第十一章

基因的本質(zhì)

基因概念的發(fā)展

基因表達(dá)的調(diào)控1第一節(jié)

基因概念的發(fā)展遺傳因子染色體是基因的載體基因的功能遺傳物質(zhì)是核酸DNA的分子結(jié)構(gòu)基因是順?lè)醋咏蚋拍钜?、遺傳因子

經(jīng)過(guò)八年的豌豆雜交試驗(yàn)，1866年發(fā)表《植物雜交試驗(yàn)》論文，提出了分離規(guī)律和獨(dú)立分配律。認(rèn)為生物性狀由遺傳因子決定，性狀本身是不能遺傳的，控制性狀的遺傳因子才是遺傳的。MendelG.J.

（1822-1884）3

丹麥遺傳學(xué)家JohansenW.

1909年發(fā)表“純系學(xué)說(shuō)”，明確區(qū)分“基因型”和“表現(xiàn)型”，提出“gene”的概念，代替了遺傳因子。談家楨先生在美期間翻譯為“基因”。

英國(guó)生物學(xué)家BatesonW.是孟德?tīng)柪碚摰暮葱l(wèi)者和宣傳者，他以香豌豆為材料，得到了性狀連鎖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1906年，創(chuàng)造遺傳學(xué)“genetics”。4二、染色體是基因的載體1903年，SuttonW.和BoveriT.提出遺傳的染色體學(xué)說(shuō)—基因位于染色體上。細(xì)胞遺傳學(xué)誕生。5一個(gè)功能單位—控制單位性狀；

一個(gè)突變單位—可以突變?yōu)椴煌牡任恍问?；一個(gè)重組單位—基因之間發(fā)生重組；基因是Morgan等通過(guò)伴性遺傳、連鎖交換規(guī)律、基因定位的工作證明基因位于染色體上，呈直線排列，1926年出版《基因論》。

因其卓越工作，榮獲1933年度諾貝爾獎(jiǎng)。該時(shí)期，細(xì)胞遺傳學(xué)發(fā)展迅速，成就巨大。6三、基因的功能

BeadleG.W.和TatumE.L.

以粗糙鏈孢霉為材料，證明基因通過(guò)它所控制的酶決定著代謝中生化反應(yīng)步驟，進(jìn)而決定生物性狀，1941年提出“一個(gè)基因一個(gè)酶”學(xué)說(shuō)。BeadleG.W.TatumE.L.7AABBCCDD

●每種突變體是單一基因突變的結(jié)果

●

該物質(zhì)的生化合成途徑已知突變b

他們獲得了多種粗糙脈胞菌的營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變體，結(jié)合突變體不能合成產(chǎn)物的生化合成途徑，分析突變與生化途徑的關(guān)系。生化遺傳學(xué)確立了。前體物中間產(chǎn)物1中間產(chǎn)物2中間產(chǎn)物3終產(chǎn)物8檢測(cè)的物質(zhì)ABCDEF

---

+

-+

-+-

+

-+

---

-

-+

-++

+

-+

+++

+

-+EADBCF54213

Beadle和Tatum因該項(xiàng)工作和Lederberg在有關(guān)細(xì)菌的基因重組和遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的發(fā)現(xiàn)，共同獲得1958年度諾貝爾獎(jiǎng)。

突變體123459四、遺傳物質(zhì)是核酸

遺傳物質(zhì)必須具備的基本特點(diǎn):※

必須能穩(wěn)定地含有關(guān)于有機(jī)體細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)育和繁殖的各種信息；※

必須能精確復(fù)制，使后代細(xì)胞和親代細(xì)胞具有相同的遺傳信息；※

必須能變異，如果沒(méi)有變異，就不會(huì)有進(jìn)化。10

1928年GriffithF.在肺炎雙球菌感染小鼠的實(shí)驗(yàn)中最早發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，開(kāi)啟了對(duì)“轉(zhuǎn)化因子的研究”;

1944年，AveryO.T.等在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中證明了遺傳物質(zhì)是DNA，而不是多糖、蛋白質(zhì)。

直到1950年，雖然附著在活性DNA上的蛋白質(zhì)含量已降低到0.02％，頑固者仍然在質(zhì)疑

。11

某些病毒為RNA病毒，其遺傳信息由RNA攜帶。

1952年HersheyA.D.和ChaseM.的噬菌體復(fù)制實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明DNA的遺傳功能。

