第八章遗传的分子基础.ppt

第八章遗传的物质基础,第一节遗传物质核酸,一、遗传物质的发现,（一）肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌的两个品系,1、格里菲斯（Griffith）的实验,肺炎球菌的转化实验：1.无毒R型小鼠成活血液中重现R型2.有毒S型小鼠败血症死亡血液中重现S型3.有毒S型（65杀死）小鼠成活无细菌3.无毒R型有毒S型（65杀死）小鼠败血症死亡血液中R型转化为S型重现S型活菌结论：在加热杀死的S型细菌中有较耐高温的转化物质进入R型无毒变为有毒,2、埃弗里（Avery）的实验,用生物化学方法证明转化物质是DNA：Avery从S型细菌中分别抽提出DNA、蛋白质和荚膜物质等把每一种成分分别同活的R型细菌培养发现只有DNA能把R型细菌转化为S型细菌，并杀死小鼠。结论：DNA是转化因子，是遗传物质。,（二）噬菌体感染,赫什（Hershey）和蔡斯（Chase）用同位素示踪法证实DNA是遗传物质。原理：P存在于DNA，而不存在于蛋白质；S存在于蛋白质，而不存在于DNA。1.用32P标记T2噬菌体的DNA2.用35S标记T2噬菌体的蛋白质结果：32P标记的噬菌体侵染细菌放射性进入细菌内说明DNA进入细菌用35S标记的噬菌体侵染细菌细菌内无放射性说明蛋白质未进入细菌,结论：噬菌体注入宿主细胞的物质是DNA，DNA是遗传物质。,（三）烟草花叶病毒的重建烟草花叶病毒(TobaccoMosaicVirus)，简称TMV。1、TMV的感染实验将TMV在水和苯酚中震荡使蛋白质和RNA分开分别感染烟草结果如下：TMV的蛋白质烟草不发病TMV的RNA烟草发病产生新的TMVTMV的RNARNA酶不发病结论：RNA是遗传物质,2、佛兰科尔-康拉特(Framkel-Conrat-Singer)的重建实验：,B型TMV的外壳蛋白A型TMV的RNA重建成杂种病毒感染烟草病斑与A型相同，同时分离出A型病毒（A型RNAA型蛋白）结论：RNA是遗传物质,链接到第四节,第二节中心法则,第三节基因的概念和调控,一、基因的概念（一）经典的基因概念摩尔根创立基因学说在学说中提出经典的基因概念：基因在染色体上呈直线排列，基因是遗传物质的结构单位。从以下三方面理解：,1.基因是控制性状的单位。如豌豆的C和c控制红花与白花。2.基因是重组的结构单位。也就是说交换（重组）只能发生在基因之间而不能发生在基因内部。,3.基因是突变的单位,（二）重组单位和突变单位的发展（本泽提出）1.一个基因内部的许多位点都可以发生突变，并且可以在这些位点间发生发生交换，即一个基因内部可以包括许多突变单位（突变子）和许多重组单位（重组子）。2.突变子和重组子相当于单个核苷酸对。,（三）分子遗传学的基因概念,分子遗传学认为，基因是DNA分子上含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位，基因也称顺反子。,基因根据功能分,转录基因能转录产生RNA的基因,结构基因转录产生mRNA,并翻译成蛋白质。tRNA基因转录产生tRNArRNA基因转录产生rRNA,非转录基因不能转录产生RNA的基因，如启动基因和操纵基因。,基因根据所在部位分,核基因存在于细胞核内染色体上的基因。质基因存在于细胞质中线粒体、叶绿体上的基因。,（四）基因概念的新发展1、重叠基因1977年桑格（Sanger）分析x174噬菌体DNA时发现，这条DNA链上的10个基因，有重叠现象。,2.断裂基因mRNA前体的加工,我们把mRNA前体加工时被剪去，而不能表达的片段，称内含子。mRNA前体加工时被保留，而能够表达的片段，称外显子。这种具有外显子和内含子镶嵌结构的基因，称断裂基因。,3.可动基因基因绝大多数固定在染色体的一个位置上，但有些基因在染色体上的位置是可以移动的，这类基因称可动基因（mobilegene),也可以称为转座元件或转座因子（transposableelement).最早提出基因可动理论的是美国的麦克林托克（McClintock),她发现玉米中有2个可动因子Ac基因（激活基因）和Ds基因（抑制基因），构成一个激活抑制系统（AcDs）系统。,AcDs系统的作用：,C,C位于9号染色体，使玉米胚乳呈深色。,CDs,Ds插在C附近，抑制C的表达，胚乳无色。,Ac,CAc,Ds,Ac插入Ds附近，促使Ds跳出9号染色体，C恢复活性，产生色素。,AcDs系统的作用：,W,W位于3号染色体，使玉米叶子呈绿色。,WDs,Ds由9号跳至3号，插在W附近，抑制W的表达，叶子白化。,Ac,WDsAc,Ac插入Ds附近，有些细胞中Ds被激活跳走，有些仍存在，叶子花斑状。,第四节基因表达调控,基因表达基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。,DNA,mRNA,蛋白质,转录,翻译,生物体细胞的基因表达有严格的时空程序，这是由于它们有基因表达调控机制。,链接到原核生物调控,一、原核生物的基因表达调控,主要在DNA水平和转录水平1.DNA水平的调控,鼠伤寒沙门氏菌鞭毛基因的调控,基因说明：hix1、hix2各14bp，互为反向重复序列。