基因的组织结构和基因突变特征

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2. 基因 gene：
含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功 能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部 核酸序列。
编码序列+调控序列（启动子、终止子；5′非翻译序列、 内含子以及3′非翻译序列等)。
3. 基因组 genome
一个细胞或者生物体所携带的一套完整的单倍体序列， 包括全套基因和间隔序列。
★分类：
▲按基因的终产物分为两类：一类编码RNA，另一类编码 蛋白质。
▲按在基因组中的分布分为两类：一类串联排列在一起， 形成基因簇，亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散 在不同的部位上。
（2）超基因家族（supergene family）：由多基因家族及单基 因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们 的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。
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（4）高度重复顺序的功能
a .参与复制水平的调节。 b. 参与基因表达的调控 c. 参与转位作用 d. 与进化有关 e. DNA指纹 f. α卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能
与染色体减数分裂时染色体配对有关
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6. 存在多基因家族和超基因家族
（1）多基因家族（multigene family）：亦称基因家族。是 指一组具有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。
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7. 基因类型多样
（1）假基因：在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基因。 即序列与有功能的基因相似，但或者不能转录，或者转录后生 成无功能的基因产物。用Ψ表示。造成原因是基因在进化过程 中，发生突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。假基因往往 缺少正常基因的内含子，两侧有顺向重复序列。 （2）断裂基因（不连续基因）：编码序列称外显子（exon）， 非编码序列称内含子（intron，or intervening sequence）。 （3）非剪接基因（连续基因）：原核和真核细胞都有。真核 rRNA基因也是非剪接基因。
顺式排列：用于互补测验中所用的两个突变 同时位于一条染色体上
顺反子：通过顺反测验将不同突变之间没有互补 的功能区称为一个顺反子。
顺反子就是一个功能水平上的基因。
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顺反位置效应测验
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2 互补测验的方法
斑点测试法（spot test）：
用一种rⅡ突变型以0.1的感染比（噬菌体1／细菌10）去感染大 肠杆菌K（λ）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在 营养平板上，琼脂凝固后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴 含有另一种rⅡ突变型的培养基，在这一滴培养基的范围内，一些 细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌斑，就证明 这两种突变型互补，相反就不能互补。在一个培养皿平板上可做6 ～8个斑点试验。
• ±DNA • 长短不一 • 重叠基因
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脊髓灰质炎病毒—— 单链（+） RNA
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逆转录病毒
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四、真核生物基因组的特点
1. 基因组含有更大的DNA分子，以染色体形式储存于 细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组 是双份的。
（1）并非生物越高等，基因组越大。即并非进化的复杂程度 与DNA含量成正比。如某些植物和两栖类的DNA含量是人的 几十乃至上百倍。 C值矛盾。
某些结构基因编码区无间隔，因此有些结构基因没 有翻译起始序列。通过宿主及病毒本身酶切。
有些结构基因转录后产物没有翻译功能，需要在转 录后进行加工剪接，成为有翻译功能的mRNA。
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有增强子 转录产物加工后，成为成熟的mRNA
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T抗原控制病毒的复制，起动晚期转录
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乙肝病毒
（2）同一类复杂性差不多，形态也相似的生物，理论上其基 因组也应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。
（3）基因组中DNA的量远大于编码蛋白质所需要的量。
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2. 基因组结构复杂，有多个复制启始位点，但每 个复制子的长度较小。 3. 基因是不连续的。断裂基因，内含子/外显子。 4. 转录单位一般是单顺反子的。即一个基因一种mRNA一
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Beadle-Tatum：一个基因一个酶学说（1941年）。 Avery等：转化实验证实了遗传物质的本质是DNA（1944年）。 Hershey-Chase：噬菌体感染细菌实验，
只有DNA能进入细菌细胞（1952年）。 Benzer：互补测验，
提出一个顺反子，一条多肽链的概念（1955年）。
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Watson 和Crick： DNA右手双螺旋理论（1953年）。
relA1，Δlac-proAB）/F’[traD36，proAB ，lacIq，lacZΔM15]
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基因功能研究的方法
• 互补测验一般用于确定顺反子 • 功能研究其它方法：
缺失或突变后，功能是否改变；重新引入后，功能是否回复；回补 体外翻译体系： in vitro translation
又称无细胞蛋白质合成系统 ,是分子生物学中一种常规的表达系统。 有两种体外翻译的基本方法：以RNA为模板，或以DNA为模板（即偶联的 转录/翻译）。RNA模板可以是总RNA、mRNA或体外合成的转录子。DNA 模板可以是一个质粒，或一个PCR/RT-PCR产物，这个PCR/RT-PCR产物 在转录启动子和翻译起点下游含有需要翻译的基因。
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三 病毒基因组的特点
① 种类单一；形式多样；大小不一 ② 单倍体基因组：每个基因都是单拷贝 ③ 基因常常成簇排列，没有间隔序列，或间隔序列很小
（功能相关基因排列在一起） ④ 动物病毒与真核基因相似，有内含子；
细菌病毒与原核基因相似 ⑤ 有基因重叠
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⑥ 具有不规则的结构基因 某些结构基因无帽状结构；有翻译增强子。
X-gal
MacConkey
EMB
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α－互补：
