基因的概念及发展

1、分子生物学,第二章,基因的概念及发展,The concept and development of gene,什么是基因（,gene,）？,基因是原核、真核生物以及病毒的,DNA,和,RNA,分子中具有遗传效应的,核苷酸序列,，是,遗,传的基本单位,和,突变单位,以及控制性状的,功能,单位,。,基因,调控基因,结构基因,2001,Human genome sequenced,早期概念,经典概念,基因概念的发展,基因概念的多样性,一、早期的基因概念,1.,融合遗传理论,(,Blending Inheritance,Hippocrates,希波克拉底,公元前,460-375,),基本论点：,遗传因

2、子或遗传物质相遇的时候，彼此会相互混合，相,互融化，而成为中间类型的东西。,2.,获得性遗传理论,(,Inheritance of acquired,characteristics, Lamarck,拉马克, 1809),物种的形成是对环境的适应过程，后天所获得,的性状,(,character,),可以遗传给下一代。,例如长颈鹿的祖先是短颈的，因为地上的草不够，它,们需要伸长颈部去吃树上的叶，那么下一代的颈就会,变长。如此一代一代伸长下去，就变成今天的长颈鹿。,用进废退,否定遗传物质的存在,3.,泛生论假说,（,hypothesis of the pangenesis,Darwin,1866,

3、）,体内的各类细胞中，均具有代表其自身的,胚芽,。,杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。,他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，,胚芽随血液循环到达生殖细胞，并传递给后代。,4.,种质论,（,Theory of germplasm, Weismann,，,1885,）,?,多细胞生物的细胞可分为“体质”和“种质”,?,后天获得性只能改变体质（,Somatoplasm,体细胞），,无法改变种质（,Germplasm,生殖细胞）,?,只有种质才能遗传,这一学说为日后的染色体遗传理论和基因学说的建立提,供了基本的理论框架，使,Weismann,成为现代遗传学,的伟大先驱,5.,遗传因子假说,（

4、,Hypothesis of the inherited,factor, Mendel GJ, 1865,),?,遗传性状由遗传因子决定,?,遗传因子成对存在,?,生殖细胞中具有成对因子中的一个,?,每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞,?,形成生殖细胞时，成对因子相互分离,?,生殖细胞的结合是随机的,?,遗传因子有显隐性之分,孟德尔定律：,?,分离定律（,Law of segregation,）,?,自由组合定律（,Law of independent assortment,）,否定了融合遗传、泛生论及获得性遗传理论,为颗粒遗传理论（,particulate theary of inherit

5、ance,）奠定,了基础,1900,年，孟德尔定律被重新发现,1879,年德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体。,1903,年美国细胞学家萨顿发现了遗传因子与染色体的,平行关系，提出了遗传的染色体学说。,Theory of the Gene,Thomas Hunt Morgan,1926,二、经典的基因概念,（,classical theory of gene,）,遗传因子,基因（,gene,）,经典基因概念,?,基因是染色体上的实体,?,基因象念珠,(bead),状孤立地呈线性排列在染色体上,?,基因是“三位一体”,(,Three in,one,),交换,(,cross-over unit

6、,),突变,(mutation unit,),功能,(,functional unit,),“三位一体”的,最小的,不可分割的,基本的,遗传单位,?,交换单位：基因间能进行重组，而且是交换,的最小单位。,?,突变单位：一个基因能突变为另一个基因，,产生,等位基因,。,A,a,?,功能单位：控制有机体的性状。,(1926,T. H. Morgan,),ALFRED HENRY STURTEV,ANT,November 21, 1891,April 5, 1970,三、基因概念的发展,1.,位置效应（,position effect,）,一个基因随着染色体畸变,而改变它和邻近基因的位置关,系，从而

7、改变了表型效应的现,象称位置效应。,-,可能是随着位置的改变也改,变了和5端调控元件的关系和,距离，从而影响了基因的表达。,果蝇的复眼数目,野生型果蝇的复眼大约,由,779,个左右的红色小眼,所组成,Position effects on gene expression.,Position effects can be,observed for the,Drosophila white,gene. Wild-type flies with a,normal,white,gene have red eyes. (After L.L. Sandell and V,.A.,Zakian,Trends

8、 Cell Biol.,2:10-14, 1992.),(euchromatin,常染色质,),异染色质,Illustration of the different sizes of compound eyes of the female,Drosophila,melanogaster,as caused by the varying numbers of facets. The size of the eye is,influenced by the position effect,果蝇的,X,染色体上,16A,区段,果蝇眼面大小遗传的剂量效应和位置效应,779,358,45,25,68,2

