基因的概念及發(fā)展課件

分子生物學(xué)第二章

基因的概念及發(fā)展

Theconceptanddevelopmentofgene分子生物學(xué)第二章

基因的概念及發(fā)展

Theconcept1什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位和突變單位以及控制性狀的功能單位。基因調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及22001Humangenomesequenced早期概念經(jīng)典概念基因概念的發(fā)展基因概念的多樣性2001Humangenomesequenced早期3一、早期的基因概念1.融合遺傳理論(BlendingInheritance,Hippocrates,

希波克拉底,公元前460-375

)基本論點(diǎn)：遺傳因子或遺傳物質(zhì)相遇的時候，彼此會相互混合，相互融化，而成為中間類型的東西。

一、早期的基因概念1.融合遺傳理論(BlendingIn42.獲得性遺傳理論

(Inheritanceofacquiredcharacteristics,Lamarck,拉馬克,1809)物種的形成是對環(huán)境的適應(yīng)過程，后天所獲得的性狀(character)可以遺傳給下一代。例如長頸鹿的祖先是短頸的，因?yàn)榈厣系牟莶粔?，它們需要伸長頸部去吃樹上的葉，那么下一代的頸就會變長。如此一代一代伸長下去，就變成今天的長頸鹿。

用進(jìn)廢退

否定遺傳物質(zhì)的存在2.獲得性遺傳理論(Inheritanceofacqu53.泛生論假說（hypothesisofthepangenesis,Darwin,

1866）體內(nèi)的各類細(xì)胞中，均具有代表其自身的胚芽。雜種內(nèi)的鑲嵌特征是親本胚芽混合所致。他認(rèn)為在生活周期的任何階段細(xì)胞都可放出胚芽，胚芽隨血液循環(huán)到達(dá)生殖細(xì)胞，并傳遞給后代。3.泛生論假說（hypothesisofthepan64.種質(zhì)論（Theoryofgermplasm,Weismann，1885）多細(xì)胞生物的細(xì)胞可分為“體質(zhì)”和“種質(zhì)”后天獲得性只能改變體質(zhì)（Somatoplasm,體細(xì)胞），無法改變種質(zhì)（Germplasm,生殖細(xì)胞）只有種質(zhì)才能遺傳這一學(xué)說為日后的染色體遺傳理論和基因?qū)W說的建立提供了基本的理論框架，使Weismann

成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的偉大先驅(qū)

4.種質(zhì)論（Theoryofgermplasm,Wei75.遺傳因子假說（Hypothesisoftheinheritedfactor,MendelGJ,1865)遺傳性狀由遺傳因子決定遺傳因子成對存在生殖細(xì)胞中具有成對因子中的一個每對因子分別來自雌雄親代的生殖細(xì)胞形成生殖細(xì)胞時，成對因子相互分離生殖細(xì)胞的結(jié)合是隨機(jī)的遺傳因子有顯隱性之分5.遺傳因子假說（Hypothesisofthein8孟德爾定律：分離定律（Lawofsegregation）自由組合定律（Lawofindependentassortment）否定了融合遺傳、泛生論及獲得性遺傳理論為顆粒遺傳理論（particulatethearyofinheritance

）奠定了基礎(chǔ)1900年，孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)1879年德國生物學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)的染色體。1903年美國細(xì)胞學(xué)家薩頓發(fā)現(xiàn)了遺傳因子與染色體的平行關(guān)系，提出了遺傳的染色體學(xué)說。孟德爾定律：9TheoryoftheGeneThomasHuntMorgan

1926二、經(jīng)典的基因概念（classicaltheoryofgene）遺傳因子基因（gene）TheoryoftheGene二、經(jīng)典的基因概念（c10經(jīng)典基因概念基因是染色體上的實(shí)體基因象念珠(bead)狀孤立地呈線性排列在染色體上基因是“三位一體”(Threeinone)交換(cross-overunit)突變(mutationunit)功能(functionalunit)

“三位一體”的最小的不可分割的基本的遺傳單位經(jīng)典基因概念基因是染色體上的實(shí)體基因象念珠(bead)11

?交換單位：基因間能進(jìn)行重組，而且是交換的最小單位。

?突變單位：一個基因能突變?yōu)榱硪粋€基因，產(chǎn)生等位基因。

A

a

?功能單位：控制有機(jī)體的性狀。(1926T.H.Morgan)?交換單位：基因間能進(jìn)行重組，而且是交換的最小單位。(112ALFREDHENRYSTURTEVANTNovember21,1891—April5,1970三、基因概念的發(fā)展1.位置效應(yīng)（positioneffect）一個基因隨著染色體畸變而改變它和鄰近基因的位置關(guān)系，從而改變了表型效應(yīng)的現(xiàn)象稱位置效應(yīng)。--可能是隨著位置的改變也改變了和5′端調(diào)控元件的關(guān)系和距離，從而影響了基因的表達(dá)。

