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第五章第五章 遗传的分子基础遗传的分子基础第一节第一节 核酸的结构核酸的结构第二节第二节 DNA复制复制第三节第三节 遗传信息的表达与调控遗传信息的表达与调控第四节第四节 基因的概念与发展基因的概念与发展第五节第五节 遗传工程简介遗传工程简介第一节第一节 核酸的结构核酸的结构一、一、DNA的一级结构的一级结构二、二、DNA的二级结构的二级结构三、从三、从DNA到染色体到染色体四、四、RNA的分子结构的分子结构两种核酸的化学组成两种核酸的化学组成 以以核苷酸核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。五碳糖：脱氧核糖、核糖五碳糖：脱氧核糖、核糖核苷酸核苷酸 磷酸鸟嘌呤、腺嘌呤磷酸鸟嘌呤、腺嘌呤 环状的含氮碱基环状的含氮碱基胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶核酸的分布：核酸的分布：高等植物高等植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中；存在于染色体，叶绿体、线粒体中；RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。在核（核仁、染色体）、细胞质中。细菌：细菌：DNA和和RNA。噬菌体：噬菌体：多数只有多数只有DNA。植物病毒：植物病毒：多数只有多数只有RNA。动物病毒：动物病毒：有些含有些含RNA、有些含、有些含DNA。一、一、核酸的一级结构核酸的一级结构(一一)、贾格夫准则及其意义；贾格夫准则及其意义；(二二)、核苷酸序列及其测定。核苷酸序列及其测定。(一一)、贾格夫准则及其意义贾格夫准则及其意义E.Chargaff于于1946-1950年根据纸层析、离子年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出贾格交换层析和紫外分光光度试验结果提出贾格夫定则：夫定则：四种碱基的数量不是等量的；四种碱基的数量不是等量的；同一物种同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则碱基组成不变，而物种间则有很大不同；有很大不同；嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总克分子总量量)相等相等(A+G=T+C)，且，且A=T、G=C。(二二)、核苷酸序列及其测定核苷酸序列及其测定贾格夫准格夫准则表明：核酸并不是四核苷酸表明：核酸并不是四核苷酸结构的构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。碱基序列正是核酸生物学功能的基碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是，是遗传信信息的内在形式。息的内在形式。核苷酸序列测定核苷酸序列测定DNA及及RNA分子序列分析技分子序列分析技术也是最重要的分也是最重要的分子子遗传学研究技学研究技术：Sanger双脱氧法；双脱氧法；Maxam&Gillbert化学法；化学法；基于化学法的基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常序列自动分析仪已成为常规实验设备。规实验设备。二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA分子双螺旋结构模型分子双螺旋结构模型右手螺旋右手螺旋反向平行反向平行碱基互碱基互补，A=T，G=C每螺旋每螺旋为3.4nm长，含，含10个碱基，直径个碱基，直径为2nm表面分布有大沟和小沟交替出表面分布有大沟和小沟交替出现。DNA分子双螺旋结构模型要点分子双螺旋结构模型要点三、从三、从DNA到染色体到染色体染色染色质的的结构构核小体的核小体的组成成染色染色质的高的高级结构构从从DNA到染色体到染色体真核细胞的染色质结构真核细胞的染色质结构)高度有序的高度有序的 DNA-蛋白质复合体构成蛋白质复合体构成真核染色体，其质量真核染色体，其质量50%以上为蛋白质。以上为蛋白质。染色体染色体DNA的长度是以的长度是以cm为单位为单位,而而直径是以直径是以m mm为单位。为单位。细胞核中细胞核中DNA溶度大约为溶度大约为 200 mg/ml。Chromatin 染色质染色质染色质结构染色质结构 染色质结构在染色质结构在细胞周期中随染色体螺细胞周期中随染色体螺旋化程度发生改变。旋化程度发生改变。中期中期-高度浓缩，染色体；高度浓缩，染色体；间期间期-解旋，染色质。解旋，染色质。Histones(组蛋白组蛋白):带正电氨基酸带正电氨基酸核心组蛋白核心组蛋白(H2A,H2B,H3 and H4):1.分子量约为分子量约为10-20 kDa2.位于位于 nucleosome(核小体核小体)核心核心 octamer 八聚体八聚体 core(H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2 同一组蛋白在不同物种之间高度保守同一组蛋白在不同物种之间高度保守组蛋白八聚体组蛋白八聚体Histone octamerTop viewSide viewNucleosome core(核小体核心核小体核心)Nucleosome core146 bp,1.8 superhelical turnChromatosome166 bp,2 superhelical turnDNAHistone octamerHistone H1组蛋白组蛋白H1：大小为：大小为 23 kDa1.