分子生物学Chapter 2 基因概念的演变与发展
分子生物学Chapter 2 基因概念的演变与发展共64页文档
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。apter 2 基因概念的演
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
变与发展
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
分子生物学：第二章 基因、染色体与DNA-1
Recombination analysis （重组分析）
rII47 0
rII102 0
rII47 0
rII104 0
infect E. coli B infect E. coli K12
两种噬菌斑
一种WT噬菌斑
可以根据重组值计算两两之间的距离
RII 47 104 101 103 105
2.1.1 遗传因子假说
(Hypothesis of the inherited factor G. J. Mendel 1866. )
• 生物性状由遗传因子控制
• 亲代传给子代的是遗传因子(A,a….) • 遗传因子在体细胞内成双(AA, aa)
在生殖细胞内为单（A,a） • 杂合子体细胞内具有成双的遗传因子(Aa) • 等位的遗传因子分离 • 非等位遗传因子间自由组合地独立分配到配子中
➢科学（基因--酶）为技术（互补测验）的发明提供了理论依据 ➢（互补测验）技术为科学（顺反子）的发现提供了方法手段 ➢构建大量（核苷酸及表型）突变体 ➢开展大量（功能互补）实验
顺反子学说（Theory of cistron）
• Cistron 是基因的同义词
• 在一个顺反子内，有若干个突变单位, 突变子(muton) • 在一个顺反子内，有若干个交换单位, 交换子（recon） • 基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的
最小的遗传功能单位 three in one one in one
• 基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换
• pseudo alleles 是基因内的不同突变体
• mut1 X mut2
WT 是基因内发生交换的结果
• cistron 概念的提出是对经典的基因概念的动摇
分子生物学 第二章 基因与基因组-新
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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。
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酵母
•
三个字母表明基因功能，而后的数
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二. 病毒基因组结构与功能
1、不同病毒的基因组的大小差异很大。 比细菌基因组小，只能编码少数蛋白，遗传
信息量较小。
2、不同病毒的基因组可以是不同结构的核酸; 每种病毒基因组由DNA或RNA中的一种组成。 核酸的结构可以是单链或双链，闭合环状或
线状分子。 根据基因组的核酸类型，病毒可分为DNA病
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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
为White，Tailless，Hedgehog。
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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。
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第二类是只有转录功能而没有翻译 功能的基团，包括tRNA基因和rRNA基 因。
第三类是不转录的基因，它对基因 表达起调节控制作用，包括启动基因和 操纵基因，这类基因也称控制基因。
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(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。
第二章 基因概念的演变与发展
基因的表达不仅有计量效应， 也有位置效应
基因的表达受染色体状态的影响。
等位基因
等位基因（allele）：指 的是野生型基因（A）发 生突变后形成的突变基因 （a），它与野生型基因 位于同源染色体的同一基 因座位上。
