四章節(jié)基因結(jié)構(gòu)與功能

1、第四章 基因的結(jié)構(gòu)與功能 基因是一個(gè)特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。（三）DNA是遺傳物質(zhì)：1928年Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎球菌的轉(zhuǎn)化，證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)而非蛋白質(zhì)；Avery用生物化學(xué)的方法證明轉(zhuǎn)化因子是DNA而不是其他物質(zhì)。（四）基因是有功能的DNA片段 20世紀(jì)40年代Beadle和Tatum提出一個(gè)基因一個(gè)酶的假說，溝通了蛋白質(zhì)合成與基因功能的研究 1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，明確了DNA的復(fù)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(jié)構(gòu)與生物體結(jié)合起來1957年Benzer

2、用大腸桿菌T4噬菌體為材料，分析了基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了順反子（cistor)的概念，證明基因是DNA分之上一個(gè)特定的區(qū)段，是一個(gè)功能單位，包括許多突變位點(diǎn)（突變子），突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組（重組子）v理論上，一個(gè)基因有多少對(duì)核苷酸對(duì)就有多少突變子和的重組子，實(shí)際上，突變子數(shù)少于核苷酸對(duì)數(shù)，重組子數(shù)小于突變子數(shù)?？傊喉樂醋訉W(xué)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(gè)突變子和重組子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNADNA序列，是一個(gè)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

3、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 1961年法國分子生物學(xué)家Jacob和Monod通過對(duì)大腸桿菌乳糖突變體研究，提出了操縱子學(xué)說（operon theory)。闡明了基因在乳糖利用中的作用。（六）跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）和斷裂基因的發(fā)現(xiàn) 20世紀(jì)50年代以前認(rèn)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(guān)。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(zhuǎn)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(guān)系 根據(jù)

4、基因的功能和性質(zhì)，可將其分為以下幾類： （一）結(jié)構(gòu)基因（structural gene)和調(diào)節(jié)基因(regulatory gene):既可轉(zhuǎn)錄又可翻譯。 （二）核糖體RNA基因（rRNA基因簡稱rDNA）和轉(zhuǎn)移RNA基因（tRNA基因簡稱tDNA ）：只可轉(zhuǎn)錄不可翻譯。前者專門轉(zhuǎn)錄rRNA， rRNA與響應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體；后者專門轉(zhuǎn)錄tRNA， tRNA作用是激活氨基酸。 （三）啟動(dòng)子（promotor0和操縱基因(operator):既無轉(zhuǎn)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(gè)基因大約有500-6000個(gè)核苷酸對(duì)，但并非DNA分子上任一含有幾千個(gè)核苷酸對(duì)的

5、區(qū)段都是一個(gè)基因，基因是一個(gè)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(gè)基因？ 要看這個(gè)特定的核苷酸序列是否與其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA核苷酸序列或翻譯產(chǎn)物多肽鏈的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)，這樣就必須同時(shí)測(cè)定某一段DNA的核苷酸序列和相應(yīng)產(chǎn)物的序列。第二節(jié) 重組測(cè)驗(yàn) 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） F2 wa wa wa w wa Y wY 若wa 和w為等位基因 ，F(xiàn)2應(yīng)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

6、為不可能出現(xiàn)如此高的頻率 進(jìn)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(diǎn)，因而它們之間可以發(fā)生交換。 P wa+/ wa+ +w/ Y 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(yīng)（cis-trans position effect)： wa+/ +w兩個(gè)突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)， wa w /+兩個(gè)土百年同時(shí)排在一條染色體上，而另一條染色體上兩個(gè)位點(diǎn)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

7、，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(yīng)。擬等位基因（pseudoallele)：表型效應(yīng)類似緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)所用的T4的r突變就是一個(gè)條件致死突變型。（見P101表4-1）表表4-1 4-1 野生型與幾種突變型的區(qū)別野生型與幾種突變型的區(qū)別類類 型型不同大腸桿菌平板上噬菌斑表型不同大腸桿菌平板上噬菌斑表型 B B K( K( ) ) S S野生型野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌

8、斑 rI rI 大噬菌斑大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑 rII rII 大噬菌斑大噬菌斑無噬菌斑（致死）無噬菌斑（致死） 小噬菌斑小噬菌斑rIIIrIII大噬菌斑大噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑 此種測(cè)定方法稱為重組測(cè)驗(yàn)（recombination test) ，它以遺傳圖的方式確定突變子之間關(guān)系，此方法測(cè)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。若雙重感染的細(xì)菌不產(chǎn)生子代噬菌體，那么這兩種突變型一定有一個(gè)相同功能受到損傷。 互補(bǔ)試驗(yàn)的原理 表型 有無功能互補(bǔ) 結(jié)論 反式: A: A+ + B B A B A B+ + 反式: : A A+ + B B

9、 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(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)，則證明這兩個(gè)突變型分別屬于不同基因；如不能表現(xiàn)出互補(bǔ)，則證明這兩個(gè)突變型在同一基因內(nèi)。 對(duì)于不同基因間的突變型在互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)中，不論是順式還是反式排列均表現(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)；但若屬于同一基因的不同位點(diǎn)的突變，則順式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)互補(bǔ)，反式結(jié)構(gòu)則不能互補(bǔ)。說明基因是一個(gè)獨(dú)立的功能單位。順反子：不同突變之間沒有互補(bǔ)的功能區(qū)，一個(gè)順反子就是一個(gè)基因，就是一個(gè)基因座位，包含多個(gè)基因位點(diǎn)，是遺傳上的一個(gè)作用（功能）單位，但不是一個(gè)突變單位或重組單位。 順反試驗(yàn)：指將兩個(gè)擬突變分別處于順式和反式，根據(jù)其表

