基因的概念及结构

1、 第二章 基因的概念和结构一、孟德尔的“遗传因子”-生物性状的遗传符号。二、基因-位于染色体上的遗传功能单位。 1909年，约翰逊首创了“基因”一词，用来代替孟德尔的遗传因子。 1926年，摩尔根提出基因的“三位一体”的概念，即基因是决定性状的最小单位、突变的最小单位、重组的最小单位。1、等位基因 一对同源染色体同一基因座上的一对基因称为一对等位基因。 等位基因之间存在着显隐性关系。（1）完全显性（2）不完全显性（3）共显性 2、复等位基因 一个群体中，一对同源染色体的同一基因座上有2个以上的等位基因。例如：（1）果蝇的眼色基因 用w代表果蝇的眼色基因，则：（2）ABO血型系统 人类的ABO血

2、型是由三个复等位基因IA 、IB 、i控制。IA 、IB对i 为显性， IA 、 IB之间为共显性。因此，A型血的个体，基因型可能为IA IA 、 IA i ；B型血的个体，基因型可能为IB IB 、 IB i；AB型血的个体，基因型只能为IA IB ；O型血的个体，基因型只能为i i.为显性。(3) 人白细胞抗原（HLA) 主要组织相容性抗原系统。 主要组织相容性复合体基因(MHC) 人类的MHC又称HLA，位于第6号染色体短臂上，长约4000Kb。按结构功能和组织分布情况的不同可分为三类： a. HLA-类基因 在远离着丝粒2000-4000Kb范围内，有A、B、C、E、F、G、H、J等基

3、因座，每个基因座又有几十个以上的等位基因。（P41 表3-3）b.HLA-类基因 在近着丝粒的1000Kb范围内，主要有DQ 、DR、DP等基因座，每个基因座又有几个、上百个基因。（P41 表3-3）c.HLA-类基因 在近着丝粒处1000Kb-2000Kb范围内，位于HLA-和HLA- 基因之间。该区已发现60多个基因座。 HLA是目前已发现的最复杂的复等位基因系统。对于每一个基因座上的复等位基因，它们之间均为共显性。 对于每一个人的某一条6号染色体，HLA各基因座紧密连锁，就构成了单倍型或单元型。 HLA是以单倍型方式遗传给下一代的。 同卵双生子之间， HLA单倍型完全相同；兄弟姐妹之间，

4、两个单倍型可能相同，也可能不同，通常情况下是一个相同，一个不同。三、 顺反子 一个基因一条多肽 1957年，Benzer以大肠杆菌T4噬菌体为材料， 研究了基因内部的精细结构，提出了顺反子、突变子、重组子的概念。1、 T4噬菌体简介 T4噬菌体为T-偶列噬菌体之一，基因组为165Kb的双链DNA分子，包括160个基因，宿主为E.coli。 （1）形态特征 （2）环状遗传学图 2. 顺反子(cistron)、突变子(muton)、重组子(recon) 通过实验和推导，Benzer提出了顺反子、突变子、重组子的概念。 顺反子是一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链，顺反子即是基因的同义语。一个

5、顺反子内可以包含一系列突变单位-突变子。各突变子之间可以发生重组，顺反子内也有一系列的重组单位-重组子。2、重组（recombination )实验和 互补(complemetation)实验(1)重组实验 测定两个突变位点之间的距离关系的实验。 重组频率（%）= 2 野生型噬菌斑数 100% 噬菌斑总数（2）互补实验 确定两个突变之间的功能关系，判断两个突变是位于同一基因内的突变还是两个基因内的突变。 在反式测验中，如两个突变之间能互补，则表明两个突变是位于两个基因（顺反子）内的突变。如两个突变之间不能互补，则表明两个突变是位于同一个基因内的突变。四、操纵子（operon)-遗传信息传递和表

6、达调控 的统一体。1961,法国科学家F.Jacob和J.Monod提出了大肠杆菌乳糖操纵子模型。 操纵子模型的提出表明： 基因不仅是传递遗传信息的载体，同时又具有调节其它基因表达活性的功能。基因不仅在结构上可分，功能上也可分。 操纵子(operon)：指几个功能上相近或相关的结构基因排列在一起，由一个共同的启动子、操纵子或其它调控序列来调控这些基因的转录。包括这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子。1、乳糖操纵子（lac-operon)乳糖操纵子的研究进展：（1）调控区的DNA序列a.启动子（promoter) 位于调节基因 LacI 末端与结构基因LacZYA mRNA转录起始位

7、点之间，长度约为82bp的一段DNA序列。 a) RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5-TATGTT-3 -35区： 序列特征 5-TTTACA -3 b)CAP结合位点： -70 至 -50 区 CAP(catabolite activator protein,分解代谢物激活蛋白）。正调控蛋白、cAMP-CAP复合物 CAP-cAMP复合物激活Lac启动子的机制大肠杆菌的葡萄糖效应：b. 操纵子（operator) -5-+28区。与启动子重叠。2、基因家族（gene family)、基因簇(gene cluster)、假基因(pseuds gene) 真核生物基因组中来源

