第一章基因与基因组结构

第二节 原核生物基因组
基因组（genome）是细胞或生物体的全套 遗传物质。就细菌和噬菌体而言，它们 的基因组是指单个染色体上所含的全部 基因，而二倍体真核生物的基因组则是 指维持配子或配子体正常功能的最基本 的一套染色体及其所携带的全部基因。
一、原核生物基因组的特点 原核生物基因组都很小，如大肠杆菌，整 个基因组由4.6×10 6 bp组成，相对分子 质量为2.4×10 9 ，大约包括3000～4000 个基因。SV40病毒的分子量有3.0×106， 含有 5个基因，而单链RNA病毒QB只含有4 个基因。原核生物的基因组虽小，但其 利用率很高，这表现在以下3个方面。
在19世纪的最后二十多年里,生 物学家在细胞遗传学领域取得了重 要进展,染色体的发现就是成果之一。 染色体存在于细胞核中,经适当染色 后可见的由细丝状颗粒物质所组成, 一般在细胞分裂时才能看到。在不 同物种的细胞中,它们的数目不一样, 但总是以二条成对的同源 (homologous)染色体的形式存在,且 数目恒定。
染色体遗传学(theory of chromosomal inheritance)，即认为染色体是“遗传 因子”的携带者。1905年,Johannsen首 先使用“基因”一词代替“遗传因子” 并提出了基因型(gentoype)和表型 (phenotype)的概念。 1909年起,Morgan和他的学生以果 蝇为材料研究生物遗传规律,他们观察到 一种白眼突变体与性染色体的联系,在此
线虫 • 用三个小写字母表示突变表型，如存在 不只一个基因座，用连字符号接数字表 示 ， 例 如 ， 基 因 unc-86，ced-9； 蛋 白 UNC-86；CED-9。 果蝇 • 来自突变表型的描述可以用1-4个字母表 示 。 例 如 ， 基 因 white(w)， tailless(tll)，hedgehog(hh)；而蛋白
区段的功能。这说明rⅡ区域中的A、B区段 是两个独立的遗传功能单位。Benzer把 通过顺反效应（互补测定）而发现的遗 传功能单位称为顺反子（cistron），这 实际上就是一个基因。
图3-1 互补测定的示意图
Benzer认为，“一个顺反子，一个多肽 链”。而一个顺反子实际上是一个为多 肽链编码的DNA片断，它的内部可以发生 突变或重组，即包含着许多突变子 （muton）和重组子（recon）。他的工 作否定了Morgan认为基因是功能单位 （顺反子），又是互换单位（重组子）、 突变单位（突变子）的概念。Benzer认 为：经典的基因概念是不足以令人满意 的，对互换单位、突变单位、功能单位 应给予
基因的最早用语，其含义是指决定遗 传性状的基本遗传单位。可惜,遗传 学上这一伟大的发现,由于当时没有 任何支持它的物质证据,于1865年发 表后，几乎没引起注意。直到35年 后的1900年，另外三位植物学家 (Correns,de Vries和Tschermak)再 次独立证明Mendel规律的正确性后, 这一著名规律才被重新发现。
分子生物学的深入研究使我们对基 因的认识更加精细，实际上，DNA分子上 有遗传效应的节段可以分两类：一类能 转录，产生RNA分子，称为转录基因；另 一类不能转录，但对转录能起调节控制 作用，称之为操纵基因。转录基因有 mRNA、tRNA、rRNA和调节基因共四种。
其中，mRNA基因通过转录和翻译，能产生 对应的蛋白质，这种蛋白质是细胞中重 要的结构和功能物质，所以，mRNA基因 称之为结构基因；调节基因通过转录和 翻译也能产生对应的蛋白质，这种蛋白 质能对转录基因有调节作用，故称之为 调节基因；tRNA和rRNA基因能转录，但
一个多世纪前,Mendel在他历时 八年完成的植株(豌豆)杂交试验基 础上总结出的二个著名遗传学定 律—分离定律和独立分配定律中， 就已经提出了基因的概念。Mendel 规律的基本设想是：每一植株的各 种相对性状都来源两个相同的“遗 传因子”(geneticfactor),它们有 显性和隐性之分。这里的“遗传因 子”就是
