遗传学第10章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章,基因的本质,基因概念的发展,基因表达的调控,第一节 基因概念的发展,遗传因子,染色体是基因的载体,基因的功能,遗传物质是核酸,DNA的分子结构,基因是顺反子,近代基因概念,一、,遗传因子,经过八年的豌豆杂交试验，1866年发表植物杂交试验论文，提出了分离规律和独立分配律。认为,生物性状由遗传因子决定，性状本身是不能遗传的，控制性状的遗传因子才是遗传的,。,Mendel G.J.,（1822-1884）,丹麦遗传学家,Johansen W.,1909年,发表“纯系学说”，明确区分“基因型”和“表现型”，提出“,gene”的概念，代替了遗传因子,。谈家桢先生在美期间翻译为“基因”。,英国生物学家Bateson W.是孟德尔理论的捍卫者和宣传者，他以香豌豆为材料，得到了性状连锁的实验结果。1906年，创造遗传学“genetics”。,二、,染色体是基因的载体,1903年，Sutton W.和Boveri T.提出遗传的染色体学说,基因位于染色体上,。,细胞遗传学诞生。,1,2,5,4,3,A,A,B,B,C,C,D,D,每种突变体是单一基因突变的结果,该物质的生化合成途径已知,突变,b,他们获得了多种,粗糙脉胞菌的营养缺陷型突变体，结合突变体不能合成产物的生化合成途径，分析突变与生化途径的关系。,生化遗传学确立了。,突变体,检 测 的 物 质,A B C D E F,1,-,+,-+,2,-+-,+,-+,3,-,-,-+,4,-+,+,-+,5,+,+,-+,E,A,D,B,C,F,5,4,2,1,3,Beadle,和,Tatum,因该项工作和,Lederberg,在有关细菌的基因重组和遗传物质结构方面的发现，共同,获得1958年度诺贝尔奖,。,四、遗传物质是核酸,遗传物质必须具备的基本特点:,必须能,稳定,地含有关于有机体细胞,结构、功能、发育和繁殖的各种信息；,必须能,精确复制,，使后代细胞和亲,代细胞具有相同的遗传信息；,必须能,变异,，如果没有变异，就不,会有进化。,1928年Griffith F.在肺炎双球菌感染小鼠的实验中最早发现了转化现象，开启了对“转化因子的研究”;,1944年，Avery O.T.等在肺炎双球菌转化实验中证明了,遗传物质是DNA，而不是多糖、蛋白质。,直到1950年，,虽然附着在活性DNA上的蛋白质含量已降低到0.02，顽固者仍然在质疑,。,某些病毒为RNA病毒，其遗传信息由RNA携带。,1952年Hershey A.D.和Chase M.的噬菌体复制实验，进一步证明DNA的遗传功能。,Hershey,主要因病毒复制方面的成绩,获,1969,年度诺贝尔奖。,1955年，,Avery去世。他曾多次获得提名，,后来诺贝尔奖评审委员会惋惜地承认：“,Avery,于,1944,年关于,DNA,携带遗传信息的发现代表了遗传学领域中一个最重要的成就，他没能得到诺贝尔奖金是很遗憾的”,。,五、,DNA的,分子结构,1953年，Watson J.和Crick F.提出了DNA的双螺旋结构模型，,揭示了遗传信息是如何储存在DNA中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。,分子遗传学的序幕拉开。,他们获得1962年诺贝尔奖。,Wilkins M.,Franklin R,DNA的X射线衍射照片,六、,基因是顺反子,1955年Benzer以噬菌体为材料，在分子水平上提出了顺反子学说。,Seymour Benzer,属于“,最聪明的没有获得诺贝尔奖的人,”，是开创分子生物学的重要人物，他获得过几乎所有重要的生物医学奖项拉斯卡奖、格拉芙奖、沃尔夫奖等。,雌果蝇,雄果蝇,基因型,16A,区的数目,小眼数,基因型,16A,区的数目,小眼数,+/+,+/,B,+/,BB,B/B,BB/BB,2,3,4,4,6,780,360,45,70,25,+,B,BB,1,2,3,740,90,30,1、位置效应,+/BB,个体中，两个,B,在同一染色体上，称为顺式（cis）排列；在,B/B,个体中，两个,B,在不同的染色体上，称为反式（trans）排列。