Hershey主要因病毒復(fù)制方面的成績(jī)獲1969年度諾貝爾獎(jiǎng)。

1955年，

Avery去世。他曾多次獲得提名，后來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)惋惜地承認(rèn)：“Avery于1944年關(guān)于DNA攜帶遺傳信息的發(fā)現(xiàn)代表了遺傳學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)最重要的成就，他沒(méi)能得到諾貝爾獎(jiǎng)金是很遺憾的”。12五、DNA的分子結(jié)構(gòu)1953年，WatsonJ.和CrickF.提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，揭示了遺傳信息是如何儲(chǔ)存在DNA中，以及遺傳性狀何以在世代間得以保持。分子遺傳學(xué)的序幕拉開(kāi)。他們獲得1962年諾貝爾獎(jiǎng)。13FranklinR．WilkinsM.DNA的X射線衍射照片14六、基因是順?lè)醋?955年Benzer以噬菌體為材料，在分子水平上提出了順?lè)醋訉W(xué)說(shuō)。SeymourBenzer

屬于“最聰明的沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人”，是開(kāi)創(chuàng)分子生物學(xué)的重要人物，他獲得過(guò)幾乎所有重要的生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)—拉斯卡獎(jiǎng)、格拉芙獎(jiǎng)、沃爾夫獎(jiǎng)等。15雌果蠅雄果蠅基因型16A區(qū)的數(shù)目小眼數(shù)基因型16A區(qū)的數(shù)目小眼數(shù)+/++/B+/BBB/BBB/BB23446780360457025+BBB12374090301、位置效應(yīng)16

+/BB個(gè)體中，兩個(gè)B在同一染色體上，稱為順式（cis）排列；在B/B個(gè)體中，兩個(gè)B在不同的染色體上，稱為反式（trans）排列。

由于基因在染色體上排列方式的不同而表型不同的現(xiàn)象，稱為位置效應(yīng)（positioneffect），或稱為順?lè)次恢眯?yīng)（cis-transpositioneffect）。

基因在染色體上的位置有功能上的意義。172、曲霉中的試驗(yàn)StrainAStrainBnn混合培養(yǎng)有時(shí)形成異核體偶爾核融合二倍體核曲霉菌（Aspergillusnidulans）分生孢子2n2n菌落18二倍體后代中出現(xiàn)約0.14%的野生型

?腺嘌呤缺陷型ad16、ad82n是腺嘌呤缺陷型ad16和ad8是同一基因突變的結(jié)果ad16和ad8是同一基因的不同突變位點(diǎn)19

體細(xì)胞交換或有絲分裂交換：交換發(fā)生在二倍體菌絲的有絲分裂中，而不是發(fā)生在減數(shù)分裂中。++ad16ad8復(fù)制+ad16+ad8體細(xì)胞交換+ad16+ad8+ad16+ad8ad16ad8++著絲粒的隨機(jī)趨向++ad8ad16ad8++突變型野生型ad16++ad8ad16ad8++突變型野生型ad1620突變型野生型ad16++ad8╳╳反式排列ad16++ad8╳╳順式排列

基因內(nèi)的不同位點(diǎn)上可以發(fā)生突變，基因內(nèi)的不同突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組。一個(gè)基因21類型不同大腸桿菌菌斑平板上表型BK（?）S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑rⅠ小噬菌斑大噬菌斑無(wú)噬菌斑rⅡ小噬菌斑小噬菌斑大噬菌斑rⅢ3、重組測(cè)驗(yàn)Benzer分離到幾千個(gè)快速溶菌（r）突變體，根據(jù)其表型不同，區(qū)分為rⅠ、rⅡ、rⅢ。

這些突變之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系？22接種在E.coliB平板大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑小噬菌斑接種在E.coliK(

?

)平板小噬菌斑無(wú)噬菌斑無(wú)噬菌斑無(wú)噬菌斑23rx和ry

之間的重組值2

(r+

噬菌斑數(shù))總噬菌斑數(shù)100%==2

在E.coliK(?)平板上長(zhǎng)出的噬菌斑數(shù)在E.coliB平板上長(zhǎng)出的噬菌斑數(shù)100%

重組測(cè)驗(yàn)（recombinationtest）：以遺傳圖的方式確定突變子之間的空間關(guān)系。

理論上，基因內(nèi)相鄰核苷酸位置上的突變是可能重組的。24Benzer的方法可用來(lái)測(cè)算一個(gè)基因內(nèi)部不同位點(diǎn)間的距離，它的精確度可達(dá)到十萬(wàn)分之一，即0.001個(gè)圖距單位，所以稱為基因的精細(xì)作圖。254、互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)

互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)（complementationtest）：確定不同突變之間的功能關(guān)系。

許多突變型都有相同的表型，這些突變型是屬于一個(gè)基因呢，還是屬于不同的基因？

互補(bǔ)（complementation）：指兩個(gè)突變型同時(shí)感染E.coliK時(shí)，可以相互彌補(bǔ)對(duì)方的缺隙，共同在菌體內(nèi)增殖，引起溶菌，釋放原來(lái)的兩個(gè)突變型。26rⅡ區(qū)的部分連鎖圖r47r51H04H01H06H02A區(qū)B區(qū)27沒(méi)有互補(bǔ)28有互補(bǔ)29

