分子生物学：第三章 基因的分子本质

1、第第三三章基因章基因的分子本质的分子本质内内 容容1. 基因概念的发展基因概念的发展2. 基因概念的多样性基因概念的多样性3. 原核生物的基因原核生物的基因4. 真核生物的基因真核生物的基因遗传学研究的对象是遗传与变异，但遗传与变遗传学研究的对象是遗传与变异，但遗传与变异的规律，直到异的规律，直到19世纪孟德尔以前，人们对它世纪孟德尔以前，人们对它的认识都是表面的，肤浅的，包括达尔文的认识都是表面的，肤浅的，包括达尔文（Darwin）和魏斯曼（和魏斯曼（Wersmann）这些当时的这些当时的大生物学家，而正是孟德尔的研究，开创了遗大生物学家，而正是孟德尔的研究，开创了遗传学研究先驱性的工作。传

2、学研究先驱性的工作。1. 基因概念的发展基因概念的发展Mondel奥地利神父孟德尔奥地利神父孟德尔18651865年根据年根据7 7个碗豆性状的实验提出了个碗豆性状的实验提出了遗传遗传因子因子假说，认为每个性状由遗传因子控制，并提出了遗传因假说，认为每个性状由遗传因子控制，并提出了遗传因子的子的分离分离与与自由组合自由组合两大遗传规律。两大遗传规律。a. 孟德尔的孟德尔的“遗传因子遗传因子” 奥地利学者奥地利学者孟德尔孟德尔以以豌豆豌豆为实验材料为实验材料，建立了经典遗传学。在孟，建立了经典遗传学。在孟德尔的工作和假说中，对德尔的工作和假说中，对”遗传因子遗传因子”即即“基因基因”的认识还只是

3、一种的认识还只是一种逻辑推理的产物，是作为一种遗传性状的符号，并没有任何物质逻辑推理的产物，是作为一种遗传性状的符号，并没有任何物质的内容。的内容。1909年丹麦学者约翰森提出了年丹麦学者约翰森提出了“基因基因”一词来代替盂德尔一词来代替盂德尔的遗传因子。的遗传因子。b. 基因位于染色体上基因位于染色体上-摩尔根的染色体摩尔根的染色体-基因学说基因学说 美国实验胚胎学家美国实验胚胎学家摩尔根摩尔根和他的学生以和他的学生以果蝇果蝇为材料证明了基因位为材料证明了基因位于染色体上于染色体上并呈线性排列并呈线性排列。他于。他于1926年发表了年发表了基因论基因论，建立，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗

4、传学的建立奠定了重要的基础。了遗传的染色体学说，为细胞遗传学的建立奠定了重要的基础。摩尔根还给出了第一个果蝇染色体连锁图，从而确立了基因作为摩尔根还给出了第一个果蝇染色体连锁图，从而确立了基因作为遗传遗传基本单位基本单位的概念。的概念。基因不仅是基因不仅是遗传上最小遗传上最小的的结构和结构和功能单位，功能单位，而且是一个而且是一个最小最小的突变单位和交换单位。的突变单位和交换单位。 基因在染色体上基因在染色体上 染色体的成分染色体的成分: : DNA 27% RNA 6% 蛋白质蛋白质 66% 无机离子无机离子 少量少量 遗传物质是什么遗传物质是什么? ?遗传物质必须具有的特点：遗传物质必须具

5、有的特点：（1 1）分子结构具有相对的）分子结构具有相对的稳定性稳定性；（2 2）能够产生可遗传的变异。）能够产生可遗传的变异。（3 3）能够）能够自我复制自我复制，使前后代保持一定的（性状）连续性。，使前后代保持一定的（性状）连续性。（4 4）能够指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢的过程和性状。）能够指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢的过程和性状。蛋白质不是遗传物质蛋白质不是遗传物质1941年，年，比德尔和塔图姆比德尔和塔图姆在在脉孢霉生化突变型脉孢霉生化突变型实实验中提出一个基因一个酶的关系。验中提出一个基因一个酶的关系。酶不可能确定蛋白质中的氨基酸顺序。酶不可能确定蛋白质中的氨基酸顺序。

