第四章基因的結(jié)構(gòu)與功能

1、第四章 基因的結(jié)構(gòu)與功能,基因是一個(gè)特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,第一節(jié) 基因的概念,一、基因概念的發(fā)展（一）遺傳“因子”：孟德爾認(rèn)為，生物性狀的遺傳由遺傳因子所控制，性狀本身不遺傳。（二）染色體是基因的載體：摩爾根實(shí)驗(yàn)證明基因位于染色體上，并呈直線排列，提出了遺傳學(xué)是連鎖交換規(guī)律，建立了遺傳的染色體學(xué)說(shuō)，為細(xì)胞遺傳學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。并由此提出基因既是一個(gè)功能單位，是一個(gè)突變單位，也是一個(gè)交換單位的

2、“三位一體”概念?！唷〗?jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個(gè)最小的單位，不能分割；既是結(jié)構(gòu)單位，又是功能單位。,（三）DNA是遺傳物質(zhì)：1928年Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎球菌的轉(zhuǎn)化，證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)而非蛋白質(zhì)；Avery用生物化學(xué)的方法證明轉(zhuǎn)化因子是DNA而不是其他物質(zhì)。（四）基因是有功能的DNA片段20世紀(jì)40年代Beadle和Tatum提出一個(gè)基因一個(gè)酶的假說(shuō)，溝通了蛋白質(zhì)合成與基因功能的研究1953年Watson和Crick提

3、出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，明確了DNA的復(fù)制方式。,1957年Crick提出中心法則，61年提出三聯(lián)體遺傳密碼，從而將DNA分子結(jié)構(gòu)與生物體結(jié)合起來(lái)1957年Benzer用大腸桿菌T4噬菌體為材料，分析了基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了順?lè)醋樱╟istor)的概念，證明基因是DNA分之上一個(gè)特定的區(qū)段，是一個(gè)功能單位，包括許多突變位點(diǎn)（突變子），突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組（重組子）理論上，一個(gè)基因有多少對(duì)核苷酸對(duì)就有多少突變子和的重組子，實(shí)際

4、上，突變子數(shù)少于核苷酸對(duì)數(shù)，重組子數(shù)小于突變子數(shù)。,總之：順?lè)醋訉W(xué)說(shuō)打破了“三位一體”的基因概念，把基因具體化為DNA分子上特定的一段順序--- 順?lè)醋?，其?nèi)部又是可分的，包含多個(gè)突變子和重組子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一個(gè)遺傳功能單位，其內(nèi)部存在有許多的重組子和突變子。 突變子：指改變后可以產(chǎn)生突變型表型的最小單位。 重組子：不能由重組分開的基本單位。,（五）操縱子模型

5、 1961年法國(guó)分子生物學(xué)家Jacob和Monod通過(guò)對(duì)大腸桿菌乳糖突變體研究，提出了操縱子學(xué)說(shuō)（operon theory)。闡明了基因在乳糖利用中的作用。,（六）跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）和斷裂基因的發(fā)現(xiàn) 20世紀(jì)50年代以前認(rèn)為每一基因組的DNA是固定的，而且其位置和他們的功能無(wú)關(guān)。50年代初芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出某些遺傳因子可以轉(zhuǎn)移位置，之后在真核生物和原核生物中發(fā)現(xiàn)基因組中某些成分不固定性是普遍現(xiàn)象，稱跳躍

6、基因。70年代后發(fā)現(xiàn)大多真核生物基因都是不連續(xù)的，被不編碼序列隔開，稱斷裂基因。,二、基因的類別及其相互關(guān)系,根據(jù)基因的功能和性質(zhì)，可將其分為以下幾類：（一）結(jié)構(gòu)基因（structural gene)和調(diào)節(jié)基因(regulatory gene):既可轉(zhuǎn)錄又可翻譯。（二）核糖體RNA基因（rRNA基因簡(jiǎn)稱rDNA）和轉(zhuǎn)移RNA基因（tRNA基因簡(jiǎn)稱tDNA ）：只可轉(zhuǎn)錄不可翻譯。前者專門轉(zhuǎn)錄rRNA， rRNA與響應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖

7、體；后者專門轉(zhuǎn)錄tRNA， tRNA作用是激活氨基酸。（三）啟動(dòng)子（promotor0和操縱基因(operator):既無(wú)轉(zhuǎn)錄功能又無(wú)翻譯功能，確切說(shuō)，它們不能稱為基因。,三、基因與DNA,一個(gè)基因大約有500-6000個(gè)核苷酸對(duì)，但并非DNA分子上任一含有幾千個(gè)核苷酸對(duì)的區(qū)段都是一個(gè)基因，基因是一個(gè)含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段。如何判斷一段核苷酸序列是否是某個(gè)基因？ 要看這個(gè)特定的核苷酸序列是否與其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

8、RNA核苷酸序列或翻譯產(chǎn)物多肽鏈的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)，這樣就必須同時(shí)測(cè)定某一段DNA的核苷酸序列和相應(yīng)產(chǎn)物的序列。,第二節(jié) 重組測(cè)驗(yàn),一、擬等位基因 黑腹果蠅中wa代表杏色眼基因,w代表白色眼基因，且都位于X染色體上 P wa wa × wY 杏色 白色 F1 wa w wa Y(杏色眼）

9、 F2 wa wa wa w wa Y wY,,,若wa 和w為等位基因 ，F(xiàn)2應(yīng)該只有親本兩種表型，但在大量的F2群體中卻出現(xiàn)了1/1000野生型紅眼出現(xiàn)，紅眼不是突變產(chǎn)生，因?yàn)椴豢赡艹霈F(xiàn)如此高的頻率,進(jìn)一步研究證明：這是由于杏色眼基因和白眼基因在染色體上所占的位置（座位）相同，但屬于不同的位點(diǎn)，因而它們之間可以發(fā)生交換。 P wa+/ wa+ × +w/ Y

10、 F1 wa+/ +w wa+/ Y （配子） （配子） wa+ +w wa w ++ wa+ Y F2出現(xiàn) ++/ wa+ 和++ /Y（紅眼野生型）,,,,,,順?lè)次恢眯?yīng)（cis-trans position effect)： wa+/ +w兩個(gè)突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)， wa w /++兩個(gè)

11、土百年同時(shí)排在一條染色體上，而另一條染色體上兩個(gè)位點(diǎn)均正常，稱為順式（cis)。反式表現(xiàn)為突變型，順式排列為野生型，這種由于排列方式不同而表型不同的現(xiàn)象成為順?lè)次恢眯?yīng)。,擬等位基因（pseudoallele)：表型效應(yīng)類似緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結(jié)構(gòu)性的等位基因，其發(fā)現(xiàn)證明：基因是可分的。,二、噬菌體突變型1、噬菌斑形態(tài)的突變型2、寄主范圍的突變型3、條件致死突變型概念：條件致死突變（P101）Benzer實(shí)驗(yàn)所用的

12、T4的rⅡ突變就是一個(gè)條件致死突變型。（見P101表4-1）,三、 Benzer的重組實(shí)驗(yàn)兩種rⅡ突變類型：rx、ry　 　　　　r+rx　　×　　ryr+　　　　　　　　　 ↓混合感染　　　　　　　　E.coli B株　　　　　　　　　接種　　　　　　　　　　　　　　　B株　　　　　K(λ)株　　　　　　　 計(jì)數(shù)　　　　　r+ry、rxr+　　　　r+r+　　　r+r+、rxry　　　僅生長(zhǎng)一　　　四種

