11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)課件

1、11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)一、 DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)二、 DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(一)、細菌轉(zhuǎn)化試驗(二)、噬菌體侵染實驗(三)、煙草花葉病毒感染實驗第1節(jié) 核酸是遺傳物質(zhì)一、 DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)第1節(jié) 核酸是遺傳物質(zhì) DNA存在的普遍性； DNA含量的恒定性； DNA代謝的穩(wěn)定性；基因突變與紫外線誘變波長（260nm）的關(guān)系。一、 DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù) DNA存在的普遍性；一、 DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)(一)、 細菌轉(zhuǎn)化試驗肺炎雙球菌的兩種類型 光滑型（S型）：SI、SII、SIII 有毒性，有莢膜，光滑的菌落； 粗糙型（R型）：RI、RI

2、I、RIII 無毒性，無莢膜，粗糙菌落。由于菌株間含有不同的多糖和蛋白質(zhì)，感染生物以后誘導生成的抗體不同，區(qū)分為SI、SII、SIII 等；R型由S型突變而來，相應(yīng)為RI、RII、RIII 等。 二 DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(一)、 細菌轉(zhuǎn)化試驗二 DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù) 1944年，Avery重復了上述實驗，并把SIII型的DNA、Pr，夾膜提取物分別加入RII型培養(yǎng)基，結(jié)果只有DNA使少量RII型轉(zhuǎn)化為SIII型，并能穩(wěn)定遺傳下去。證明：DNA是遺傳物質(zhì)。1928年Griffith肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗如下： 1944年，Avery重復了上述實驗，并把SIII型的D （二）噬菌體侵染大腸

3、桿菌實驗 1952年，Hershey等用放射性同位素標記： 32P標記T2噬菌體的 DNA（DNA中無S）, 35S標記T2噬菌體的 Pr（Pr中無P） （二）噬菌體侵染大腸桿菌實驗 195證明：T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA證明：（三） 煙草花葉病毒（TMV）感染實驗 Frankel-Conrat, Singer (1956) 試驗（三） 煙草花葉病毒（TMV）感染實驗（三） 煙草花葉病毒（TMV）感染實驗 蛋白質(zhì) RNA分別接種煙草葉片發(fā)病，形成花葉不發(fā)病，葉片正常不發(fā)病，葉片正常用RNA酶處理的RNA接種葉片TMV結(jié)論：在不含DNA的TMV 中，遺傳物質(zhì)是RNA（三） 煙草花葉病毒（TMV

4、）感染實驗 蛋第2節(jié) 基因的概念基因是一個特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。第2節(jié) 基因的概念（一）“遺傳因子”： 孟德爾把控制生物性狀的因子稱為“遺傳因子” 。（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，建立了遺傳的染色體學說，為細胞遺傳學奠定了重要基礎(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)典遺傳學認為：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。一、基因概念的發(fā)展（一）“遺傳因子”：一、基因概念的發(fā)展（三）DNA是遺傳物質(zhì)： 1928年Griffith首先發(fā)現(xiàn)了肺炎

5、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。（三）DNA是遺傳物質(zhì)：1957年Benzer用大腸桿菌T4噬菌體為材料，分析了基因內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)，提出了順反子（cistor)的概念，證明基因是DNA分子上一個特定的區(qū)段，是一個功

6、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)。11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)總之：順反子學說打破了“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。 11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)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。

7、它只相當與一個核苷酸對，不能將其定義為一個基因。重組子是性狀重組時，可交換的最小單位?；騼?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。遺傳上的突變單位和重組單位是突變子（muton)和重組子(r思考：現(xiàn)代遺傳學與經(jīng)典遺傳學基因概念的不同？思考：現(xiàn)代遺傳學與經(jīng)典遺傳學基因概念的不同？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： 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。 核糖體RNA基因（rRNA基因簡稱rDNA）和轉(zhuǎn)移RNA基因（tRNA基因簡稱tDN

8、A ）： 只可轉(zhuǎn)錄不可翻譯。前者專門轉(zhuǎn)錄rRNA， rRNA與相應(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。 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。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11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ)其他類型重疊基因：隔裂基因：跳躍基因：假基因：其他類型三、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

9、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。三、基因與DNA一個基因大約有500-6000個核苷酸對，但第3節(jié) 基因順反測驗 兩個突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)，表現(xiàn)為突變型；兩個突變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)，順式排列為野生型。由于排列方式不同而表型不同的現(xiàn)象稱為順反位置效應(yīng)（cis-trans position effect ) 。假如兩個獨立起源的隱性突變，有類似表型，如何判斷它們屬于同一個基因的突變，還是屬于兩個基因的突變？

10、第3節(jié) 基因順反測驗 兩個突變分別在兩條染色一、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） 一、互補測驗的原理和方法 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 互補試驗的原理 突變型 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

11、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?；パa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。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

