河南科技大学遗传学课件基因概念与发展

1、1第一节第一节 基因的概念与发展基因的概念与发展第12章 基因表达的调控 一、基因概念的演变一、基因概念的演变 1 1、在功能上基因概念的演变、在功能上基因概念的演变 1 1）遗传因子是生物性状的符号）遗传因子是生物性状的符号 1857185719091909 1857 1857年年MendelMendel作了作了8 8年的碗豆杂交实年的碗豆杂交实 验，创立了遗传学的第一、第二定验，创立了遗传学的第一、第二定 律，在他的律，在他的植物的杂交实验植物的杂交实验论文中论文中 把控制把控制 性状的性状的 某种东西叫做某种东西叫做“遗传遗传 因子因子” （Genetic factor) ,Geneti

2、c factor) ,分别用分别用A A、B B、C C、D D等字等字 母代替遗传因子，此因子就是生物性状的符号，例如：红母代替遗传因子，此因子就是生物性状的符号，例如：红花花A A用表示，白花用用表示，白花用a a表示。这种因表示。这种因子子什麽东西，在什麽地什麽东西，在什麽地方还不清楚。但是，在哪个年代方还不清楚。但是，在哪个年代MendelMendel提出了遗传因子的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，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：这已经是一个伟大的进步，既：生物的性状生物的性状 有它的物质基础，打破了上帝决定

3、一切的概念。有它的物质基础，打破了上帝决定一切的概念。 2 2）基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功）基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功 能单位能单位 1909190919401940 19091909年，丹麦人约翰逊（年，丹麦人约翰逊（Johansen)Johansen) 1910 1910年年Morgan Morgan 、 SturtevantSturtevant、Briges Briges 的工作，的工作， 提出基因在染色体上直线排列，不重复、不重叠、提出基因在染色体上直线排列，不重复、不重叠、 不分割基因是不分割基因是 功能单位、突变单位、重组单位。功能单位、突变单位、重组单

4、位。 把基因物质化。把基因物质化。提出提出“三位一体三位一体”的概念的概念。但是还。但是还 不清楚基因到底是什麽东西，是啥样的化学实体不清楚基因到底是什麽东西，是啥样的化学实体 19271927年，摩尔根的年，摩尔根的 弟子穆勒弟子穆勒Muler Muler 发现用发现用X X射线可以使果蝇的基因发生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，同时开创了基因突在的化学实体，同时开创了基因突 变新领域。变新领域。19461946年获得诺贝尔奖金年获得诺贝尔奖金 3 3）基因是决定某种酶的）基因是决定某种酶的DNADNA片段片段 19401

5、94019551955 1940 1940年，年，BeadleBeadle和和TatumTatum用诱变剂处理红色面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：氨酸缺陷型，在此缺陷型又分成四种类型： argE argF argG argHargE argF argG argH 精氨酸缺陷型的生长反应精氨酸缺陷型的生长反应菌菌 株株 基本基本 基基+谷谷 基基+鸟鸟 基基+瓜瓜 基基+精琥精琥 基基+精精野生型野生型 + + + + + +arg E - - + + + + argF - - -

6、+ + +argG - - - - + +argH - - - - - +谷氨酸谷氨酸 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨琥珀酸精氨琥珀酸 精氨酸精氨酸 精氨酸的代谢过程和酶作用位置精氨酸的代谢过程和酶作用位置谷氨酸谷氨酸 argE酶酶鸟氨酸鸟氨酸 argF酶酶瓜氨酸瓜氨酸 argG酶酶精氨琥珀酸精氨琥珀酸 argH酶酶精氨酸精氨酸分析代谢途径分析代谢途径 ：在那种物质上：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前都不长，说明那种物质最靠前在那种物质上都长，说明那种在那种物质上都长，说明那种物质最靠后物质最靠后分析基因作用位置分析基因作用位置: : 在多种物质在多种物质上都长，说明基因作用靠前上都长

