基因的性质.ppt

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1、第三章第三章 基因的概念与发展基因的概念与发展 基因的本质基因的本质、基因和、基因和DNA一、经典遗传学中基因的概念一、经典遗传学中基因的概念二、二、生化遗传和早期分子遗传学生化遗传和早期分子遗传学对基因概念的发展对基因概念的发展三、三、基因的微细结构与性质基因的微细结构与性质四、四、现代分子遗传学关于基因的概念现代分子遗传学关于基因的概念1/95一、经典遗传学中基因的概念一、经典遗传学中基因的概念按照经典遗传学对基因的概念，基因具有染色体的主要特性，基因在染色体上占有一定位置(位点)是交换的最小单位，基因是一个突变单位，基因是一个功能单位。2一、经典遗传学中基因的概念一、经典遗传学中基因的概

2、念3二、二、生化遗传学对基因概念的发展生化遗传学对基因概念的发展生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念：基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸(碱基)序列中。“一个基因一个酶”，基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列。4二、二、生化遗传学对基因概念的发展生化遗传学对基因概念的发展5二、二、生化遗传学对基因概念的发展生化遗传学对基因概念的发展6二、二、生化遗传学对基因概念的发展生化遗传学对基因概念的发展7三、基因的微细结构与性质三、基因的微细结构与性质(一一)、位置效应位置效应(二二)、遗传的

3、最小结构单位遗传的最小结构单位果蝇眼型遗传与拟等位基因双重感染与基因内重组遗传的最小结构单位(三三)、遗传的最小功能单位遗传的最小功能单位8/95(一一)、位置效应位置效应位置效应：基因在染色体上位置不同对性状表现的作用(程度)也可能不同。果蝇16A区段(Bar基因)重复处于染色体的不同位置对其个体眼面大小(小眼数目)的效应不同。位置效应表明：染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响。所以“念珠理论”的第一点(基因与染色体的关系)得到了发展。“念珠理论”的另一个内容是基因的结构不可分性(最小遗传结构单位)。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究。91.果蝇眼型

4、遗传试验果蝇眼型遗传试验(E.B.Lewis)列维斯得到果蝇染色体2末端一个位点的两个突变型：显性星眼突变型(S)：杂合体S/+野生型眼稍小；隐性拟星眼(ast)：纯合体ast/ast眼更小。基因定位发现两个突变在同一区域，且S/ast杂合体眼型最小。几种基因型眼型表现为：+/+S/+ast/astS/ast；将四种表现型分别用：A、B、C、D表示。功能和位置关系表明S和ast是等位基因。Lewis得到一个果蝇品系：S基因两侧具有al和ho两个隐性突变标记(alSho)，并获得杂种alSho/+ast+。10试验结果试验结果11结果分析与拟等位基因结果分析与拟等位基因(Psendoallele

5、)野生型的个体是如何产生的？研究发现回复突变频率很低，不能产生如此高频率(万分之2.8)的野生型；进一步分析发现：16个野生型个体均表现为+ho，表明在al-ho间发生了交换。基于基因不可分性(交换只发生在基因间)，Lewis认为：S和ast是两个紧密连锁基因，而不是一对等位基因；由于它们功能相似，均控制果蝇的眼型，所以称为拟等位基因(Psendoallele)。据此Lewis认为野生型产生于拟等位基因S和ast间交换。12图示与分析图示与分析Lewis认为突变基因S与拟星眼突变基因ast间是拟等位基因关系，能解释果蝇眼型遗传试验结果；同时也能解释其它研究结果，如：果蝇菱形眼突变型遗传。但拟等

6、位基因并不能直接证明，因为即使S与ast确是拟等位基因，也难以分离它们：表型相似、紧密连锁。133.互补实验互补实验T4突变型突变型(rII)遗传研究遗传研究143.互补实验互补实验T4突变型突变型(rII)遗传研究遗传研究153.互补实验互补实验T4突变型突变型(rII)遗传研究遗传研究163.互补实验互补实验T4突变型突变型(rII)遗传研究遗传研究17183.互补实验互补实验T4突变型突变型(rII)遗传研究遗传研究SeymourBenzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究证明：拟等位基因的说法是不正确的。T4野生型在E.Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑。T4突变

7、品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.Coli B上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.ColiK()上不能生长。19试验方法与结果试验方法与结果试验方法：最初得到8个不同的r突变型品系，8个突变基因均定位于T4DNA的一个区段内(rII区段)；将8种突变型两两组合混和感染E.Coli B菌株(双重感染,doubleinfection)；从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染E.coli K()。试验结果：在菌苔上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑。20试验方法与结果试验方法与结果21双重感染试验双重感染试验22232425野生型的产生与基因内重组野生型的产生与基因内重组

