第一章 基因和基因组及基因工程的概念

2、断裂基因（ split gene）
• 在真核细胞中的核苷酸序列中间插入与 氨基酸编码无关的DNA间隔区段，使一 个有功能的结构基因分隔成不连续的若 干区段，将这种编码序列不连续，有间 隔区段的DNA片断称为断裂基因。这种 非编码间隔区段DNA称间隔子（内含 子），有转录和编码功能的编码序列称 表达子。原核细胞无内含子。其二者 mRNA剪辑作用如图1-3，1-4，1-5
类型
1. 单拷贝序列：人类约占60%~65% 2. 中度重复序列：长短300~700bp，重复次数达
105。通常为Alu、KpnⅠ、Hinf、rRNA、 tRNA、组蛋白基因等。 3. 高度重复序列：
– 卫星DNA及微卫星DNA – 反向重复序列：人类约占5%，长度300bp在复性
时，若有间隔序列，可形成发夹结构，若无间隔 序列，可形成回文结构，可能与复制、转录调控 有关。
• 对遗传物质基础的认识有个发展过程，孟德尔 （G.Menodel）在1857～1864年以豌豆为材料 进行杂交实验的研究中, 提出“遗传因子”决 定和控制着生物体的各种性状。
• 1909年丹麦生物学家W.Johannsen为了强调“遗 传因子”与生命的关系, 他根据希腊“给予生 命 ” 之 义 的 词 “ gene” （ 基 因 ） 创 造 性 地 用 “gene”这个术语来代替“遗传因子”。基因这 个词当时被用来描述遗传性状，但对基因的物 质概念还未能认识，只是遗传的一个符号。
孟德尔的豌豆杂交试验
遗传因子是成对的，一个来自父本，一个来自母本，形
成配体时彼此分开，在性细胞中是成单的，杂交子一代
各自保持独立和纯一状态，形成配子时又彼此分开，互 不混杂，完整地传给后代，雌雄配
• 子结合有等同随机结合的机会。
• 圆形种子＋皱形种子
• 黄色图形＋绿色皱形
杂交第一代(均为圆形)
杂交第一代(均为黄色圆形)
研究得较多的为以下三类基因组：
• 一、病毒基因组 • 二、细菌基因组 • 三、真核生物基因组
第三节 基因工程的定义和研究内容
基因工程的定义 通常是指 在体外把核酸分子（基因） 组合到特定的载体上（病 毒，质粒，噬菌体等）并 使之进入（或导入）到原 来没有这类分子的宿主体 内，能使基因在宿主内繁 殖或表达生物活性物质。 基因工程的核心内容是重 组DNA技术，还包括体外 DNA突变，体内基因操作 以及基因的化学合成等。
5、重复序列及重复基因
几乎所有的真核细胞（酵母除外）的基因组 DNA中都具有重复序列（repeated sequence）, 它无转位移动能力，因此它区别于转位作用的 IR（inverted repeat）。IR是指序列的重复性。 但无基因序列的交叉重叠性，故不同于重叠基 因序列。重复序列可分为四种类型：
三大技术发明
1. 工具酶的发明：内切酶、合成酶、连接 酶
2. 基因合成和测序（合成仪、测序仪） 3. PCR技术（PCR扩增仪）
基因工程的诞生
1972年是基因工程的诞生之年。美国斯坦福 大学P.Berg 将SV40的DNA导入噬菌体载体 在大肠杆菌中获表达。S.Cohen等人将抗四 环素、新霉素基因的质粒转化大肠杆菌，获 得抗四环素，抗新霉素重组菌落，从而揭开 基因工程的序幕。
七、基因的新概念
1、移动基因 2、断裂基因（split gene） 3、重叠基因 4、假基因 5、重复序列及重复基因
1、移动基因
• 移动基因（movable gene）又叫转位因子 （transposable elements）,由于它可以在染色体 基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁， 故又称跳跃基因（jumping gene）,这种基因是 J.A.Shapiro在研究大肠杆菌高效突变时发现的。 有三种类型：1.插入序列（insertion sequences, 简称IS），其长度为数百个到数千个碱基对之 间（如图1-1） 。 2.转位子（Tn)，即两侧的IS 和一个中心序列（带有遗传信息）3.噬菌体Mu 和D108，其转位作用如图1-2。
多基因家族
• 指来源相同，结构相似，功能相关的基 因在染色体上成串存在，形成多基因家 族。如rRNA、tRNA、组蛋白基因等为 成串的，干扰素、珠蛋白、生长激素等 为分散的。
卫星DNA
• 卫星DNA又称随体DNA，由CsCl 超速离心后，分散在主峰旁，形 似卫星分布而称之。一般5-10bp短 序列，人类为171bp，保护和稳定 染色体。
第一章 基因和基因组及基因工程的概念
第一节 第二节 第三节 第四节
基因的概念 基因组 基因工程的定义和研究内容 基因工程的发展史
第一节 基因的概念
一、基因与“遗传因子” 二、基因与染色体 三、基因与蛋白质 四、基因与DNA 五、基因密码的破译 六、基因的概念 七、基因的新概念
一、基因与“遗传因子”
• 1928年美国O.T.Avery首次证明了控制遗 传特性的物质是DNA, 而不是蛋白质, 染 色体上的基因为DNA分子。
• 1953年J.watson和F.Crick根据碱基配对规 律和DNA分子的X射线衍射图谱等实验, 提出了DNA分子的双螺旋结构。
• 1958年证明了DNA半保留复制和DNA RNA 蛋白质合成的中心法则（如图）。
• (1)不重复序列，是唯一的序列，只有一个拷贝。
• (2)低度重复序列，一般有1-10个拷贝。
• (3)中度重复序列，有数十至数万（105）拷贝。 如图1-9、1-10
