第六章基因的概念和结构.ppt

1、第六章（1）基因的概念和结构 一、基因概念的演变 二、基因的结构 三、基因的鉴定 生命科学学院 卢龙斗,一、基因概念的演变 1、在功能上基因概念的演变 1）遗传因子是生物性状的符号 18571909 1857年Mendel作了8年的碗豆杂交实 验，创立了遗传学的第一、第二定 律，在他的植物的杂交实验论文中 把控制 性状的 某种东西叫做“遗传因 子”（Genetic factor) ,分别用A、B、C、D等字 母代替遗传因子，此因子就是生物性状的 符 号，例如：红花A用表示，白花用a表示。这种因,什麽东西，在什麽地方还不清楚。但是，在哪个 年代Mendel提出了遗传因子的概念，认为子代 的性状是

2、由于得到了亲代的遗传因子，这已经是 一个伟大的进步，既：生物的性状有它的物质 基础，打破了上帝决定一切的概念。 2）基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功 能单位 19091940,1909年，丹麦人约翰逊（Johansen) 1910年Morgan 、 Sturtevant、Briges 的工作， 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 功能单位、突变单位、重组单位。 把基因物质化。提出“三位一体”的概念。但是还 不清楚基因到底是什麽东西，是啥样的化学实体 1927年，摩尔根的 弟子穆勒Muler 发现用X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 在的化

3、学实体，同时开创了基因突 变新领域。1946年获得诺贝尔奖金,3）基因是决定某种酶的DNA片段 19401955 1940年，Beadle和Tatum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 氨酸缺陷型，在此缺陷型又分成四种类型： argE argF argG argH,精氨酸缺陷型的生长反应 菌 株 基本 基+谷 基+鸟 基+瓜 基+精琥 基+精 野生型 + + + + + + arg E - - + + + + argF - - - + + + argG - - - - + + argH - - - - - +,谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 精氨酸,精氨酸的代谢

4、过程和酶作用位置 谷氨酸 argE酶 鸟氨酸 argF酶 瓜氨酸 argG酶 精氨琥珀酸 argH酶 精氨酸,分析代谢途径 ：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前 在那种物质上都长，说明那种物质最靠后,分析基因作用位置: 在多种物质上都长，说明基因作用靠前.在多种物质上都不长，说明基因作用靠后 提出一个基因一种酶学说，1958年双双获诺贝尔奖金。但没有打破基因三位一体的概念,代谢途径分析,从竖行分析代谢途径 ： 在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前。 在那种物质上都长，说明那种物质最靠后,谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 精氨酸,基因作用位置分析, 谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精琥氨酸 精氨

5、酸,从横行分析基因作用位置: 在多种物质上都长，说明基因作用靠前. 在多种物质上都不长，说明基因作用靠后,：,缺陷型,代谢物,Y W T Z X 2 5 1 3 4,1944年，Avery的细菌体外转化实验 证明N是遗传物质， 1952年，Hershey和Chase的噬菌 体重组实验使生物学界承认N 是 遗传物质，1969年Hershey获诺贝尔奖金 1953年Watson和Crick以及威尔金斯发 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DNA片 断。1962年三人同时获得诺贝尔奖金,4）基因是决定一条多肽链的DNA片段 19551961 A、顺反测验 (1955 Benz

6、er ) 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 法,T4噬菌体R区有2个位点： RA 、RB RA RB 两个位点都正常时可在大肠杆菌K菌株上生长 两个位点突变时不能在K菌株上生长 两个其中的1个位点突变时不能在K菌株上生长 这2个位点属于一个基因的两个位点还是 两个基因呢？,他设计了顺反测验的方法分析T4噬菌体R区的 两个区域，描绘了基因的的精细结构，发表细 菌噬菌体遗传区的精细结构论文，提出了顺反 子(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的 DNA片段的概念。 顺反子:一个不同突变之间没有互补的功能区.,r1 r2 顺式 野生型性状 r1