6、氨基酸的排序可以在模板指导下进行，但多肽链氨基酸的排序可以在模板指导下进行，但多肽链不能自我复制，因此不能自我复制，因此蛋白质蛋白质不能作为不能作为遗传物质遗传物质。c. 核酸核酸是遗传物质是遗传物质一个生物的所有二倍体细胞的一个生物的所有二倍体细胞的DNA含量相同。含量相同。 单倍体细胞单倍体细胞DNA含量是二倍体细胞的一半。含量是二倍体细胞的一半。 紫外光可引起突变，而染色体中的核酸是最可能的靶子。紫外光可引起突变，而染色体中的核酸是最可能的靶子。 DNA代谢稳定，蛋白质则一边合成，一边分解。代谢稳定，蛋白质则一边合成，一边分解。证明遗传物质是核酸证明遗传物质是核酸(DNA或或RNA)有有

7、3个著名的实验个著名的实验：肺炎双球菌的转化试验肺炎双球菌的转化试验；噬菌体感染实验噬菌体感染实验；烟草花叶病毒的烟草花叶病毒的感染感染实验。实验。1) 1928年，年，荷兰细菌学家格里菲斯（荷兰细菌学家格里菲斯（Griffith）的的肺炎双肺炎双球菌球菌转化实验转化实验 Griffith在研究肺炎球菌时发现肺炎球菌有很多不同菌株，其中在研究肺炎球菌时发现肺炎球菌有很多不同菌株，其中有一种菌株它的球菌有毒性，能引起小鼠得败血病。这些有毒的有一种菌株它的球菌有毒性，能引起小鼠得败血病。这些有毒的球菌外面有保护作用的多糖胶状荚膜，使它们可以不被宿球菌外面有保护作用的多糖胶状荚膜，使它们可以不被宿主

8、主的正的正常保护机构所破坏；当它们生长在培养基上时，每一个细菌长成常保护机构所破坏；当它们生长在培养基上时，每一个细菌长成一个明亮的光滑菌落，叫光滑型（一个明亮的光滑菌落，叫光滑型（S）菌株；另外一些菌株无荚）菌株；另外一些菌株无荚膜，菌落粗糙，没有毒性，不会引起疾病，叫膜，菌落粗糙，没有毒性，不会引起疾病，叫R型菌株型菌株 。(1)(2)(3)(4)这表明无毒性的这表明无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的型活细菌在与被加热杀死的S型细菌型细菌混合后，转化成了有毒性的混合后，转化成了有毒性的S型活细菌。这些转化成的型活细菌。这些转化成的S型细菌的后代也是有毒性的型细菌的后代也是有毒性的S型细菌，

9、可见这种性状型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。的转化是可以遗传的。1944年，艾弗里从年，艾弗里从S型活细菌中提取了型活细菌中提取了DNA，蛋白质，蛋白质和和多糖等物质，多糖等物质，然后然后分别加入到培养分别加入到培养R型细菌的培养基型细菌的培养基中。结果发现只有加入中。结果发现只有加入DNA时，时， R型细菌才能转化成型细菌才能转化成S型细菌。型细菌。通过上述研究表明，通过上述研究表明，DNA是使是使R型细菌产生转化的物型细菌产生转化的物质，所以质，所以DNA是遗传物质是遗传物质。2) 噬菌体感染实验噬菌体感染实验 噬菌体噬菌体T2有一个蛋白质的外壳，有一个蛋白质的外壳，DNA裹在其中

10、。裹在其中。当噬菌体当噬菌体T2感染大肠杆菌时，它的尾部吸附在菌体上。然后，感染大肠杆菌时，它的尾部吸附在菌体上。然后，菌体内形成大量噬菌体，菌体裂解后，释放出几十个乃至几百个菌体内形成大量噬菌体，菌体裂解后，释放出几十个乃至几百个与原来感染细菌一样的噬菌体与原来感染细菌一样的噬菌体T2。构成蛋白质的氨基酸中，甲硫氨酸和半胱氨酸含有硫，构成蛋白质的氨基酸中，甲硫氨酸和半胱氨酸含有硫，DNA中中不含不含S，所以，所以S只存在于只存在于T2噬菌体的噬菌体的蛋白质蛋白质。相反，。相反，P主要存在于主要存在于DNA中，至少占中，至少占T2噬菌体含磷量的噬菌体含磷量的99。Alfed Hershey和和

