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1、第九章 基因结构及作用调控,第一节 基因的概念 第二节 基因细微结构 第二节 基因表达及其调控 小 结,本章重点： 基因的概念及发展 互补测验 基因作用的调控 本章难点： 基因互补测验 绘制基因的细微结构,第一节 基因的概念 一、经典遗传学的基因概念 1909年，丹麦学者约翰森提出了基因(gene)术语代替孟德尔的遗传因子（factor）。 1910年美国遗传学家摩尔根等通过对果蝇、玉米的研究，创立了基因学说，以此建立了经典遗传学。经典遗传学认为，基因是一种化学实体，呈串珠状直线排列在染色体上。,基因共性： （1）能够自我复制繁殖，具有相对稳定性，在细胞分裂中，同染色体一样有规律的分配 （2）
2、交换的最小单位 （3）最小的突变单位 （4）一个基本功能单位 总之，经典遗传学认为基因是突变、交换、功 能三位一体不可分割的单位。,二、现代遗传学的基因概念与发展 现代遗传学认为基因是一段具有遗传信息的DNA片断。 1953年，Crick和Watson DNA双螺旋结构模型 分子遗传学。 分子遗传学认为基因是一段具有特殊遗传信息的DNA片断，它或者被转录成RNA，进一步翻译成蛋白质或酶从而控制性状表达；或者对其他基因的活动起调控作用。,1955年，本泽尔(Benzer) 研究T4噬菌体，发现基因的可再分割性。提出： （1）突变子 性状突变时，产生突变的最小单位。一个最小的突变子可能只包含一个核
3、苷酸对。 （2）交换子（重组子） 连锁基因交换时的最小交换单位。最小的一个交换子可能只包含一个核苷酸对。 （3）顺反子（作用子） 通过顺反实验测定出的功能单位。这一术语表示一个起作用的功能单位，基本上符合通常所指的基因。,1961年，Jacob和Monod 乳糖操纵子模型 将基因分为： （1）结构基因 能控制和成蛋白质或酶从而控制性状表达的基因。 （2）调节基因 通过合成阻遏物控制结构基因转录和翻译的基因。 （3）操纵基因 控制结构基因转录的开关位点。 （4）启动基因 转录子与RNA聚合酶结合的位点。 以后将操纵基因和启动基因改称为操纵子和启动子。,随着基因结构和功能的深入研究，基因的概念和内
4、容不断又有新的发现。 （1）隔裂基因（Splitting gene）1977年加拿大Sharp和美国Roberts发现。 某些基因被中间一个或多个没有遗传信息的内含子隔裂开来。 内含子：一个基因内部无遗传信息的DNA片段。 外显子：结构基因中具有遗传信息的DNA片段。,（2）重叠基因（Overlapping gene）1978年美国Sager发现。 某些核苷酸片断同时编码两个基因。,A,B,A基因和B基因供用部分核苷酸,（3）跳跃基因（Jumping gene）20世纪50年代美国McClintock发现。 有些基因在染色体上的位置不固定，可以在 不同染色体间或染色体不同位置间发生转移。 跳跃
5、基因加上促使基因跳跃的DNA片段合称为转 座子。 （4）伪基因（Pseudogene）同已知基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。,第二节 基因结构 一、互补测验（顺反实验） T4噬菌体rII区有不同的突变型，r1、r2、r3等。,r1,r2,r3,不能产生有浸染力的 能够产生有浸染力的 r1和r2子代噬菌体 r1和r3子代噬菌体,两种突变能彼此互补，产生野生性状，说明突变发生在不同的功能单位中，如彼此不能互补则发生在同一功能单位内。 通过互补测验发现的功能单位称为顺反子。r1和r2属于同一顺反子（基因）。r3与r1和r2属于不同的顺反子（基因）。,高等生物
6、互补测验必须建立双突变杂合体。,A B,A B,A B,A B,顺式排列,反式排列,顺式排列总是表现野生性状，作为对照。反式排列与顺式排列表现型相同，两种突变发生在不同的功能基因中；反式排列与顺式排列表现型不同，两种突变发生在同一功能基因中。,二、基因细微结构 原理： 野生型T4噬菌体rII能感染B和K12菌株，产 生小而边缘模糊的噬菌斑。 rII突变型不能感染K12菌株，只能感染B菌株 产生大而边缘清楚的噬菌斑。 用两种不同的rII突变型同时感染B菌株，在 细菌体内噬菌体染色体间可能发生交换，根 据交换计算两个突变位点间的交换值。,方法： 例如，两种突变型rx r和r ry同时感染B菌株，理
7、 论上产生4种子噬菌体：亲型（rx r和r ry），重 组型（rx ry和r r）。4种都能感染B菌株，可计 算噬菌斑总数，只有r r能感染K12菌株，计算重 组型噬菌斑数。 重组型噬菌斑数 总噬菌斑数 2rr噬菌斑数 总噬菌斑数 2K12噬菌斑数 B菌株噬菌斑数,重组值,100,100,100,T4噬菌体不同突变型的配对杂交实验,本泽尔共选取了8种rII不同突变型进行配对 杂交据此绘制rII区基因的细微结构图。,图92 通过配对杂交后绘制的rII区部分连锁图,该分析系统能检测出最低交换值是0.0001%，实验中发现两个非等位基因间的交换值总是大于0.01%，因此交换值为0.0001%0.01