7、反式 r2 野生型性状,顺式时、反式时都为野生型性状，说明这 两个位点能互补，此两个位点 属于两个 不同的基因,r1 r2 顺式 野生型性状 + + r1 反式 突变型性状 + r2 顺式时产生野生型性状，反式时产生突变型性状， 说明这两个位点不能互补，此两个位点属于同一个基因的两个不同位点,B、顺反测验结论 单独感染时： RA RB：在K菌株上不生长 RA RB+： 在K菌株上不生长 RA+ RB：在K菌株上不生长 RA+ RB+：在K菌株上生长 混合感染时; RA RB + RA+ RB+： 生长，有互补 RA RB + + RA+ RB：生长，有互补 RA+ RB + RA RB+： 生

8、长，有互补,发现RA区是一个基因位点， RB区是一个基因 位点，两个位点都正常时，每位点编码一条多肽 链，2条多肽链合起来形成一种酶，提出：一个基 因一条多肽链的学说，打破了基因是一个功能单 位的概念 在RA区: a + + b a b + + 在每个区的不同突变体之间也进行了一系列顺反 测验，混合感染试验，证明RA区是一个顺反 子，RAB区是一个顺反子。,不生长，无互补,生长，有互补,C、基因精细结构分析 突变子（muton)：可以突变的最小单位 发现A基因有800bp，既有800个突变位点，B基因 有500bp，既有500个突变位点 交换子（recon) ：可以发生交换的最小单位 A基因有

9、800bp，既有800个交换位点，B基因有 500bp,既有500个交换位点 打破了基因“三位一体”的概念。,例题11、a,b,c,d,e是T4 r的点突变体，1，2，3， 4为缺失突变体。根据下列结果画出缺失突变体的缺 失图和点突变的位置、顺序。表中“+”和“-”表示它们 对E.coli B混合感染时有无野生型重组子出现。 （南开大学2005年考研试题 10分） a b c d e 1 + + - + + 2 + + + + - 3 - + + - + 4 + - + + + 知识要点 1）缺失可以发生在T4 r区段的不同部位，形成不 同的缺失突变体。 2）T4 r区段可以在不同的位点发生突

10、变，形成不 同的点突变体。,3）只有野生型才能在对E.coli B感染后产生噬菌斑。 若用缺失突变型和点突变型混合感染E.coli B，若 出现噬菌斑说明二者发生了重组，说明点突变的位 置不在该缺失区段内，若不出现噬菌斑，说明二者 没有发生重组，说明点突变的位置在该缺失区段内 解题思路 1）根据知识要点1），可以假定野生型的T4 r是含 有1、2、3、4号区段。T4 r的缺失突变体1是1号 区段缺失、缺失突变体2是2号区段缺失、缺失突变 体3是3号区段缺失、缺失突变体4是4号区段缺失。 2）根据知识要点2），T4r的5种点突变体可以发生 在T4 r的不同区段。,3）根据知识要点3）分析表中实验

11、结果，可以推测点 突变的位置。 标准答案 缺失突变体的缺失图 正常噬菌体DNA 1 2 3 4 缺失1区突变型 2 3 4 缺失2区突变型 1 3 4 缺失3区突变型 1 2 4 缺失4区突变型 1 2 3,点突变的顺序 c e d a b 1区 2区 3区 4区 （有些缺失突变体的缺失区段互相有重叠） 解题捷径 点突变与缺失突变体混合感染后若不出现噬菌 斑，说明二者不能发生重组，说明点突变位于该 缺失区段。,1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 + 5 6 ,能互补则不在一个顺反子 不能互补则在一个顺反子,1与4不互补,因此,1与4在一个顺反子 1 4 2与5不互补，因此，2、5在一个顺反

12、子 2 5 3与6不互补，因此，3与6在一个顺反子 3 6 所以，涉及到3个基因，,5）基因是实现一定遗传效应的核苷酸序列 1961-1969 1961年 ，Monord 和Jacobe对大肠杆菌乳糖代谢进 行研究， 提出了乳糖操纵子学说,I P O Z Y A 调节基因、结构基因：转录翻译形成蛋白质 操纵基因：仅转录不翻译不形成蛋白质 启动基因：不转录不翻译不形成蛋白质 因此，基因不一定都得有产物,：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 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 分子遗传学的新的一章，1965年Monord 和 Ja