,由于基因在染色体上,排列方式的不同而表型不同,的现象，称为位置效应,（position effect），或称为顺反位置效应（cis-trans position effect）。,基因在染色体上的位置有功能上的意义。,2、曲霉中的试验,Strain A,Strain B,n,n,混合培养,有时形成,异核体,偶尔,核融合,二倍,体核,曲霉菌（,Aspergillus nidulans,）,分生,孢子,2n,2n 菌落,二倍体后代中出现约0.14%的,野生型,?,腺嘌呤缺陷型,ad,16,、ad,8,2n是腺嘌呤缺陷型,ad,16,和,ad,8,是,同一基因,突变的结果,ad,16,和,ad,8,是,同一基因的,不同突变位点,体细胞交换或有丝分裂交换：交换发生在二倍体菌丝的有丝分裂中，而不是发生在减数分裂中。,+,+,ad,16,ad,8,复制,+,ad,16,+,ad,8,体细胞,交换,+,ad,16,+,ad,8,+,ad,16,+,ad,8,ad,16,ad,8,+,+,着丝粒的,随机趋向,+,+,ad,8,ad,16,ad,8,+,+,突变型,野生型,ad,16,+,+,ad,8,ad,1,6,ad,8,+,+,突变型,野生型,ad,16,突变型,野生型,ad,16,+,+,ad,8,反式,排列,ad,16,+,+,ad,8,顺式,排列,基因内的,不同位点上可以发生突变,，基因内的,不同突变位点之间,可以发生重组,。,一个基因,类型,不同大肠杆菌菌斑平板上表型,B,K（,）,S,野生型,小噬菌斑,小噬菌斑,小噬菌斑,大噬菌斑,大噬菌斑,大噬菌斑,小噬菌斑,小噬菌斑,小噬菌斑,大噬菌斑,大噬菌斑,无噬菌斑,r,r,r,T,4野生型和几种突变型的区别,3、重组测验,r,x,和,r,y,之间,的重组值,2,(,r,+,噬菌斑数),总噬菌斑数,100%,=,=,2,在,E.coli,K(,)平板上长出的噬菌斑数,在,E.coli,B平板上长出的噬菌斑数,100%,重组测验（recombination test）：以遗传图的方式确定突变子之间的,空间关系,。,理论上，基因内,相邻核苷酸,位置上的突变是可能重组的。,Benzer的方法可用来测算一个基因内部不同位点间的距离，它的精确度可达到十万分之一，即0.001个图距单位，所以称为基因的精细作图。,4、互补测验,互补测验（complementation test）：,确定突变之间的功能关系,。,许多突变型都有相同的表型，这些突变型是属于一个基因呢，还是属于不同的基因？,互补（complementation）：指两个突变型,同时,感染,E.coli,K时，可以,相互弥补对方的缺隙,，共同在菌体内增殖，引起溶菌，释放原来的两个突变型。,r,区的部分连锁图,r,47,r,51,H,04,H,01,H,06,H,02,A 区,B 区,没有互补,有,互补,运用互补实验来确定有同一表型效应的两个突变型是否属于同一顺反子。,m,1,+,+,顺式（对照）,野生型,同一,顺反子中 的突变位点,m,2,m,1,+,+,反式,突变型,m,2,不同,顺反子中 的突变位点,m,1,+,+,野生型,m,2,m,1,+,+,野生型,m,2,一个顺反子是一个功能水平上的基因；是DNA分子上的一个特定的区段，就其功能而言是一个独立的单位。但在这一特定的DNA片段内含有许多突变位点，称为,突变子（muton），即突变后可以产生变异的最小单位,（或者是DNA中构成基因的一个或若干个核苷酸）；这些突变位点之间可以发生重组，称为,重组子（recon），即不能由重组分开的最小单位,。,5、顺反子,一个不同突变之间没有互补的功能区称为顺反子（cistron）。,转座因子（跳跃,基因）,细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，称为转座因子（transposable element），也称为跳跃基因（jumping gene）。