现代微生物遗传学--第三单元授课-课件

基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列， 它是遗传的功能单位。
• 此期间发现的重叠基因、断裂基因、转座因子和 假基因的确切定义如下：
• (1)重叠基因 – 一个基因的核苷酸与另一个基因的核苷酸之间存在一 定程度的重叠现象。包括两种类型。 • 类型1：一个基因的序列完全包含在另一个基因序 列之中。 • 类型2：一个基因的末端密码区与另一个基因的起 始密码区重叠出一个新的基因。 – 噬菌体ΦX174基因组最显著的特征是基因的重叠现象， ΦX174共有11个基因，其中基因B,K,E 分别位于基因 A,C,D中，但使用不同的阅读框架，见图示（ΦX174 基因组结构和重叠基因）。
• 1957 Crick提出中心法则
这一时期，基因的概念发展为：“基因是负 责编码特定遗传信息的功能单位，其内部是 可分的，包含多个突变和重组单位。基因是 可分的完整的功能单位”
4.分子遗传学时期(1953~)
随着重组DNA技术和DNA序列分析技术的发展， 对基因的认识有了新的发展和更新。
• 1961: Jacob 和Monod建立乳糖操纵子模型 阐明了原核生物基因表达的调控机制，并大大 丰富了基因的概念。 基因在功能上是有差异的，可分为：
编码蛋白质的基因
没有翻译产物的基因（即不产生蛋白质的基因） 不转录的DNA区段。
• 1962 ，1968 Arber， 1978 Smith 发现限制性酶 • 1964，1965：Nirenberg，Khorana破译遗传密码 • 1972 Berg建立重组技术 • 1975 Temin发现反转录酶 • 1977 Sanger & Gilbert 建立测序方法；而且在测定 φ X174的DNA全部核苷酸序列时，发现了重叠基因。 • 1977 Sharp 和 Roberts 发现内含子和外显子。真核细 胞的核苷酸序列，中间有不转录成mRNA的间隔区，即 能表达的外显子被不能表达的内含子一一隔开，故称 作断裂基因。
1900年，不同国家的三位学者经大量的杂交工作，分别在不 同的植物上同时取得了与孟德尔相同的试验结果，即孟德尔 定律被“再发现”。 • 荷兰狄夫瑞斯（de Vries）用月见草为材料；
• 德国的科伦斯（Correns,C.E）用玉米和豌豆为材料； • 奥地利的切尔迈克（Tschermak）用豌豆为材料；
•
此外，真核生物中还存在一些调空元件，如增强子和沉默 子等。 – 增强子（Enhancer）：真核生物基因表达的重要调控 元件。能使与其连锁的基因转录频率明显增强的DNA 序列，长度一般为100～200bp。具有下列特点：
1. 2. 3. 4. 使基因转录增强10～200倍，有的达上千倍。 增强效应与位置和取向无关。 可远离转录起始点起作用。 无基因的专一性，对同源、异源基因都有效。
1910年 摩尔根（Morgan ,T.H）及其弟子 通过果蝇杂交 实验创立了连锁定律，成为遗传学中的第3个基本规律：提出 同源染色体在减数分裂时发生交换 ( crossing-over )，而且位 置相近的因子相互连锁。 （其他两个个基本定律是什么？）
摩尔根等还利用基因重组频率来分析不同基因之间的 距离，即重组率(Recombination frequency) =（交换 型配子数）/（总配子数）。并利用三点测交进行基 因定位。证实了基因在染色体上是直线排列的，而且 将位于同一条染色体上的许多基因统称为连锁群 (Linkage group )。
1909年，丹麦科学家约翰逊（Johannsen） 创用了：
• 基因 （gene），代替孟德尔的遗传因子 • 基因型（genotype） • 表型 （phenotype）
剑桥大学的遗传学教授贝特森(Bateson)创用遗传学 （Genetics）。 遗传学作为一门独立的学科正式诞生。
2.细胞遗传学时期(1910－1940 )
•1980 Shapiro发现转座子（可移动的基因） •1981 Cech和Altman 发现核酶 •1985 Mullis,K. 建立了PCR体外扩增技术。
此期基因的概念：
一段可以转录为功能性RNA的DNA，它可以 重叠、断裂的形式存在，并可转座。
