基因的概念及發(fā)展

1、第六章 基因的概念及發(fā)展 教學(xué)基本要求： 1重點(diǎn)掌握基因的概念及其發(fā)展?fàn)顩r 2具體掌握“三位一體”、結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)子與操縱基因；順?lè)醋印⒅亟M子、突變子；斷裂基因、外顯子與內(nèi)含子；重疊基因；基因的功能，一基因一酶假說(shuō)的內(nèi)容。 學(xué)時(shí)數(shù)： 3學(xué)時(shí)   性狀的表現(xiàn)受基因控制，由于基因的分離與減數(shù)分裂時(shí)染色體的分離同步，因而確定染色體是基因的載體。對(duì)遺傳物質(zhì)DNA的研究，把遺傳學(xué)從細(xì)胞水平提高到分子水平，奠定了分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。本章將進(jìn)一步說(shuō)明基因的本質(zhì)是什么，基因的概念及其發(fā)展?fàn)顩r。第一節(jié) 經(jīng)典遺傳學(xué)中基因的概念 1866年，G. J孟德?tīng)栐谒耐愣闺s交試驗(yàn)中，用大寫(xiě)字母代表顯性性狀

2、，用小寫(xiě)字母代表隱性性狀，提出了遺傳因子的概念，但他并沒(méi)有嚴(yán)格地區(qū)別所觀察的性狀和控制這些性狀的遺傳因子。 20世紀(jì)，孟德?tīng)柕墓ぷ鞅恢匦掳l(fā)現(xiàn)。100多年來(lái)人們對(duì)基因的認(rèn)識(shí)在不斷地變化。 1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（Johansson. W.L）提出基因這一名詞（genepangen geneticsto generate），并提出了基因型和表現(xiàn)型這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 1910年，美國(guó)遺傳兼胚胎學(xué)家T.H.摩爾根（Morgan）在果蠅中發(fā)現(xiàn)白色復(fù)眼突變型，首先說(shuō)明(1)基因可以發(fā)生突變；(2)證實(shí)基因位于染色體上，呈直線排列，象一串珠子一樣；(3)非等位基因間可以發(fā)生交換。不過(guò)直到40年代中期為止，還

3、沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)交換發(fā)生在一個(gè)基因內(nèi)部的現(xiàn)象。因此當(dāng)時(shí)提出基因是一個(gè)功能單位，也是一個(gè)突變和交換單位的“三位一體”的概念。把基因看成是不可分割的最小的遺傳單位。 摩爾根的主要成就:把基因和染色體聯(lián)系起來(lái)。認(rèn)為基因是一種物質(zhì)，是染色體上的一個(gè)特定的區(qū)段。 第二節(jié) 基因與DNA 一、基因的化學(xué)本質(zhì) 1928年，Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，1944年，O.T.Avery（埃弗里）等證實(shí)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA，才首次證明基因是由DNA構(gòu)成。 1953年，Watson和Crick（沃森和克里克）提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。Crick，1957年提出“中心法則”，1961年，又提出“

4、三聯(lián)體密碼”，從而闡明了DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和遺傳物質(zhì)如何保持世代連續(xù)的問(wèn)題。從化學(xué)本質(zhì)上看基因是含有特定遺傳信息的DNA分子片斷，每個(gè)基因平均相當(dāng)于1000(500-6000)對(duì)核苷酸的特定序列。估計(jì)大腸桿菌含有10007500個(gè)基因，人的基因至少有100萬(wàn)個(gè)（按分子量算）。 (1)基因的自體復(fù)制DNA的復(fù)制。 (2)基因決定性狀DNAmRNA蛋白質(zhì)。 (3)基因突變DNA核苷酸的改變。二、基因與基因組 基因組（genome）這個(gè)名詞最早出現(xiàn)在1922年的遺傳學(xué)文件中，指的是單倍體細(xì)胞中所含有的整套染色體，所以又被譯作染色體組。近年來(lái)，學(xué)界更多地把genome定義為整套染色體所包含的全部基因。