13、cobe双双获得诺贝尔奖金,1968年美国遗传学家普坦森(Ptashene) 吉尔伯特(Gilbert)成功分离出一个具 有抑制功能的DNA片断，用实验和实物 证明了基因的调控机制 1969年，Shapiro分离出了大肠杆菌乳 糖操纵子,进一步证实乳糖操纵子学说,2、在结构上基因概念的演变 1）重复基因 (repetitive gene) 基因以多个拷贝存 在的现象 。 1968年美国学布里顿通过DNA的复性动力学研 究发现在真核细胞DNA中存在重复顺序 物种 5SRNA tRNA 大肠杆菌 7 60 啤酒酵母 140 250 黑腹果蝇 165 850 人类 2000 1300 非洲爪蟾 24

14、000 1150,2）重叠基因: (Over-lapping gene)一基因与另一 基因存在共用一段核苷酸序列的现象 重叠基因的发现 : 1977年 Sanger对一侏儒噬菌体 X174的DNA结构 和蛋白质进行研究,发现它能形成11种蛋白质,总分 子量为25万道而顿,按此量该噬菌体应该有6078个 核苷酸来编码,但是，此单链环状DNA仅有5386个核 苷酸,少692个核苷酸, 对这种现象的分析中发现 了重叠基因,重叠类型： 重叠一个核苷酸： 5 T A A T G 3 正链 3 A T T A C 5 负链 5 U A A U G 3 RNA UAA为D基因的终止码,AUG为J基因的 起始

15、码,两个基因重叠一个核苷酸 重叠两个核苷酸: 5 A T G A 3 正链 3 T A C T 5 负链 5 A U G A 3 RNA A基因的终止码UGA与C基因的起始码AUG 重叠两个核苷酸,部分重叠: K基因与A基因重叠83个核苷酸,与C基因 重叠85个核苷 酸 K 51 218 A 3973 133 C 390 完全重叠: E基因在D基因中,重叠322个核苷酸 E 518 840 D 390 845,B基因在A基因中,重叠388个核苷酸 B 5046 48 A 3973 133 三重重叠：1978年,有人发现Sv40病毒3个外壳蛋白基 因 Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。有5234b

16、p, 环状双链基因组分成10分钟长. Vp1 7-1.5 Vp2、 7-9.8 Vp3 7-9.8,G4噬菌体：基因全长都与其它基因重叠，端区 与基因的最后个重叠，端与基因的 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。（终止、起始、编码）,H,A,C,D,B,K,反向重叠：双链DNA都转录，密码阅读框相同，但方 向不同，形成不同的蛋白质，两个转录互 相干扰，表达是一强一弱,5,3,3,5,5,5,3,3,不对称转录,对称转录,重叠操纵子：指结构基因与调控序列的重叠，调 控序列之间的重叠 重叠基因意义：在于经济有效的利用遗传信息， 不利一面是一个硷基的变化会影响 几个基因 真核生

17、物基因重叠：如果蝇、海胆、人类某些基 因也发现有重叠，但不普遍 。真 核生物存在内含子、外显子，选择 性剪接时形成不同的蛋白质，这也 是基因重叠现象，大鼠肌钙蛋白T 基因此方式产生、两种产物,有三中重叠方式： 完全重叠：如B基因落在A基因内，E基因落在D基因内。 部分重叠：如K基因与A及C基因。 少数核苷酸重叠：A基因与C基因 X174的重叠基因主要存在于5000-0-1000的区域内，这些基因也称nest genes.,G4噬菌体：基因全长都与其它基因重叠，端区与基因的最后个重叠，端与基因的开头个重叠，在和两个位点上，阅读框的三种方式都得到应用。,H,A,C,D,B,K,Q噬菌体：与X174

