第八章 遗传的分子基础.ppt

1、第八章 遗传的分子基础,第一节 基因的本质,一、基因和DNA,1.DNA和染色体 遗传学研究表明：一条染色体只含有一条DNA的双螺旋，具体地说，一条染色单体含有一条DNA双螺旋。 染色体的长度比DNA短，其宽度比DNA双链长，所以DNA双链分子在染色体中是盘绕又盘绕，高度的卷曲的。,一、基因和DNA,2.基因是DNA分子上的一个片段 DNA分子最短的约有4000个核苷酸，最长的约有40亿个核苷酸。一个基因大约有5006000个核苷酸。 研究表明，并不是DNA分子上任一含有几千个核苷酸的区段就是一个基因，而是一个特定的区段，是由若干个核苷酸组成的具有特定序列的区段。,（1）RNA的核苷酸顺序和蛋

2、白质的氨基酸顺序完全对应。（2）每个基因的起始密码子是AUG，而终止密码子是UAA或UAG。（3）基因之间有基因区间，区间并不含有遗传信息。,3.从分子水平上说明基因的三个基本特性,基因的自体复制： 基因决定性状： 基因的突变：,二、一个基因一个酶的假说,George W Beadle和Edward L Tatum于1941年系统提出了一个基因一个酶的假说，来说明基因和酶之间的精确关系，他们因这一发现而于1958年获得了诺贝尔奖。,链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸的反应,菌株：基因O突变； 菌株：基因C突变； 菌株：基因A突变。,三、人的先天代谢缺陷,（一）苯丙氨酸代谢过程障碍导致的

3、几种遗传病 图示：苯丙氨酸的几条代谢途径。其中每一步都需要特定的酶。,相关的遗传病,(1)黑尿病(aa)：尿液氧化后变黑。体内没有尿黑酸氧化酶，不能把尿黑酸变成乙酰醋酸。 (2)白化病(cc)：不能形成黑色素。不能合成酪氨酸酶。不能使酪氨酸变为3.4一二羟苯丙氨酸，进而不能形成黑色素。 (3)苯酮尿症(pp)：不能形成苯丙氨酸羟化酶，因而不能把苯丙氨酸转变为酪氨酸，造成血液中苯丙氨酸累积，只能通过苯丙氨酸转氨酶的作用，变为苯丙酮酸，从小便中排出。,（二）半乳糖血症,患者表现为不能利用半乳糖,有的患儿不能吃人奶、牛奶等。临床症状一般很严重，呕吐、腹泻、肝脏肿大，生长缓慢，智力低下，往往在婴儿期死

4、亡。 如果及早发现病因，在婴儿的食物中完全去掉乳糖和半乳糖之类的物质，血中半乳糖含量很快下降，健康状况可以大大改进，能使婴儿的生长和发育正常起来。,半乳糖正常代谢需要三种酶：半乳糖激酶、G-1-磷酸尿苷转移酶和异构酶，患者是缺少G-1-磷酸尿苷转移酶。 先天代谢缺陷都是由于一种酶的缺少，由一隐性基因所控制，基因的作用决定某种酶，从而通过代谢途径，控制某一性状。,四、基因的最初概念,1866年，G. J.孟德尔在他的豌豆杂交试验中，提出了遗传因子的概念，但他并没有严格地区别所观察的性状和控制这些性状的遗传因子。 1909年，丹麦遗传学家约翰逊（Johansson. W.L）提出基因这一名词（ge

5、nepangen geneticsto generate）。并提出了基因型和表现型这个术语。,1910年，美国遗传兼胚胎学家T.H.摩尔根首先说明:,(1)基因可以发生突变； (2)证实基因位于染色体上，呈直线排列，象一串珠子一样； (3)非等位基因间可以发生交换。 提出基因是一个功能单位，也是一个突变和交换单位的“三位一体”的概念。把基因看成是不可分割的最小的遗传单位。,基因的最初概念：,说明基因在染色体上，不同的基因在染色体的不同片段，这意味着基因是染色体的一个特定的区段，即DNA的一个片段，从而证明基因也是一种物质，但当时把基因看成是不可分割的，最小的遗传单位。,五、基因的精细结构,（一