7、，说明基因作用靠前. .在在多种物质上都不长，说明基因作多种物质上都不长，说明基因作用靠后用靠后提出一个基因一种酶学说，提出一个基因一种酶学说，19581958年双双获诺贝尔奖金。但没有打年双双获诺贝尔奖金。但没有打破基因三位一体的概念破基因三位一体的概念 代谢途径分析代谢途径分析 鸟鸟 谷谷 精精 瓜瓜 精琥精琥 + + + + 从竖行分析代谢途径从竖行分析代谢途径 ：在那种物质上都不长，在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前。说明那种物质最靠前。在那种物质上都长，说在那种物质上都长，说明那种物质最靠后明那种物质最靠后 谷氨酸谷氨酸 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨琥珀酸精氨琥珀酸 精氨酸精

8、氨酸 1944年，年，Avery的细菌体外转化实验的细菌体外转化实验 证明证明N是遗传物质，是遗传物质， 1952年，年，Hershey和和Chase的噬菌的噬菌 体重组实验使生物学界承认体重组实验使生物学界承认N 是是 遗传物质，遗传物质，1969年年Hershey获诺贝尔奖金获诺贝尔奖金 1953年年Watson和和Crick以及威尔金斯发以及威尔金斯发 现了双螺旋结构，因此，基因的概念现了双螺旋结构，因此，基因的概念 成为：基因是决定某种酶的成为：基因是决定某种酶的DNA片片 断。断。1962年三人同时获得诺贝尔奖金年三人同时获得诺贝尔奖金 4 4）基因是决定一条多肽链的）基因是决定一条

9、多肽链的DNADNA片段片段 195519551961 1961 A A、顺反测验、顺反测验 (1955 Benzer )(1955 Benzer ) 根据基因顺式排列和反式排列时的表现情况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来判断两个位点是否属于一个基因的测定方 法法 T T4 4噬菌体噬菌体R R区有区有2 2个位点：个位点： RA 、RB RA RB 两个位点都正常时可在大肠杆菌两个位点都正常时可在大肠杆菌K K菌株上生长菌株上生长 两个位点突变时不能在两个位点突变时不能在K K菌株上生长菌株上生长 两个其中的两个其中的1 1个位点突变时不能在个

10、位点突变时不能在K K菌株上生长菌株上生长 这这2 2个位点属于一个基因的两个位点还是个位点属于一个基因的两个位点还是 两个基因呢？两个基因呢？ 13 他设计了顺反测验的方法分析他设计了顺反测验的方法分析T4T4噬菌体噬菌体RR区的区的 两个区域，描绘了基因的的精细结构，两个区域，描绘了基因的的精细结构，发表发表细细 菌噬菌体遗传区的精细结构菌噬菌体遗传区的精细结构论文，论文，提出了顺反提出了顺反 子子(Cistron)(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的的概念和基因是决定一条多肽链的 DNADNA片段的概念。片段的概念。 顺反子顺反子: :一个不同突变之间没有互补的功能区一个不同

11、突变之间没有互补的功能区. . r1 r2 顺式顺式 野生型性状野生型性状 r1 反式反式 r2 野生型性状野生型性状 RARARBRBRARA区区: a +: a + + b + b a b a b + + + + RARARBRB不生长，无互补不生长，无互补生长，有互补生长，有互补1718图图 2 22727突变座位与互补图解突变座位与互补图解 5 5）基因是实现一定遗传效应的核苷酸序列）基因是实现一定遗传效应的核苷酸序列 1961-19691961-196919611961年年 ：调节基因；：启动基因；：操纵基因；：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

12、：半乳糖苷酶基因；：半乳糖苷透性酶基 因；：转乙酰基酶基因。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，分子遗传学的新的一章，1965年年 19681968年美国遗传学家普坦森年美国遗传学家普坦森(Ptashene) (Ptashene) 吉尔伯特吉尔伯特(Gilbert)(Gilbert)成功分离出一个具成功分离出一个具 有抑制功能的有抑制功能的DNADNA片断，用实验和实物片断，用实验和实物 证明了基因的调控机制证明了基因的调控机制 19691969年，年，ShapiroShapiro分离出了大肠杆菌乳分离