位于核小体核心外侧位于核小体核心外侧,与与DNA连接松散，连接松散，2.其序列保守性较低其序列保守性较低 组蛋白组蛋白H1的作用的作用:在在DNA出入核小体核心颗粒处对出入核小体核心颗粒处对DNA起稳定作用。起稳定作用。染色质结构染色质结构核小体核小体 是组成染色质的最基本的亚结构单是组成染色质的最基本的亚结构单元元,包含约包含约200 bp 的的 DNA和组蛋白八聚体。和组蛋白八聚体。DNA+Histone octamer(组蛋白组蛋白 八聚体八聚体)Nucleosome core(核小体核心核小体核心 146bp)+H1 Chromatosome(染色小体染色小体 166bp)+linker DNA Nucleosome(核小体核小体)(200 bp)核小体组成核小体组成(Steps to make a Nucleosome)核小体与微球菌核酸酶核小体与微球菌核酸酶 Nucleosomes and micrococcal nuclease treatment微球菌核酸酶是一种切割双链微球菌核酸酶是一种切割双链DNA的内切酶，的内切酶，用微球菌核微球菌核酸酶处理染色质，会分离出长度为酸酶处理染色质，会分离出长度为200bp不同倍数的片段。不同倍数的片段。连接连接 DNA10 to 100 bpaverage 55 bp染色质串珠结构染色质串珠结构核小体核小体组蛋白组蛋白 H1核小体重复单元核小体重复单元核心颗粒核心颗粒+连接连接 DNA=200 bp 30 nm 纤丝纤丝高度有序高度有序左手螺旋左手螺旋6个核小体个核小体/圈圈 30 nm fiber(30nm in diameter)Nucleosome repeatCore+linker DNAca 200 bpNuclear matrix(核基质核基质),蛋白质复合体蛋白质复合体30 nm 纤丝纤丝300 nm 染色质高级结构染色质高级结构 looped domain structure1个环约个环约含含100kbSteps from DNA to chromosome四、四、RNA的分子结构的分子结构tRNA结构结构四、四、RNA的分子结构的分子结构单链单链U代替代替T核糖代替脱氧核糖核糖代替脱氧核糖与与DNA的区别的区别第二节、第二节、DNA的复制的复制一、一、DNA复制的特点；复制的特点；二、复制的起点与方向；二、复制的起点与方向；一、一、DNA复制的一般特点复制的一般特点 、半保留复制、半保留复制1.1.瓦特森瓦特森(Watson J.D.)等提出等提出的的DNA半保留复制方式半保留复制方式。其方法为：其方法为：一端沿氢键逐渐断开；一端沿氢键逐渐断开；以单链为模板，碱基互补；以单链为模板，碱基互补；氢键结合，聚合酶等连接；氢键结合，聚合酶等连接；形成新的互补链；形成新的互补链；形成了两个新形成了两个新DNA分子。分子。DNA的这种复制方式对保持的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。生物遗传的稳定性是非常重要的。半保留复制半保留复制、半不连续复制、半不连续复制DNA聚合酶，以聚合酶，以5 3 方向发挥作用；方向发挥作用；从从3 5 合成方向的一条链，就会遇到困难。合成方向的一条链，就会遇到困难。Kornberg(1967)提出提出不连续复制假说不连续复制假说：在在3 5方向链上，仍按从方向链上，仍按从5 3的方向一段段地合成的方向一段段地合成DNA单链小片段单链小片段“冈崎片段冈崎片段”(10002000bp)由连接酶连接由连接酶连接这些片段这些片段 形成一条连续的单链。形成一条连续的单链。二、复制起点和复制方向二、复制起点和复制方向1.原核生物原核生物绝大多数细菌和病毒绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，控制整个：只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制。染色体的复制，且为双向复制。噬菌体噬菌体P2：其：其DNA的复制是沿一个方向进行的。的复制是沿一个方向进行的。复制子复制子：在同一个复制起点控制下的一段：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列。序列。2.真核生物真核生物每条染色体的每条染色体的DNA复制都是复制都是多起点多起点，多个，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；复制起点共同控制整个染色体的复制；每条染色体有每条染色体有多个复制子多个复制子；且为且为双向复制双向复制三、原核生物三、原核生物DNA合成合成 、DNA聚合聚合酶种类与特点酶种类与特点 DNADNA聚合酶聚合酶；。共性：共性：只有只有5 3聚合酶的功能，聚合酶的功能，DNA链只能链只能由由5向向3延延伸伸；DNA合成必须在合成必须在引物引物引导下进行；引导下进行；具有具有外切酶的活性外切酶的活性、合成过程中的错误校正功能。、合成过程中的错误校正功能。、DNA复制过程复制过程1DNA双螺旋的解链双螺旋的解链*DNA解旋酶：在解旋酶：在ATP供能下，每分钟旋转供能下，每分钟旋转3000次解开双螺次解开双螺旋；旋；*单链单链DNA结合蛋白：以避免产生单链内配对；结合蛋白：以避免产生单链内配对；*DNA拓扑异构酶：释放超螺旋应力。