基因的概念及结构.ppt

基因的概念和结构 l复等位基因（multiple alleles） l顺反子（cistron） l超基因（super gene） l假基因 (pseudo gene) l断裂基因和重叠基因 l可动基因( mobile gene) l染色体外基因 第一节 基因的概念与发展 一、发展历程 1.1865年 Mendel遗传因子 最初由孟德尔的杂交试验提出“遗传因子”,此时为 一逻辑推理产物，是一种与生物状状相应的符号 ，无实质内容。 2.1909年 丹麦Johanssen基因 3.1910年40年代 Morgan等认为基因是三合一体，即基因既是一个功 能单位，也是一个突变单位和一个交换单位。 摩尔根通过对果绳的研究，阐明了连锁交换规律和 伴性遗传，并进一步推理出基因在染色体上呈直 线排列，基因是一种化学实体并决定性状。基因 是突变和重组的最小单位 4.1944年Avery首次证实基因是由DNA构成，及 1953年DNA双螺旋模型的提出，人们认为基 因是具有一定遗传效应的DNA片段 5.1944年Beadle研究脉胞菌突变提出一基 因一酶学说,后来研究血红蛋白时发现蛋白质 可由不同肽链组成，而突变只影响一条肽链 提出了一基因一多肽学说 6.1955年，Benzer通过顺反互补实验发现一个基 因内部的许多位点上可以发生突变，并且可能在 这些位点间发生交换，说明一个基因并不是一个 突变单位和一个交换单位 7.60年代，Jacod和Monod研究细菌基因调控时发 现基因是可分的，功能上是有差别的 结构基因决定合成某种蛋白质 调节基因编码阻遏或激活结构基因转录 的蛋白质基因,无翻译产物的基因 8.新的发现断裂基因，重叠基因，跳跃 基因 1.基因是实体，它的物质基础是DNA（或RNA）； 2.基因是具有一定遗传效应的DNA分子中的特定核 苷酸序列； 3.基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据 4.基因是可分的 基因的分子生物学定义 l基因是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必 需的全部核苷序列。 l包含：编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，转 录所必须的调控元件，编码区上游的非编码序 列，内含子，编码区下游的非编码序列。 基因结构 基因的不同类型 l结构基因: 为蛋白质或RNA编码的基因，其产物为 酶促反应的有关的功细胞组分，它不影响其它基 因的表达 l调节基因：不编码RNA或蛋白质的基因，其主要 作用是调节其它基因的表达 l功能性基因：基因家族中，仍然为蛋白质或 RNA编码的家族成员称 l假基因（Pseudo gene）：基因家族中已不 为蛋白质或RNA编码的家族成员 第二节 复等位基因（multiple alleles） l复等位基因: 一个群体中，一对同源染色体的同一 基因座上存在着2个以上的等位基因，这就是复等 位基因（multiple gene) l复等位基因是生物遗传多态性在遗传上的直接原因 复等位基因间的互作效应 l互补基因：某性状只有在二个以上的非等位基 因共存时才会表现出来，这种由于互相补充而 使一个性状得以表现的非等位基因，称为互补 基因 l抑制基因：某一突变基因的表型效应由于第二 个突变基因的出现而恢复正常时，称后一突变 基因为前者的抑制基因 相关概念 l上位效应：一对显性基因的表现受到另一对非 等位基因的作用，这种非等位基因间的抑制或 遮掩作用叫上位效应。起抑制作用的基因称为 上位基因，被抑制的基因称为下位基因 一个2倍体细胞最多只能有复等位基因的2个拷贝 2个等位基因，可以组成3种基因型 3个等位基因，可以组成6种基因型 4个等位基因，可以组成10种基因型 n个等位基因，可以组成 n + n(n-1)/2种基因型 其中纯合体为n 个,杂合体为n(n-1)/2个 第三节 顺反子（cistron） l早期的基因概念：基因是一个功能单位，重组 单位，突变单位(三位一体)。 l发展的基因概念：基因是一个功能单位，基因 内部可突变和重组。一个基因就是一个顺反子 。 