基因的概念及結(jié)構(gòu).ppt

1、基因的概念和結(jié)構(gòu),復(fù)等位基因（multiple alleles） 順反子（cistron） 超基因（super gene） 假基因 (pseudo gene) 斷裂基因和重疊基因 可動基因( mobile gene) 染色體外基因,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(chǎn)物，是一種與生物狀狀相應(yīng)的符號，無實質(zhì)內(nèi)容。 2.1909年 丹麥Johanssen基因,3.1910年40年代 Morgan等認(rèn)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

2、明了連鎖交換規(guī)律和伴性遺傳，并進(jìn)一步推理出基因在染色體上呈直線排列，基因是一種化學(xué)實體并決定性狀?；蚴峭蛔兒椭亟M的最小單位,4.1944年Avery首次證實基因是由DNA構(gòu)成，及1953年DNA雙螺旋模型的提出，人們認(rèn)為基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA片段 5.1944年Beadle研究脈胞菌突變提出一基因一酶學(xué)說,后來研究血紅蛋白時發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)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(xué)說,6.1955年，Benzer通過順反互補實驗發(fā)現(xiàn)一個基因內(nèi)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Mo

3、nod研究細(xì)菌基因調(diào)控時發(fā)現(xiàn)基因是可分的，功能上是有差別的,結(jié)構(gòu)基因決定合成某種蛋白質(zhì) 調(diào)節(jié)基因編碼阻遏或激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)基因,無翻譯產(chǎn)物的基因 8.新的發(fā)現(xiàn)斷裂基因，重疊基因，跳躍基因,基因是實體，它的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA（或RNA）； 基因是具有一定遺傳效應(yīng)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,基因的分子生物學(xué)定義,基因是編碼有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核苷序列。 包含：編碼蛋白質(zhì)肽鏈或RNA的核酸序列，轉(zhuǎn)錄所必須的調(diào)控元件，編碼區(qū)上游的非編碼序列，內(nèi)含子，編碼區(qū)下游的非編碼序列。,基因結(jié)構(gòu),基因的不同類型,結(jié)構(gòu)基因: 為蛋

4、白質(zhì)或RNA編碼的基因，其產(chǎn)物為酶促反應(yīng)的有關(guān)的功細(xì)胞組分，它不影響其它基因的表達(dá) 調(diào)節(jié)基因：不編碼RNA或蛋白質(zhì)的基因，其主要作用是調(diào)節(jié)其它基因的表達(dá),功能性基因：基因家族中，仍然為蛋白質(zhì)或RNA編碼的家族成員稱 假基因（Pseudo gene）：基因家族中已不為蛋白質(zhì)或RNA編碼的家族成員,第二節(jié) 復(fù)等位基因（multiple alleles）,復(fù)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(fù)等位基因（multiple gene) 復(fù)等位基因是生物遺傳多態(tài)性在遺傳上的直接原因,復(fù)等位基因間的互作效應(yīng),互補基因：某性狀只有在二個以上的非等位基因共存時才

5、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(yīng)由于第二個突變基因的出現(xiàn)而恢復(fù)正常時，稱后一突變基因為前者的抑制基因,相關(guān)概念,上位效應(yīng)：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(yīng)。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,一個2倍體細(xì)胞最多只能有復(fù)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,

6、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(nèi)部可突變和重組。一個基因就是一個順反子。 基因的順式和反式排列,順反子概念的提出,1955年，S.Benzer通過對T4噬菌體精細(xì)結(jié)構(gòu)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,順反子學(xué)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(zhuǎn)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

7、控制，轉(zhuǎn)錄在一條mRNA上,Fig 15.10 The arrangement of genetic markers in cis and trans heterozygotes., 2003 John Wiley and Sons Publishers,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,Fig 15.11 The cis-trans position effect observed by Edward Lewis with the apr and w mutations of Drosophila.,apr：杏色眼 w：白色眼,順式

8、排列表現(xiàn)為紅色,反式排列表現(xiàn)為杏色,如何判斷突變是在一個順反子內(nèi)還是2個不同的非等位基因,a1a1 x a2a2 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。,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(gòu)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(jìn)一步發(fā)展了基因的概念,第四節(jié) 操縱子（Operon）,由操縱基因操縱的幾個結(jié)構(gòu)基因連鎖在一起，由一個啟動子

9、轉(zhuǎn)錄成為一個mRNA分子，然后翻譯成為幾種蛋白質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)稱為一個操縱子 乳糖操縱子：包括3個結(jié)構(gòu)基因-半乳糖苷酶、乳糖透性酶、乙?；?2020/10/13,26,1.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(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖 當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長,2020/10/13,27,大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( -galactosidase),2020/10

10、/13,28,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(xì)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(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細(xì)菌中-半乳糖苷酶活性顯著增高 這種誘導(dǎo)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（lac operon）學(xué)說,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(jié)構(gòu)基因：ZYA,當(dāng)乳糖缺乏是，I基因表達(dá)阻遏物，阻礙物與操縱基因結(jié)合，啟動子的活性收到阻礙，ZYA基因轉(zhuǎn)錄起始受到抑制 在乳糖存在是，乳糖與阻遏物結(jié)合，改變阻遏物構(gòu)象使之不能與操縱基因結(jié)合因此起始ZYA基因的合成,Re

11、pressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator; addition of inducer releases the repressor, and thereby allows RNA polymerase to initiate transcription.,第五節(jié) 超基因,超基因（super gene)：是指作用于一種性狀或作用于一系列相關(guān)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(jìn)化過程中經(jīng)突變，重復(fù)和倒位等演變而成的具有相同或相似作用的所有基因，

