分子遗传学第二章基因的性质

分子遗传学第二章基因的性质第一页，共六十页，编辑于2023年，星期五第一节基因的作用一、人的先天代谢缺陷“inbornerrorsinmetabolism”1．黑尿症：正常人具有尿黑酸氧化酶，使尿黑酸转化为乙酰醋酸，最后分解为CO2和水。黑尿症患者无尿黑酸氧化酶。尿液中含有尿黑酸，排出经氧化后变黑。黑尿病基因为a，患者基因型aa，正常人为AA或Aa。第二页，共六十页，编辑于2023年，星期五2．苯丙酮尿症：PP个体不能形成苯丙氨酸羟化酶，使苯丙氨酸不能转化为酪氨酸。大量苯丙氨酸积累进一步引起下列反应：（1） 苯丙氨酸自发转化为一种有毒物质苯丙酮酸，随尿排出（2） 过量苯丙氨酸积累，损害中枢神经系统，影响智力发育（3） 血液中苯丙氨酸积累抑制了酪氨酸的代谢。后者是黑色素的前体，造成白化病，无正常的酪氨酸酶。

酪氨酸酶的基因为C。正常人为CC或Cc，白化病人为cc。第三页，共六十页，编辑于2023年，星期五结论：先天性代谢缺陷是由于一种酶的缺失造成，有一隐性基因控制。基因的作用是决定某种酶，从而控制代谢途径，控制某一性状。基因是如何控制代谢途径或生化反应的呢？第四页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、“一个基因一种酶”学说四十年代，Beadle和Tatum

对链孢霉的研究进一步阐明了基因的作用。基因是如何控制代谢途径或生化反应的呢第五页，共六十页，编辑于2023年，星期五1．假定：某一生物合成途径如下：起始物：12345终产物ABCD基因a决定酶A，如果基因b缺失：abcd基因bABCD

12345产物酶结果：产物2转化为3的反应不能进行。即在物质2上被阻断。如加入3或4，可以得到终产物5。如加入更多的1，也不可能合成终产物5。B第六页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.阐明上述原理的例子分析假定有一些实变体需要物质G才能生长，生物合成途径中A—E的所有成份是已知的，试验每种成份维持突变体生长的能力，结果如下：

成份 A B C D E G 1 － － － + － + 2 － + － + － + 3 － － － － － + 4 － + + + － + 5 + + + + － + “+”能生长“－”不能生长

突变体第七页，共六十页，编辑于2023年，星期五问（1）：在这一途径中，A—E和G的顺序？思考：能使大多数突变体生长的物质是最末生成的，而最早生成的物质能维持突变体生长的数目是最少的,可以得到以下顺序：

EACBDG第八页，共六十页，编辑于2023年，星期五问（2）：上述突变体是由于途径中那一步受阻造成的？

思考：E不能满足E—A之间受阻的突变体生长的要求，而其它物质都能满足E→A之间突变体生长的要求。从表中可知突变体5一定是由于E→A转化受阻造成。同样，E或A不能使突变体4生长，其它物质都能使其生长，因此4肯定是由于A→C的转化中受阻造成。最后可得：

A B C D EG 1 － － － + － + 2 － + － + － + 3 － － － － － + 4 － + + + － + 5 + + + + － +

54213GDBCAE第九页，共六十页，编辑于2023年，星期五3．Beadle和Tatum实验营养缺陷型（auxotrophs）：不能在基本培养基上生长，只能在补加了特定营养物之后才能生长的实变体。有一组需要精氨酸才能在基本培养基上生长的链孢霉突变体：它们对鸟氨酸和瓜氨酸的反应如下：arg突变体对不同附加物的生长反应

突变体 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸

arg－1 + + + arg－2 － + + arg－3 － － + 第十页，共六十页，编辑于2023年，星期五

Beadke等提出了链孢霉精氨酸合成的生化模型：

酶X酶Y酶Z

前体——→鸟氨酸——→瓜氨酸——→精氨酸

Beadle等将不同的突变体定位于相应的合成步骤上

———arg－1———arg－2———arg－3———基因↓↓↓

XYZ酶

前体——→鸟氨酸——→瓜氨酸——→精氨酸第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五该模型已成为“一个基因一种酶”的理论*要点：（1）细胞内的生化反应由一系列不同反应步骤组成；（2）每一步反应都有一种特异性酶催化；（3）每一种酶由一个基因控制。第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五一、蛋白质的结构一条肽链中的氨基酸线性顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质的三维构型决定于氨基酸的顺序即一级结构，基因是通过控制蛋白质的一级结构来决定酶的功能的。