拓扑异构酶：释放超螺旋应力。2.DNA合成的开始合成的开始 合成合成DNA片段之前，片段之前，先由先由RNA聚合酶合成一小聚合酶合成一小段段RNA引物引物(约有约有20个碱基个碱基对对)，DNA聚合酶才开始聚合酶才开始起作用合成起作用合成DNA片段。片段。复制叉的结构复制叉的结构第三节第三节 遗传信息的表达与调控遗传信息的表达与调控一、遗传信息的转录一、遗传信息的转录(RNA的合成的合成)与与RNA的加工的加工二、遗传密码及其特性二、遗传密码及其特性三、遗传信息的翻译三、遗传信息的翻译四、中心法则及其发展四、中心法则及其发展一、一、RNA的转录及加工的转录及加工 以以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程称为转录。转录是的过程称为转录。转录是生物界生物界RNARNA合成的主要方式，是遗传信息从合成的主要方式，是遗传信息从DNADNA向向RNARNA传递过程，也是基因表达的开始。传递过程，也是基因表达的开始。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖酶叫做依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase,DDRP）。（与（与RNARNA复制比较）复制比较）转录产生初级转录物为转录产生初级转录物为RNARNA前体前体（RNA precursor），它们必须经过加工过程变为成熟的它们必须经过加工过程变为成熟的RNARNA（matured RNA），才能表现其生物活性。，才能表现其生物活性。转录转录Transcription转录TranscriptionTranscriptionThe synthesis of a single-stranded RNA from a double-stranded DNA template.RNA synthesis occurs in the 53direction and its sequence corresponds to that of the DNA strand which is known as the sense strand(有有义链).The template of RNA synthesis is the antisense strand(反反义链).Necessary components:promoter/template,RNA polymerase,NTPs,terminator/template(-)strand is antisense strand.(+)strand is sense strand有义链有义链(sense strand)与反义链与反义链(antisense strand)相同点：合成方向相同点：合成方向都是以都是以5 533的方向，的方向，在在3 3-OH-OH末端加入核苷酸末端加入核苷酸。不同点：不同点：（1 1）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；（2 2）转录是不对称的）转录是不对称的；仅仅以以DNADNA的一条链为模板而进行。的一条链为模板而进行。（3 3）转录时不需要引物，而且）转录时不需要引物，而且RNARNA链的合成是连续链的合成是连续的。的。转录的特点转录的特点（与（与DNADNA复制比较）复制比较）三种三种RNA 分子分子 信使信使RNA(mRNA)转移转移RNA(tRNA)核糖体核糖体RNA(rRNA)ATACGTATGC+1promoterterminatorTranscribed regionRNADNATranscriptionAntisense strandAUACG转录单位的结构转录单位的结构Structure of a transcription unitWhat is a promoter(启动子启动子)?The sequence of DNA needed for RNA polymerase to bind to the template and accomplish the initiation reaction 转录起始Initiation RNA polymerase与与dsDNA结合；合；在在链上滑上滑动寻找启找启动子；子；DNA helix解螺旋；解螺旋；在起始位点在起始位点start site(initiation site)合成合成RNA链,该位点称位点称为+1。转录泡转录泡Transcription bubble延伸ElongationAdd ribonucleotides to the 3-endThe RNA polymerase extend the growing RNA chain in the direction of 5 3 The enzyme itself moves in 3 to 5 along the antisense DNA strand.