13、基因型　　　 種重組型　　　 均能生長(zhǎng),,,,,重組值計(jì)算：rxry的數(shù)量與r+r+ 相同，計(jì)算時(shí)r+r+ 噬菌體數(shù)×2。,此種測(cè)定方法稱為重組測(cè)驗(yàn)（recombination test) ，它以遺傳圖的方式確定突變子之間關(guān)系，此方法測(cè)定重組頻率非常靈敏可以獲得小到0.001％，即十萬(wàn)分之一的重組值。,第三節(jié) 互補(bǔ)測(cè)驗(yàn),一、互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)的原理和方法 互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)（順?lè)礈y(cè)驗(yàn)）：根據(jù)功能確定等位基因的測(cè)驗(yàn)。即根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式

14、表現(xiàn)型來(lái)確定兩個(gè)突變體是否屬于同一個(gè)基因（順?lè)醋樱?彼此互補(bǔ)（complementation)：用 rⅡ 突變型成對(duì)組合同時(shí)去感染大腸桿菌K(λ)株，若被雙重感染的細(xì)菌中產(chǎn)生兩種親代基因型的子代噬菌體（也有少量重組型的噬菌體），那么就必定是一個(gè)突變型補(bǔ)償了另一個(gè)突變型所不具有的功能，這兩個(gè)突變型就稱為彼此互補(bǔ)。,若雙重感染的細(xì)菌不產(chǎn)生子代噬菌體，那么這兩種突變型一定有一個(gè)相同功能受到損傷。,互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)： rⅡ 突變型可分

15、成rⅡ A和rⅡ B兩個(gè)互補(bǔ)群。所有rⅡ A突變型的突變位點(diǎn)都在rⅡ 區(qū)的一頭，是一個(gè)獨(dú)立的功能單位,所有rⅡB突變型的突變位點(diǎn)都在rⅡ 區(qū)的另一頭，也是一個(gè)獨(dú)立的功能單位.,凡是屬于rⅡ A的突變之間不能互補(bǔ),同理凡是屬于rⅡ B的突變之間也不能互補(bǔ),只有rⅡ A和rⅡ B的突變之間可以互補(bǔ),即雙重感染大腸桿菌K(λ)株后可產(chǎn)生子代。說(shuō)明: rⅡ A和rⅡ B是兩個(gè)獨(dú)立的功能單位,分別具有不同的功能,但它們的功能又是互補(bǔ)的。,互補(bǔ)試

16、驗(yàn)的原理 表型 有無(wú)功能互補(bǔ) 結(jié)論 反式: A+ B A B+ 反式: A+ B A B+,,,,,突變型 － 屬同一順?lè)醋?野生型 ＋ 屬不同順?lè)醋?二、順?lè)醋?互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)，則證明這兩個(gè)突變型分別屬于不同基因；如不能表現(xiàn)出互補(bǔ)，則證明這兩個(gè)突變型在同一基因內(nèi)。對(duì)于不同

17、基因間的突變型在互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)中，不論是順式還是反式排列均表現(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)；但若屬于同一基因的不同位點(diǎn)的突變，則順式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)互補(bǔ)，反式結(jié)構(gòu)則不能互補(bǔ)。說(shuō)明基因是一個(gè)獨(dú)立的功能單位。,順?lè)醋樱翰煌蛔冎g沒(méi)有互補(bǔ)的功能區(qū)，一個(gè)順?lè)醋泳褪且粋€(gè)基因，就是一個(gè)基因座位，包含多個(gè)基因位點(diǎn)，是遺傳上的一個(gè)作用（功能）單位，但不是一個(gè)突變單位或重組單位。 順?lè)丛囼?yàn)：指將兩個(gè)擬突變分別處于順式和反式，根據(jù)其表型確定兩個(gè)突變是否是同一基因的試驗(yàn)。,判斷兩突變是