8、%定为同一基因内交换, 有些杂交实验不产生重组型即重组值为0，认为这是基因内同一交换子产生的不同突变。由此得出概念：一个基因由许多交换子组成，不同交换子间可以发生交换，同一交换子内不能发生交换。因此，一个交换子就是一段内部不发生交换的DNA片断。 另外，创造了突变子的概念：同一基因内不同表现型的突变是由于不同突变子发生突变的结果，一个交换子可能包含几个突变子。,第三节 基因表达及其调控 一、基因与性状表达 （一）直接编码蛋白质 人类贫血症 正常：HbA 贫血：Hbs Hbc 每个血红蛋白有4条多肽链，2条链，141个氨基酸，2条链，146个氨基酸。三个基因编码的蛋白质仅链的第六位氨基酸有差异。
9、,HbA：缬氨酸组氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸谷氨酸 谷氨酸 Hbs：缬氨酸组氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸缬氨酸 谷氨酸 Hbc：缬氨酸组氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸 谷氨酸 由mRNA反推DNA 基因 氨基酸 mRNA DNA HbA： 谷氨酸 GAA GAA CTT Hbs： 缬氨酸 GUA GTA CAT Hbc： 赖氨酸 AAA AAA TTT,（二）控制酶的合成间接控制性状 例如：豌豆株高,T基因,合成赤霉素,节间伸长,高茎豌豆,t基因,不合成赤霉素,节间不伸长,矮茎豌豆,二、基因作用的调控 （一）原核生物的基因调控 Monod和Jacob的大肠杆菌乳糖代谢操纵子模型： 代谢乳糖需要3种酶： （
10、1）-半乳糖苷酶 将乳糖分解为半乳糖，Z基因控制合成 （2）渗透酶 增加膜的透性便于乳糖吸收，A基因控制合成。 （3）硫化半乳糖苷乙酰转移酶 作用不清楚，Y基因控制合成。 调节基因I，操纵子o。,1.乳糖操纵子负调控 当培养基中没有乳糖时，调节基因I合成阻遏物，结合在操纵子O上。从而阻止RNA聚合酶的通过，使得与乳糖代谢相关的3个结构基因不能被转录。 当培养基中加入乳糖时，乳糖作为反阻遏诱导物，与阻遏蛋白结合，使其空间构型发生变化脱离操纵子O，RNA聚合酶得以通过，与乳糖代谢相关的3个结构基因能被转录。,2.乳糖操纵子正调控 当培养基中有足够的葡萄糖时，大肠杆菌细胞中的环腺苷单磷酸（cAMP）
11、的含量很低； 当培养基中缺少葡萄糖时，cAMP的水平迅速上升。 cAMP可以和一种代谢产物激活蛋白（ CAP）结合形成复合体，该复合体与特异位点的结合能帮助RNA聚合酶与启动子结合，从而启动结构基因表达。,培养基中既有葡萄糖又有其它糖（如乳糖）时, cAMP含量很低，不能形成cAMP-CAP复合体，CAP不能结合启动基因P。启动子P上没有CAP的情况下，RNA聚合酶不能有效地结合到启动区域，因而尽管阻遏物离开操纵子，Z、Y、A三个结构基因不能转录。 培养基中只有乳糖而没有葡萄糖时，cAMP含量升高，能形成cAMP-CAP复合体，CAP结合于启动子P。启动子P上有CAP的情况下，RNA聚合酶能有
12、效地结合到启动区域，因而Z、Y、A三个结构基因被转录。,（二）真核生物的基因调节 1DNA合成水平的调控 （1）基因扩增 需要发挥作用的基因扩增 成多个拷贝。如两栖类卵细胞前体RNA基因， 扩增后基因拷贝数可达2106，组装大量核糖 体，满足大量合成蛋白质的需要。 （2）异染色质活化 需要发挥作用的基因降低 螺旋化程度。如鸡的网组织细胞需大量合成珠 蛋白，该细胞中DNA螺旋化较低，易被DNA 酶降解。,（3）DNA甲基化 胞嘧啶（C）第5碳上的氢被一个甲基取代称为甲基化。 甲基化后可降低转录效率。,2转录水平调控 在转录水平上加以调控。 （1）启动子与转录因子参与调控。 启动子：转录因子与RN
13、A聚合酶接合的位点， 位于基因编码区的上游，是基因的一个组成部 分。 转录因子：激活真核生物基因转录的一系列蛋 白质。 转录因子在启动子区与RNA聚合酶接合，促使 基因转录。,（引自李惟基等，2007）,（2）强化子的调控作用 强化子：真核生物基因转录的一种顺式调控元件，可以提高转录效率；可对生物体的生长发育 、细胞内外的信号作出反应，使特定的基因进行 转录。 强化子与转录激活子结合，使DNA形成环状结构， 便于强化子、启动子、转 录激活子、转录因子、 RNA聚合酶一起形成转录 复合体，提高转录效率。,（3）激活子的调控 激活子：一种与强化子接合的蛋白质，也属 于一种转录因子。 正激活子：提高
14、转录效率。 负激活子：抑制转录的因子,激活子,3翻译水平的调控 在蛋白质翻译水平上加以调控。 （1）蒙面信使理论 转录的mRNA储藏在蛋白质外壳内，需要时才从 蛋白质外壳内释放出来进行翻译。 （2）翻译后蛋白质加工的调控 主要是蛋白质的折叠、空间构型，切割，化学 修饰上加以调控。,小 结 经典遗传学认为基因是交换、突变、功能三位 一体不可分割的单位。现代遗传学认为基因是 段具有遗传信息的DNA片段，可进一步分割 成更小的亚单位，如：交换子、突变子、作用 子。还发展了隔裂基因、重叠基因、跳跃基因、假 基因等新概念。基因对性状的控制一是直接编码合 成蛋白质直接表达性状，一是通过合成酶间接控 制性状表达。原核生物主要通过操纵元模型调控基 因租用，真核生物的调控有DNA水平、转录水平和翻 译水平的调控。,