11、Martha Chase (1952)将将宿主菌细胞分别放在含宿主菌细胞分别放在含35S或含或含32P的培养基中。宿主细胞在生长过程中就被的培养基中。宿主细胞在生长过程中就被35S或或32P标记标记上了。然后用噬菌体去感染分别被上了。然后用噬菌体去感染分别被S或或P标记的细菌，并在这些标记的细菌，并在这些细菌中复制增殖。宿主菌裂解释放出很多子代噬菌体，这些子代细菌中复制增殖。宿主菌裂解释放出很多子代噬菌体，这些子代噬菌体也被标记上噬菌体也被标记上35S或或32P。接着，用分别被接着，用分别被35S或或32p标记的噬菌体去感染没有被放射性同标记的噬菌体去感染没有被放射性同位素标记的宿主菌，然后测

12、定宿主菌细胞带有的同位素。位素标记的宿主菌，然后测定宿主菌细胞带有的同位素。被被35S标记的噬菌体所感染的宿主菌细胞内很少有标记的噬菌体所感染的宿主菌细胞内很少有35S，而大多，而大多数数 35S出现在宿主菌细胞的外面。也就是说，出现在宿主菌细胞的外面。也就是说， 35S标记的噬菌体蛋标记的噬菌体蛋白质外壳在感染宿主菌细胞后，并未进入宿主菌细胞内部而是留白质外壳在感染宿主菌细胞后，并未进入宿主菌细胞内部而是留在细胞外面。在细胞外面。被被32p标记的噬菌体感染宿主菌细胞后，测定宿主菌的同位素，标记的噬菌体感染宿主菌细胞后，测定宿主菌的同位素，发现发现32p主要集中在宿主菌细胞内。所以噬菌体感染宿

13、主菌细胞主要集中在宿主菌细胞内。所以噬菌体感染宿主菌细胞时进入细胞内的主要是时进入细胞内的主要是DNA。由此可以得出结论：由此可以得出结论：噬菌体注入宿主菌细胞内的物质是噬菌体注入宿主菌细胞内的物质是DNA，释放出来的是跟原先感染细菌细胞一样的噬菌体。可见在噬菌体释放出来的是跟原先感染细菌细胞一样的噬菌体。可见在噬菌体的生活史中，的生活史中，只有只有DNA是联系亲代和子代的物质是联系亲代和子代的物质。3) 烟草花叶病毒的烟草花叶病毒的感染感染实验实验 对病毒的研究逐渐深入以后，发对病毒的研究逐渐深入以后，发现现一些植物的病毒仅含有一些植物的病毒仅含有RNA没没有有DNA。 当当用用烟草花叶病毒

14、烟草花叶病毒（TMV）的）的RNA和蛋白质分别进行感染试验，和蛋白质分别进行感染试验，发现只有发现只有RNA才能诱发感染。才能诱发感染。 RNA也是遗传物质也是遗传物质RNA蛋白质蛋白质RNA酶酶处理处理但基因到底是何物但基因到底是何物?其物质结构和化学组成怎样其物质结构和化学组成怎样?它是怎它是怎样决定遗传性状的样决定遗传性状的?d. 一个基因一种酶一个基因一种酶 (one gene-one enzyme)1941年，年，比德尔和塔图姆根据比德尔和塔图姆根据脉孢霉生化突变型脉孢霉生化突变型的研究提的研究提出了出了“一个基因一种酶一个基因一种酶”的假说的假说，认为基因与酶蛋白之间存，认为基因与

15、酶蛋白之间存在一一对应的关系在一一对应的关系。他们的工作在他们的工作在1958年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。一基因一酶学说首先阐明了一基因一酶学说首先阐明了基因是通过对酶的控制来决定基因是通过对酶的控制来决定生物的性状的生物的性状的。现在我们已经知道一基因一酶说并不准确，现在我们已经知道一基因一酶说并不准确，因为基因所编码的蛋白的功能是多样的，不只是酶这种形因为基因所编码的蛋白的功能是多样的，不只是酶这种形式式。而且。而且许多酶是二聚体或四聚体的，许多酶是二聚体或四聚体的，而其中的每一个亚而其中的每一个亚单位都是由一个基因决定的单位都是由一个基因决定的。e. 一个一个顺反子顺反子一条多肽链一