18、否處于同一順?lè)醋拥姆椒? 順式 反式 分析結(jié)論：兩突變 + +/- - + -/- + 表現(xiàn)型 野生型 野生型 屬于兩個(gè)順?lè)醋?表現(xiàn)型 野生型 突變型 屬于同一順?lè)醋?遺傳上的突變單位和重組單位是突變子（muton)和重組子(roecon)，突變子是基因內(nèi)改變后可以產(chǎn)生突變表型的最小單位。它只相當(dāng)與一個(gè)核苷

19、酸對(duì)，不能將其定義為一個(gè)基因。重組子是基因內(nèi)不能有重組分開的遺傳單位，也不能將其定義為一個(gè)基因。所以：基因可分，可分為很多突變子和重組子。,三、 基因內(nèi)互補(bǔ)1、 基因內(nèi)互補(bǔ)的機(jī)理,2、 基因內(nèi)互補(bǔ)與基因間互補(bǔ)的區(qū)別,第四節(jié) 缺失作圖,點(diǎn)突變和缺失突變的區(qū)別： 1、點(diǎn)突變是單個(gè)位點(diǎn)的突變，缺失突變是多個(gè)位點(diǎn)的突變； 2、點(diǎn)突變可回復(fù)，而缺失突變不可； 3、點(diǎn)突變之間可發(fā)生重組，缺失突變同另一個(gè)基因組在這個(gè)缺失區(qū)的點(diǎn)突變 間

20、不可重組，即無(wú)法通過(guò)重組而恢復(fù)野生型核苷酸順序。,缺失作圖：Benzer根據(jù)這一原理很方便地把數(shù)千個(gè)獨(dú)立的rⅡ突變定位在rⅡ遺傳圖上更小的區(qū)段內(nèi)，此方法稱缺失作圖。凡是能和某一缺失突變進(jìn)行重組的，他的位置一定不在缺失范圍內(nèi)，凡是不能重組的，它的位置一定在缺失范圍內(nèi)。 缺失 1 缺失 2 a b c 細(xì)

21、線表示缺失區(qū)，二者分別與各種突變體雜交，缺失2只有與a區(qū)中突變體雜交才能產(chǎn)生野生型重組體，缺失1只有與 c區(qū)突變體雜交才能產(chǎn)生野生型重組體，但2個(gè)缺失與b區(qū)的突變體雜交均不能產(chǎn)生野生型重組體。,,,,,,,,,,,,,,,,二、缺失作圖方法（P107）,第五節(jié) 斷裂基因與重疊基因,一、外顯子與內(nèi)含子1977年法國(guó)的Chambon等和Berget等首次報(bào)道基因內(nèi)部有間隔順序（spacer sequence)，并由此提出斷裂基因（spl

22、it gene）的概念。在成熟mRNA上反映出的DNA區(qū)段，即DNA序列中被轉(zhuǎn)錄成為mRNA的片段稱為外顯子（exon或extron)在成熟mRNA上未反映出的DNA區(qū)段稱為內(nèi)含子(intron),二、斷裂基因的意義1、有利于儲(chǔ)存較多的信息，增加信息量；2、有利于變異和進(jìn)化；3、增加重組機(jī)率；4、可能是基因調(diào)控裝置,三、重疊基因1978年英國(guó)劍橋大學(xué)分子生物學(xué)Sarger分析了 X174DNA全序列后，發(fā)現(xiàn)它的核苷酸實(shí)際

23、數(shù)比理論數(shù)少614個(gè)氨基酸。 同實(shí)驗(yàn)室的Barrell等發(fā)現(xiàn)其基因組中有些密碼是重疊的，從而形成重疊基因。重疊基因的幾種重疊方式：1、大基因內(nèi)包含小基因2、前后兩個(gè)基因首尾重疊3、三個(gè)基因之間三重重疊,,,4、反向重疊5、重疊操縱子普遍認(rèn)為：重疊基因不僅是能經(jīng)濟(jì)和有效的利用DNA遺傳信息量，節(jié)約堿基，而且更重要的是便于對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用。如色氨酸操縱子中trpD基因的翻譯依賴與上游基因trpE的翻譯，原因是trpE的

