第十七章遺傳物質的功能單位

第十七章遺傳物質的功能單位第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一遺傳學概述遺傳學是一門涉及生命起源和生物進化的理論科學，同時也是一門密切聯系生產實際的基礎科學。遺傳學研究生物遺傳和變異的科學；是研究生物體遺傳信息和表達規(guī)律的科學；是研究和了解遺傳物質本質的科學。第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一遺傳學的研究內容1.是研究生物遺傳和變異的科學遺傳學與生命起源和生物進化有關。2.是研究生物體遺傳信息和表達規(guī)律的科學解決問題：物種代代相傳；性狀遺傳。3.是研究和了解基因本質的科學遺傳物質是什么？遺傳物質性狀？第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一遺傳和變異的概念1.遺傳：親子間的相似現象。“種瓜得瓜、種豆得豆”2.變異：個體之間的差異?！澳干抛?，九子有別”3.遺傳和變異是一對矛盾。遺傳、變異和選擇是生物進化的三大因素4.遺傳和變異的表現與環(huán)境不可分割。第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一現代遺傳學發(fā)展史的簡要回顧現代遺傳學可以分為4個時期1.1860年以前（光學顯微鏡、細胞理論物種起源）2.1860年－1900年（孟德爾遺傳定律的發(fā)現和再發(fā)現）3.1900年－1944年4.1944到現在第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年1903年，W.Sutton和T.Boveri

提出減數分裂過程中染色體行為的假設,成功地解釋了孟德爾定律，并最終導致了基因位于染色體上的發(fā)現，奠立了遺傳的染色體學說:基因在染色體上成線性排列1906年，W.Bateson從香豌豆中發(fā)現性狀連鎖；創(chuàng)造（遺傳學）1909年，丹麥遺傳學家約翰遜(W.Johannsen)創(chuàng)造了“Gene”這個詞，中文音譯為“基因”1913年，AlfredSturtevant利用果蠅作出了第一張遺傳圖譜第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1900年-1944年R.A.Fisher成功運用多基因假設分析資料，首次將數量變異劃分為各個分量，開創(chuàng)數量性狀遺傳研究的思想方法。1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,為數量遺傳學的發(fā)展奠定了基礎。1926年，ThomasHuntMorgan發(fā)表了遺傳學史上的名著《TheTheoryoftheGene》《基因論》，創(chuàng)立了基因學說，并于1933年諾貝爾獎1927年，L.Stadler和H.J.Muller發(fā)現了X射線誘導的基因突變1941年，G.W.Beadle

在紅色面包霉生化遺傳研究中，提出“一個基因一種酶”假說1943年，S.Luria和M.Delbrück證明細菌有正常的遺傳系統，并把細菌作為遺傳學研究的模式生物第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1944年-現在1944年，O.T.Avery用純化因子研究肺炎球菌的轉化實驗，證明了遺傳物質是DNA而不是蛋白質1952年，

A.D.Hershey等用同位素示蹤法在研究噬菌體感染細菌的實驗中，再次確認了DNA是遺傳物質1953年，JamesWatson和FrancisCrick建立了DNA的雙螺旋模型。1962年諾貝爾獎1968年到1973,W.Arber,H.Smith和D.Nathans等人發(fā)現了限制性內切酶，為重組DNA技術提供了強大的工具第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1944年-現在1961年，

F.H.C.Crick等用實驗證明他于1958年提出的關于遺傳三聯密碼子的推測1961年，F.Jacob和J.Monod

提出了大腸桿菌的操縱子學說，闡明微生物基因表達的調節(jié)問題1971年，S.Cohen和

H.Boyer等人首次完成了DNA重組，開創(chuàng)了基因工程的時代1993年，K.B.Mullis由于發(fā)明PCR技術獲諾貝爾化學獎20世紀90年代，“HMG”計劃開始實施；隨后，多種模式生物基因組計劃開展21世紀，遺傳學進入后基因組時代第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)遺傳物質是核酸一、遺傳物質是DNA的直接證據1928年，Griffith