基因是什么？
• 是实体，其物质基础是DNA （或RNA）； • 是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段； • 是遗传信息传递和性状分化发育的依据； • 基因是可分的，根据功能不同，分为： 编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶） 调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白） 无翻译产物的基因 tRNA基因（简称 tDNA ） rRNA基因（简称rDNA ） 不转录的DNA区段 启动子（promotor） 操纵基因（operator）
• 真核生物的蛋白质编码基因以及其它基因的编码序列中， 被一种称为内含子（Intron）的非编码序列所间断。 • 有3种RNA聚合酶，各自分工转录不同类型的基因： Pol I转录rRNA 基因（5s rRNA除外）， Pol II转录蛋白质编码基因， Pol III转录编码众多小分子RNA，包括tRNA和5s rRNA。
பைடு நூலகம்
– 终止子(terminator)？
• 位于一个基因或一个操纵子的末端，提供转录停 止信号的DNA区段。 • 与启动子不同的是：终止子仍能被转录成mRNA。 • 大肠杆菌的终止子分两类： – 强终止子：不依赖于ρ因子就能终止转录。 – 弱终止子：依赖于ρ因子才能终止转录。
• 2. 真核生物基因的结构
• (2) 断裂基因（Split gene）： 基因的编码序列在DNA 分子上是不连续的，被不编码的序列所隔开。编码序 列称为外显子，不编码的序列称为内含子。 • (3) 假基因(Pseudogene)：是与功能性基因密切相关的 DNA序列，但由于缺失、插入和无义突变失去阅读框 架而不能编码蛋白质产物。 • (4) 转座因子(transposable element)：可以从染色体DNA 的一个位置转移到另一个位置，因此，有时也称为移 动基因(movable gene)、跳跃基因(jumping gene)。
能的DNA片段”
• 1951 McClintock B. 发现跳跃基因或称转座因子 • 1953 Watson和 Crick建立双螺旋模型
• 1955 Benzer提出了顺反子概念；提出了基因是可分的完整功能 单位。发现一个基因内部的许多位点可以发生突变，位点之间可 以发生交换。打破了基因“三位一体”概念。 • 并提出以下术语：
3. 微生物遗传学时期（ 1940~1960 ） 40年代起，主要阐明基因的化学本质、基因突变 机制和基因作用机制。
• 1941 Beadle和 Totum 提出一个基因一个酶学说 沟通了生物化学中蛋白质的合成研究与遗传学中基因功 能功能的研究，也为遗传密码的解码和细胞内大分子之间遗 传信息传递过程的揭示奠定了基础。 • 1944 Avery 确定遗传物质为DNA，证明基因是“有遗传功
• 三、基因结构
• 1. 原核基因的结构 – 所有原核基因都有一个编码区，在编码区的两 侧，还存在着控制转录作用的调节区，即启动 子和终止子。 – 开放阅读框架(open reading frame, ORF)：在 DNA链上，从起始密码子开始到终止密码子为 止的一个连续编码序列，也就是所谓的编码区。
– 顺反子（Cis-trons）：是一个功能单位，含500bp ~ 1500bp。
（单顺反子和多顺反子 ）
– 突变子（muton）：一个基因内部能发生突变的最小单位。一个突 变子可以是一个核苷酸的变化。 – 交换子（recon）：也称重组子，发生重组时，一个基因内可交换的 最小单位。一个交换子的大小可小到一个核苷酸。
• 二、基因的符号 • 采用以下统一命名规则：
