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1、遗传学第八章基因精细结构的分析第1页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/162第二节 基因与DNA一、基因的化学本质1928年，Griffith首先发现了肺炎双球菌的转化现象1944年，O.T.Avery(埃弗里)等证实肺炎双球菌的转化因子是DNA，才首次证明基因是由DNA构成。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。1957年Crick提出“中心法则”1961年，Crick又提出“三联体密码”从化学本质上看：基因是含有特定遗传信息的DNA分子片断，每个基因平均相当于1000(500-6000)对核苷酸的特定序列。(1)(1)基因的自体复制：基因的自体复
2、制：DNADNA的复制。的复制。(2)(2)基因决定性状：基因决定性状：DNAmRNADNAmRNA蛋白质。蛋白质。(3)(3)基因突变基因突变：DNADNA核苷酸的改变。核苷酸的改变。第2页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/163第二节 基因与DNA二、基因与基因组基因组(genome)指的是生物体整套染色体所包含的全部基因指的是生物体整套染色体所包含的全部基因。原核生物基因组就是原核细胞内构成染色体的一个DNA分子真核生物的核基因组是指单倍体细胞内整套染色体所含的DNA分子。基因组学(Genomics):是指研究生物体基因和基因组的结构组成、不稳定性及功能是指研究生物体基因
3、和基因组的结构组成、不稳定性及功能性的一门学科。性的一门学科。结构基因组学(structural genomics）：研究基因和基因的结构，各种遗传元件的序列特征，基因组作图和基因定位等功能基因组学（functional genomics)：研究不同的序列结构具有的不同的功能，基因表达的调控，基因和环境(包括基因与基因之间，基因与其他DNA序列之间，基因与蛋白质之间)的相互作用等。第3页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/164(一)基因组的序列复杂性1C值悖理（Cvalueparadox）C C值：值：生物体的单倍体基因组所含DNA总量。C C值悖理（值悖理（C value p
4、aradox ）：生物基因组的大小同生物在进化上所处的地位高低无关2序列复杂性 同一类生物中基因组大小相差悬殊，其主要差别在于多余(excess)DNA量的差别。(1)(1)重复序列重复序列 基因组不同序列的总长度称为序列复杂性(sequence complexity)。用bp来表示。序列复杂性的高低反映了序列包括的遗传信息量的多少。(2)(2)外显子数目的多寡外显子数目的多寡 从进化的角度看，更多的外显子有助于形成更多的外显子组合，对生物在多种环境下生存是有利的。第4页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/165(一)基因组的序列复杂性3DNA复性动力学：检测基因组DNA序列的复
5、杂性，反映基因组内单一序列和重复序列的组成情况。(1)DNA的变性和复性。变性（denaturation）：将双链DNA在中性盐溶液中加热，使两条多核苷酸链互补碱基对间的氢键打开，分成两条单链。复性（renaturation）或退火（annealing）：变性后成为单链的DNA，在适当的条件下又回复成双链DNA。解链温度（melting temperature，Tm）：使溶液中DNA分子的50%成为单链时，所需的温度。因为DNA分子中，氢键越多越稳定，所以GC含量多，解链温度高，DNA稳定性高。第5页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/166(一)基因组的序列复杂性(2)复性速率
6、(reassociation rate)与重复顺序 DNA复性速率与基因组中碱基顺序的复杂情况和重复程度有关。CotCot复性曲线复性曲线：以复性的百分比为纵坐标，以反应时间以复性的百分比为纵坐标，以反应时间t t和反应起和反应起始时的始时的DNADNA单链的浓度单链的浓度CoCo的乘积的乘积CotCot的对数为横坐标作图得到的的对数为横坐标作图得到的曲线曲线。Cot1/2Cot1/2：当复性达到一半时的Cot值，是Cot曲线的拐点。第6页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/167二、基因与基因组(一)基因组的序列复杂性(2)复性速率(reassociation rate)与重复
7、顺序 DNA复性速率与基因组中碱基顺序的复杂情况和重复程度有关。第7页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/168四、DNA重复顺序和Cot曲线对非重复顺序，基因组越大，基因组的复杂性越大，复性的速率也就越慢重复次数越少，则复性越慢，那么拐点越在后重复次数越多，则复性越快，那么拐点越在前人的Cot曲线可分成三部分，分别代表：高度重复序列 一般不转录中度重复序列单一非重复序列第8页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/169第9页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1610第10页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1611（二）基因组DNA序
8、列的分类1基因序列和非基因序列基因序列和非基因序列(1)基因序列是指基因组里决定蛋白质（或RNA产物）的DNA序列。ATG开始，终止密码子结束。(2)非基因序列是基因组中除基因以外的所有DNA序列，主要是两个基因间的插序列。2编码序列和非编码序列编码序列和非编码序列(1)编码序列是指编码RNA和蛋白质的DNA序列（不含内含子）。(2)非编码序列包括内含子序列及居间序列的总和。第11页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1612（二）基因组DNA序列的分类3单一序列和重复序列(1)单一序列（单一序列（unique sequenceunique sequence）是基因组里只出现一次
