普通遺傳學(xué)課件

緒論AnIntroduction第一節(jié)遺傳學(xué)研究的對(duì)象和任務(wù)什麼是遺傳學(xué)（genetics)?研究生物的遺傳和變異的科學(xué)生物——植物、動(dòng)物、微生物和人類(lèi)遺傳（heredity):變異（variation):生物進(jìn)化的三大因素：遺傳、變異和選擇遺傳與變異的辯證統(tǒng)一環(huán)境在遺傳學(xué)研究中的重要性遺傳學(xué)研究的任務(wù)0.1Abriefoverviewofthemodernhistoryofgenetics0.1.1孟德?tīng)栆郧凹巴瑫r(shí)代的一些遺傳學(xué)說(shuō)

用進(jìn)廢退學(xué)說(shuō)

1809年Lamarck(1744-1829)提出“用進(jìn)廢退”的進(jìn)化論觀點(diǎn)，由此而得出獲得性狀(acquiredcharacteristics)是可以遺傳的。

泛生論(hypothesisofpangenesis)1866年達(dá)爾文提出泛生論,認(rèn)為身體各部分細(xì)胞裏都存在一種胚芽或“泛子”(pangens),它決定所在細(xì)胞的分化和發(fā)育。各種泛子隨著血液迴圈彙集到生殖細(xì)胞中。受精卵發(fā)育過(guò)程中，泛子又不斷流到不同的細(xì)胞中，控制所在細(xì)胞的分化，產(chǎn)生一定的組織器官。CharlesDarwin(1809-82)

種質(zhì)論(germplasmtheory)1883年,德國(guó)生物學(xué)家魏斯曼(Weismann)認(rèn)為：多細(xì)胞生物可分為“種質(zhì)”(germplasm)和“體質(zhì)”(somatoplasm)兩部分,種質(zhì)是獨(dú)立的、連續(xù)的、能產(chǎn)生後代的種質(zhì)和體質(zhì)。體質(zhì)是不連續(xù)的、不能產(chǎn)生種質(zhì)。種質(zhì)的變異將導(dǎo)致遺傳的變異,而環(huán)境引起的體質(zhì)的變異是不連續(xù)的。魏斯曼做了連續(xù)22代剪斷小鼠的實(shí)驗(yàn)，來(lái)與“泛生論”論戰(zhàn)。0.1.2

遺傳學(xué)的誕生1865年,孟德?tīng)?根據(jù)他8年的植物雜交試驗(yàn)結(jié)果，2月8日在當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)協(xié)會(huì)上宣讀了一篇題為“植物雜交實(shí)驗(yàn)”的論文。但這一偉大的發(fā)現(xiàn)埋沒(méi)35年後才重見(jiàn)天日。1900年遺傳學(xué)誕生。GregorJohannMendel(1822-84)孟德?tīng)栠z傳定律的重新發(fā)現(xiàn)者：荷蘭的德弗裏斯(H.DeVries)德國(guó)的科倫斯(C.Correns)奧地利的契馬克(E.Seysenegg-Tschermak)遺傳學(xué)奠基年：1900年遺傳學(xué)的奠基人：孟德?tīng)枺珿.J.GregorJohannMendel(1822～1884)

0.1.3

遺傳學(xué)的發(fā)展

細(xì)胞遺傳學(xué)時(shí)期(約1910-1940)

確立了遺傳的染色體學(xué)說(shuō) 1910年摩爾根創(chuàng)立了連鎖定律並證實(shí)了基因在染色體上以直線方式排列。提出了遺傳的染色體理論(chromosometheoryofinheritance)。獲1933年度諾貝爾獎(jiǎng)ThomasHuntMorgan(1866-1945)

1927年，穆勒和斯特德勒用X射線分別誘導(dǎo)果蠅和玉米突變成功

1937年，布萊克斯裏用秋水仙素誘導(dǎo)植物多倍體成功

微生物遺傳及生化遺傳學(xué)時(shí)期

(1941-1960)GeorgeBeadle(1903-89)andE.L.Tatum(1909-79)1941年BeadleandTatum提出了一個(gè)基因一個(gè)酶的假說(shuō)(Onegene-oneenzymehypothesis):獲1958年度諾貝爾獎(jiǎng)

微生物遺傳及生化遺傳學(xué)時(shí)期

(1941-1960)1944年Avery提出遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA最應(yīng)該獲得諾貝爾獎(jiǎng)而沒(méi)有獲得，為此，諾貝爾委員會(huì)曾一度受到批評(píng)。OswaldAvery(1877-1955)

微生物遺傳及生化遺傳學(xué)時(shí)期

(1941-1960)1951年BarbaraMcClintock發(fā)現(xiàn)跳躍基因獲1983年度諾貝爾獎(jiǎng)BarbaraMcClintock(1902-92)

微生物遺傳及生化遺傳學(xué)時(shí)期

(1941-1960)1953年WatsonandCrick建立了DNA的雙螺旋模型結(jié)構(gòu)，並於1958年提出了中心法則。獲1962年度諾貝爾獎(jiǎng)JamesWatson(1928-)andFrancisCrick(1916-)一、里程碑性的發(fā)現(xiàn)1953年4月25曰《自然》雜誌：

《核酸的分子結(jié)構(gòu)—去氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型》作者：沃森（J.D.Watson）(美）克裏克（F.H.C.Crick）（英）1953年WatsonandCrick建立了DNA的雙螺旋模型結(jié)構(gòu)，並於1958年提出了中心法則。獲1962年度諾貝爾獎(jiǎng)JamesWatson(1928-)andFrancisCrick(1916-)威爾金斯和富蘭克林（英國(guó)皇家學(xué)院）美妙的DNA雙螺旋DNA雙螺旋對(duì)生命科學(xué)的貢獻(xiàn)1、標(biāo)誌著分子生物學(xué)時(shí)代的到來(lái)2、探索生命奧秘的新成果大量湧現(xiàn)

DNA的複製機(jī)理遺傳密碼的破譯中心法則基因表達(dá)和調(diào)控機(jī)理內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)

PCR技術(shù)

DNA測(cè)序

3、

由新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)引發(fā)的新興產(chǎn)業(yè)基因工程技術(shù)DNA多樣性檢測(cè)技術(shù)人類(lèi)基因組計(jì)畫(huà)

雙螺旋模型的建立(WatsonandCrick,1953)以及中心法則的提出(Crick,1958)

分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)JamesWatson(1928-)FrancisCrick(1916-)獲1962年諾獎(jiǎng)

分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)乳糖操縱子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)獲1965年諾獎(jiǎng)

分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)遺傳密碼的破譯(NirenbergandKhorana,1964,1965)HarGobindKhorana(left)andMarshallNirenberg獲1968年諾獎(jiǎng)

分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)反轉(zhuǎn)錄酶(Temin,1975)，DNA合成酶(Kornberg,1958)，限制性?xún)?nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)(Arber,1962,1968;Smith,1978)HowardTemin(1934-94)ArthurKornberg(1918-)獲1978年諾獎(jiǎng)分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)DNA重組技術(shù)的建立(1972,Berg)DNA測(cè)序(SangerandGilbert,1977)PaulBerg(1926-)FrederickSanger(1918-)WalterGilbert(1932-)1980年諾獎(jiǎng)分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)轉(zhuǎn)座子的移動(dòng)(Shapiro,1980)核糖酶(CechandAltman,1981)的發(fā)現(xiàn)

PCR技術(shù)的建立(Swithies,1986)內(nèi)含子的發(fā)現(xiàn)(SharpandRoberts,1977)J.A.Shapiro(1943-)SidneyAltman(1939)PhilipA.Sharp(1944-)1993年獲獎(jiǎng)

分子遺傳學(xué)時(shí)期(1953-Present)克隆羊的成功(Wilmut,1997)以及人體遺傳密碼草圖(2000.6.26)的面世。多利羊和它的代理母親0.2Thethreegeneralareasofgenetics0.2.1ClassicalGeneticsMendel’sprinciplesMeiosisandmitosisSexdeterminationSexlinkageChromosomalmappingCytogenetics(chromosomalchanges)0.2Thethreegeneralareasofgenetics0.2.2MolecularGeneticsStructureofDNAChemistryofDNATranscriptionTranslationDNAcloningControlofgeneexpressionDNAmutationandrepairExtrachromosomalinheritance0.2Thethreegeneralareasofgenetics0.2.3EvolutionaryGenetics

