基因的結(jié)構(gòu)域功能

基因的結(jié)構(gòu)域功能第1頁/共50頁（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。第2頁/共50頁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)。第3頁/共50頁總之：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。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。第4頁/共50頁（五）操縱子模型

1961年法國分子生物學家Jacob和Monod通過對大腸桿菌乳糖突變體研究，提出了操縱子學說（operontheory)。闡明了基因在乳糖利用中的作用。第5頁/共50頁（六）跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）和斷裂基因的發(fā)現(xiàn)

20世紀50年代以前認為每一基因組的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。第6頁/共50頁二、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（structuralgene)和調(diào)節(jié)基因(regulatorygene):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。第7頁/共50頁第8頁/共50頁三、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9頁/共50頁第二節(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

Pwawa×wY

杏色白色

F1wawwaY(杏色眼）

F2wawawawwaYwY

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)如此高的頻率第10頁/共50頁進一步研究證明：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。

Pwa+/wa+×+w/YF1wa+/+wwa+/Y

（配子）（配子）

wa++wwaw++wa+YF2出現(xiàn)++/wa+和++/Y（紅眼野生型）第11頁/共50頁順反位置效應(yīng)（cis-transpositioneffect)：

wa+/+w兩個突變分別在兩條染色體上，稱為反式（trans)，waw/++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)。第12頁/共50頁擬等位基因（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。第13頁/共50頁二、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rⅡ突變就是一個條件致死突變型。（見P101表4-1）第14頁/共50頁表4-1野生型與幾種突變型的區(qū)別類型不同大腸桿菌平板上噬菌斑表型BK()S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rI大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑

rII大噬菌斑無噬菌斑（致死）小噬菌斑rIII大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑第15頁/共50頁三、Benzer的重組實驗兩種rⅡ突變類型：rx、ry

r+rx

×

ryr+

↓混合感染

E.coliB株

接種

B株K(λ)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

第16頁/共50頁第17頁/共50頁重組值計算：rxry的數(shù)量與r+r+相同，計算時r+r+噬菌體數(shù)×2。

第18頁/共50頁此種測定方法稱為重組測驗（recombinationtest)，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19頁/共50頁第三節(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rⅡ

突變型成對組合同時去感染大腸桿菌K(λ)株，若被雙重感染的細菌中產(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。第20頁/共50頁若雙重感染的細菌不產(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。第21頁/共50頁互補測驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

rⅡ

突變型可分成rⅡA和rⅡB兩個互補群。所有rⅡA突變型的突變位點都在rⅡ

區(qū)的一頭，是一個獨立的功能單位,所有rⅡB突變型的突變位點都在rⅡ

區(qū)的另一頭，也是一個獨立的功能單位.第22頁/共50頁凡是屬于rⅡA的突變之間不能互補,同理凡是屬于rⅡB的突變之間也不能互補,只有rⅡA和rⅡB的突變之間可以互補,即雙重感染大腸桿菌K(λ)株后可產(chǎn)生子代。說明:rⅡA和rⅡB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。第23頁/共50頁

互補試驗的原理

表型有無功能互補結(jié)論反式:A+BAB+反式:

A+BAB+

突變型－屬同一順反子野生型＋屬不同順反子第24頁/共50頁二、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。第25頁/共50頁順反子：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。第26頁/共50頁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第27頁/共50頁第28頁/共50頁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。第29頁/共50頁三、基因內(nèi)互補1、基因內(nèi)互補的機理第30頁/共50頁2、基因內(nèi)互補與基因間互補的區(qū)別基因間互補基因內(nèi)互補發(fā)生機率普遍存在僅少數(shù)能發(fā)生缺失突變能發(fā)生互補不能發(fā)生酶活性同野生型一樣明顯低于野生型（僅25%）第31頁/共50頁第四節(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，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野生型核苷酸順序。第32頁/共50頁缺失作圖：Benzer根據(jù)這一原理很方便地把數(shù)千個獨立的rⅡ突變定位在rⅡ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2abc

細線表示缺失區(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。第33頁/共50頁二、缺失作圖方法（P107）第34頁/共50頁第五節(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（spacersequence)，并由此提出斷裂基因（splitgene）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)第35頁/共50頁二、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)控裝置第36頁/共50頁三、重疊基因1978年英國劍橋大學分子生物學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第37頁/共50頁4、反向重疊5、重疊操縱子普遍認為：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38頁/共50頁第六節(jié)基因的功能一、Garrod的先天性代謝缺陷二十世紀初，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。第39頁/共50頁苯丙酮酸酪氨酸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ppcc

白化病第40頁/共50頁Garrod認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，認為基因是通過控制酶和其他蛋白質(zhì)合成來控制細胞代謝的。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。第41頁/共50頁（一）生物合成過程基因：abcd↓↓↓↓

酶：ABCD

代謝物：1→2→3→4→5

前體物色素原a色素原b紅色紫色第42頁/共50頁

檢測的物質(zhì)

ABCDEG突

1—

—

—+—+2—+—+—+變

3—

—

—

—

—+4—+++—+體

5++++—+

突變型:54213↓↓↓↓↓代謝過程:E→A→C→B→D→G（二）突變型與合成缺陷第43頁/共50頁（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arg1arg2arg3↓