基因結(jié)構(gòu)與功能.ppt

第四章 基因的結(jié)構(gòu)與功能,基因是一個特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,第一節(jié) 基因的概念,一、基因概念的發(fā)展 （一）遺傳“因子”：孟德爾認(rèn)為，生物性狀的遺傳由遺傳因子所控制，性狀本身不遺傳。 （二）染色體是基因的載體：摩爾根實驗證明基因位于染色體上，并呈直線排列，提出了遺傳學(xué)是連鎖交換規(guī)律，建立了遺傳的染色體學(xué)說，為細(xì)胞遺傳學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。并由此提出基因既是一個功能單位，是一個突變單位，也是一個交換單位的“三位一體”概念。 經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個最小的單位，不能分割；既是結(jié)構(gòu)單位，又是功能單位。,（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提出一個基因一個酶的假說，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分之上一個特定的區(qū)段，是一個功能單位，包括許多突變位點（突變子），突變位點之間可以發(fā)生重組（重組子） 理論上，一個基因有多少對核苷酸對就有多少突變子和的重組子，實際上，突變子數(shù)少于核苷酸對數(shù)，重組子數(shù)小于突變子數(shù)。,總之：順反子學(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，包含多個突變子和重組子。 近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一個遺傳功能單位，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)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,一個基因大約有500-6000個核苷酸對，但并非DNA分子上任一含有幾千個核苷酸對的區(qū)段都是一個基因，基因是一個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基因？ 要看這個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應(yīng)，這樣就必須同時測定某一段DNA的核苷酸序列和相應(yīng)產(chǎn)物的序列。,第二節(jié) 重組測驗,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，因為不可能出現(xiàn)如此高的頻率,進一步研究證明：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，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兩個突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)， wa w /+兩個土百年同時排在一條染色體上，而另一條染色體上兩個位點均正常，稱為順式（cis)。反式表現(xiàn)為突變型，順式排列為野生型，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實驗所用的T4的r突變就是一個條件致死突變型。（見P101表4-1）,三、 Benzer的重組實驗 兩種r突變類型：rx、ry r+rx ryr+ 混合感染 E.coli B株 接種 B株 K()株 計數(shù) r+ry、rxr+ r+r+ r+r+、rxry 僅生長一 四種基因型 種重組型 均能生長,重組值計算：rxry的數(shù)量與r+r+ 相同，計算時r+r+ 噬菌體數(shù)2。,此種測定方法稱為重組測驗（recombination test) ，它以遺傳圖的方式確定突變子之間關(guān)系，此方法測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。,第三節(jié) 互補測驗,一、互補測驗的原理和方法 互補測驗（順反測驗）：根據(jù)功能確定等位基因的測驗。即根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來確定兩個突變體是否屬于同一個基因（順反子） 彼此互補（complementation)：用 r 突變型成對組合同時去感染大腸桿菌K()株，若被雙重感染的細(xì)菌中產(chǎn)生兩種親代基因型的子代噬菌體（也有少量重組型的噬菌體），那么就必定是一個突變型補償了另一個突變型所不具有的功能，這兩個突變型就稱為彼此互補。,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相同功能受到損傷。,互補測驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)： r 突變型可分成r A和r B兩個互補群。所有r A突變型的突變位點都在r 區(qū)的一頭，是一個獨立的功能單位,所有rB突變型的突變位點都在r 區(qū)的另一頭，也是一個獨立的功能單位.,凡是屬于r A的突變之間不能互補,同理凡是屬于r B的突變之間也不能互補,只有r A和r B的突變之間可以互補,即雙重感染大腸桿菌K()株后可產(chǎn)生子代。 說明: r A和r B是兩個獨立的功能單位,分別具有不同的功能,但它們的功能又是互補的。,互補試驗的原理 表型 有無功能互補 結(jié)論 反式: A+ B A B+ 反式: 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,互補實驗中，兩個隱性突變?nèi)绫憩F(xiàn)出互補效應(yīng)，則證明這兩個突變型分別屬于不同基因；如不能表現(xiàn)出互補，則證明這兩個突變型在同一基因內(nèi)。 對于不同基因間的突變型在互補測驗中，不論是順式還是反式排列均表現(xiàn)出互補效應(yīng)；但若屬于同一基因的不同位點的突變，則順式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)互補，反式結(jié)構(gòu)則不能互補。說明基因是一個獨立的功能單位。,順反子：不同突變之間沒有互補的功能區(qū)，一個順反子就是一個基因，就是一個基因座位，包含多個基因位點，是遺傳上的一個作用（功能）單位，但不是一個突變單位或重組單位。 順反試驗：指將兩個擬突變分別處于順式和反式，根據(jù)其表型確定兩個突變是否是同一基因的試驗。,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)與一個核苷酸對，不能將其定義為一個基因。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 1、 基因內(nèi)互補的機理,2、 基因內(nèi)互補與基因間互補的區(qū)別,第四節(jié) 缺失作圖,點突變和缺失突變的區(qū)別： 1、點突變是單個位點的突變，缺失突變是多個位點的突變； 2、點突變可回復(fù)，而缺失突變不可； 3、點突變之間可發(fā)生重組，缺失突變同另一個基因組在這個缺失區(qū)的點突變 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)千個獨立的r突變定位在r遺傳圖上更小的區(qū)段內(nèi)，此方法稱缺失作圖。 凡是能和某一缺失突變進行重組的，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、有利于儲存較多的信息，增加信息量； 2、有利于變異和進化； 3、增加重組機率； 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)它的核苷酸實際數(shù)比理論數(shù)少614個氨基酸。 同實驗室的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、前后兩個基因首尾重疊 3、三個基因之間三重重疊,4、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基因表達起調(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。這是因為這種隱性基因不能產(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,pp,cc,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。,（一）生物合成過程 基因： a b c d 酶： A B C D 代謝物：1 2 3 4 5 前體物 色素原a 色素原b 紅色 紫色,檢測的物質(zhì) A B C D E G 突 1 + + 2 + + + 變 3 + 4 + + + + 體 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）一個基因一種酶的實驗依據(jù),精氨酸缺陷型 補充培養(yǎng)基: 鳥aa 瓜aa 精aa 菌株I 精氨酸突變型 菌株II 菌株III ,分析得出: 基因 arg1 arg2 arg3 酶1 酶2 酶3 前體物 鳥aa 瓜aa 精aa,（四）一個基因一種酶的局限性 (1) 并非所有的基因都為蛋白質(zhì)編碼； (2) 有的酶由多個基因編碼； (3) 有的一個基因控制多個酶； (4) 有的RNA具有催化活性；,三、一個結(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，不能運載氧氣。,正常人基因