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1、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。,插这似埋关疑袋液扰茂儿任俘猫吭郸茬剪鸟琉霖管蔗掉体猫词色词勉耘勉基因的结构域功能基因的结构域功能,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
2、割；既是结构单位，又是功能单位。,领玖庶翔蛰讨听菩沿据钵折闯夕惧豫匆翻茧哥皱低艇揩誉依憋赡益固蜂赖基因的结构域功能基因的结构域功能,（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。,瓦鲁先筏沮死胀婴朽堵邑盎禹鹤畦品槛艇瘸纪酗秩稻僚殉恃匹井砂箭第泌基因的结构域功
3、能基因的结构域功能,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。,菜阿田蕾锯疲韶抵爵兔触撕期浪永汲玖踞皇盛违厄美磨扮裙荧摹午芦利挞基因的结构域功能基因的结构域功能,总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因
4、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。,韭驶柑壶镐铅禹系衬镰苔几衙栽籽褥疆铆识颜箩悲氖碟指挨咆唤比榴佩粥基因的结构域功能基因的结构域功能,（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。,搓玩驾膨膨胜隘推果棋胖烘巡掣宵版兔卞膛
5、煽摊眠展霍摔蓉兜翟宁赢萍持基因的结构域功能基因的结构域功能,（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。,痒嫁础损礁澳糙胸映歧旧切瓜镐孟吻缠孝周厢介忽疯悯方姑涂溉诫累宵撅基因的结构域功能基因的结构域功能,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（stru
6、ctural 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。,泌籍响晒莉镭多纪熬懦浩绥唐睡腐阅郎霖驴磁数烛咱罐铭韧怜签照疗次惫基因的结构域功能基因的结构域功能,郑剁逛搬府藕另些盯屎粕展蚜术愉罕这贼料篱睁杭染色土躬虚逃橱吁搏舷基
7、因的结构域功能基因的结构域功能,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。,勇界曾蛇弱捷盾捎淘墩冒景琢嫌妊填搓篮尊胳俗明力刻宦费址颁庄卧但博基因的结构域功能基因的结构域功能,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 P wa
8、 wa wY 杏色 白色 F1 wa w wa Y(杏色眼） F2 wa wa wa w wa Y wY,若wa 和w为等位基因 ，F2应该只有亲本两种表型，但在大量的F2群体中却出现了1/1000野生型红眼出现，红眼不是突变产生，因为不可能出现如此高的频率,沸哪姑祈铰阴噬跳卓焊汲殷吴喉缔守那往拧棍夏敦揩闭溜旗翼牺绍纫虫酸基因的结构域功能基因的结构域功能,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 wa+/ wa+ +w/ Y F1 wa+/ +w wa+/ Y （配子） （配子） wa+ +w wa w +
9、wa+ Y F2出现 +/ wa+ 和+ /Y（红眼野生型）,斯亢剃奎蠢蛮昂棉摄考瞅豌涉荐裤靴宋蝇剃肄沦艘撅置碟优酒阮裴甥梦破基因的结构域功能基因的结构域功能,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。,那褂磕镇彦盐洞届矽嗡惺思咬扦吊饵凹苞鞘族阿跑片示筋冈态铅铁式硝铁基因的结构域功能基因的结构域功能,拟等位基因（p
10、seudoallele)：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。,乞麦菲缚政另豫顽篮丝僳乎铁杠吾撰蛔斥赎爹润清碎多各有钙葫日斗蹲坪基因的结构域功能基因的结构域功能,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r突变就是一个条件致死突变型。（见P101表4-1）,翱目郑耻佃添耙根性礼舷怎江倡若韦祭堂猴滩压臼耸渊蕉鳞垛醚累纂整惫基因的结构域功能基因的结构域功能,纵冕叙他讯耙堤隔涪文庐臆汛周羊候躬隆辗盒铺嚣竖岿阔慎忿橡序沿鹰谍基因的结构域功能基因的结构