,1951年，McClintock提出转座因子的概念，,1983年获诺贝尔奖。,七、近代的,基因概念发展,解离因子（dissociator，,Ds,）：,非自主转座,；影响邻近基因的作用,激活因子（activator ，,Ac,）：,自主转座,；解除,Ds,对,C,的抑制作用；无其他表型效应,Ac,因子有转座酶基因，是自主性因子；,Ds,是Ac发生了缺失或其他变化，丢失了内部序列，丧失了转座酶活性，但是留下了完整的转座酶作用位点，具有转座的能力。,1、玉米中的转座因子,玉米中的转座现象,由于Ds基因解离的时间有早有晚、有长有短，表现在籽粒上的色斑就有大有小。换句话说，,玉米籽粒（或叶片）之所以出现色斑，以及色斑的大小，既决定于色素基因,C,的表达，也是由于另外一个或多个基因调节和控制的结果,。,转座因子的机理是从1944年至1950年才完全弄清楚。,McClintock 1950年发表了玉米易突变位点的由来与行为，1951年发表了染色体结构和基因表达两篇论文。,随着分子生物学的发展，逐渐发现了许多与McClintock转座因子相同或相似的现象。例如，20世纪60年代末在大肠杆菌中发现了F因子、“插入序列”（IS）等。,1976年，在冷泉港召开的“DNA插入因子、质粒和游离基因”专题讨论会上，明确地承认可用“转座因子”来说明所有能够插入基因组的DNA片段。,McClintock在美国遗传学界是享有盛誉的女科学家，,从30年代开始研究玉米，,有关玉米染色体的鉴定、分裂过程、连锁交换、结构变异、断裂融合桥循环等都与她有关，她还成功地阐明了脉孢菌减数分裂的全过程。,虽然是用经典遗传学方法完成的，但她同时也开启了通往分子遗传学的另一扇门。这是McClintock,在细胞学水平上对基因的追踪，尽管当时人们还不知道DNA的本质,。,IS是一类较小的转座因子，可以从染色体的一个位置转移到另一个位置，或从质粒转移到染色体上。IS本身没有任何表型效应，只携带和它转座作用有关的转座酶基因。,2、原核生物中的转座因子,1）插入序列（insertion sequences,IS）,2）转座子（transposon,Tn）,是一类较大的转座因子，两端具有,IR，,除了会有与它的转座作用有关的基因外，还带有抗药基因。,操纵子（,operon,）,基因不仅是传递遗传信息的载体，又具有调控其他基因表达活性的功能。,基因可以有其自身的产物，也可以没有产物。,断裂,基因和重叠基因,在一条,DNA,链上，从,ATG,开始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序列称为通读框（,open reading frame,）。,断裂,基因（interrupted gene）,基因的编码顺序由许多非编码区域隔开，使阅读框不连贯。,出现在mRNA分子中的基因序列称为外显子（exon），不出现在mRNA分子中的基因序列称为内含子（intron）。,真核生物的基因一般都有内含子，原核生物的基因一般没有内含子。不同基因其内含子的大小及数目不同。,断裂基因的生物学意义：,有利于储存较多的遗传信息；,有利于变异和进化,；,内含子有调控作用。,增加重组频率,；,英国科学家罗伯茨Richard J.Roberts 和美国科学家夏普Phillip A.Sharp因发现断裂基因而共同获得1993年度诺贝尔奖。,指,两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。,一般认为重叠基因不仅可以经济、有效地利用遗传信息量，更重要的可能是便于对基因表达起调控作用。,真核生物中也有重叠基因，如一个基因的内含子是另一个基因的外显子。