MonodJ.

JacobF.和MonodJ.通過對不同的乳糖代謝突變體來研究基因的作用，闡明了E.coli乳糖代謝基因表達調控的機理，于1961年提出乳糖操縱子學說，獲1965年度諾貝爾獎。50三、原核生物基因表達的調控1、酶的可誘導現(xiàn)象

這些酶要有誘導物（乳糖）存在時才產生，稱為誘導酶。組成酶

乳糖（lactose）

葡萄糖

+

半乳糖

β–半乳糖苷酶lacZ

β–半乳糖苷透性酶lacY

β–半乳糖苷轉乙酰酶lacA512、操縱子模型1）操縱子（operon）

很多功能上相關的結構基因常常位于染色體的鄰接位置上，由一個共同的控制區(qū)來操縱這些基因的轉錄；包含這些結構基因和控制區(qū)的整個核苷酸序列稱為操縱子。

原核生物基因調控主要發(fā)生在轉錄水平上，轉錄調控的基本單元是操縱子。522）啟動子（promoter）操縱基因（operator）

啟動子是基因上游的一段序列，是轉錄起始時聚合酶識別、結合的特定部位，其本身不被轉錄。