l基因的顺式和反式排列 顺反子概念的提出 l1955年，S.Benzer通过对T4噬菌体精细结 构的研究提出了顺反子(Cistron)，突变子（ muton）和重组子（recon）的概念 l顺反子：编码一种多肽链的核苷酸序列,是 一个功能单位 l突变子和重组子均为一核苷酸对 l顺反子学说否定了一个基因一个酶的假说 l单顺反子是真核基因的转录形式。一个启动 子后仅具有一个编码序列。 l多顺反子出现于原核生物，即若干个基因由 一个启动子控制，转录在一条mRNA上 Fig 15.10 The arrangement of genetic markers in cis and trans heterozygotes. 2003 John Wiley and Sons Publishers 两个相邻的等 位基因，基因 型均为m1+m2+ ，但是在染色 体上的排列方 式不一样，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：白色眼顺式排列表现为红色 反式排列表现为杏色 如何判断突变是在一个顺反子内 还是2个不同的非等位基因 l a1a1 x a2a2 突变型 突变型 a1a2 突变型 突变型 野生型 l如果F1代是突变型，说明a1，a2位于同一顺反子的不同位点，如果 F1代是野生型，说明 a1，a2 是两个非等位基因。 l顺反子: 是一个遗传单位,一个顺反子决定一个 多肽链 l突变子: 是DNA中构成基因的一个或若干个核 苷酸 l重组子: 重组子代表一个空间单位，它有起点 和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以 是单个核苷酸的互换 顺反子进一步发展了基因的概念 第四节 操纵子（Operon） l由操纵基因操纵的几个结构基因连锁在一起，由一个 启动子转录成为一个mRNA分子，然后翻译成为几种 蛋白质，这样的结构称为一个操纵子 l乳糖操纵子：包括3个结构基因-半乳糖苷酶、乳糖 透性酶、乙酰化酶 * 26 1.操纵子的提出 l大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉 伯糖等作为碳源而生长繁殖 l当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用 葡萄糖 l当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适 应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长 * 27 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖 进入细菌的半乳糖透过酶(lactose permease) 和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( - galactosidase) * 28 在环境中没有乳糖时，大肠杆菌合成-半乳糖 苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量 合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上 二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测 出细菌中-半乳糖苷酶活性显著增高 这种诱导现象，法国的Jocob和Monod等人通过 研究，于1961年提出乳糖操纵子（lac operon ）学说 编码阻碍基因的I位点 启动子区域P位点 操纵基因O位点 三个结构基因：ZYA 当乳糖缺乏是，I基因表达阻遏物，阻碍物 与操纵基因结合，启动子的活性收到阻碍 ，ZYA基因转录起始受到抑制 在乳糖存在是，乳糖与阻遏物结合，改变 阻遏物构象使之不能与操纵基因结合因此 起始ZYA基因的合成 Repressor 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. 