12、稱基因家族,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） 22 22 22 胎兒期（3-9月） 22 成人期（出生后） 22 22,類基因包括：、1、2、 類基因包括：、Gr、Ar、 類和類基因在染色體上，緊密連鎖，呈直線排列，形成一個超基因 Gr Ar ,基因簇：指基因家族的成員以串聯(lián)重復(fù)方式排列在一起或不同家族的成員構(gòu)成一重復(fù)單位，以串聯(lián)重復(fù)方式排列在一起。 原核；5 S RNA， 16SRNA，23SRNA 真核：5.8 S RNA，

13、18 S RNA，28 S RNA tRNA簇,假基因（pseudo gene）：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,基因的不連續(xù)性,在1977年以前，都認(rèn)為基因是一種為蛋白質(zhì)編碼的連續(xù)的核苷酸序列，因為當(dāng)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

14、有基因是間斷的 后來在對真核生物基因進(jìn)行研究時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，真核基因比其相應(yīng)的mRNA長得多，開始以為基因的一端或兩端存在一些不轉(zhuǎn)錄的序列 但從核RNA（hnRNA）和mRNA的大小進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，核RNA比相應(yīng)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(zhuǎn)錄中存在，而在mRNA從核轉(zhuǎn)運到胞質(zhì)之前被除去了 真核基因中存在著一些可能被轉(zhuǎn)錄但不為蛋白質(zhì)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(nèi)含子(intron)兩個大的部分,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

15、切現(xiàn)象在真核生物中普遍存在,同一DNA序列可編碼多種蛋白質(zhì) 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(zhuǎn)錄，只是效率不同，因此可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)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(chǎn)生不同mRNA（抗原、抗體,可變剪接的意義,promoter exon 1 exon2 exon3 exon 4 exon5 terminator A: 利用不同的啟動子（例：雞的強心肌和砂囊?。?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） 1 2 3 4 5 1 2 3 5,第七節(jié) 重疊基因（over

16、lapping gene),1973年 Weiner 研究RNA病毒時的發(fā)現(xiàn) 1977年 Sanger 研究X 174 Phage時發(fā)現(xiàn)5387bp的基因組，編碼的蛋白質(zhì)比預(yù)期要多 重疊基因概念：基因轉(zhuǎn)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,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(dāng)中，只是由于讀碼框不同而編碼不同蛋白質(zhì) 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,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

17、序列完全寓居于另一個基因的內(nèi)含子當(dāng)中 套嵌基因：一個基因的互補鏈編碼另外一個基因,第八節(jié) 可動基因( mobile gene),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(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座因子（Transposable element)。,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(zhuǎn)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(zhuǎn)座：在轉(zhuǎn)座酶的作用下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄出RNA，RNA逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA再插入染色體上新的

18、位置,轉(zhuǎn)座同易位的概念區(qū)別,McClintock的貢獻(xiàn),原始發(fā)現(xiàn)：1951年，McClintock B，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,1932年，美國遺傳學(xué)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(zhuǎn)座子的概念，認(rèn)為在基因組的不同區(qū)域存在可移動的控制因子， controlling element。1983年獲諾貝爾獎。,玉米色粒調(diào)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(diào)節(jié)因子，4.5 kb 5個exon，

19、編碼轉(zhuǎn)座酶 Ds基因， 非自主移動的受體因子 0.5-4.0 kb，與Ac有同源序列 插入引起色素不能合成,玉米的轉(zhuǎn)座因子,可動基因( mobile gene),玉米粒顏色的遺傳（C基因決定有色）。 C Ac 有色 C Ds Ac 花斑 C Ds 無色,Ac與Ds因子的結(jié)構(gòu),Ac因子：4.563kb；有5個外顯子，產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶，兩端有11個bp的反向重復(fù)序列 5 CAGGGATGAAA.TTTCATCCCTG 3 3 GT CCCTACTTT.AAAGTAGGGAC 5 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(fù)序列，在

20、插入位點上有6-8bp的正向重復(fù)序列,Ac與Ds因子的轉(zhuǎn)座機制,Ac與Ds因子的轉(zhuǎn)座屬于非復(fù)制機制，即不是先進(jìn)行拷貝后將拷貝轉(zhuǎn)移，而是直接從原位置消失,轉(zhuǎn)座作用的機制,轉(zhuǎn)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(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個重復(fù)的靶序列之間 轉(zhuǎn)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(fù),轉(zhuǎn)座引起的遺傳效應(yīng),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(fù)，到位) 插入激活,第九節(jié) 染色體外基因,染色體外基因（extra ch

21、romosomal gene)：在真核和原核生物細(xì)胞中有一些位于染色體外的基因叫染色體外基因,一、質(zhì) 粒（plasmid),細(xì)菌中除了染色體外，還有大量的小環(huán)狀分子，就是質(zhì)粒（plasmid) 質(zhì)粒上有抗生素基因,二、線粒體基因組,線粒體是真核細(xì)胞中的細(xì)胞器。每個細(xì)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,線粒體基因組變化很大，可相差兩個數(shù)量級，動物細(xì)胞的線粒體基因組較小，在人類、老鼠、牛等細(xì)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(xì)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(xì)胞中有很大變化,第七節(jié) 基因的相互作用,互補基因（conplementary genes） 修飾基因（modifiers） 上位效應(yīng)（epistasis）,基因的相互作用,互補基因（complementary genes）：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 RRpp rrPP 胡桃冠 RrPp 胡桃冠 玫瑰冠 豌豆冠 單冠 R-P- R-pp rrP- rrpp 9 : 3 : 3 : 1,Fig 4.13 Comb shapes in chickens of