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1、第二章第二章基因和基因组及基因工程的概念基因和基因组及基因工程的概念第一节第一节基因的概念基因的概念第二节第二节基因组基因组第三节第三节基因工程的定义和研究内容基因工程的定义和研究内容第四节第四节基因工程的发展史基因工程的发展史第一节基因的概念一、基因与“遗传因子”二、基因与染色体三、基因与蛋白质四、基因与DNA五、基因密码的破译六、基因的概念七、基因的新概念一、基因与“遗传因子”对遗传物质基础的认识有个发展过程，孟德尔（G.Menodel）在18571864年以豌豆为材料进行杂交实验的研究中,提出“遗传因子”决定和控制着生物体的各种性状。1909年丹麦生物学家W.Johannsen为了强调“
2、遗传因子”与生命的关系,他根据希腊“给予生命”之义的词“gene”（基因）创造性地用“gene”这个术语来代替“遗传因子”。基因这个词当时被用来描述遗传性状，但对基因的物质概念还未能认识，只是遗传的一个符号。孟德尔的豌豆杂交试验遗传因子是成对的，一个来自父本，一个来自母本，形成配体时彼此分开，在性细胞中是成单的，杂交子一代各自保持独立和纯一状态，形成配子时又彼此分开，互不混杂，完整地传给后代，雌雄配子结合有等同随机结合的机会。圆形种子皱形种子杂交第一代(均为圆形)回交圆形豆皱形豆5474粒1850粒3：1 黄色图形绿色皱形黄色图形绿色皱形杂交第一代(均为黄色圆形)回交黄色圆形豆黄色皱形豆 绿色
3、圆形豆绿色皱形豆315粒121粒108粒32粒9：331二、基因与染色体1910年1926年,美国的摩尔根（T.H.Morgan）选用果蝇做研究材料，发现了基因连锁和交换现象，创立了遗传的染色体理论（Chromosomoltheoryofinheritance），绘制了基因连锁图,接受了孟德尔的遗传原理,指出遗传物质必须由某种独立的要素组成,即遗传因子或叫做基因。从而证明了基因是位于染色体上呈直线按顺序排列的遗传单位，基因是携带遗传信息的结构单位，又是控制遗传性状的功能单位。摩尔根果蝇杂交试验有4对染色体，一对小粒状，2对V形，一对呈棒状XX或XY（性染色体）X1X2（红眼）+XWY（白眼）（
4、野生型）（突变型）杂交子一代（雌雄均为红眼）X1XW，X1Y，X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY为红眼雄性及白眼雄性三、基因与蛋白质1941年和应用X射线诱导链孢霉菌（Newosporecrassa）在DNA损伤修复后,产生了大量营养缺陷性突变体,提出了“一个基因一种酶”学说,后来又修正为“一个基因一种蛋白质”的学说,或“一个基因一种多肽链”学说。四、基因与DNA1928年美国首次证明了控制遗传特性的物质是DNA,而不是蛋白质,染色体上的基因为DNA分子。1953年J.watson和F.Crick根据碱基配对规律和DNA分子的X射线衍射图谱等
5、实验,提出了DNA分子的双螺旋结构。1958年证明了DNA半保留复制和DNARNA蛋白质合成的中心法则（如图）。遗传中心法则五、基因密码的破译1961年F.Crick,S.Brenner,M.W.Nirenberg,H.G.Khorana等确立了每三个核苷酸可作为决定一个氨基酸的密码子。1964年64种三联密码子全部被破译公布。64种密码子中有61个密码子可用于编码20种氨基酸,有3个密码子为终止信号,只表示链的终止,不表达任何氨基酸。其中AUG为启始密码子，并具有通用性、偏爱性和简并性。遗传密码的兼并性六、基因的概念按照分子生物学理论，基因的概念应当是指编码有功能蛋白质多肽链或RNA分子所必