QuantitativegeneticsHardy-WeinbergequilibriumAssumptionsofequilibriumEvolutionSpeciation遺傳學(xué)的分支：（30多個(gè)）

細(xì)胞遺傳學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)數(shù)量遺傳學(xué)分子遺傳學(xué)發(fā)育遺傳學(xué)基因組學(xué)進(jìn)化遺傳學(xué)遺傳工程群體遺傳學(xué)輻射遺傳學(xué)0.3遺傳學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用

一、遺傳學(xué)與農(nóng)牧業(yè)的關(guān)係二、遺傳學(xué)與工業(yè)的關(guān)係三、遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)中的關(guān)係四、其他

基因的表達(dá)與調(diào)控第一節(jié)基因的概念一、基因的概念及其發(fā)展（一）經(jīng)典遺傳學(xué)中關(guān)於基因的概念（二）分子遺傳學(xué)關(guān)於基因的概念不同類(lèi)型的基因：結(jié)構(gòu)基因調(diào)控基因重疊基因隔裂基因跳躍基因假基因二、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)（一）互補(bǔ)作用（二）順式與反式調(diào)控（三）基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)三、基因的作用與性狀的表達(dá)例子：人類(lèi)鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥第二節(jié)基因調(diào)控一、原核生物的基因調(diào)控乳糖操縱元模型：1961年由莫諾（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用來(lái)闡述大腸桿菌乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。獲1965年諾貝爾獎(jiǎng)。乳糖操縱子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)獲1965年諾獎(jiǎng)乳糖操縱元模型iozyaiozya阻遏物誘導(dǎo)物關(guān)閉狀態(tài)開(kāi)放狀態(tài)半乳糖苷酶滲透酶轉(zhuǎn)乙醯酶R酶調(diào)節(jié)基因操縱基因第二節(jié)基因調(diào)控二、真核生物的基因調(diào)控

DNA水準(zhǔn)轉(zhuǎn)錄水準(zhǔn)和轉(zhuǎn)錄後的修飾翻譯水準(zhǔn)和翻譯後的修飾

（一）DNA的改變基因劑量DNA重排DNA的甲基化（二）轉(zhuǎn)錄水準(zhǔn)的調(diào)控（三）翻譯水準(zhǔn)的調(diào)控蛋白質(zhì)折疊蛋白酶切割蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾蛋白質(zhì)內(nèi)含子

基因重組與基因工程

轉(zhuǎn)基因植物獲得新的性狀返回返回把大鼠生長(zhǎng)因數(shù)轉(zhuǎn)入小鼠得到巨大型的轉(zhuǎn)基因小鼠。返回用噬菌體DNA構(gòu)建重組DNA分子返回用質(zhì)粒構(gòu)建重組DNA分子基因重組(generecombination)是指DNA片段在細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間，甚至在不同物種之間進(jìn)行交換，交換後的片段仍然具有複製和表達(dá)的功能?；蚬こ?geneticengineering）是指採(cǎi)用人工方法將不同來(lái)源的DNA進(jìn)行重組，並將重組後的DNA引入宿主細(xì)胞中進(jìn)行增殖或表達(dá)的過(guò)程。

重組DNA技術(shù)

重組DNA技術(shù)又稱(chēng)為基因工程（geneticengineering）或分子克隆(molecularcloning)。基因工程的操作過(guò)程主要由以下步驟組成：①載體和目的基因的分離；②載體和目的基因的切斷；③載體和目的基因的重組；④重組DNA的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)增；⑤重組DNA的篩選和鑒定。

一、載體和目的基因的分離

為了進(jìn)行基因重組，首先需要對(duì)載體DNA和目的基因分別進(jìn)行分離純化，得到其純品。（一）載體：基因工程中常用的載體(vector)主要包括質(zhì)粒(plasmid)、噬菌體(phage)和病毒(virus)三大類(lèi)。這些載體均需經(jīng)人工構(gòu)建，除去致病基因，並賦予一些新的功能，如有利於進(jìn)行篩選的標(biāo)誌基因、單一的限制酶切點(diǎn)等。

1．質(zhì)粒：

是存在於天然細(xì)菌體內(nèi)的一種獨(dú)立於細(xì)菌染色體之外的雙鏈環(huán)狀DNA，具有獨(dú)立複製的能力，通常帶有細(xì)菌的抗藥基因。最早使用的質(zhì)粒DNA是人工構(gòu)建的pBR322，該質(zhì)粒分子大小為4.3kb，帶有抗四環(huán)素和抗氨芐青黴素基因，含EcoRⅠ，BamHⅠ，HindⅢ等單一的限制酶切點(diǎn)。

質(zhì)粒pUC19的分子結(jié)構(gòu)2．噬菌體：可通過(guò)轉(zhuǎn)染方式將其DNA送入細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)行增殖。常用的為人工構(gòu)建的λ噬菌體載體。噬菌體兩端的片段對(duì)於其包裝是必需的，因而應(yīng)予保留；而其中間部分則可進(jìn)行改造或置換，使之具有某種單一的限制酶切點(diǎn)。目的基因與噬菌體DNA進(jìn)行重組時(shí)，可採(cǎi)用插入重組方式，也可採(cǎi)用置換重組方式。

3．病毒：常用的為SV40，通過(guò)感染方式將其DNA送入哺乳動(dòng)物細(xì)胞中進(jìn)行增殖。目前應(yīng)用相對(duì)較少。

（二）目的基因：目的基因的篩選和分離可採(cǎi)用以下方法進(jìn)行：

1．直接從染色體DNA中分離：僅適用於原核生物基因的分離，較少採(cǎi)用。

2．人工合成：

根據(jù)已知多肽鏈的氨基酸順序，利用遺傳密碼表推定其核苷酸順序再進(jìn)行人工合成。適應(yīng)於編碼小分子多肽的基因。

3．從mRNA合成cDNA：採(cǎi)用一定的方法釣取特定基因的mRNA，再通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄酶催化合成其互補(bǔ)DNA（cDNA），除去RNA鏈後，再用DNA聚合酶合成其互補(bǔ)DNA鏈，從而得到雙鏈DNA。這一方法通?？傻玫娇杀磉_(dá)的完整基因。

4．從基因文庫(kù)中篩選：將某一種基因DNA用適當(dāng)?shù)南拗泼盖袛噌?，與載體DNA重組，再全部轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞，得到含全部基因組DNA的種群，稱(chēng)為G文庫(kù)(genomicDNAlibrary)。將某種細(xì)胞的全部mRNA通過(guò)逆轉(zhuǎn)合成cDNA，然後轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞，得到含全部表達(dá)基因的種群，稱(chēng)為C-文庫(kù)(cDNAlibrary)。C-文庫(kù)具有組織細(xì)胞特異性。

基因組文庫(kù)的製作5．利用PCR合成：如已知目的基因兩端的序列，則可採(cǎi)用聚合酶鏈反應(yīng)（polymerasechainreaction,PCR）技術(shù)，在體外合成目的基因。但此法可能會(huì)造成克隆的目的基因堿基序列的改變。

二、載體和目的基因的切斷通常採(cǎi)用限制性核酸內(nèi)切酶(restrictionendonuclease)，簡(jiǎn)稱(chēng)限制酶，分別對(duì)載體DNA和目的基因進(jìn)行切斷，以便於重組。限制酶目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)400多種，所識(shí)別的順序往往為4-8個(gè)堿基對(duì)，且有回文結(jié)構(gòu)。由限制酶切斷後的末端可形成平端、3'-突出粘性末端和5'-突出粘性末端三種情況。形成粘性末端(cohesiveend)者較有利於載體DNA和目的基因的重組。