5、原核生物基因組就是原核細(xì)胞內(nèi)構(gòu)成染色體的一個(gè)DNA分子；真核生物的核基因組是指單倍體細(xì)胞內(nèi)整套染色體所含的DNA分子。 基因組測(cè)序的結(jié)果指出，基因組中不僅包含著整套基因的編碼序列，同時(shí)還包含著大量非編碼序列，這些序列同樣包含著遺傳指令。因此，基因組應(yīng)該是整套染色體所包含的DNA分子以及DNA分子所攜帶的全部遺傳指令。 基因組研究的迅猛發(fā)展已形成了一個(gè)新的學(xué)科，即基因組學(xué)（Genomics），這是1986年出現(xiàn)的述語(yǔ)。用以表述研究生物體基因和基因組的結(jié)構(gòu)組成、不穩(wěn)定性及功能性的一門(mén)學(xué)科。隨后又把基因組學(xué)分成結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)（structural genomics and furetio

6、nal genomics），前者研究基因和基因的結(jié)構(gòu)，各種遺傳元件的序列特征，基因組作圖和基因定位等；后者著重研究不同的序列結(jié)構(gòu)具有的不同的功能，基因表達(dá)的調(diào)控，基因和環(huán)境（包括基因與基因之間，基因與其他DNA序列之間，基因與蛋白質(zhì)之間）的相互作用等。 （一）基因組的序列復(fù)雜性 1C值悖理： 生物體的單倍體基因組所含DNA總量稱為C值。 C值悖理：生物基因組的大小同生物在進(jìn)化上所處的地位高低無(wú)關(guān)：     (1)顯花植物和兩棲類動(dòng)物的基因組最大，軟骨魚(yú)硬骨魚(yú)甚至昆蟲(chóng)和軟體動(dòng)物的基因組都大于包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的基因組。肺魚(yú)的C值比人類高100倍。  &

7、#160;  (2)每類生物的最小基因組的大小基本上對(duì)應(yīng)生物在進(jìn)化上所處的地位的高低。 2序列復(fù)雜性 同一類生物中基因組大小相差懸殊，其主要差別在于多余（excess）DNA量的差別。 (1)重復(fù)序列 基因組不同序列的總長(zhǎng)度稱為序列復(fù)雜性（sequence complexity）。用bp來(lái)表示。序列復(fù)雜性的高低反映了序列包括的遺傳信息量的多少。     (2)外顯子數(shù)目的多寡，從進(jìn)化的角度看，更多的外顯子有助于形成更多的外顯子組合，對(duì)生物在多種環(huán)境下生存是有利的。 3. DNA復(fù)性協(xié)力學(xué) 反映基因組內(nèi)單一序列和重復(fù)序列的組成情況。 (1)DNA的變性和復(fù)

8、性。 變性（denaturation）：:將雙鏈DNA在中性鹽溶液（食鹽0.18mol/L、枸櫞酸鈉0.018mol/L）中加熱（100，10分鐘）。使兩條多核苷酸鏈互補(bǔ)堿基對(duì)間的氫鍵打開(kāi)，分成兩條單鏈。 復(fù)性（renaturation）或退火（annealing）：變性后成為單鏈的DNA，在適當(dāng)?shù)臈l件下（慢慢冷卻10小時(shí)以上）又回復(fù)成雙鏈DNA。 解鏈溫度（melting temperature，Tm）：使溶液中DNA分子的50%成為單鏈時(shí)，所需的溫度。因?yàn)镈NA分子中，氫鍵越多越穩(wěn)定，所以GC含量多，解鏈溫度高，DNA穩(wěn)定性高。 (2)復(fù)性速率（reassociation rate）與重復(fù)

9、順序 DNA復(fù)性速率與基因組中堿基順序的復(fù)雜情況和重復(fù)程度有關(guān)。兩種不同復(fù)雜性的DNA分子，在總量相同的情況下，復(fù)雜性高的序列，復(fù)性速度慢，反之亦然。 復(fù)性速率可以用下列公式表示             C在時(shí)間t時(shí)單鏈DNA濃度，k二級(jí)反映常數(shù)     解微分方程得：    當(dāng)復(fù)性反應(yīng)完成一半時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Cot值定義Cot1/2         可用分光光度計(jì)，在2

10、60nm波段測(cè)量光密度的變化，此外，復(fù)性速率也受到反應(yīng)液中DNA初始濃度的影響。因此，以未復(fù)性的單鏈百分?jǐn)?shù)為縱軸，初始濃度（Co）×時(shí)間（t）為橫軸，作成Cot復(fù)性曲線，用來(lái)估計(jì)重復(fù)順序和單拷貝順序的相對(duì)比例。 E.coli DNA沒(méi)有重復(fù)順序。它的曲線可以看作是一條理想曲線，小牛DNA的復(fù)性速率初期比E.coli快得多。因?yàn)樾∨；蚪M中少數(shù)基因有大量拷貝數(shù)。后期的復(fù)性速率大大低于E.coli，因?yàn)樾∨；蚪M中單一順序（unique）遠(yuǎn)比E.coli復(fù)雜。（二）基因組DNA序列的分類 1基因序列和非基因序列： (1)基因序列是指基因組里決定蛋白質(zhì)（或RNA產(chǎn)物）的DNA序列。ATG開(kāi)

