第四章基因的結構與功能

1、第四章 基因的結構與功能,基因是一個特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,第一節(jié) 基因的概念,一、基因概念的發(fā)展（一）遺傳“因子”：孟德爾認為，生物性狀的遺傳由遺傳因子所控制，性狀本身不遺傳。（二）染色體是基因的載體：摩爾根實驗證明基因位于染色體上，并呈直線排列，提出了遺傳學是連鎖交換規(guī)律，建立了遺傳的染色體學說，為細胞遺傳學奠定了重要基礎。并由此提出基因既是一個功能單位，是一個突變單位，也是一個交換單位的

2、“三位一體”概念。∴　經(jīng)典遺傳學認為：基因是一個最小的單位，不能分割；既是結構單位，又是功能單位。,（三）DNA是遺傳物質：1928年Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎球菌的轉化，證實DNA是遺傳物質而非蛋白質；Avery用生物化學的方法證明轉化因子是DNA而不是其他物質。（四）基因是有功能的DNA片段20世紀40年代Beadle和Tatum提出一個基因一個酶的假說，溝通了蛋白質合成與基因功能的研究1953年Watson和Crick提

3、出DNA雙螺旋結構模型，明確了DNA的復制方式。,1957年Crick提出中心法則，61年提出三聯(lián)體遺傳密碼，從而將DNA分子結構與生物體結合起來1957年Benzer用大腸桿菌T4噬菌體為材料，分析了基因內(nèi)部的精細結構，提出了順反子（cistor)的概念，證明基因是DNA分之上一個特定的區(qū)段，是一個功能單位，包括許多突變位點（突變子），突變位點之間可以發(fā)生重組（重組子）理論上，一個基因有多少對核苷酸對就有多少突變子和的重組子，實際

4、上，突變子數(shù)少于核苷酸對數(shù)，重組子數(shù)小于突變子數(shù)。,總之：順反子學說打破了“三位一體”的基因概念，把基因具體化為DNA分子上特定的一段順序--- 順反子，其內(nèi)部又是可分的，包含多個突變子和重組子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一個遺傳功能單位，其內(nèi)部存在有許多的重組子和突變子。 突變子：指改變后可以產(chǎn)生突變型表型的最小單位。 重組子：不能由重組分開的基本單位。,（五）操縱子模型

5、 1961年法國分子生物學家Jacob和Monod通過對大腸桿菌乳糖突變體研究，提出了操縱子學說（operon theory)。闡明了基因在乳糖利用中的作用。,（六）跳躍基因（轉座子）和斷裂基因的發(fā)現(xiàn) 20世紀50年代以前認為每一基因組的DNA是固定的，而且其位置和他們的功能無關。50年代初芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出某些遺傳因子可以轉移位置，之后在真核生物和原核生物中發(fā)現(xiàn)基因組中某些成分不固定性是普遍現(xiàn)象，稱跳躍

6、基因。70年代后發(fā)現(xiàn)大多真核生物基因都是不連續(xù)的，被不編碼序列隔開，稱斷裂基因。,二、基因的類別及其相互關系,根據(jù)基因的功能和性質，可將其分為以下幾類：（一）結構基因（structural gene)和調(diào)節(jié)基因(regulatory gene):既可轉錄又可翻譯。（二）核糖體RNA基因（rRNA基因簡稱rDNA）和轉移RNA基因（tRNA基因簡稱tDNA ）：只可轉錄不可翻譯。前者專門轉錄rRNA， rRNA與響應蛋白質結合形成核糖

7、體；后者專門轉錄tRNA， tRNA作用是激活氨基酸。（三）啟動子（promotor0和操縱基因(operator):既無轉錄功能又無翻譯功能，確切說，它們不能稱為基因。,三、基因與DNA,一個基因大約有500-6000個核苷酸對，但并非DNA分子上任一含有幾千個核苷酸對的區(qū)段都是一個基因，基因是一個含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段。如何判斷一段核苷酸序列是否是某個基因？ 要看這個特定的核苷酸序列是否與其轉錄產(chǎn)物