延伸延伸Elongation终止Termination转录复合体复合体transcription complex从模板从模板链解离，解离，RNA链与与DNA分离；分离；发生在生在终止子止子terminator部位部位(通常通常为颈环/发卡卡结构构 stem-loop or hairpin structure),有些有些需要需要辅助蛋白助蛋白.RNA hairpin(发卡发卡)structure5 NNNNAAGCGCCGNNNNCCGGCGCUUUUUU-OHNN NN CGCCGCGGCCGGCAUAU NNNN UUUU-OHm mRNA转录后加工转录后加工5端戴帽；端戴帽；3端加尾；端加尾；内含子剪切；内含子剪切；碱基修饰碱基修饰1)Addition of nucleotides to 5-or 3-ends of the primary transcripts or their cleavage products.Add a cap to 5 end and a poly(A)tail to 3 end of pre-mRNA甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷 mGmG7 7多聚腺感苷化多聚腺感苷化多聚腺感苷化多聚腺感苷化 2)Removal of nucleotidesendonucleases to cut at specific sites within a precursor RNA(前体前体RNA)exonucleases to trim the ends of a precursor RNABoth in prokaryotes and in eukaryotes;and for all types of RNA内含子内含子内含子内含子intronintron剪切与外显子剪切与外显子剪切与外显子剪切与外显子exonexon拼接拼接拼接拼接3)Modification of certain nucleotidesAdd a methyl group to 2-OH of ribose in mRNA(A)and rRNAExtensive changes of bases in tRNAprimary transcriptmature RNA Nucleus or NucleolusCytoplasmRNA processingRomoval of nucleotidesaddition of nucleotides to the 5-or 3-endsmodification of certain nucleotides二、遗传密码及其特性二、遗传密码及其特性（一）（一）遗传密码的来历；遗传密码的来历；（二）遗传密码字典；（二）遗传密码字典；（三）遗传密码的特点；（三）遗传密码的特点；（一）遗传密码（一）遗传密码 DNA分子碱基只有分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有种，而蛋白质氨基酸有20种。种。碱基与氨基酸之间不可能一一对应。碱基与氨基酸之间不可能一一对应。141=4种种：缺：缺16种氨基酸；种氨基酸；242=16种种：比现存的：比现存的20种氨基酸还缺种氨基酸还缺4种；种；343=64种种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种种组合，组合，20种氨基酸多出种氨基酸多出44种。种。简并：简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。的现象。三联体或密码子：三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。（二）遗传密码字典（二）遗传密码字典每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?从从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。19661967年，完成了全部遗传密码表，如年，完成了全部遗传密码表，如UGG为为色氨酸。色氨酸。（三）遗传密码的基本特征（三）遗传密码的基本特征1遗传密码为三联体：遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸三个碱基决定一种氨基酸；61个为有意密码个为有意密码，起始密码为，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨甲硫氨酸酸)；3个为无意密码个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合为蛋白质合成终止信号。成终止信号。2.遗传密码间不能重复遗传密码间不能重复:在一个在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；上每个碱基只属于一个密码子；均以均以3个一组形成氨基酸密码。个一组形成氨基酸密码。3.3.遗传密码间无逗号：遗传密码间无逗号：AUG AUG G GUA CUG UCA UA CUG UCA LL甲硫氨酸缬氨酸亮氨酸丝氨酸甲硫氨酸缬氨酸亮氨酸丝氨酸 密码子与密码子之间无逗号密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。阅读下去，不漏读不重复。如果中间某个如果中间某个碱基增加或缺失碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样样(称为称为移码突变移码突变)。AUG UAC UGU CAAUG UAC UGU CA甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸4简并性：简并性：简并现象：简并现象：色氨酸色氨酸(UGG)和甲硫氨酸和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三例外，仅一个三联体密码；联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子其余氨基酸都有一种以上的密码子。