6、）位置效应 果蝇的棒眼遗传 Sturtevant通过杂交，得到各种基因型，其中棒眼、重棒眼和野生型以各种方式组合起来。他为了了解各种基因型的复眼的大小，计数小眼数，结果如下。,雌性果蝇的复眼中的小眼数,从表中看出：,随着重复的增加，小眼数越来越少。棒眼基因（B）不是完全显性。 B/B型雌蝇和一个BB/+型雌蝇的16区A段数同样是4个，但效应不同。表现出基因的位置不同，造成的表型效应的不同。,位置效应：,在+/BB个体中，称为顺式位置，对小眼数的影响大些； 而在B/B个体中，称为反式位置，对小眼数的影响要小些。 这种由于基因变换了在染色体上的位置而带来表现效应改变的现象叫做基因的位置效应。,(二

7、 )顺反子,曲霉菌(Aspergillus nidulans) 无性繁殖 如果把两个不同菌株的单倍体菌混合培养，有时不同菌株的菌丝互相融合，使两种不同株的核处于同一细胞质中，这种情况叫异核体(heterocaryer)，在异核体中，两个核偶尔会发生融合，形成二倍体核，它们的菌丝产生二倍体分生孢子。这种分生孢子就可分离出来，长成二倍体菌落，进行遗传学分析。 曲霉菌的染色体数是n=8。,ad16 +x+ ad8,杂合体仍为缺陷型 (?) ，这种表型说明ad8和ad16 是等位基因，但是在大量的后代中大约出现0.14%的野生型。 可能原因： （1）突变：但频率小，只是10-5，两个基因同时发生突变更

8、小。 （2）交换,ad8和ad16 不是两个基因，而是一个基因内的两个位点.,体细胞交换,交换不发生在减数分裂过程中，而是在二倍体菌丝的有丝分裂中发生的，是体细胞交换。,交换的结果：,杂合体（2）和（4）是野生型，这表明ad8和ad16 都是隐性的，杂合体（1）是突变型也容易理解，可看一看（3）（4）两种基因型相同， 为什么顺式排列 ad16 ad8/+ 是野生型， 而反式排列ad16+/+ ad8 是突变型？,结论：,如果把ad8和ad16看作是一个作用单位的两个位点，那么这种现象就容易说明。 如果从基因是可分的观点来看，把ad8和ad16看作是一个座位中的两个位点，在结构上它们是两个单位，

9、但在功能上是共同的，一起发挥作用，是一个功能单位。 ad8和ad16虽是不同的突变点，它们具有功能上的等位性。,顺反子的概念,顺式：两个突变型在同一DNA链上。 反式：两个突变型在不同的DNA链上。 在顺式杂合子（4）中，一个顺反子的两个位点都发生突变，而另一个顺反子正常，所以杂合子的表型是野生型。 而在反式杂合子（3）中，两个顺反子各有一个位点发生突变，没有一个顺反子具有形成正常表形所需的遗传信息，所以是突变型。,(三)互补实验,1955年，美国的S.Benzer（本泽）用大肠杆菌T4噬菌体作为材料，研究快速溶菌突变型r的基因精细结构，发现在一个基因内部的许多位点可以发生突变，并可以在这些位

10、点之间发生交换，从而说明一个基因是一个功能单位，但并不是一个突变单位和交换单位. 一个基因可以包括许多突变单位和许多重组单位。,噬菌体T4感染E.coli引起溶菌,有一组T4突变型，产生大而边缘清楚的噬菌斑，叫做快速溶菌（rapid lysis 用r 表示）。 而野生型噬菌体的噬菌斑小而边缘模糊(r +)。,r和r +噬菌斑,T4的突变型r和野生型r+在不同菌株上的噬菌斑,（1）重组测验（recombination）,r区中有3000多个突变型，它们都有相同的表型。Benzer把r突变型一对对地杂交，测量每对突变位点间的重组频率。,例如：,如 rx+ry在许可条件下双重感染B菌株，形成噬菌斑后

11、收集菌液，稀释后分成两份，一份再接种到B菌株， 这样，rx+，+ry，rxry，+都能生长，另一份接种于K()，在这里，只有+重组子才能生长，交互重组子rxry不能生长。 具体用r47和r106 、r51和r106,r+ r47 r106 r+ 混合感染 E.coli B株 接种 B株K12()株 计数 r+ r106 、 r47 r+r+r+r+r+、 r47 r106 仅生长一四种基因型 种重组型均能生长,重组值=2(r+噬菌斑数)/总噬菌斑数 =2在E.coliK(入)上长的噬菌斑数/ 在E.coliB上长的噬菌斑数 100%r47和r106 的重组值是3.9%，r51和r106的重组值