ALFREDHENRYSTURTEVANT三、基因概念的13果蠅的復(fù)眼數(shù)目野生型果蠅的復(fù)眼大約由779個左右的紅色小眼所組成果蠅的復(fù)眼數(shù)目14Positioneffectsongeneexpression.PositioneffectscanbeobservedfortheDrosophilawhitegene.Wild-typeflieswithanormalwhitegenehaveredeyes.(AfterL.L.SandellandV.A.Zakian,TrendsCellBiol.2:10-14,1992.)(euchromatin,常染色質(zhì))異染色質(zhì)Positioneffectsongeneexpre15IllustrationofthedifferentsizesofcompoundeyesofthefemaleDrosophilamelanogasterascausedbythevaryingnumbersoffacets.Thesizeoftheeyeisinfluencedbythepositioneffect果蠅的X染色體上16A區(qū)段

果蠅眼面大小遺傳的劑量效應(yīng)和位置效應(yīng)779358452568Illustrationofthedifferent162.

擬等位基因（pseudoallele）概念染色體上緊密連鎖，控制同一性狀的非等位基因ABbaABabAbaB與等位基因的區(qū)別？野生型突變型野生突變型突變野生型自然分離重組交換2.擬等位基因（pseudoallele）概念染色體上17

3.順反子理論野生型（wildtype）突變型（mutationtype）根據(jù)表型標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是兩個等位基因的突變型可以發(fā)生重組得到野生型3.順反子理論野生型（wildtype）18順式排列（cis）：兩個擬等位基因在同一條染色體上，另一條同源染色體的相對位置上排列著野生型基因，表現(xiàn)為野生型。反式排列（trans）兩個擬等位基因分別位于兩條同源染色體上（野生型基因也位于兩條不同同源染色體上），使兩條染色體都是有缺陷的，表現(xiàn)為突變型。順反效應(yīng)（cis-transeffect）順式排列（cis）：反式排列（trans）順反效應(yīng)（cis-19a1和a2是否為同一基因？互補(bǔ)試驗(yàn)對于反式：a1和a2是否為同一基因？互補(bǔ)試驗(yàn)對于反式：20T4噬菌體rII突變型的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)rA突變體單獨(dú)入侵rB突變體單獨(dú)入侵rA、rB突變體同時入侵T4噬菌體rIIrA突變體單獨(dú)入侵rB突變體單獨(dú)入侵rA、21基因的順反子測試示意圖A和B是否為同一基因？正常正常正常突變基因的順反子測試示意圖A和B是否為同一基因？正常正常正常突變22Ab1

Ab2

a1BAb2MutantWildtype

同舟共濟(jì)愛莫能助不同的非等位基因

同一等位基因

功能互補(bǔ)效應(yīng)的測驗(yàn)體系具有

不具有

突變位點(diǎn)處于Ab1A23順反子假說（Theoryofcistron）

順反子（cistron）＝基因（gene），基因的同義詞在一個順反子內(nèi)，有若干個突變單位突變子(muton)在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位交換子（recon）基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組和交換

cistron

概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動搖

擬等位基因：基因內(nèi)不同位點(diǎn)的突變體threeinone

oneinone順反子假說（Theoryofcistron）順24Locus(loci)：基因座

Site：位點(diǎn)

基因是DNA分子上的一個區(qū)段（具有編碼序列）

基因平均由1000個左右的堿基對組成，一個DNA分子可以包含幾個乃至幾千個基因?；虿皇亲钚〉倪z傳單位，而是可再分的；基因是最小的功能單位因此：Locus(loci)：基因座基因是DNA分25

在同一基因座位中，同一突變位點(diǎn)向不同方向發(fā)生突變所形成的等位基因。全同等位基因（homoallele）非全同等位基因(heteroallele)

在同一基因座位中，不同突變位點(diǎn)發(fā)生突變所形成的等位基因。G全同A非全同在同一基因座位中，同一突變位點(diǎn)向不同方向發(fā)生突變所形成26基因的最終概念！基因的最新概念？GeneticsGenomicsFunctionalgenomics基因的最終概念！GeneticsGenomicsFuncti27四、基因概念發(fā)展不同類型的基因：結(jié)構(gòu)基因調(diào)控基因重復(fù)基因重疊基因隔裂基因跳躍基因假基因四、基因概念發(fā)展不同類型的基因：結(jié)構(gòu)基因28