12、 表現(xiàn)型 野生型 突變型 屬于同一順反子判斷兩突變是否處于同一順反子的方法:第4節(jié) 基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變二、人工誘變?nèi)?、誘變與腫瘤四、定點誘變第4節(jié) 基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變細胞水平上，基因相當于染色體上的一點，稱為位點；分子水平上，一個位點還可以分成許多基本單位，稱為座位?；蛲蛔兊姆肿訖C制：突變是基因內(nèi)不同座位的改變。由突變子引起的基因突變才是真正意義上的點突變。細胞水平上，基因相當于染色體上的一點，稱為位點；一、自發(fā)突變(spontaneous mutation)自發(fā)突變是指在自然狀態(tài)下未經(jīng)誘變劑處理而出現(xiàn)的突變。發(fā)生原因：自發(fā)突變可能是由于DNA復制錯誤、堿基的異構(gòu)互變

13、效應(yīng)、自發(fā)的化學變化和轉(zhuǎn)座因子等多種原因引起的。一、自發(fā)突變(spontaneous mutation) 由于DNA分子中的堿基本身存在著交替的化學結(jié)構(gòu)，稱為互變異構(gòu)體（tautomer），當堿基以它稀有的形式出現(xiàn)時就可能與錯誤的堿基配對，這種堿基化學結(jié)構(gòu)的改變過程稱為互變異構(gòu)移位（tautomeric shift）。 在DNA復制過程中，可能產(chǎn)生堿基的錯配，帶有錯配堿基的DNA在下一次復制時，則會引起堿基的替代，從而引起DNA分子的錯誤。（一）DNA復制錯誤 由于DNA分子中的堿基本身存在著交替的化學結(jié)構(gòu)，稱為DNA復制錯誤示意圖DNA復制錯誤示意圖 1、 堿基替換的兩種方式堿基的互變異構(gòu)可

14、以在DNA復制過程中自發(fā)發(fā)生。它導致的堿基替代如果是發(fā)生在同類堿基之間，即一種嘌呤被另一種嘌呤替代，或一種嘧啶被另一種嘧啶替代，這稱為轉(zhuǎn)換（transition）；若堿基的替代發(fā)生在異類堿基之間，即一種嘌呤被一種嘧啶替代，或反之，則稱為顛換（transversion）。 1、 堿基替換的兩種方式 2、堿基替換的遺傳效應(yīng) () 同義突變（samesense mutation）不改變氨基酸的密碼子變化，與密碼子的兼并性有關(guān). 如GAU/GAC-天冬氨酸Asp. () 錯義突變（missense mutation） 堿基替換的結(jié)果引起氨基酸序列的改變. () 無義突變（nonsense mutati

15、on）編碼區(qū)的單堿基突變導致終止密碼子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻譯提前終止, 形成不完全的肽鏈. 2、堿基替換的遺傳效應(yīng)移碼突變：在基因外顯子中插入或缺失1, 2或4個核苷酸,閱讀信息發(fā)生錯位,從而使翻譯的蛋白質(zhì)序列與原來完全不同。 DNA復制時有時新合成鏈或模板鏈發(fā)生錯誤環(huán)出或跳格（slippage），導致移碼突變（frameshift mutation）、缺失或重復。eg. E.coli中乳糖發(fā)酵的調(diào)節(jié)基因(lac): 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移碼突變: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 移碼突變 : 5-GTCTGGCTG

16、GC-33、移碼突變與產(chǎn)生移碼突變：在基因外顯子中插入或缺失1, 2或4個核苷酸,閱11第十一章遺傳的分子基礎(chǔ) 4、突變熱點 基因中某些位點比其它位點突變率高，稱突變熱點。 Eg：分析T4-Phage r 基因1500個突變體： r A (1800bp)有200個位點； r B (850bp)有108個位點 。 （二） 、自發(fā)的化學突變1、堿基的脫嘌呤（depurination）脫嘌呤是自發(fā)化學變化中最常見的一種，它是由于堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵斷裂，從而引起一個鳥嘌呤或一個腺嘌呤從DNA分子上脫落下來。研究發(fā)現(xiàn)，在37條件下培養(yǎng)一個哺乳動物細胞20小時，會有數(shù)以千計的嘌呤通過脫嘌呤作用自發(fā)地

17、脫落。如果這種損傷得不到修復，就會引起很大的遺傳損傷，因為在DNA復制過程中，無嘌呤位點將沒有特異堿基與之互補，而可能隨機地選擇一個堿基插進去，結(jié)果導致突變。（二） 、自發(fā)的化學突變1、堿基的脫嘌呤（depurina2、脫氨基（deamination）脫氨基作用是指在一個堿基上去掉氨基，常見的是胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（5mC），它們脫氨基后分別變成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），從而使DNA分子受到損傷。由于在DNA中U不是一個正常堿基，因此如果它不被除去修復，在DNA復制中它將與腺嘌呤（A）配對，導致原來的GC堿基對轉(zhuǎn)變?yōu)锳T堿基對。脫氨基造成的堿基轉(zhuǎn)換2、脫氨基（deamination