8、RNA核苷酸序列或翻譯產(chǎn)物多肽鏈的氨基酸序列相對應，這樣就必須同時測定某一段DNA的核苷酸序列和相應產(chǎn)物的序列。,第二節(jié) 重組測驗,一、擬等位基因 黑腹果蠅中wa代表杏色眼基因,w代表白色眼基因，且都位于X染色體上 P wa wa × wY 杏色 白色 F1 wa w wa Y(杏色眼）

9、 F2 wa wa wa w wa Y wY,,,若wa 和w為等位基因 ，F(xiàn)2應該只有親本兩種表型，但在大量的F2群體中卻出現(xiàn)了1/1000野生型紅眼出現(xiàn)，紅眼不是突變產(chǎn)生，因為不可能出現(xiàn)如此高的頻率,進一步研究證明：這是由于杏色眼基因和白眼基因在染色體上所占的位置（座位）相同，但屬于不同的位點，因而它們之間可以發(fā)生交換。 P wa+/ wa+ × +w/ Y

10、 F1 wa+/ +w wa+/ Y （配子） （配子） wa+ +w wa w ++ wa+ Y F2出現(xiàn) ++/ wa+ 和++ /Y（紅眼野生型）,,,,,,順反位置效應（cis-trans position effect)： wa+/ +w兩個突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)， wa w /++兩個

11、土百年同時排在一條染色體上，而另一條染色體上兩個位點均正常，稱為順式（cis)。反式表現(xiàn)為突變型，順式排列為野生型，這種由于排列方式不同而表型不同的現(xiàn)象成為順反位置效應。,擬等位基因（pseudoallele)：表型效應類似緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結構性的等位基因，其發(fā)現(xiàn)證明：基因是可分的。,二、噬菌體突變型1、噬菌斑形態(tài)的突變型2、寄主范圍的突變型3、條件致死突變型概念：條件致死突變（P101）Benzer實驗所用的

12、T4的rⅡ突變就是一個條件致死突變型。（見P101表4-1）,三、 Benzer的重組實驗兩種rⅡ突變類型：rx、ry　 　　　　r+rx　　×　　ryr+　　　　　　　　　 ↓混合感染　　　　　　　　E.coli B株　　　　　　　　　接種　　　　　　　　　　　　　　　B株　　　　　K(λ)株　　　　　　　 計數(shù)　　　　　r+ry、rxr+　　　　r+r+　　　r+r+、rxry　　　僅生長一　　　四種

13、基因型　　　 種重組型　　　 均能生長,,,,,重組值計算：rxry的數(shù)量與r+r+ 相同，計算時r+r+ 噬菌體數(shù)×2。,此種測定方法稱為重組測驗（recombination test) ，它以遺傳圖的方式確定突變子之間關系，此方法測定重組頻率非常靈敏可以獲得小到0.001％，即十萬分之一的重組值。,第三節(jié) 互補測驗,一、互補測驗的原理和方法 互補測驗（順反測驗）：根據(jù)功能確定等位基因的測驗。即根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式

14、表現(xiàn)型來確定兩個突變體是否屬于同一個基因（順反子） 彼此互補（complementation)：用 rⅡ 突變型成對組合同時去感染大腸桿菌K(λ)株，若被雙重感染的細菌中產(chǎn)生兩種親代基因型的子代噬菌體（也有少量重組型的噬菌體），那么就必定是一個突變型補償了另一個突變型所不具有的功能，這兩個突變型就稱為彼此互補。,若雙重感染的細菌不產(chǎn)生子代噬菌體，那么這兩種突變型一定有一個相同功能受到損傷。,互補測驗結果發(fā)現(xiàn)： rⅡ 突變型可分

15、成rⅡ A和rⅡ B兩個互補群。所有rⅡ A突變型的突變位點都在rⅡ 區(qū)的一頭，是一個獨立的功能單位,所有rⅡB突變型的突變位點都在rⅡ 區(qū)的另一頭，也是一個獨立的功能單位.,凡是屬于rⅡ A的突變之間不能互補,同理凡是屬于rⅡ B的突變之間也不能互補,只有rⅡ A和rⅡ B的突變之間可以互補,即雙重感染大腸桿菌K(λ)株后可產(chǎn)生子代。說明: rⅡ A和rⅡ B是兩個獨立的功能單位,分別具有不同的功能,但它們的功能又是互補的。,互補試