三、載體和目的基因的重組

即將帶有切口的載體與所獲得的目的基因連接起來(lái)，得到重新組合後的DNA分子。

（一）粘性末端連接法：當(dāng)載體DNA和目的基因均用同一種限制酶進(jìn)行切斷時(shí)，二者即可帶有相同的粘性末端。如將載體與目的基因混合在一起，二者即可通過(guò)粘性末端進(jìn)行互補(bǔ)粘合，再加入DNA連接酶，即可封閉其缺口，得到重組體。較少的情況下，對(duì)產(chǎn)生的平端也可直接進(jìn)行連接。

載體DNA與目的基因的連接（二）人工接尾法：即同聚物加尾連接法。當(dāng)載體和目的基因無(wú)法採(cǎi)用同一種限制酶進(jìn)行切斷，無(wú)法得到相同得粘性末端時(shí)，可採(cǎi)用此方法。此法首先使用單鏈核酸酶將粘性末端切平，再在末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶的催化下，將去氧核糖核苷酸添加於載體或目的基因的3'-端，如載體上添加一段polyG，則可在目的基因上添加一段polyC，故二者即可通過(guò)堿基互補(bǔ)進(jìn)行粘合，再由DNA連接酶連接。

（三）人工接頭連接法：將人工連接器（即一段含有多種限制酶切點(diǎn)的DNA片段）連接到載體和目的基因上，即有可能使用同一種限制酶對(duì)載體和目的基因進(jìn)行切斷，得到可以互補(bǔ)的粘性末端。

四、重組DNA的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)增

重組DNA需導(dǎo)入宿主細(xì)胞才能進(jìn)行增殖或表達(dá)。重組質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)化（transformation）方式導(dǎo)入宿主細(xì)胞，即將大腸桿菌用CaCl2處理，增加細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，再與重組質(zhì)粒DNA短暫溫育，質(zhì)粒DNA即可導(dǎo)入宿主細(xì)胞。

如果是用λ噬菌體作為載體的重組體，則需要用外殼蛋白進(jìn)行包裝，使之成為具有感染能力的噬菌體，再通過(guò)轉(zhuǎn)染(transfection)方式將重組噬菌體DNA導(dǎo)入大腸桿菌等宿主細(xì)胞。重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞後，即可在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件下進(jìn)行培養(yǎng)以擴(kuò)增宿主細(xì)胞。對(duì)於質(zhì)粒DNA，還可通過(guò)在培養(yǎng)基中加入氯黴素，抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)合成及染色體DNA的複製，以單獨(dú)擴(kuò)增細(xì)胞中的質(zhì)粒DNA。

五、重組DNA的篩選和鑒定

由於重組體導(dǎo)入宿主細(xì)胞的比例通常較低，因此需要對(duì)含有重組體的宿主細(xì)胞進(jìn)行篩選並作鑒定?？蓲?cǎi)用以下方法進(jìn)行：

（一）根據(jù)重組體的表型進(jìn)行篩選：對(duì)於帶有抗藥基因的質(zhì)粒重組體，可採(cǎi)用插入滅活法進(jìn)行篩選。如pBR322中帶有抗氨芐青黴素和抗四環(huán)素基因，當(dāng)將目的基因插入抗四環(huán)素基因後，就可引起該基因失活，細(xì)菌對(duì)氨芐青黴素耐藥，而對(duì)四環(huán)素敏感。在含氨芐青黴素的培養(yǎng)基上能夠生長(zhǎng)，而在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)的細(xì)菌即為帶重組體的細(xì)菌。

插入滅活法篩選重組體（二）根據(jù)標(biāo)誌互補(bǔ)進(jìn)行篩選：當(dāng)宿主細(xì)胞存在某種基因及其表達(dá)產(chǎn)物的缺陷時(shí)，可採(cǎi)用此方法篩選重組體。即在載體DNA分子中插入相應(yīng)的缺陷基因，如宿主細(xì)胞重新獲得缺陷基因的表達(dá)產(chǎn)物，則說(shuō)明該細(xì)胞中帶有重組體。

（三）根據(jù)DNA限制酶譜進(jìn)行分析：

經(jīng)過(guò)粗篩後的含重組體的細(xì)菌，還需進(jìn)行限制酶譜分析進(jìn)一步鑒定。將單一細(xì)菌進(jìn)行擴(kuò)增後分別提取其DNA，用重組時(shí)所用的同一限制酶進(jìn)行酶切，再將其與不含目的基因的載體一起進(jìn)行電泳比較分析，如發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)目的基因片段的電泳帶即證明重組體中帶有目的基因。

（四）用核酸雜交法進(jìn)行分析鑒定：為了進(jìn)一步鑒定重組基因體中的目的基因，可採(cǎi)用與目的基因部分互補(bǔ)的DNA片段作為探針，與含有重組體的細(xì)菌菌落進(jìn)行雜交，經(jīng)放射自顯影，如結(jié)果為陽(yáng)性，即可確定重組體中帶目的基因。

獲得帶目的基因的細(xì)菌後，可將其不斷進(jìn)行增殖，從而得到大量的目的基因片段用於分析研究。如在目的基因的上游帶有啟動(dòng)子順序，則目的基因還可轉(zhuǎn)錄表達(dá)合成蛋白質(zhì)。

五、轉(zhuǎn)基因技術(shù)1982年P(guān)almiter等人首次將大白鼠的生長(zhǎng)激素基因放在質(zhì)粒中小白鼠金屬巰基蛋白啟動(dòng)子之後。這個(gè)啟動(dòng)子通常在染色體上，控制金屬巰基蛋白的轉(zhuǎn)錄。將重組好的這種質(zhì)粒（幾百個(gè)拷貝）用特製的微量注射器注入小鼠受精卵的雄性原細(xì)胞核（pronucleus）中，再將這個(gè)受精卵植入小鼠子宮中。

結(jié)果發(fā)育生成的小鼠中經(jīng)Southen雜交證明許多小鼠中都含有大白鼠的生長(zhǎng)激素基因。而且成熟的小鼠體重比對(duì)照大兩倍，成為“碩鼠”或“超級(jí)鼠”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次證明，外源基因在新的啟動(dòng)子控制下可以整合到哺乳類(lèi)細(xì)胞核內(nèi)，並在其中實(shí)現(xiàn)有效地表達(dá)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)中有關(guān)外源基因與染色體的定位重組，表達(dá)調(diào)控等還有待深入研究。六、體細(xì)胞克隆技術(shù)1997年Nature雜誌報(bào)導(dǎo)，英國(guó)學(xué)者I.Wilmut等人，從一只胚胎羊中取出乳腺上皮細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)（供體），再用另一母羊的卵細(xì)胞（受體）摘出細(xì)胞核後，與上述乳腺上皮細(xì)胞進(jìn)行體外融合。融合體經(jīng)培養(yǎng)後，植入受體母羊的子宮中，結(jié)果融合體發(fā)育並分娩出一頭小羊“多利”。稱(chēng)為克隆羊。這是20世紀(jì)生物科學(xué)震驚世界的成就。它表明成熟的體細(xì)胞可以不經(jīng)過(guò)有性繁殖發(fā)育成個(gè)體。

基因工程和基因組學(xué)

第一節(jié)基因工程(GeneticEngineering)

基因工程概述限制性?xún)?nèi)切核酸酶載體基因的分離與鑒定基因工程的應(yīng)用

基因工程概述★遺傳工程廣義狹義：細(xì)胞工程、染色體工程、細(xì)胞器工程等基因工程★1、概念：

是指將一種或多種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然後轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意願(yuàn)遺傳並表達(dá)出新的性狀。

基因工程概述也稱(chēng)為DNA重組技術(shù)(DNARecombination)、或分子克隆(Molecularcloning)★2、誕生：

1971年，美國(guó)Smith,H.O.

等分離出一種限制性酶，可酶切病毒的DNA分子；

1972年：Ｂerg,P.