复等位基因（multiple alleles）：当野生型（A） 基因向不同方向发生突变 形成不同状态的等位基因 （a1,a2,a3…），总称为 复等位基因。
1909年，“Gene”单词由 Johannsen创造以表述 Mendel的“遗传因子”。
Gregor Mendel
通过果蝇眼色突变性状 的遗传实验发现了伴性遗传 现象，他和他的同事们进一 步通过大量的果蝇杂交实验 又发现了遗传学的第三个基 本规律----连锁遗传规律： 基因是以线性形式排列在染 色体上，在染色具有功能互补效应的测验体系中， 两突变位点是处于不同的非等位基因中。 反之，则处于同一等位基因中。
顺反子理论
通过互补测验 分析rII结构
rII 47
104 101 A基因
103 105 106 51 102 B基因
顺反子理论
基因（也即顺反子）是染色体上的一个区段，在一个顺 反子内有若干个交换单位，最小的交换单位称为交换子 （recon）。
A基因
B基因
当顺式有功能，而反式没有功能时,突变位点突变位点
在同一顺反子内；当顺式有功能,而反式也有功能时，
突变位点突变位点在不同顺反子内。
顺反子理论的意义
将 “三位一体”的经典基因概念修正为“一
位一体”的基因概念。
动摇或否定了“拟等位基因”的概念：拟等
位是基因内部同位点的突变体，是复等位基 因的不同成员。
5.1955年，Benzer提出顺反子理论，从理论上修正了 拟等位基因的概念，再次发展了经典的基因概念。
医学分子生物学-2.基因与基因组-coco
非编码序列 ＞95％
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5. 功能相关基因构成各种基因家族
核苷酸序列或编码产物的结构上具有一定程
度同源性的一组基因。家族内成员由同一个祖先 基因进化而来。
人生长激素（hGH）与绒毛膜生长催乳素（hCS）序列
真核生物基因组的结构特点
• 每一种真核生物都有一定的染色体数目 • 基因组庞大，结构复杂，多个复制起点 • 转录产物为单顺反子 • 存在大量重复序列 • 非编码序列多于编码序列 • 功能相关基因构成各种基因家族
二、原核生物基因组
以大肠杆菌（Escherichia coli）为例
染色体DNA
质粒DNA
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（一）原核生物基因组特点
1.由一条环状双链DNA分子组成，
2.通常只有一个DNA复制起点。
OriC
4.6×106 bp
TerC 大肠杆菌染色体DNA
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3.结构基因大多组成操纵子
掌握概念
操纵子(operon):多个功能相关的结构基因成簇 串联排列，与上游共同的调控区和下游转录终止 信号组成的基因表达单位。
单链线性RNA
双链线性DNA
双链线性RNA 单链环状DNA
2.不同病毒基因组大小相差较大
例如：痘病毒：130-375kb；HBV：3.2kb
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3. 除逆转录病毒外，通常为单倍体基因组。
二倍体基因组
逆转录病毒基因组的复制与基因表达
逆转录病毒的复制与表达
单链线性RNA，二倍体；
有三个基本的结构基因：gag、pol、env；
2. 顺式作用元件有哪些？ 主要有启动子和上游启动子元件、增强子、 沉默子、反应元件、Poly(A)加尾信号。
第二节 基因组(genome)
基因概念之演变
基因概念之演变基因（gene）是遗传学家约翰逊（W．Johannsen）在1909年提出来的。
他用基因这一名词来表示遗传的独立单位，相当于孟德尔在豌豆试验中提出的遗传因子。
在遗传学发展的早期阶段，基因仅仅是1个逻辑推理的概念，而不是一种已经证实了的物质和结构。
由于科学研究水平的不断提高，从浅入深，由宏观到微观，基因的概念也在不断的修正和发展。
从遗传学史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段：孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因阶段；顺反子阶段和现代基因阶段。
一、孟德尔的遗传因子阶段19世纪60年代初，孟德尔对具有不同形态的豌豆作杂交实验，在解释实验中每种性状的遗传行为时，用A代表红花，a代表白花，表明生物的某种性状是由遗传因子负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。
遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。