11、始，終止密碼子結(jié)束。在分析基因組序列時(shí)，當(dāng)一個(gè)DNA序列以ATG開(kāi)始，隨后是一個(gè)個(gè)密碼子，但還未發(fā)現(xiàn)其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，此時(shí)這種DNA序列稱為可讀框 (2)非基因序列是基因組中除基因以外的所有DNA序列，主要是兩個(gè)基因間的插序列。 2.編碼序列和非編碼序列： (1)編碼序列是指編碼RNA和蛋白質(zhì)的DNA序列（不含內(nèi)含子）。 (2)非編碼序列包括內(nèi)含子序列及居間序列的總和。 3單一序列和重復(fù)序列 (1)單一序列（unique）是基因組里只出現(xiàn)一次的DNA序列。（非基因序列中也有單一序列）， 復(fù)性時(shí)間很慢。 (2)重復(fù)序列（repetitive）是在基因組中重復(fù)出現(xiàn)的DNA序列?；蚪M內(nèi)的重復(fù)序列有的是

12、散在分布，有的是成簇存在。重復(fù)序列又可分為： A輕度重復(fù)序列：一般指?jìng)€(gè)基因組內(nèi)有2-10個(gè)拷貝。但有時(shí)2-3個(gè)拷貝的DNA也被視作非重復(fù)序列，如組蛋白基因和酵母tRNA基因。 B 中度重復(fù)序列：一般指10到幾百拷貝的DNA序列，復(fù)性時(shí)間以分計(jì)。通常是非編碼序列，平均長(zhǎng)度300bp，往往構(gòu)成序列家族，與單一序列相隔排列，分散在基因組中?？赡茉诨蛘{(diào)控中起作用。 C高度重復(fù)序列：約為300bp的重復(fù)順序，一個(gè)基因組中有幾百份甚至幾百萬(wàn)份拷貝，復(fù)性時(shí)間以秒計(jì)。既有重復(fù)幾百分拷貝的基因，如rRNA基因和某些tRNA基因，更多的則是很短的非編碼序列。呈頭尾銜接的串聯(lián)重復(fù)序列（tandem repeat）

13、 按照基因組的分子量計(jì)算，哺乳動(dòng)物的基因組中極大部分是重復(fù)序列。在非重復(fù)序列中，編碼肽鏈的基因估計(jì)不超過(guò)百分之幾。重復(fù)順序是真核生物DNA區(qū)別于原核生物的一個(gè)重要特征。（三）重復(fù)序列家族 重復(fù)序列家族(sequence family)是指一類核苷酸序列高度相似的重復(fù)序列，包括基因和基因以外的序列。 真核生物基因組中來(lái)源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因可歸為一個(gè)基因家族（gene family）。但重復(fù)序列主要是基因以外的DNA序列，根據(jù)其在基因組中的組織形式，可分為串聯(lián)重復(fù)序列和散在重復(fù)序列。多數(shù)來(lái)源于反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。 1衛(wèi)星DNA（satellite DNA） DNA片段在氯化銫密度梯度離心

14、中，按其大小在離心管內(nèi)，形成不同的條帶，根據(jù)熒光強(qiáng)度分析，可以看到在一條主帶以外還有一個(gè)或多個(gè)小的衛(wèi)星帶，稱衛(wèi)星DNA，這種DNA的GC含量較少，密度低。衛(wèi)星DNA按其浮力密度的大小可以分成、四類（1.687， 1.693， 1.700g/cm3），都是由各種不同的重復(fù)序列家族組成，通常是串聯(lián)重復(fù)序列. 衛(wèi)星DNA按其重復(fù)單元的多少可分為兩類: (1)小衛(wèi)星DNA(minisatellite DNA)，由幾百個(gè)核苷酸對(duì)的單元重復(fù)組成。（又：由11-60個(gè)bp的串聯(lián)重復(fù)序列組成）。 (2)微衛(wèi)星DNA（microsatellite DNA），由2-20bp重復(fù)成百上千次組成。（又：1-5bp）

