04-基因的精细结构.pdf

Chapter 4 基因精细结构的 遗传分析 一 遗传因子孟德尔的遗传因子是基因的最初概念 认为生物性状的遗传是遗传因子所控制的 性状本身是不 能遗传的 控制性状的遗传因子才是遗传的 Sect 1 基因的概念 一 基因的概念的发展 二 基因1909年丹麦遗传学家Johannsen提出了 gene 这一名词 用以代替孟德尔的遗传因子 基因是决定遗传 性状的基本的遗传单位 人们只能从基因所起的作用或它 所产生的遗传效果来认识基因的存在和功能及其遗传传递 规律 三 染色体是基因的载体1903年 Sutton和Boveri提 出了染色体遗传学说 认为基因由染色体携带着的 即 染色体是基因的载体学说 并推测到每一条染色体上具 有许多个基因 这个学说被美国遗传学家Morgen等人于 1910年前后证明 1926年 Morgen出版了 The theory of the gene 使人们对基因有了一个比较全面的理性认 识 归纳出基因具有的特性 1 基因是一种能自我复制的稳定的遗传结构单 位 认为基因是遗传的最小的基本单位 交换和 重组只能发生在基因之间 而不能在它们之中 即认为基因是不可分的 基因的特性 2 基因的是一种能产生特定的表型效应的功能 单位 即基因具有控制生物性状的形成的功能 3 基因是一种突变单位 基因在遗传的同时又 表现出变异 基因可以从一个等位形式变为另一 等位形式 但在基因内部没有可以改变的更小单 位 4 染色体是基因的载体 基因以线性方式排列 在染色体上 同源染色体上的等位基因可以彼此 分离 同一对同源染色体上的非等位基因连锁互 换 而不同的同源染色体的非等位基因自由组合 从而表现出基因遗传的三大规律 早期对于染色体的生物化学分析表 明 染色体的主要化学成份是脱氧核糖核 酸 DNA Deoxyribonucleic acid 和蛋 白质 由此导致遗传学界广泛而持之地争 论 DNA还是蛋白质为遗传物质 直到 1944年这场争论才告一段落 但并没有结 束 二 DNA or RNA 是遗传物质 1 DNA通常只在细胞核中的染色体上找到 线 粒体和叶绿体等有它们自己的DNA 半自主细胞 器 2 一种生物 不论年龄大小 不论身体的那一 种组织 在一定的条件下 每个细胞核的DNA含量 基本上是相同的 而精子的DNA含量正好是体细胞 的一半 蛋白质其他化学成分不符合这种情况 3 一种生物的各种细胞中 DNA在量上恒定 在质上也是恒定的 4 各类生物中 能改变DNA结构的化学物质可 引起突变 一 间接证据 1 T2phage 感染实验 Hershey 1952 证明DAN是遗传物质 二 直接证据 主要是来自微生物遗传学实验的证据 2 TMV 烟草花叶病毒 的重建试验 1956年 Fraenket Conrat用TMV做了一 个实验 证明在只有RNA而不具有DNA 的 病毒中 RNA是遗传物质 3 肺炎球菌的转化 1928年 英国 医生Griffith 发现肺炎球菌的转化现象 1944年 O T Avery 和他的小组经过十年工作 证明细菌毒性转化是由DNA引起的 即证明遗传物质 是DNA 1964年 Fox Allen在肺炎双球菌中 1964年Bodmer Ganesen在枯草杆菌中 用同位素标记供体DNA进行转化实验 进一步证 实了Avery的工作 知道了遗传物质是DNA后 化学家 物理学家纷 纷加入到生物大分子DNA的化学结构及其遗传功能的 深入研究 认识到DNA和RNA是一种由嘌呤 嘧啶 脱氧核 糖或核糖和磷酸组成的核苷酸为单位形成的一种多聚 核苷酸 1953年 J D Watson 互补测验 以反式是否互补确定突 变型的功能的关系 基因是一个作用单位 顺反子 一个 顺反子内存在有很多突变位点 一个顺反 子内可以发生交换 出现重组 即基因是 可分的 通过重组测验和互补测验可以确定突变型之 间的关系 四 缺失作图 一 缺失作图的原理 Benzer在研究r 突变型时发现其中一些突变型 可以回复突变 可以与另一些突变发生重组 这些突变是由于核苷酸对发生了改变产生的 称为点突变 而有一些突变不可以回复突变 不能与点突变发生重组 这些突变是由于缺失 了相邻的许多核苷酸对 发生了染色体畸变 小缺失而不致死 称为缺失突变 点突变与缺失突变的区别 1 突变是单个位点的突变 缺失突变是多个位点 的突变 2 点突变可以发生回复突变 而缺失突变则是不 可逆的 3 点突变与其它点突变之间可以发生重组 而缺 失突变同另一个基因组内缺失区的点突变之间不 可能重组 因为相应的片段已缺失 在这个杂交 中没有一个基因组在这个点突变的位置上有正确 的核苷酸对 所以无法通过重组而恢复野生型核 苷酸顺序 Benzer根据这一特点进行缺失作图 缺失作图必须具有一组重叠缺失突变系作 工具 把所要测定的突变型和这一系列缺失突 变型分别进行重组测验 凡是能和某一缺失突变型进行重组的 它的 位置一定不在缺失范围内 凡是不能重组的 它的位置一定在缺失范围内 Benzer所选择的一组缺失突变将r 区划分成 47个片段 只需做十几个杂交 而且只要记 下E coliK 平板上是否出现重组体 就 能将一个新的r 突变位点定位在r 区47个 片段中 二 缺失作图方法 在0 5ml E coliB培养液中加入1d缺失 型phage和1d 待测的r 突变phage 几 分钟后 取1d液加在灭菌的纸条上 铺 在长有E coliK 平板上 经培养后如果 在纸条覆盖的区域内形成清晰的噬菌斑 则说明它们之间能发生重组 产生了 野生型phage 而阴性结果则说明子代中 重组体低于10 3 空白对照里出现的几 个phage是点突变的回复突变所产生的 一 人类的先天性代谢病的发现 经典遗传学认为 基因是一个独立的控制生 物体的性状的功能单位 那么基因是怎么控制性 状的呢 其机制是什么 1902年 英国的一个内科医生 A Garrod 发表一篇题为 尿黑酸尿症的发病率 关于化学个 体性的研究 论文 首先发现人类中一种先天代谢 病 黑尿病与人类的遗传相关 第一次把孟德 尔的遗传原理用于人类疾病的遗传研究 Sect 3 基因的功能 1908年 A Garrod 在皇家伦敦医学院 发表了题为 先天性代谢缺陷 的著名的报 告 公布了他对四种人类罕见的疾病 尿黑酸尿症 糖尿症 胱氨酸尿症和白化 病的研究结果 Garrod工作预言了一个基 因一种种酶的概念 1941年G Beadle E Tatum提出一个基因一种 酶的假说 对基因是怎样控制性状的实质做了明 确的解释 他们的这项工作获得了1958年度诺贝 尔奖 实验材料 红色链孢霉 脉孢菌 为材料 首先 对子囊孢子进行辐射诱变 接着检查 处理过的子囊孢子在基本培养基上的生长能力 野生型的子囊孢子能够生长 另有一些子囊孢子 不能生长 但如果把这些不能生长的转移到补加 有某种特定的营养成分的培养基里就可以生长了 说明它们并没有死亡 把这种突变型称之为营 养缺陷型 又叫生化突变型 二 一个基因一种酶假说 Beadle 和Tatum认真地研究了精氨酸营养缺 陷型 发现有一系列的精氨酸依赖型 并对每一 突变型进行染色体作图定位 以为它们占据染色 体3个不同的座位 分别叫arg 1 arg 2 和 arg 3基 因 通过选择培养基发现这三个精氨酸突变型与精 氨酸在生物体内的生化合成相关 鸟aa瓜aa精aa 菌株 生长生长生长 菌株 生长生长 菌株 生长 即植株 自前体到鸟aa的反应受阻 植株 自鸟aa到瓜aa的反应受阻 植株 自瓜aa到精aa的反应受阻 arg1 arg2 arg3 前体 鸟aa 瓜aa 精aa 酶X 酶Y 酶z 前体 鸟aa 瓜aa 精aa arg1 arg2 arg3 酶X 酶y 酶z 前体 鸟aa 瓜aa 精aa 生化研究认为 概括起来 假说 综合遗传学研究与生化的成 果 认为 基因是通过决定酶来控 制生化反应 从而控制代谢的 即 一个基因一个酶 学说 Beadle Tatum 的假说 基因以某种方式决定着酶的功 能来控制生化反应 从控制生物性 状的遗传 这一假说以后被进一步 修改和完善 1961年 法国巴斯德研究所工作的F Jacob和 J Monod发表了题为 蛋白质合成的遗传调节机制 的论文 推动了遗传学对于基因的进一步的认识 大肠杆菌的乳糖代谢需要三种酶参加 半乳 糖苷酶 分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖 乳糖透性 酶 能使细菌从培养基中摄取乳糖和半乳糖的能力 增强 转乙酰酶 催化一个乙酰基从乙酰辅酶A coA 转移到半乳糖上 三 基因功能的分化三 基因功能的分化 在实验条件下 如果把大量的乳糖加入有E coli 培 养基内 细菌细胞内这三种酶的量和活性急剧增加 几分钟内达千倍以上 而且这三种酶的合成比例同步 增加 当培养基半乳糖用完后 这三种酶的合成同时 停止 根据这种实验结果 提出了一个 乳糖操纵 子 模型 由此认识到基因在功能上的分化 并把 基因分为 结构基因 structural genes 操纵基因 operator 启动子 promoter 调节基因 regulatory genes 根据DNA转录成的RNA的不同又有rRNA基 因 tRNA基因和mRNA基因 我们以往所介绍的基因 在染色体上都有 固定的座位 但在1932年美国玉米遗传学家 B McClintock研究玉米籽粒色斑的不稳定遗传 现象时 发现了基因转座现象 一 转座遗传因子 细胞中能改变自身位 置的一段DNA序列 叫做transposable element 转座因子改变位置 例如从染色体上的一 个位置转移到另一个位置 或者从质粒转移到 染色体上 的行为称为转座 Sect 4 转座基因Sect 4 转座基因 二 原核生物的转座因子 根据分子结构和遗传性 质分为 插入序列 insented sequence IS 转座子 transposon Tn 转座噬菌体 mutator phage 插入序列是最先发现的最小的一种转座因子 全长 为800 1400左右的核苷酸序列 两端有十到几十个 bp 的反向重复序列 IS本身没有任何表型效应 只 携带和它转座作用有关的基因 称为转座酶基因 它们是一类较小的转座因子 可以从染色体的一 个位置转移到另一个位置 或从质粒转移到染色体 上 它们改变座置的行为称为转座 F因子和E coli杆菌的染色体上有一些相同的插入 序列 即IS2 IS3等等 通过这些同源序列的之间的 重组 F因子便插入染色体中成为Hfr菌株 转座子是一类较大的转座因子 除含有与它的转 座作用有关基因外 还带有抗菌基因 及其他基 因 因此转座子赋予宿主菌一定表型 Mu即突变者的意思 可以插入宿主染色体任 何一个位置上 其两端没有粘性端 插入某基 因中就引起该基因突变 三 真核生物中的转座子 酵母菌的转座子 果蝇的转座子 玉米的转座子 四 转座机制与遗传学效应 人们对于转座机制进行了广泛的研究 在各 种实验结果的基础上提出了一些转座模型 研究发现 1 转座后原来位置上的转座子保持不变 2 新的位置上的转座子的两侧出现正向 重复序列 3 转座过程中出现共联体 4 转座同时伴随着遗传重组 五 转座的遗传学效应 1 引起插入突变 2 插入位置上出