孟德尔所说的“遗传因子”是代表决定某个性状遗传的抽象符号。
孟德尔在阐明遗传因子在世代中传递规律时，就已经认识到了基因的两个基本属性：基因是世代相传的，基因是决定遗传性表达的。
现在所说的“基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位”，实际上就是孟德尔所阐明的基因观。
二、摩尔根的基因阶段1909年，丹麦遗传学家约翰逊创造了“基因”这一术语，用来表达孟德尔的遗传因子，但还只是提出了遗传因子的符号，没有提出基因的物质概念。
摩尔根对果蝇的研究结果表明，1条染色体上有很多基因，一些性状的遗传行为之所以不符合孟德尔的独立分配定律，就是因为代表这些性状的基因位于同一条染色体上，彼此连锁而不易分离。
这样，代表特定性状的特定基因与某一条特定染色体上的特定位置联系起来。
基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，从而赋予基因以物质的内涵。
三、顺反子阶段早期的基因概念是把基因作为决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位，后来，这种“三位一体”的概念不断受到新发现的挑战。
基因的概念及发展
造成玉米粒的颜色成斑驳状。
Ac-Ds 系统
第三十五页，编辑于星期一：点 四十三分。
玉米中的转座子
“可移动的控制因子” ---- 解离因子（ dissociator ，Ds）
它可以插入到 C 基因中 ---- 转座。
另一个可移动的控制因子是激活因子（ activator ，Ac）， 它的存在可激活 Ds 转座，进入 C 基因或其他基因，也
influenced by the position effect 果蝇的 X染色体上16A区段
第十六页，编辑于星期一：点 四十三分。
2. 拟等位基因（pseudo allele ）概念
染色体上紧密连锁，控制同一性状的非等位基因
AB
ab
自然分离 重组交换
AB
ab
Ab aB
野生型 突变型
野生突变型 突变野生型
体内的各类细胞中，均具有代表其自身的 胚芽。
杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。 他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，
胚芽随血液循环到达生殖细胞，并传递给后代。
第六页，编辑于星期一：点 四十三分。
4.种质论 （Theory of germplasm, Weismann ， 1885）
? 多细胞生物的细胞可分为“体质”和“种质” ?后天获得性只能改变体质（ Somatoplasm ,体细胞）， 无法改变种质（ Germplasm , 生殖细胞）
? 重复的假基因
已有基因在结构上发生较大变化而失去功能后形 成
转座子的发现
（ McClintock B ， Cold Harboring Lab ）
1950 年，发现玉米粒的颜色经常发生变化
基因概念的演变与发展
5、DNA序列中的不寻常结构
6、DNA的性质（变性与复性）
（一）核 酸 概 述
（1）核酸的化学成分
核苷酸分子由三个部分组成： 碱基：嘧啶（双环）、嘌呤（单环）
五碳糖：核糖或脱氧核糖
磷酸
核苷
(1) 碱基—糖之间是β—糖苷键
(2) 糖—磷酸之间是磷酸酯键
（2）核酸的种类
核酸有两种：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸 （RNA）。两种核酸的主要区别如下：
大肠杆菌
流感病毒
（二）DNA的一级结构
DNA的一级结构，就是指4种核苷酸的连接及 其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。
（三）DNA的二级结构
DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反 向平行盘绕所生成的双螺旋结构。
沃森（左）和克里克（右）
1、DNA双螺旋结构主要内容
（1）两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此
（五）DNA中的不寻常结构
DNA的不寻常结构是以一定的DNA序列为基
础的。
交替的嘧啶、嘌呤重复序列倾向形成Z-DNA，
反向重复序列倾向形成十字形结构， 构成镜像重复的同型嘧啶-同型嘌呤序列可能形
成三链结构，
而富含G的序列可能形成四链结构等。
（六）DNA的性质
1、DNA变性
是指当双螺旋DNA加热至生理温度以上（接近100º C）
“获得性遗传理论”（Lamarck)：物种的形成是对 环境的适应过程，环境对形态的改变一旦发生就可 以获得并遗传给后代，使生物体逐渐转变为新种；