18、及G4的重叠不同， Q噬菌体的重叠基因是按相同的阅读框阅读的，即所谓的通读（read through)。如其外壳蛋白基因完全落在A1基因内。,外壳蛋白400bp,A1基因800bp,病毒及真核生物：SV40病毒的t基因落在T基因内；VP1，VP2，VP3三个外壳蛋白之间有122bp的重叠。,3）断裂基因：(splite gene) 含有可转译区段和不转 译区段的一类结构基因 断裂基因的发现： 1977年美国生物化学家Sharp和英国生 物化学家Roberts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 开，呈现不连续状态，发现了断裂基 因，1993年两人获诺贝尔奖金。Crick 称之

19、为分子遗传学的一次“微型革命”,5 3 用限制性酶酶切得到含有腺病毒外壳蛋白六聚体 基因A的DNA片断，利用此基因的mRNA与该DNA 片断杂交，在5端出现出现3个环，在3端则二者 互补，没有出现环状结构，因此，认为该基因存 在割裂现象 同时Berget小组也发现了这种现象。,mRNA,DNA,在Sharp和Roberts的实验发现割裂基因之前法国的 Chambon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 解释这种现象。 1977年Berget在美国冷泉港作了一个关于断裂基 因的报告， Chambon受到启发，对他们的实验 进一步研究，在真核生物发现了

20、断裂基因。 1978年，Gilbert把出 现在成熟的mRNA中的片 段叫做外显子（exon)，把不出现在成熟的 mRNA中的片段叫做内含子(intron),鸡卵清蛋白基因的结构（7700bp） 外显子 内含子 1、47（前导序列） A 2、185 B 3、51 C 4、129 D 5、118 E 6、143 F 7、156 G 8、1043 1872bp 5828bp,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 于外显子。外显子可在一个基因中可不在 一个基因中。存在 Chambon规律。存在一 致序列 Chambon规律：指内含子5 端和3 端碱基的保

21、 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 强的核苷酸序列。,5 外显子 AG GT 内含子 AG GT 外显子 3 切割1： 5 外显子 AG GT 外显子 3 切割2：5 外显子 AG GT 外显子 3 切割3：5 外显子 AG GT 外显子 3,断裂基因的普遍性： 在低等生物中很少存在断裂基因，但在个别原核 生物如古细菌，大肠杆菌的噬菌体中也存在。 在真核生物中断裂基因比较普遍，但不绝对。 （酵母菌大部分基因不中断）。编码蛋白质的核基 因、编码rRNA的核基因、编码tRNA的核基因以 及一些真核生物的线粒体基因、叶绿体基因等 胶原蛋白基因40000bp有41个外显子，40

22、个内含子 假肥大型肌营养不良基因(DMD)长2300000bp， 有75个外显子，74个内含子,鸡前胶原蛋白基因，鸡半卵清蛋白基因，小鼠胶原 蛋白基 因，人类珠蛋白基因，酵母的cob基因等， 因此，断裂基因已成为真核生物的真质标记 断裂基因的研究进展： 原核生物中断裂基因的发现：1984年，Chu发现 E.coliT4噬菌体的胸腺嘧啶核苷酸合成酶基 因有一个1084bp 的内含子。腺病毒、Sv40 病毒、原核生物中的古细菌也都发现有断 裂基因现象。 RNA内含子：外显子、内含子一起转录成前体 RNA,加工切除内含子后形成成熟 RNA,蛋白质内含子：外显子、内含子一起转录、翻译 成一条多肽链然后

23、从太连中将对 应于内含子部分的序列切除形成 蛋白质 翻译内含子：转录成的成熟mRNA存在内含子， 而在翻译过程中跳过内含子，形成 肽链 内含子含而显：酵母线粒体细胞色素b基因有B1 、 B2、B3 、B4 、B5、B6 六个外显子负 责编码形成细胞色素b的酶,有I1、 12 、I3 、I4、 I5 五个内含子， 在mRNA成熟过程中，I2 I3 I4各自编 码一种蛋白质叫做RNA成熟酶，来删 除自己 外显子外而不显：人类的激酶基因的第一个外显子的 88bp不编码蛋白质，仅出现在 成熟的 mRNA中 外显子的不连续转录：锥虫的可变表面抗原基因的大 外显子与小外显子不在一个基因中，而 是分别转录后