第五节 超基因 l超基因（super gene)：是指作用于一种性 状或作用于一系列相关性状的几个紧密连锁 的基因 l基因家族：真核生物中由同一祖先基因在进 化过程中经突变，重复和倒位等演变而成的 具有相同或相似作用的所有基因，称基因家 族 血红蛋白超基因 l超基因家族或成员可位于同一染色体上或不同染色体上 l如脊椎动物的血红蛋白基因，为四聚体，由两条a链和两 条链组成，在不同发育阶段血红蛋白的组成不同 l 发育阶段 血红蛋白的组成 l胚胎期（8周） 22 22 22 l胎儿期（3-9月） 22 l成人期（出生后） 22 22 类基因包括：、1、2、 类基因包括：、Gr、Ar、 类和类基因在染色体上，紧密连锁，呈直线排 列，形成一个超基因 Gr Ar l基因簇：指基因家族的成员以串联重复方式排 列在一起或不同家族的成员构成一重复单位， 以串联重复方式排列在一起。 l原核；5 S RNA， 16SRNA，23SRNA l真核：5.8 S RNA，18 S RNA，28 S RNA ltRNA簇 l假基因（pseudo gene）：在基因家族中与功 能基因相似的序列，但有许多突变以致于失去 了原有的功能，假基因是没有功能的基因。 l在爪蟾5S基因、珠蛋白基因簇、免疫球蛋白 基因簇及组织相容性抗原基因簇中都发现有假 基因。 第六节 真核生物的断裂基因 l断裂基因的发现 l1977年Flavell 和Jeffreys兔球蛋白基因cDNA与DNA 杂交实验 l同年Chambon 鸡卵清蛋白的杂交实验 l真核生物的基因是断裂的 基因的不连续性 l 在1977年以前，都认为基因是一种为蛋白质编码的连续的 核苷酸序列，因为当时对基因的研究都是从原核生物开始 的，而在原核基因中很少有基因是间断的 l后来在对真核生物基因进行研究时经常发现，真核基因比 其相应的mRNA长得多，开始以为基因的一端或两端存在 一些不转录的序列 l但从核RNA（hnRNA）和mRNA的大小进行比较发现，核 RNA比相应的mRNA长，而与真核基因的大小相似，因此 有一部分序列在初始转录中存在，而在mRNA从核转运到 胞质之前被除去了 l真核基因中存在着一些可能被转录但不为蛋白质或多肽编 码的序列真核基因是间断的。随着对真核基因的深入研 究，现已发现，绝大多数真核基因都是间断的，包括外显 子(exon)和内含子(intron)两个大的部分 基因的可变剪切 l黑腹果蝇tra基因 l果蝇的dsx基因 l肌钙蛋白T基因 l基因的可变剪切现象在真核生物中普遍存在 l同一DNA序列可编码多种蛋白质 l利用不同的启动子：有时基因不止一个启动子 ，或启动子中的不同成分可独立起始转录，只 是效率不同，因此可转录产生不同的mRNA l利用不同的终止子：与启动子的情况类似 l改变拼接方式：将不同的外显子拼接在一起， 可产生不同mRNA（抗原、抗体 可变剪接的意义 promoter exon 1 exon2 exon3 exon 4 exon5 terminator A: 利用不同的启动子（例：鸡的强心肌和砂囊肌） B:利用不同的终止子（鼠降钙素基因） C: 改变拼接方式（例鼠鸡钙蛋白T） 1 2 3 4 5 1 2 3 5 第七节 重叠基因（overlapping gene) l1973年 Weiner 研究RNA病毒时的发现 l1977年 Sanger 研究X 174 Phage时发现 5387bp的基因组，编码的蛋白质比预期要多 l重叠基因概念：基因转录起始点不同，但是共 用同一段DNA序列或几个核苷酸的不同基因 l除了RNA病毒和噬菌体，SV40病毒中也有重 叠基因 原核生物重叠基因的类型 l一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个基因 的核酸序列当中，只是由于读码框不同而编码 不同蛋白质 l两个基因核酸序列末端密码子相互重叠，例如 终止密码TGA与起始密码ATG重叠 l某些核苷酸区段重叠 真核生物也有重叠基因 l果蝇、人、秀丽新小杆线虫中都有发现 l一个基因的编码序列完全寓居于另一个基因 的内含子当中 l套嵌基因：一个基因的互补链编码另外一个 基因 第八节 可动基因( mobile gene) 可动基因的概念：在染色体体上的位置是可 以移动的基因被称为可移动基因，也可以称为 转座元件或转座因子（Transposable element)。 