第一章基因與基因工程

基因工程的創(chuàng)立與發(fā)展與基因的研究之間的內在聯系

基因的研究為基因工程的創(chuàng)立奠定了堅實的理論基礎，基因工程的誕生是基因研究發(fā)展的必然結果；

基因工程技術的發(fā)展與應用，又深刻并有力地影響著基因的研究，使我們對基因本質的認識提高到了一個空前的高度。本文檔共60頁；當前第1頁；編輯于星期三\8點57分1基因研究的發(fā)展基因的發(fā)展大體可劃分為三個階段基因的染色體遺傳學階段(細胞遺傳學):

20世紀50年代之前，主要從細胞染色體水平上進行研究?；虻姆肿由飳W階段(分子遺傳學):

20世紀50年代之后，主要從DNA水平上進行研究?；蚬こ虒W階段(分子生物技術):

20世紀70年代，重組DNA技術的建立，使基因的研究進入了反向生物學研究階段。本文檔共60頁；當前第2頁；編輯于星期三\8點57分5′3′5′5′3′3′2DNA的分子結構及其特點DNA分子中各脫氧核苷酸之間以3′-5′磷酸二酯鍵連接。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。5′3′DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。本文檔共60頁；當前第3頁；編輯于星期三\8點57分

DNA堿基組成特點和規(guī)律不同物種間DNA堿基組成一般是不同的；一個給定物種的DNA堿基組成不因個體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境改變而改變

；

DNA堿基組成的Chargaff定律：腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數相等，即[A]=[T]；鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數也相等，即[G]=[C]；嘌呤的總數等于嘧啶的總數，即[A]+[G]=[C]+[T]。本文檔共60頁；當前第4頁；編輯于星期三\8點57分

DNA的雙螺旋結構（Watson-Crick模型）5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸脫氧核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對小溝大溝本文檔共60頁；當前第5頁；編輯于星期三\8點57分

DNA復制的一般特點

1、半保留復制2、固定的起點和方向3、半不連續(xù)4、需要RNA作為引物5、需要模板

DNA的特性DNA的復制

本文檔共60頁；當前第6頁；編輯于星期三\8點57分DNA

的半保留復制實驗依據

1958年Meselson&stahl用同位素示蹤標記加密度梯度離心技術實驗,證明了DNA是采取半保留的方式進行復制.[15N]DNA原始分子[14N-15N]DNA第一子代[14N]DNA[14N-15N]DNA第二子代本文檔共60頁；當前第7頁；編輯于星期三\8點57分

DNA的特性DNA的變性

是指雙螺旋之間氫鍵斷裂，雙螺旋解開，形成單鏈無規(guī)則線團，因而發(fā)生性質改變（如粘度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加等），稱為DNA變性。

本文檔共60頁；當前第8頁；編輯于星期三\8點57分

增色效應（hyperchromiceffect）由于DNA在260nm處有最大吸收值，因此，可利用DNA變性后波長260nm處紫外吸收的變化追蹤變性過程。在DNA雙螺旋結構模型中堿基藏于內側，變性時由于雙螺旋解開，于是堿基外露，260nm紫外吸收值因而增加，這一現象稱為增色效應。本文檔共60頁；當前第9頁；編輯于星期三\8點57分

熔解溫度（meltingtemperature,Tm）通常把DNA分子雙螺旋結構失去一半時的溫度稱為熔點或熔解溫度（meltingtemperature,Tm）。DNA的Tm一般在70-85℃之間。本文檔共60頁；當前第10頁；編輯于星期三\8點57分1）DNA的均一性：均一性高的DNA，Tm值的范圍越窄；DNA的Tm值與以下因素有關：2）溶劑的性質：離子強度較低的介質中，DNA的Tm值較低，熔解溫度的范圍也較窄。因此，DNA制劑不應保存在離子強度過低的溶液中，一般保存在1MNaCl溶液中較穩(wěn)定；

3）G-C含量：G-C含量越高，Tm值越高。本文檔共60頁；當前第11頁；編輯于星期三\8點57分

DNA的特性DNA的復性與雜交

復性(renaturation)：變性DNA在適當條件，二條彼此分開的互補鏈重新結合，恢復原來的雙螺旋結構，這一過程稱為復性或退火(annealing)。雜交(hybridization):當DNA復性時，來源不同的DNA(或RNA)片段,按堿基互補關系形成雜交雙鏈分子