13、出了大肠杆菌乳 糖操纵子糖操纵子, ,进一步证实乳糖操纵子学说进一步证实乳糖操纵子学说重叠基因的发现重叠基因的发现 : : 1977 1977年年 SangerSanger对一侏儒噬菌体对一侏儒噬菌体 X174X174的的DNADNA结构结构 和蛋白质进行研究和蛋白质进行研究, ,发现它能形成发现它能形成1111种蛋白质种蛋白质, ,总分总分 子量为子量为2525万道而顿万道而顿, ,按此量该噬菌体应该有按此量该噬菌体应该有60786078个个 核苷酸来编码核苷酸来编码, ,但是，此单链环状但是，此单链环状DNADNA仅有仅有53865386个个核核 苷酸苷酸, ,少少692692个个核苷酸核

14、苷酸, , 对这种现象的分析中发现对这种现象的分析中发现 了重叠基因了重叠基因 重叠类型：重叠类型： 重叠一个核苷酸：重叠一个核苷酸： 5 T A A T G 3 正链正链 3 A T T A C 5 负链负链 5 U A A U G 3 RNA UAA为为D基因的终止码基因的终止码,AUG为为J基因的基因的 起始码起始码,两个基因重叠一个核苷酸两个基因重叠一个核苷酸 G4G4噬菌体：噬菌体：基因全长都与其它基因重叠，基因全长都与其它基因重叠，端区端区与基因的最后个重叠，与基因的最后个重叠，端与基因的端与基因的开头个重叠，在和两个位点上，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。

15、阅读框的三种方式都得到应用。（终止、起始、编（终止、起始、编码）码） HACDBK 3 3）断裂基因：）断裂基因：(splite gene) (splite gene) 含有可转译区段和不转含有可转译区段和不转 译区段的一类结构基因译区段的一类结构基因 断裂基因的发现：断裂基因的发现： 19771977年美国生物化学家年美国生物化学家SharpSharp和英国生和英国生 物化学家物化学家RobertsRoberts以腺病毒为材料，发以腺病毒为材料，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，发现了断裂基开，呈现不连续状态，发现了断裂基 因，因，

16、19931993年两人获诺贝尔奖金。年两人获诺贝尔奖金。CrickCrick 称之为分子遗传学的一次称之为分子遗传学的一次“微型革命微型革命” 在SharpSharp和和RobertsRoberts的实验发现割裂基因之前法国的的实验发现割裂基因之前法国的 ChambonChambon小组已经在研究鸡卵清蛋白基因的表达和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。解释这种现象。 19771977年年Berget在美国冷泉港作了一个关于断裂基 因的报告， ChambonChambon受到启发，对他们的

17、实验受到启发，对他们的实验 进一步研究，在真核生物发现了断裂基因。进一步研究，在真核生物发现了断裂基因。 19781978年，年，GilbertGilbert把出把出 现在成熟的现在成熟的mRNAmRNA中的片中的片 段叫做外显子（段叫做外显子（exon)exon)，把不出现在成熟的，把不出现在成熟的 mRNAmRNA中的片段叫做内含子中的片段叫做内含子(intron)(intron) 鸡卵清蛋白基因的结构鸡卵清蛋白基因的结构（7700bp） 外显子外显子 内含子内含子 1、47（前导序列）（前导序列） A 2、185 B 3、51 C 4、129 D 5、118 E 6、143 F 7、15

18、6 G 8、1043 1872bp 5828bp断裂基因的特征：内含子可多可少，可长可短，外断裂基因的特征：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于外显子。外显子可在一个基因中可不在 一个基因中。存在一个基因中。存在 ChambonChambon规律。存在一规律。存在一 致序列致序列 ChambonChambon规律：指内含子规律：指内含子5 5端和端和3 3端碱基的保端碱基的保 守性和规律性。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一致序列：指内含子与外显子交接处保守性很 强