9、的DNA序列。(2)重复序列（重复序列（repetitive sequencerepetitive sequence）是在基因组中重复出现的DNA序列。重复序列又可分为：A轻度重复序列：一般指个基因组内有2-10个拷贝。但有时2-3个拷贝的DNA也被视作非重复序列，如组蛋白基因和酵母tRNA基因。B中度重复序列：一般指10到几百拷贝的DNA序列,复性时间以分计。通常是非编码序列，平均长度300bp，往往构成序列家族，用单一序列相隔排列，分散在基因组中。可能在基因调控中起作用。C高度重复序列：约为300bp的重复顺序，一个基因组中有几百份甚至几百万份拷贝，复性时间以秒计。既有重复几百份拷贝的基因
10、，如rRNA基因和某些tRNA基因，更多的则是很短的非编码序列。呈头尾衔接的串联重复序列（tandem repeat）第12页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1613（三）重复序列家族重复序列家族重复序列家族(sequence family)(sequence family)：是指一类核苷酸序列高度相似的重复序列，包括基因和基因以外的序列。基因家族（基因家族（gene familygene family）:真核生物基因组中来源相同、结真核生物基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因可归为一个基因家族构相似、功能相关的一组基因可归为一个基因家族。根据重复序列在基因组中的组
11、织形式，可分为串联重复序列和散在重复序列。多数来源于反转录转座位子。第13页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1614（三）重复序列家族1卫星卫星DNADNA（satellite DNAsatellite DNA）:一类高度重复的DNA序列 DNA片段在氯化铯密度梯度离心中，按其大小在离心管内，形成不同的条带，根据荧光强度分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带，称卫星卫星DNADNA卫星DNA按其重复单元的多少可分为两类:(1)小卫星DNA(minisatellite DNA)，由几百个核苷酸对的单元重复组成。（又：由11-60个bp的串联重复序列组成）。(2)微
12、卫星DNA（microsatellite DNA），由2-20bp重复成百上千次组成。（又：1-5bp）第14页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1615（三）重复序列家族2散在重复序列 以散在方式分布于基因组内，一般都是中度重复序列。分为(1)短分散重复序列(short interspersed nuclear elements)SINEs长度在500bp以下。人类基因组中，重复拷贝数达10万以上。AluAlu序列家族序列家族：人类基因组中一组含量最丰富的长度相似，性质相似的中度重复顺人类基因组中一组含量最丰富的长度相似，性质相似的中度重复顺序家族，大小约序家族，大小约300
13、bp300bp，其中含有一个限制性内切，其中含有一个限制性内切AluIAluI的识别序列的识别序列。(2)长散在重复序列(long interspersed nuclear elements,LINEs)重复序列单元长度1000bp第15页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1616第三节第三节 基因内部的精细结构基因内部的精细结构一、重组测验（recombination）T4噬菌体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。如 rx+ry在许可条件下双重感染B菌株，形成噬菌斑后收集菌液，稀释后分成两份，一份再
14、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。第16页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1617一、重组测验（recombination）第17页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1618第三节第三节 基因内部的精细结构基因内部的精细结构二、互补测验二、互补测验互补作用（互补作用（complementation complementation）：两个突变型之间互相弥补对方的缺陷，从而产生正常的表型。互补测验（complementation Test）（顺反位置效应测验）:比
15、较顺式和反式构型的细胞，从而判断两个突变是否属于同一基因的测验测验基因间是否互补。反式构型：两个突变分别位于两条同源染色体上的基因组合。顺式构型：两个突变位于同一个染色体上的基因组合。第18页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1619第19页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1620第20页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1621第21页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1622第22页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1623例如：例如：m1、m2为影响同一性状的两个突变型为影响同一性状的两个突变型m1m2反式