61个为有义密码，起始密码为个为有义密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸甲硫氨酸)。3个为无意密码，个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止为蛋白质合成终止信号。信号。简并现象的意义：简并现象的意义：同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：如：UCUUCC或或UCA或或UCG，均为丝氨酸，均为丝氨酸5遗传密码的有序性：遗传密码的有序性：决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，密码子中，第第1个和第个和第2个碱基的重要性大于第个碱基的重要性大于第3个碱基个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。往往只是最后一个碱基发生变化。例如：例如：脯氨酸（脯氨酸（pro）：）：CCU、CCA、CCC、CCG。6通用性：通用性：在整个生物界中，从病毒到人类，在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用遗传密码通用。4个基本碱基符号个基本碱基符号 所有氨基酸所有氨基酸 所有蛋白质所有蛋白质 生物种类、生物体性状。生物种类、生物体性状。通用性的例外通用性的例外 1980年以后发现：具有自我复制能力的线粒体年以后发现：具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核转移核糖核酸糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体三、遗传信息的翻译（蛋白质合成）三、遗传信息的翻译（蛋白质合成）1.1.核糖体核糖体的组成的组成核核糖糖体体是是蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的工工厂厂，其其上上有有两两个个与与tRNA结结合合的的位点，各占一个密码子空间。位点，各占一个密码子空间。A位（位（accepter site）:氨酰氨酰tRNA结合位点结合位点P位（位（peptine site）:肽酰肽酰tRNA结合位点结合位点功能：功能：小亚基单独或与大亚基一起与小亚基单独或与大亚基一起与mRNA结合结合大亚基单独不能与大亚基单独不能与mRNA结合，但可与结合，但可与tRNA非专一结合非专一结合大、小亚基共有大、小亚基共有P、A位位大大、小小亚亚基基组组成成核核糖糖体体与与mRNA结结合合，并并按按53方方向向沿沿mRNA移动，每次移动一个密码子距离移动，每次移动一个密码子距离。1.21.2 核糖体核糖体 每每个个核核糖糖体体独独立立完完成成一一条条多多肽肽链链的的合合成成，多多个个核核糖糖体体可可以以同同时时在在一一个个mRNA分分子子上上进进行行多多条条多多肽肽链链的的合合成成，大大大大提提高高了了翻翻译译效效率率。由由一一个个mRNA分分子子与与一一定定数数目目的的单单核核糖糖体体形形成成的的念念珠珠状状结结构构称称为为多多核糖体。核糖体。Multiple ribosomes can not be positioned closer than 80 nt.多多核核糖糖体体处处于于工工作作状状态态，游游离离的的单单个个核核糖糖体体则则是是贮贮备备状状态态，核核糖糖体体亚亚基基无无疑疑是是刚刚从从mRNA上上释释放放的的，它它们们通通常常很很快快结结合合成成非非活活性性状状态态单单体体或或很很快快参参与与下下一一轮轮蛋蛋白白质质合合成成。核核糖糖体体在在这这三三种种状状态态之之间间的的转换称为核糖体循环。转换称为核糖体循环。多核糖体多核糖体PolysomesPolysomes Electron micrographs of ribosomes actively engaged in protein synthesis revealed by beads on a string appearance.2 2、在核糖体中合成蛋白质、在核糖体中合成蛋白质 多肽链的起始：多肽链的起始：多肽链的延伸；多肽链的延伸；多肽链的终止：多肽链的终止：多聚核糖体提高蛋白质的合成效率：多聚核糖体提高蛋白质的合成效率：蛋白质合成蛋白质合成(动画动画)四、中心法则及其发展四、中心法则及其发展中心法则中心法则(central dogma)阐述生物世代、个体以及阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现遗传物质复制、性状表现过程中的信息流向。过程中的信息流向。最初由最初由Crick提出，并经提出，并经过了多次修正。过了多次修正。.RNA的反转录的反转录RNA肿瘤病毒：肿瘤病毒：反转录酶，以反转录酶，以RNA为模板来合成为模板来合成DNA。如：如：HIV病毒病毒RNA经反转录成经反转录成DNA，然后整合到人类染色体，然后整合到人类染色体中。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要中。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。