基因和基因组及基因工程的概念

基因和基因组及基因工程的概念第1页，共39页，2023年，2月20日，星期四第一节

基因的概念

一、基因与“遗传因子”二、基因与染色体三、基因与蛋白质四、基因与DNA五、基因密码的破译六、基因的概念七、基因的新概念第2页，共39页，2023年，2月20日，星期四一、基因与“遗传因子”对遗传物质基础的认识有个发展过程，孟德尔（G.Menodel）在1857～1864年以豌豆为材料进行杂交实验的研究中,提出“遗传因子”决定和控制着生物体的各种性状。1909年丹麦生物学家W.Johannsen为了强调“遗传因子”与生命的关系,他根据希腊“给予生命”之义的词“gene”（基因）创造性地用“gene”这个术语来代替“遗传因子”。基因这个词当时被用来描述遗传性状，但对基因的物质概念还未能认识，只是遗传的一个符号。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期四孟德尔的豌豆杂交试验

遗传因子是成对的，一个来自父本，一个来自母本，形成配体时彼此分开，在性细胞中是成单的，杂交子一代各自保持独立和纯一状态，形成配子时又彼此分开，互不混杂，完整地传给后代，雌雄配

子结合有等同随机结合的机会。

圆形种子＋皱形种子

杂交第一代(均为圆形)

回交

圆形豆皱形豆

5474粒1850粒

3：1黄色图形＋绿色皱形杂交第一代(均为黄色圆形)回交黄色圆形豆黄色皱形豆绿色圆形豆绿色皱形豆315粒121粒108粒32粒9

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：331第4页，共39页，2023年，2月20日，星期四二、基因与染色体1910年～1926年,美国的摩尔根（T.H.Morgan）选用果蝇做研究材料，发现了基因连锁和交换现象，创立了遗传的染色体理论（Chromosomoltheoryofinheritance），绘制了基因连锁图,接受了孟德尔的遗传原理,指出遗传物质必须由某种独立的要素组成,即遗传因子或叫做基因。从而证明了基因是位于染色体上呈直线按顺序排列的遗传单位，基因是携带遗传信息的结构单位，又是控制遗传性状的功能单位。第5页，共39页，2023年，2月20日，星期四摩尔根果蝇杂交试验有4对染色体，一对小粒状，2对V形，一对呈棒状XX或XY（性染色体）

X1X2（红眼）+XWY（白眼）（野生型）（突变型）杂交子一代（雌雄均为红眼）

X1XW，X1Y，X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY¼为红眼雄性及白眼雄性第6页，共39页，2023年，2月20日，星期四三、基因与蛋白质1941年G.W.Beadle和E.L.Tatum应用X射线诱导链孢霉菌（Newosporecrassa）在DNA损伤修复后,产生了大量营养缺陷性突变体,提出了“一个基因一种酶”学说,后来又修正为“一个基因一种蛋白质”的学说,或“一个基因一种多肽链”学说。

第7页，共39页，2023年，2月20日，星期四四、基因与DNA1928年美国O.T.Avery首次证明了控制遗传特性的物质是DNA,而不是蛋白质,染色体上的基因为DNA分子。1953年J.watson和F.Crick根据碱基配对规律和DNA分子的X射线衍射图谱等实验,提出了DNA分子的双螺旋结构。1958年证明了DNA半保留复制和DNARNA蛋白质合成的中心法则（如图）。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期四遗传中心法则第9页，共39页，2023年，2月20日，星期四五、基因密码的破译1961年F.Crick,S.Brenner,M.W.Nirenberg,H.G.Khorana等确立了每三个核苷酸可作为决定一个氨基酸的密码子。1964年64种三联密码子全部被破译公布。64种密码子中有61个密码子可用于编码20种氨基酸,有3个密码子为终止信号,只表示链的终止,不表达任何氨基酸。其中AUG为启始密码子，并具有通用性、偏爱性和简并性。第10页，共39页，2023年，2月20日，星期四第11页，共39页，2023年，2月20日，星期四遗传密码的兼并性第12页，共39页，2023年，2月20日，星期四六、基因的概念按照分子生物学理论，基因的概念应当是指编码有功能蛋白质多肽链或RNA分子所必需的全部核酸序列（即DNA序列）。根据这个概念，一个基因不仅含编码蛋白质肽链或RNA分子的核酸序列,还包括保证转录所必需的非编码的调控序列即位于编码区上游5’端的启动子非编码序列、内含子（intron）和位于编码区下游3’端的终止子非编码序列。编码区是发挥基因功能的结构基因（或功能基因），而起调控、启动和终止作用的非编码区属于调控基因。

第13页，共39页，2023年，2月20日，星期四七、基因的新概念1、移动基因2、断裂基因（splitgene）3、重叠基因4、假基因5、重复序列及重复基因第14页，共39页，2023年，2月20日，星期四1、移动基因

移动基因（movablegene）又叫转位因子（transposableelements）,由于它可以在染色体基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁，故又称跳跃基因（jumpinggene）,这种基因是J.A.Shapiro在研究大肠杆菌高效突变时发现的。有三种类型：1.插入序列（insertionsequences,简称IS），其长度为数百个到数千个碱基对之间（如图2-1）。2.转位子（Tn)，即两侧的IS和一个中心序列（带有遗传信息）3.噬菌体Mu和D108，其转位作用如图2-2。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期四2、断裂基因（splitgene）