16、杂合体反式杂合体突变型突变型表示表示m1、m2属属同一顺反子同一顺反子，不，不互补，互补，是等位的是等位的野生型野生型表示表示m1、m2属属不同顺反子不同顺反子，互，互补，补，是非等位的是非等位的第23页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1624Figure：Thecistronisdefinedbythecomplementationtest.Genesarerepresentedbybars;redstarsidentifysitesofmutation.第24页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1625第三节第三节 基因内部的精细结构基因内部的精细结构三、
17、顺反子、突变子与重组子的概念三、顺反子、突变子与重组子的概念 1、顺反子（顺反子（cistroncistron）：Benzer把在反式构型中不能互补的各个突变型在染色体上所占的一个区域称为一个顺反子。顺反子:具有正常生理功能的遗传物质最小单位。实际上它是基因的同义词。是一个功能水平上的基因。2、突变子（突变子（mutonmuton）：是指一个顺反子内部能发生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一对碱基。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 GUA 缬氨酸 3、重组子
18、（重组子（reconrecon）是基因内不能由重组分开的遗传单位，即基因内出现重组的最小区间。第25页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1626 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，我们知道，DNA中每一核苷酸对的改变都可引起肽链中氨基酸的改变，从而影响顺反子的功能，但它本身没有独立的功能，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，又具有结构上的可分割
19、性。第26页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1627第三节第三节 基因内部的精细结构基因内部的精细结构四、基因的不连续性及断裂基因（split gene）断裂基因断裂基因：由于基因内部存在间隔顺序，从而导致基因的不连续性，使得每个基因由几个互不相邻的段落组成，这种不连续的基因即为断裂基因第27页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1628第28页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1629Figure:InterruptedgenesareexpressedviaaprecursorRNA.Intronsareremovedwhentheexons
20、aresplicedtogether.ThemRNAhasonlythesequencesoftheexons.第29页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1630四、基因的不连续性及断裂基因（splitgene）断裂基因在进化中的意义断裂基因在进化中的意义：有利于储存较多的遗传信息有利于变异和进化增加重组发生的机会可能是基因调控装置第30页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1631第四节基因空间位置关系一、重叠基因（overlappinggene）重叠基因重叠基因：参与编码两种或两种以上有功能蛋白质的核苷酸序列。每一种蛋白质只有一种阅读框架，在每一个框架中，密码
21、子是每一种蛋白质只有一种阅读框架，在每一个框架中，密码子是连续而不重叠连续而不重叠分析噬菌体分析噬菌体X174 DNAX174 DNA全序列，发现它只有全序列，发现它只有53755375个核苷酸个核苷酸，共组成了共组成了九个基因九个基因，而这九种基因共编码了，而这九种基因共编码了20002000种氨基酸种氨基酸，按三联体密码子的原则应有按三联体密码子的原则应有60006000个核苷酸个核苷酸，而实际数与理论数却，而实际数与理论数却相差相差625625个核苷酸个核苷酸。第31页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1632第32页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/16
22、33Figure：Twoproteinscanbegeneratedfromasinglegenebystarting(orterminating)expressionatdifferentpoints.第33页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1634Figure：TwogenesmaysharethesamesequencebyreadingtheDNAindifferentframes.第34页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1635重叠基因存在的生物学意义重叠基因存在的生物学意义：最经济和有效地利用DNA上的遗传信息，节约碱基对基因的表达起调控作用翻译
23、偶联（翻译偶联（translational coupling translational coupling）：trp操纵子中的trpD基因的转译依赖于上游基因trpE的转译，这种依赖性称为翻译偶联重叠基因越多，那么适应性越小，在进化中趋于保守 第35页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1636二、超基因超基因(super gene)是指作用于一种性状或作用于一系列相关性状的几个紧密连锁的基因。一个基因经过重复(duplication)和变异而产生的一组基因，组成一个基因家族(gene family),基因家族中的各个成员可以聚集成簇也可以分散在不同的染色体上。一个共同的祖先基因
