遗传学第11章 基因的本质

第十一章

基因的本质

基因概念的发展

基因表达的调控1第一节

基因概念的发展遗传因子染色体是基因的载体基因的功能遗传物质是核酸DNA的分子结构基因是顺反子近代基因概念一、遗传因子

经过八年的豌豆杂交试验，1866年发表《植物杂交试验》论文，提出了分离规律和独立分配律。认为生物性状由遗传因子决定，性状本身是不能遗传的，控制性状的遗传因子才是遗传的。MendelG.J.

（1822-1884）3

丹麦遗传学家JohansenW.

1909年发表“纯系学说”，明确区分“基因型”和“表现型”，提出“gene”的概念，代替了遗传因子。谈家桢先生在美期间翻译为“基因”。

英国生物学家BatesonW.是孟德尔理论的捍卫者和宣传者，他以香豌豆为材料，得到了性状连锁的实验结果。1906年，创造遗传学“genetics”。4二、染色体是基因的载体1903年，SuttonW.和BoveriT.提出遗传的染色体学说—基因位于染色体上。细胞遗传学诞生。5一个功能单位—控制单位性状；

一个突变单位—可以突变为不同的等位形式；一个重组单位—基因之间发生重组；基因是Morgan等通过伴性遗传、连锁交换规律、基因定位的工作证明基因位于染色体上，呈直线排列，1926年出版《基因论》。

因其卓越工作，荣获1933年度诺贝尔奖。该时期，细胞遗传学发展迅速，成就巨大。6三、基因的功能

BeadleG.W.和TatumE.L.

以粗糙链孢霉为材料，证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状，1941年提出“一个基因一个酶”学说。BeadleG.W.TatumE.L.7AABBCCDD

●每种突变体是单一基因突变的结果

●

该物质的生化合成途径已知突变b

他们获得了多种粗糙脉胞菌的营养缺陷型突变体，结合突变体不能合成产物的生化合成途径，分析突变与生化途径的关系。生化遗传学确立了。前体物中间产物1中间产物2中间产物3终产物8检测的物质ABCDEF

---

+

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-

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+

-+EADBCF54213

Beadle和Tatum因该项工作和Lederberg在有关细菌的基因重组和遗传物质结构方面的发现，共同获得1958年度诺贝尔奖。

突变体123459四、遗传物质是核酸

遗传物质必须具备的基本特点:※

必须能稳定地含有关于有机体细胞结构、功能、发育和繁殖的各种信息；※

必须能精确复制，使后代细胞和亲代细胞具有相同的遗传信息；※

必须能变异，如果没有变异，就不会有进化。10

1928年GriffithF.在肺炎双球菌感染小鼠的实验中最早发现了转化现象，开启了对“转化因子的研究”;

1944年，AveryO.T.等在肺炎双球菌转化实验中证明了遗传物质是DNA，而不是多糖、蛋白质。

直到1950年，虽然附着在活性DNA上的蛋白质含量已降低到0.02％，顽固者仍然在质疑

。11

某些病毒为RNA病毒，其遗传信息由RNA携带。

1952年HersheyA.D.和ChaseM.的噬菌体复制实验，进一步证明DNA的遗传功能。

Hershey主要因病毒复制方面的成绩获1969年度诺贝尔奖。

1955年，

Avery去世。他曾多次获得提名，后来诺贝尔奖评审委员会惋惜地承认：“Avery于1944年关于DNA携带遗传信息的发现代表了遗传学领域中一个最重要的成就，他没能得到诺贝尔奖金是很遗憾的”。12五、DNA的分子结构1953年，WatsonJ.和CrickF.提出了DNA的双螺旋结构模型，揭示了遗传信息是如何储存在DNA中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。分子遗传学的序幕拉开。他们获得1962年诺贝尔奖。13FranklinR．WilkinsM.DNA的X射线衍射照片14六、基因是顺反子1955年Benzer以噬菌体为材料，在分子水平上提出了顺反子学说。SeymourBenzer

属于“最聪明的没有获得诺贝尔奖的人”，是开创分子生物学的重要人物，他获得过几乎所有重要的生物医学奖项—拉斯卡奖、格拉芙奖、沃尔夫奖等。15雌果蝇雄果蝇基因型16A区的数目小眼数基因型16A区的数目小眼数+/++/B+/BBB/BBB/BB23446780360457025+BBB12374090301、位置效应16

+/BB个体中，两个B在同一染色体上，称为顺式（cis）排列；在B/B个体中，两个B在不同的染色体上，称为反式（trans）排列。

由于基因在染色体上排列方式的不同而表型不同的现象，称为位置效应（positioneffect），或称为顺反位置效应（cis-transpositioneffect）。