“泛生论”（Darwin)：生物体一切性状的表现受 控于体内各部位的各种泛生粒；
“种质论”（Roux)：生物体的性状表现是由
基因的概念及发展
♣ 交换单位：基因间能进行重组，并且是交换 的最小单位。
♣ 突变单位：一种基因能突变为另一种基因， 产生等位基因。
A a
♣ 功效单位：控制有机体的性状。
(1926 T. H. Morgan)
三、基因概念的发展
1. 位置效应（position effect）
一种基因随着染色体畸变 而变化它和邻近基因的位置关 系，从而变化了表型效应的现 象称位置效应。
characteristics, Lamarck,拉马克, 1809)
物种的形成是对环境的适应过程，后天所获得 的性状(character)能够遗传给下一代。
例如长颈鹿的祖先是短颈的，由于地上的草不 够，它们需要伸长颈部去吃树上的叶，那么下 一代的颈就会变长。如此一代一代伸长下去， 就变成用今进天废退的长否认颈遗鹿传。物质的存在
遗传性状由遗传因子决定 遗传因子成对存在 生殖细胞中含有成对因子中的一种 每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞 形成生殖细胞时，成对因子互相分离 生殖细胞的结合是随机的 遗传因子有显隐性之分
孟德尔定律：
分离定律（Law of segregation） 自由组合定律（Law of independent assortment）
1926
典型基因概念
• 基因是染色体上的实体 • 基因象念珠(bead)状孤立地呈线性排列在染色体上
• 基因是“三位一体” (Three in one)
交换(cross-over unit) 突变(mutation unit) 功效(functional unit)
“三位一体”的
最小的 不可分割的 遗传单位
基因是最小的功效单位
Locus (loci ) ： 基因座 Site： 位点
分子生物学 (2)
一名词解释1.基因：产生一条多肽链或功能RNA 所必需的全部核苷酸序列。
2.断裂基因：在DNA 分子的结构基因内既含有能转录翻译的片段，也含有不转录翻译的片段，这类基因称断裂基因3.顺反子：由顺/反测验定义的遗传单位，与基因等同，都是代表一个蛋白质质的DNA 单位组成。
一个顺反子所包括的一段DNA 与一个多肽链的合成相对应。
4.变性：是DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。
5.复性：热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。
6.顺式作用元件：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。
例：启动子、增强子、弱化子等7.反式作用因子：能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质。
8.增强子：在启动区存在的能增强或促进转录的起始的DNA序列。
但不是启动子的一部分。
9.PCR:即聚合酶链式反应。
扩增样品中的DNA 量和富集众多DNA 分子中的一个特定的DNA 序列的一种技术。
在该反应中，使用与目的DNA 序列互补的寡核苷酸作为引物，进行多轮的DNA合成。
每一轮中都包括DNA 变性，引物退火和在Tap DNA 聚合酶催化下的DNA 合成反应。
10.SD 序列:原核生物起始密码AUG 上游7～12 个核苷酸处的一段保守序列，能与16S rRNA 3′端反向互补，被认为在核糖体-mRNA 的结合过程中起作用。
11.转录：生物体以DNA为模板合成RNA的过程。
12.操纵子:细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因和能被调控基因产物识别的DNA 控制元件。
13.SSB:即单链结合蛋白，大肠杆菌中一种与单链DNA 结合的蛋白质14.启动子:DNA 模板上具有活化RNA 聚合酶、启动转录起始功能的特殊序列。
15.终止子:模板DNA 上的具有终止转录功能的特殊序列。
16.Tm值：增色效应达到最大值一半时的温度17.C值矛盾：C值与生物结构或组成的复杂性不一致的现象18.多顺反子：原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位转录成的 mRNA 能编码几种功能相关的蛋白质。
基因概念的演变
个独立的单 位 ， 它并不 是一个 突变单位 或重 组单 但
类细胞 ， 在世代繁衍过程中永 世长存 ， 在世代 间连续相
传 。体质是 由种质 产生 ， 护和 帮助种质 繁 殖 自身 的 保
一
位， 而要 比它们 大 得 多 ， 它的 内部 可 以发 生 突变或 重 组， 即包含 有若干个 突变单位 即突变子 （ ｕ ｎ 和若干 ｍｔ ） ｏ