等實(shí)現(xiàn)不同酶切DNA片段的體外連接；

1973年：Cohen,s.等將體外重組的DNA

轉(zhuǎn)入大腸桿菌細(xì)胞並得以表達(dá)。

基因工程概述★３、基本過(guò)程：

基因工程概述⑴從供體細(xì)胞中分離出目的基因；(簡(jiǎn)稱(chēng)“切”)⑵用DNA連接酶將含有外源基因的DNA片斷接到載體上，形成DNA重組分子(“接”)；⑶借助細(xì)胞轉(zhuǎn)化手段將DNA重組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞(“轉(zhuǎn)”)；★３、基本過(guò)程：

基因工程概述⑷培養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞，以擴(kuò)增DNA重組分子，使其整合到受體細(xì)胞的基因組中（“增”）；⑸鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞，獲得外源基因高效表達(dá)的細(xì)胞（“檢”）；由此可見(jiàn)，基因工程的操作過(guò)程可簡(jiǎn)化為：“切、接、轉(zhuǎn)、增、檢”目的基因與載體連接(DNA分子重組)DNA分子重組目的基因?qū)胧荏w二限制性?xún)?nèi)切核酸酶

★限制性?xún)?nèi)切核酸酶或限制性酶：

(restrictionenzymes)

在細(xì)菌中此酶的功能是降解外來(lái)DNA分子，以限制(restriction)或阻止病毒侵染。該類(lèi)能識(shí)別雙鏈DNA分子中一段特異的核苷酸序列，並將雙鏈DNA分子切斷。二限制性?xún)?nèi)切核酸酶

★限制性酶據(jù)其作用特點(diǎn)，可分為兩類(lèi)。

⑴第Ⅰ類(lèi)限制性酶：每隔一段DNA序列隨機(jī)切割雙鏈

DNA分子，沒(méi)有序列特異性。

⑵第Ⅱ類(lèi)限制性酶：能識(shí)別一段特異的DNA序列，準(zhǔn)確地酶切雙鏈DNA的特異序列。其識(shí)別的序列是對(duì)稱(chēng)的，即在一條鏈中從5’到3’方向的序列，與其互補(bǔ)鏈從5’到3’方向的序列完全相同。這種序列稱(chēng)為回紋對(duì)稱(chēng)序列(palindrome)。三載體

一個(gè)DNA片段只有與適合的載體(vector)DNA連接構(gòu)成重組DNA後，在載體DNA的運(yùn)載下，才可以高效率地進(jìn)入宿主細(xì)胞(hostcell)，並在其中複製、擴(kuò)增、克隆出多個(gè)拷貝?？勺鳛镈NA載體的有質(zhì)粒、噬菌體、病毒、細(xì)菌或酵母菌人工染色體（BAC、YAC）等。三載體

★作為載體DNA分子，需具備四個(gè)條件：⑴具複製原點(diǎn)(ori)，

能攜帶的外源DNA片段獨(dú)立地自我複製；⑵具有多克隆位點(diǎn)，即具有多種限制性酶的切點(diǎn)，用於克隆外源DNA片段；⑶至少具有一個(gè)選擇標(biāo)記基因；⑷易從宿主細(xì)胞中回收。

1.細(xì)菌質(zhì)?！糍|(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立於細(xì)菌染色體而自然存在的、能自我複製、易分離和導(dǎo)入的環(huán)狀雙鏈DNA分子?！钸@些質(zhì)粒的適應(yīng)範(fàn)圍廣，拷貝數(shù)多。進(jìn)入宿主細(xì)胞複製後，每個(gè)細(xì)胞的質(zhì)粒拷貝數(shù)可高達(dá)1000個(gè)。2.λ噬菌體

3.柯斯質(zhì)粒

4.穿梭載體

5.細(xì)菌人工染色體

6.酵母人工染色體7.Ti質(zhì)粒及其衍生載體

四基因的分離與鑒定(一)從基因庫(kù)中分離基因(二)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增基因(三)人工合成基因

五基因工程的應(yīng)用

(一)基因工程工業(yè)(二)植物基因工程(三)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物(四)遺傳疾病診斷(一)基因工程藥物◆胰島素的人工生產(chǎn)(二)植物基因工程根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化◆植物基因轉(zhuǎn)化：是指將外源基因轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞內(nèi)、並整合到植物基因組中穩(wěn)定遺傳和表達(dá)的過(guò)程?！舾┺r(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化2.基因槍轉(zhuǎn)化技術(shù)◆通過(guò)高壓氣體等動(dòng)力，高速發(fā)射包裹有重組DNA的金屬顆粒，將目的基因直接導(dǎo)入受體細(xì)胞，並整合到染色體上的方法。◆此法已廣泛用於轉(zhuǎn)化水稻、小麥、玉米、大豆等主要作物。(三)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物

與轉(zhuǎn)基因植物相比，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的發(fā)展要慢些。

◆例如，利用轉(zhuǎn)基因羊大量表達(dá)人類(lèi)的抗胰蛋白酶?！魧⑷说目挂鹊鞍酌甫?1基因克隆在羊奶產(chǎn)生相關(guān)基因啟動(dòng)子的下游，這種啟動(dòng)子僅在乳腺細(xì)胞中表達(dá)，使羊奶中含有大量有功能的人類(lèi)抗胰蛋白酶；◆可利用家禽作為生物反應(yīng)器，生產(chǎn)人類(lèi)大量需要的重要蛋白質(zhì)。大象的生長(zhǎng)基因轉(zhuǎn)到豬身上(四)遺傳疾病診斷(五)基因治療◆利用基因工程技術(shù)，將特異基因?qū)雭K整合到具有遺傳缺陷的患者的基因組中，以治療遺傳疾病的方法，通常叫做基因治療(genetherapy)。◆目前最常用的方法是利用病毒DNA作載體，構(gòu)建重組DNA分子，用病毒包裝物包裝後形成的重組去毒病毒感染患者的細(xì)胞，將正?；蛘系饺旧w上。第二節(jié)基因組學(xué)

◆基因組學(xué)(genomics)：是遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子水準(zhǔn)後發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特徵?！籼攸c(diǎn)：是以基因組為研究單位，而不是以單個(gè)基因，◆目標(biāo)：是認(rèn)識(shí)基因組的結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化，弄清基因組包含的全部遺傳資訊及相互關(guān)係，為最終充分合理利用各種有效資源，預(yù)防和治療人類(lèi)遺傳疾病提供科學(xué)依據(jù)。㈠構(gòu)建基因組的遺傳圖譜

(geneticmap)；㈡構(gòu)建基因組的物理圖譜

(physicalmap)；㈢測(cè)定基因組DNA的全部序列；㈣構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；㈤分析基因組的功能。

基因組學(xué)的重要組成部分是基因組計(jì)畫(huà)(genomeproject)，大體上可分為：◆人類(lèi)基因組計(jì)畫(huà)(humangenomeproject，HGP)：◆水稻基因組計(jì)畫(huà)(ricegenomeproject，RGP)◆模式生物基因組計(jì)畫(huà)：如酵母、線蟲(chóng)、果蠅、小鼠、家豬、擬南芥一基因組圖譜的構(gòu)建鳥(niǎo)槍射擊法(shotgun)基因組序列測(cè)定㈠遺傳圖譜的構(gòu)建㈡物理圖譜的構(gòu)建一基因組圖譜的構(gòu)建

(一)遺傳圖譜的構(gòu)建

圖譜標(biāo)記圖譜構(gòu)建中需要可以鑒別的標(biāo)記(marker)，在構(gòu)建遺傳圖譜中，可用基因和DNA作為標(biāo)記。(1)基因標(biāo)記

(2)DNA標(biāo)記(二)物理圖譜的構(gòu)建擬南芥人類(lèi)部分染色體物理圖譜E.coli物理圖譜二基因組圖譜的應(yīng)用

◆基因定位◆基因組比較分析

◆標(biāo)記輔助選擇(marker-assistedselection，MAS)◆

基因的克隆與分離三後基因組學(xué)

◆後基因組學(xué)(post-genomics)：是在完成基因組圖譜構(gòu)建以及全部序列測(cè)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究全基因組的基因功能、基因之間的相互關(guān)係和調(diào)控機(jī)制為主要內(nèi)容的學(xué)科。◆後基因組學(xué)主要利用DNA微列陣技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)、

酵母菌雙雜交系統(tǒng)以及生物資訊學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)已知的基因組序列進(jìn)行研究。

(1)DNA微列陣(DNAmicroarrays)

是利用DNA晶片技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行大量分子雜交，以分析比較不同組織或器官的基因表達(dá)水準(zhǔn)，篩選突變基因，從核酸水準(zhǔn)分析基因表達(dá)模式。這是後基因組學(xué)研究中的重要方法之一。三後基因組學(xué)