10、型確定兩個(gè)突變是否是同一基因的試驗(yàn)。判斷兩突變是否處于同一順反子的方法: : 順式 反式 分析結(jié)論：兩突變 + +/- - + -/- + + +/- - + -/- + 表現(xiàn)型 野生型 野生型 屬于兩個(gè)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(dāng)與一個(gè)核苷酸對(duì)，不能將其定義為一個(gè)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(gè)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(bǔ)1 1、 基因內(nèi)互補(bǔ)的機(jī)理2 2、 基因內(nèi)互補(bǔ)與基因

11、間互補(bǔ)的區(qū)別基因間互補(bǔ)基因間互補(bǔ)基因內(nèi)互補(bǔ)基因內(nèi)互補(bǔ)發(fā)生機(jī)率發(fā)生機(jī)率普遍存在普遍存在僅少數(shù)能發(fā)生僅少數(shù)能發(fā)生缺失突變?nèi)笔蛔兡馨l(fā)生互補(bǔ)能發(fā)生互補(bǔ)不能發(fā)生不能發(fā)生酶活性酶活性同野生型一樣同野生型一樣明顯低于野生型（僅明顯低于野生型（僅25%）第四節(jié) 缺失作圖 點(diǎn)突變和缺失突變的區(qū)別： 1、點(diǎn)突變是單個(gè)位點(diǎn)的突變，缺失突變是多個(gè)位點(diǎn)的突變； 2、點(diǎn)突變可回復(fù)，而缺失突變不可； 3、點(diǎn)突變之間可發(fā)生重組，缺失突變同另一個(gè)基因組在這個(gè)缺失區(qū)的點(diǎn)突變 間不可重組，即無法通過重組而恢復(fù)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(gè)獨(dú)立的r突變定位在r遺傳圖上更小的區(qū)段內(nèi)，此方法稱缺

12、失作圖。 凡是能和某一缺失突變進(jìn)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(xì)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(gè)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(bào)道基因內(nèi)部有間隔順序（spacer sequence)，并由此提出斷裂基因（split gene）的概念。在成熟mRNA上反映出

13、的DNA區(qū)段，即DNA序列中被轉(zhuǎn)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(chǔ)存較多的信息，增加信息量； 2、有利于變異和進(jìn)化； 3、增加重組機(jī)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(xué)分子生物學(xué)Sarger分析了 X174DNA全序列后，發(fā)現(xiàn)它的核苷酸實(shí)際數(shù)比理論數(shù)少614個(gè)氨基酸。 同實(shí)驗(yàn)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(gè)基因首尾重疊 3、三個(gè)基因之間三重重疊 4、

14、反向重疊 5、重疊操縱子 普遍認(rèn)為：重疊基因不僅是能經(jīng)濟(jì)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(duì)基因表達(dá)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(jì)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?yàn)檫@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(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶的作用，從另一代謝途徑轉(zhuǎn)變成有毒的

15、苯丙酮酸，苯丙酮酸從尿液中排除，可通過尿檢而確診，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(duì)羥苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸 aa(黑尿癥） 已酰醋酸 CO2+H2O苯丙酮尿癥ppcc 白化病 Garrod認(rèn)為這些代謝缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一個(gè)提出基因和酶之間關(guān)系，認(rèn)為基因是通過控制酶和其他蛋白質(zhì)合成來控制細(xì)胞代謝的。 二、一個(gè)基因一種酶假說 Beadle和Tatum于1941年提出，并因此于1958年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。（一）生物合成過程 基因： a b c d a b c d 酶： A B C D A B C D 代謝物：1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

16、 前體物 色素原a a 色素原b b 紅色 紫色 檢測(cè)的物質(zhì) A B C D E GA B C D E G突 1 1 + + + + 2 2 + + + + + +變 3 3 + + 4 4 + + + + + + + +體 5 + + + + 5 + + + + + + 突 變 型: 5 4 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(gè)基因一種酶的實(shí)驗(yàn)依據(jù) 精氨酸缺陷型 補(bǔ)充培養(yǎng)基: : 鳥aa aa 瓜aa aa 精aa aa 菌株I I 精氨酸突變型 菌株II II 菌株III III 分析得出: : 基因 arg1 arg2 arg3 arg1 arg2 arg3 酶1 1 酶2 2 酶3 3 前體物 鳥aa aa 瓜aa aa 精aaaa（四）一個(gè)基因一種酶的局限性 (1)(1) 并非所有的基因都為蛋白質(zhì)編碼； (2)(2) 有的酶由多個(gè)基因編碼； (3)(3) 有的一個(gè)基因控制多個(gè)酶； (4)(4) 有的RNARNA具有催化活性；三、一個(gè)結(jié)構(gòu)基因一條多肽鏈的證據(jù)直接證據(jù) 人的鐮刀形細(xì)胞貧血癥 正常人紅細(xì)胞中含血紅蛋白（HbA）：圓盤狀，紅色，運(yùn)載氧氣； 鐮刀形細(xì)胞貧血癥患者紅細(xì)胞含血紅蛋白（HbS）：鐮刀形，溶血型貧血，不能運(yùn)載氧氣。 正常人基因型為：HbA HbA 血紅