果蝇性状 的杂交实验 ， 结合细胞学的观察 ， 发现 了基 因
连锁 和交 换 现象 及 其 染 色体 机 理 ， 总结 为《 因论 》 基 （ｈｏｙｏ ｔｅｇｎ ） ｔｅｒ ｆ ｈ ｅｅ 。指出基 因是染色 体上 的实体 ； 基 因像链珠一样 ， 孤立地呈线状地排列在染色体 上 ； 因 基 是功能、 突变、 交换 的最 小单位 。摩尔根第一 次将 代表
某一特定性状 的基 因与某 一特定 的染色体 联 系起 来 ， 基 因不再 是代 表某 种性状 的抽象 符号 ， 而是染 色体 上
文 （ ａ ｉ） Ｄ ｒ ｎ 对生 物界 的 遗传 和 变异 进行 了系 统 的研 ｗ 究 ， 出了“ 提 泛生论 ” 认 为身 体 的每个 器 官里 都存 在 ， 微小 的 且 代 表 其 自身 的 “ 芽 ” “ 生 粒 ”（ ａ— 胚 或 泛 ｐｎ ｇｎ） 在 生 活周 期 的任 何 阶段 细 胞 都 可释 放 出 “ ｅｓ ， 胚
芽 ” 在体 内流 动 ， ， 通过 分裂 增 殖发 育 成 同样 的 细胞 。
胚芽也可积 累在器官里 ， 形成生 殖细胞 ， 在受精 卵发育
具有一定 空间位 置的实体。
２ 基因概念 的演 变 ２ １ 顺反子 理论 （ｈｏ ｉｒｎ １５ ． ｔｅｒ ｏ ｃ ｔ ） ９ ５年 ， ｙｆ ｓ ｏ 本泽 尔
Chapter2 gene 的概念
Recombination assay
rII47 0 rII102 0 E.coli B rII47 0 rII104 0 plane E.coli B Blotting into plane E.coli K12
否定了
泛生论，获得性遗传理论，融合遗传假说 颗粒遗传理论 (theory of particulate inheritance) 遗传因子的分离规律 (Law of segregation)
奠定了
提出了
遗传因子的自由组合规律 (Law of independent assortment)
缺乏细胞在有丝分裂和减数分裂过程中 染色体行为的有力证据
产物: 功能: 蛋白质Gene； RNA gene 。 结构基因~酶/蛋白/RNA 调节基因~阻遏蛋白/转录因子。 至此“gene” 术语已使用90余年，其字面并未发生 变化，而其概念和涵义却在不断地发生变化，gene 是生物学中涵义变化最多最快的一个词。到1977， 人们发现了不连续基因，使得基因的概念并不完全 等同于顺反子。基因概念亦然在变迁。
XwXwa
Xw- XwXw- Xwa
Pseudo Alleles
紧密连锁 （交换率极低），功能相同（表型相似）
A1
a1
a2
A2
A1 A2
a1 a2
w.t
Mut.
From 1940’s
Microbe(微生物) as genetic research material Single Simple Propagation Population
2.2. 经典的基因概念
2.2.1 基因论
T.H.Morgan 等 人 研 究 果 蝇 ，
提出连锁交换规律和伴性遗传，
基因概念的发展历程
基因概念的发展历程石洪宇学号81120216 生物技术（动物）基因也可以叫顺反子,是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,位于染色体上,具有保存和传递遗传信息的功能.基因控制蛋白质的合成.基因在复制的时候由于各种原因会发生复制错误,也就是我们常说的基因突变.基因突变会导致他控制的蛋白质也发生相映的改变``这种变化是不固定的.可能对我们是有益的也可能是有害的.生物的进化就是因为基因的遗传和突变造成的.现代遗传学家认为，基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。
基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。
基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。
不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同，是基因差异所致。
人类只有一个基因组，大约有5-10万个基因。
人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。
计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。
打个比方，这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图，并标明沿途的每一座山峰与山谷。
虽然很慢，但每一座山峰与山谷。
虽然很慢，但非常精确。