。本文檔共60頁；當前第12頁；編輯于星期三\8點57分復性在基因工程中的應用顯示不同生物體間的遺傳相關性；檢測特定的DNA；考查某些序列在特定生物體DNA中的拷貝數；確定特定堿基序列在DNA中的位置；分離克隆基因。本文檔共60頁；當前第13頁；編輯于星期三\8點57分本文檔共60頁；當前第14頁；編輯于星期三\8點57分本文檔共60頁；當前第15頁；編輯于星期三\8點57分12345CKSouthernbloting本文檔共60頁；當前第16頁；編輯于星期三\8點57分3基因的定義

經典的基因概念：在染色體或DNA分子上，基因是成串珠似的一個挨一個地排列著，它們之間是由非遺傳的物質連接起來。交換只是在基因之間進行，而不是在基因內部發(fā)生?；虻娜灰惑w論

遺傳功能單位交換單位突變單位本文檔共60頁；當前第17頁；編輯于星期三\8點57分順反子概念的提出

1955年，Benzer通過對噬菌體的研究提出了順反子(cistron)概念。順反子(cistron)

：編碼一種完整多肽鏈的核苷酸序列。這種多肽既可以是一種具有生物活性的蛋白質，也可同別的多肽聚合形成多功能的蛋白質。

本文檔共60頁；當前第18頁；編輯于星期三\8點57分順反子是功能單位，其最小交換單位(又稱交換子)和最小突變單位(又稱突變子)，都應是DNA分子中的一個核苷酸對。順反子概念表明，基因不是最小的單位，它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，而只有其中某一特定的多核苷酸區(qū)段才是基因的編碼區(qū)。

本文檔共60頁；當前第19頁；編輯于星期三\8點57分基因就是合成有功能意義的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列?；虻姆肿佣x：按照這個定義，一個基因應包括哪些部分？

？本文檔共60頁；當前第20頁；編輯于星期三\8點57分4基因的結構1．基因的組成部分基因編碼區(qū)(codingregion)非編碼區(qū)(nocodingregion)啟動區(qū)(promoterregion)

終止區(qū)(terminatorregion)本文檔共60頁；當前第21頁；編輯于星期三\8點57分編碼區(qū)(codingregion)含有大量的遺傳密碼，包括起始密碼子(AUG)和終止密碼子(UAA,UAG或UGA)，以及表達子(exon)。

非編碼區(qū)(nocodingregion)指基因分子結構中存在的對于遺傳信息表達所必須的、但卻不能轉譯成蛋白質多肽的DNA序列。

5-UTR，即5-末端非轉譯區(qū)；3-UTR，即3-末端非轉譯區(qū)；Intron，即真核基因的間隔子序列。本文檔共60頁；當前第22頁；編輯于星期三\8點57分啟動區(qū)(promoterregion)指位于基因5上游的一段具有特殊功能的DNA序列區(qū)，RNA聚合酶是通過同它結合作用而啟動基因的轉錄。終止區(qū)(terminator)位于基因3端下游外側與終止密碼子相連的一段非編碼的核苷酸短序列區(qū)，具有終止轉錄信號的功能。本文檔共60頁；當前第23頁；編輯于星期三\8點57分按照基因的定義，一個基因應包括：⑴編碼蛋白質多肽鏈或RNA的核酸序列；⑵保證轉錄所必需的調控序列、5′端非翻譯序列、內含子、3′端非翻譯序列等所有的核酸序列。本文檔共60頁；當前第24頁；編輯于星期三\8點57分2．原核基因的結構原核基因的范圍原核基因(Prokargoticgene)：系指由原核生物如大腸桿菌基因組的編碼基因，以及高等植物葉綠體基因組的編碼基因，還有線粒體基因組的編碼基因，都是屬于原核基因。本文檔共60頁；當前第25頁；編輯于星期三\8點57分

……TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAA反向回文序列反向回文序列終止區(qū)序列+1-10-35轉錄區(qū)終止區(qū)啟動區(qū)5上游3下游原核基因的結構T80A95t45A60A50T96T82T84G78A65C54a45