運(yùn)用互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定有同一表型效應(yīng)的兩個(gè)突變型是否屬于同一順?lè)醋?。沒(méi)有互補(bǔ)突變型有互補(bǔ)野生型m1++╳╳m2m1++╳╳m2順式（對(duì)照）野生型同一順?lè)醋又械耐蛔兾稽c(diǎn)反式不同順?lè)醋又械耐蛔兾稽c(diǎn)m1++╳野生型╳m2m1++╳╳m230

一個(gè)順?lè)醋邮且粋€(gè)功能水平上的基因；是DNA分子上的一個(gè)特定的區(qū)段，就其功能而言是一個(gè)獨(dú)立的單位。但在這一特定的DNA片段內(nèi)含有許多突變位點(diǎn)，稱為突變子（muton），即突變后可以產(chǎn)生變異的最小單位（或者是DNA中構(gòu)成基因的一個(gè)或若干個(gè)核苷酸）；這些突變位點(diǎn)之間可以發(fā)生重組，稱為重組子（recon），即不能由重組分開(kāi)的最小單位。5、順?lè)醋?/p>

一個(gè)不同突變之間沒(méi)有互補(bǔ)的功能區(qū)稱為順?lè)醋樱╟istron）。31轉(zhuǎn)座因子（跳躍基因）

細(xì)胞中能改變自身位置的一段DNA順序，稱為轉(zhuǎn)座因子（transposableelement），也稱為跳躍基因（jumpinggene）。1951年，McClintock提出轉(zhuǎn)座因子的概念，81歲時(shí)（1983年）獲諾貝爾獎(jiǎng)。七、近代的基因概念發(fā)展32解離因子（dissociator，Ds）：非自主轉(zhuǎn)座；影響鄰近基因的作用

激活因子（activator，Ac）：自主轉(zhuǎn)座；解除Ds對(duì)C的抑制作用；無(wú)其他表型效應(yīng)

Ac因子有轉(zhuǎn)座酶基因，是自主性因子；Ds是Ac發(fā)生了缺失或其他變化，丟失了內(nèi)部序列，喪失了轉(zhuǎn)座酶活性，但是留下了完整的轉(zhuǎn)座酶作用位點(diǎn)，具有轉(zhuǎn)座的能力。1、玉米中的轉(zhuǎn)座因子33玉米中的轉(zhuǎn)座現(xiàn)象3435

由于Ds基因解離的時(shí)間有早有晚、有長(zhǎng)有短，表現(xiàn)在籽粒上的色斑就有大有小。換句話說(shuō)，玉米籽粒（或葉片）之所以出現(xiàn)色斑，以及色斑的大小，既決定于色素基因C的表達(dá)，也是由于另外一個(gè)或多個(gè)基因調(diào)節(jié)和控制的結(jié)果。轉(zhuǎn)座因子的機(jī)理是從1944年至1950年才完全弄清楚。

McClintock1950年發(fā)表了《玉米易突變位點(diǎn)的由來(lái)與行為》，1951年發(fā)表了《染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)》兩篇論文。36

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，逐漸發(fā)現(xiàn)了許多與McClintock轉(zhuǎn)座因子相同或相似的現(xiàn)象。例如，20世紀(jì)60年代末在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了F因子、“插入序列”（IS）等。

1976年，在冷泉港召開(kāi)的“DNA插入因子、質(zhì)粒和游離基因”專題討論會(huì)上，明確地承認(rèn)可用“轉(zhuǎn)座因子”來(lái)說(shuō)明所有能夠插入基因組的DNA片段。37McClintock在美國(guó)遺傳學(xué)界是享有盛譽(yù)的女科學(xué)家，從30年代開(kāi)始研究玉米，有關(guān)玉米染色體的鑒定、分裂過(guò)程、連鎖交換、結(jié)構(gòu)變異、斷裂·融合·橋循環(huán)等都與她有關(guān)，她還成功地闡明了脈孢菌減數(shù)分裂的全過(guò)程。雖然是用經(jīng)典遺傳學(xué)方法完成的，但她同時(shí)也開(kāi)啟了通往分子遺傳學(xué)的另一扇門。這是McClintock在細(xì)胞學(xué)水平上對(duì)基因的追蹤，盡管當(dāng)時(shí)人們還不知道DNA的本質(zhì)。38

IS是一類較小的轉(zhuǎn)座因子，可以從染色體的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，或從質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到染色體上。IS本身沒(méi)有任何表型效應(yīng)，只攜帶和它轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶基因。2、原核生物中的轉(zhuǎn)座因子1）插入序列（insertionsequences,IS）2）轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）