18、）脫氨基造成的堿基轉(zhuǎn)換3、轉(zhuǎn)座子（transposon）在生物基因組內(nèi)存在的可移動DNA序列-轉(zhuǎn)座因子或插入序列（insertion sequence），通過在基因組內(nèi)的移動也經(jīng)常引起基因功能的失活或改變。3、轉(zhuǎn)座子（transposon） 轉(zhuǎn)座子或插入序列引起基因突變的機制 轉(zhuǎn)座子或插入序列引起基因突變的機制 現(xiàn)已知道，在玉米、果蠅等生物中發(fā)生的一些典型突變就是由于這類可移動DNA序列的插入所引起的?，F(xiàn)已知道，在玉米、果蠅等生物中發(fā)生的一些典型突變就是由于這類二、人工誘變（induced mutaion） 誘變機制 堿基類似物 eg. 5-BU 和5-BrdU是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物，酮

19、式結(jié)構(gòu)易與A配對；烯醇式結(jié)構(gòu)易與G配對。另有2-氨基嘌呤(2-AP, A類似物)、5- 氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶等。 特異性錯配 eg.烷化劑: 甲磺酸乙酯(EMS)、亞硝基胍( NG)、芥子氣等。通過改變堿基結(jié)構(gòu)使堿基錯配。 如：G-C; 當G烷基化后可與T配對，導致堿基轉(zhuǎn)換。烷化劑使嘌呤脫落，造成轉(zhuǎn)換、顛換、斷裂或其他突變 二、人工誘變（induced mutaion） 誘變機制 嵌合劑的致突作用 eg. .吖啶類染料: 吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對的類似物，易造成移碼突變。 輻射誘導效應(yīng) (1)紫外線UV:形成嘧啶二聚體，如T二聚體，同一條單鏈內(nèi)，影響復制時與A的配對，中止復制；雙鏈之

20、間，影響雙鏈變性，并影響復制。 (2)電離輻射：如X-ray、可引起堿基的降解或脫落，A變成H;C變成T，出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。黃曲霉的作用 ：使鳥嘌呤G脫落，SOS修復引入A, 造成突變。 嵌合劑的致突作用 三、誘變與腫瘤 腫瘤的形成與否取決于機體中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突變會致癌。一些誘變劑可以特異性誘導抑癌基因突變，導致腫瘤發(fā)生。 eg. 黃曲霉素可誘導基因G T顛換，導致肝癌的發(fā)生；UV可誘導基因5 -TC-3發(fā)生C T顛換，形成“T二聚體”，導致人類鱗狀細胞皮膚癌的發(fā)生。三、誘變與腫瘤 四、定點誘變 定義：利用人工合成的寡核苷酸，在離體的條件下，制造基因中任何部位的位點特異性突變的技術(shù)

21、。 四、定點誘變第5節(jié)基因突變的修復機制一、DNA的防護機制密碼簡并性 CUAUUA,亮氨酸回復突變 某個座位遺傳密碼的回復突變可使突變型恢復成原來的野生型，盡管回復突變的頻率比正突變頻率低得多。抑制 有基因間抑制和基因內(nèi)抑制。前者指控制翻譯機制的抑制者基因，通常是tRNA基因發(fā)生突變，而使原來的無義突變、誤義突變或移碼突變恢復成野生型。后者指突變基因另一座位上的突變掩蓋了原來座位的突變(但未恢復原來的密碼順序)，使突變型恢復成野生型。第5節(jié)基因突變的修復機制一、DNA的防護機制致死和選擇 如果防護機制未起作用，一個突變可能致死；二倍體和多倍體 高等生物的多倍體具有幾套染色體組，每個基因都有幾

22、份，故能比二倍體和低等生物表現(xiàn)強烈的保護作用。致死和選擇 二、DNA修復（一） 光復活(photoreactivation) 1. 概念：在可見光存在的條件下，在光復活酶作用下將UV引起嘧啶二聚體分解為單體的過程。 2. 條件：可見光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚體 二、DNA修復3. 光修復過程： 光復活酶與T=T結(jié)合形成復合物; 復合物吸收可見光，切斷T=T之間的C-C共價鍵,使二聚體變成單體; 光復酶從DNA鏈解離. 光復活是原核生物中的一種主要修復形式。3. 光修復過程：（二） 切除修復1.概念:（核苷酸外切修復、暗修復）先在損傷的任何一端打開磷酸二酯鍵，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修復性合成來填補，再由連接酶將其連接起來。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要條件。2.特點：1)消除由UV引起的損傷，也能消除由電離輻射和化學誘變劑引起的其他損傷。 2)切除的片段可由幾十到上萬bp，分別稱短補丁修復、長補丁修復。（二） 切除修復1.概念:（核苷酸外切修復、暗修復）先在損3.切除修復過程： 內(nèi)切酶的作用在DNA損傷的一端,切開形成一個切口; 外切酶的作用將損傷部位切除; 聚合酶的作用將切口補齊,留下一個切口; 連接酶的作用將DNA連接形成完整的DNA鏈。3.切除修復過程：4.特異性切除修復不明顯的損傷需要特異性修復。 (1)糖基化酶修復：如