第二节基因与蛋白质的相互关系第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

Peptidebondformationbetweentwoaminoacid,resultingfromadehydrationreaction13-16第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五Thequaternarylevelofproteinstructureasseeninhemoglobin13-19第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、蛋白质顺序分析Sanger测定多肽顺序的方法：蛋白质指纹（fingerprints）：蛋白质经水解后形成较小的片段，经层析法分离和染色后，不同大小的片段以特定的位置出现。不同的水解酶作用后产生不同的指纹。Sanger证明：某一特定蛋白质的氨基酸顺序是特异性的“Theamino-acidsequenceiswhatmakesinsulininsulin”.第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五三、基因突变与蛋白质变化的关系

1957年，VernonIngram对正常人的HbA和镰形细胞贫血症的基因突变纯合体的HbS作比较研究。正常人的血红蛋白（hemoglobin,Hb）由两条α链和两条β链组成，α链有141个aa，β链有146个aa。HbA和HbS的指纹只有一个位置上有区别，进一步对不同指纹部位作序列分析发现只有一个aa的差异：

1234567……

正常HbA：缬—组—亮—苏—脯—谷—谷——……

镰形HbA：缬—组—亮—苏—脯—缬—谷——……第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五Acomparisonoferythrocytesfromnormal(a)andfromindividualswithsickle-cellanemia(b).正常红细胞镰形红细胞第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五InvestigationofhemoglobinderivedfromHbAHbAandHbSHbS.individualsusingelectrophoresis,fingerprinting,andaminoacidanalysis.第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五结论：在β链上第6位的缬氨酸代替了正常的谷氨酸，从而造成缺陷性血红蛋白。Ingram的研究结果说明：通过遗传分析确定的基因突变可以与一个蛋白质的aa顺序的变化相连系，基因决定蛋白质的一级结构顺序。第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期五四、基因与蛋白质的线性对应

1967年，CharlesYanofsky对E.coli色氨酸合成酶的研究证明了基因的变化与蛋白质变化之间有线性对应。色氨酸合成酶由A、B两条多肽组成，trpA基因和trpB基因控制各自多肽的合成。在trpA基因图中其突变点的顺序与多肽A的氨基酸变化的位置有一种精确的对应关系。第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五H3N突变位点COO–1152249175177183211213234235243

赖苯谷酪亮苏甘甘甘丝谷丙酰

终亮缬谷甲半精异精谷缬半天亮终止酰胱亮胱在E.coli色氨酸合成酶trpA基因图中其突变点的顺序与多肽A的氨基酸变化的位置有一种精确的对应关系第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

结论：基因的线性顺序和多肽的线性顺序之间有对应关系，即：基因的核苷酸线性顺序决定蛋白质的aa线性顺序。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

五、“一个基因一种酶”学说对经典遗传学的某些解释1．对遗传比例和显性的解释：豌豆花色素的遗传，双因子杂种F2的比为9：7,P：（白）AAbb×aaBB（白）↓

F1：全部AaBb（紫色）↓

F2：A

B

A

bbaaB

aabb

紫9白3白3白1第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五

解释：在最终产生紫花色素的生物合成途径中有两个白色前体：基因A基因B↓↓

酶A酶B↓↓

前体1前体2紫花色素

A

B

A

bbaaB

aabb

紫9白3白3白1第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五

显性表示某一酶的功能正常，隐性表示该酶缺少活性。一个杂合体Aa具有产生正常功能酶的显性等位基因：

等位基因A

等位基因a↓↓

酶A

无功能的酶↓前体X产物Y（产生Y表型）杂合体Aa表现为Y表型。A对a是显性。第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五2．临界值模型只有当产物Y的浓度超过某一临界值时才能产生表型Y。纯合体AA比杂合体Aa产生更多的酶A。因此就会产生更多的产物Y。杂合体Aa的表型取决于它的Y产物量与临界的关系。A2A2A1A1B1B1B1B2A1A2B2B2表型Y表型X

