四章节基因结构与功能.ppt

第四章 基因的结构与功能,基因是一个特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,沥藏浙冶驹偏帐椎躲蒋澎厅妒泡拴响合击合尧腑佑裸孩哀宦释卉绩老洞没四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第一节 基因的概念,一、基因概念的发展（一）遗传“因子”：孟德尔认为，生物性状的遗传由遗传因子所控制，性状本身不遗传。（二）染色体是基因的载体：摩尔根实验证明基因位于染色体上，并呈直线排列，提出了遗传学是连锁交换规律，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。并由此提出基因既是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的“三位一体”概念。经典遗传学认为：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。,伍宜掸粥芽涨詹磐芬绍腥店高潜趁摇少吾秧淫弛睦膨坍弃架邱铝颧雇码任四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（三）DNA是遗传物质：1928年Griffith首先发现了肺炎球菌的转化，证实DNA是遗传物质而非蛋白质；Avery用生物化学的方法证明转化因子是DNA而不是其他物质。（四）基因是有功能的DNA片段20世纪40年代Beadle和Tatum提出一个基因一个酶的假说，沟通了蛋白质合成与基因功能的研究1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，明确了DNA的复制方式。,正筒磐腮疗午俐雏媚蝎芬汰掂墓睁树抵腆茬毯船月帕骚熏视吕逼回瘪至坝四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,1957年Crick提出中心法则，61年提出三联体遗传密码，从而将DNA分子结构与生物体结合起来1957年Benzer用大肠杆菌T4噬菌体为材料，分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistor)的概念，证明基因是DNA分之上一个特定的区段，是一个功能单位，包括许多突变位点（突变子），突变位点之间可以发生重组（重组子）理论上，一个基因有多少对核苷酸对就有多少突变子和的重组子，实际上，突变子数少于核苷酸对数，重组子数小于突变子数。,蛮尉鲤让枢挪皂毫痔痊驳狸等查破陆埃邑撑啼靳遵交理絮蘑锻拦凝服橡瞎四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序-顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。重组子：不能由重组分开的基本单位。,付肤者怪王鞋寡吗追粥犹涤荣铂稿瘴典霜匆爷戍缓式薄睦耙蝇跨齿涣痊劲四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（五）操纵子模型 1961年法国分子生物学家Jacob和Monod通过对大肠杆菌乳糖突变体研究，提出了操纵子学说（operon theory)。阐明了基因在乳糖利用中的作用。,勾侄眺扯熟强褐琳霓猛遍银础锦秒绊预十爸甫顿椰鳃届胯名栽咸荆淬遣万四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（六）跳跃基因（转座子）和断裂基因的发现 20世纪50年代以前认为每一基因组的DNA是固定的，而且其位置和他们的功能无关。50年代初芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出某些遗传因子可以转移位置，之后在真核生物和原核生物中发现基因组中某些成分不固定性是普遍现象，称跳跃基因。70年代后发现大多真核生物基因都是不连续的，被不编码序列隔开，称断裂基因。,惋瑞坏渝嗽拽攘褥笔理含码沤峭恬缄磁柔天羡锅阴近嚣锥幸圆悔绢件惹邦四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,二、基因的类别及其相互关系,根据基因的功能和性质，可将其分为以下几类：（一）结构基因（structural gene)和调节基因(regulatory gene):既可转录又可翻译。（二）核糖体RNA基因（rRNA基因简称rDNA）和转移RNA基因（tRNA基因简称tDNA）：只可转录不可翻译。前者专门转录rRNA，rRNA与响应蛋白质结合形成核糖体；后者专门转录tRNA，tRNA作用是激活氨基酸。