ATGttgaca…………tataat…TAA5‘UTR3‘UTRN5-9N17NNNNNNNNNNNN……………本文檔共60頁；當前第26頁；編輯于星期三\8點57分原核基因的mRNA結構原核基因的mRNA編碼區(qū)(是連續(xù)不間斷的序列)轉錄而不轉譯的5-UTR轉錄而不轉譯的3-UTR本文檔共60頁；當前第27頁；編輯于星期三\8點57分真核基因的范圍3．真核基因的結構真核基因(Eukaryoticgene)：系指由真核細胞基因組的編碼基因和感染真核細胞的DNA病毒及反轉錄病毒基因組的編碼基因均屬于真核基因。本文檔共60頁；當前第28頁；編輯于星期三\8點57分+1-20-70轉錄區(qū)終止區(qū)啟動區(qū)-80TATACCAATGC增強子內含子剪接點內含子剪接點內含子真核基因的結構加尾信號…ggccacaccc…ggccaatct…ggggcatataa………ATGCAACGGGCT…TGTGCTAT5‘UTR…GTCACTCAGgtaagg……catataggccaa……ctgcagTAGCAGCTG……AATAAA3‘UTR本文檔共60頁；當前第29頁；編輯于星期三\8點57分真核基因的mRNA結構真核基因的mRNA5端帽的結構5-UTR3端poly(A)尾巴編碼區(qū)3-UTRm7G5’ppp-NmpNp-…AUGCTT…CAACGGUAA…AAUAAA……AAAAAA…5端帽的結構

3端poly(A)尾巴本文檔共60頁；當前第30頁；編輯于星期三\8點57分5基因的類型1．根據產物類型分類結構基因(Structuralgenes)除了調節(jié)基因以外的編碼任何RNA或蛋白質產物的基因。

調節(jié)基因(Regulatorgenes)其產物能夠控制另外一個基因或若干基因表達效率的基因。例如大腸桿菌lac操縱子的laci基因，其編碼蛋白質能夠控制lac操縱子結構基因的表達。本文檔共60頁；當前第31頁；編輯于星期三\8點57分無誘導物時葡萄糖(+),乳糖(–)結構基因表達關閉本文檔共60頁；當前第32頁；編輯于星期三\8點57分2．根據表達特性組成基因(Constitutivegenes)又叫做看家基因(Housekeepinggene)，是一類理論上在所有細胞類型中都能進行表達、并為所有類型細胞生存提供必需的基本功能的基因。誘導基因(Induciblegenes)因環(huán)境中某種特殊物質的存在而被誘導表達的基因，叫做“誘導型基因”，簡稱“誘導基因”。本文檔共60頁；當前第33頁；編輯于星期三\8點57分3．根據實驗用途選擇基因(Selectablegenes)

是指可使被轉化的細胞獲得其親本細胞所不具備的新的遺傳特性，從而使得人們能夠使用特定的選擇性培養(yǎng)基，將轉化的新細胞從其親本細胞群體中選擇出來的一類特殊的基因。

選擇基因主要是一類編碼可使抗菌素(諸如氨芐青霉素、潮霉素、鏈霉素、卡那霉素等)或除草劑失活的蛋白酶基因。本文檔共60頁；當前第34頁；編輯于星期三\8點57分

Amp選擇培養(yǎng)基篩選A.pBridge-GmMYBZ1B.pBridge-GmMYBZ2C.pBridge-GmMYBJ6D.pBridge-GmMYBJ7

D

A

B

C

本文檔共60頁；當前第35頁；編輯于星期三\8點57分C

A

B

D

A.CKB.GmMYBZ2C.GmMYBJ6D.GmMYBJ7本文檔共60頁；當前第36頁；編輯于星期三\8點57分報告基因(reportergene)特指其編碼產物能被快速檢測，常用來判斷外源基因是否已經成功地導入寄主細胞、器官或組織的一類特殊的基因。常用的報告基因有氯霉素乙酰轉移酶(CAT)基因，-葡萄糖醛酸糖苷酶(GUS)基因，以及綠色熒光蛋白(greenfluorescentprotein,GFP)基因。本文檔共60頁；當前第37頁；編輯于星期三\8點57分promoter-GUSexpressionpattern本文檔共60頁；當前第38頁；編輯于星期三\8點57分subcellularlocalizationoftheOsAbc1-2protein本文檔共60頁；當前第39頁；編輯于星期三\8點57分3．根據結構特點斷裂基因(splitgene)編碼序列不連續(xù)的間斷基因，即在其核苷酸序列中間插入了與氨基酸編碼無關的DNA間隔區(qū)，使一個基因分隔成若干個不連續(xù)的區(qū)段。本文檔共60頁；當前第40頁；編輯于星期三\8點57分splitgene本文檔共60頁；當前第41頁；編輯于星期三\8點57分移動基因(movablegene)又叫跳躍基因或轉位因子，是指一種可以在染色體基因組上移動，甚至在不同染色體之間、噬菌體及質粒DNA之間躍遷的DNA短片段。