24、終止密碼子與trpD的起始密碼子重疊。,第六節(jié) 基因的功能,一、Garrod的先天性代謝缺陷 二十世紀(jì)初，英國(guó)醫(yī)生Garrod首先發(fā)現(xiàn)人類中幾種先天性代謝缺陷疾病，如苯丙酮尿癥（PKU），它有常染色體隱性基因決定。這是因?yàn)檫@種隱性基因不能產(chǎn)生苯丙氨酸羥化酶，因而不能把提內(nèi)多余的苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為酪氨酸，因此血液中的苯丙氨酸積累起來(lái)，只能通過(guò)苯丙氨酸轉(zhuǎn)移酶的作用，從另一代謝途徑轉(zhuǎn)變成有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸從尿液中排除，可通過(guò)尿檢而確診

25、，所以稱為苯丙酮尿癥。,苯丙酮酸 酪氨酸 3，4二羥苯丙氨酸 苯丙酮酸 對(duì)羥苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸

26、 aa(黑尿癥） 已酰醋酸 CO2+H2O,,,,,,,,,,,,苯丙酮尿癥,,pp,,cc,白化病,Garrod認(rèn)為這些代謝缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一個(gè)提出基因和酶之間關(guān)系，認(rèn)為基因是通過(guò)控制酶和其他蛋白質(zhì)合成來(lái)控制細(xì)胞代謝的。二、一個(gè)基因一種酶假說(shuō) Beadle和Tatum于1941年提出，并因此

27、于1958年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。,（一）生物合成過(guò)程 基因： a b c d ↓ ↓ ↓ ↓ 酶： A B C D 代謝物：1 → 2 → 3 → 4 → 5 前體物 色素原a 色素原b 紅色 紫色,檢測(cè)的物質(zhì) A

28、 B C D E G突 1 — — — + — + 2 — + — + — +變 3 — — — — — + 4 — + + + — +體 5 + + + + — +,,,突 變 型: 5 4

29、 2 1 3 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓代謝過(guò)程: E → A → C → B → D → G,（二）突變型與合成缺陷,（三）一個(gè)基因一種酶的實(shí)驗(yàn)依據(jù),精氨酸缺陷型 補(bǔ)充培養(yǎng)基: 鳥aa 瓜aa 精aa 菌株I

30、― ― ＋精氨酸突變型 菌株II － ＋ ＋ 菌株III ＋ ＋ ＋,,分析得出: 基因 arg1 arg2 arg3 ↓ ↓ ↓ 酶1 酶2 酶3

31、 ↓ ↓ ↓ 前體物 ? 鳥aa ? 瓜aa ? 精aa,（四）一個(gè)基因一種酶的局限性 (1) 并非所有的基因都為蛋白質(zhì)編碼； (2) 有的酶由多個(gè)基因編碼； (3) 有的一個(gè)基因控制多個(gè)酶； (4) 有的RNA具有催化活性；,三、一個(gè)結(jié)構(gòu)基因一條多肽鏈的證據(jù)直接證據(jù) 人的鐮刀形細(xì)胞貧血癥正常人紅細(xì)胞中含血紅蛋白（HbA）：圓盤狀，紅

32、色，運(yùn)載氧氣；鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者紅細(xì)胞含血紅蛋白（HbS）：鐮刀形，溶血型貧血，不能運(yùn)載氧氣。,,正常人基因型為：HbA HbA 血紅蛋白為HbA異常人基因型為：HbS HbS 血紅蛋白為HbS雜合體基因型為：HbA HbS血紅蛋白兼有HbA和HbS兩種。但由于HbA可攜帶氧氣，因而不表現(xiàn)臨床癥狀。,研究表明： HbA有4條多肽鏈組成α2β2，其中 兩條相同的α鏈，每條具141個(gè)氨基酸；兩條相同的β鏈，每條具146個(gè)氨基酸