8、相同、结构相似、功能相关的一组基因称为基因家族。例如：（1）5sRNA基因家族 由结构相同的数个基因以串联方式重复排列，基因与基因间由中度重复序列间隔开来。（2）血红蛋白基因家族 血红蛋白基因家族由等基因组成。 类链基因簇：由、成串排列在一起构成，位于11号染色体上。其表达时间顺序为 。 类链基因簇：由成串排列在一起构成，位于16号染色体上。其表达时间顺序为 。 假基因：来源于相应的有功能的基因，由于某种突变而失去原有的功能的基因。用 表示。五、外显子和内含子-基因的结构是断裂的 （断裂基因 interrupted gene) 原核生物的结构基因绝大多数是连续的，而真核生物的编码序列是不连续的

9、。1、实验证明非编码序列的存在 1977，Flavell和Jeffreys兔珠蛋白基因的mRNA cDNA 同位数标记cDNA 与珠蛋白基因杂交。结果： 珠蛋白基因片段 cDNA 片段 Chambon鸡卵清蛋白mRNA cDNA 卵清蛋白基因杂交 电镜观察 异源双链体(cDNA)2、断裂基因中外显子保守，内含子可变。DHRF基因在哺乳类不同物种中外显子和内含子情况3、RNA剪接（1）直接切割连接 pre-tRNA 内含子（2）通过转酯作用实现剪接 （3）可变剪接（alternative splicing) 一个基因产生不止一种类型的mRNA，称为可变剪接。例如：与果蝇性别有关的基因dsx, 其

10、mRNA在雌蝇和雄蝇中剪接方式不同。（4）内含子的类型 P53六、重叠基因（overlapping gene） 1977，Sanger , 噬菌体x174各基因的功能：各基因的功能：A，DNA单链合成和双单链合成和双链的复制；链的复制；B、C、D，单链的合成和（或）包装；单链的合成和（或）包装；F、G、H，噬菌体噬菌体衣壳的结构蛋白；衣壳的结构蛋白；J，参与病毒颗粒构成的一种小的碱性蛋白；参与病毒颗粒构成的一种小的碱性蛋白；K，产产物未知；物未知；E，细胞裂解细胞裂解 重叠方式：（1）基因套基因 如x174基因组中，B基因含在A基因中, E基因含在D基因中。但起始密码子不同，密码 的阅读框不同

11、。（2）部分重叠 上游基因的终止密码子和下游基因的起始 密码子重叠。 如： 基因D终止 x174 DNA序列T-A-A-T-G 基因J 起始 基因A终止 x174 DNA序列 A-T-G-A 基因C起始(3)三个基因重叠 1978，Shaw ,噬菌体 G4 . G4 DNA序列 -TTCTGATGAAA-基因B基因A基因K七、转座元件-基因并不全是固定在染色体的一个位置上（1）DNA DNA的转座元件1、玉米的Ac-Ds系统 1950，B.McClintock Ac：为可自主移动的调节因子，全长4.5Kb,含有 5个外显子，编码转座酶，两端具有11bp的反向重复序列（IR）。 Ds：来源于Ac

12、，由Ac转座酶基因缺失形成。Ds不能自主转座。只有在Ac存在时，Ds才能转座。 Ds全长0.4-4Kb,两端同样具有11bp的反向重复序列（IR）。Ac-Ds系统产生的遗传学效应2、插入序列（Insertion sequence，IS）（1）插入序列的结构（2）IS插入靶位点的示意图（3）一些IS的类型与结构（4）IS的遗传学特征（P59）3、转座子（Transposon，Tn）（1）Tn的结构(2)转座模型a、剪-粘型转座（cut-and-paste transposition） 又叫简单插入转座，是一种非复制转座。Tn5、Tn10均以此方式转座。b. 保守型转座(conservation

13、transposition)非复制转座的一种。c.复制型转座（replicative transposition） 在复制转座的过程中，转座子被复制，一个拷贝留在供体原位，另一个拷贝插入受体新位点。（3）转座的遗传效应 a，插入突变 b，基因重排4、果蝇的P因子(P element) （1）果蝇中P品系与M品系杂交中，杂种劣育现象。（2）P因子的结构 与细菌的转座子（Tn）非常相似。a.P因子全2907bp 两端具有33bp的反向重复序列。（IR)b. P因子有4个编区（外显子0.1.2.3）, 3个内含子（1.2.3）（3）P因子与杂种劣育无转座，可育转座，不育无转座，可育(二) RNA介导

14、的转座元件-反转录转座（retroposon 存在于真核生物中，种类复杂。根据其结构和组成，可分为两类： 病毒超家族（viral super family） 能编码转座酶或整合酶，能自主地进行转座。如：酵母Ty转座成分、果蝇copia因子、哺乳动物，LINE1以及所有的还原病毒。 非病毒超家族（nonviral super family） 自身没有转座酶或整合酶的编码能力，依靠细胞内的酶系统作用下进行转座。如：SINE等。1、Ty（transposon in yeast）转座元件（1）Ty的分子结构LTR LTR（2）Ty因子的转录和翻译（3）Ty因子的转座的机制 实验证明Ty为RNA介导的反转录转座（4） Ty转座的遗传效应 a 插入失活 b 增强效应 c DNA重排（2）果蝇的copia因子（P75）反转录转座子转座子转座子3、LINEs L1 长散在重复序列（Long inters