随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变化。
基因药物已经走进人们的生活，利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。
因为随着我们对人类本身的了解迈上新的台阶，很多疾病的病因将被揭开，药物就会设计得更好些，治疗方案就能“对因下药”，生活起居、饮食习惯有可能根据基因情况进行调整，人类的整体康健状状况将会提高，二十一世纪的医学基础将由此奠定. 利用基因，人们可以改良果蔬品种，提高农作物的品质，更多的转基因植物和动物、食品将问世，人类可能在新世纪里培育出超级物作。
分子生物学第二章基因的概念21
in euchromatin） 常染色质
W
Ww whБайду номын сангаасte eye
（W gene be silenced
w
in heterochromatin）
异染色质
剂量效应(dosage effect)
如在细胞或个体中既有重复又有缺失，总的基 因组平衡的话，除染色体重排引起的效应外，个体 表型是正常的。但若总量因重复而增加，那么某些 基因及其产物的剂量也随之增加，如这些基因或产 物十分重要的话必然会引起表型异常。
1.1 融合遗传理论 （Blending inheritance）
公元前5世纪 Hippocrates
+ 母本体液
父本体液
子代具有父、母双亲的性状
直到19世纪以前人们对子代与亲代之间相似现象的原因还存在着许多错误的认识。 如：古希腊的希波克拉底认为亲代双方通过血液贡献出他们的胚芽，然后通过有性 繁殖传给后代。亚里士多德则认为，雄性为胚胎提供了“蓝图”，母体为胚胎提供 了物质。柏拉图认为，有关孩子生下来更像父亲还是更像母亲，取决于受孕时父亲 的感情更浓烈些，还是母亲的感情更浓烈些。
Ｘ－chromosome
16A
Wild type
779个
Duplication 复制
1 基因概念的演变与发展
第二章 1-基因概念及其发展
rII47 ●
104 101 ●●
A gene
103 105 106 51 102
● ●● ● ● B gene
➢科学（基因--酶）为技术（互补测验）的发明提供了理论依据 ➢（互补测验）技术为科学（顺反子）的发现提供了方法手段 ➢构建大量（核苷酸及表型）突变体 ➢开展大量（功能互补）实验
顺反子学说（Theory of cistron） (Benzer 1955)
功能互补
复制和重组
WT phenotype
依据 One gene
a1
B
one enzyme
A b1
A
b2
Wild type 相 互 补 充！
具有 不具有
功能互补效应 的测验体系
A
b2
Mutant
没 有 互补！
突变位点处于 不同的等位基因
突变位点处于 同一等位基因
rII region in T4 phage contains two genes
Epigenetics ! Why ?
W
Ww white eye 白眼
w
Position effect
（W gene be silenced in
heterochromatin, 异染色质区的 W 基因沉默）
（位于不同染色质区域，效应不同）
4. 拟等位基因（pseudo alleles）
A
Multiple alleles
TMV genome, positive-sense ssRNA
UAG read through
ORF1
126 K
ORF2
183 k
ORF3
ORF4
32 k
基因概念的提出和发展
基因概念的提出和发展摘要1900年，Hugo de Vries, Erich von Tschermak和CarlCorrens等人再次发现了孟德尔的遗传法则，这为新的一门学科——遗传学的产生奠定了基础。
此后，1909年，约翰逊引入了“基因”这个概念，用它来表示孟德尔遗传学中控制单个性状的基本单位。
尔后，随着科学的发展，基因的本质逐渐被人们认识，本文将从“遗传因子”、“三位一体”、“顺反子”、“操纵子”等几个发展层次试述基因概念的提出和发展。
并在此基础上尽量丰富基因的概念。