基因晶片發(fā)展歷史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray(2)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)是從蛋白質(zhì)水準(zhǔn)來(lái)研究基因組的基因表達(dá)，分析基因組的蛋白質(zhì)類(lèi)型、數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)變異以及相互作用的機(jī)制。在蛋白質(zhì)分析中，目前主要利用奧佛諾(O￠Farrel，1975)發(fā)明的據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和分子量分析蛋白質(zhì)的雙向電泳技術(shù)，來(lái)分析蛋白質(zhì)組(proteomes)，四生物資訊學(xué)

生物資訊學(xué)(bioinformatics)是：

利用電腦貯存原始資料，分析生物資訊，將DNA晶片以及蛋白質(zhì)雙向電泳結(jié)果轉(zhuǎn)變成為可讀的遺傳學(xué)資訊的學(xué)科。是將現(xiàn)代生物技術(shù)與電腦科學(xué)結(jié)合，收集、加工和處理生物資料。PubMedEntrezBLASTOMIMBooksTaxBrowserStructure

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基因突變基因突變：

是摩爾根於1910年首先肯定的，他在大量的紅眼果蠅中發(fā)現(xiàn)了一支白眼突變果蠅。

大量研究表明，在動(dòng)、植物以及細(xì)菌、病毒中廣泛存在基因突變的現(xiàn)象?；蛲蛔?GeneMutation)：指染色體上某一基因位點(diǎn)內(nèi)部，由於DNA堿基對(duì)的置換、增添或缺失而引起的基因化學(xué)性質(zhì)的變化，亦稱(chēng)點(diǎn)突變(PointMutation)；

與原來(lái)基因形成對(duì)性關(guān)係。如：高稈基因D

→突變?yōu)榘捇騞

突變基因突變(點(diǎn)突變)點(diǎn)突變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)變異染色體數(shù)目變異狹義廣義孟德?tīng)栠z傳以及連鎖遺傳中論述的可遺傳變異均是由於基因重組的結(jié)果，不是基因本身發(fā)生了質(zhì)的變化。如：黃子葉、園?！辆G子葉、皺粒

↓黃、園，黃、皺，綠、園，綠、皺本章討論染色體上基因發(fā)生改變。第一節(jié)基因突變的現(xiàn)象、時(shí)期和特徵一、生物性狀突變的現(xiàn)象二、基因突變的時(shí)期三、基因突變的一般特徵㈠、突變的重演性和可逆性㈡、突變的多方向性和復(fù)等位基因㈢、突變的有害性和有利性㈣、突變的平行性一、生物性狀突變的現(xiàn)象1.

基因突變廣泛存在：如：黑眼老鼠→紅眼老鼠；小麥紅?！琢?；水稻矮生性、棉花短果枝、玉米的糯性胚乳等性狀。由於基因突變而表現(xiàn)突變性狀的細(xì)胞或個(gè)體，稱(chēng)為突變體(mutant)，或稱(chēng)突變型。不同皮色的老鼠不同膚色的蛇不同眼色的果蠅月季的紅花和白花花柱外露突變體

紅麻正常花

紅麻長(zhǎng)花柱突變體蘋(píng)果熟色變異玉米籽粒顏色突變二、基因突變的時(shí)期：1.

生物個(gè)體發(fā)育的任何時(shí)期中均可發(fā)生突變，即，體細(xì)胞和性細(xì)胞

均能發(fā)生突變。2.

性細(xì)胞的突變率高於體細(xì)胞：性細(xì)胞在減數(shù)分裂末期對(duì)外界環(huán)境條件的敏感性較大；性細(xì)胞發(fā)生的突變可以通過(guò)受精過(guò)程直接傳遞給後代，而體細(xì)胞則不能。3.

突變後的體細(xì)胞常競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)正常細(xì)胞，會(huì)受到抑制或最終消失；需及時(shí)與母體分離→無(wú)性繁殖或經(jīng)有性繁殖傳遞給後代。許多植物的“芽變”就是體細(xì)胞突變的結(jié)果：發(fā)現(xiàn)性狀優(yōu)良的芽變→及時(shí)扡插、壓條、嫁接或組織培養(yǎng)→繁殖和保留。

如：溫州密桔→溫州早桔。4.

基因突變通常獨(dú)立發(fā)生：某一基因位點(diǎn)的一個(gè)等位基因發(fā)生突變時(shí)，不影響另一個(gè)等位基因，即等位基因中兩個(gè)基因不會(huì)同時(shí)發(fā)生突變(AA，aa)。

①.性細(xì)胞：AA→Aa

為隱性突變，當(dāng)代不表現(xiàn)，F(xiàn)2表現(xiàn)。

aa→Aa

為顯性突變，當(dāng)代即能表現(xiàn)。

②.體細(xì)胞：aa→Aa，當(dāng)代即能表現(xiàn)，與原性狀並存，

形成鑲嵌現(xiàn)象或嵌合體。

如：蕃茄果肉、蘋(píng)果的半紅半黃現(xiàn)象。觀賞桃花，一朵花上有不同顏色。蘋(píng)果體細(xì)胞突變

花色體細(xì)胞突變?nèi)?、基因突變的一般特徵：㈠、突變的重演性和可逆?㈡、突變的多方向性㈢、突變的有害性和有利性㈣、突變的平行性㈠、突變的重演性和可逆性:1.重演性：

同一生物不同個(gè)體間可以多次發(fā)生同樣的突變。又如：

玉米br-z矮生基因(brachtic-2)的主要遺傳效應(yīng)是抑制節(jié)間的伸長(zhǎng)。在不同省份的玉米品種中均已發(fā)現(xiàn)br-z矮生基因，如：遼寧的“馬圈快”；山西的“金皇后”；河南的“武步矮”；四川的“龍門(mén)大心”和“搬不倒”。2.可逆性：象許多生化反應(yīng)過(guò)程一樣是可逆的。顯性基因A通過(guò)正突變(u)形成隱性基因a，

又可經(jīng)過(guò)反突變(v)又形成顯性基因A。例如：

頻率：正突變率>反突變率，即u>v

∴自然突變多為隱性突變，而隱性突變多為有害突變。正突變(u)水稻有芒A無(wú)芒a反突變(v)㈡、突變的多方向性1.

基因突變的方向不定，可多方向發(fā)生：

如A

→

a，可以A→a1、a2、a3、…等對(duì)A都是隱性。同時(shí)，

a1、a2、a3、…之間的生理功能與性狀表現(xiàn)各不相同。?遺傳試驗(yàn)表明：

AA×a1a1

→F2呈3∶1

a1a1×a2a2

→F2呈1∶2∶1說(shuō)明它們位於同一基因位點(diǎn)上，即同一染色體位置上。2.複等位基因：指位於同一基因位點(diǎn)上各個(gè)等位基因的總體。

複等位基因並不存在於同一個(gè)體中，而是存在於同一生物群內(nèi)，

如，人類(lèi)的ABO血型，3個(gè)複等位基因IA、IB和i

。

煙草的自交不親和性，

15個(gè)複等位基因

S1、S2、…、S15控制自花授粉不結(jié)實(shí)性。

複等位基因的出現(xiàn)

→增加生物多樣性

→提高生物的適應(yīng)性

→

提供育種工作更豐富的資源

→

使人們?cè)诜肿铀疁?zhǔn)上進(jìn)一步瞭解基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

複等位基因廣泛存在於生物界。㈢、突變的有害性和有利性1.突變的有害性：

多數(shù)突變對(duì)生物的生長(zhǎng)和發(fā)育往往是有害的。某一突變→打破基因間固有的平衡關(guān)係→打亂代謝關(guān)係→引起程度不同的有害後果→一般表現(xiàn)為生育反常或?qū)е滤劳觥Ｖ滤劳蛔?lethalmutation)：即導(dǎo)致個(gè)體死亡的突變。突變的黃色基因AY對(duì)黑色基因a為顯性，但AY具有純合致死的效應(yīng)。