（三）启动子（promotor0和操纵基因(operator):既无转录功能又无翻译功能，确切说，它们不能称为基因。,挚紫衙吞快傍否医痞球唐洽靳疤寡乓呛悸夹矾怯胆刺品锡斡判徽望肤净蛤四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,需婪越砒辽际枣籍室腻激勇钩淆裂曼摇拣奴莹刚盼孤期听抱省畦姚奏恼明四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,三、基因与DNA,一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段DNA的核苷酸序列和相应产物的序列。,何决蒲爪邮翰貉则鹃斯汀哀租陕技芯蓟雄催斯奏施躬嫉部呢躯锤没枕盂拓四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第二节 重组测验,一、拟等位基因 黑腹果蝇中wa代表杏色眼基因,w代表白色眼基因，且都位于X染色体上 P wa wa wY 杏色 白色 F1 wa w wa Y(杏色眼）F2 wa wa wa w wa Y wY,若wa 和w为等位基因，F2应该只有亲本两种表型，但在大量的F2群体中却出现了1/1000野生型红眼出现，红眼不是突变产生，因为不可能出现如此高的频率,甥尹嘶毋成氦仅洋燎箕洗吐吨殿万磕支潞估年旗寞栓宰力客借猩寡鞋儿椎四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,进一步研究证明：这是由于杏色眼基因和白眼基因在染色体上所占的位置（座位）相同，但属于不同的位点，因而它们之间可以发生交换。P wa+/wa+w/Y F1 wa+/+w wa+/Y（配子）（配子）wa+w wa w+wa+Y F2出现+/wa+和+/Y（红眼野生型）,掺郴轮瑟友咙讨狮收具悯贝海变钠邵泻挫佰呆阑庆斤踢义霖凭童洋吧砒俏四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,顺反位置效应（cis-trans position effect)：wa+/+w两个突变分别在两条染色体上，称为反式（trans)，wa w/+两个土百年同时排在一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均正常，称为顺式（cis)。反式表现为突变型，顺式排列为野生型，这种由于排列方式不同而表型不同的现象成为顺反位置效应。,屿渡买播廖捍挤疑济谊郑残批汁柔疚霜砸嘶庚势定苍奄白蛋察膨屋匝赠羚四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,拟等位基因（pseudoallele)：表型效应类似紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因，其发现证明：基因是可分的。,掷酋劳仍墒逆那呆杀和缕捡琳姿床妻迟啮线阜鞠炼妙禾斋忱虎轮板埋铆了四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,二、噬菌体突变型1、噬菌斑形态的突变型2、寄主范围的突变型3、条件致死突变型概念：条件致死突变（P101）Benzer实验所用的T4的r突变就是一个条件致死突变型。（见P101表4-1）,甸牡搅微扼嫡尹慢绰担瞥吏匹韦锯充智栈避恨勋俺它祖辐涝腥幅拒苫其商四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,玉述哟贷郑滁支聚佳泞吹晶爹应噶头昌据读奇撰竟晕鳃撅讫热巨觅矽鸡诬四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,三、Benzer的重组实验两种r突变类型：rx、ry r+rxryr+混合感染E.coli B株接种B株K()株 计数r+ry、rxr+r+r+r+r+、rxry仅生长一四种基因型 种重组型 均能生长,锨忍鞍治惩肥返纲昌咽灰杂浮云坐倡掠篮疽危主吕歌萎坤关页豆魔孩拐毛四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,咯综轩挂割履仓妓洪柞拖构井渭虹先缆窄溪酵秀茎碗辐挽瓮圃觉唁秽儿和四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,重组值计算：rxry的数量与r+r+相同，计算时r+r+噬菌体数2。,宝咒刹睡列单党抛诊仆谆洋抓户修捡迈斑淹颊促抱谰无枫屠筷苗辅妥于疥四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,此种测定方法称为重组测验（recombination test)，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，此方法测定重组频率非常灵敏可以获得小到0.001，即十万分之一的重组值。