16、驗的原理 表型 有無功能互補 結論 反式: A+ B A B+ 反式: A+ B A B+,,,,,突變型 － 屬同一順反子,野生型 ＋ 屬不同順反子,二、順反子,互補實驗中，兩個隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補效應，則證明這兩個突變型分別屬于不同基因；如不能表現(xiàn)出互補，則證明這兩個突變型在同一基因內(nèi)。對于不同

17、基因間的突變型在互補測驗中，不論是順式還是反式排列均表現(xiàn)出互補效應；但若屬于同一基因的不同位點的突變，則順式結構表現(xiàn)互補，反式結構則不能互補。說明基因是一個獨立的功能單位。,順反子：不同突變之間沒有互補的功能區(qū)，一個順反子就是一個基因，就是一個基因座位，包含多個基因位點，是遺傳上的一個作用（功能）單位，但不是一個突變單位或重組單位。 順反試驗：指將兩個擬突變分別處于順式和反式，根據(jù)其表型確定兩個突變是否是同一基因的試驗。,判斷兩突變是

18、否處于同一順反子的方法: 順式 反式 分析結論：兩突變 + +/- - + -/- + 表現(xiàn)型 野生型 野生型 屬于兩個順反子 表現(xiàn)型 野生型 突變型 屬于同一順反子,遺傳上的突變單位和重組單位是突變子（muton)和重組子(roecon)，突變子是基因內(nèi)改變后可以產(chǎn)生突變表型的最小單位。它只相當與一個核苷

19、酸對，不能將其定義為一個基因。重組子是基因內(nèi)不能有重組分開的遺傳單位，也不能將其定義為一個基因。所以：基因可分，可分為很多突變子和重組子。,三、 基因內(nèi)互補1、 基因內(nèi)互補的機理,2、 基因內(nèi)互補與基因間互補的區(qū)別,第四節(jié) 缺失作圖,點突變和缺失突變的區(qū)別： 1、點突變是單個位點的突變，缺失突變是多個位點的突變； 2、點突變可回復，而缺失突變不可； 3、點突變之間可發(fā)生重組，缺失突變同另一個基因組在這個缺失區(qū)的點突變 間

20、不可重組，即無法通過重組而恢復野生型核苷酸順序。,缺失作圖：Benzer根據(jù)這一原理很方便地把數(shù)千個獨立的rⅡ突變定位在rⅡ遺傳圖上更小的區(qū)段內(nèi)，此方法稱缺失作圖。凡是能和某一缺失突變進行重組的，他的位置一定不在缺失范圍內(nèi)，凡是不能重組的，它的位置一定在缺失范圍內(nèi)。 缺失 1 缺失 2 a b c 細

21、線表示缺失區(qū)，二者分別與各種突變體雜交，缺失2只有與a區(qū)中突變體雜交才能產(chǎn)生野生型重組體，缺失1只有與 c區(qū)突變體雜交才能產(chǎn)生野生型重組體，但2個缺失與b區(qū)的突變體雜交均不能產(chǎn)生野生型重組體。,,,,,,,,,,,,,,,,二、缺失作圖方法（P107）,第五節(jié) 斷裂基因與重疊基因,一、外顯子與內(nèi)含子1977年法國的Chambon等和Berget等首次報道基因內(nèi)部有間隔順序（spacer sequence)，并由此提出斷裂基因（spl

22、it gene）的概念。在成熟mRNA上反映出的DNA區(qū)段，即DNA序列中被轉錄成為mRNA的片段稱為外顯子（exon或extron)在成熟mRNA上未反映出的DNA區(qū)段稱為內(nèi)含子(intron),二、斷裂基因的意義1、有利于儲存較多的信息，增加信息量；2、有利于變異和進化；3、增加重組機率；4、可能是基因調(diào)控裝置,三、重疊基因1978年英國劍橋大學分子生物學Sarger分析了 X174DNA全序列后，發(fā)現(xiàn)它的核苷酸實際