在黑色鼠中發(fā)現(xiàn)一種黃色突變型，但從未獲得純合的黃色個(gè)體?！镏参镏?，最常見(jiàn)的為隱性白化突變這種白化苗不能正常形成葉綠素，當(dāng)子葉或胚乳中養(yǎng)料耗盡時(shí)，幼苗死亡。遺傳表現(xiàn)如下：綠株綠株3綠株：1白化苗(死亡)WW

Ww

WW+Ww

ww自交突變中性突變(neutralmutation)

：控制次要性狀的基因發(fā)生突變，不影響該生物的正常生理活動(dòng)，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，被自然選擇保留下來(lái)。例如：水稻有芒→無(wú)芒水稻希望無(wú)芒小麥紅皮→白皮南方希望紅粒2.突變的有利性：突變的有害性是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的；在一定條件下突變效應(yīng)可以轉(zhuǎn)化，有害→有利，

如，高稈→矮稈：有害性：矮稈株在高稈群體中受光不足、發(fā)育不良；有利性：矮稈株在多風(fēng)或高肥地區(qū)有較強(qiáng)抗倒伏性、

生長(zhǎng)茁壯。有些突變，不但無(wú)害，而且有利，如抗倒、抗病、早熟、雄性不育等突變。㈣、突變的平行性突變的平行性：親緣關(guān)係相近物種因遺傳基礎(chǔ)近似，常發(fā)生相似的基因突變?！罡鶕?jù)突變平行性的存在，如果一個(gè)物種或?qū)賰?nèi)發(fā)現(xiàn)一些突變類(lèi)型，可以預(yù)期在同種的其他物種或?qū)賰?nèi)也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的突變，這對(duì)人工誘變有一定的參考意義。例如：小麥有早、晚熟變異類(lèi)型，屬於禾本科其他物種，如黑麥、高粱、玉米、水稻等同樣存在著這些變異類(lèi)型。第二節(jié)基因突變與性狀表現(xiàn)一、顯性突變和隱性突變的表現(xiàn)二、大突變和微突變的表現(xiàn)一、顯性突變和隱性突變的表現(xiàn)1.

基因突變表現(xiàn)世代的早晚和純化速度的快慢，因顯隱性而有所不同。在自交的情況下：

d→D

顯性突變，性狀表現(xiàn)早(M1)、純合遲(M3)；

因顯性有雜合。

D→d

隱性突變，性狀表現(xiàn)遲(M2)、純合早(M2)。2.體細(xì)胞突變：①.隱性基因→顯性基因，當(dāng)代個(gè)體以嵌合體形式表現(xiàn)出突變性狀，要從中選出純合體，需要有性繁殖自交兩代。②.顯性基因→隱性基因，當(dāng)代為雜合體(但不表現(xiàn)、呈潛伏狀態(tài))，要選出純合體，需有性繁殖自交一代。二、大突變和微突變的表現(xiàn)基因突變引起性狀變異的程度是不同的：1.大突變：突變效應(yīng)大，性狀差異明顯，宜於識(shí)別，

多為品質(zhì)性狀。

例：豌豆籽粒園→皺、玉米籽粒非糯→糯2.微突變：突變效應(yīng)小，性狀差異不大，較難察覺(jué)，

多為數(shù)量性狀。

例：玉米果穗的長(zhǎng)短、小麥籽粒的大小。試驗(yàn)表明，在微突變中出現(xiàn)的有利突變率>大突變。第三節(jié)基因突變的鑒定

一、植物基因突變的鑒定

㈠.突變發(fā)生的鑒定㈡.顯、隱性的鑒定㈢.突變率的測(cè)定二、生化突變的鑒定

㈠.紅色麵包黴的生化突變型㈡.紅色麵包黴生化突變的鑒定方法一、植物基因突變的鑒定㈠、突變發(fā)生的鑒定:

經(jīng)誘變產(chǎn)生的變異是否屬於真實(shí)的基因突變，是顯性突變還是隱性突變、突變頻率的高低，都應(yīng)進(jìn)行鑒定。由基因發(fā)生某種化學(xué)變化而引起的變異是可遺傳，而由一般環(huán)境條件導(dǎo)致的變異是不遺傳的。例：高稈→矮稈，其原因：

①．有基因突變而引起；

②．因土壤瘠薄或遭受病蟲(chóng)為害等而生長(zhǎng)不良。

後代仍為矮稈，則是基因突變引起的。

鑒定方法：

可將變異體與原始親本在同一栽培條件下比較。高稈→

矮稈→

後代為高稈，則不是突變，由環(huán)境引起；㈡、顯、隱性的鑒定:顯性突變和隱性突變的區(qū)分，可利用雜交試驗(yàn)加以鑒定。如：突變體矮稈株×原始品種(高)

↓

F1

高稈

↓

F2

有高稈、也有矮稈，說(shuō)明該突變屬於隱性突變。㈢、突變率的測(cè)定:1.基因突變率很低：不同生物和不同基因有很大差別。許多致癌因數(shù)會(huì)增加基因突變的頻率。2.自然條件下突變率：

①.高等生物：1×10-6~1×10-8，即100萬(wàn)→1億配子中有1個(gè)突變，故突變率較低、突變範(fàn)圍較小。

②.低等生物：1×10-4~1×10-8，即1/1萬(wàn)→1/1億，如細(xì)菌。3.突變體(mutant)

：基因突變而表現(xiàn)出突變性狀的細(xì)胞或個(gè)體。4.突變率的估算：

突變頻率：

突變個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比數(shù)?；蛲蛔兟实墓浪阋蛏锷撤绞蕉煌煌锏牟煌颍饔幸欢ǖ耐蛔冾l率。5.突變率的測(cè)定：①.花粉直感：估算配子的突變率。例：玉米非甜Su

→甜粒su

P

susu

×

SuSu(♂)

↓對(duì)父本進(jìn)行射線處理

F1大部分為Susu，極少數(shù)為susu這在當(dāng)代籽粒上即可發(fā)現(xiàn)(理論上應(yīng)全部為Susu)。如果10萬(wàn)粒種子中有5粒為甜粒，則

突變率=5/100000=1/2萬(wàn)②.根據(jù)M2出現(xiàn)突變體占觀察總個(gè)體數(shù)的比例進(jìn)行估算。突變率：M2突變體數(shù)/觀察總個(gè)體數(shù)

大麥誘發(fā)隱性突變表現(xiàn)的過(guò)程二、生化突變的鑒定1941年比德?tīng)?Beadle)研究紅色麵包黴→發(fā)現(xiàn)基因通過(guò)酶的作用來(lái)控制性狀→提出“一個(gè)基因一個(gè)酶”假說(shuō)→把基因與性狀兩者聯(lián)繫起來(lái)。生化突變:

由於誘變因素影響導(dǎo)致生物代謝功能的變異。㈠、紅色麵包黴的生化突變型:

1.基本培養(yǎng)基：野生型可在這種培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。水+無(wú)機(jī)鹽+糖類(lèi)+微量生物素(VB的一種)。

2.完全培養(yǎng)基：各種突變型可以在這種培養(yǎng)基上生長(zhǎng)?；九囵B(yǎng)基+多種氨基酸+多種維生素

3.紅色麵包黴的突變型：

紅色麵包黴合成其生活所需物質(zhì),要經(jīng)過(guò)一系列生化過(guò)程→而每一過(guò)程由一定的基因所控制。

例.有三個(gè)紅色麵包黴突變型(a、c、o)如下：

突變型(a)，只有提供Arg時(shí)才能生長(zhǎng)，喪失其合成能力。

突變型(c)，有Arg時(shí)能生長(zhǎng)，但不給Arg而只給瓜氨酸也能生長(zhǎng)。說(shuō)明它能利用瓜氨酸合成Arg。

突變型(o)，在有Arg或瓜氨酸時(shí)能生長(zhǎng)；而只給鳥(niǎo)氨酸也能生長(zhǎng)。說(shuō)明它能利用鳥(niǎo)氨酸最終合成Arg

可以推論精氨酸合成步驟為：

o

c

a

前驅(qū)物→鳥(niǎo)氨酸→瓜氨酸→精氨酸→蛋白質(zhì)∴從鳥(niǎo)氨酸→Arg的合成至少需要A、C、O三個(gè)基因。㈡、紅色面包霉生化突變的鑒定方法:1.誘發(fā)突變：以X射線或紫外線照射純型分生孢子，