15、DNA指紋（DNA fingerprints）：利用微衛(wèi)星DNA的某些位置上的這種串聯(lián)，成簇的重復(fù)單位數(shù)目不同，在串聯(lián)重復(fù)序列兩側(cè)用限制性內(nèi)切酶酶切后，就會(huì)產(chǎn)生重復(fù)單位數(shù)目不等的片段，具有豐富的多態(tài)性。這種多態(tài)性亦稱VNTR序列（Variable number of tandem repeat可變串聯(lián)重復(fù)序列）。以 VNTRs中的特異序列為探針進(jìn)行 Southern雜交，雜交帶譜具有高度的特異性。 倒位重復(fù)序列：這是兩個(gè)序列的互補(bǔ)拷貝在同條DNA鏈上的反向排列，如 GCACTTCGAAGTGC CGTGAAGCTTCACG 2散在重復(fù)序列 以散在方式分布于基因組內(nèi)，一般都是中度重復(fù)序列。分為

16、(1)短分散重復(fù)序列（short inter spersed nuclear elements）SINEs長(zhǎng)度在500bp以下。人類基因組中，重復(fù)拷貝數(shù)達(dá)10萬(wàn)以上。 人類基因組中所有SINE之間的平均距離約為2.2Kb。如Alu序列家族，人類基因組中約有50萬(wàn)-70萬(wàn)拷貝，平均每隔4 Kb就有一個(gè)Alu。一個(gè)典型的Alu序列長(zhǎng)282bp，有一個(gè)限制性內(nèi)切酶Alu的識(shí)別序列ACCT。 (2)長(zhǎng)散在重復(fù)序列（long interspersed nuclear elements， LINEs）重復(fù)序列單元長(zhǎng)度1000bp。 第三節(jié) 基因內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu) 過(guò)去一直認(rèn)為基因是一個(gè)功能單位，同時(shí)也是一個(gè)突

17、變單位，交換單位，即所謂三位一體的概念，認(rèn)為:交換只能發(fā)生在基因之間，而不能在它們之中；突變只能從一個(gè)基因變成另一個(gè)基因，其內(nèi)部沒(méi)有改變變化的更小單位。 20世紀(jì)40年代，在果蠅研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)表型標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是兩個(gè)等位基因的突變型卻可以發(fā)生重組而得到野生型，這種緊密連鎖的功能性等位基因，但不是結(jié)構(gòu)性的等位基因稱為擬等位基因。 精密的微生物遺傳分析證明，基因并不是最小的不可分割的單位。一、順?lè)醋?、突變子與重組子     1重組測(cè)驗(yàn) 1955年，美國(guó)的S.Benzer（本澤）用大腸桿菌T4噬菌體作為材料，研究快速溶菌突變型r的基因精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)基因內(nèi)部的許多位點(diǎn)

18、可以發(fā)生突變，并可以在這些位點(diǎn)之間發(fā)生交換，從而說(shuō)明一個(gè)基因是一個(gè)功能單位，但并不是一個(gè)突變單位和交換單位，因此，一個(gè)基因可以包括許多突變單位和許多重組單位。     2互補(bǔ)測(cè)驗(yàn) Benzer分析了r區(qū)域大約2000個(gè)（有些不能重組）突變型，知道這些突變分布在308個(gè)（能重組）位點(diǎn)上。那么，這308個(gè)位點(diǎn)是屬于一個(gè)基因還是幾個(gè)基因？為了劃分這種功能單位界線，必須進(jìn)行互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)。 Benzer用不同的r突變型成對(duì)組合去感染大腸桿菌K（）菌株。他發(fā)現(xiàn):r突變型可分成rA和rB兩個(gè)互補(bǔ)群。所有rA突變型的突變位點(diǎn)都在r區(qū)的一頭，是一個(gè)獨(dú)立的功能單位；所有rB突變型的突變位

19、點(diǎn)都在r區(qū)的另一頭，凡是屬于rA互補(bǔ)群的突變不能互補(bǔ)，同理屬于B互補(bǔ)群的突變也不能互補(bǔ)，只有rA的突變和rB的突變可以互補(bǔ)。     3順?lè)醋?、突變子與重組子的概念 （1）順?lè)醋樱╟istron）：Benzer把在反式構(gòu)型中不能互補(bǔ)的各個(gè)突變型在染色體上所占的一個(gè)區(qū)域稱為一個(gè)順?lè)醋印?順?lè)礈y(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，順?lè)醋邮且粋€(gè)必須保存完整才具胡正常生理功能的遺傳物質(zhì)最小單位。實(shí)際上它是基因的同義詞。是一個(gè)功能水平上的基因。r區(qū)內(nèi)，有兩個(gè)基因，但可在許多位點(diǎn)發(fā)生突變和重組。 （2）突變子（muton）：是指一個(gè)順?lè)醋觾?nèi)部能發(fā)生突變的最小單位。一個(gè)突變子可以小到只有一對(duì)堿基。 （

