河南科技大学遗传学课件基因概念与发展

1,第一节基因的概念与发展,第12章基因表达的调控,一、基因概念的演变1、在功能上基因概念的演变1）遗传因子是生物性状的符号185719091857年Mendel作了8年的碗豆杂交实验，创立了遗传学的第一、第二定律，在他的植物的杂交实验论文中把控制性状的某种东西叫做“遗传因子”（Geneticfactor),分别用A、B、C、D等字母代替遗传因子，此因子就是生物性状的符号，例如：红花A用表示，白花用a表示。这种因子什麽东西，在什麽地方还不清楚。但是，在哪个年代Mendel提出了遗传因子的概念，认为子代的性状是由于得到了亲代的遗传因子，,这已经是一个伟大的进步，既：生物的性状有它的物质基础，打破了上帝决定一切的概念。2）基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功能单位19091940,1909年，丹麦人约翰逊（Johansen)1910年Morgan、Sturtevant、Briges的工作，提出基因在染色体上直线排列，不重复、不重叠、不分割基因是功能单位、突变单位、重组单位。把基因物质化。提出“三位一体”的概念。但是还不清楚基因到底是什麽东西，是啥样的化学实体1927年，摩尔根的弟子穆勒Muler发现用X射线可以使果蝇的基因发生突变，进一步证实了基因是实实在在的化学实体，同时开创了基因突变新领域。1946年获得诺贝尔奖金,3）基因是决定某种酶的DNA片段194019551940年，Beadle和Tatum用诱变剂处理红色面包霉得到各种营养缺陷型突变体。其中一种是精氨酸缺陷型，在此缺陷型又分成四种类型：argEargFargGargH,精氨酸缺陷型的生长反应菌株基本基+谷基+鸟基+瓜基+精琥基+精野生型+argE-+argF-+argG-+argH-+,谷氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨酸,精氨酸的代谢过程和酶作用位置谷氨酸argE酶鸟氨酸argF酶瓜氨酸argG酶精氨琥珀酸argH酶精氨酸,分析代谢途径：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前在那种物质上都长，说明那种物质最靠后,分析基因作用位置:在多种物质上都长，说明基因作用靠前.在多种物质上都不长，说明基因作用靠后提出一个基因一种酶学说，1958年双双获诺贝尔奖金。但没有打破基因三位一体的概念,代谢途径分析,从竖行分析代谢途径：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前。在那种物质上都长，说明那种物质最靠后,谷氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨酸,1944年，Avery的细菌体外转化实验证明N是遗传物质，1952年，Hershey和Chase的噬菌体重组实验使生物学界承认N是遗传物质，1969年Hershey获诺贝尔奖金1953年Watson和Crick以及威尔金斯发现了双螺旋结构，因此，基因的概念成为：基因是决定某种酶的DNA片断。1962年三人同时获得诺贝尔奖金,4）基因是决定一条多肽链的DNA片段19551961A、顺反测验(1955Benzer)根据基因顺式排列和反式排列时的表现情况来判断两个位点是否属于一个基因的测定方法,T4噬菌体R区有2个位点：RA、RBRARB两个位点都正常时可在大肠杆菌K菌株上生长两个位点突变时不能在K菌株上生长两个其中的1个位点突变时不能在K菌株上生长这2个位点属于一个基因的两个位点还是两个基因呢？,13,他设计了顺反测验的方法分析T4噬菌体R区的两个区域，描绘了基因的的精细结构，发表细菌噬菌体遗传区的精细结构论文，提出了顺反子(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的DNA片段的概念。顺反子:一个不同突变之间没有互补的功能区.,r1r2顺式野生型性状r1反式r2野生型性状,顺式时、反式时都为野生型性状，说明这两个位点能互补，此两个位点属于两个不同的基因,发现RA区是一个基因位点，RB区是一个基因位点，两个位点都正常时，每位点编码一条多肽链，2条多肽链合起来形成一种酶，提出：一个基因一条多肽链的学说，打破了基因是一个功能单位的概念。在RA区:a+bab+在每个区的不同突变体之间也进行了一系列顺反测验，混合感染试验，证明RA区是一个顺反子，RB区是一个顺反子。