基因和基因組及基因工程的概念

關(guān)于基因和基因組及基因工程的概念第一節(jié)

基因的概念

一、基因與“遺傳因子”二、基因與染色體三、基因與蛋白質(zhì)四、基因與DNA五、基因密碼的破譯六、基因的概念七、基因的新概念第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天一、基因與“遺傳因子”對遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的認識有個發(fā)展過程，孟德爾（G.Menodel）在1857～1864年以豌豆為材料進行雜交實驗的研究中,提出“遺傳因子”決定和控制著生物體的各種性狀。1909年丹麥生物學(xué)家W.Johannsen為了強調(diào)“遺傳因子”與生命的關(guān)系,他根據(jù)希臘“給予生命”之義的詞“gene”（基因）創(chuàng)造性地用“gene”這個術(shù)語來代替“遺傳因子”?；蜻@個詞當(dāng)時被用來描述遺傳性狀，但對基因的物質(zhì)概念還未能認識，只是遺傳的一個符號。第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天孟德爾的豌豆雜交試驗

遺傳因子是成對的，一個來自父本，一個來自母本，形成配體時彼此分開，在性細胞中是成單的，雜交子一代各自保持獨立和純一狀態(tài)，形成配子時又彼此分開，互不混雜，完整地傳給后代，雌雄配

子結(jié)合有等同隨機結(jié)合的機會。

圓形種子＋皺形種子

雜交第一代(均為圓形)

回交

圓形豆皺形豆

5474粒1850粒

3：1黃色圖形＋綠色皺形雜交第一代(均為黃色圓形)回交黃色圓形豆黃色皺形豆綠色圓形豆綠色皺形豆315粒121粒108粒32粒9

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：331第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天二、基因與染色體1910年～1926年,美國的摩爾根（T.H.Morgan）選用果蠅做研究材料，發(fā)現(xiàn)了基因連鎖和交換現(xiàn)象，創(chuàng)立了遺傳的染色體理論（Chromosomoltheoryofinheritance），繪制了基因連鎖圖,接受了孟德爾的遺傳原理,指出遺傳物質(zhì)必須由某種獨立的要素組成,即遺傳因子或叫做基因。從而證明了基因是位于染色體上呈直線按順序排列的遺傳單位，基因是攜帶遺傳信息的結(jié)構(gòu)單位，又是控制遺傳性狀的功能單位。第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天摩爾根果蠅雜交試驗有4對染色體，一對小粒狀，2對V形，一對呈棒狀XX或XY（性染色體）

X1X2（紅眼）+XWY（白眼）（野生型）（突變型）雜交子一代（雌雄均為紅眼）

X1XW，X1Y，X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY?為紅眼雄性及白眼雄性第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天三、基因與蛋白質(zhì)1941年G.W.Beadle和E.L.Tatum應(yīng)用X射線誘導(dǎo)鏈孢霉菌（Newosporecrassa）在DNA損傷修復(fù)后,產(chǎn)生了大量營養(yǎng)缺陷性突變體,提出了“一個基因一種酶”學(xué)說,后來又修正為“一個基因一種蛋白質(zhì)”的學(xué)說,或“一個基因一種多肽鏈”學(xué)說。