6、需的全部核酸序列（即DNA序列）。根据这个概念，一个基因不仅含编码蛋白质肽链或RNA分子的核酸序列,还包括保证转录所必需的非编码的调控序列即位于编码区上游5端的启动子非编码序列、内含子（intron）和位于编码区下游3端的终止子非编码序列。编码区是发挥基因功能的结构基因（或功能基因），而起调控、启动和终止作用的非编码区属于调控基因。七、基因的新概念1、移动基因、移动基因2、断裂基因（、断裂基因（splitgene）3、重叠基因、重叠基因4、假基因、假基因5、重复序列及重复基因、重复序列及重复基因1、移动基因、移动基因移动基因（movablegene）又叫转位因子（transposableele
7、ments）,由于它可以在染色体基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁，故又称跳跃基因（jumpinggene）,这种基因是在研究大肠杆菌高效突变时发现的。有三种类型：1.插入序列（insertionsequences,简称IS），其长度为数百个到数千个碱基对之间（如图2-1）。2.转位子（Tn)，即两侧的IS和一个中心序列（带有遗传信息）3.噬菌体Mu和D108，其转位作用如图2-2。2、断裂基因（、断裂基因（splitgene）在真核细胞中的核苷酸序列中间插入与氨基酸编码无关的DNA间隔区段，使一个有功能的结构基因分隔成不连续的若干区段，将这种编码序列不连续，有间隔区段的DNA片断称为断裂
8、基因。这种非编码间隔区段DNA称间隔子（内含子），有转录和编码功能的编码序列称表达子。原核细胞无内含子。其二者mRNA剪辑作用如图2-3，2-4，2-53、重叠基因、重叠基因不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个基因共用，将核苷酸彼此重叠的两个基因称为重叠基因（overlappinggenes）,在174噬菌体有两种类型的重叠基因（图2-6）。4、假基因、假基因在珠蛋白基因簇（genecluster）各片断核苷酸序列分析时发现，除了有正常的功能基因之外，还有功能失活的特殊序列片断，它不能行使表达功能。该类无表达功能的畸变核苷酸基因序列片断，称为假基因。其产生原因如图2-7、2-85、重复序列及重复
9、基因、重复序列及重复基因几乎所有的真核细胞（酵母除外）的基因组DNA中都具有重复序列（repeatedsequence）,它无转位移动能力，因此它区别于转位作用的IR（invertedrepeat）。IR是指序列的重复性。但无基因序列的交叉重叠性，故不同于重叠基因序列。重复序列可分为四种类型：(1)不重复序列，是唯一的序列，只有一个拷贝。(2)低度重复序列，一般有1-10个拷贝。(3)中度重复序列，有数十至数万（105）拷贝。如图2-9、2-10(4)高度重复序列拷贝数可达106以上,包括卫星DNA、高丰度SINE家族的Alu序列。第二节基因组“基因组基因组”是表示某物种单倍体的总是表示某物种
10、单倍体的总DNA，对于二倍体高等生物其配子的对于二倍体高等生物其配子的DNA总和即为一组基总和即为一组基因组。不同生物基因组数目不同，如表因组。不同生物基因组数目不同，如表研究得较多的为以下三类基因组：一、病毒基因组二、细菌基因组三、真核生物基因组第三节基因工程的定义和研究内容基基因因工工程程的的定定义义通通常常是是指指在在体体外外把把核核酸酸分分子子（基基因因）组组合合到到特特定定的的载载体体上上（病病毒毒，质质粒粒，噬噬菌菌体体等等）并并使使之之进进入入（或或导导入入）到到原原来来没没有有这这类类分分子子的的宿宿主主体体内内，能能使使基基因因在在宿宿主主内内繁繁殖殖或或表表达达生生物物活活