• (4)高度重复序列 拷贝数可达106以上,包括卫星 DNA、高丰度SINE家族的Alu序列 。
第二节 基因组
“基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，对 于二倍体高等生物其配子的DNA总和即为一组基因 组。不同生物基因组数目不同，如表
第四节 基因工程的发展史
• 一、四大里程碑 • 二、三大技术发明 • 三、基因工程的诞生
病毒基因组
• 特点：1.结构简单，无细胞结构，基因组为DNA或RNA 组成，有双链/单链，环状/线状。2.有调控元件和转录 元件组成，转录元件可转录成为多顺反子mRNA。 3.有 重叠基因。4.逆转录病毒（RV）可使RNA变cDNA其结 构如图，具U3RU5的长末端重复序列（LTR），具随机 整和能力，可用作病毒载体。
• 与C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（称 C值）均大于低等生物，但某些植物或两栖动 物的C值比人高出几十倍，这种与进化复杂性 不一致的C值反常现象称为C值矛盾。
• 类型
• 多基因家族
四大里程碑
1. 遗传物质的明确——DNA 2. DNA双螺旋结构理论（半保留复制及其
中心法则） 3. 基因遗传密码子的破译 4. 基因转译载体的发现
回交
回交
圆形豆 皱形豆 黄色圆形豆 黄色皱形豆 绿色圆形豆绿色皱形豆
5474粒 1850粒 3 ：1
315粒 121粒
108粒
32粒
9 ：3 ：
3
：1
二、基因与染色体
• 1910年～1926年, 美国的摩尔根（T.H.Morgan） 选用果蝇做研究材料 ，发现了基因连锁和交换 现象 ，创立了遗传的染色体理论 （Chromosomol theory of inheritance） ，绘制 了基因连锁 图,接受了孟德尔的遗传原理,指出 遗传物质必须由某种独立的要素组成,即遗传因 子或叫做基因。从而证明了基因是位于染色体 上呈直线按顺序排列的遗传单位，基因是携带 遗传信息的结构单位，又是控制遗传性状的功 能单位 。
• 近来又发现微卫星DNA，又称简 单重复序列，一般由1-6bp的串联 重复单位组成，有2bp、5bp、67bp不等，以2bp为常见。人类基 因组中2bp（≥14）的重复序列呈 高度多态性。采用限制性长度多 态性（RFLP）分析，可用于基因 连锁的遗传标记，广泛用于诊断。
Fra Baidu bibliotek
三、基因与蛋白质
• 1941年G.W.Beadle和E.L.Tatum应用X射 线诱导链孢霉菌（Newospore crassa）在 DNA损伤修复后, 产生了大量营养缺陷性 突变体,提出了“一个基因一种酶”学说, 后来又修正为“一个基因一种蛋白质” 的学说, 或“一个基因一种多肽链”学说。
四、基因与DNA
摩尔根果蝇杂交试验
• 有4对染色体，一对小粒状，2对V形，一对呈棒 状XX或XY（性染色体）
X1X2（红眼）+XWY（白眼） （野生型） （突变型）
杂交子一代（雌雄均为红眼）
X1XW， X1Y ，
X2XW，X2Y
X1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2，XWY ¼为红眼雄性及白眼雄性
遗传密码的兼并性
六、基因的概念
• 按照分子生物学理论，基因的概念应当是指编 码有功能蛋白质多肽链或RNA分子所必需的全 部核酸序列（即DNA序列）。根据这个概念， 一个基因不仅含编码蛋白质肽链或RNA分子的 核酸序列, 还包括保证转录所必需的非编码的 调控序列即位于编码区上游5’端的启动子非编 码序列、内含子（intron）和位于编码区下游3’ 端的终止子非编码序列。编码区是发挥基因功 能的结构基因（或功能基因），而起调控、启 动和终止作用的非编码区属于调控基因。
遗传中心法则
五、基因密码的破译
• 1961年F.Crick,S.Brenner, M.W.Nirenberg, H.G.Khorana等确立了每三个核苷酸可作为决 定一个氨基酸的密码子。
• 1964年64种三联密码子全部被破译公布。 64种 密码子中有61个密码子可用于编码20种氨基酸, 有3个密码子为终止信号, 只表示链的终止, 不 表达任何氨基酸。其中AUG为启始密码子，并 具有通用性、偏爱性和简并性。
3、重叠基因
• 不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个 基因共用，将核苷酸彼此重叠的两个基 因称为重叠基因（overlapping genes）,在 174噬菌体有两种类型的重叠基因（图 1-6）。
4、假基因
• 在珠蛋白基因簇（gene cluster）各片断核 苷酸序列分析时发现，除了有正常的功 能基因之外，还有功能失活的特殊序列 片断，它不能行使表达功能。该类无表 达功能的畸变核苷酸基因序列片断，称 为假基因。其产生原因如图1-7、1-8
细菌基因组
• 约有三千个基因，无内含 子，为双链DNA，但无核 仁、核膜，多为单拷贝， 无重叠基因，有多种功能 调控区，有复制起始区、 终止区、转录起始区，终 止区常有反向重复序列。 另外有质粒存在，质粒可 作为载体。
真核生物基因组
• 特点：大而复杂，为双倍体，有低中高重复序 列，多为断裂基因，基因组中非编码区多于编 码区（占90%），大多于蛋白质结合形成染色 体，DNA占35%，RNA占5%，其余为蛋白质 （组蛋白或非组蛋白）