1.重復(fù)基因（repeatedgene）

來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因在染色體上成串存在，稱為基因家族（genefamily）；一些基因集中串聯(lián)排列在一條染色體上，形成一個基因簇（genecluster），稱為重復(fù)基因。rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因1.重復(fù)基因（repeatedgene）29組蛋白基因不同物種中，基因的排列次序、轉(zhuǎn)錄方向和間隔區(qū)都不同。組蛋白基因30

2.斷裂基因（splitgene）

也叫不連續(xù)基因(discontinuousgene)在基因編碼蛋白質(zhì)的序列中插入與蛋白質(zhì)編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。2.斷裂基因（splitgene）31外顯子（exon），外元編碼的DNA序列，即被表達(dá)的DNA區(qū)段內(nèi)含子（intron），內(nèi)元不編碼的DNA序列Gilbert（1978年）提出內(nèi)含子、外顯子概念外顯子（exon），外元Gilbert（1978年）提出內(nèi)32

3.跳躍基因（jumpinggene）

移動基因（movablegene）轉(zhuǎn)座子（transposonableelements,TEs）(transposon)從基因組上的一個位置轉(zhuǎn)移到同一條染色體或另一條染色體的另一個位置，引起相應(yīng)控制性狀的改變。3.跳躍基因（jumpinggene）33轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為：一種控制基因在玉米基因組中移動的結(jié)果（McClintockB，ColdHarboringLab）1950年，發(fā)現(xiàn)玉米粒的顏色經(jīng)常發(fā)生變化轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為：一種控制基因在玉米基因組中移動的結(jié)果（Mc34控制基因插入到玉米染色體上編碼色素的基因中，改變基因表達(dá)活性，使玉米粒顏色發(fā)生變化?；虻牟迦胛恢貌粩喟l(fā)生變化，沿著染色體移動，造成玉米粒的顏色成斑駁狀。Ac-Ds系統(tǒng)控制基因插入到玉米染色體上編碼色素的基因35玉米中的轉(zhuǎn)座子“可移動的控制因子”----解離因子（dissociator，Ds）它可以插入到C基因中----轉(zhuǎn)座。另一個可移動的控制因子是激活因子（activator，Ac），它的存在可激活

Ds轉(zhuǎn)座，進(jìn)入

C

基因或其他基因，也能使Ds從基因中轉(zhuǎn)出，使突變基因產(chǎn)生“回復(fù)突變”，這就是Ac-Ds系統(tǒng)玉米中的轉(zhuǎn)座子“可移動的控制因子”----解離因子（dis36第二章基因的概念及發(fā)展課件374.假基因（pseudogene）

核苷酸序列與編碼某一蛋白質(zhì)的基因相似，但不具功能，不能轉(zhuǎn)錄形成成熟mRNA或不能翻譯出功能蛋白質(zhì)。重復(fù)的假基因

已有基因在結(jié)構(gòu)上發(fā)生較大變化而失去功能后形成4.假基因（pseudogene）核苷酸序列與編碼38加工的假基因沒有啟動子和內(nèi)含子，在3端有一段延伸的短A-T堿基對序列，似poly(A)尾巴。加工的假基因395.重疊基因（overlappinggene）共同使用同一DNA序列，但編碼兩種不同蛋白質(zhì)的基因。一個基因的核苷酸序列完全在另一個基因里面；兩個基因之間的核苷酸有部分重疊5.重疊基因（overlappinggene）40本章主要內(nèi)容

基因的順反子概念重復(fù)基因、斷裂基因、跳躍基因、假基因、重疊基因概念及意義

原核、真核生物基因結(jié)構(gòu)的異同本章主要內(nèi)容基因的順反子概念重復(fù)基因、斷裂基因、跳躍基因41分子生物學(xué)第二章

基因的概念及發(fā)展

Theconceptanddevelopmentofgene分子生物學(xué)第二章

基因的概念及發(fā)展

Theconcept42什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遺傳效應(yīng)的核苷酸序列，是遺傳的基本單位和突變單位以及控制性狀的功能單位?；蛘{(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及432001Humangenomesequenced早期概念經(jīng)典概念基因概念的發(fā)展基因概念的多樣性2001Humangenomesequenced早期44一、早期的基因概念1.融合遺傳理論(BlendingInheritance,Hippocrates,