11、性性物物质质。基基因因工工程程的的核核心心内内容容是是重重组组DNA技技术术，还还包包括括体体外外DNA突突变变，体体内内基基因因操操作作以及基因的化学合成等。以及基因的化学合成等。第四节基因工程的发展史一、四大里程碑二、三大技术发明三、基因工程的诞生病毒基因组特点：特点：1.结构简单，无细胞结构，基因组为结构简单，无细胞结构，基因组为DNA或或RNA组成，有双链组成，有双链/单链，环状单链，环状/线状。线状。2.有调控元件和转录有调控元件和转录元件组成，转录元件可转录成为多顺反子元件组成，转录元件可转录成为多顺反子mRNA。3.有有重叠基因。重叠基因。4.逆转录病毒（逆转录病毒（RV）可使）
12、可使RNA变变cDNA其结其结构如图，具构如图，具U3RU5的长末端重复序列（的长末端重复序列（LTR），具随机），具随机整和能力，可用作病毒载体。整和能力，可用作病毒载体。细菌基因组约有三千个基因，无内含约有三千个基因，无内含子，为双链子，为双链DNA，但无核，但无核仁、核膜，多为单拷贝，仁、核膜，多为单拷贝，无重叠基因，有多种功能无重叠基因，有多种功能调控区，有复制起始区、调控区，有复制起始区、终止区、转录起始区，终终止区、转录起始区，终止区常有反向重复序列。止区常有反向重复序列。另外有质粒存在，质粒可另外有质粒存在，质粒可作为载体。作为载体。真核生物基因组特点：大而复杂，为双倍体，有低中
13、高重复序列，多为断裂基因，基因组中非编码区多于编码区（占90%），大多于蛋白质结合形成染色体，DNA占35%，RNA占5%，其余为蛋白质（组蛋白或非组蛋白）与C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（称C值）均大于低等生物，但某些植物或两栖动物的C值比人高出几十倍，这种与进化复杂性不一致的C值反常现象称为C值矛盾。类型多基因家族四大里程碑1.遗传物质的明确DNA2.DNA双螺旋结构理论（半保留复制及其中心法则）3.基因遗传密码子的破译4.基因转译载体的发现三大技术发明1.工具酶的发明：内切酶、合成酶、连接酶2.基因合成和测序（合成仪、测序仪）3.PCR技术（PCR扩增仪）基因工程的诞生1972年是
14、基因工程的诞生之年。美国斯坦福大学P.Berg将SV40的DNA导入噬菌体载体在大肠杆菌中获表达。S.Cohen等人将抗四环素、新霉素基因的质粒转化大肠杆菌，获得抗四环素，抗新霉素重组菌落，从而揭开基因工程的序幕。类型1.单拷贝序列：人类约占60%65%2.中度重复序列：长短300700bp，重复次数达105。通常为Alu、Kpn、Hinf、rRNA、tRNA、组蛋白基因等。3.高度重复序列：卫星DNA及微卫星DNA反向重复序列：人类约占5%，长度300bp在复性时，若有间隔序列，可形成发夹结构，若无间隔序列，可形成回文结构，可能与复制、转录调控有关。多基因家族指来源相同，结构相似，功能相关的
15、基因在染色体上成串存在，形成多基因家族。如rRNA、tRNA、组蛋白基因等为成串的，干扰素、珠蛋白、生长激素等为分散的。卫星DNA卫星卫星DNA又称随体又称随体DNA，由，由CsCl超速离心后，分散在主峰旁，形似超速离心后，分散在主峰旁，形似卫星分布而称之。一般卫星分布而称之。一般5-10bp短序短序列，人类为列，人类为171bp，保护和稳定染，保护和稳定染色体。色体。近来又发现微卫星近来又发现微卫星DNA，又称简，又称简单重复序列，一般由单重复序列，一般由1-6bp的串联的串联重复单位组成，有重复单位组成，有2bp、5bp、6-7bp不等，以不等，以26bp为常见。人类基为常见。人类基因组中因组中2bp（14）的重复序列呈）的重复序列呈高度多态性。采用限制性长度多态高度多态性。采用限制性长度多态性（性（RFLP）分析，可用于基因连）分析，可用于基因连锁的遗传标记，广泛用于诊断。锁的遗传标记，广泛用于诊断。