形态阶段的罗马数字表示，再用大写字 母表示表示操纵子，而后为基因座，例 如，spoⅡGA就表示在第二阶段表达的操 纵子G的第一个基因座。 酵母 • 三个字母表明基因功能，而后的数字表 示不同的基因座。啤酒酵母基因GAL4， CDC28； 蛋 白 质 ： GAL4，CDC28。 非 洲 蜀 酒酵母基因 gal4，cdc2；蛋白质：Gal4， Cdc2。
染色体DNA是环状的。细菌染色体的环化 性使得在缺少端粒（telomere）的情况 下，仍能够完整的复制。如大肠杆菌在 一天内可以从一个单细胞增殖到每毫升 2×109～3×109个细胞的群体。大肠杆菌 的基因组DNA为双股环状DNA，含有4000 个以上基因，总长度为4.6×106碱基对，
表3-2 传统基因命名法提要 物 种 惯 例 大肠杆菌和其他细菌 三个小写字母表示一个操纵子，接着的 大写字母表示不同基因座。例如：lac操 纵 子 ； 基 因 座 ： lacZ，lacY，lacA。 蛋 白 质 ： LacZ，LacY，LacA。 另 外 还 采 用 特殊惯例命名B.subilis的孢子发生基因。 这些基因以spo后加上表示孢子发生的
另外，原核生物基因组在其转录调控中 的一大特点是存在有操纵子结构，即 DNA序列中功能相关的RNA或蛋白质基因 往往前后排列在一起形成一个转录单位， 从同一启动子开始转录形成一个多顺反 子mRNA，再被分别表达成不同的RNA或蛋 白质。
（一）细菌基因组 在细菌中存在有两类DNA：一类是含有大 量基因的DNA分子，称为细胞的染色体或 基因组，另一类是质粒DNA分子，质粒携 带的基因不妨碍细胞的生长。每个细菌 细胞只含有一个染色体DNA，细菌染色体 外裹着稀疏的蛋白质，这些蛋白质有些 与DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复 制、重组及转录过程。大多数细菌
第一章 基因与基因组结构 第一节 基因的概念
基因（gene）是生物体传递和表达 遗传信息的基本单位。从化学角度 观察，基因则是一段具有特定功能 和结构的连续的脱氧核糖核酸序列， 是构成巨大遗传单位染色体的重要 组成部分。
一、基因概念的发展
科学的发展是以概念为基础的。在 自然科学史中，科学的发展其实就 是概念的发展。每一个概念的产生 都是随着科学研究的发展，由浅入 深、由现象到本质来进行描述的。 因此，随着科学研究的深入，必然 带来基因概念的发展和更新。
1．基因组的序列绝大部分是用来编码蛋 白质的，只有极少部分不转录，而不转 录部分通常是控制基因表达的序列。 2．存在着基因重叠的现象，即同一段DNA 序列能携带2种不同的蛋白质的信息。 3．原核生物的基因是连续的，基本不存在 内含子成分，因此在转录后不需要剪接 加工。并且，绝大多数区域都无重复序 列。
的核苷酸序列如发生改变，就会改变相 应结构基因的活性，就此意义上讲，它 们也具有特定的遗传效应，所以也称之 为基因。但一些分子遗传学家陆续剥夺 了“操纵基因”和“启动基因”的基因 资格，将它们称作操纵元和启动子。
二、基因的命名法 目前对基因的命名一般根据种属习惯， 方法并未统一。基因的命名一般用斜体 字，按种属字母和数学符号来表示。如 果表示蛋白产物和表型，就用大写字母。 如果表示隐性突变，用小写字母。表示 显性突变，第一个字母要大写。在其它 一些种属包括人的基因命名中，基因全 由大写字母表示（表3-2）。
不能翻译成对应的蛋白质，只能在合成 蛋白质的过程中发挥特定作用，如果没 有tRNA和rRNA基因，蛋白质的合成是不 能进行的。操纵基因包括启动基因和操 纵基因，启动基因是RNA转录酶识别和结 合的序列；操纵基因是阻遏蛋白结合的 序列，它是结构基因的部分，它们虽不 能转录、翻译成多肽链，但这两种特定