关键词：遗传因子顺反子操纵子AbstractIn the year of 1900, Hugo de Vries, Erich von Tschermak and CarlCorrens rediscoverd the once again found the Mendel's Genetic laws，and this laid the foundation to this new genetics. hence, in 1909, Johnson lead into the "gene" concept, using it to represent the basic unit of a single trait in Mendel Genetic. Later, with the development of science, the nature of genes was recognized by scientists gradually. Here we will discuss gene concept from several stages, as for "genetic factors", "trinity", "cistron", "operon". And we will rich gene concepe as probably as possible. Keywords: genetic factors cistern operon一前言孟德尔在十几年的豌豆杂交试验中，用数学统计的方法分析了试验数据并提出了遗传学的两大定律：基因的分离定律和基因的自由组合定律。
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间隔基因普遍存在
大多数基因是间隔基因：结构基因，tDNA, rDNA 间隔基因存在于真核生物中，也存在于原核生物中 也存在于某些低等真核生物的线粒体和叶绿体中
间隔基因的共同特征
基因上的外显子排列顺序与成熟mRNA上的排列顺序一致
间隔基因在不同组织细胞中的内含子成分一致
核基因的阅读框通常被内含子隔开，内含子一般无编码功
基因后发现，这种基因在4000万年前失去功能之后，又于2000万年
前“复活”。相关论文已于3月6日发表在《公共科学图书馆•遗传学》 （PLoS Genetics ）上。
2.5.5 假 基 因（Pseudogene）
正常基因的失去功能的非等位拷贝。
Functional Mutation 功能上的突变:
并非所有真核生物基因均是间隔基因：
组蛋白基因家族成员
干扰素基因 酵母的大多数基因
间隔基因形成的假说
内含子先存论（Intron early）：
内含子存在于古老的基因中，是基因的一部分；所
有基因均起源于原本就具有间隔结构的DNA分子。
原核生物的基因组小，“无功能”的内含子成为快 速复制的包袱，在进化过程中被丢弃.
成熟mRNA上出现。而EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点正好位于这些 间隔区其中的两个里，因此EcoRⅠ和 HindⅢ 可将卵清蛋白基因
切成3段，电泳得到3条不同大小的带。
点样孔
酶 切
杂 交
鸡DNA
卵清蛋白基因被 切断成3个片段
基因组DNA 酶切产物电泳
1977，Chambon 对鸡的实验结果的解释和验证
的两侧
不编码 （？） 无选择压力：易变异，累积突变
重复序列形成的假说 1。滚环扩增-突变
重复序列形成的假说 2。反转座插入
重复序列形成的假说: 3。跳跃复制
小鼠中的跳跃复制
重复序列形成的假说 4。不等交换假说
部 分 B
―序列重复”引起的思考：
低等真核生物 10%~20% 高等植物 80% 高等动物 50%
担子菌、烟蚜夜蛾、秀丽新小杆线虫：7 introns 9种动物、5种植物、5种真菌、5种原生动物：21 introns 符合随机插入的理论
间隔序列的进化意义
增加变异概率，有利于进化
内含子不受选择压力，有利于累积突变，增加总变异量
内含子较长，易于进行基因间重组，增加外显子重新组合的概率
与外显子变异相比，有利于物种的稳定性
2.5.4
间 隔 基 因
Interrupted Gene / Splitting Gene
由若干外显子和内含子序列相间隔排列组成的 外显子：
DNA上与成熟mRNA上对应 的核苷酸区段
内含子：
结构基因中能够可转录但在 mRNA出数之前被剪接掉的 核苷酸区段。
结构基因的编码区
非间隔区
非编码区 间隔区
QβRNA病毒：IP gene vs. CP gene 同向；终止密码漏读
外壳蛋白
侵染蛋白
2.5.2 基 因 重 叠 Gene Overlapping
不同基因共用同一段DNA序列
重叠基因的种类
反向重叠
（原核生物基因组）
（线粒体基因组）
同向重叠
（原核生物基因组）
可变剪接
（真核生物中的基因重叠）
主带：92%；42%GC
卫星带：34%GC；“CAAAAATGA‖
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106t; 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
insert 假基因
2.5.6
Gene Jumping / Transposon 基因跳跃/转座子
Transposon: One DNA segment that can move from one genomic site to another.