临界点酶浓度产物Y浓度第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五无临界值时，杂合体Aa为中间表型，这是一种不完全显性。与产物浓度相称的表型

产物Y浓度

酶浓度C1C1C1C2C2C2第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五第三节遗传精细结构

经典遗传学关于基因的念珠理论（1）基因是结构的基本单位，它不能由交换分开。交换只发生在基因之间，而不能在内部。（2）基因是突变的基本单位，基因可以从一种等位基因变为另一等位基因，但在基因内部没有可以变更的更小单位。（3）基因是功能的基本单位，基因的一部分，如果存在的话是不能起作用的。上述“三位一体”的基因概念在四十年代以前占统治地位。Benzer在50年代初的研究表明：念珠理论是不正确的。第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五T4噬菌体的结构ThestructureofbacteriophageT4includinganicosahedralheadfilledwithDNA,atailconsistingofacollar,tubesheath,baseplate,andtailfibers.第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期五一、细菌噬菌体的生活周期LifecycleofbacteriophageT4.

第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、T4噬菌体的rII系统

r型突变体：快速溶菌突变体（rapidlysis），Benzer选择rII突变体作研究的优点是：与野生型rII+

相比具有不同的宿主范围。rII不能在E.coliK上生长提供了一种选择手段。

T4rII突变体和rII+在E.coil上的表型

T4 E.coilB E.coilK（λ）

rII 大而清晰园+ －

rII+

小而模糊+ +小而模糊 第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

E.coilB能使rII突变体生长，称为rII的许可性宿主（Permisivehost），E.coliK（λ）不能使rII突变体生长，称为rII的非许可性宿主（Nonpermisivehost）。第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五三、噬菌体的杂交和选择

用两种不同的rII突变体感染同一细菌E.coliB，一旦进入细胞，T4之间的DNA就发生重组，从而产生重组类型的噬菌体。然后感染E.coliK，野生型重组体的数目等于在K上的pfu/ml的数（PlagueformingUnit）优点：用rII系统和两个宿主，不需要筛选大量的噬菌斑就能选择到极少发生的重组体。第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五两个不同突变的噬菌体DNA重组的过程

用两个不同突变体的噬菌裂解液加到E.coliB株的肉汤培养液中，当二个突变类型的DNA感染同一细菌时可发生杂交。大多数复制的DNA是原来的类型，有时也能重组产生一种双重突变型和正常的重组体（即野生型）。杂交后代植到E.coliB上后，都能良好生长，而植于E.coliK时，只有重组野生型才能生长，双突变体重组型不能生长。第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五MixthetwophagesCoinfectE.coliBAAr103r104WildtypeDoublemutantphageTakesomeofthephagepreparation,diluteit(10-8),andinfectE.coliBTakesomeofthephagepreparation,diluteit(10-3),andinfectE.coliKPlatethecellsandobservethenumberofplaques.TotalnumberofphagesWildtypephagesproducedbyintragenicrecombination两个不同突变的噬菌体DNA重组的过程第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五四·基因内重组IntragenicRecombination

将8个独立而来的rII突变体成对感染E.coliB。形成噬菌斑后再将其裂解液接种感染E.coliK，只有野生型重组体rII

才能生长，而双重组型（rII’rII’’）不能捡出，也不能生长。因此计算重组体的方法是以野生型的数×2。公式如下：重组率=

2×rII+噬菌体数总噬菌斑数＝2×在K上生长的噬菌体数

在B上的噬菌斑数×100%第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五T4rII位点基因内重组的选择。rII不能在K上生长，当二个带有rII不同等位基因的T4感染同一B株后，其某些后代能在K上生长，即已成为rII，结果说明在一个基因内发生了重组，而不是在基因间。

E.coliBrII’rII”

植于E.coliK上选择第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五根据重组率所得基因图：

rII1rII7rII4rII5rII2rII8rII3rII6

___|_____|_____|____|_____|____|_____|_____|______它们的图距就是rII+的重组率。rII基因内重组说明，基因是可以分割重组的，它由更小的单位组成，Benzer称其为重组子recon，重组可以发生在重组子之间，但不能发生在其内部。因此，重组子(而不是基因)是重组的单位，基因是重组子完整的线性顺序，一对核苷酸是重组的最小单位。第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五第四节突变位点分析