是一類較大的轉(zhuǎn)座因子，兩端具有IR，除了會(huì)有與它的轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因外，還帶有抗藥基因。39

操縱子（operon）

基因不僅是傳遞遺傳信息的載體，又具有調(diào)控其他基因表達(dá)活性的功能。基因可以有其自身的產(chǎn)物，也可以沒(méi)有產(chǎn)物。

斷裂基因和重疊基因

在一條DNA鏈上，從ATG開(kāi)始到終止密碼子為止的連續(xù)核苷酸密碼序列稱為通讀框（openreadingframe）。40

斷裂基因（interruptedgene）

基因的編碼順序由許多非編碼區(qū)域隔開(kāi)，使閱讀框不連貫。

出現(xiàn)在mRNA分子中的基因序列稱為外顯子（exon），不出現(xiàn)在mRNA分子中的基因序列稱為內(nèi)含子（intron）。

真核生物的基因一般都有內(nèi)含子，原核生物的基因一般沒(méi)有內(nèi)含子。不同基因其內(nèi)含子的大小及數(shù)目不同。4142

斷裂基因的生物學(xué)意義：

有利于儲(chǔ)存較多的遺傳信息；

有利于變異和進(jìn)化；

內(nèi)含子有調(diào)控作用。

增加重組頻率；

英國(guó)科學(xué)家羅伯茨RichardJ.Roberts和美國(guó)科學(xué)家夏普PhillipA.Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因而共同獲得1993年度諾貝爾獎(jiǎng)。43

一般認(rèn)為重疊基因不僅可以經(jīng)濟(jì)、有效地利用遺傳信息量，更重要的可能是便于對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用。

真核生物中也有重疊基因，如一個(gè)基因的內(nèi)含子是另一個(gè)基因的外顯子。

指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有一段DNA序列。重疊基因（overlappinggene）44癌基因（oncogene）抑癌（抗癌）基因（anti-oncogene）染色體外基因

質(zhì)粒線粒體基因葉綠體基因

假基因（pseudogene）

基因家族和基因簇45第二節(jié)基因表達(dá)的調(diào)控基因的類別基因表達(dá)調(diào)控一、基因的類別根據(jù)基因的功能和性質(zhì)，分為：1、結(jié)構(gòu)基因（structuralgenes）

調(diào)節(jié)基因（regulatorygenes）

結(jié)構(gòu)基因不僅可以轉(zhuǎn)錄成mRNA，而且可翻譯成多肽鏈，從而構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)及各種酶。

調(diào)節(jié)基因可以轉(zhuǎn)錄成mRNA，翻譯成阻遏蛋白或激活蛋白，調(diào)控其他基因的活性。472、核糖體RNA基因（ribosomalRNAgenes，rDNA）轉(zhuǎn)移RNA基因（transferRNAgenes，tDNA）

這類基因只轉(zhuǎn)錄成相應(yīng)的mRNA，而不翻譯成多肽鏈。它們都是多拷貝的。3、啟動(dòng)子（promoter）操縱基因（operator）

這類基因都是不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段，決定結(jié)構(gòu)基因的開(kāi)啟或關(guān)閉。48二、基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)是結(jié)構(gòu)基因在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)錄、翻譯以及所有的加工過(guò)程。任何影響基因的開(kāi)啟與關(guān)閉、轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程速率的較直接的因素及其作用，就是對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控。49MonodJ.JacobF.和MonodJ.

JacobF.和MonodJ.通過(guò)對(duì)不同的乳糖代謝突變體來(lái)研究基因的作用，闡明了E.coli乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)理，于1961年提出乳糖操縱子學(xué)說(shuō)，獲1965年度諾貝爾獎(jiǎng)。50三、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控1、酶的可誘導(dǎo)現(xiàn)象

這些酶要有誘導(dǎo)物（乳糖）存在時(shí)才產(chǎn)生，稱為誘導(dǎo)酶。組成酶

乳糖（lactose）

葡萄糖

+

半乳糖

β–半乳糖苷酶lacZ

β–半乳糖苷透性酶lacY

β–半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶lacA512、操縱子模型1）操縱子（operon）

很多功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常位于染色體的鄰接位置上，由一個(gè)共同的控制區(qū)來(lái)操縱這些基因的轉(zhuǎn)錄；包含這些結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個(gè)核苷酸序列稱為操縱子。

原核生物基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元是操縱子。522）啟動(dòng)子（promoter）操縱基因（operator）

啟動(dòng)子是基因上游的一段序列，是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)聚合酶識(shí)別、結(jié)合的特定部位，其本身不被轉(zhuǎn)錄。