20、3）重組子（recon）是基因內(nèi)不能由重組分開(kāi)的遺傳單位，即基因內(nèi)出現(xiàn)重組的最小區(qū)間。重組子的單位可以小到核苷酸對(duì)。 總結(jié)：每個(gè)順?lè)醋釉谌旧w（DNA）上的區(qū)域稱為基因座（locas），而每個(gè)基因座上有許多突變位點(diǎn)（site），它是一個(gè)順?lè)醋觾?nèi)部能發(fā)生突變的最小結(jié)構(gòu)單位，稱為突變子；一個(gè)突變可以小到一對(duì)堿基，我們知道，DNA中每一核苷酸對(duì)的改變都可引起肽鏈中氨基酸的改變，從而影響順?lè)醋拥墓δ?，但它本身沒(méi)有獨(dú)立的功能，它們之間可以重組，而重組的最小結(jié)構(gòu)單位稱為重組子，重組子可以小到鄰近堿基對(duì)間的重組。由此可見(jiàn)，順?lè)醋蛹染哂泄δ苌系耐暾?，又具有結(jié)構(gòu)上的可分割性。二、斷裂基因 傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為每個(gè)結(jié)

21、構(gòu)基因是一段連續(xù)的DNA順序，到1977年法國(guó)的Chambom等和美國(guó)的Berget等首次在猴類病毒SV40和腺病毒中發(fā)現(xiàn)基因內(nèi)部以及基因與基因之間存在有間隔順序（spacer sequence），從而導(dǎo)致隔裂基因的概念。 1、斷裂基因：基因的編碼順序由若干非編碼區(qū)域（間隔序列）隔開(kāi)，使閱讀框不連續(xù)，這種基因稱為隔裂基因（split gene，interrupted gene隔裂基因）。 通讀框（open reading frame），在一條DNA鏈上，從起始密碼開(kāi)始到終止密碼為止的連續(xù)核苷酸密碼序列。 一個(gè)基因由幾個(gè)互不相鄰的段落組成，它們被長(zhǎng)達(dá)數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)核苷酸對(duì)的間隔序列所隔開(kāi)。 在真

22、核類中，幾乎所有基因內(nèi)部都含有不轉(zhuǎn)譯的部分。在轉(zhuǎn)錄為初級(jí)RNA時(shí)（或后），這一序列被切除。 圖4-8 卵清蛋白基因及其與cDNA的雜交圖 目前，已從珠蛋白、卵清蛋白、免疫球蛋白基因、tRNA、rRNA基因中，均發(fā)現(xiàn)具有這種間隔順序的斷裂基因。 2、外顯子（exon或extron）：基因的轉(zhuǎn)譯部分。DNA序列中將被轉(zhuǎn)錄為mRNA、tRNA、rRNA的那些序列。 3、內(nèi)含子（intron）：不轉(zhuǎn)譯的部分。在成熟的mRNA、tRNA、rRNA上未反應(yīng)出來(lái)的DNA區(qū)段，即被切除的間隔序列。 Gilbert提出基因是被表達(dá)的外顯子鑲嵌在沉默的內(nèi)含子中的一種嵌合體。而內(nèi)含子的核苷酸數(shù)量可比外顯子多5-10

23、倍。 4、RNA剪接     5、斷裂基因的意義 (1)有利于儲(chǔ)存較多的信息：不同的剪接方式對(duì)應(yīng)不同的mRNA，從而對(duì)應(yīng)不同的多肽。 (2)有利于變異和進(jìn)化 (3)增加重組機(jī)會(huì) (4)可能是基因調(diào)控裝置：內(nèi)含子本身、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平 第四節(jié) 基因空間位置關(guān)系 一、重疊基因 傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為每個(gè)基因是由一些密碼子組成。而這些密碼子是有序地排列在DNA鏈上，基因在染色體上是一個(gè)接一個(gè)地排列（線狀排列）并不重疊。 1977年F.Sanger（桑格）分析了噬菌體X174 DNA全序后，發(fā)現(xiàn)它只有5375個(gè)核苷酸，共組成了九個(gè)基因，而這九種基因共編碼了2000種氨基酸，按三聯(lián)體密碼