基因在染色体上的位置有功能上的意义。172、曲霉中的试验StrainAStrainBnn混合培养有时形成异核体偶尔核融合二倍体核曲霉菌（Aspergillusnidulans）分生孢子2n2n菌落18二倍体后代中出现约0.14%的野生型

?腺嘌呤缺陷型ad16、ad82n是腺嘌呤缺陷型ad16和ad8是同一基因突变的结果ad16和ad8是同一基因的不同突变位点19

体细胞交换或有丝分裂交换：交换发生在二倍体菌丝的有丝分裂中，而不是发生在减数分裂中。++ad16ad8复制+ad16+ad8体细胞交换+ad16+ad8+ad16+ad8ad16ad8++着丝粒的随机趋向++ad8ad16ad8++突变型野生型ad16++ad8ad16ad8++突变型野生型ad1620突变型野生型ad16++ad8╳╳反式排列ad16++ad8╳╳顺式排列

基因内的不同位点上可以发生突变，基因内的不同突变位点之间可以发生重组。一个基因21类型不同大肠杆菌菌斑平板上表型BK（ג）S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑rⅠ小噬菌斑大噬菌斑无噬菌斑rⅡ小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑rⅢ3、重组测验Benzer分离到几千个快速溶菌（r）突变体，根据其表型不同，区分为rⅠ、rⅡ、rⅢ。

这些突变之间的结构关系？22接种在E.coliB平板大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑小噬菌斑接种在E.coliK(

ג

)平板小噬菌斑无噬菌斑无噬菌斑无噬菌斑23rx和ry

之间的重组值2

(r+

噬菌斑数)总噬菌斑数100%==2

在E.coliK(ג)平板上长出的噬菌斑数在E.coliB平板上长出的噬菌斑数100%

重组测验（recombinationtest）：以遗传图的方式确定突变子之间的空间关系。

理论上，基因内相邻核苷酸位置上的突变是可能重组的。24Benzer的方法可用来测算一个基因内部不同位点间的距离，它的精确度可达到十万分之一，即0.001个图距单位，所以称为基因的精细作图。254、互补测验

互补测验（complementationtest）：确定不同突变之间的功能关系。

许多突变型都有相同的表型，这些突变型是属于一个基因呢，还是属于不同的基因？

互补（complementation）：指两个突变型同时感染E.coliK时，可以相互弥补对方的缺隙，共同在菌体内增殖，引起溶菌，释放原来的两个突变型。26rⅡ区的部分连锁图r47r51H04H01H06H02A区B区27没有互补28有互补29

运用互补实验来确定有同一表型效应的两个突变型是否属于同一顺反子。没有互补突变型有互补野生型m1++╳╳m2m1++╳╳m2顺式（对照）野生型同一顺反子中的突变位点反式不同顺反子中的突变位点m1++╳野生型╳m2m1++╳╳m230

一个顺反子是一个功能水平上的基因；是DNA分子上的一个特定的区段，就其功能而言是一个独立的单位。但在这一特定的DNA片段内含有许多突变位点，称为突变子（muton），即突变后可以产生变异的最小单位（或者是DNA中构成基因的一个或若干个核苷酸）；这些突变位点之间可以发生重组，称为重组子（recon），即不能由重组分开的最小单位。5、顺反子

一个不同突变之间没有互补的功能区称为顺反子（cistron）。31转座因子（跳跃基因）

细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，称为转座因子（transposableelement），也称为跳跃基因（jumpinggene）。1951年，McClintock提出转座因子的概念，81岁时（1983年）获诺贝尔奖。七、近代的基因概念发展32解离因子（dissociator，Ds）：非自主转座；影响邻近基因的作用

激活因子（activator，Ac）：自主转座；解除Ds对C的抑制作用；无其他表型效应

Ac因子有转座酶基因，是自主性因子；Ds是Ac发生了缺失或其他变化，丢失了内部序列，丧失了转座酶活性，但是留下了完整的转座酶作用位点，具有转座的能力。1、玉米中的转座因子33玉米中的转座现象3435

由于Ds基因解离的时间有早有晚、有长有短，表现在籽粒上的色斑就有大有小。换句话说，玉米籽粒（或叶片）之所以出现色斑，以及色斑的大小，既决定于色素基因C的表达，也是由于另外一个或多个基因调节和控制的结果。转座因子的机理是从1944年至1950年才完全弄清楚。