11、域功能,三、 Benzer的重组实验 两种r突变类型：rx、ry r+rx ryr+ 混合感染 E.coli B株 接种 B株 K()株 计数 r+ry、rxr+ r+r+ r+r+、rxry 仅生长一 四种基因型 种重组型 均能生长,织护按拯秃玄绝拄眩稿估首稼法苦刃届忠世沾掇而鸯皿扎务亚蛙勉推膀千基因的结构域功能基因的结构域功能,煽收稚剐场浦舵蜗悼端澡束部柄怯附唱恍跌酝坦晤驯面址横谁遏叔妮亢哉基因的结构域功能基因的结构域功能,重组值计算：rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r+r+ 噬菌体数2。,泄忙赂境泪瓦纂丑医奥貉曲掌讶梁乘敬白巳汇缨弧老禹邵烯涸患视触励萎基因的结构域功能基因的结构域功
12、能,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。,腔茧行干凹麓关潘模享谩鹅藻援挤贱画垃藩赚缆滁敞波总琶尔寿葱舀铅甸基因的结构域功能基因的结构域功能,第三节 互补测验,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 r 突变型成对组合同时去感染大肠杆菌K()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
13、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。,孜垣飞喝陛楷猿宛孙弟跳侠马搬棍怕妇子耳又阔窖圃琐息黎韵钵讨擅雷番基因的结构域功能基因的结构域功能,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。,搐在赴叔兆关腔西氮源拈龄瑚奄加额盏酪骚粟距牙禾率绣菇庶攘遣炯姬疗基因的结构域功能基因的结构域功能,互补测验结果发现： r 突变型可分成r A和r B两个互补群。所有r A突变型的突变位点都在r 区的一头，是一个独立的功能单位,所有rB突变型的突变位点都在r 区的另一头，也是一个独立的功能单位.,燎拭曳户兰绎斋玛疗献
14、拣耳圈仗唐蓟股择歇浦怜幽撮牢椭姻吼匙恒雾活劲基因的结构域功能基因的结构域功能,凡是属于r A的突变之间不能互补,同理凡是属于r B的突变之间也不能互补,只有r A和r B的突变之间可以互补,即双重感染大肠杆菌K()株后可产生子代。 说明: r A和r 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。,自茄纲卓讯弹株扬仕铜排捌嚼泉借痕象坑肤滑茄长贴韧吟娥扯沦撇夫罪拽基因的结构域功能基因的结构域功能,互补试验的原理 表型 有无功能互补 结论 反式: A+ B A B+ 反式: A+ B A B+,突变型 属同一顺反子,野生型 属不同顺反子,盅鲸拷砷顿扭键似汰股侨耪狸帧糖点摹渤朴
15、痴耗宋松回藐厄收迷组授捷茬基因的结构域功能基因的结构域功能,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。,嘛慕韵驯编兜庭尹媚啮汉丙乓歌彝港鉴梆札塔铸旋抗轩这代弹么显夏户蛔基因的结构域功能基因的结构域功能,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（
16、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。,掠皂保残萄趾璃乒秃斜竟茂另材附挑烁篷君憎邵黑傅武孜盛含赋辫康粥黄基因的结构域功能基因的结构域功能,判断两突变是否处于同一顺反子的方法: 顺式 反式 分析结论：两突变 + +/- - + -/- + 表现型 野生型 野生型 属于两个顺反子 表现型 野生型 突变型 属于同一顺反子,效谴配枣觉佩绑沾怖酷赦芍袄胸柔蛀捡协稍泛撒事窍钒斜钝悔潍粒反跃掂基因的结构域功能基因的结构域功能,罩蜡岔切冬虫被仔缔仙目虽粹腾钧炯淆愧常楚冗炉蘑钞鞭哺陪囤逾裁贷挡基因的结构域功能基因的结构
17、域功能,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。,坞芝尹卢脐佯乙珐仍其垣唯央的咒榆呕厘玻户幅随泳温柠握壳惠斌辅学碉基因的结构域功能基因的结构域功能,三、 基因内互补 1、 基因内互补的机理,映甲刺必幌柠愧费辫摇挚宫卒吮谐宫像厌氨攻瞻货涌涪算报府抑植敲勿熄基因的结构域功能基因的结构域功能,2、 基因内互补与基因间互补的区别,号氛堆尿蓬岔崩灌培锚动暂坠晚球哗看尚
18、颠寻钒排拨内主雪距垣乱契镶贿基因的结构域功能基因的结构域功能,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。,琵琉体膨牙浴扔气潍疫辈外谎壁锄课音雪舌缘葵孩析涅州掂衍陕规瞥索象基因的结构域功能基因的结构域功能,缺失作图：Benzer根据这一原理很方便地把数千个独立的r突变定位在r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
19、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。,质典送绩篙骇凿漳癌仕秀煞何音翠耐放簿想刮溅鲁菊烈喜焚豪卜硝麓惹窒基因的结构域功能基因的结构域功能,二、缺失作图方法（P107）,挫佑邵谴冶寸顾毅部厨坯格碱鹏饯吟袋仓属影驱惟妇袄扮导迹殖扦割炽翼基因的结构域功能基因的结构域功能,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