,重叠,基因（overlapping gene）,癌,基因（oncogene）,抑,癌（抗癌）,基因（anti-oncogene）,染色体外,基因,质粒,线粒体基因,叶绿体基因,假,基因（pseudo gene）,基因家族和基因簇,第二节 基因表达的调控,基因的类别,基因表达调控,一、,基因的类别,根据基因的功能和性质，分为：,1、,结构,基因structural genes）,调节,基因（regulatory genes）,结构基因不仅可以转录成,mRNA,，而且可翻译成多肽链，从而构成各种结构蛋白质及各种酶。,调节基因可以转录成,mRNA,，翻译成阻遏蛋白或激活蛋白，调控其他基因的活性。,2、核糖体RNA基因（ribosomal RNA genes，rDNA）,转移RNA基因（transfer RNA genes，tDNA）,这类基因,只转录,成相应的,mRNA,，而不翻译成多肽链。它们都是多拷贝的。,3、启动子（promoter）,操纵基因（operator）,这类基因都是,不转录的,DNA区段,，决定结构基因的开启或关闭。二、,基因表达调控,1、,基因表达调控,基因表达是结构基因在生物体内的转录、翻译以及所有的加工过程,。任何影响基因的开启与关闭、转录和翻译过程速率的较直接的因素及其作用，就是对基因表达的调控。,2,、,血红蛋白（hemoglobin，Hb）,在人体发育的各个阶段中，血红蛋白的组成不同，肽链的合成在发育期间呈现有规则的变化，而且有关基因的表达先后与排列次序一致。,Monod J.,Jacob F.,和,Monod J.,Jacob F.和Monod J.通过对不同的乳糖代谢突变体来研究基因的作用，阐明了,E.coli,乳糖代谢基因表达调控的机理，于1961年提出乳糖操纵子学说，,获1965年度诺贝尔奖,。,三、原核生物,基因表达的调控,1、,酶的可诱导现象,这些酶要有诱导物（乳糖）存在时才产生，称为诱导酶。,组成酶,乳糖,（,lactose,）,葡萄糖,+,半乳糖,半乳糖苷酶,lacZ,半乳糖苷透性酶,lacY,半乳糖苷转乙酰酶,lacA,2、,操纵子模型,1）,操纵子（operon）,很,多,功能上相关的,结构基因常常位于染色体的邻接位置上，由,一个共同的控制区,来操纵这些基因的转录；包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列称为操纵子。,原核生物基因调控主要发生在转录水平上，转录调控的基本单元是操纵子。,2）,启动子（promoter）,操纵基因（operator）,启动子是基因上游的一段序列，是转录起始时聚合酶识别、结合的特定部位，其本身不被转录。,操纵基因邻接于结构基因的上游部分，是调节基因产物的结合位点。,操纵子处于阻遏状态,某种蛋白分子与受调控的基因结合后，基因活性被关闭，转录受到抑制。,这种蛋白分子称为阻遏物（repressor）。,3）负调控（negative control）,操纵子处于诱导状态,酶的可诱导现象,培养基中有,乳糖,葡萄糖,乳糖不能,诱导基因表达,细菌细胞,在饥饿条件下，,cAMP,浓度增加,有葡萄糖利用时，,cAMP,浓度明显降低,葡萄糖降解物对,cAMP的,浓度有影响。,降解物激活蛋白（,catabolite activator protein，CAP,），或称为,cAMP受体蛋白,。,cAMP浓度高时，与CAP形成CAP-cAMP复合物，特异地结合到启动子的上游部分，促使RNA聚合酶有效地结合到启动子，启动转录,；,cAMP浓度低时，不能与CAP形成复合物，CAP复合物不能结合到DNA上，使RNA聚合酶不能有效地结合到启动区域,。,CAP单独存在时无活性，可被cAMP激活。,4）正调控（positive control）,某种复合物与受调控的基因结合后，基因活性开启，能进行转录。,葡萄糖低 cAMP高：,葡萄糖高 cAMP低：,无,诱导物,有,诱导物,无,诱导物,有,诱导物,在lac操纵子中，既有阻遏物的负调控，又有CAP-cAMP复合物的正调控。正、负调控共同配合，使转录最有效进行。,lac操纵子以最有效和最经济的原则对基因表达进行调控，既保证了生物活性相关基因的共同表达，一开都开，一关都关；同时，还能保持所需基因产物较为精确的比例，避免基因产物的浪费。另外，,lacZ,基因组成型表达,