可以誘發(fā)突變。

純型分生孢子→X射線處理→

處理後的分生孢子與野生型交配→

產(chǎn)生分離的子孢子→置於完全培養(yǎng)基裏生長(zhǎng)→產(chǎn)生菌絲和分生孢子。2.鑒定突變：①.鑒定突變是否發(fā)生：從完全培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的各組分生孢子取出一部分→

置於基本培養(yǎng)基上→

觀察生長(zhǎng)。

能生長(zhǎng)：未發(fā)生突變

不能生長(zhǎng)：則表示已發(fā)生突變。②.鑒定突變屬於何種突變：把突變型材料跟其他組分開(kāi)→

從完全培養(yǎng)基裏取出→

培養(yǎng)在幾種不同培養(yǎng)基內(nèi)→

明確發(fā)生突變的基因。第四節(jié)基因突變的分子基礎(chǔ)一、突變的分子機(jī)制

1.突變的基本單位

2.基因突變的類(lèi)型

3.誘變機(jī)理二、突變的修復(fù)㈠.DNA的防護(hù)機(jī)制㈡.DNA的修復(fù)一、基因突變的分子機(jī)制1.突變的基本單位:位點(diǎn)(1ocus)

：在細(xì)胞水平上，基因相當(dāng)于染色體上的一點(diǎn)；座位(site)：在分子水平上，一個(gè)核苷酸對(duì)即一個(gè)座位，其中一個(gè)堿基發(fā)生改變可產(chǎn)生一個(gè)突變，所以也稱(chēng)突變子。因此，突變就是基因內(nèi)不同座位的改變，這種由突變子的改變而引起的突變稱(chēng)為真正的點(diǎn)突變。位點(diǎn)(1ocus)----AAACGTCTAGCTAAGGCT-------TTTGCAGATCGATTCCGA---座位(site)，突變子2.基因突變的類(lèi)型按基因結(jié)構(gòu)的改變方式，可分為:

⑴置換突變轉(zhuǎn)換：同型堿基對(duì)替換

A→G、T→C，顛換：異型堿基對(duì)替換

A→C、G→T⑵倒位突變：

⑶移碼突變：AGTC轉(zhuǎn)換顛換2.基因突變的類(lèi)型按基因結(jié)構(gòu)的改變方式，可分為:

⑴置換突變轉(zhuǎn)換：同型堿基對(duì)替換

A→G、T→C，顛換：異型堿基對(duì)替換

A→C、G→T⑵倒位突變：

⑶移碼突變：ATCGAT→AAGCTT基因中插入或缺失一個(gè)或幾個(gè)堿基對(duì)，

會(huì)使DNA的閱讀框(讀碼框)發(fā)生改變.

缺失：ATCGAT→ATGAT插入：ATCGAT→ATCGGAT

例如：mRNAGAAGAAGAA→

GGAAGAAGAA...

谷氨酸開(kāi)頭的谷氨酸多肽→甘氨酸開(kāi)頭的精氨酸多肽2.基因突變的類(lèi)型根據(jù)遺傳資訊的改變方式，又可分為:⑴同義突變

：⑵錯(cuò)義突變：⑶無(wú)義突變：

有時(shí)DNA的一個(gè)堿基對(duì)的改變並不影響它所編碼的蛋白質(zhì)的氨基酸序列，如CUA→UUA；

由於一或幾對(duì)堿基的改變而使決定某一氨基酸的密碼子變?yōu)闆Q定另一種氨基酸的密碼子；

由於一或幾對(duì)堿基的改變而使決定某一氨基酸的密碼子變成一個(gè)終止密碼子；

表2點(diǎn)突變的類(lèi)型(以Tyr的密碼子為例)

無(wú)義突變同義突變錯(cuò)義突變DNATAC→TAA,

TAG

↓

↓

↓

↓RNAUACUAA

UAG

↓

↓

↓

↓

aa

Tyr

Och

AmbTAC→TAT

↓

↓UACUAU

↓

↓Tyr

TyrTAC→TCC

↓

↓UACUCC

↓

↓

TyrSer二、突變的修復(fù)㈠、DNA的防護(hù)機(jī)制

⑴.密碼的簡(jiǎn)並性：

UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均為亮氨酸。

大部分氨基酸具有2個(gè)或2個(gè)以上的密碼子。

⑵.回復(fù)突變：

正突變野生型突變型

回復(fù)突變

回復(fù)突變的頻率<正突變⑶.抑制：①.基因間抑制：抑制作用發(fā)生在不同的基因間。

如：當(dāng)DNA上某堿基發(fā)生了突變，湊巧tRNA上的反密碼子也發(fā)生了改變，成為野生型。②.基因內(nèi)抑制：抑制作用發(fā)生在同一基因內(nèi)。

一個(gè)座位上的突變有可能被另一個(gè)座位上的突變所掩蓋，而使突變型恢復(fù)為野生型。⑷.致死和選擇：

當(dāng)防護(hù)機(jī)制未能起到修復(fù)突變的作用，而該突變又是致死突變，該突變體將在群體中被選擇所淘汰。⑸.二倍體和多倍體：

多倍體具有多套染色體組，每種基因多份，故能比二倍體和低等生物表現(xiàn)出更強(qiáng)的保護(hù)作用。如小麥屬二倍體種的突變型比例高於六倍體普通小麥。㈡、DNA的修復(fù)：

例如，紫外線照射細(xì)菌產(chǎn)生切割─修復(fù)功能。主要有4種形式：

⑴.光修復(fù)：

⑵.暗修復(fù)：切除修復(fù)

⑶.重組修復(fù)(複製後修復(fù))

⑷.SOS修復(fù)⑴.光修復(fù)

UV是一種有效的殺菌劑，能引起很多變異(TT)胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚體胞嘧啶水合胞嘧啶紫外線引起的DNA損傷－－胸腺二聚體⑴.光修復(fù)

TT結(jié)構(gòu)在DNA螺旋結(jié)構(gòu)上形成一個(gè)巨大的凸起或扭曲，“瘤”。(TT)這種經(jīng)解聚作用使突變回復(fù)正常的過(guò)程叫做光修復(fù)(lightrepair)。

此“瘤”被一種特殊的巡迴酶，如光啟動(dòng)酶(photoreactingenzyme)所辨認(rèn)，在有藍(lán)色光波的條件下，

二聚體TT被切開(kāi)，DNA回復(fù)正常。胸腺嘧啶二聚體光啟動(dòng)酶⑵.暗修復(fù)(darkrepair)：切除修復(fù)某些DNA的修復(fù)工作可不需光也能進(jìn)行，如，大腸桿菌中的UVrA突變體的修復(fù)過(guò)程由4種酶來(lái)完成：①核酸內(nèi)切酶：在TT一邊切開(kāi)②核酸外切酶：在另一邊切開(kāi)，把

TT和鄰近的一些核苷酸切除；③DNA聚合酶：合成新的正常核苷酸片段；④連接酶：把切口縫好，使DNA的結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常⑶.重組修復(fù)(複製後修復(fù))：在DNA複製後進(jìn)行,並不切除TT。①.複製時(shí)在損傷處出現(xiàn)缺口；②.有缺口的子鏈與母鏈進(jìn)行重組è交叉端化時(shí)能將母鏈中的正常部分交換進(jìn)來(lái)è母鏈中新形成的缺口可通過(guò)DNA聚合酶以子鏈為範(fàn)本合成缺口DNA片段。③.由連接酶連接而完成重組修復(fù)。⑷.SOS修復(fù)(SOSrepair)

是在DNA分子受損傷的範(fàn)圍較大而且複製受阻時(shí)出現(xiàn)的一種修復(fù)作用。是防止細(xì)胞死亡而誘導(dǎo)出的一種應(yīng)急措施，借用國(guó)際通用的緊急呼救信號(hào)(saveoursouls)而命名。