24、子的原則應(yīng)有6000個(gè)核苷酸，而實(shí)際數(shù)與理論數(shù)卻相差625個(gè)核苷酸。Sanger實(shí)驗(yàn)室的Barrell等在其核苷酸全序測(cè)定以后，發(fā)現(xiàn)X174基因組中有些讀碼是重讀的，即一種蛋白質(zhì)的編碼順序內(nèi)可以存在著另一種蛋白質(zhì)的遺傳信息。這就是重疊基因（overlapping genes）。 圖4-9。X174DNA中D基因和E基因的開(kāi)始和結(jié)尾。說(shuō)明:核苷酸順序號(hào)從D基因的起始密碼算起，E基因從179號(hào)開(kāi)始。其閱讀相（reading phase）跟D基因岔開(kāi)。E基因包含在D內(nèi)（60%）。D基因與J基因首尾重疊。D的終止點(diǎn)A，即J的開(kāi)始處。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)基因有各種重疊方式: 1、大基因之內(nèi)包含小基因 如 ，

25、由于密碼讀框不同而得到不同的蛋白質(zhì)。 2、前后基因產(chǎn)首尾重疊 前后重疊1-2個(gè)核苷酸。如D與J，A與C 3、三個(gè)基因的三重重疊 shaw（1978）G4噬菌體。圖示。         4、反向重疊 DNA的雙鏈都轉(zhuǎn)錄，方向不同，形成不同的蛋白質(zhì)，但這種轉(zhuǎn)錄相互干擾，一強(qiáng)一弱。 5、重疊操縱子 結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控序列的重疊，以及調(diào)控序列之間的重疊。如大腸桿菌中的frd和ampC兩個(gè)操縱子。 重疊基因的意義:(1)節(jié)約空間；(2)對(duì)基因的表達(dá)調(diào)控起作用。如轉(zhuǎn)譯的偶聯(lián)（translational coupling）；(3)一個(gè)堿基的變化將會(huì)引起幾個(gè)基因的變化，從這

26、個(gè)基因上說(shuō)，重疊基因越多，那么適應(yīng)性越小，在進(jìn)化中趨于保守。   二、操縱子 大腸桿菌生長(zhǎng)在無(wú)乳糖的培養(yǎng)基上時(shí)，每個(gè)細(xì)胞中含分解乳糖的酶，如-半乳糖苷酶的分子還不到5個(gè)，一旦加入乳糖后2-3分鐘，每個(gè)細(xì)胞中的-半乳糖苷酶的含量可增加上千倍，每個(gè)細(xì)胞約含該酶分子5000個(gè)，而這時(shí)若將乳糖去掉，那么，2-3分鐘后，細(xì)胞中的-半乳糖苷酶的含量又恢復(fù)到初始水平?？梢?jiàn)，乳糖能誘導(dǎo)相應(yīng)的酶大量合成，因此，這種底物稱為誘導(dǎo)物（inducer），相應(yīng)的酶稱為誘導(dǎo)酶（inducible enzyme）。 1961年，法國(guó)分子生物學(xué)家F.Jacob（杰柯伯）和J.Monod（莫諾）通過(guò)不同的大腸桿菌乳糖

27、代謝突變體來(lái)研究基因的作用，從而提出操縱子學(xué)說(shuō)（operon theory），1965年獲諾貝爾獎(jiǎng)。 一個(gè)操縱子（operon）除了同一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位的結(jié)構(gòu)基因(structure gene)外，還有直接參加其轉(zhuǎn)錄調(diào)控的DNA序列。lacO ， lacP，即乳糖操縱子由5個(gè)緊密連鎖，但功能不同的DNA區(qū)段組成。 圖3-4 大腸桿菌乳糖操縱子的基因調(diào)控系統(tǒng)。(1)結(jié)構(gòu)基因z ：- 半乳糖苷酶基因 酶催化 乳糖半乳糖+葡萄糖。 (2)結(jié)構(gòu)基因y ：- 半乳糖苷透性酶基因 膜結(jié)合蛋白，使乳糖進(jìn)入細(xì)胞。 (3)結(jié)構(gòu)基因a ：編碼- 半乳糖轉(zhuǎn)乙?；?，該酶可將一個(gè)乙?；鶑囊阴］o酶A轉(zhuǎn)移至- 半 乳糖上，其在

