04基因的结构域功能

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。
（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。
• 三、 基因内互补
1、 基因内互补的机理
2、 基因内互补与基因间互补的区别
基因间互补
发生机率 缺失突变 酶活性 普遍存在 能发生互补
基因内互补
仅少数能发生 不能发生
同野生型一样 明显低于野生型（仅25%）
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。
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 若wa 和w为等位基 P wa wa × wY 因 ，F2应该只有亲本 两种表型，但在大量 杏色 白色 的F2群体中却出现了 F1 wa w wa Y(杏色眼） 1/1000野生型红眼出 现，红眼不是突变产 a a a a F2 w w w w w Y wY 生，因为不可能出现 如此高的频率
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。
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。
顺式 + +/- 表现型 表现型 野生型 野生型
反式 分析结论：两突变 + -/- +
野生型 突变型 属于两个顺反子 属于同一顺反子
• 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。
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。
• 互补测验结果发现：
• rⅡ 突变型可分成rⅡ A和rⅡ B两个互补 群。所有rⅡ A突变型的突变位点都在rⅡ 区的一头，是一个独立的功能单位,所有 rⅡB突变型的突变位点都在rⅡ 区的另一 头，也是一个独立的功能单位.
• 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。
判断两突变是否处于同一顺反子的方法:
• 缺失作图：Benzer根据这一原理很方便地把数 千个独立的rⅡ突变定位在rⅡ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。
r+r+ 仅生长一 种重组型
• 重组值计算：rxry的数量与r+r+ 相同， 计算时r+r+ 噬菌体数×2。
• 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。
第三节 互补测验
• 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。
第六节 基因的功能
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。
• 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
• 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
有无功能互补
结论
反式: A+
A
B
B+
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。
• 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。
• 凡是属于rⅡ A的突变之间不能互补,同理 凡是属于rⅡ B的突变之间也不能互补,只
有rⅡ A和rⅡ B的突变之间可以互补,即
双重感染大肠杆菌K(λ)株后可产生子代。
• 说明: rⅡ A和rⅡ 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。
互补试验的原理
表型
反式: A+ B A B+ 突变型 野生型 － ＋ 属同一顺反子 属不同顺反子
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。
• （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。
（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。
• 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。
表4-1 类 型
野生型与几种突变型的区别 不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型 S K() B 野生型 小噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑 rI 大噬菌斑 小噬菌斑 rII 大噬菌斑 无噬菌斑（致死） 小噬菌斑 小噬菌斑 rIII 大噬菌斑 小噬菌斑
• 三、 Benzer的重组实验 两种rⅡ突变类型：rx、ry r+rx × ryr+ ↓混合感染 E.coli B株 接种 B株 计数 r+ry、rxr+ r+r+、rxry 四种基因型 均能生长 K(λ)株
• 二、缺失作图方法（P107）
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)
• 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。
• 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rⅡ突变就是一个 条件致死突变型。（见P101表4-1）
• 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
F1
wa+/ wa+ × +w/ Y
wa+/ +w
（配子）
wa+/ Y
（配子）
wa+ +w wa w ++
Biblioteka Baiduwa+ Y
F2出现 ++/ wa+ 和++ /Y（红眼野生型）
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。
• 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 rⅡ 突变型 成对组合同时去感染大肠杆菌K(λ)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。