23、數(shù)比理論數(shù)少614個氨基酸。 同實驗室的Barrell等發(fā)現(xiàn)其基因組中有些密碼是重疊的，從而形成重疊基因。重疊基因的幾種重疊方式：1、大基因內(nèi)包含小基因2、前后兩個基因首尾重疊3、三個基因之間三重重疊,,,4、反向重疊5、重疊操縱子普遍認為：重疊基因不僅是能經(jīng)濟和有效的利用DNA遺傳信息量，節(jié)約堿基，而且更重要的是便于對基因表達起調(diào)控作用。如色氨酸操縱子中trpD基因的翻譯依賴與上游基因trpE的翻譯，原因是trpE的

24、終止密碼子與trpD的起始密碼子重疊。,第六節(jié) 基因的功能,一、Garrod的先天性代謝缺陷 二十世紀初，英國醫(yī)生Garrod首先發(fā)現(xiàn)人類中幾種先天性代謝缺陷疾病，如苯丙酮尿癥（PKU），它有常染色體隱性基因決定。這是因為這種隱性基因不能產(chǎn)生苯丙氨酸羥化酶，因而不能把提內(nèi)多余的苯丙氨酸轉化為酪氨酸，因此血液中的苯丙氨酸積累起來，只能通過苯丙氨酸轉移酶的作用，從另一代謝途徑轉變成有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸從尿液中排除，可通過尿檢而確診

25、，所以稱為苯丙酮尿癥。,苯丙酮酸 酪氨酸 3，4二羥苯丙氨酸 苯丙酮酸 對羥苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸

26、 aa(黑尿癥） 已酰醋酸 CO2+H2O,,,,,,,,,,,,苯丙酮尿癥,,pp,,cc,白化病,Garrod認為這些代謝缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一個提出基因和酶之間關系，認為基因是通過控制酶和其他蛋白質合成來控制細胞代謝的。二、一個基因一種酶假說 Beadle和Tatum于1941年提出，并因此

27、于1958年獲得諾貝爾獎。,（一）生物合成過程 基因： a b c d ↓ ↓ ↓ ↓ 酶： A B C D 代謝物：1 → 2 → 3 → 4 → 5 前體物 色素原a 色素原b 紅色 紫色,檢測的物質 A

28、 B C D E G突 1 — — — + — + 2 — + — + — +變 3 — — — — — + 4 — + + + — +體 5 + + + + — +,,,突 變 型: 5 4

29、 2 1 3 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓代謝過程: E → A → C → B → D → G,（二）突變型與合成缺陷,（三）一個基因一種酶的實驗依據(jù),精氨酸缺陷型 補充培養(yǎng)基: 鳥aa 瓜aa 精aa 菌株I

30、― ― ＋精氨酸突變型 菌株II － ＋ ＋ 菌株III ＋ ＋ ＋,,分析得出: 基因 arg1 arg2 arg3 ↓ ↓ ↓ 酶1 酶2 酶3

31、 ↓ ↓ ↓ 前體物 ? 鳥aa ? 瓜aa ? 精aa,（四）一個基因一種酶的局限性 (1) 并非所有的基因都為蛋白質編碼； (2) 有的酶由多個基因編碼； (3) 有的一個基因控制多個酶； (4) 有的RNA具有催化活性；,三、一個結構基因一條多肽鏈的證據(jù)直接證據(jù) 人的鐮刀形細胞貧血癥正常人紅細胞中含血紅蛋白（HbA）：圓盤狀，紅

32、色，運載氧氣；鐮刀形細胞貧血癥患者紅細胞含血紅蛋白（HbS）：鐮刀形，溶血型貧血，不能運載氧氣。,,正常人基因型為：HbA HbA 血紅蛋白為HbA異常人基因型為：HbS HbS 血紅蛋白為HbS雜合體基因型為：HbA HbS血紅蛋白兼有HbA和HbS兩種。但由于HbA可攜帶氧氣，因而不表現(xiàn)臨床癥狀。,研究表明： HbA有4條多肽鏈組成α2β2，其中 兩條相同的α鏈，每條具141個氨基酸；兩條相同的β鏈，每條具146個氨基酸