南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生物化學(xué)課件

1、第第 4 節(jié)節(jié) 核酸與基因核酸與基因Concept of Nucleic acid Concept of Nucleic acid and the Geneand the Gene一一 基因的概念基因的概念 早期的基因概念早期的基因概念 經(jīng)典的基因概念經(jīng)典的基因概念 基因概念的演變與發(fā)展基因概念的演變與發(fā)展 基因的分子結(jié)構(gòu)基因的分子結(jié)構(gòu) 基因概念的多樣性基因概念的多樣性 融合遺傳理論融合遺傳理論 （Blending inheritane）母本體液母本體液 父本體液父本體液 子代具有父，母雙親的性狀子代具有父，母雙親的性狀 + 獲得的性狀是由環(huán)境影響獲得的性狀是由環(huán)境影響 (非遺傳物質(zhì)的改變非遺

2、傳物質(zhì)的改變) 新性狀一旦獲得新性狀一旦獲得, 便能遺傳給后代便能遺傳給后代L.B.Lamarck獲得性遺傳理論獲得性遺傳理論(Inheritance of acquired characters) 物種物種 加強(qiáng)和完善對(duì)環(huán)境的適應(yīng)加強(qiáng)和完善對(duì)環(huán)境的適應(yīng) 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾路N 泛生論假說(shuō)泛生論假說(shuō) （Hypothesis of the Pangenesis） C. Darwin 1868 種質(zhì)論種質(zhì)論（Theory of germplasm）GermeplasmSomatoplasmRoot, Stem, LeafA.Weismann 1883. Somatoplasm Germpla

3、sm Germplasm孟德?tīng)柮系聽(tīng)?(1823-1884)“遺傳學(xué)之父遺傳學(xué)之父”闡述了遺傳學(xué)的分離和自由組合兩大定闡述了遺傳學(xué)的分離和自由組合兩大定律，以及律，以及“基因基因”的概念。的概念。Mendels Paper in English Experiments in Plant Hybridization (1865)by Gregor MendelRead at the meetings of February 8th, and March 8th, 1865 1 Introductory RemarksExperience of artificial fertilization,

4、such as is effected with ornamental plants in order to obtain new variations in color, has led to the experiments which will here be discussed. The striking regularity with which the same hybrid forms always reappeared whenever fertilization took place between the same species induced further experi

5、ments to be undertaken, the object of which was to follow up the developments of the hybrids in their progeny.遺傳因子假說(shuō)遺傳因子假說(shuō) (Hypothesis of the inherited factor) G. J. Mendel 1866. 生物性狀由遺傳因子控制生物性狀由遺傳因子控制 親代傳給子代的是遺傳因子親代傳給子代的是遺傳因子(A,a.) 遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)成雙遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)成雙(AA,aa), 在生殖細(xì)胞內(nèi)為單（在生殖細(xì)胞內(nèi)為單（A,a） 雜合子后代體細(xì)胞內(nèi)具有成雙

6、的雜合子后代體細(xì)胞內(nèi)具有成雙的 遺傳因子遺傳因子(Aa) 等位的遺傳因子獨(dú)立分離等位的遺傳因子獨(dú)立分離, 非等非等 位遺傳因子間自由組合地分配到位遺傳因子間自由組合地分配到 配子中配子中摩爾根：摩爾根：闡述了遺傳學(xué)的連鎖與交換定律，闡述了遺傳學(xué)的連鎖與交換定律，被譽(yù)為被譽(yù)為“現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)生物學(xué)奠基人現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)生物學(xué)奠基人”。Theory of the gene 基因是染色體上的實(shí)體基因是染色體上的實(shí)體 基因象鏈珠基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈一樣，孤立地呈 線狀地排列在染色體上線狀地排列在染色體上 基因是；基因是； 功能功能(functional unit)(functional unit)突

7、變突變(mutation unit)(mutation unit) 交換交換(cross-over unit)(cross-over unit) “三位一體三位一體”的的 (Three in one) 最小的最小的 不可分割的不可分割的基本的基本的遺傳單位遺傳單位 (1926 T. H. Morgan) Transcriptable, translatable gene ( Z,Y,A ) Transcriptable but nontranslatable gene ( tDNA, rDNA )Nontranscriptable, nontranslatable gene ( promote

8、r, operator ) Forms of genes cis action factor Affects the activity only of DNA sequences on its own molecular of DNA, this property usually implies that the factor does not code for protein 通過(guò)核苷酸自身的特異二級(jí)結(jié)構(gòu)控制與它緊密連鎖的結(jié)通過(guò)核苷酸自身的特異二級(jí)結(jié)構(gòu)控制與它緊密連鎖的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，一般不編碼蛋白質(zhì)。構(gòu)基因的表達(dá)，一般不編碼蛋白質(zhì)。( (無(wú)基因產(chǎn)物的無(wú)基因產(chǎn)物的DNADNA功能功能區(qū)區(qū))