容。.RNA的自我复制：的自我复制：大部分大部分RNA病毒还可以把病毒还可以把RNA直接复制成直接复制成RNA。.DNA指导的蛋白质合成：指导的蛋白质合成：60年代中期，麦克斯（年代中期，麦克斯（McCarthy）和）和荷勒荷勒（Holland）：）：试验体系中加入抗生素等，变性的单链试验体系中加入抗生素等，变性的单链DNA在离体条件在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。中心法则的发展中心法则的发展中心法则的发展中心法则的发展反转录反转录(逆转录逆转录)：反转录酶；反转录酶；cDNA。RNA的自我复制。的自我复制。DNA指导蛋白质合成。指导蛋白质合成。第四节第四节 基因的表达调控基因的表达调控一、经典遗传学中基因的概念一、经典遗传学中基因的概念二、现代遗传学基因的概念二、现代遗传学基因的概念三、分子遗传学对基因概念的新发展三、分子遗传学对基因概念的新发展四、基因的作用与性状表达四、基因的作用与性状表达五、基因表达调控五、基因表达调控一一、经典遗传学基因的概念、经典遗传学基因的概念孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为把控制性状的因子称为遗传因子遗传因子。如：豌豆红花如：豌豆红花(C)、白花、白花(c)、植株高、植株高(H)、矮、矮(h)。约翰生：约翰生：提出提出基因基因(gene)取代遗传因子。取代遗传因子。摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因基因和和染色体染色体为主体的经典遗传学。为主体的经典遗传学。基因是化学实体，以念珠状基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体直线排列在染色体上。上。基因共性基因共性（按照经典遗传学关于基因的概念按照经典遗传学关于基因的概念）：）：基因具有染色体的主要特性：基因具有染色体的主要特性：自我复制和相对稳定自我复制和相对稳定性，性，在分裂时有规律地进行分配。在分裂时有规律地进行分配。交换单位：交换单位：基因间能重组，而且是交换的最小单位。基因间能重组，而且是交换的最小单位。突变单位：突变单位：一个基因能突变为另一个基因。一个基因能突变为另一个基因。功能单位：功能单位：控制有机体的性状。控制有机体的性状。经典遗传学认为：经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。既是结构单位，又是功能单位。二、现代遗传学关于基因的概念二、现代遗传学关于基因的概念(一)、现代基因概念代基因概念基因是基因是DNA分子上分子上带有有遗传信息的特定核苷酸信息的特定核苷酸序列区段。序列区段。基因由重基因由重组子、突子、突变子序列构成的。子序列构成的。重组子是重组子是DNA重组的最小可交换单位；重组的最小可交换单位；突变子是产生突变的最小单位；突变子是产生突变的最小单位；重组子和突变子都可以是一个核苷酸对或碱基对重组子和突变子都可以是一个核苷酸对或碱基对(bp)。基因可以包含多个功能基因可以包含多个功能单位位(顺反子反子)。突变子突变子(muton)：性状突变时产生突变的最小单位。性状突变时产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。重组子重组子(recon)：性状重组时，可交换的最小单位。性状重组时，可交换的最小单位。一个交换子可以只包含一个碱基对。一个交换子可以只包含一个碱基对。顺反子顺反子(cistron)：表示一个作用的单位，基本符合表示一个作用的单位，基本符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与与一个多肽链合成相对应；平均为一个多肽链合成相对应；平均为5001500个碱基对。个碱基对。三、分子遗传学对基因概念的新发展三、分子遗传学对基因概念的新发展 结构基因结构基因(structural gene)：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。调控基因调控基因(regulator gene)：指其指其表达产物表达产物参与参与调控调控其它基因表达的基因。其它基因表达的基因。重叠基因重叠基因(overlapping gene)：指在同一段指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。隔裂基因隔裂基因(split gene)：指指基因内部基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子内含子所隔所隔裂。裂。内含子内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟序列中不出现在成熟mRNA的片段；的片段；外显子外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟序列中出现在成熟mRNA中的片段。中的片段。外显子：参加蛋白质编码的外显子：参加蛋白质编码的DNA片段；片段；内含子：不参加蛋白质编码的内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段。片段。跳跃基因跳跃基因(jumping gene)：即即转座因子转座因子，指染色体组上可以转移的基因。，指染色体组上可以转移的基因。