• 载体上含有lacZ’的部分基因
lacZ’中包括：一段β-半乳糖苷酶的启动子；编码α肽链的区段；一个多克 隆位点(MCS)。MCS位于编码α肽链的区段中，是外源DNA的选择性插入位点， 但其本身不影响载体编码α肽链的功能活性。
质粒载体常用的筛选标记：
海胆(R)
H1 H4 H2B H3 H2A
海胆(S)
海胆(L)
果蝇
H1 H3 H4 H2A H2B
H1
H3 H2B H2A
H4
蝾螈
图例：
组蛋白基因簇的重复单位
基因；
间隔区；
转录方向
6000bp 6540bp 7240bp 4800bp
9000bp
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高度重复序列（>105次）。
（1）卫星DNA： 根据长度可将其分为3类 ★卫星（satellite）DNA： 重复长度5-10bp，多态性不强。 ★小卫星DNA：重复长度15-70bp，有高度的特异性。 ★微卫星DNA（简单串联重复序列）：重复长度2-5bp，存在个体
• X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)： 蓝色 5-溴-4-靛蓝
• 麦康凯培养基 ： MacConkey Agar 红色
• 伊红美兰培养基： eosin-methylene blue medium,EMB 紫黑色带金属光泽
伊红为酸性染料，美蓝为碱性染料。当大肠杆菌分解乳糖产酸时细菌带正电荷被染成 红色，再与美蓝结合形成紫黑色菌落，并带有绿色金属光泽。
基因的组织结构和 基因突变特征
一 基因的组织结构 （一） 基因的概念 1. 基因的研究简史
Mendel）的颗粒因子： 一个因子决定一个性状(1865年)。
约翰森（Johannsen）：首先提出基因一词（1909 摩尔根（Morgan）的基因论：
一个基因控制一个性状（1926年），明确了基因存在于 染色体上。
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3 互补测验的条件
• 两个突变引入同一细胞内：
大肠杆菌： 性导，转导（局限性转导，流产转导），转化 真菌：准性生殖中的杂合二倍体
• 排除重组的影响：recA • 排除基因内互补：基因工程中lacZα-互补 • 排除回复突变的影响 • 排除其它影响，如极性突变，lacIs
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4 基因内互补：lacZ β-半乳糖苷酶
选择哪一个体外翻译系统取决于许多因素，这些因素包括要翻译的基因 的来源（真核/原核），可提供的模板（如RNA或DNA），和所生产的蛋白 质的下游应用。
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二、细菌的基因组及特点
（一）组成：细菌染色体和质粒
（二）细菌基因组的特征
1. 基因组相对较小（4.6×106bp，4000个基因），只有一个复 制启始位点。
5‘ GTGAGCTCAC 3’ 3’ CACTCGAGTG 5’
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轻度重复顺序和中度重复顺序
• 轻度重复顺序
在基因组中含有2-10拷贝 ， 酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。
• 中度重复顺序
长约300bp 基因组中约有10-几千个拷贝的顺序
如rRNA和tRNA基因，组蛋白基因等
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（二） 基因的组织结构
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(三) 基因的功能分析
1 互补测验（Benzer，1955）
互补测验 (complementation test)
互补测验是确定突变的功能关系的一种常用方法。 用不同的rⅡ突变型成对组合同时去感染大肠杆菌K(λ)菌株。 如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体外 ，也有少量重组型的噬菌体，那么就必然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。 如果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。
间 的高度变化，是DNA指纹的形成基础。
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（2）倒位（反向）重复序列
又称零时复性部分，重复单位约长300bp，两个单位之 间有一平均1.6kb的片段相隔，多数散布于基因组中。
（3）较复杂的重复单位组成的重复顺序
灵长类所独有，用HindⅢ消化非洲绿猴DNA，可以得 到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交 替变化的嘌呤和嘧啶组成，又称为α卫星DNA。
种蛋白质，但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异（如
Bcl-x： Bcl-x1 Bcl-xs ） 5 存在重复序列
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单一顺序 (Unique sequence ) 重复顺序
短片段的重复顺序可分为三种类型： （1）正向重复(direct repeats)又叫顺向重复； （2）反向重复(inverted repeats) ； （3）回文顺序 (Palindromic sequence)
2. 具有操纵子结构：功能上相关的几个基因往往在一起组成操 纵子结构，即几个结构基因串联在一起，受它们上游的共同调 控区控制。当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上， 然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的 终止序列。
3. 基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在 转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。
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4. 大部分DNA是用于编码蛋白质的，只有一小部分是不翻译的。 不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。 5. 基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。 6 . 结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。 7 . 非编码的重复序列 Chi 5-GCTGGTGG-3
REP(repeated extrogenic palinodrome) 基因外重复的回文序列
Crick：
中心法则（1957年）。
Jacob-Monod： 操纵子模型（1961年）。
Nirenberg- Matthaei ：三联密码子学说（1966年）
将DNA结构与生物功能结合起来。 McClintocK ： 遗传因子可以转移位置(1950)。
Sharp: 真核生物基因中的断裂现象（1977年）。 Sanger： 噬菌体中发现了重叠基因（1978, ΦX174).
• 受体菌含有特定的lacZ缺失

DH5a菌株：F-，φ80d lacZΔM15，Δ(lacZYA-argF)U169，deoR，
recA1，endA1，dR17(rk-，mk )，phoA，supE44，λ-，thi-1，gyrA96，
relA1
JM109菌株：F- ，recA1，endA1，gyrA96，thi-1，hsdR17，supE44，
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T4突变型
类型
不同大肠杆菌菌斑平板上表型
E.coli B
E.coli K()
E.coli S
野生型 小噬菌斑
小噬菌斑
小噬菌斑
rI 大噬菌斑
大噬菌斑
大噬菌斑
rⅡ 大噬菌斑 无噬菌斑（致死） 小噬菌斑
rⅢ 小噬菌斑
大噬菌斑
大噬菌斑
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反式排列：用于互补测验中所用的两个突变 分别位于两条染色体上