希波克拉底,公元前460-375

)基本論點(diǎn)：遺傳因子或遺傳物質(zhì)相遇的時候，彼此會相互混合，相互融化，而成為中間類型的東西。

一、早期的基因概念1.融合遺傳理論(BlendingIn452.獲得性遺傳理論

(Inheritanceofacquiredcharacteristics,Lamarck,拉馬克,1809)物種的形成是對環(huán)境的適應(yīng)過程，后天所獲得的性狀(character)可以遺傳給下一代。例如長頸鹿的祖先是短頸的，因?yàn)榈厣系牟莶粔?，它們需要伸長頸部去吃樹上的葉，那么下一代的頸就會變長。如此一代一代伸長下去，就變成今天的長頸鹿。

用進(jìn)廢退

否定遺傳物質(zhì)的存在2.獲得性遺傳理論(Inheritanceofacqu463.泛生論假說（hypothesisofthepangenesis,Darwin,

1866）體內(nèi)的各類細(xì)胞中，均具有代表其自身的胚芽。雜種內(nèi)的鑲嵌特征是親本胚芽混合所致。他認(rèn)為在生活周期的任何階段細(xì)胞都可放出胚芽，胚芽隨血液循環(huán)到達(dá)生殖細(xì)胞，并傳遞給后代。3.泛生論假說（hypothesisofthepan474.種質(zhì)論（Theoryofgermplasm,Weismann，1885）多細(xì)胞生物的細(xì)胞可分為“體質(zhì)”和“種質(zhì)”后天獲得性只能改變體質(zhì)（Somatoplasm,體細(xì)胞），無法改變種質(zhì)（Germplasm,生殖細(xì)胞）只有種質(zhì)才能遺傳這一學(xué)說為日后的染色體遺傳理論和基因?qū)W說的建立提供了基本的理論框架，使Weismann

成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的偉大先驅(qū)

4.種質(zhì)論（Theoryofgermplasm,Wei485.遺傳因子假說（Hypothesisoftheinheritedfactor,MendelGJ,1865)遺傳性狀由遺傳因子決定遺傳因子成對存在生殖細(xì)胞中具有成對因子中的一個每對因子分別來自雌雄親代的生殖細(xì)胞形成生殖細(xì)胞時，成對因子相互分離生殖細(xì)胞的結(jié)合是隨機(jī)的遺傳因子有顯隱性之分5.遺傳因子假說（Hypothesisofthein49孟德爾定律：分離定律（Lawofsegregation）自由組合定律（Lawofindependentassortment）否定了融合遺傳、泛生論及獲得性遺傳理論為顆粒遺傳理論（particulatethearyofinheritance

）奠定了基礎(chǔ)1900年，孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)1879年德國生物學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)的染色體。1903年美國細(xì)胞學(xué)家薩頓發(fā)現(xiàn)了遺傳因子與染色體的平行關(guān)系，提出了遺傳的染色體學(xué)說。孟德爾定律：50TheoryoftheGeneThomasHuntMorgan

1926二、經(jīng)典的基因概念（classicaltheoryofgene）遺傳因子基因（gene）TheoryoftheGene二、經(jīng)典的基因概念（c51經(jīng)典基因概念基因是染色體上的實(shí)體基因象念珠(bead)狀孤立地呈線性排列在染色體上基因是“三位一體”(Threeinone)交換(cross-overunit)突變(mutationunit)功能(functionalunit)

“三位一體”的最小的不可分割的基本的遺傳單位經(jīng)典基因概念基因是染色體上的實(shí)體基因象念珠(bead)52

?交換單位：基因間能進(jìn)行重組，而且是交換的最小單位。

?突變單位：一個基因能突變?yōu)榱硪粋€基因，產(chǎn)生等位基因。

A

a

?功能單位：控制有機(jī)體的性狀。(1926T.H.Morgan)?交換單位：基因間能進(jìn)行重組，而且是交換的最小單位。(153ALFREDHENRYSTURTEVANTNovember21,1891—April5,1970三、基因概念的發(fā)展1.位置效應(yīng)（positioneffect）一個基因隨著染色體畸變而改變它和鄰近基因的位置關(guān)系，從而改變了表型效應(yīng)的現(xiàn)象稱位置效應(yīng)。--可能是隨著位置的改變也改變了和5′端調(diào)控元件的關(guān)系和距離，從而影響了基因的表達(dá)。

ALFREDHENRYSTURTEVANT三、基因概念的54果蠅的復(fù)眼數(shù)目野生型果蠅的復(fù)眼大約由779個左右的紅色小眼所組成果蠅的復(fù)眼數(shù)目55Positioneffectsongeneexpression.PositioneffectscanbeobservedfortheDrosophilawhitegene.Wild-typeflieswithanormalwhitegenehaveredeyes.(AfterL.L.SandellandV.A.Zakian,TrendsCellBiol.2:10-14,1992.)(euchromatin,常染色質(zhì))異染色質(zhì)Positioneffectsongeneexpre56IllustrationofthedifferentsizesofcompoundeyesofthefemaleDrosophilamelanogasterascausedbythevaryingnumbersoffacets.Thesizeoftheeyeisinfluencedbythepositioneffect果蠅的X染色體上16A區(qū)段

果蠅眼面大小遺傳的劑量效應(yīng)和位置效應(yīng)779358452568Illustrationofthedifferent572.