在真核细胞中的核苷酸序列中间插入与氨基酸编码无关的DNA间隔区段，使一个有功能的结构基因分隔成不连续的若干区段，将这种编码序列不连续，有间隔区段的DNA片断称为断裂基因。这种非编码间隔区段DNA称间隔子（内含子），有转录和编码功能的编码序列称表达子。原核细胞无内含子。其二者mRNA剪辑作用如图2-3，2-4，2-5第16页，共39页，2023年，2月20日，星期四3、重叠基因

不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个基因共用，将核苷酸彼此重叠的两个基因称为重叠基因（overlappinggenes）,在174噬菌体有两种类型的重叠基因（图2-6）。第17页，共39页，2023年，2月20日，星期四4、假基因

在珠蛋白基因簇（genecluster）各片断核苷酸序列分析时发现，除了有正常的功能基因之外，还有功能失活的特殊序列片断，它不能行使表达功能。该类无表达功能的畸变核苷酸基因序列片断，称为假基因。其产生原因如图2-7、2-8第18页，共39页，2023年，2月20日，星期四5、重复序列及重复基因

几乎所有的真核细胞（酵母除外）的基因组DNA中都具有重复序列（repeatedsequence）,它无转位移动能力，因此它区别于转位作用的IR（invertedrepeat）。IR是指序列的重复性。但无基因序列的交叉重叠性，故不同于重叠基因序列。重复序列可分为四种类型：(1)不重复序列，是唯一的序列，只有一个拷贝。(2)低度重复序列，一般有1-10个拷贝。(3)中度重复序列，有数十至数万（105）拷贝。如图2-9、2-10(4)高度重复序列拷贝数可达106以上,包括卫星DNA、高丰度SINE家族的Alu序列。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期四第二节

基因组

“基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，对于二倍体高等生物其配子的DNA总和即为一组基因组。不同生物基因组数目不同，如表第20页，共39页，2023年，2月20日，星期四研究得较多的为以下三类基因组：

一、病毒基因组二、细菌基因组三、真核生物基因组第21页，共39页，2023年，2月20日，星期四第三节

基因工程的定义和研究内容

基因工程的定义通常是指在体外把核酸分子（基因）组合到特定的载体上（病毒，质粒，噬菌体等）并使之进入（或导入）到原来没有这类分子的宿主体内，能使基因在宿主内繁殖或表达生物活性物质。基因工程的核心内容是重组DNA技术，还包括体外DNA突变，体内基因操作以及基因的化学合成等。第22页，共39页，2023年，2月20日，星期四第四节

基因工程的发展史

一、四大里程碑二、三大技术发明三、基因工程的诞生第23页，共39页，2023年，2月20日，星期四病毒基因组特点：1.结构简单，无细胞结构，基因组为DNA或RNA组成，有双链/单链，环状/线状。2.有调控元件和转录元件组成，转录元件可转录成为多顺反子mRNA。3.有重叠基因。4.逆转录病毒（RV）可使RNA变cDNA其结构如图，具U3RU5的长末端重复序列（LTR），具随机整和能力，可用作病毒载体。第24页，共39页，2023年，2月20日，星期四细菌基因组约有三千个基因，无内含子，为双链DNA，但无核仁、核膜，多为单拷贝，无重叠基因，有多种功能调控区，有复制起始区、终止区、转录起始区，终止区常有反向重复序列。另外有质粒存在，质粒可作为载体。第25页，共39页，2023年，2月20日，星期四真核生物基因组特点：大而复杂，为双倍体，有低中高重复序列，多为断裂基因，基因组中非编码区多于编码区（占90%），大多于蛋白质结合形成染色体，DNA占35%，RNA占5%，其余为蛋白质（组蛋白或非组蛋白）与C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（称C值）均大于低等生物，但某些植物或两栖动物的C值比人高出几十倍，这种与进化复杂性不一致的C值反常现象称为C值矛盾。类型多基因家族第26页，共39页，2023年，2月20日，星期四四大里程碑遗传物质的明确——DNADNA双螺旋结构理论（半保留复制及其中心法则）基因遗传密码子的破译基因转译载体的发现第27页，共39页，2023年，2月20日，星期四三大技术发明工具酶的发明：内切酶、合成酶、连接酶基因合成和测序（合成仪、测序仪）PCR技术（PCR扩增仪）第28页，共39页，2023年，2月20日，星期四基因工程的诞生

1972年是基因工程的诞生之年。美国斯坦福大学P.Berg将SV40的DNA导入噬菌体载体在大肠杆菌中获表达。S.Cohen等人将抗四环素、新霉素基因的质粒转化大肠杆菌，获得抗四环素，抗新霉素重组菌落，从而揭开基因工程的序幕。第29页，共39页，2023年，2月20日，星期四类型单拷贝序列：人类约占60%~65%中度重复序列：长短300~700bp，重复次数达105。通常为Alu、KpnⅠ、Hinf、rRNA、tRNA、组蛋白基因等。高度重复序列：卫星DNA及微卫星DNA反向重复序列：人类约占5%，长度300bp在复性时，若有间隔序列，可形成发夹结构，若无间隔序列，可形成回文结构，可能与复制、转录调控有关。第30页，共39页，2023年，2月20日，星期四多基因家族指来源相同，结构相似，功能相关的基因在染色体上成串存在，形成多基因家族。如rRNA、tRNA、组蛋白基因等为成串的，干扰素、珠蛋白、生长激素等为分散的。第31页，共39页，2023年，2月20日，星期四卫星DNA卫星DNA又称随体DNA，由CsCl超速离心后，分散在主峰旁，形似卫星分布而称之。一般5-10bp短序列，人类为171bp，保护和稳定染色体。近来又发现微卫星DNA，又称简单重复序列，一般由1-6bp的串联重复单位组成，有2bp、5bp、6-7bp