28、乳糖利用上的生物學(xué)意義尚不清楚。 (4)啟動(dòng)基因P ：是RNA多聚酶與DNA結(jié)合的啟始部位。(initiator) (5)操縱基因O ：是阻遏蛋白結(jié)合的部位，它的功能象一個(gè)開(kāi)關(guān)。(operator) 調(diào)節(jié)基因i 產(chǎn)生阻遏蛋白，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的活性，與(1)-(5)不相鄰。(regulatory gene) 操縱基因與由它操縱的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因連鎖在一起，幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因由一個(gè)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄成為一個(gè)mRNA分子，然后翻譯成幾種蛋白質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)成為一個(gè)操縱子(operon)。調(diào)節(jié)基因通過(guò)產(chǎn)生阻遏物來(lái)調(diào)節(jié)操縱基因，進(jìn)而控制結(jié)構(gòu)基因的功能。這樣，這些基因構(gòu)成了一整套基因功能的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)基因和操縱基因都有

29、控制結(jié)構(gòu)基因的作用，它們的差別是：(1)調(diào)節(jié)基因可以調(diào)節(jié)不同染色體上的結(jié)構(gòu)基因，而操縱基因則只是操縱同一染色體上的結(jié)構(gòu)基因。(2)后者無(wú)基因產(chǎn)物。 操縱子模型進(jìn)一步豐富了基因概念。三、超基因 超基因(super gene)是指作用于一種性狀或作用于一系列相關(guān)性狀的幾個(gè)緊密連鎖的基因。 人類基因組的超基因如血紅蛋白基因簇。圖示。 一個(gè)基因經(jīng)過(guò)重復(fù)(duplication)和變異而產(chǎn)生的一組基因，組成一個(gè)基因家族(gene family)，基因家族中的各個(gè)成員可以聚集成簇也可以分散在不同的染色體上。 一個(gè)共同的祖先基因通過(guò)各種各樣的變異，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)大致相同但功能卻不盡相同的一大批基因，分屬于不同的

30、基因家族，但可以總稱為一個(gè)基因超家族(supfamily). 功能相同或相關(guān)的許多基因聚集成簇，就形成一個(gè)基因簇。在成簇的基因家族中通過(guò)染色體重排而分散到其他位置上的成員，被稱為孤獨(dú)基因(orphan gene).四、染色體外基因 在細(xì)胞質(zhì)遺傳中介紹五、可動(dòng)基因或轉(zhuǎn)座元件 細(xì)胞中能改變自身在染色體上位置的一段DNA順序，叫做轉(zhuǎn)座遺傳因子（transposable genetic element），簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座基因（transposable element，TE），可動(dòng)基因(mobile gene)。 轉(zhuǎn)座(transposition)和易位(translocation)是兩個(gè)不同的概念。

31、轉(zhuǎn)座是在轉(zhuǎn)座酶的作用下，轉(zhuǎn)座因子或是直接從原來(lái)位置切離下來(lái)，然后插入染色體的新位置；或是染色體上的DNA序列轉(zhuǎn)錄成RNA，RAN反轉(zhuǎn)錄成cDNA，插入染色體的新位置，原位置仍保留；轉(zhuǎn)座因子本身既包含了基因，如編碼轉(zhuǎn)座酶的基因，又包含了不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列。 1、玉米的(As-Ds)控制系統(tǒng) 1932年，美國(guó)玉米遺傳學(xué)家B.McClintock發(fā)現(xiàn)玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳現(xiàn)象，于1951年，第一次提出轉(zhuǎn)座因子的概念。因?yàn)橛衩字邪l(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座因子除了具有轉(zhuǎn)座的特性外，還具有調(diào)節(jié)其他基因的作用，又稱之為控制因子（Controlling elements）。 其中一個(gè)稱之為解離因子（DS，dissoci

32、ation），DS插入色素基因C的近旁或中間時(shí)，玉米籽粒不能形成色素，當(dāng)DS離開(kāi)C基因后抑制作用被解除。 Ds的解離又受另一控制因子激活因子（Ac，activator）的影響。Ac可位于基因組中任何其他地方。Ac丟失，Ds趨向穩(wěn)定。Ac的作用是自主的，而Ds行為卻依賴于Ac，這是因?yàn)镈s和Ac在很大程度上表現(xiàn)出核苷酸序列的同源，特別是兩端的序列是相同的。只是Ds基因不同程度的缺失是間序列，如丟失產(chǎn)生轉(zhuǎn)座所需要有關(guān)酶轉(zhuǎn)位酶。 2、原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 1967年，在大腸桿菌半乳糖操縱子的突變型研究中第一次在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了可轉(zhuǎn)移座位的插入序列。 (1)插入序列（insertion sequences