第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天四、基因與DNA1928年美國O.T.Avery首次證明了控制遺傳特性的物質(zhì)是DNA,而不是蛋白質(zhì),染色體上的基因為DNA分子。1953年J.watson和F.Crick根據(jù)堿基配對規(guī)律和DNA分子的X射線衍射圖譜等實驗,提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1958年證明了DNA半保留復(fù)制和DNARNA蛋白質(zhì)合成的中心法則（如圖）。第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天遺傳中心法則第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天五、基因密碼的破譯1961年F.Crick,S.Brenner,M.W.Nirenberg,H.G.Khorana等確立了每三個核苷酸可作為決定一個氨基酸的密碼子。1964年64種三聯(lián)密碼子全部被破譯公布。64種密碼子中有61個密碼子可用于編碼20種氨基酸,有3個密碼子為終止信號,只表示鏈的終止,不表達任何氨基酸。其中AUG為啟始密碼子，并具有通用性、偏愛性和簡并性。第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天遺傳密碼的兼并性第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天六、基因的概念按照分子生物學(xué)理論，基因的概念應(yīng)當(dāng)是指編碼有功能蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA分子所必需的全部核酸序列（即DNA序列）。根據(jù)這個概念，一個基因不僅含編碼蛋白質(zhì)肽鏈或RNA分子的核酸序列,還包括保證轉(zhuǎn)錄所必需的非編碼的調(diào)控序列即位于編碼區(qū)上游5’端的啟動子非編碼序列、內(nèi)含子（intron）和位于編碼區(qū)下游3’端的終止子非編碼序列。編碼區(qū)是發(fā)揮基因功能的結(jié)構(gòu)基因（或功能基因），而起調(diào)控、啟動和終止作用的非編碼區(qū)屬于調(diào)控基因。

第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天七、基因的新概念1、移動基因2、斷裂基因（splitgene）3、重疊基因4、假基因5、重復(fù)序列及重復(fù)基因第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天1、移動基因

移動基因（movablegene）又叫轉(zhuǎn)位因子（transposableelements）,由于它可以在染色體基因組上移動，甚至可在不同染色體間躍遷，故又稱跳躍基因（jumpinggene）,這種基因是J.A.Shapiro在研究大腸桿菌高效突變時發(fā)現(xiàn)的。有三種類型：1.插入序列（insertionsequences,簡稱IS），其長度為數(shù)百個到數(shù)千個堿基對之間（如圖2-1）。2.轉(zhuǎn)位子（Tn)，即兩側(cè)的IS和一個中心序列（帶有遺傳信息）3.噬菌體Mu和D108，其轉(zhuǎn)位作用如圖2-2。第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2、斷裂基因（splitgene）

在真核細胞中的核苷酸序列中間插入與氨基酸編碼無關(guān)的DNA間隔區(qū)段，使一個有功能的結(jié)構(gòu)基因分隔成不連續(xù)的若干區(qū)段，將這種編碼序列不連續(xù)，有間隔區(qū)段的DNA片斷稱為斷裂基因。這種非編碼間隔區(qū)段DNA稱間隔子（內(nèi)含子），有轉(zhuǎn)錄和編碼功能的編碼序列稱表達子。原核細胞無內(nèi)含子。其二者mRNA剪輯作用如圖2-3，2-4，2-5第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3、重疊基因

不同基因的核苷酸序列有時為相鄰兩個基因共用，將核苷酸彼此重疊的兩個基因稱為重疊基因（overlappinggenes）,在

174噬菌體有兩種類型的重疊基因（圖2-6）。第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4、假基因

在珠蛋白基因簇（genecluster）各片斷核苷酸序列分析時發(fā)現(xiàn)，除了有正常的功能基因之外，還有功能失活的特殊序列片斷，它不能行使表達功能。該類無表達功能的畸變核苷酸基因序列片斷，稱為假基因。其產(chǎn)生原因如圖2-7、2-8第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5、重復(fù)序列及重復(fù)基因

幾乎所有的真核細胞（酵母除外）的基因組DNA中都具有重復(fù)序列（repeatedsequence）,它無轉(zhuǎn)位移動能力，因此它區(qū)別于轉(zhuǎn)位作用的IR（invertedrepeat）。IR是指序列的重復(fù)性。但無基因序列的交叉重疊性，故不同于重疊基因序列。重復(fù)序列可分為四種類型：(1)不重復(fù)序列，是唯一的序列，只有一個拷貝。(2)低度重復(fù)序列，一般有1-10個拷貝。(3)中度重復(fù)序列，有數(shù)十至數(shù)萬（105）拷貝。如圖2-9、2-10(4)高度重復(fù)序列拷貝數(shù)可達106以上,包括衛(wèi)星DNA、高豐度SINE家族的Alu序列。第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)

基因組

“基因組”是表示某物種單倍體的總DNA，對于二倍體高等生物其配子的DNA總和即為一組基因組。不同生物基因組數(shù)目不同，如表第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天研究得較多的為以下三類基因組：