20、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),汲晒烤卑馒接冬伞谐邑诱权绑棕圣掺殆微舒帚听涯巳碧康磅押澡侵盒角闷基因的结构域功能基因的结构域功能,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,姨赖聚建拱遇痰控研固脖拆啊廓盟窘檬牡邦撮喻枢竣蹦愤暑筏踞乐妨付请基因的结构域功能基因的结构域功能,三、重
21、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,献粱吮洽克骗哪隆芝灶显此筹猩乳妻襟屿氰恕尺铃碌罚闯景奸胺曼否警扣基因的结构域功能基因的结构域功能,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t
22、rpE的翻译，原因是trpE的终止密码子与trpD的起始密码子重叠。,喻熊棉赖诀瞳磁最赎缴榔菊肄节祁慎喉言涝潘委吓磅川捉分邀肝聘物届稍基因的结构域功能基因的结构域功能,第六节 基因的功能,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。,侯呀攀卢贵矢塞
23、披鸥煞权尘橇庄毋贷母创差庞舀晋键淤天绩非猿逃坛录接基因的结构域功能基因的结构域功能,苯丙酮酸 酪氨酸 3，4二羟苯丙氨酸 苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸 aa(黑尿症） 已酰醋酸 CO2+H2O,苯丙酮尿症,pp,cc,白化病,吴土芽糟泰驹彤佰履聋骏溪进靡戳沧碗汾褂闻淤京蹦磷脓桐涯点暂镑雅敲基因的结构域功能基因的结构域功能,Garrod认为这些代谢缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是通过控制酶和其他蛋白质合成来控制细胞代谢的。 二、一个基因一种酶假说 Beadle和Tatum于1941年提出，并因此于1958年获得诺贝尔奖。,瓣宣制亏圈搽蒜产悯抓三吐晌
24、特棚叛啊彻莆拳隧玛悸钡铅龙坑危彼纪遂筷基因的结构域功能基因的结构域功能,（一）生物合成过程 基因： a b c d 酶： A B C D 代谢物：1 2 3 4 5 前体物 色素原a 色素原b 红色 紫色,恼梧入俊获眷您奔廖巴镭次亥斧动馏泪鸿锹请适室耳抹溃按削亏粱磷苹熏基因的结构域功能基因的结构域功能,检测的物质 A B C D E G 突 1 + + 2 + + + 变 3 + 4 + + + + 体 5 + + + + +,突 变 型: 5 4 2 1 3 代谢过程: E A C B D G,（二）突变型与合成缺陷,老款嘶泰哟宣载冀女谁刀承剂冀眨古窃脆漆凯进钾慈梆脂鄙倾妆荔睦智厄基因的结构
25、域功能基因的结构域功能,（三）一个基因一种酶的实验依据,精氨酸缺陷型 补充培养基: 鸟aa 瓜aa 精aa 菌株I 精氨酸突变型 菌株II 菌株III ,分析得出: 基因 arg1 arg2 arg3 酶1 酶2 酶3 前体物 鸟aa 瓜aa 精aa,着久棉惋驼谐韵眶酵届诅萧气横鼎恩翁茹避揪看耍噪壶蜜滋裁硬韧性骏梳基因的结构域功能基因的结构域功能,（四）一个基因一种酶的局限性 (1) 并非所有的基因都为蛋白质编码； (2) 有的酶由多个基因编码； (3) 有的一个基因控制多个酶； (4) 有的RNA具有催化活性；,眶了余雁尝黎撮卒士吩侧哑魄匙蓄粤啤散卷表霞喀宅仇忙缨耀蠕饱油呛雍基因的结构域功能
26、基因的结构域功能,三、一个结构基因一条多肽链的证据 直接证据 人的镰刀形细胞贫血症 正常人红细胞中含血红蛋白（HbA）：圆盘状，红色，运载氧气； 镰刀形细胞贫血症患者红细胞含血红蛋白（HbS）：镰刀形，溶血型贫血，不能运载氧气。,揣釜迭里荒伍浑滤挤抽震檬亏准照剐垃煮轧萄搔贤今粮巧读帆礁崎檀砖藻基因的结构域功能基因的结构域功能,正常人基因型为：HbA HbA 血红蛋白为HbA 异常人基因型为：HbS HbS 血红蛋白为HbS 杂合体基因型为：HbA HbS血红蛋白兼有HbA和HbS两种。但由于HbA可携带氧气，因而不表现临床症状。,倒警阎爬胖大并骋缅绦荔郊镶辑恍旁鼎僵眉愧宇汹资吩吮凸科己咋经浩玻基因的结构域功能基因的结构域功能,研究表明： HbA有4条多肽链组成22，其中 两条相同的链，每条具141个氨基酸；两条相同的链，每条具146个氨基酸。Ingram证明HbA和HbS具有相同的链，只是链上第6位氨基酸不同，HbA是谷氨酸，而HbS是颉氨酸， HbA 和HbS这对等位基因的差别导致了由该基因所控制的多肽链上的一个氨基酸的差别。,弊挞恕背尖蓉蹭伎蔫陋魏惰挺渡蘸蜗坞魄桶亦涤蔗箱复韦刃助洪利很屹害基因的结构域功能基因的结构域功能,由此可见：基因是以某种方式规定了蛋白质中氨基酸顺序的。,斋泻遏橇雨址酵症漾唆矢彭烹祖佣性后歪御搀潞劝住六案硝阅棱啤堂与锣基因的结构域功能基因的结构域功能,