9、) Forms of genes trans action factor cis-dominant(顯性顯性)Affects the activity of any gene located on genome(基因組) by its translated product.通過(guò)擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物（酶，調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基因的表達(dá)通過(guò)擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物（酶，調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基因的表達(dá)可轉(zhuǎn)錄，可翻譯調(diào)節(jié)蛋白的可轉(zhuǎn)錄，可翻譯調(diào)節(jié)蛋白的DNADNA功能區(qū)功能區(qū), ,可通過(guò)互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)體系確定可通過(guò)互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)體系確定其功能區(qū)域其功能區(qū)域The ability of a site (cis-factor) to

10、control adjacent gene irrespective of the presence in the cell of other alleles(等位基因) of the site.cis acting factor 對(duì)與其緊密連鎖基因的控制效應(yīng)不受其等位基對(duì)與其緊密連鎖基因的控制效應(yīng)不受其等位基因的影響。因的影響。 DNA is genetic materialDNA is genetic material Is the protein genetic material ?Is the protein genetic material ?復(fù)制復(fù)制 ?表面遺傳信息表面遺傳信息 ?

11、 RNA is genetic material also RNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV) Hershey lambdar phage cycle Watson & Crick DNA double helixRII DNA SIII 1928 Griffith 1944 Avery O.T DNA作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn) (自然選擇的優(yōu)勢(shì)自然選擇的優(yōu)勢(shì)) 儲(chǔ)存遺傳信息量大儲(chǔ)存遺傳信息量大1kb DNA1kb DNA序列序列4 410001000 種遺傳信息種遺傳信息 核糖的核糖的2 OH2 O

12、H 脫氧脫氧在水溶液中的穩(wěn)定性高于在水溶液中的穩(wěn)定性高于RNA 可以突變可以突變方便修復(fù)方便修復(fù)以求不斷進(jìn)化以求不斷進(jìn)化以求穩(wěn)定遺傳以求穩(wěn)定遺傳A / T, C / G A / T, C / G 互補(bǔ)互補(bǔ)雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)制復(fù)制, , 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄遺傳穩(wěn)定遺傳穩(wěn)定生物進(jìn)化的生物進(jìn)化的C值矛盾值矛盾 (C value paradox of nucleotide) The total amount of DNA in the genome of haploid is a characteristic of each living species known as its Maximum C val

13、ue (單倍體基因組總單倍體基因組總DNA 的含量叫的含量叫作作C值值) 最大最大C值值 Maximum C valueThe total amount of DNA for encoding the genes information is termed its Minimum c value （編碼基因編碼基因信息的總信息的總DNA含量叫作含量叫作c値）値） 最小最小C值值 Minimum c valueC value paradox of nucleotideC value paradox of nucleotide 霉菌藻類藻類G+細(xì)菌細(xì)菌G-細(xì)菌細(xì)菌顯花植物顯花植物鳥(niǎo)類鳥(niǎo)類哺乳類哺乳

14、類爬行類爬行類兩棲類兩棲類硬骨魚(yú)類硬骨魚(yú)類軟骨魚(yú)類軟骨魚(yú)類賴皮類賴皮類甲殼類甲殼類昆蟲(chóng)類昆蟲(chóng)類軟體動(dòng)物軟體動(dòng)物蠕蟲(chóng)類蠕蟲(chóng)類真菌真菌枝原體枝原體A 生物體進(jìn)化程度高低生物體進(jìn)化程度高低 與大與大C值不成明顯正相關(guān)值不成明顯正相關(guān) B 親緣關(guān)系相近的生親緣關(guān)系相近的生 物大物大C值相差較大值相差較大 C 一種生物內(nèi)大一種生物內(nèi)大C值與值與 小小c值相差極大值相差極大 （Euk. 人體人體 c = C/10） ( Prok. x174 c C ) 真核生物真核生物 DNA 染色體數(shù)染色體數(shù) （2C） （2N）兩棲鯢兩棲鯢 168 pg 24肺魚(yú)肺魚(yú) 100 38蠑螈蠑螈 85.3 24警蛙警蛙 28

15、.2 24牛牛 6.4 60人人 6.4 46綿羊綿羊 5.7 54果蠅果蠅 0.2 8貝母貝母 196.7 24豌豆豌豆 28 12玉米玉米 11 20原核生物原核生物 DNA （C）Salmonella Salmonella 0.0143 pgE.coliE.coli 0.0040T2 T2 0.00022 0.0000055174174 0.000005重復(fù)序列分類重復(fù)序列分類 a) 高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列 ( High repetitive sequence)Microsatellite DNA2-10 bp / copy105-106 copies / genomeC0t(1/2)