33、，IS） dgal-和dgal+的區(qū)別：(a)不能被堿基替換所回復(fù)，但又可回復(fù)突變；(b)密度梯度離心證明dgal-比重大于dgal+；(c)dgal-和dgal+分子雜交可見(jiàn)雜合雙鏈上出現(xiàn)一個(gè)多余的DNA環(huán)。 IS1的特點(diǎn)：(a)768核苷酸；(b)本身沒(méi)有表型效應(yīng)，只攜帶轉(zhuǎn)座酶基因；(c)如F因子和大腸桿菌的染色體上有一些相同的插入序列；(d)具有某些共同的結(jié)構(gòu)特征：兩端的核苷酸順序完全相同或相近，但方向相反，稱為反向重復(fù)序列（inverted repeal(IS)sequences）。含有IS的質(zhì)粒變性，單鏈復(fù)性。出現(xiàn)頸環(huán)結(jié)構(gòu)（啞鈴狀結(jié)構(gòu)）；(e)IS插入“靶”DNA后，在IS兩端出現(xiàn)一

34、小段順向重復(fù)的靶DNA序列 5-11 hp (2)轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn） 是一類較大的轉(zhuǎn)座因子，除了含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因外，還帶有抗藥基因以及其它基因。如Tn3含有3個(gè)基因：(a)編碼-內(nèi)酰胺酶的氨芐青霉素抗性基因（ampk），轉(zhuǎn)座酶基因（tnpA）和編一種阻遏物的調(diào)節(jié)基因（tnpk）；(b)分子大小200025000np；(c)兩端為IR；(d)轉(zhuǎn)座子則賦于宿主細(xì)菌一定的表型。 (3)轉(zhuǎn)座噬菌體 1963發(fā)現(xiàn)。 Mu（Mutator phage） 3、轉(zhuǎn)座機(jī)制 以細(xì)菌的轉(zhuǎn)座子為例 (1)切開(kāi) 轉(zhuǎn)座酶有兩種功能(1)識(shí)別受體靶點(diǎn)。從5'端切開(kāi)，產(chǎn)生兩個(gè)粘性末端。(2)識(shí)別

35、自身兩邊的IR。3'切開(kāi)。 (2)接合 成為共合體 共價(jià)鏈齊頭相連，形成兩個(gè)缺口。 (3)復(fù)制 DNA多聚酶補(bǔ)上缺口，連接酶連接，形成順向重復(fù)序列。 (4)重組 在特定位點(diǎn)重組。共合體分離成兩部分。 轉(zhuǎn)座子是以它的一個(gè)復(fù)制品轉(zhuǎn)移到另一位置，而在原來(lái)位置上仍然保留原有的轉(zhuǎn)座子。 4、轉(zhuǎn)座因子的遺傳學(xué)效應(yīng) (1)引起插入突變。 (2)插入位置上出現(xiàn)新基因。 (3)切離，發(fā)生回復(fù)突變，或染色體畸變。 (4)造成同源序列整合。 (5)增加新的變異，有利于進(jìn)化。 第五節(jié) 基因的功能與類別 一、基因的功能 1、one gene-one enzyme hypothesis G.W.Beadle（1954）的實(shí)驗(yàn)：用X射線得到不同的精氨酸突變型菌株，在培養(yǎng)基上分別添加鳥(niǎo)氨酸、瓜氨酸、精氨酸，其生長(zhǎng)情況如表4-3所示， 表4-3 鏈孢霉精氨酸依賴型的不同菌株對(duì)添加的氨基酸的反應(yīng) 添加的氨基酸 菌株 鳥(niǎo)氨酸 瓜氨酸 精氨酸 I 生長(zhǎng) II 生長(zhǎng) 生長(zhǎng) III 生長(zhǎng) 生長(zhǎng) 生長(zhǎng) 比德?tīng)栆虼颂岢鲆粋€(gè)基因一種酶的假說(shuō)，該假說(shuō)對(duì)基因功能的實(shí)質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。確認(rèn)(1)基因的功能是通過(guò)酶控制的生化反應(yīng)，而