肺炎雙球菌體內轉化實驗第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

二.Hershey-Chase的噬菌體實驗第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、RNA也是遺傳物質1956年A.Gierer和G.Schraman發(fā)現：煙草花葉病毒（TMV），其遺傳物質是RNA。1957年美國的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建實驗證實了這一結論。第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、真核生物中DNA是遺傳物質的間接證據1、DNA分布在染色體內，是染色體的主要成分，而染色體是直接與遺傳有關的；2、細胞核內的DNA的含量十分穩(wěn)定，而且與染色體的數目存在著平行關系；3、DNA在代謝中較穩(wěn)定，不受生物體的營養(yǎng)條件、年齡等因素的影響；4、作用于DNA的一些物理和化學因素可以引起生物體遺傳特性的改變。第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一自我復制；能儲存遺傳信息；能表達遺傳信息；可由突變產生變異。理論上，遺傳物質必須具備四個條件：所以，DNA是生物主要的遺傳物質。第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)基因概念的發(fā)展一、摩爾根創(chuàng)立的“三位一體”的基因假說：

基因是決定性狀的最小單位、突變的最小單位和重組的最小單位（P752頁）。這種“功能、交換、突變”三位一體的基因假說就是經典遺傳學的基因概念第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、本澤爾證實了基因是一個功能單位而不是結構上的最小單位：①順反子：一段DNA序列（病毒中為一段RNA序列），能夠編碼一種多肽的所需要的最短的DNA片段，是遺傳的功能單位，包含不同的突變子和重組子。②突變子：指基因中發(fā)生突變后能產生表型效應的遺傳物質的最小單位，它可以是一個或多個核苷酸。③重組子：順反子中能通過交換重組改變表型的最小單位，它在結構上不能通過交換而分開。所以，一個基因不是一個突變單位，也不是一個重組單位，僅是一個功能單位，基因內部的一個或者若干個脫氧核苷酸對才是重組單位或突變單位。打破了“三位一體”的基因概念。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、超基因、假基因和擬基因的發(fā)現：1.超基因：作用于一種性狀或作用于一系列相關性狀的幾個緊密連鎖在同一條染色體上的一組基因。超基因中不同基因之間沒有調控的關系。分為簡單多基因家族和復雜多基因家族。2.假基因：具有與功能基因相似的序列，但由于有許多突變而失去了功能，是沒有功能的基因。3.擬基因：不包含有用的生物信息的基因。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一四、現代基因的概念及特點：1.概念：見“P754上面”2.特點：見“754-755”（1）基因呈雙螺旋結構并隨DNA的復制而復制（2）基因間一般不重疊（3）真核基因的主要載體是染色體（4）基因是可移動的轉座子（5）基因是一個功能單位，但不是結構單位：詳解見教材（6）割裂基因和連續(xù)基因是否含內含子（7）基因轉錄的mRNA具有相同的起始密碼和終止密碼第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、原核細胞的基因結構非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游啟動子終止子非編碼區(qū)不能轉錄為信使RNA，不能編碼蛋白質;但有調空遺傳信息表達的核苷酸序列,最重要的位于編碼區(qū)上游的RNA聚合酶結合位點.第三節(jié)基因的結構第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、原核細胞的基因結構非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游啟動子終止子編碼區(qū)能夠轉錄為相應的信使RNA，進而指導蛋白質的合成，也就是說能夠編碼蛋白質第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、原核細胞的基因結構非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游與RNA聚合酶結合位點啟動子終止子RNA聚合酶能夠識別調控序列中的結合位點，并與其結合。轉錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動，并與DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。轉錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。接第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一原核生物基因表達的調控乳糖代謝基因表達調控圖解：

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA調節(jié)基因啟動子操縱基因結構基因RNA聚合酶轉錄半乳糖苷酶酶酶原核基因一般是多個成簇排列的，在基因簇的全部結構基因受一個啟動子調控。這全部基因要么一起表達，要么不表達，而且轉錄生成單一的mRNA分子，然后再分別翻譯成幾個不同的多肽分子。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、真核細胞的基因結構編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚酶結合位點內含子外顯子能夠編碼蛋白質的序列叫做外顯子不能夠編碼蛋白質的序列叫做內含子，內含子能轉錄為信使RNA