实质：实质：能够转移位置的能够转移位置的DNA片断。片断。功能：功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动在同一染色体内或不同染色体之间移动 引起引起插入突变、插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）结构变异（如重复、缺失、畸变）通过表现型变异得到鉴别。通过表现型变异得到鉴别。遗传工程：遗传工程：转座子标签法。转座子标签法。.假基因假基因(pseudogene(pseudogene):):同已知的基因相似，处于不同的位点，因同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变缺失或突变而不能转录或翻译，而不能转录或翻译，是没有功能的基因是没有功能的基因。真核生物中的真核生物中的血红素蛋白血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。基因家族中就存在假基因现象。四、基因的作用与性状的表现四、基因的作用与性状的表现 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。DNA tRNA 发生突变后，多肽链改变。发生突变后，多肽链改变。mRNA 翻译翻译 蛋白质蛋白质 结构蛋白结构蛋白 直接直接 性状表达性状表达 生物酶生物酶 间接间接 五五 基因表达调控基因表达调控基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因表达(gene expression)：在一定调节机制控制下，基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。过程。rRNA tRNA的合成也属于基因表达。时间特异性(temporal specificity)空间特异性(spatial specificity)基因表达特性基因表达特性基因表达的方式基因表达的方式组成性表达组成性表达诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 基因表达的多级调控基因表达的多级调控 基因激活 转录起始 转录后加工及转运 翻译 翻译后加工第五节第五节 遗传工程遗传工程一、一、遗传工程的含义遗传工程的含义二、二、染色体工程染色体工程三、三、细胞工程细胞工程四、四、基因工程基因工程一、遗传工程的含义一、遗传工程的含义生物技术生物技术生物工程：生物工程：遗传工程；遗传工程；蛋白质工程、酶工程；蛋白质工程、酶工程；微生物工程；微生物工程；遗传工程：在分子遗传遗传工程：在分子遗传理论、技术的基础上，理论、技术的基础上，通过工程设计与施工方通过工程设计与施工方式，从细胞、分子水平式，从细胞、分子水平改造生物遗传特性。改造生物遗传特性。作为一个综合性的技术作为一个综合性的技术群体系，广义的遗传工群体系，广义的遗传工程包含许多相关的组成程包含许多相关的组成部分，其主要的部分有部分，其主要的部分有三个：三个：1.染色体工程；染色体工程；2.细胞工程；细胞工程；3.基因工程。基因工程。狭义的遗传工程指狭义的遗传工程指的是基因工程。的是基因工程。二、染色体工程二、染色体工程染色体工程是物种染色体工程是物种间遗传转移的最移的最传统的方式，的方式，也是目前广泛也是目前广泛进入生入生产应用的用的遗传工程。工程。(一一)、种间有性杂交种间有性杂交生殖隔离是物种形成的原因之一，也是染色体工生殖隔离是物种形成的原因之一，也是染色体工程面程面临的第一个的第一个难题，获得种得种间有性有性杂种的种的难易易直接影响外源基因直接影响外源基因导入栽培作物。入栽培作物。种种间杂交障碍的机制可能截然不同，其表交障碍的机制可能截然不同，其表现阶段段也各不相同。目前也各不相同。目前认为，种，种间杂交交产生生杂种的障种的障碍可能表碍可能表现在以下几个在以下几个阶段：段：受精前柱头和花柱中的障碍；受精前柱头和花柱中的障碍；受精过程中的障碍；受精过程中的障碍；受精后胚与种子发育过程中的障碍。受精后胚与种子发育过程中的障碍。受精前障碍与克服受精前障碍与克服障碍机制：障碍机制：物种间花粉管与雌蕊不亲和，在花粉管到达胚珠物种间花粉管与雌蕊不亲和，在花粉管到达胚珠之前，停止伸长而不能受精。之前，停止伸长而不能受精。主要克服主要克服办法：法：主要是选择适当的授粉时期，采用正反杂交、蒙主要是选择适当的授粉时期，采用正反杂交、蒙导授粉、植物生长调节剂等。导授粉、植物生长调节剂等。另外，有明确试验证据表明，栽培物种和野生种另外，有明确试验证据表明，栽培物种和野生种内均存在可杂交性遗传变异，并受简单遗传控制。内均存在可杂交性遗传变异，并受简单遗传控制。利用可杂交性基因，能提高种间杂交的效率。利用可杂交性基因，能提高种间杂交的效率。受精过程的障碍与克服受精过程的障碍与克服被子植物受精被子植物受精过程属于双受精，程属于双受精，对种种间杂交受精交受精过程的生殖生物学研究表明：种程的生殖生物学研究表明：种间杂交的失交的失败往往往是由于双受精之一失往是由于双受精之一失败引起的。引起的。讫今今为止，人止，人们对受精的控制机制知之甚少，所受精的控制机制知之甚少，所以以这一一领域明域明显是一个有是一个有风险，但又极可能富有，但又极可能富有成效的研究成效的研究领域。域。受精后发育障碍与克服受精后发育障碍与克服受精受精过程的障碍机制：程的障碍机制：受精胚珠发育过程中也经常由于胚、胚乳和母本组织受精胚珠发育过程中也经常由