9、.,拟等位基因（,pseudo allele,）概念,染色体上紧密连锁，控制同一性状的非等位基因,A,B,b,a,A,B,a,b,A,b,a,B,与等位基因的区别？,野生型,突变型,野生突变型,突变野生型,自然分离,重组交换,3.,顺反子理论,野生型（,wild type,）,突变型（,mutation type,）,根据表型标准被认为是两个,等位基因,的突变型可以,发生重组得到野生型,顺式排列（,cis,）：,两个拟等位基因在同一条染色体上，另一条同源染色,体的相对位置上排列着野生型基因，表现为野生型。,反式排列（,trans,）,两个拟等位基因分别位于两条同源染色体上（野生型,基因也位于两

10、条不同同源染色体上），使两条染色体都是,有缺陷的，表现为突变型。,顺反效应（,cis-trans effect,）,a1,和,a2,是否为,同一基因？,互补试验,对于反式：,T4,噬菌体,rII,突变型的互补实验,rA,突变体单独入侵,rB,突变体单独入侵,rA,、,rB,突变体同时入侵,基因的顺反子测试示意图,A,和,B,是否为同一基因？,正,常,正,常,正,常,突,变,A b1,A b2,a1 B,A b2,Mutant,Wild type,同舟共济,爱莫能助,不同的,非等位基因,同一等位基因,功能互补效应,的测验体系,具有,不具有,突变,位点,处于,顺反子假说（,Theory,of,ci

11、stron,）,?,顺反子（,cistron,）,基因（,gene,），基因的同义词,?,在一个顺反子内，有若干个突变单位,突变子,(,muton,),?,在一个顺反子内，有若干个交换单位,交换子（,recon,）,?,基因内可以较低频率发生基因内的重组和交换,?,cistron,概念的提出是对经典的基因概念的动摇,拟等位基因：基因内不同位点的突变体,three,in,one,one,in,one,Locus (loci ),：,基因座,Site,：,位点,基因是,DNA,分子上的一个区段（具有编码序列）,基因平均由,1000,个左右的碱基对组成，一个,DNA,分子,可以包含几个乃至几千个基因

12、,。,基因不是最小的遗传单位，而是可再分的,；,基因是最小的功能单位,因,此,：,在同一基因座位中，,同,一突变位点向不同方向发生,突变所形成的等位基因。,全同等位基因（,homoallele,）,非全同等位基因,(heteroallele),在同一基因座位中，,不同,突变位点发生突变所形成的,等位基因。,G,全同,A,非全同,基因的最终概念！,基因的最新概念？,Genetics,Genomics,Functional genomics,四、基因概念发展,不同类型的基因：,?,结构基因,?,调控基因,?,重复基因,?,重叠基因,?,隔裂基因,?,跳跃基因,?,假基因,1.,重复基因（,repe

13、ated gene,）,来源相同、结构相似、功能相关的基因在染色体,上成串存在，称为基因家族（,gene family,）；,一些基因集中串联排列在一条染色体上，形成一,个基因簇（,gene cluster,），称为重复基因。,rRNA,基因、,tRNA,基因、组蛋白基因,组蛋白基因,不同物种中，基,因的排列次序、转,录方向和间隔区都,不同。,2.,断裂基因（,split gene,）,也叫不连续基因,(,discontinuous gene,),在基因编码蛋白质的序列中插入与蛋白质编码,无关的,DNA,间隔区，使一个基因分隔成不连续的,若干区段,。,外显子（,exon,），外元,编码的,DN

14、A,序列，即被表达的,DNA,区段,内含子（,intron,），内元,不编码的,DNA,序列,Gilbert,（,1978,年）提出内含子、外显子概念,3.,跳跃基因（,jumping gene,）,移动基因（,movable gene,）,转座子（,transposonable elements, TEs,）,(,transposon,),从基因组上的一个位置转移,到同一条染色体或另一条染色体,的另一个位置，引起相应控制性,状的改变。,转座子的发现,认为：一种控制基因在玉米基因组中移动的,结果,（,McClintock B,，,Cold Harboring Lab,）,1950,年，发现玉米

15、粒的颜色经常发生变化,控制基因插入到玉米染色体上编码色素的基因中，,改变基因表达活性，使玉米粒颜色发生变化。,基因的插入位置不断发生变化，沿着染色体移动，,造成玉米粒的颜色成斑驳状。,Ac-Ds,系统,玉米中的转座子,“可移动的控制因子”,-,解离因子（,dissociator,，,Ds,）,它可以插入到,C,基因中,-,转座。,另一个可移动的控制因子是激活因子（,activator,，,Ac,），,它的存在可激活,Ds,转座，进入,C,基因或其他基因，也,能使,Ds,从基因中转出，使突变基因产生“回复突变”，,这就是,Ac-Ds,系统,4.,假基因（,pseudogene,）,核苷酸序列与编码某一蛋白质的基因相似，但不,具功能，不能转录形成成熟,mRNA,或不能翻译出功,能蛋白质。,?,重复的假基因,已有基因在结构上发生较大变