基因内发生重组有助于构建详细的基因图，由各种等位基因突变体杂交发生基因重组的相对频率能揭示出基因内突变位点的顺序和相对位置。一、缺失突变体（deletionmutants）是由于DNA上消除了某个片段所引起的突变。在以缺失突变为背景的重组试验中，突变不可能恢复到野生型。因为和那个特定突变体相对应的野生型区段的DNA已不复存在。第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期五

二、缺失作图deletionmappingBenzer利用在rII区域中含有短的缺失的特殊突变体来定位其它新的突变位点。

1．原理：假定一个由12个突变位点组成的基因图：

123456789101112

有一特殊突变体D1，当它分别与带有突变点1、2、3、4、5、6、7或8的突变体杂交时不能获得rII+重组体，那么D1就是缺失1－8位点的突变体：

9101112缺失区第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五

有另一突变体D2，当它与5、6、7、8、9、10、11或12突变位点的突变体杂交时不能获得rII+重组体。即D2就是缺失5－12的突变体

根据重叠缺失区，可将基因分成三个区域

IIIIIID1

D2

1234缺失区第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

2．如何定位新的突变位点？

（1）当与D1杂交能获得rII+重组体，与D2杂交却不能，该突变体的突变位点位于III区；（2）当与D2杂交时能够，但与D1杂交时不能获得rII+重组体，该突变位于I区；（3）与D1和D2杂交都不能得到rII+重组体，其突变位点位于II区。第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

在III区里的一个突变体与D1杂交获得rII+的情形；I和II缺失区I和II区D1新突变体+++++

III区

＋＋＋＋＋

＋＋＊＋＋

突变位点III区第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五

（4）缺失突变体之间也可以杂交从而象点突变那样定位，如果杂交得不到rII+重组体，那缺失区就是重叠的。例如有一缺失图：123第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五

利用上述缺失图可将新的突变定位。*思考：下图表示T4rIIA顺反子中4个缺失突变体的缺失图

1

2

3

4

现有在rIIA中4个点突变体a－d，分别试验它们与4种缺失突变体杂交获得rII+的能力，结果如上表。问：4种点突变的顺序怎样排列？

a b c d1 + + + +2 + + + －3 + － + －4 － － + －

第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五思考题：有一组噬菌体缺失突变体（1—5），成对相互杂交得到下列结果（“+”表示能获得rII+重组体，“﹣”表示不能）1234512345

－+－+－+－++－

－+－－－++－－+

－－－+－根据上述结果画出5个缺失突变体的缺失图。用线条表示缺失区域。第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五12345参考答案第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五

第五节互补

Complementation

基因另一类功能的性质是互补作用第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五

一、二倍体的互补作用

（白）AAbb×aaBB（白）↓

AaBb（紫）

AaBb个体能完成紫花色素所需的两步生化反应，因为二条染色体上各自能提供一个起作用的基因：

第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期五

染色体1Ab

酶A(1)起始物

(2)中间物

(3)终产物紫花色素

染色体2aB酶B染色体1能提供酶A，染色体2能提供酶B。这两个部分缺陷的染色体能相互补偿缺陷的部位，也就是说能互补。第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、噬菌体T4的互补作用

1．当不能单独在K菌株上生长的两个rII突变体混合感染时，它们能象野生型噬菌体那样在K株上生长，这样两种突变型称为互补的突变型，因为每一种能补偿另一种功能。使两者都能生长。（T4染色体在宿主细胞中暂时二倍化）第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

2．不同的rII突变体可以分成两类：即A组和B组。A组中的所有突变体能与B组中的所有突变体互补，而A组中的某一突变体不能与该组中的另一突变体互补，同样B组中的某一突变体也不能与该组中另一突变体互补。A组中的所有突变体能定位到rII区段的一边，B组中的所有突变体能定位到rII区段的另一边上

A组B组A互补群B互补群第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五混合感染rII’突变体rII’’突变体

E.colik()互补作用无互补作用细胞裂解释放细胞不裂解无子出子代噬菌体代噬菌体释放rII互补作用图解：两个不同的突变体rII’和rII’’同时感染E.coliK