24、又接在一起的 重叠内含子：指一个基因形成的一mRNA的内含子可 以是该基因另一个mRNA的外显子,断裂基因的意义： 储存较多遗传信息：经过加工一个基因可以形成多种 蛋白质 增加了重组机会：内含子存在加长了基因长度，利于 重组 利于变异和进化：交界处一个碱基变化可以使剪接变 化，导形成大的变异 自我防护机制：突变发生在内含子处时，没有损害 基因调控装置：内含子在转录水平基因表达中起调节 作用,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 Cc,cc,cc,跳跃基因的发现： McClintock终生未婚，进行玉米遗传育种研究，被 誉为玉米夫人。40年代

25、她发现玉米籽粒颜色遗传的 一些奇怪现象 玉米色素合成基因C为显性，不能合成色素基因c为 隐性。位于玉米9号染色体上。 基因型CC 、Cc为有色玉米，cc为无色玉米。 当基因型为cc时,在无色的背景上出 现许多紫色斑点。突变的频率很低， 回复突变的频率更低，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？,对实验现象的解释： 激活解离系统（Activator-Dissociator,Ac-Ds） 在玉米9号染色体色素基因C附近存在一个Ac基因，是 激活位点，可以激活其他基因改变自己的位置。一 个Ds基因，是解离位点，在作用下Ds跳跃到色素 基因C的近旁或其中，导致色素基因失活或发生突变

26、 为c。 Ds又可以从C基因近旁或其中跳跃出来而使之 又称为显性基因C。 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。1983年获得诺贝尔奖金。,二、基因的大小、数目、结构 1、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 100kb,很少有小于2000bp的，大多在5-100kb 之间。在分析一段DNA序列时，如果小于100个密 码子的就不能看作一个基因 原核生物的基因比较小,如X174的K基因仅仅167 个核苷酸。 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5-10倍,不同生物的平均基因大小 种类 平均 平均 平均 外显子数目

27、 基因长度kb mRNA长度kb 酵母 1 1.6 1.6 真菌 3 1.5 1.5 藻虫 4 4.0 3.0 果蝇 4 11.3 2.7 鸡 9 13.9 2.4 哺乳动物 7 16.6 2.2,2、基因的数目 1) 计算基因数目的方法 通过基因表达测算：不准确 通过突变分析测算：若某区段充满致死突变， 则测定此染色体区段的致死位点数量， 然后据此推出整个基因组中基因的数目 通过基因密度测算: 测基因组的序列,然后测 出平均每个开放阅读框的大小,测出每个阅读框 之间的间隔,计算出基因的数目。例如酵母菌的 基因组全长为12000 kb ,平均每个阅读框长度 为1.4kb,基因间间隔平均为600

28、bp,基因数目为 6000个,2 ) 不同生物的基因数目 种类 基因组大小(bp) 基因数目 X174 5386 11 枝原体 1.010 6 750 T4噬菌体 1.6105 200 大肠杆菌 4.2106 4288 酵母 1.310 7 6000 果蝇 1.4108 8750 水稻 4.6108 45000 人类 3.010 9 35000,3、基因的结构 1）原核生物基因的结构 ATG TAA,1,2,5,6,7,4,3,1、启动子 2、转录起始信号 3、核糖体结合位点 4、5非转译区 5、转录区（基因） 6、3非转译区 7、终止子 ATG起始码 TAA终止码,GC CAAT GC TA

29、TA E I E I E AATAAA,转录起始位点 转录终止信号,侧翼序列 基因序列 侧翼序列,2）真核生物基因的结构,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,ATG,TAA,1、启动子 2、转录起始信号 3、5非转译区 4、3、5、7、9、外显子 5、4、6、8 内含子 10、3非转译区 11、多腺苷酸化位点 12、终止子,12,三、基因的鉴定 1、基因鉴定的依据 编码序列 非编码序列 产生mRNA序列 不产生mRNA序列 非常保守 不保守 阅读框较长 阅读框较短或无 含有特殊序列 不含特殊序列 终止码出现无规律 有规律,2、基因鉴定的方法 1）与RNA杂交：利用基因序列能产生RNA的特性,待测DNA克隆