l易位：染色体发生断裂，然后通过断裂末端的 重接，使染色体断片连接在同一条染色体的新 位置，或是连接转移到另一条染色体上。此时 ，染色体断片上的基因也随着染色体的重接而 移动到新的位置 l转座：在转座酶的作用下，转座子直接从原来 位置切离下来，插入染色体的新位置；或者从 自身的DNA序列转录出RNA，RNA逆转录产 生cDNA再插入染色体上新的位置 转座同易位的概念区别 McClintock的贡献 原始发现：1951年，McClintock B，在基因组中 发现可以移动的基因，1984年获诺贝尔奖 玉米粒颜色的遗传。 正常：有色 有色 异常：有色 色斑 有色 无色 1932年，美国遗传学 家B. McClintock 发现 玉米籽粒色斑不稳定遗 传现象。 1951年首次提出转座 子的概念，认为在基因 组的不同区域存在可移 动的控制因子， controlling element 。 1983年获诺贝尔奖。 l玉米色粒调控元件 Ac-Ds系统 第9染色体短臂，有色基因C附近 C基因， 色素合成基因。 Ac基因，自主移动的调节因子，4.5 kb 5个exon，编码转座酶 Ds基因， 非自主移动的受体因子 0.5-4.0 kb，与Ac有同源序列 插入引起色素不能合成 玉米的转座因子 可动基因( mobile gene) 玉米粒颜色的遗传（C基因决定有色）。 C Ac 有色 C Ds Ac 花斑 C Ds 无色 Ac与Ds因子的结构 lAc因子：4.563kb；有5个外显子，产物是转座 酶，两端有11个bp的反向重复序列 5 CAGGGATGAAA.TTTCATCCCTG 3 3 GT CCCTACTTT.AAAGTAGGGAC 5 lDs因子（解离因子）：与Ac序列具有很大的相 似性，但是中间缺失序列。有0.5-4.0kb，两端有 11个bp的反向重复序列，在插入位点上有6-8bp 的正向重复序列 Ac与Ds因子的转座机制 lAc与Ds因子的转座属于非复制机制，即不是 先进行拷贝后将拷贝转移，而是直接从原位置 消失 转座作用的机制 l转座时发生的插入作用有一个普遍的特征， 那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp） 、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的 转座子位于两个重复的靶序列之间 l转座酶交错切开靶位点，插入序列插入与宿 主的单链末端相连接，余下缺口由DNA聚合 酶和连接酶填补，插入的两端形成正向重复 转座引起的遗传效应 l插入突变 l插入失活 l插入带来新的基因 l非精确解离形成突变(缺失，重复，到位) l插入激活 第九节 染色体外基因 l染色体外基因（extra chromosomal gene) ：在真核和原核生物细胞中有一些位于染 色体外的基因叫染色体外基因 一、质 粒（plasmid) l细菌中除了染色体外，还有大量的小环状分子 ，就是质粒（plasmid) l质粒上有抗生素基因 二、线粒体基因组 l线粒体是真核细胞中的细胞器。每个细胞中含 有几十至数千个线粒体。每个线粒体有多个线 粒体基因组拷贝 l线粒体是非孟德尔式遗传，在高等生物中具有 母性遗传的特征 线粒体基因组变化很大，可相差两个数量级 ，动物细胞的线粒体基因组较小，在人类、老鼠 、牛等细胞中约为16.5kb。酵母线粒体基因组较 大，但在不同菌株亦有变化，酿酒酵母约为84kb ，每一细胞约有22个线粒体每一线粒体约有4个 拷贝DNA，但在生长的细胞中有很大变化 第七节 基因的相互作用 l互补基因（conplementary genes） l修饰基因（modifiers） l上位效应（epistasis） 基因的相互作用 l互补基因（complementary genes）：不同对基因相 互作用，出现了新的性状。这两个基因称为互补基因 。 l鸡冠的遗传： 玫瑰冠 X 豌豆冠 RRpp rrPP 胡桃冠 RrPp 胡桃冠 玫瑰冠 豌豆冠 单冠 R-P- R-pp rrP- rrpp 9 : 3 : 3 : 1 Fig 4.13 Com