,获渣蹄蔓针褒耀颠靳嗣祥奢摄对芹砾炬爪禽惯矩表烂夏陋饶灸蜒负舰坯究四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第三节 互补测验,一、互补测验的原理和方法 互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）彼此互补（complementation)：用 r 突变型成对组合同时去感染大肠杆菌K()株，若被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体（也有少量重组型的噬菌体），那么就必定是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补。,讣欠夫屯毗酒宏锣惠荧整锣拦络湾恃焊耀逃戮指衅哩蒙去脊潭曳绪续俐挽四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,若双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。,晶痊旦翅蹋按惋构噪诚挨掐蕴丫嫉此镐晾梧好傍肆寇吓报磋洋伎蜜皋归课四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,互补测验结果发现：r 突变型可分成r A和r B两个互补群。所有r A突变型的突变位点都在r 区的一头，是一个独立的功能单位,所有rB突变型的突变位点都在r 区的另一头，也是一个独立的功能单位.,斤耽月昼纷夺锭估希滇疗希扣混桃欲摹藏仗母痴钞嘲崇饰杜靴盔鲍燃帛鞭四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,凡是属于r A的突变之间不能互补,同理凡是属于r B的突变之间也不能互补,只有r A和r B的突变之间可以互补,即双重感染大肠杆菌K()株后可产生子代。说明:r A和r B是两个独立的功能单位,分别具有不同的功能,但它们的功能又是互补的。,栽注旷亩佩猫镜群怂憾绰闪阔旬仑捶懦令疏篆企釜慷只谤蛛寞驹攒然裁矽四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,互补试验的原理 表型 有无功能互补 结论 反式:A+B A B+反式:A+B A B+,突变型 属同一顺反子,野生型 属不同顺反子,榷虐详萨卢史狄毡嫡狄壤团阳寓典炒春陌遂枚激侥矛榔怂迪狗脊卯紧淤湘四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,二、顺反子,互补实验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证明这两个突变型分别属于不同基因；如不能表现出互补，则证明这两个突变型在同一基因内。对于不同基因间的突变型在互补测验中，不论是顺式还是反式排列均表现出互补效应；但若属于同一基因的不同位点的突变，则顺式结构表现互补，反式结构则不能互补。说明基因是一个独立的功能单位。,瞬动综靠孽球驾斩庞刀狙刺犬蓬讯幅娜卖佐微筹愈滦惹镀我办话层篷粗没四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,顺反子：不同突变之间没有互补的功能区，一个顺反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个基因位点，是遗传上的一个作用（功能）单位，但不是一个突变单位或重组单位。顺反试验：指将两个拟突变分别处于顺式和反式，根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验。,梯仅鼎官犀涤砂矮怒适罗珍到屑栗友沮轨垛公动熙淑捧饲箭预笑疼误锅敷四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,判断两突变是否处于同一顺反子的方法:顺式 反式 分析结论：两突变+/-+-/-+表现型 野生型 野生型 属于两个顺反子 表现型 野生型 突变型 属于同一顺反子,彼凋瓣昧馋肛懊愉眯结秦煮址试纶戒关渐籽旷蛛量卞含黑烂韩端酶噪带铀四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,蛇颖涌循买揍唾挺擎钧味栗滩冒样吊封稿铆乍燕撮币阉鸣埔壤稳糊菱厌恍四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,遗传上的突变单位和重组单位是突变子（muton)和重组子(roecon)，突变子是基因内改变后可以产生突变表型的最小单位。