标志着遗传学进入分子水平的DNA双 螺旋结构诞生以后,基因结构及功能的研 究进入了一个新的阶段。现代分子生物 学技术不仅使染色体的基因定位及物理 图谱制作变得轻而易举，而且能详尽的 知道定位于染色体DNA上的基因核苷酸顺 序。据认为，人类基因组多达3.5万个基 因,迄今已检测出的基因近5千个,仅占 13%,其中1/3被定位于各个染色体上。
分别的定义。互换单位可规定为在遗传学 重组中最小的，不可分割的而可以互换 的单元；突变单位是最小的可变单位， 它的变化导致机体突变类型的出现；功 能单位的定义比较困难，因为这决定于 所指的“功能”水平如何，可以指一系 列酶反应最终而产生的一种生理效应， 也可以指一种酶的合成，还可以指某一 种重要氨基酸特性所起的作用。至此， 对基因的认识又深入了一层。
基础上于1910年首先提出基因定位于染 色体上的论点。此后二年中,他们又发现 了多个伴性基因,并以此为据总结出了遗 传学上著名的基因连锁(linkage)和交换 (crossing-over)规律。他们还通过测定 连锁的回交试验,证实了基因在染色体上 呈线性排列的事实。
在20世纪上叶,虽然已明确了基因与 染色体的关系,并且由于1944年Avery的 重要发现问世,明确了D源自文库A是遗传物质的 观点,但人们对基因的认识也仅知道它是 遗传的基本单位。对于基因是怎样通过 控制表型来实现其功能的尚不清楚。最 早阐明基因作用原理的是1945年Beedle 和Ephrussi提出的"一个基因一种酶"的 假说。
如人体细胞染色体总数为46条, 分为23对(其中22对为常染色体,1对 为性染色体)。在分裂期间,染色体 对的每一成员可自身复制成含二个 拷贝的姐妹染色体(sister chromatid)。通过显微镜观察染色 体在细胞分裂中的行为变化全过程 发现:体细胞增殖时,以有丝分裂 (mitosis)的方式,
为White，Tailless，Hedgehog。 植物 虽然没有适用于所有植物的惯用法，但大 多 数 用 1 - 3 个 小 写 字 母 表 示 。 Arabidopsis基因用果蝇的方法命名，但 使用大写字母，例如，基因AGAMOUS(AG)， 蛋白AGAMOUS。
脊椎动物 一般以描述基因功能的1-4个小写字母和数 字表示其基因功能。例如，基因sey， myc，蛋白Sey，Myc。 人类 方法如脊椎动物但需大写。例如基因MYC、 ENO1。
这一假说建立在所发现的代谢途径 中某种酶的缺失是由于某种基因突变所 致的事实上，突变在染色体上的改变即 基因结构的改变。换言之，一种代谢酶 的生成由其相应的一个基因所控制，酶 所催化的生化反应就是基因功能的表现 形式。后来，这一假说在许多蛋白质中 得到了验证，并被修正为“一个基因一 条多肽链”的学说。
使姐妹染色体一分为二进入子代细 胞,从而保证了染色体数目的恒定； 而生殖细胞则通过减数分裂 (meiosis)使同源染色体分别进入新 的子代细胞而产生。生殖细胞─配 子(精子或卵子)只含有体细胞一半 的染色体数,配子结合成合子后又恢 复到体细胞的染色体数,这样,合子 及其后代细胞的染色体数对中的成 员,一个来自父本,一个来自母本。
比较染色体在细胞分裂中的行为与Mendel 规律可以发现，染色体与"遗传因子"极 其相似:首先,二者均成对存在,且其中的 每个成员分别来自父、母亲代;其次,产 生配子时,配子只含"遗传因子"(等位基 因)中的一个,或染色体对中的一条;另外, 非等位基因及非同源染色体均可自由组 合到配子中。在上述基础上，Sutton和 Boveri于1902-1903年提出了
Benzer用顺反互补测试法检验了反式构型 突变之间的关系。他发现T4基因组的rⅡ 区域可分为A、B两个区段，在A区段发生 突变的任何噬菌体颗粒都能和在B区段发 生突变的任何噬菌体颗粒互补（图3-1）。 只有突变点在A区段而另一个在B区段时， 这两个噬菌体颗粒才能彼此互补，分别 获得因区段突变而丧失的那一部分功能， 从而呈现出野生型的表型特征。A、B两 个区段中任一区段的突变不能影响另一