1951年由BarbaraMclintock（麥克林托克）首次在玉米中發(fā)現了一種控制元件，后來這個元件被命名為轉座元件或轉座子。由此，BarbaraMclintock在1983年獲得了諾貝爾獎。本文檔共60頁；當前第42頁；編輯于星期三\8點57分特點：不必借助同源序列就可移動的DNA片段，即轉座作用與供體和受體之間的序列無關。轉座序列可沿染色體移動，也可在不同染色體間跳躍（又稱之為跳躍基因）。原核生物和真核生物均有轉座子。本文檔共60頁；當前第43頁；編輯于星期三\8點57分

玉米轉座因子對胚乳顏色的影響紫色無色紫色斑點？本文檔共60頁；當前第44頁；編輯于星期三\8點57分假基因(pseudogene)指一類同野生型基因序列大部分同源，但由于突變而失去活性的畸變的核苷酸序列。重疊基因(overlappinggene)又叫嵌套基因(nestedgene)。系指核苷酸編碼序列彼此重疊的、編碼不同蛋白質的兩個或多個基因。重復基因(repeatgene)以串聯方式重復排列在特定染色體上的某些多拷貝基因。如rRNA基因、tRNA基因等。本文檔共60頁；當前第45頁；編輯于星期三\8點57分6基因的表達1．正義鏈與反義鏈早期文獻：正義鏈(有意義鏈)：雙鏈DNA分子中轉錄成RNA分子的模板鏈。反義鏈(無意義鏈)：與有意義鏈互補的DNA鏈。本文檔共60頁；當前第46頁；編輯于星期三\8點57分現代文獻：反義鏈(-鏈)：雙鏈DNA分子中轉錄成RNA分子的模板鏈。正義鏈(+鏈)：雙鏈DNA分子中的編碼鏈。除了以T堿基取代U堿基之外，與RNA轉錄本具有同樣的序列結構。本文檔共60頁；當前第47頁；編輯于星期三\8點57分2．基因的表達基因表達：基因通過DNA的轉錄和RNA的翻譯等過程，將其所攜帶的遺傳信息轉變成蛋白質多肽鏈(或RNA轉錄本)的過程。定義：本文檔共60頁；當前第48頁；編輯于星期三\8點57分組成性表達(constitutiveexpression)基因表達的方式看家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。這類基因表達視為基本的或組成性基因表達。本文檔共60頁；當前第49頁；編輯于星期三\8點57分適應型或調節(jié)型表達(adaptiveorregulatoryexpression)

有一些基因表達極易受環(huán)境變化影響而改變，稱為適應型或調節(jié)型表達。在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因是可誘導的，稱為誘導。相反，如果基因對環(huán)境信號應答時被抑制，基因表達產物水平降低，稱為阻遏。本文檔共60頁；當前第50頁；編輯于星期三\8點57分本文檔共60頁；當前第51頁；編輯于星期三\8點57分時間特異性：按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，這是基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性?；虮磉_的時間性及空間性空間特異性：在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，這就是基因表達的空間特異性，又稱細胞特異性或組織特異性。本文檔共60頁；當前第52頁；編輯于星期三\8點57分mRNA加工成熟水平上的調控(differentialprocessingofRNAtranscript)轉錄水平上的調控(transcriptionalregulation)翻譯水平上的調控(differentialtranslationofmRNA)3.基因的表達調控基因表達的調控水平DNA水平上的調控(regulationonDNAlevel)翻譯后水平上的調控(differentialpost-translationofmRNA)本文檔共60頁；當前第53頁；編輯于星期三\8點57分

DNARNA反饋(?)轉錄復制

翻譯

蛋白質生理功能圖:遺傳信息傳遞的“中心法則”示意圖（21世紀后修正的）tRNA和rRNA小RNA（microRNAs）非編碼RNA（Non-codingRNA）本文檔共60頁；當前第54頁；編輯于星期三\8點57分順式作用元件和反式作用因子順式作用元件(cis-actingelement):是指影響自身基因表達活性的DNA序列（如轉錄啟動子和增強子）。它作為一種原位（insitu）順序，其活性只影響與其自身處在同一個DNA分子上的基因。本文檔共60頁；當前第55頁；編輯于星期三\8點57分