24、通过各种各样的变异，产生了结构大致相同但功能却不尽相同的一大批基因，分属于不同的基因家族，但可以总称为一个基因超家族(supfamily).功能相同或相关的许多基因紧密连锁，聚集成簇，排列在某一染色体上，形成一个基因簇（gene cluster）。在成簇的基因家族中通过染色体重排而分散到其他位置上的成员，被称为孤独基因(orphan gene).在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与有功能的基因具有相似性，这种成员称为假基因（pseudogene）第36页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1637第五节 基因的功能与类别一、基因的功能1、on
25、e gene-one enzyme hypothesis Beadle（1954）的实验：用X射线得到不同的精氨酸突变型菌株，在培养基上分别添加鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸，其生长情况如表所示表4-3 链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸的反应第37页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1638通过链孢霉的生化突变型说明通过链孢霉的生化突变型说明Arg的合成的合成第38页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1639通过链孢霉的生化突变型说明通过链孢霉的生化突变型说明Arg的合成的合成第39页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1640通过链孢霉的生化突
26、变型说明通过链孢霉的生化突变型说明Arg的合成的合成第40页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1641Phe、Tyr的代谢途径第41页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1642第42页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1643PP或或Pppp羟化酶不能形羟化酶不能形成导致成导致phe的的积累积累苯丙酮尿症苯丙酮尿症AA或或AaaaTyr氧化酶的氧化酶的合成受阻合成受阻白化病白化病A1A1或或A1a1a1a1尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶不能形成不能形成黑尿症黑尿症人的先天性代谢缺陷病产生的原因人的先天性代谢缺陷病产生的原因基因是通过控制酶的合成来控制某
27、一代谢途径，最后决定某一性状的表现基因是通过控制酶的合成来控制某一代谢途径，最后决定某一性状的表现第43页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1644第五节 基因的功能与类别一、基因的功能2、one gene-one protein 3、one gene-one polypeptide chain 许多蛋白质往往又是由两条或多条多肽链组成（特别是那些由不同的多肽链组成的蛋白质）。如成人血红蛋白A由4条多肽链组成22，而 每个基因只有一种遗传信息，编码一种多肽链。显然和多肽链是由不同基因所控制的。所以提出“一个基因一条多肽链”的假说。4、有些基因如rRNA、tDNA只转录rRNA、
28、tRNA，而不翻译肽链。还有些基因，如操纵基因根本就没有基因的产物，但不能说它们不是基因。第44页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1645二、基因的类别 1、编码蛋白质的基因(1)结构基因（structuregene）：编码酶和结构蛋白的基因。(2)调节基因（regulatorgene）：凡是编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因都称为调节基因。2、没有翻译产物的基因 转录成RNA后不再翻译为蛋白质的tRNA和rRNA基因。3、不转录的DNA区段(1)启动基因（启动子，启动区）：转录时，RNA多聚酶开始和DNA结合的部位。(2)操纵基因：位于结构基因（一个或多个）的前端，与阻
29、遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动的DNA区段。第45页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1646二、基因的类别 4、不具正常功能的基因假基因（pseudogene）：与有功能的基因在核苷酸顺序组成上非常相似，与有功能的基因在核苷酸顺序组成上非常相似，但不具正常功能的基因但不具正常功能的基因。第46页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1647二、基因的类别 4、不具正常功能的基因假基因（pseudogene）：与有功能的基因在核苷酸顺序组与有功能的基因在核苷酸顺序组成上非常相似，但不具正常功能的基因成上非常相似，但不具正常功能的基因。产生推测：(1)假基因是
30、相应的正常基因在染色体的不同位置上的复制品，由于突变积累的结果而丧失活性。(2)以mRNA为中介的正常基因的间接复制品，所以又称加工基因。可能是真核生物细胞中的mRNA先经过反转录形成DNA，再整合到染色体上形成的。第47页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1648第48页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1649第49页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1650第50页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1651第51页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1652第52页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1653第53页，共54页，编辑于2022年，星期三2023/4/1654第54页，共54页，编辑于2022年，星期三