8、结果分析：回复突变的频率很小，不会产生如此高频率的野生型噬菌体(斑)；所以野生型只能由重组产生。用拟等位基因可以解释试验结果；但同时意味着：rII区段内至少存在8个拟等位基因。Benzer先后分离到400多个不同的rII突变。在rII区段内存在如此多的基因显然是不可能的。结论：这些基因并不是所谓的拟等位基因，而就是rII区段突变形成的复等位基因。基因是由更小的重组单位构成，野生型产生于基因内重组，从而推翻了推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。26*双重感染法绘制双重感染法绘制rII区段连锁图区段连锁图操作方法：用两种rII突变型双重感染B品系，收集溶菌液；分别接种到B品系、K()品系菌苔上；考

9、察两个品系菌苔上的噬菌斑数目，就可以计算两个突变位点间的重组值；绘制连锁遗传图。由于采用了条件致死选择系统(即在E.ColiK()上rII不能生长)，分辨率极高，可以检测到十万分之一的重组值。27B品系双重感染的结果品系双重感染的结果283.最小的结构单位最小的结构单位重组值检测精度可达十万分之一，但实际结果不会低于0.01%；可推断基因内存在最小重组单位，本泽尔将最小重组单位定义为重组子(recon)。rII区段存在多种突变的结构表明：基因也并非最小突变单位。Benzer提出用突变子(muton)来描述基因突变的最小单位。理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研究显示：突变子和重组子都是一个核

10、苷酸对或者碱基对(bp)。所以基因内每个碱基均可能发生突变，任意两个碱基间均能发生交换重组。29A.双突变杂合体的互补作用双突变杂合体的互补作用假定有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表型，如何判定是属于同一基因(功能单位)的突变还是分别属于两个基因(功能单位)的突变呢？在二倍体生物中，必须建立双突变杂合体，然后测定这两个突变互补作用。这种根据功能确定等位基因的测验称为互补测验或顺反测验。30A.双突变杂合体的互补作用双突变杂合体的互补作用双突变体杂合体有两种形式，即顺式(cis)和反式(trans)，如图所示：31顺反测验与顺反子顺反测验与顺反子顺式排列总是野生型。如果反式排列表现为野生型，

11、说明这两个突变分别属于两个基因位点，即非等位基因；如果反式排列表现为突变型，则说明这两个突变属于同一基因的不同座位，即等位基因。根据两突变反式双杂合体有无互补作用可以判断它们是否为同一个功能单位的突变：突变型无互补作用为同一功能单位的突变；野生型有互补作用为不同功能单位的突变。这种测验称为互补测验，也称为顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。Bener提出了顺反子这个概念并用它表示功能的最小单位，并表示顺反的位置效应。32rII顺反测验顺反测验rII区段突变的性质：rII突变具有共同性状

12、，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因；如果基因是最小的功能单位，它也是一个顺反子。Benzer通过顺反测验表明：100多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够突变，而组内的突变型间不能互补；与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端|A|B|。33rII顺反测验顺反测验本泽尔所用的突变型可以分成A组和B组两类，只有当一个A组的一个B组的突变体混合感染K12()时，才发生溶菌现象，即互补现象。而两个A组突变体或两个B组突变体则没有溶菌现象，即不发生互补作用。34rII的两个顺反子的两个顺反子经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位)。

13、因此基因也很可能不是遗传的最小功能单位。有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子。在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体。Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。35Benzer rII的两个顺反子的两个顺反子本泽尔在50年代对T4噬菌体区基因的微细结构进行了详细的分析。野生型T4噬菌体侵染大肠杆菌B株和K12()株(带有整合到大肠杆菌染色体上的噬菌体)，经6-10小时而形成小而边缘模糊的噬菌斑，而突变型T4噬菌体在侵染大肠杆菌20分钟后，即形成大而边缘清楚的噬菌斑。突变型只能在B株上生长，不能在K12()株上生长。如果让不同的两个r突变型杂交，然后在K12()株上用选择方法把重

14、组体+筛选出来，从而可以计算出这两个+突变座位间的重组频率。3637Benzer rII的两个顺反子的两个顺反子用大量的突变体对大肠杆菌B株进行双重感染。形成噬菌斑后，收集含有子代噬菌体的溶菌液，把它接种到B株上，计算溶菌液中的总噬菌体数，因为两种突变体(x、y)重组体(+)和(x、y)都可以在B株生长；同时把溶菌液也接种到K12()株上，计算出野生型重组体数目，因为只有可以生长，而其余三种基因型都不能生长，其中含有重组体xy，所以在计算重组体数目时，要乘以2，这是因为xy虽然是预期的但不能检出。38Benzer rII的两个顺反子的两个顺反子重组值的计算方法：重组值2(+噬菌体数)/总噬菌体