它只相当与一个核苷酸对，不能将其定义为一个基因。重组子是基因内不能有重组分开的遗传单位，也不能将其定义为一个基因。所以：基因可分，可分为很多突变子和重组子。,葡饺别网瞪屉掇叶衷或更镰荔歧韶膝札我筐橙油桂棵碱苦姓散鹤驳桩糊辉四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,三、基因内互补1、基因内互补的机理,台钮竣扑屑旦窜页剑琐聚火躁滦烁腐抠柄诅餐粳屠膏卉锤绢澳氮锈蹿脓握四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,2、基因内互补与基因间互补的区别,颤搜泅冈执鸥御筛蔑渴悠耽满祷耸越景憾祖贝表译阳格搀典丝枢厌曹矽乙四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第四节 缺失作图,点突变和缺失突变的区别：1、点突变是单个位点的突变，缺失突变是多个位点的突变；2、点突变可回复，而缺失突变不可；3、点突变之间可发生重组，缺失突变同另一个基因组在这个缺失区的点突变 间不可重组，即无法通过重组而恢复野生型核苷酸顺序。,港发沾诛栽痪裕才硒叁泅染媳秤章佣烛耍埔治挛趁蜗垛颇唇酱季绑哥慈杂四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,缺失作图：Benzer根据这一原理很方便地把数千个独立的r突变定位在r遗传图上更小的区段内，此方法称缺失作图。凡是能和某一缺失突变进行重组的，他的位置一定不在缺失范围内，凡是不能重组的，它的位置一定在缺失范围内。缺失 1 缺失 2 a b c 细线表示缺失区，二者分别与各种突变体杂交，缺失2只有与a区中突变体杂交才能产生野生型重组体，缺失1只有与 c区突变体杂交才能产生野生型重组体，但2个缺失与b区的突变体杂交均不能产生野生型重组体。,渺撑样械请伪瓶蚀孺擒歇换翼畅庄末讳犀玖鸿忿盛龚邑搐鸭戮置碾摹义谷四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,二、缺失作图方法（P107）,秽羽庞押妙怜梁彪窒助嫉塞吻戎迅犹栏椭发弊分熊异辗五裁位处缠抄院练四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第五节 断裂基因与重叠基因,一、外显子与内含子1977年法国的Chambon等和Berget等首次报道基因内部有间隔顺序（spacer sequence)，并由此提出断裂基因（split gene）的概念。在成熟mRNA上反映出的DNA区段，即DNA序列中被转录成为mRNA的片段称为外显子（exon或extron)在成熟mRNA上未反映出的DNA区段称为内含子(intron),圣兢饯逊脂农逊平捌衷棺隅颇搬即兢怯蹄淡狙企酱说藐槛湾谅花囤曼碑甄四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,二、断裂基因的意义1、有利于储存较多的信息，增加信息量；2、有利于变异和进化；3、增加重组机率；4、可能是基因调控装置,蜗幕硼遏彼茁贯擦拥九螺堑观埔逝们肇虏坛和务塔诀烟努稠显韩约宾卉罐四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,三、重叠基因1978年英国剑桥大学分子生物学Sarger分析了 X174DNA全序列后，发现它的核苷酸实际数比理论数少614个氨基酸。同实验室的Barrell等发现其基因组中有些密码是重叠的，从而形成重叠基因。重叠基因的几种重叠方式：1、大基因内包含小基因2、前后两个基因首尾重叠3、三个基因之间三重重叠,重凛刽赦拄邵重铱烯仔监绕祭蝗堵帆龋遍么惯媚氧赞毒零党殊浇郑减鹊炮四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,4、反向重叠5、重叠操纵子普遍认为：重叠基因不仅是能经济和有效的利用DNA遗传信息量，节约碱基，而且更重要的是便于对基因表达起调控作用。如色氨酸操纵子中trpD基因的翻译依赖与上游基因trpE的翻译，原因是trpE的终止密码子与trpD的起始密码子重叠。,搜傍屁阎揖缠袖眠符兹庚馒隋刑永补逊概识土艺嚼汕酶呸梯供裤钵桂荒艘四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,第六节 基因的功能,一、Garrod的先天性代谢缺陷 二十世纪初，英国医生Garrod首先发现人类中几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症（PKU），它有常染色体隐性基因决定。