,H片段,P1(promoter,启动区）hin基因的启动子，驱动hin基因表达。hin编码重组酶，使H片段倒位。P2（启动区）正向时驱动H2和rH1表达，反向（倒位）时，H2和rH1不表达。,H2编码H2鞭毛蛋白rH1H1repressor（阻遏）gene，编码阻遏蛋白，使H1不表达。（H2和rH1紧密连锁，协同表达。),P3H1的启动区H1编码H1鞭毛蛋白（H1和H2距离较远。）,鞭毛相变过程：H片段为正向时P2正向，且与H2、rH1邻接H2、rH1转录产生H2鞭毛蛋白和H1阻遏蛋白阻遏蛋白作用于H1基因，使其关闭细菌鞭毛由H2鞭毛蛋白构成。某些情况下，hin表达产生重组酶催化hix1和hix2交换重组H片段倒位P2呈反向（倒位），且远离H2、rH1H2和rH1不能表达H2鞭毛蛋白和H1阻遏蛋白停止合成H1得以表达细菌鞭毛由H1蛋白合成。,鞭毛相变过程：H片段为正向时P2正向，且与H2、rH1邻接H2、rH1转录产生H2鞭毛蛋白和H1阻遏蛋白阻遏蛋白作用于H1基因，使其关闭细菌鞭毛由H2鞭毛蛋白构成。某些情况下，hin表达产生重组酶催化hix1和hix2交换重组H片段倒位P2呈反向（倒位），且远离H2、rH1H2和rH1不能表达H2鞭毛蛋白和H1阻遏蛋白停止合成H1得以表达细菌鞭毛由H1蛋白合成。,倒位,鞭毛相变的意义：,逃离寄主抗体的进攻，使得细菌能繁衍后代。,（一）乳糖操纵子模型,1961年Jacob和Monod提出大肠杆菌乳糖操纵子模型（lacoperon),一、原核生物的基因表达调控,1、操纵子（operor）构成I调节基因，编码阻遏蛋白（repressorprotein）P启动基因（promoter），RNA聚合酶识别和结合部位。O操纵基因（operator），阻遏蛋白结合的部位。3个结构基因（structuralgene）：lacZ编码半乳糖苷酶（乳糖葡糖半乳糖）lacY编码半乳糖透性酶lacA编码半乳糖乙酰转移酶,2、调控过程抑制作用：当大肠杆菌中没有乳糖时（lactose）时，调节基因（I）产生的阻遏蛋白能与操纵基因（O）结合阻止RNA聚合酶与启动基因（P)的结合和前进结构基因不能转录细胞中无三种酶。诱导作用：当细菌中有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合使阻遏蛋白构象改变不能与操纵基因结合而脱落下来RNA聚合酶可以结合在启动基因上，并向结构基因方向移动结构基因开始转录细胞中产生三种酶。,乳糖操纵子动画,（二）色氨酸操纵子模型色氨酸操纵子调控色氨酸的合成抑制作用：培养基中有足够色氨酸时，结构基因关闭。诱导作用：缺乏色氨酸时，结构基因打开。,二、真核生物的基因表达调控主要在顺式作用元件和反式作用因子的共同作用下完成。（一）顺式作用元件顺式和反式在分子遗传学中，把处于同一染色体或DNA分子上的两个基因或序列互称顺式，处于不同染色体或DNA分子上的两个基因或序列称互称反式。顺式作用元件与靶基因处于同一DNA分子或染色体中（称顺式），具有转录调节功能的特异DNA序列。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质，仅仅提供反式作用因子的作用位点。,包括以下3种：1、启动子RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制序列，包括转录起始点和多个功能元件，如TATA盒。2、增强子远离转录起始点，增强启动子转录活性的DNA序列。3、沉默子对基因转录起阻遏作用的DNA序列，属于负性调控元件。,（二）反式作用因子具有转录调节功能的蛋白质，其编码基因与靶基因处于不同的DNA分子或染色体上（称反式）主要包括RNA聚合酶及各类转录因子，有的结合在启动子上，有的结合在增强子上，有的结合在沉默子上。少数为顺式作用因子（编码基因与靶基因在同一DNA分子上）。,（二）真核生物的基因调控,1.DNA水平的调控基因丢失有的生物在发育过程中，一些体细胞丢失某些基因，这些基因便永不表达。基因扩增使基因数量迅速增加而调节基因表达的方式，称基因扩增。,2.转录水平的调控非组蛋白的调控作用染色体DNA组蛋白非组蛋白证据：非组蛋白具有物种和组织特异性活动的组织和染色质中非组蛋白含量非常高。染色质拆合实验将兔子的胸腺和骨髓细胞中染色质的DNA、组蛋白、非组蛋白分离出来，重新搭配，发现：,骨髓DNA、组蛋白胸腺的非组蛋白构成的染色质，能合成胸腺的mRNA。胸腺DNA、组蛋白骨髓的非组蛋白构成的染色质，能合成骨髓的mRNA。,激素对转录的调控如人的第二性征的出现与激素有关。,激素分子,靶细胞,受体,非组蛋白,异染色质化和修饰作用,异染色质化染色质处于固缩状态，称异染色质化。真核生物通过改变染色体上某些区域的异染色质程度，来调节基因表达：异染色质化程度越高，基因转录活性越低。,异染色质化和修饰作用,异染色质化染色质处于固缩状态，称异染色质化。真核生物通过改变染色体上某些区域的异染色质程度，来调节基因表达：异染色质化程度越高，基因转