,不生长，无互补,生长，有互补,17,18,图227突变座位与互补图解,C、基因精细结构分析突变子（muton)：可以突变的最小单位发现A基因有800bp，既有800个突变位点，B基因有500bp，既有500个突变位点交换子（recon)：可以发生交换的最小单位A基因有800bp，既有800个交换位点，B基因有500bp,既有500个交换位点打破了基因“三位一体”的概念。,5）基因是实现一定遗传效应的核苷酸序列1961-19691961年，Monord和Jacobe对大肠杆菌乳糖代谢进行研究，提出了乳糖操纵子学说,IPOZYA调节基因、结构基因：转录翻译形成蛋白质操纵基因：仅转录不翻译不形成蛋白质启动基因：不转录不翻译不形成蛋白质因此，基因不一定都得有产物,：调节基因；：启动基因；：操纵基因；：半乳糖苷酶基因；：半乳糖苷透性酶基因；：转乙酰基酶基因。由于他们开创了基因调控的研究领域，谱写了分子遗传学的新的一章，1965年Monord和Jacobe双双获得诺贝尔奖金,1968年美国遗传学家普坦森(Ptashene)吉尔伯特(Gilbert)成功分离出一个具有抑制功能的DNA片断，用实验和实物证明了基因的调控机制1969年，Shapiro分离出了大肠杆菌乳糖操纵子,进一步证实乳糖操纵子学说,2、在结构上基因概念的演变1）重复基因(repetitivegene)基因以多个拷贝存在的现象。1968年美国学布里顿通过DNA的复性动力学研究发现在真核细胞DNA中存在重复顺序物种5SRNAtRNA大肠杆菌760啤酒酵母140250黑腹果蝇165850人类20001300非洲爪蟾240001150,2）重叠基因:(Over-lappinggene)一基因与另一基因存在共用一段核苷酸序列的现象重叠基因的发现:1977年Sanger对一侏儒噬菌体X174的DNA结构和蛋白质进行研究,发现它能形成11种蛋白质,总分子量为25万道而顿,按此量该噬菌体应该有6078个核苷酸来编码,但是，此单链环状DNA仅有5386个核苷酸,少692个核苷酸,对这种现象的分析中发现了重叠基因,重叠类型：重叠一个核苷酸：5TAATG3正链3ATTAC5负链5UAAUG3RNAUAA为D基因的终止码,AUG为J基因的起始码,两个基因重叠一个核苷酸重叠两个核苷酸:5ATGA3正链3TACT5负链5AUGA3RNAA基因的终止码UGA与C基因的起始码AUG重叠两个核苷酸,部分重叠:K基因与A基因重叠83个核苷酸,与C基因重叠85个核苷酸K51218A3973133C390完全重叠:E基因在D基因中,重叠322个核苷酸E518840D390845,B基因在A基因中,重叠388个核苷酸B504648A3973133三重重叠：1978年,有人发现Sv40病毒3个外壳蛋白基因Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。有5234bp,环状双链基因组分成10分钟长.Vp17-1.5Vp2、7-9.8Vp37-9.8,G4噬菌体：基因全长都与其它基因重叠，端区与基因的最后个重叠，端与基因的开头个重叠，在和两个位点上，阅读框的三种方式都得到应用。（终止、起始、编码）,H,A,C,D,B,K,重叠操纵子：指结构基因与调控序列的重叠，调控序列之间的重叠重叠基因意义：在于经济有效的利用遗传信息，不利一面是一个硷基的变化会影响几个基因真核生物基因重叠：如果蝇、海胆、人类某些基因也发现有重叠，但不普遍。真核生物存在内含子、外显子，选择性剪接时形成不同的蛋白质，这也是基因重叠现象，大鼠肌钙蛋白T基因此方式产生、两种产物,3）断裂基因：(splitegene)含有可转译区段和不转译区段的一类结构基因断裂基因的发现：1977年美国生物化学家Sharp和英国生物化学家Roberts以腺病毒为材料，发现基因在排列上有一些不相关的片断隔开，呈现不连续状态，发现了断裂基因，1993年两人获诺贝尔奖金。Crick称之为分子遗传学的一次“微型革命”,在Sharp和Roberts的实验发现割裂基因之前法国的Chambon小组已经在研究鸡卵清蛋白基因的表达和激素的关系时也发现了类似现象。但是，他们不能解释这种现象。1977年Berget在美国冷泉港作了一个关于断裂基因的报告，Chambon受到启发，对他们的实验进一步研究，在真核生物发现了断裂基因。1978年，Gilbert把出现在成熟的mRNA中的片段叫做外显子（exon)，把不出现在成熟的mRNA中的片段叫做内含子(intron),鸡卵清蛋白基因的结构（7700bp）外显子内含子1、47（前导序列）A2、185B3、51C4、129D5、118E6、143F7、156G8、10431872bp5828bp,断裂基因的特征：内含子可多可少，可长可短，外显子可多可少，可长可短。