擬等位基因（pseudoallele）概念染色體上緊密連鎖，控制同一性狀的非等位基因ABbaABabAbaB與等位基因的區(qū)別？野生型突變型野生突變型突變野生型自然分離重組交換2.擬等位基因（pseudoallele）概念染色體上58

3.順反子理論野生型（wildtype）突變型（mutationtype）根據(jù)表型標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是兩個等位基因的突變型可以發(fā)生重組得到野生型3.順反子理論野生型（wildtype）59順式排列（cis）：兩個擬等位基因在同一條染色體上，另一條同源染色體的相對位置上排列著野生型基因，表現(xiàn)為野生型。反式排列（trans）兩個擬等位基因分別位于兩條同源染色體上（野生型基因也位于兩條不同同源染色體上），使兩條染色體都是有缺陷的，表現(xiàn)為突變型。順反效應(yīng)（cis-transeffect）順式排列（cis）：反式排列（trans）順反效應(yīng)（cis-60a1和a2是否為同一基因？互補(bǔ)試驗(yàn)對于反式：a1和a2是否為同一基因？互補(bǔ)試驗(yàn)對于反式：61T4噬菌體rII突變型的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)rA突變體單獨(dú)入侵rB突變體單獨(dú)入侵rA、rB突變體同時入侵T4噬菌體rIIrA突變體單獨(dú)入侵rB突變體單獨(dú)入侵rA、62基因的順反子測試示意圖A和B是否為同一基因？正常正常正常突變基因的順反子測試示意圖A和B是否為同一基因？正常正常正常突變63Ab1

Ab2

a1BAb2MutantWildtype

同舟共濟(jì)愛莫能助不同的非等位基因

同一等位基因

功能互補(bǔ)效應(yīng)的測驗(yàn)體系具有

不具有

突變位點(diǎn)處于Ab1A64順反子假說（Theoryofcistron）

順反子（cistron）＝基因（gene），基因的同義詞在一個順反子內(nèi)，有若干個突變單位突變子(muton)在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位交換子（recon）基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組和交換

cistron

概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動搖

擬等位基因：基因內(nèi)不同位點(diǎn)的突變體threeinone

oneinone順反子假說（Theoryofcistron）順65Locus(loci)：基因座

Site：位點(diǎn)

基因是DNA分子上的一個區(qū)段（具有編碼序列）

基因平均由1000個左右的堿基對組成，一個DNA分子可以包含幾個乃至幾千個基因?；虿皇亲钚〉倪z傳單位，而是可再分的；基因是最小的功能單位因此：Locus(loci)：基因座基因是DNA分66

在同一基因座位中，同一突變位點(diǎn)向不同方向發(fā)生突變所形成的等位基因。全同等位基因（homoallele）非全同等位基因(heteroallele)

在同一基因座位中，不同突變位點(diǎn)發(fā)生突變所形成的等位基因。G全同A非全同在同一基因座位中，同一突變位點(diǎn)向不同方向發(fā)生突變所形成67基因的最終概念！基因的最新概念？GeneticsGenomicsFunctionalgenomics基因的最終概念！GeneticsGenomicsFuncti68四、基因概念發(fā)展不同類型的基因：結(jié)構(gòu)基因調(diào)控基因重復(fù)基因重疊基因隔裂基因跳躍基因假基因四、基因概念發(fā)展不同類型的基因：結(jié)構(gòu)基因69

1.重復(fù)基因（repeatedgene）

來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因在染色體上成串存在，稱為基因家族（genefamily）；一些基因集中串聯(lián)排列在一條染色體上，形成一個基因簇（genecluster），稱為重復(fù)基因。rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因1.重復(fù)基因（repeatedgene）70組蛋白基因不同物種中，基因的排列次序、轉(zhuǎn)錄方向和間隔區(qū)都不同。組蛋白基因71

2.斷裂基因（splitgene）

也叫不連續(xù)基因(discontinuousgene)在基因編碼蛋白質(zhì)的序列中插入與蛋白質(zhì)編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)，使一個基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段。2.斷裂基因（splitgene）72外顯子（exon），外元編碼的DNA序列，即