一、病毒基因組二、細菌基因組三、真核生物基因組第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)

基因工程的定義和研究內(nèi)容

基因工程的定義通常是指在體外把核酸分子（基因）組合到特定的載體上（病毒，質(zhì)粒，噬菌體等）并使之進入（或?qū)耄┑皆瓉頉]有這類分子的宿主體內(nèi)，能使基因在宿主內(nèi)繁殖或表達生物活性物質(zhì)?；蚬こ痰暮诵膬?nèi)容是重組DNA技術(shù)，還包括體外DNA突變，體內(nèi)基因操作以及基因的化學(xué)合成等。第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)

基因工程的發(fā)展史

一、四大里程碑二、三大技術(shù)發(fā)明三、基因工程的誕生第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天病毒基因組特點：1.結(jié)構(gòu)簡單，無細胞結(jié)構(gòu)，基因組為DNA或RNA組成，有雙鏈/單鏈，環(huán)狀/線狀。2.有調(diào)控元件和轉(zhuǎn)錄元件組成，轉(zhuǎn)錄元件可轉(zhuǎn)錄成為多順反子mRNA。3.有重疊基因。4.逆轉(zhuǎn)錄病毒（RV）可使RNA變cDNA其結(jié)構(gòu)如圖，具U3RU5的長末端重復(fù)序列（LTR），具隨機整和能力，可用作病毒載體。第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天細菌基因組約有三千個基因，無內(nèi)含子，為雙鏈DNA，但無核仁、核膜，多為單拷貝，無重疊基因，有多種功能調(diào)控區(qū)，有復(fù)制起始區(qū)、終止區(qū)、轉(zhuǎn)錄起始區(qū)，終止區(qū)常有反向重復(fù)序列。另外有質(zhì)粒存在，質(zhì)?？勺鳛檩d體。第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天真核生物基因組特點：大而復(fù)雜，為雙倍體，有低中高重復(fù)序列，多為斷裂基因，基因組中非編碼區(qū)多于編碼區(qū)（占90%），大多于蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，DNA占35%，RNA占5%，其余為蛋白質(zhì)（組蛋白或非組蛋白）與C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（稱C值）均大于低等生物，但某些植物或兩棲動物的C值比人高出幾十倍，這種與進化復(fù)雜性不一致的C值反?，F(xiàn)象稱為C值矛盾。類型多基因家族第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天四大里程碑遺傳物質(zhì)的明確——DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論（半保留復(fù)制及其中心法則）基因遺傳密碼子的破譯基因轉(zhuǎn)譯載體的發(fā)現(xiàn)第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天三大技術(shù)發(fā)明工具酶的發(fā)明：內(nèi)切酶、合成酶、連接酶基因合成和測序（合成儀、測序儀）PCR技術(shù)（PCR擴增儀）第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天基因工程的誕生

1972年是基因工程的誕生之年。美國斯坦福大學(xué)P.Berg將SV40的DNA導(dǎo)入噬菌體載體在大腸桿菌中獲表達。S.Cohen等人將抗四環(huán)素、新霉素基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌，獲得抗四環(huán)素，抗新霉素重組菌落，從而揭開基因工程的序幕。第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天類型單拷貝序列：人類約占60%~65%中度重復(fù)序列：長短300~700bp，重復(fù)次數(shù)達105。通常為Alu、KpnⅠ、Hinf、rRNA、tRNA、組蛋白基因等。高度重復(fù)序列：衛(wèi)星DNA及微衛(wèi)星DNA反向重復(fù)序列：人類約占5%，長度300bp在復(fù)性時，若有間隔序列，可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，若無間隔序列，可形成回文結(jié)構(gòu)，可能與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天多基因家族指來源相同，結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)的基因在染色體上成串存在，形成多基因家族。如rRNA、tRNA、組蛋白基因等為成串的，干擾素、珠蛋白、生長激素等為分散的。第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天衛(wèi)星DNA衛(wèi)星D