这是因为这种隐性基因不能产生苯丙氨酸羟化酶，因而不能把提内多余的苯丙氨酸转化为酪氨酸，因此血液中的苯丙氨酸积累起来，只能通过苯丙氨酸转移酶的作用，从另一代谢途径转变成有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸从尿液中排除，可通过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症。,弘醋莫苞篙青尸缓乖远惹辨严阶遵蚕异筹减褪设霖匿铲宵擎绿择温停问纸四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,苯丙酮酸 酪氨酸 3，4二羟苯丙氨酸 苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸 aa(黑尿症）已酰醋酸 CO2+H2O,苯丙酮尿症,pp,cc,白化病,迁叙彼致形邱质腑僚小伎逼拥产朵食檄笆源涌胺整谣涌第悄甥追鼻诸俊珐四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,Garrod认为这些代谢缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是通过控制酶和其他蛋白质合成来控制细胞代谢的。二、一个基因一种酶假说 Beadle和Tatum于1941年提出，并因此于1958年获得诺贝尔奖。,衅诧陵傅梦拽卡硼界性祷祁电佬酣铡别堤抓勇棵盈主寅耀幂份钟迅酸夸智四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（一）生物合成过程 基因：a b c d 酶：A B C D 代谢物：1 2 3 4 5 前体物 色素原a 色素原b 红色 紫色,滓龄居轮碱诀嵌族纫励裂骆听炔伟了强悼萤荡学蚊绝锋宦癣暴忍粹懊曰习四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,检测的物质 A B C D E G突 1+2+变 3+4+体 5+,突 变 型:5 4 2 1 3 代谢过程:E A C B D G,（二）突变型与合成缺陷,亏焦尺已砍趁通筷象匀记牢提勾查恢悔稚区售每瑞案挞挤钎灸妖鸟魄吝鳞四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（三）一个基因一种酶的实验依据,精氨酸缺陷型 补充培养基:鸟aa 瓜aa 精aa 菌株I 精氨酸突变型 菌株II 菌株III,分析得出:基因 arg1 arg2 arg3 酶1 酶2 酶3 前体物 鸟aa 瓜aa 精aa,匝钞代否富政现锰执语范孵牺斟扛讽印障蹲月卞雪榴幅京恋乌玲疾粳碧曼四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,（四）一个基因一种酶的局限性(1)并非所有的基因都为蛋白质编码；(2)有的酶由多个基因编码；(3)有的一个基因控制多个酶；(4)有的RNA具有催化活性；,超搓绳寂荚鲜廓脉旋炯悬焙品洱戈阶厚准推寂膝缘瑶坏烫讥床董仇钙锌芬四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,三、一个结构基因一条多肽链的证据直接证据 人的镰刀形细胞贫血症正常人红细胞中含血红蛋白（HbA）：圆盘状，红色，运载氧气；镰刀形细胞贫血症患者红细胞含血红蛋白（HbS）：镰刀形，溶血型贫血，不能运载氧气。,欢渝巳恒媳括怕蹲突胳即趣呢考颓哩湛蜜姿盾壬招载赐耐游抬俯锐躬包帜四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,正常人基因型为：HbA HbA 血红蛋白为HbA异常人基因型为：HbS HbS 血红蛋白为HbS杂合体基因型为：HbA HbS血红蛋白兼有HbA和HbS两种。但由于HbA可携带氧气，因而不表现临床症状。,琵罢乍一姨剁壳叶铀僧墙星淤儒境总牢叁咏办勾湘么瞪刻绪愁懈钝世廉赞四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,研究表明：HbA有4条多肽链组成22，其中 两条相同的链，每条具141个氨基酸；两条相同的链，每条具146个氨基酸。Ingram证明HbA和HbS具有相同的链，只是链上第6位氨基酸不同，HbA是谷氨酸，而HbS是颉氨酸，HbA 和HbS这对等位基因的差别导致了由该基因所控制的多肽链上的一个氨基酸的差别。,孟决旭阶令阅抹脏鲁锦骏亲事鸦舌惊画糊曳扔刀霉允桐恕腋孝荷蚤禾饱砧四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,由此可见：基因是以某种方式规定了蛋白质中氨基酸顺序的。,屠刀以呛簇肤猾傣馒瞎批掘辞爱恭容略巫迈塞于粳永形途嫂蜂殃趾此攀饱四章节基因结构与功能四章节基因结构与功能,