– 1. 每个基因用斜体小写的三个字母来表示，这三个字母取自 表示该基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母。 – 2. 产生同一表型的不同基因，在三个字母后用不同的大写斜 体英文字母表示。如trp代表色氨酸基因，各个不同的色氨酸 基因分别用trpA和trpB来表示。 – 3. 突变型基因的表示方法是在基因符号的右上角加“—”，如 亮氨酸缺陷型用leu—来表示。抗药性基因是在基因符号的右上 角加“r”，加“s”表示敏感，如链霉素抗性基因则表示为strr。 – 4. 某一突变型基因的表型一般也是用相应的正体三个字母表 示第一个字母大写。例如乳糖发酵缺陷的基因符号是lacZ—， 那么其表型符号便写为LacZ—。 – 5. 当染色体上存在缺失时可用表示，缺失部分放在后的括 号中，例如(lac,pro)表示乳糖发酵基因到脯氨酸基因这一段 染色体发生了缺失。
• 基因组学：是研究生物体基因和基因组的结构组成、 不稳定性及功能的一门学科。基因组学又可分为：结 构基因组学和功能基因组学：
– 结构基因组学（Structural Genomics）：研究基因和基因组的 结构、各种遗传元件的序列特征、基因组作图和基因定位。 – 功能基因组学（Functional Genomics）：研究基因不同序列结 构的不同功能、基因表达的调控、基因与环境，基因与蛋白， 基因与基因之间的相互作用。
第三单元授课课件
第五节 基因结构和基因组
什么是基因？ 这是一个贯穿整个遗传学发展过程的核心问题。 可以说，一部遗传学的发展史， 渗透和贯穿着人们对基因认识的不断深化过程。 从而使基因概念不断得到充实和完善。
1. 经典遗传学（1900~1910）和孟德尔的“遗传因子”
孟德尔以豌豆为材料进行杂交实验，首次提出分离定律 和自由组合定律； 首次提出 “遗传因子”的概念，认为遗传性状由“遗传 因子”决定； 提出 “颗粒式遗传” （一对相对性状的遗传因子在同 一个体内分别存在，而不相沾染，不相混合。决定着不对 应的性状的遗传因子在遗传传递上有相对独立性，可以完 全拆开）。
这一时期，摩尔根将基因的概念发展成为在染色 体上占有一定空间位置的化学实体（染色体上的 遗传功能单位）。
首次把代表某一特定性状的特定基因，与 某一染色体联系起来，建立了遗传的染色 体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。
• 到1927年，Muller通过 X-射线诱发突变，结合 前期实验，认为： – 基因是一个化学实体，基因控制相应的性状； – 基因可以发生突变； – 基因之间可以发生交换。 • 从而提出“三位一体”的基因概念： – 基因既是功能单位，又是重组单位和突变单 位。
–
沉默子（Silencer）：属于负调控元件，对成簇基因的 选择性表达起重要作用。
• 四、基因组
• 1. 基因组的定义
– 基因组是指存在于单倍体细胞或病毒中的全部一套基因 。 – 由于目前发现许多非编码序列具有重要功能，因此基因组的含义 实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括 编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还不清楚的DNA 序列。 – 微生物的基因组一般都比较小。其中最小的大肠杆菌噬菌体MS2 只有3000bp，含3个基因。最小的能独立生活的最小基因组是一种 生殖道支原体，只含有473个基因。
• 由于基因的功能是通过其编码的蛋白质产物来实现的， 1994年又提出了蛋白质组学(Proteomics)，是指研究细 胞内全部蛋白质的组成及其活动规律的一门科学。
2.基因组和蛋白质组发展过程（1986~）
• 1986 [美] Dulbecco首次提出了“人类基因组工程” • 1990 4月美国宣布人类基因组测序工作的5年计划。 • 1991 Stepken Fodor 把基因芯片的设想第一次变 成了现实. • 1992 10月[美]Vollrath D.等分别完成人类Y染色体 染色体的物理图谱.
– 启动子(promoter)？
• 位于基因5’末端上游外侧紧挨转录起点的一段长度 为20~200bp的非编码的核苷酸序列。其功能是与 RNA聚合酶结合形成转录起始复合物。 • +1：转录起始点 • -10区：TATAAT。是RNA聚合酶核心酶与DNA分子 紧密结合的部位。 • -35区：TTGACA。是RNA聚合酶σ因子识别DNA分 子的部位。