12、是1.9%,(2) 互补测验,r47和r106 接种到K12()株不成斑； r51和r106 接种到K12()株成斑,r突变型:,可分成rA和rB两个互补群。 凡是属于rA互补群的突变不能互补，同理属于B互补群的突变也不能互补， 只有rA的突变和rB的突变可以互补。 所以 r 区包括两个顺反子。A基因产生A物质，B基因产生B物质，两种物质共同存在形成野生型。,互补实验,用互补实验来确定两个突变型是属于一个作用单位，还是两个作用单位。 反式排列时是否有互补效应: 如反式时互补，说明两个突变位点处于不同的顺反子中; 如不互补，说明它们属于同一顺反子。,强调：,顺式排列只是作为对照， 因为在顺式排列

13、中，不论是两个基因的突变，还是同一基因内两个位点的突变，在互补测验中均表现出互补效应。,根据上面介绍的几个遗传实验，特别是本泽关于r 区的遗传学分析，我们对基因的概念作进一步的修正。,六、近代基因的概念,基因是一个作用单位（即顺反子），一个顺反子内有许多位点。 也可以从三个不同的层次来研究，作为突变单位、重组单位和功能单位。 突变子(muton)：性状突变时产生突变的最小单位。 一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。,如镰形细胞贫血症:HbS和HbA。这对基因的差别只是链第6位氨基酸谷氨酸变为缬氨酸: DNA mRNA 蛋白质 正常HbA：CTT GAA 谷氨酸 镰形HbS：CAT G

14、UA 缬氨酸,三个不同的层次：,重组子(recon)：性状重组时，可交换的最小单位。 一个交换子可以只包含一个碱基对。 顺反子(cistron)：表示一个作用的单位，基本符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链合成相对应；平均为5001500个碱基对。,总结：,每个顺反子在染色体（DNA）上的区域称为基因座（locas），而每个基因座上有许多突变位点（site），它是一个顺反子内部能发生突变的最小结构单位，称为突变子；一个突变可以小到一对碱基；它们之间可以重组，而重组的最小结构单位称为重组子，重组子可以小到邻近碱基对间的重组。 由此可见，顺反子既具有功能上的完整性，又具有结

15、构上的可分割性。,分子遗传学关于基因的概念：,.揭示遗传密码的秘密：基因是具体物质。 一个基因是DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传信息，转录成RNA ，翻译成多肽链，或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、操纵基因)。 .基因不是最小遗传单位，是更复杂的遗传和变异单位。,分子遗传学对基因概念的新发展,结构基因(structural gene)：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。如镰形细胞贫血症。 控制基因(regulator gene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,操纵子：,大肠杆菌乳糖操纵子。 1961年，法国分子生物学家F.Jacob（杰柯伯）和J.Mo

16、nod（莫诺）通过不同的大肠杆菌乳糖代谢突变体来研究基因的作用，从而提出操纵子学说（operon theory），1965年获诺贝尔奖。,操纵子：,这种由底物诱导而产生酶的效应称为诱导作用（induction） 相应的酶称为诱导酶（inducible enzyme） 酶诱导普遍存在于细菌中。,一个操纵子（operon）除了同一个转录单位的结构基因(structure gene)外，还有直接参加其转录调控的DNA序列。lacO , lacP，即乳糖操纵子由5个紧密连锁，但功能不同的DNA区段组成。,乳糖操纵子的构成：,（1)结构基因z ：- 半乳糖苷酶基因 酶催化：乳糖半乳糖+葡萄糖。 (2)结

17、构基因y ：- 半乳糖苷透性酶基因 膜结合蛋白，使乳糖进入细胞。 (3)结构基因A：编码- 半乳糖转乙酰基酶，该酶可将一个乙酰基从乙酰辅酶A转移至- 半 乳糖上，其在乳糖利用上的生物学意义尚不清楚。,组成：,（4)启动基因P ：是RNA多聚酶与DNA结合的启始部位。(initiator) (5)操纵基因O ：是阻遏蛋白结合的部位，它的功能象一个开关。(operator) (6)调节基因i：产生阻遏蛋白，调节结构基因的活性，与(1)-(5)不相邻。(regulatory gene)。,调控基因：指调节控制结构基因表达活性的基因，它包括调节基因、启动基因和操纵基因。,（二）大肠杆菌乳糖操纵子的正调

18、控,在大肠杆菌中还发现有一种分子，其作用与阻遏物相反，它结合到操纵子的适当部位上时，可启动转录。这种调节机制属于正调控（positive regulation）. 只要培养基中有葡萄糖存在，便抑制了利用其它各种糖的酶的产生，这种现象称为分解物阻遏。,cAMP：,20世纪50年代后期发现动物细胞中的cAMP(cyclic AMP,环化腺核苷一磷酸)在许多激素的作用过程中有着十分重要的作用。 1965年，B.Magasonik发现在大肠杆菌中也含有cAMP，而且菌株内cAMP的含量常随细胞的生理状态发生变化，即当细胞处于碳源饥饿的条件下，cAMP水平显著提高，反之，在细胞生长的培养基中含有大量葡萄

19、糖时，cAMP水平明显降低。,cAMP：,乳糖操纵子也有类似的情况，只有当以乳糖为唯一碳源时，- 半乳糖苷酶的合成才增加，但是在以乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入cAMP，- 半乳糖苷酶的合成速度也会大大提高，可达到只用乳糖为碳源时的水平。这说明菌株内，cAMP的浓度能影响到- 半乳糖苷酶的合成速率。,cAMP：,进一步的分析发现，这一过程与诱导蛋白有关。这种蛋白称为分解物基因激活蛋白或cAMP受体蛋白（catobolite gene activatorin protein,CAP,或cAMP receptor protein,CRP）； 这是一种二聚体蛋白质，可起转录起始因子的作用，在有cAM

20、P时，能使操纵子有效地进行转录。CAP单独存在时无活性，但它可被cAMP激活，二者结合成复合物，可同启动子结合。,Lac操纵子的正调控机制：,cAMPCAP复合物与DNA结合改变了这一区段DNA次级结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链。 cAMPCAP复合物的形成取决于细胞内cAMP的浓度： 当以葡萄糖为碳源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性，ATP不能转化为cAMP，细胞内cAMP浓度降低，形不成cAMPCAP复合物，因而乳糖结构基因不被转录。细胞既有葡萄糖作为能源，也就没有对乳糖利用的几种酶的需要。,七、基因概念的发展,（一）断裂基因 传统的观点认为每个结构基因是一段连续的DNA顺序，到19

21、77年法国的Chambom等和美国的Berget等首次在猴类病毒SV40和腺病毒中发现基因内部以及基因与基因之间存在有间隔顺序（spacer sequence），从而导致隔裂基因的概念。,概念：,基因的编码顺序由若干非编码区域（间隔序列）隔开，使阅读框不连续，这种基因称为隔裂基因（split gene，interrupted gene隔裂基因）。 通读框（open reading frame）：在一条DNA链上，从起始密码开始到终止密码为止的连续核苷酸密码序列。,内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。,m

22、RNA的加工,（1）在mRNA的前体5端加上一个7甲基鸟苷，叫加帽。 （2）在mRNA的前体3端加上一条具有150200个腺苷酸的序列，称为多聚A（polyA），叫加尾。 （3）在5端一般有23个核苷酸被甲基化。 （4）切除内含子编码的区段。,断裂基因的意义,(1) 有利于储存较多的信息：不同的剪接方式对应不同的mRNA，从而对应不同的多肽。 (2) 有利于变异和进化 (3) 增加重组机会 (4) 可能是基因调控装置：内含子本身、转录水平和转录后水平,（二）重叠基因(overlapping gene),传统的观点认为每个基因是由一些密码子组成。而这些密码子是有序地排列在DNA链上，基因在染色体

23、上是一个接一个地排列（线状排列）并不重叠。,指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。,（三）跳跃基因,细胞中能改变自身在染色体上位置的一段DNA顺序，叫做转座遗传因子（transposable genetic element）, 简称转座元件或转座基因（transposable element,TE）， 可动基因(mobile gene)。,转座(transposition) 易位(translocation),转座酶 原位置仍保留,1、玉米的(As-Ds)控制系统,1932年，美国玉米遗传学家B.McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用，又称之为控制因子（Controlling elements）。 其中一个称之为解离因子（DS，dissociation），DS插入色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，当DS离开C基因后抑制作用被解除。,Ds的解离又受另一控制因子激活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基