19、的核苷酸序列。强的核苷酸序列。 4）跳跃基因（jumping genes) 在染色体上可以来回跳跃、移动位置的基因。 CC Cccccc 跳跃基因的发现：跳跃基因的发现： McClintockMcClintock终生未婚，进行玉米遗传育种研究，被终生未婚，进行玉米遗传育种研究，被 誉为玉米夫人。誉为玉米夫人。4040年代她发现玉米籽粒颜色遗传的年代她发现玉米籽粒颜色遗传的 一些奇怪现象一些奇怪现象 玉米色素合成基因玉米色素合成基因C C为显性，不能合成色素基因为显性，不能合成色素基因c c为为 隐性。位于玉米隐性。位于玉米9 9号染色体上。号染色体上。 基因型基因型CC CC 、CcCc为有色

20、玉米，为有色玉米，cccc为无色玉米。为无色玉米。 当基因型为当基因型为cccc时时, ,在无色的背景上出在无色的背景上出 现许多紫色斑点。突变的频率很低，现许多紫色斑点。突变的频率很低， 回复突变的频率更低，回复突变的频率更低，那么是什么原因导致类似回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？复突变的现象反复高频率出现的呢？ 对实验现象的解释：对实验现象的解释： 激活激活解离系统解离系统（Activator-Dissociator,Ac-DsActivator-Dissociator,Ac-Ds） 在玉米在玉米9 9号染色体色素基因号染色体色素基因C C附近存在一个附近存在一

21、个AcAc基因，是基因，是 激活位点，可以激活其他基因改变自己的位置。一激活位点，可以激活其他基因改变自己的位置。一 个个DsDs基因，是解离位点，在基因，是解离位点，在作用下作用下DsDs跳跃到色素跳跃到色素 基因基因C C的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变 为为c c。 DsDs又可以从又可以从C C基因近旁或其中跳跃出来而使之基因近旁或其中跳跃出来而使之 又称为显性基因又称为显性基因C C。 在此系统中提出了跳跃基因的概念，开创了基因转座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。研究的新领域。19831983年获得诺贝尔奖

22、金。年获得诺贝尔奖金。44 基因的类型：(1)(1)结构基因结构基因：可编码：可编码RNARNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNADNA序列序列 (2)(2)调控基因调控基因：其产物参与调控其他结构基因表达的基因：其产物参与调控其他结构基因表达的基因 (3)(3)重叠基因重叠基因：指同一段：指同一段DNADNA的编码顺序，由于阅读框架的编码顺序，由于阅读框架(ORF)(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个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。以上多肽链的现象。(4)(4)隔裂基因隔裂基因：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻：指一个结构基因内部为一个或更多的

23、不翻译的编码顺序，译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象。如内含子所隔裂的现象。(5)(5)跳跃基因跳跃基因：可作为插入因子和转座因子移动的：可作为插入因子和转座因子移动的DNADNA序列，有人将它作为转座因子的同义词。序列，有人将它作为转座因子的同义词。(6)(6)假基因假基因：同已知的基因相似，但位于不同位点，因缺：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。失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。 二、基因的大小、数目、结构二、基因的大小、数目、结构 1 1、基因的大小、基因的大小 真核生物的基因比较大，如哺乳动物的基因可达真核生物的基因比较大，如

24、哺乳动物的基因可达 100kb,100kb,很少有小于很少有小于2000bp2000bp的，大多在的，大多在5-100kb 5-100kb 之间。在分析一段之间。在分析一段DNADNA序列时，如果小于序列时，如果小于100100个密个密 码子的就不能看作一个基因码子的就不能看作一个基因 原核生物的基因比较小原核生物的基因比较小, ,如如X174X174的的K K基因仅仅基因仅仅167167 个核苷酸。个核苷酸。 基因的大小取决于基因中内含子的数目，取决于基因的大小取决于基因中内含子的数目，取决于 内含子的长短，一般内含子是外显子的内含子的长短，一般内含子是外显子的5-105-10倍倍 不同生物的平均基因大小不同生物的平均基因大小 种类种类 平均平均 平均平均 平均平均 外显子数目外显子数目 基因长度基因长度kbkb mRNAmRNA长度长度kbkb 酵母酵母 1 1.6 1.61 1.6 1.6 真菌真菌 3 1.5 1.53 1.5 1.5 藻虫藻虫 4 4.0 3.04 4.