15、数100%2(K12()株上生长的噬菌斑数)/在B株上生长的噬菌斑数100%=0.0141%根据大量的二点杂交所得的重组值，去掉%，即为两个突变座位间的距离，利用大量区间二点杂交的结果可绘制出区座位间微细的遗传图。3940四、四、现代分子遗传学关于基因的概念现代分子遗传学关于基因的概念(一)、现代基因概念基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。如图分子遗传学的大量试验证明，DNA是主要的遗传物质，基因在DNA分子上，一个基因相当于DNA分子上的一定区段，它携带有特殊的遗传信息，这类遗传信息或者被转录为RNA(mRNA、tRNA、rRNA)或者被翻译成多肽链(指mRNA)或者对其他基

16、因的活动起调控作用(调节基因、启动基因，操纵基因)4142四、四、现代分子遗传学关于基因的概念现代分子遗传学关于基因的概念(一)、现代基因概念基因由重组子、突变子序列构成的。重组子是DNA重组的最小可交换单位；突变子是产生突变的最小单位；重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)。基因可以包含多个功能单位(顺反子)。精密的微生物遗传分析表明，在一个基因的区域内，可以划分出有关重组、突变、功能的三个单位，即突变子，重组子和顺反子。(1)、突变子：它是性状突变时，产生突变的最小单位，一个突变子可以小到只是一个核苷酸对。(2)、重组子：在发生性状的重组时，可交换的最小单位，一个交换子只包含一对核

17、苷酸。(3)、顺反子：一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链所合成相对应平均大小为500-1500个核苷酸。43(二二)、基因的功能类型基因的功能类型根据基因的原初功能可以将基因分为：1.编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因。如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因。2.没有翻译产物，不产生蛋白质的基因。转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA。3.不转录的DNA区段。如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位。44(二二)、基因的功能类型基因的功能类型45(二二)、基因的功能类型基因的功能类型46(三三

18、)、基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式随着基因结构和功能的深入研究，进一步发现了几种特殊的基因。生物遗传和早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构。1977年Doel研究表明：卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明基因的DNA序列可能是不连续的。外显子：参加蛋白质编码的DNA片段；内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段。真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂基因。471.断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因481.断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因491.断裂基因或隔裂基因断裂基因或隔裂基因50(三三)、基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式2.重叠基因：同一段DNA序列，由于阅读框架

19、(转录范围)不同，同时成为两个或两个以上基因的组成部分。因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部。51(三三)、基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式52(三三)、基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式3.重复基因：指在染色体组上存在多份拷贝的基因。重复基因往往是生命活动中最基本、最重要的功能相关的基因。最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。534.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)544.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)又称为转座子(transposon)、转座因子、转位因子(transposableelement)。生化遗传和早期分

20、子遗传学还认为基因在染色体上的相对位置是固定的。后来发现某些DNA序列可以在染色体上转变位置。转座子转位的过程也是一个遗传重组过程；转座子在染色体上转位可能会引起插入位置基因功能丧失(突变)，再次转位离开插入点时便会发生基因功能的恢复。554.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)564.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)574.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)584.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)594.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)604.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)614.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)

21、624.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性634.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性644.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性654.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性664.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性674.跳跃基因跳跃

22、基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性684.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性694.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性704.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性转座子的结构特性714.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)724.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)734.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)

23、744.跳跃基因跳跃基因(jumping gene)755.假基因假基因(pseduogene)76本章要点本章要点DNA是主要遗传物质的间接证据与直接证据；DNA分子一级结构及双螺旋结构模型要点，DNA复制的基本模型(半保留复制、复制的半不连续性)；遗传信息传递的中心法则与发展，转录、翻译的概貌；基因概念与性质的发展：经典遗传学与现代分子遗传学(基因的微细结构)，基因原初功能类型及几种特殊形式；基因突变的类型、DNA防护机制、损伤修复与基因突变产生的分子机制；遗传工程及相关概念的含义、基因工程的基本步骤。77参考书目参考书目遗传学应用，罗鹏主编，高等教育出版社，1996：pp:2-16.深入学习读物：植物外源基因转移育种，郑有良主编，四川科学技术出版社，1998.基因工程原理(上、下)，吴乃虎编著，科学出版社，2000/2001.78