16、条多肽链1957年年，法国遗传学家本泽尔（法国遗传学家本泽尔（Benzer）进一步提出）进一步提出了了一个一个顺反子顺反子一条多肽链一条多肽链的论断。的论断。Benzer以以T4噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构，提出了细结构，提出了顺反子学说顺反子学说。这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状传性状的的的的“三位一体三位一体”概念及基因是最小的不可分割概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，从而的遗传单位的观点，从而认为认为基因基因是是DNA分子上分子上的的一一段核苷酸序段核苷酸序列列，

17、负责遗传信息传递，负责遗传信息传递。并提出了并提出了顺反子、顺反子、突变子和重组子突变子和重组子的概念的概念。顺反子顺反子（cistron，又叫作用子）是由互补测验定义的，又叫作用子）是由互补测验定义的遗传功能单位，是一个基因遗传功能单位，是一个基因功能功能不可分割的单位。不可分割的单位。突变子突变子（muton）是基因突变时，产生突变的最小单）是基因突变时，产生突变的最小单位。位。一个突变子可以小到只是一个核一个突变子可以小到只是一个核苷苷酸对。酸对。重组子重组子（recon）是基因）是基因重组时，可交换的最小单位重组时，可交换的最小单位。交换有时也只有一个核苷酸对。交换有时也只有一个核苷酸

18、对。一个一个顺反子顺反子一条多肽链一条多肽链的论断比一个基因一种酶的假说更为准确，因的论断比一个基因一种酶的假说更为准确，因为有些蛋白质并不具有酶的性质，而且酶和蛋白质分子既可由一条肽为有些蛋白质并不具有酶的性质，而且酶和蛋白质分子既可由一条肽链构成，也可由两种以上的肽链构成。链构成，也可由两种以上的肽链构成。1966年，一个基因一条多肽链的生物学过程得到充分证明，并于年，一个基因一条多肽链的生物学过程得到充分证明，并于1967年发表了全套的遗传密码表，初步揭开了基因表达之谜。年发表了全套的遗传密码表，初步揭开了基因表达之谜。原来，原来，生物的遗传信息以核苷酸碱基（生物的遗传信息以核苷酸碱基（

19、ATGC）的不同排列贮）的不同排列贮存干存干DNA分子中，每分子中，每3个碱基编码一条多肽链中的一个氨基酸。个碱基编码一条多肽链中的一个氨基酸。在基因表达时，在基因表达时，DNA中的遗传信息先被转录成中的遗传信息先被转录成mRNA，mRNA中每中每3个碱基组成一个密码子，决定一种氨基酸。然后由个碱基组成一个密码子，决定一种氨基酸。然后由mRNA中的核苷碱中的核苷碱酸基（酸基（AUGC）的排列顺序指导多肽链的合成。）的排列顺序指导多肽链的合成。遗传信息的这种遗传信息的这种由由DNARNA蛋白质表达方式称为蛋白质表达方式称为中心法则中心法则。2. 基因概念的基因概念的多样性多样性随着分子生物学的迅

20、速发展，人们对基因的认识不断深化随着分子生物学的迅速发展，人们对基因的认识不断深化，其其中最重要的发现是：中最重要的发现是：a. 结构基因结构基因和和操纵操纵基因基因 过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是但是1961年法国年法国人人雅各布（雅各布（Jacob）和莫诺（）和莫诺（Monod）的研究成）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。 他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，

21、只起调节或操纵作用，提出了起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子操纵子模型模型。该模型将基因划分为该模型将基因划分为结构基因结构基因和和操纵操纵基因基因。 操纵子操纵子模型解开了模型解开了基因表达的调控机制基因表达的调控机制，开创了分子生物学研，开创了分子生物学研究的新天地。究的新天地。b. 重叠基因重叠基因1977年年，桑格等在噬菌体桑格等在噬菌体X174中发现重叠基因，即中发现重叠基因，即不同的基因共用一段相同的不同的基因共用一段相同的DNA序列序列。后来在其它病毒以及细菌和果蝇等生物中也发现了重后来在其它病毒以及细菌和果蝇等生物中也发现了重叠基因，一段叠基因，一段DNA序