排列在核仁组织区，又称主 体rDNA
不同的物种的基因组中，其 拷贝数有所差异
在发育过程中随着生理、发 育的需要发生不同程度的扩增
水杉：1434 copies（但不同群体间有 差异）
灵长类特有的Alu序列家族
人类基因组中：
弥散性的分布； 约500，000 copies； 占基因组5%~6%；
rDNA 基 因 家 族
(编码3种rRNA)
18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s 18s-5.8s-28s
海胆：450 copies 果蝇：100 copies 烟草：750 copies 非洲爪蟾卵母细胞：500 copies（可 扩增至2000 copies ）
18s-5.8s-28s
单拷贝；
<10 拷贝； 大多数的编码蛋白质的结构基因。
Ⅱ。中度重复序列
Mid-frequency repetitive sequence
特征：
重复单位 0.1~1Kb 10~10，000 copies/genome
C0t: 0.001~0.1
rDNA基因家族
例子：
Alu序列家族
Chapter 2 基因概念的演变与发展
2.5 基因概念的多样性
2.5.1 生物进化的C值矛盾 （C value paradox）
Maximun C Value（C值）：
某生物物种单倍体基因组DNA的总量。 The total of DNA in the genome of haploid（单倍体） is a characteristic of each living species known as its Maximun C Value.
disablement, most commonly through disruptive frameshift mutation or premature stop codon formation。
假基因
加工型假基因
Arising from reverse transcription from messenger RNA (mRNA) and re-integration into the genomic DNA.
基因组DNA 酶切产物电泳
基因组上的卵清蛋白基因被切断！
Vs.
cDNA上确实没有EcoRⅠ和 HindⅢ的识别位点。
？
另一个实验：1977，Sharp group Roberts group
腺病毒2中的Hexon cp基因 的mRNA分子是由长而不连续的 DNA转录而来，其5’端来自基因 上的几个小片段的转录！
累积突变，整体进化
Ⅲ。 高度重复序列
High-frequency repetitive sequence
特征：
长度：2~10bp 105~106 copies/genome
C0t: < 0.001
串联排列 分布于着丝点，端粒区，结构基因
的两侧
例子：
卫星DNA
小鼠基因组的密度梯度离心
外显子变异：蛋白质序列、结构变异，受到选择压力，要不淘汰
要不保留 内含子变异：不影响蛋白质功能，不影响物种遗传稳定性，不被 清除而保留下来
扩大遗传信息储量：外显子与内含子区分的相对性 利用内含子进行基因表达调节：酵母Cyt b基因内含子切除的
调节机制
外显子与内含子区分的相对性
S L 2 3
Transcription
Splice
唾液腺
Splice 肝脏
一篇最新报道： 《PloS遗传学》： 科学家首次发现无功能性基因“复活”
图片说明：IRGM基因似乎在约2000万 年前复活，重新发挥作用。 （图片来源：Punchstock） 美国、西班牙、德国和意大利科学家近日研究了一个克罗恩氏病相关
DR IR
Alu Ⅰ识别位点 AGCT
IR DR
平均每6，000bp就有一个 重复。
300bp，1 copy of Alu family
成员之间 87%以上的同源性
中度重复序列的特征
拷贝数多
重复成员之间序列相同或相似
束状串联（Cluster gene / Tandem gene） 功能相同
基因组逐渐扩增 C值逐渐增大
同一生物类别中：C值差异很大
矛盾：
有些进化上更高层次的生物类别的C值比低层次的生物的 小：某些哺乳动物的C值 < 两栖类的C值
C值与c值的矛盾：
人类: c值 / C 值 = 10%
C值 = 3*109 bp → 可编码40~50万基因 c值 = 3~4万基因，相当于3*108 bp 90%的序列的功能是什么？
Minimun c Value（c值）：
所有含基因编码信息的DNA总量。 The total amount of DNA for encoding the genes information
is termed its Minimun C Value.
高等真核生物
低等真核生物 原核生物
低等生物→高等生物；原核生物→真核生物
失去正常功能的突变多肽 突变的短肽
不能转录的基因序列
Structural Mutation 基因结构的突变: