第四章基因精细结构的遗传分析.doc

遗传学教案第四章基因精细结构的遗传分析第四章 基因精细结构的遗传分析（3h）教学目的：使学生掌握基因的本质及其基因的现代概念；明确基因的可分性和基因结构的多样性。教学重点：基因的现代概念及基因的可分性。教学难点：基因结构的多样性。第一节 基因的概念一、 基因概念的发展二、 基因的类别及其相互关系三、 基因与DNA第二节 重组测验一、 拟等位基因二、 噬菌体突变型三、 Benzer的重组测验第三节 互补测验一、 互补测验原理和方法二、 顺反子三、 基因内互补第四节 缺失作图一、 缺失作图原理二、 缺失作图方法第五节 断裂基因与重叠基因一、 外显子与内含子二、 断裂基因的意义三、 重叠基因的发现与重叠方式第六节 基因的功能一、Garrod的先天性代谢缺陷二、一个基因一种酶假说三、一个结构基因一条多肽链的证据第四章 基因精细结构的遗传分析（3h）第一节 基因的概念一、基因概念的发展1、 遗传“因子”人们对基因的认识随着遗传学的发展而不断地深入，最初由Mendal提出“factor”（遗传因子）。认为生物性状本身是不能遗传的，生物性状是由遗传因子所控制，即亲代传递给子代的是控制性状的遗传因子，而不是性状本身。到1909年，丹麦学者Johannson提出“gene这一名词，代替了孟的factor，由此形成了“颗粒遗传”学说即在杂种F1（Aa）中等位基因A与a并不融合，各自保持其独立性。2、 染色体是基因的载体1910年，Morgan等通过果蝇实验证明：控制性状的基因在染色体上，基因之间可以发生突变，可以发生交换。故认为基因是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的所谓三位一体的概念。3、 DNA是遗传物质1928年Griffith首先发现了肺炎球菌的转化作用，即用高温杀死有致病力的S品系细菌，可改变无致病力的R品系成为有致病力细菌的效应。这种改变遗传性状的现象称为细菌的转化。1944年，Avery等人证实了肺炎双球菌的转化因子是DNA。认为基因是含有特定遗传信息的DNA分子片段。4、 基因是有功能的DNA片段20世纪40年代G.W.Beadle和E.L.Tatum通过对粗糙脉孢菌营养缺陷型的研究，提出了一个基因一个酶的假说，这一假说沟通了生物化学中蛋白质合成的研究与遗传学中基因功能的研究。也为遗传密码的解码和细胞内大分子之间信息传递过程的揭示奠定了基础。特别是1953年Watson和Crick最早提出了DNA双螺旋结构模型，明确了DNA在活体内的复制方式。1957年由Crick 最早提出遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则，即中心法则，接着在1961年又提出了三联遗传密码，这样将DNA分子的结构与生物学功能有机地统一起来，为揭示基因的本质奠定了分子基础。1957年，Benzer以E.coli T4phage为材料，证明了基因内含有多个突变单位突变子和多个重组单位重组子。从而打破了“三位一体”的基因概念。5、 操纵子模型1961法国分子生物学家F.Jacob和J.Monod通过不同的大肠杆菌乳糖代谢突变体来研究基因的作用，提出了操纵子模型学说（operon theory）。这一学说阐明了基因调控在乳糖利用中所起的作用。该调控模型在生物学分子史上具有划时代意义，为基因表达调控这一难题的揭示奠定了基础。因而他们在1956年获得了诺贝尔奖。6、 “跳跃基因”和“断裂基因”的发现在20世纪50年代以前人们认为每一基因组的DNA是固定的，它包括染色体数目固定、位置固定和功能固定的一系列基因，而且这些基因的位置和他们的功能无关。1961年大肠杆菌乳糖操纵子的发现就表明功能上相关的结构基因往往紧密排列在一起，数目大肠杆菌的染色体不是一个随机排列的集合体。50年代初，B.McClintock在玉米的控制因子的研究中已经指出某些遗传因子是可以转移位置的。60年代末在大肠杆菌中发现了可以转移位置的插入序列，接着在真核生物和原核生物中发现基因组中的某些成分位置的不固定性是一个普遍的现象，并将这些可转移位置的成分称为跳跃基因（jumping gene）/转座基因（transposon element）。此外传统的观点认为，一个结构基因是一段连续的DNA序列，70年代后期发现绝大多数真核生物基因都是不连续的，其中被一些不编码序列所隔开，故称为断裂基因。1978年在噬菌体中还发现了重叠基因，一个基因序列可被包含在另一个基因中，两个基因序列可能部分重叠。二、基因的类别及其相互关系按基因功能和性质，可将起分为以下几类：1、 结构基因（structural genes）与调节基因（regulatory genes）这类基因不仅可转录成mRNA，且可翻译成多肽链，由多肽链构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶。调控基因的作用是调控其他基因活性，指可调节控制结构基因的表达活性的基因。调节基因可转录成mRNA，然后由mRNA再翻译成阻遏蛋白/激活蛋白质。2、 核糖体RNA基因（ribosomal RNA genes，简称rDNA）与转移RNA基因（transfer RAN genes，tDNA）这类基因只转录产生相应的RNA，而不翻译成多肽链。rDNA是专门转录核糖体RNA的，rRNA与相应的蛋白质结合形成核糖体，为mRNA翻译形成多肽链提供场所。TDNA专门转录tRNA。这一类基因与蛋白质合成密切相关，而且都是多拷贝，因此这类基因即使少数拷贝发生变化，一般也不会带来严重后果。3、 启动子（promotor）与操纵基因（operator）启动基因是转录时RNA聚合酶结合位点。操纵基因是调节基因的产物阻遏蛋白质或激活蛋白质与DNA结合的部位，是调节蛋白的作用位点。这两种基因既不转录，也不转译，确切说，它们不能称为基因。三、基因与DNA第二节 基因的可分性一、 拟等位基因和顺反位置效应在黑腹果蝇的研究中，已知果蝇红眼是由一个显性基因控制的，位于X染色体1.5CM的位置上，果蝇的眼睛还有许多其他的颜色，如粉红色、杏色、伊红、象牙色和白色等突变型。早期研究认为控制这些眼睛颜色性状的基因都是等位的，它们之间的关系是复等位关系。这里用“+”代表野生型红色眼基因，wa代表杏色眼基因，w代表白色眼基因，那么当杏色眼（wa /wa）与白眼（w/Y）果蝇杂交时，F1为杏色眼，如果wa与w是等位基因的话，F2应该只有两种亲本表型，但是在大量F2群体中约有1/1000野生型红眼果蝇出现，这红眼的出现显然不是突变的结果，因为突变没有如此高的频率。进一步研究证明，这是由于杏色眼基因和白眼基因在染色体上所占的位置相同，即位于同一基因座，但属于不同位点，因而它们之间可以发生交换。如杏色眼wa+/wa+白眼+w/Y，F1杏色眼wa+/+w创和wa+/Y，F1雌蝇减数分裂时发生交换形成+与waw配子，而+配子与任何其他种配子结合所形成的几个体均表现为野生型红眼果蝇，因而F2群体中出现野生型个体。进一步对杏色眼wa+/+w“与野生型+/waw两种个体进行比较，它们的基因组成一样，只是排列不同，前者两个突变分别在两条染色体上，称为反式(trans)排列，后者则是两个突变同时排在一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均正常，称为顺式(cis)排列，但反式排列表现为突变型，顺式排列为野生型，这种由于排列方式不同而表型不同的现象称为顺反位置效应（cis-trans position effects），并将这种紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因称为拟等位基因（pseudoallele）。拟等位基因的发现也证明基因的可分性。二、 互补测验1、原理互补测验是确定突变的功能关系。如r区中有3000多个突变型，它们都有相同的表型，这是由于所有的r突变都导致丧失为合成大肠杆菌K（）发育所需要的一种或几种蛋白质的能力，因此这些突变型对大肠杆菌K（）寄主细胞是致死的，但可以在大肠杆菌B菌株的细胞中增殖。这些突变型有相同的表型，是否都影响着同一种遗传功能？即r区中这3000多个突变型是属于一个基因还是属于几个基因？为了划分这种功能单位界线，必须进行互补测验，即余不同的r突变型成对组合同时去感染大肠杆菌K（）菌株。如果被双重感染的细菌中出生两种亲代基因型的子代噬菌体（也有少量重组型的噬菌体），那么就必然是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补（complementation）。如果双重感染的细菌不出生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。2、方法斑点测试法用一种r突变型以0.1的感染比（噬菌体1/细菌10）去感染大肠杆菌K（）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在营养平板上，琼脂凝固后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴含有另一种r突变型的培养基，在这一滴培养基的范围内，一些细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌斑，就证明这两种突变型互补，相反就不能互补。在一个培养皿平板上可做68个斑点试验。互补测验的结果发现，除了一些缺失突变型外，r突变型可分成rA和rB两个互补群。所有rA突变型的突变位点都在r区的一头，是一个独立的功能单位；所有rB突变型的突变位点均在r区的另一头，也是一个独立的功能单位。凡是属于rA的突变之间不能互补，同理属于rB的突变之间也不能互补，只有rA的突变和rB的突变之间可以互补，既双重感染大肠杆菌后出生子代。说明rA和rB是两个3了的功能单位，分别具有不同的功能，但又可以互补的，要在大肠杆菌中增殖，这两种功能缺一不可。因此可见，r是由于这两种遗传功能丧失而形成的。三、 顺反子Benzer的互补测验中所用的两个突变型，如果分别位于两条染色体上，这种组合方式称温反式排列，如果两个突变同时位于一条染色体上，则称为顺式排列。Benzer就是用这种反式构型检验突变之间的关系。在互补测验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证明这两个突变型分别属于不同基因；如不能表现出互补，则证明这两个突变型是在同一基因内。顺式排列只是作为对照，因为在顺式排列中，不论是两个基因的突变，还是同一基因内两个位点的突变，在被测验中均表现出互补效应。即不同基因间的突变型在互补测验中不论是顺式排列还是反式排列均表现出互补效应；但如果是属于同一基因的不同位点的突变，则顺式构型表现互补，反式互补则不能互补。这显然说明基因是一个独立的功能单位：在顺式排列里两个突变位点集中在一个功能单位时，另一等位基因的功能则是完全正常的，所以表现互补；在反式排列中两个等位基因各有一个位点发生突变，都丧失其功能，所以不能互补。Benzer就将这样一个不同突变之间没有互补的功能区域称为顺反子（cristron）。一个顺反子就是一个功能水平上的基因。 因此现在常用顺反子作为基因的同义词。如在r区里，rA是一个顺反子，rB也是一个顺反子。每个顺反子在染色体上的区域称为座位，而每个基因座中有若干个突变位点，它是指一个顺反子内部能发生突变的最小的单位。四、 突变子突变子：是指一个顺反子内部能发生突变的最小单位。 最小的突变子只有一对碱基，本身无独立的功能。五、 重组子重组子：是指重组的最小单位。最小的重组子只有1对碱基，本身无独立的功能。所以顺反子既具功能上的完整性，又具结构上的可分割性。第三节 基因结构的多样性一、 隔裂基因（一）断裂基因（在真核生物中普遍存在）人们原来认为每一个结构基因是一段连续的DNA顺序。1977年，法Chambon等和美Berget报导了基因内部有间隔顺序。这种有间隔顺序的基因称为断裂基因（间隔顺序是不编码Pro）。（二）外显子和内含子断裂基因内编码Pro的DNA区段叫外显子。不编码Pro的DNA区段叫内含子。一个断裂基因在核内转录时，内含子和外显子是一起转录的。但在以后的加工过程中内含子转录的部分被分段切除，剩下的由外显子转录的部分由连接酶把它们连接成一个完整的mRNA分子。eg 小鼠血红Pro：链的结构基因被A，B二个内含子分隔成三个外显子： A含116bp，B含646bp。断裂基因在真核生物中普遍存在的。二、 重叠基因1977年，英分子生物学家Sanger等人发表了第一个完整的phage DNA核苷酸顺序图。即“174phage DNA碱基顺序图。从图可看出，基因E完全含在D之中。这种同时编码内部两种Pro的DNA片段，称为重叠基因。此后，在其它病毒（eg ：phage G4和动物病毒SV40）中也发现重叠基因。看来这种现象至少中病毒中有一定的代表性。第四节 基因的功能基因是一个独立的功能单位，可控制生物的性状，基因又是如何实现这种功能？一、Garrod的先天性代谢缺陷（黑尿病）在20世纪初，英国医生A.Garrod首先发现人类中几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症，由常染色体上的隐性基因决定。隐性基因不能形成苯丙氨酸羟化酶，而不能把体内多余的苯丙氨酸转变成为酪氨酸，因此血液中的苯丙氨酸积累起来，只能通过苯丙氨酸转移酶的作用，从另一代谢途径转变成有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸能从尿液中排出，可通过尿液检查而确诊，所以称为苯丙酮尿症。另一个隐性突变引起的代谢缺陷是不能把酪氨酸转变成黑色素，因此患者肤色、发色比正常人浅得多。于是Garrod认为这些代谢缺陷疾病是由于缺少某些酶。因此他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是通过控制酶和其他蛋白质合成来控制细胞代谢的。二、一个基因一种酶假说1941年，Beadle和Tatam以链孢霉为材料进行实验。根据实验结果，提出一个基因一种酶假说。由此在1958年获得诺贝尔奖。链孢霉三种精氨酸缺陷型的反应：突变型所需AA（在基本培养基上）1精AA，瓜AA或鸟AA2精AA或瓜AA3精AA精氨酸的代谢过程：前体 鸟AA 瓜AA 精氨酸基因： arg1 arg2 arg3突变型1：由于genearg1突变而不能形成有活性的酶1，第反应受阻，而酶2、酶3都正常，所以加精AA或瓜AA或鸟AA均可正常生长。突变型2：由于genearg2突变而不能形成有活性的酶2，第反应受阻，所以加瓜AA或精AA都可正常生长。但