内含子比例大于外显子。外显子可在一个基因中可不在一个基因中。存在Chambon规律。存在一致序列Chambon规律：指内含子5端和3端碱基的保守性和规律性。一致序列：指内含子与外显子交接处保守性很强的核苷酸序列。,断裂基因的普遍性：在低等生物中很少存在断裂基因，但在个别原核生物如古细菌，大肠杆菌的噬菌体中也存在。在真核生物中断裂基因比较普遍，但不绝对。（酵母菌大部分基因不中断）。编码蛋白质的核基因、编码rRNA的核基因、编码tRNA的核基因以及一些真核生物的线粒体基因、叶绿体基因等胶原蛋白基因40000bp有41个外显子，40个内含子假肥大型肌营养不良基因(DMD)长2300000bp，有75个外显子，74个内含子,鸡前胶原蛋白基因，鸡半卵清蛋白基因，小鼠胶原蛋白基因，人类珠蛋白基因，酵母的cob基因等，因此，断裂基因已成为真核生物的真质标记断裂基因的研究进展：原核生物中断裂基因的发现：1984年，Chu发现E.coliT4噬菌体的胸腺嘧啶核苷酸合成酶基因有一个1084bp的内含子。腺病毒、Sv40病毒、原核生物中的古细菌也都发现有断裂基因现象。RNA内含子：外显子、内含子一起转录成前体RNA,加工切除内含子后形成成熟RNA,蛋白质内含子：外显子、内含子一起转录、翻译成一条多肽链然后从太连中将对应于内含子部分的序列切除形成蛋白质翻译内含子：转录成的成熟mRNA存在内含子，而在翻译过程中跳过内含子，形成肽链内含子含而显：酵母线粒体细胞色素b基因有B1、B2、B3、B4、B5、B6六个外显子负责编码形成细胞色素b的酶,有I1、12、I3、I4、I5五个内含子，在mRNA成熟过程中，I2I3I4各自编码一种蛋白质叫做RNA成熟酶，来删除自己外显子外而不显：人类的激酶基因的第一个外显子的88bp不编码蛋白质，仅出现在成熟的mRNA中外显子的不连续转录：锥虫的可变表面抗原基因的大外显子与小外显子不在一个基因中，而是分别转录后又接在一起的重叠内含子：指一个基因形成的一mRNA的内含子可以是该基因另一个mRNA的外显子,断裂基因的意义：储存较多遗传信息：经过加工一个基因可以形成多种蛋白质增加了重组机会：内含子存在加长了基因长度，利于重组利于变异和进化：交界处一个碱基变化可以使剪接变化，导形成大的变异自我防护机制：突变发生在内含子处时，没有损害基因调控装置：内含子在转录水平基因表达中起调节作用,4）跳跃基因（jumpinggenes)在染色体上可以来回跳跃、移动位置的基因。,CCCc,cc,cc,跳跃基因的发现：McClintock终生未婚，进行玉米遗传育种研究，被誉为玉米夫人。40年代她发现玉米籽粒颜色遗传的一些奇怪现象玉米色素合成基因C为显性，不能合成色素基因c为隐性。位于玉米9号染色体上。基因型CC、Cc为有色玉米，cc为无色玉米。当基因型为cc时,在无色的背景上出现许多紫色斑点。突变的频率很低，回复突变的频率更低，那么是什么原因导致类似回复突变的现象反复高频率出现的呢？,对实验现象的解释：激活解离系统（Activator-Dissociator,Ac-Ds）在玉米9号染色体色素基因C附近存在一个Ac基因，是激活位点，可以激活其他基因改变自己的位置。一个Ds基因，是解离位点，在作用下Ds跳跃到色素基因C的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变为c。Ds又可以从C基因近旁或其中跳跃出来而使之又称为显性基因C。在此系统中提出了跳跃基因的概念，开创了基因转座研究的新领域。1983年获得诺贝尔奖金。,44,基因的类型：(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列(2)调控基因：其产物参与调控其他结构基因表达的基因,(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象。(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象。(5)跳跃基因：可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列，有人将它作为转座因子的同义词。(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。,二、