SOS

反應(yīng)發(fā)生時(shí)，可造成損傷修復(fù)功能的增強(qiáng)，從而增強(qiáng)切除修復(fù)、複製後修復(fù)。特點(diǎn)：一種旁路系統(tǒng)，允許新生DNA鏈越過(guò)胸腺嘧啶二聚體而生長(zhǎng)；保真度降低；“好死不如賴(lài)活著”第五節(jié)基因突變的誘發(fā)一、物理因素誘發(fā)二、化學(xué)因素誘變

自然條件下各種動(dòng)、植物發(fā)生基因突變的頻率不高，它可保持生物種性的相對(duì)穩(wěn)定性。但不利於動(dòng)、植物育種。因此，穆勒和斯特德勒於1927年用X射線開(kāi)始研究人工誘變，結(jié)果證實(shí)人工誘發(fā)基因突變可以大大提高突變率。穆勒一、物理因素誘發(fā)物理因素è各種電離輻射+非電離輻射?；蛲蛔冃枰喈?dāng)大的能量輻射是很好的能量來(lái)源。

能量較高的輻射，如紫外線，除產(chǎn)生熱能外，還能使原子“激發(fā)”(activation)；能量很高的輻射如X射線、γ射線、α射線、β射線、中子等除產(chǎn)生熱能、激發(fā)原子，還能使原子“電離”(ionization)，誘使基因發(fā)生突變。輻射誘變的作用是隨機(jī)的（無(wú)特異性）性質(zhì)和條件相同輻射è誘發(fā)不同的變異，性質(zhì)和條件不同的輻射è誘發(fā)相同的變異。

∴當(dāng)前只能期望通過(guò)輻射處理得到隨機(jī)變異。1、電離輻射誘變誘發(fā)育種中常用射線射線穿透力輻射源應(yīng)用時(shí)間照射方法Xγβ中子較強(qiáng)強(qiáng)弱弱X光機(jī)60Co、137Cs

32P、35S、14C、65Zn核反應(yīng)爐或加速器如釙-鈹中子源早(1927)較早較遲最近外照射外照射內(nèi)照射(浸泡或注射)外照射中子誘變效果好，今年來(lái)應(yīng)用日益增多。內(nèi)照射：

一般是用浸泡或注射法，使輻射源滲入生物體內(nèi)，在體內(nèi)放出射線(如β)進(jìn)行誘變。外照射：

輻射源與接受照射的物體間保持一定距離，讓射線從物體之外透入體內(nèi)誘發(fā)基因突變?；蛲蛔兟逝c輻射劑量或正比提高總劑量可以提高突變率è但過(guò)高劑量會(huì)引起不育、畸形、葉綠體突變率增加、甚至植株死亡等問(wèn)題?；蛲蛔兟室话悴皇茌椛鋸?qiáng)度的影響照射總劑量不變時(shí)，不管單位時(shí)間內(nèi)所照射的劑量多少，其基因突變率保持不變。

2.非電離輻射誘變：

主要是紫外線照射，其波長(zhǎng)較長(zhǎng)(380~15nm)、穿透能力弱，一般應(yīng)用於微生物或高等生物配子誘變。

①紫外線誘變的最有效波長(zhǎng)為260nm

(正是DNA所吸收的紫外線波長(zhǎng))

紫外線直接誘變作用在於被DNA吸收è能促使分子結(jié)發(fā)生離析、進(jìn)而引起突變。

②紫外線還有間接誘變作用：紫外線照射培養(yǎng)基è培養(yǎng)微生物è提高微生物的突變率。

原因:是經(jīng)紫外線照射培養(yǎng)基會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫(H2O2)è可作用於氨基酸而導(dǎo)致微生物突變。

∴說(shuō)明輻射誘變的作用並不是靠它去直接影響基因本身，改變基因環(huán)境也能間接地起誘變作用。紫外線(UV)：

主要作用於嘧啶，使得同鏈上鄰近的嘧啶核苷酸之間形成多價(jià)的聯(lián)合。

★

使T聯(lián)合成二聚體。

★

C脫氨成U；

★

將H2O加到的嘧啶C4、C5位置上成為光產(chǎn)物，削弱C-G之間的氫鍵，使DNA鏈發(fā)生局部分離或變性。3.綜合效應(yīng)誘變：

在太空中進(jìn)行空間誘變是一有效的人工誘變技術(shù)。

太空中大量存在著各種物理射線可誘發(fā)突變，其他諸如失重、真空、超淨(jìng)、無(wú)地球磁場(chǎng)影響以及衛(wèi)星發(fā)射和返回時(shí)的劇烈震動(dòng)等因素也是產(chǎn)生誘變的重要原因。上述誘變因素的共同作用也會(huì)影響誘變效果。

太空生物學(xué)研究不斷深入。目前國(guó)外主要側(cè)重研究突變體的生理生化和誘變機(jī)理，國(guó)內(nèi)主要研究形態(tài)學(xué)和新品種的選育。我國(guó)從80年代後期開(kāi)始進(jìn)行空間生物學(xué)和生物誘變效應(yīng)研究，已在水稻、青椒等作物中選育出新品種，同時(shí)獲得了不少優(yōu)良突變體。

太空育種!二、化學(xué)因素誘變化學(xué)因素誘變的歷史較晚：

①1941年，Auerbach和Robson第一次發(fā)現(xiàn)芥子氣可以誘發(fā)基因突變；

②1943年，Oehlkers首次發(fā)現(xiàn)氨基甲酸乙酯(NH2COOC2H5)，可誘發(fā)染色體結(jié)的變異。此後，利用化學(xué)藥物誘發(fā)基因突變的研究發(fā)現(xiàn)了大批可以作為誘變劑的化學(xué)藥物。

③化學(xué)藥物的誘變作用與電離輻射不同，某些化學(xué)藥物的誘變作用具有一定的特異性。1.妨礙DNA某一成分的合成，引起DNA變化：

妨礙合成嘧啶：5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡鹼；

妨礙嘌呤合成：6-疏基嘌呤。2.堿基類(lèi)似物替換：

如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-溴去氧尿核苷(5-BudR)、2-氨基嘌吟(2-AP)；誘變?cè)恚?/p>

化學(xué)藥物分子結(jié)構(gòu)與DNA堿基相似，在不妨礙基因複製的情況下能滲入到基因分子中去。在DNA複製時(shí)引起堿基配對(duì)上的差錯(cuò)，最終導(dǎo)致堿基對(duì)的替換，引起突變。3.直接改變DNA某些特定的結(jié)構(gòu)：

DNA誘變劑：能和DNA起化學(xué)反應(yīng)並改變堿基氫鍵特性的物質(zhì)，有亞硝酸、烷化劑和羥胺等。①.亞硝酸(HNO2)：

氧化脫氨作用，氧化作用→以氧代替A和C的C6位置上氨基。②.烷化劑：

如：甲基磺酸乙酯[EMS，CH3SO2(OC2H5)]

硫酸二乙酯[DES，SO2(OC2H5)2]

乙烯亞胺[EI，H2C—CH2]

NH

其誘變作用主要是通過(guò)烷化作用改變基因的分子結(jié)構(gòu)，從而造成基因突變。烷化作用：通過(guò)烷基置換其他分子氫原子的作用。③.羥胺：

作用專(zhuān)化：只與胞嘧啶(C)起作用，使胞嘧啶C6位置上的氨基羥化→變成象T(胸腺嘧啶)的結(jié)合特性，在DNA複製時(shí)和A(腺嘧啶)配對(duì)

→形成GC與AT的轉(zhuǎn)換。4.引起DNA複製的錯(cuò)誤：

誘變劑：2氨基吖啶、吖啶橙、ICR-170等。能嵌入DNA雙鏈中的堿基之間，引起單一核酸的缺失或插入，造成突變。5.抗生素：

如,重氮絲氨酸、鏈黴素和絲裂黴素C等?？股氐恼T變作用：破壞基因分子結(jié)構(gòu)→因而造成染色體的斷裂而引起突變。

Perov等用鏈黴素首先誘導(dǎo)出玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育。

(CMS)說(shuō)明鏈黴素和絲裂黴素在誘導(dǎo)產(chǎn)生CMS方面具有較好效果，不同作物間重演性好。第六節(jié)轉(zhuǎn)座因數(shù)轉(zhuǎn)座遺傳因數(shù)，又叫可移動(dòng)因數(shù)