McClintock1950年发表了《玉米易突变位点的由来与行为》，1951年发表了《染色体结构和基因表达》两篇论文。36

随着分子生物学的发展，逐渐发现了许多与McClintock转座因子相同或相似的现象。例如，20世纪60年代末在大肠杆菌中发现了F因子、“插入序列”（IS）等。

1976年，在冷泉港召开的“DNA插入因子、质粒和游离基因”专题讨论会上，明确地承认可用“转座因子”来说明所有能够插入基因组的DNA片段。37McClintock在美国遗传学界是享有盛誉的女科学家，从30年代开始研究玉米，有关玉米染色体的鉴定、分裂过程、连锁交换、结构变异、断裂·融合·桥循环等都与她有关，她还成功地阐明了脉孢菌减数分裂的全过程。虽然是用经典遗传学方法完成的，但她同时也开启了通往分子遗传学的另一扇门。这是McClintock在细胞学水平上对基因的追踪，尽管当时人们还不知道DNA的本质。38

IS是一类较小的转座因子，可以从染色体的一个位置转移到另一个位置，或从质粒转移到染色体上。IS本身没有任何表型效应，只携带和它转座作用有关的转座酶基因。2、原核生物中的转座因子1）插入序列（insertionsequences,IS）2）转座子（transposon,Tn）

是一类较大的转座因子，两端具有IR，除了会有与它的转座作用有关的基因外，还带有抗药基因。39

操纵子（operon）

基因不仅是传递遗传信息的载体，又具有调控其他基因表达活性的功能。基因可以有其自身的产物，也可以没有产物。

断裂基因和重叠基因

在一条DNA链上，从ATG开始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序列称为通读框（openreadingframe）。40

断裂基因（interruptedgene）

基因的编码顺序由许多非编码区域隔开，使阅读框不连贯。

出现在mRNA分子中的基因序列称为外显子（exon），不出现在mRNA分子中的基因序列称为内含子（intron）。

真核生物的基因一般都有内含子，原核生物的基因一般没有内含子。不同基因其内含子的大小及数目不同。4142

断裂基因的生物学意义：

有利于储存较多的遗传信息；

有利于变异和进化；

内含子有调控作用。

增加重组频率；

英国科学家罗伯茨RichardJ.Roberts和美国科学家夏普PhillipA.Sharp因发现断裂基因而共同获得1993年度诺贝尔奖。43

一般认为重叠基因不仅可以经济、有效地利用遗传信息量，更重要的可能是便于对基因表达起调控作用。

真核生物中也有重叠基因，如一个基因的内含子是另一个基因的外显子。

指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。重叠基因（overlappinggene）44癌基因（oncogene）抑癌（抗癌）基因（anti-oncogene）染色体外基因

质粒线粒体基因叶绿体基因

假基因（pseudogene）

基因家族和基因簇45第二节基因表达的调控基因的类别基因表达调控一、基因的类别根据基因的功能和性质，分为：1、结构基因（structuralgenes）

调节基因（regulatorygenes）

结构基因不仅可以转录成mRNA，而且可翻译成多肽链，从而构成各种结构蛋白质及各种酶。

调节基因可以转录成mRNA，翻译成阻遏蛋白或激活蛋白，调控其他基因的活性。472、核糖体RNA基因（ribosomalRNAgenes，rDNA）转移RNA基因（transferRNAgenes，tDNA）

这类基因只转录成相应的mRNA，而不翻译成多肽链。它们都是多拷贝的。3、启动子（promoter）操纵基因（operator）

这类基因都是不转录的DNA区段，决定结构基因的开启或关闭。48二、基因表达调控

基因表达是结构基因在生物体内的转录、翻译以及所有的加工过程。任何影响基因的开启与关闭、转录和翻译过程速率的较直接的因素及其作用，就是对基因表达的调控。49MonodJ.JacobF.和MonodJ.

JacobF.和MonodJ.通过对不同的乳糖代谢突变体来研究基因的作用，阐明了E.coli乳糖代谢基因表达调控的机理，于1961年提出乳糖操纵子学说，获1965年度诺贝尔奖。50三、原核生物基因表达的调控1、酶的可诱导现象

这些酶要有诱导物（乳糖）存在时才产生，称为诱导酶。组成酶

乳糖（lactose）

葡萄糖

+

半乳糖

β–半乳糖苷酶lacZ

β–半乳糖苷透性酶lacY

β–半乳糖苷转乙酰酶lacA512、操纵子模型1）操纵子（operon）

很多功能上相关的结构基因常常位于染色体的邻接位置上，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录；包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列称为操纵子。

原核生物基因调控主要发生在转录水平上，转录调控的基本单元是操纵子。522）启动子（promoter）操纵基因（operator）

启动子是基因上游的一段序列，是转录起始时聚合酶识别、结合的特定部位，其本身不被转录。