啟動子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)上游內含子外顯子第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一不同的基因外顯子和內含子的數目是不同的如：人的血紅蛋白中，有一種蛋白質叫做β－珠蛋白，它的基因有1700個堿基對，其中有3個外顯子和2個內含子，能夠編碼146個氨基酸人的一種凝血因子的基因，在它的186000個堿基對中，有26個外顯子和25個內含子，能夠編碼2552個氨基酸第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一5’3’增強子CAAT框TATA框轉錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內含子1內含子2AATAAA轉錄終止點真核細胞基因結構示意圖啟動子：主要包括兩個序列（1）在5’端轉錄起始點上游約20~30個核苷酸處有TATA框，它是一個短的核苷酸序列，是啟動子中的一個順序，它是RNA聚合酶的重要接觸點，能使酶準確識別轉錄的起始點并開始轉錄。當TATA框中的堿基順序有所改變時，mRNA的轉錄就會從不正常的位置開始。第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一5’3’增強子CAAT框TATA框轉錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內含子1內含子2AATAAA轉錄終止點真核細胞基因結構示意圖啟動子：主要包括兩個序列（2）在5’端轉錄起始點上游約70~80個核苷酸的地方，有CAAT框，是啟動子中另一個短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的另一個結合點，它的作用還不肯定，一般認為它控制著轉錄的起始頻率，而不影響轉錄的起始點。當框中的堿基順序改變后，mRNA的形成量會明顯減少。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一5’3’增強子CAAT框TATA框轉錄起始點外顯子1外顯子2外顯子3內含子1內含子2AATAAA轉錄終止點真核細胞基因結構示意圖增強子：在5’端轉錄起始點上游約100個核苷酸以遠處的位置，能使轉錄活性增強上百倍。終止子：在3’端終止密碼的下游有一個核苷酸順序為AATAAA，AATAAA順序和下游的反向重復順序合稱為終止子，是轉錄終止的信號。終止子的特殊堿基排列順序能夠阻礙RNA聚合酶的移動，并使其從DNA模板鏈上脫離下來。第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、真核生物基因組與原核生物基因組的主要區(qū)別：（1）真核生物基因組DNA與蛋白質結合形成染色體，儲存于細胞核內，除配子細胞外，體細胞內的基因組是雙份的（即雙倍體）。細菌染色體基因組通常由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，染色體形成類核，無核膜與胞漿分開。（2）基因組遠遠大于原核生物的基因組，具有許多復制起點，而每個復制子的長度較小。（3）真核細胞基因轉錄產物為單順反子。一個結構基因經過轉錄和翻譯生成一個mRNA分子和一條肽鏈。原核生物基因轉錄產物為多順反子，功能上相關的幾個基因往往在一起組成操縱子結構。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一（4）真核基因組大部分基因含有內含子，因此，基因是不連續(xù)的，稱為斷裂基因，需要進行轉錄后加工；原核基因組沒有內含子結構，不需進行轉錄后剪接加工。（5）真核基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。原核基因組大部分為編碼序列，不編碼區(qū)域僅占一小部分。（6）真核生物基因組存在重復序列，重復次數可達百萬次以上基因組遠遠大于原核生物的基因組。（7）真核生物基因組存在多基因家族、超基因家族和假基因。三、真核生物基因組與原核生物基因組的主要區(qū)別：第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因的表達調控第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一真核生物基因表達與調控第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一癌癥研究的轉折點-----人類基因組的全序列分析

DulbeccoRScience1986

回顧了70年代以來癌癥研究的進展，使人們認識到包括癌癥在人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關；同時指出，要么仍處在零打碎敲的方法研究，要么從整體上研究和分析整個人類基因組及其序列。這一計劃的意義，可以與征服宇宙的計劃媲美。這樣的工作是任何一個實驗室難以單獨承擔的項目。這個世界所發(fā)生的一切事情，都與這一人類的DNA序列息息相關第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一HGP的研究內容總體目標：15年內投入30億美元，完成人類24條染色體的30億個核苷酸序列分析主要內容：

1.基因組制圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜、基因圖譜）

2.基因的定位與分析

3.基因組研究技術的建立、改進

4.模式生物基因組的圖譜繪制及測序

5.相關課題的研究第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組計劃大事記1986年Dulbecco在“Science”首次提出1990年國際人類基因組計劃正式啟動1996年真核生物酵母(15Mb)1997年大腸桿菌(4,653,831bp，4283個基因)1997年底線蟲（28Mb，19,000基因)1998年5月celera公司宣布加入該計劃第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組計劃大事記1999年初celera公司宣布完成果蠅（120Mb)