16、 0.001 多為串聯(lián)重復(fù)排列多為串聯(lián)重復(fù)排列分布于著絲點(diǎn)分布于著絲點(diǎn), 端粒區(qū)端粒區(qū), 結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)5-50 copies / genomeMinisatellite DNA( Variable number tandem repeats . VNTR ) 重復(fù)基因重復(fù)基因 (Repetitive geneRepetitive gene)104 bp fragmentCsCl gradient centrifugationSequence in satellite DNASea crab2ATATAT.Drosophila5ATAATATAAT.Mouse9GAAAAATGAGA

17、AAAATGAbp of repeat unit sequence ProkaryoteEukaryote(GC%)42413455MOUSE CALF b) 中度重復(fù)序列中度重復(fù)序列 ( middle repetitive sequence middle repetitive sequence )100-1000 bp / copy10-104 copies / genomeC0t(1/2) 0.001 - 0.1rDNA tDNAHistone gene clusterMiddle repeat gene特點(diǎn)特點(diǎn)拷貝重復(fù)，多量拷貝重復(fù)，多量序列多為相似序列多為相似排列成束成串排列成束成串功

18、能完全相同功能完全相同具有進(jìn)化的整體性，累積突變具有進(jìn)化的整體性，累積突變 c) 單拷貝序列單拷貝序列 (single copy sequence, 1-3 copies) 低等真核生物低等真核生物 10-20% 高等植物高等植物 80% repetitive sequence 高等動(dòng)物高等動(dòng)物 50%多為結(jié)構(gòu)基因多為結(jié)構(gòu)基因如tRNA, 各種酶基因等 d) 反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列 (inverted repetitive sequence) CAT GAACGTCC TATTGTC GGACGTTC TGAGTA CTTGCAGG ATAACAG CCTGCAAG ACT 在在DNA和和R

19、NA中可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)或十字結(jié)構(gòu)。中可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)或十字結(jié)構(gòu)。在在DNA中要形成這種結(jié)構(gòu)需要能量，因此，發(fā)生中要形成這種結(jié)構(gòu)需要能量，因此，發(fā)生可能性很小?？赡苄院苄?。 上述結(jié)構(gòu)也回紋結(jié)構(gòu)上述結(jié)構(gòu)也回紋結(jié)構(gòu)(Palidrome), 較短的回紋結(jié)構(gòu)較短的回紋結(jié)構(gòu)可作為一種特別信號(hào)，可被限制性內(nèi)切酶所識(shí)別?？勺鳛橐环N特別信號(hào)，可被限制性內(nèi)切酶所識(shí)別。 e) 間隔序列間隔序列 人們對(duì)間隔序列的認(rèn)識(shí)是限的。一些人認(rèn)為人們對(duì)間隔序列的認(rèn)識(shí)是限的。一些人認(rèn)為這些序列是多余的，因此認(rèn)為是這些序列是多余的，因此認(rèn)為是“junk”。 基因組的非編碼序列，包括編碼區(qū)基因組的非編碼序列，包括編碼區(qū)( (外顯子外顯子)

20、 )之間的間隔序列之間的間隔序列內(nèi)含子內(nèi)含子，以及基因與基因之間，以及基因與基因之間的序列。的序列。 但近年來(lái)也有研究表明對(duì)轉(zhuǎn)錄等有作用，并不但近年來(lái)也有研究表明對(duì)轉(zhuǎn)錄等有作用，并不是是“junk”。 ： 內(nèi)含子可在內(nèi)含子可在DNA水平上移位水平上移位一個(gè)可移動(dòng)一個(gè)可移動(dòng)的基因元件，具有轉(zhuǎn)座作用；的基因元件，具有轉(zhuǎn)座作用； 生物體內(nèi)的內(nèi)含子本身有可譯框架，能編碼生物體內(nèi)的內(nèi)含子本身有可譯框架，能編碼蛋白質(zhì)和酶；蛋白質(zhì)和酶； RNA水平上的內(nèi)含子水平上的內(nèi)含子可變剪接是基因表達(dá)的可變剪接是基因表達(dá)的一種特殊調(diào)節(jié)方式；一種特殊調(diào)節(jié)方式； 內(nèi)含子能編碼小核仁內(nèi)含子能編碼小核仁RNA，積累在核仁中，與，積累在核仁中，與核糖體生成、裝配有關(guān)。核糖體生成、裝配有關(guān)。 重疊基因重疊基因 (overlapping gene) 方式方式 Mis-reading for stop codon ( Q RNA virus 1973. A. Weiner ) 400Nt 800Nt AUG-UGA-UAA UGA, UAG 易被漏讀，易被漏讀， 錯(cuò)讀錯(cuò)讀 UAA 能嚴(yán)格終止能嚴(yán)格終止 14Kd Cp 97%38Kd Ip 3%種類種