22、列为两个或三个基因所共用，或序列为两个或三个基因所共用，或者一个小基因位于一个大基因之内。者一个小基因位于一个大基因之内。重叠基因是生物体合理而又经济地利用自身重叠基因是生物体合理而又经济地利用自身DNA的一的一种绝妙方式，它的发现打破了基因是彼此分离的传统种绝妙方式，它的发现打破了基因是彼此分离的传统观念。观念。通过不同的阅读框来编码不同的蛋白通过不同的阅读框来编码不同的蛋白c. 断裂基因断裂基因 1977年年，道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部插入了插入了7个没有编码意义的个没有编码意义的DNA片段。片段。 现已查明，现已查明，

23、原核生物的基因一般是连续的原核生物的基因一般是连续的，在一个基因的内部没，在一个基因的内部没有不编码的有不编码的DNA序列。序列。而而真核生物的绝大多数基因都是不连续的真核生物的绝大多数基因都是不连续的断裂基因断裂基因。 无编码意义的插入片段称为内含子无编码意义的插入片段称为内含子(intron)，有编码意义的基因片有编码意义的基因片段称为外显子段称为外显子(exon)。在基因表达时，内含子与外显子被一起转在基因表达时，内含子与外显子被一起转录成录成mRNA前体前体，然后通过加工除掉与内含子对应的序列，再把，然后通过加工除掉与内含子对应的序列，再把与外显子对应的序列拼接起来，形成成熟的与外显子

24、对应的序列拼接起来，形成成熟的mRNA分子，最后翻分子，最后翻译成多肽链。译成多肽链。 内含子把一个基因分成几个部分，打破了基因是一个不容分割的内含子把一个基因分成几个部分，打破了基因是一个不容分割的功能单位的传统观念。功能单位的传统观念。exon1intron1exon2exon3intron2鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白mRNA和和DNA杂交实验示意图杂交实验示意图d. 跳跃基因（转座子）跳跃基因（转座子）早在早在20世纪世纪40年代年代，美国遗传学家麦克林托克（美国遗传学家麦克林托克（B. McClintock）在玉米研究中）在玉米研究中就就发现发现了了“转座子转座子”。 玉米玉米Ac/Ds转座

25、子：转座子：Ac (activator)：激活因子；：激活因子；Ds (dissociation)：解离因子。：解离因子。直至直至1980年夏皮罗（年夏皮罗（Shapiro）等人证实了可移）等人证实了可移动动的的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。转座子转座子除了含有与改变自身除了含有与改变自身位置位置有关的基因以外，还有关的基因以外，还携带与插入功能无关的基因携带与插入功能无关的基因。e. 不编码蛋白质的基因不编码蛋白质的基因在蛋白质合成过程中需要两类在蛋白质合成过程中需要两类RNA分子的参与，一类分子的参与，一类是核糖体是核糖体RNA简称简称rRNA

26、，它是核糖体的组成部分。，它是核糖体的组成部分。另一类是转运另一类是转运RNA，简称简称tRNA，其功能是把氨基酸搬其功能是把氨基酸搬运到核糖体运到核糖体合合成多肽链的位点上。成多肽链的位点上。编码这两类编码这两类RNA分子的分子的DNA序列称为序列称为RNA基因基因，或者，或者分别称为分别称为rRNA基因和基因和tRNA基因基因。这样看来，把基因。这样看来，把基因定义为编码一条多肽链的定义为编码一条多肽链的DNA序列显然不够全面。序列显然不够全面。f. 假基因假基因指具有与功能基因相似的序列，但不能翻译成有功能指具有与功能基因相似的序列，但不能翻译成有功能蛋白质的无功能基因蛋白质的无功能基因。它往往存在于真核生物的多基。它往往存在于真核生物的多基因家族中。因家族中。 (1)常规假基因常规假基因：指基因的：指基因的核苷酸序列核苷酸序列因为突变而发因为突变而发生改变，导致基因失活。如珠蛋白假基因。生改变，导致基因失活。如珠蛋白假基因。 (2)已加工的假基因已加工的假基因：以某个基因的：以某个基因的mRNA合成的合成的cDNA拷贝再次插入到基因组后，由于缺少拷贝再次插入到基因组后，由于缺少上游调上游调控序列控序列不能转录而引起的基因失活。不能转录而引起的基因失活。主要存在两种假基因：主要存在两种假