基因的性質（TheNatureofthegene）第一節(jié)基因的作用一、人的先天代謝缺陷“inbornerrorsinmetabolism”1．黑尿癥：正常人具有尿黑酸氧化酶，使尿黑酸轉化為乙醯醋酸，最後分解為CO2和水。黑尿癥患者無尿黑酸氧化酶。尿液中含有尿黑酸，排出經氧化後變黑。黑尿病基因為a，患者基因型aa，正常人為AA或Aa。2．苯丙酮尿癥：PP個體不能形成苯丙氨酸羥化酶，使苯丙氨酸不能轉化為酪氨酸。大量苯丙氨酸積累進一步引起下列反應：（1） 苯丙氨酸自發(fā)轉化為一種有毒物質苯丙酮酸，隨尿排出（2） 過量苯丙氨酸積累，損害中樞神經系統(tǒng)，影響智力發(fā)育（3） 血液中苯丙氨酸積累抑制了酪氨酸的代謝。後者是黑色素的前體，造成白化病，無正常的酪氨酸酶。

酪氨酸酶的基因為C。正常人為CC或Cc，白化病人為cc。結論：先天性代謝缺陷是由於一種酶的缺失造成，有一隱性基因控制?；虻淖饔檬菦Q定某種酶，從而控制代謝途徑，控制某一性狀?；蚴侨绾慰刂拼x途徑或生化反應的呢？二、“一個基因一種酶”學說四十年代，Beadle和Tatum

對鏈孢黴的研究進一步闡明了基因的作用?；蚴侨绾慰刂拼x途徑或生化反應的呢1．假定：某一生物合成途徑如下：起始物：12345終產物ABCD基因a決定酶A，如果基因b缺失：abcd基因bABCD

12345產物酶結果：產物2轉化為3的反應不能進行。即在物質2上被阻斷。如加入3或4，可以得到終產物5。如加入更多的1，也不可能合成終產物5。B2.闡明上述原理的例子分析假定有一些實變體需要物質G才能生長，生物合成途徑中A—E的所有成份是已知的，試驗每種成份維持突變體生長的能力，結果如下：

成份 A B C D E G 1 － － － + － + 2 － + － + － + 3 － － － － － + 4 － + + + － + 5 + + + + － + “+”能生長“－”不能生長

突變體問（1）：在這一途徑中，A—E和G的順序？思考：能使大多數(shù)突變體生長的物質是最末生成的，而最早生成的物質能維持突變體生長的數(shù)目是最少的,可以得到以下順序：

EACBDG問（2）：上述突變體是由於途徑中那一步受阻造成的？

思考：E不能滿足E—A之間受阻的突變體生長的要求，而其他物質都能滿足E→A之間突變體生長的要求。從表中可知突變體5一定是由於E→A轉化受阻造成。同樣，E或A不能使突變體4生長，其他物質都能使其生長，因此4肯定是由於A→C的轉化中受阻造成。最後可得：

A B C D EG 1 － － － + － + 2 － + － + － + 3 － － － － － + 4 － + + + － + 5 + + + + － +

54213GDBCAE3．Beadle和Tatum實驗營養(yǎng)缺陷型（auxotrophs）：不能在基本培養(yǎng)基上生長，只能在補加了特定營養(yǎng)物之後才能生長的實變體。有一組需要精氨酸才能在基本培養(yǎng)基上生長的鏈孢黴突變體：它們對鳥氨酸和瓜氨酸的反應如下：arg突變體對不同附加物的生長反應

突變體 鳥氨酸 瓜氨酸 精氨酸

arg－1 + + + arg－2 － + + arg－3 － － +

Beadke等提出了鏈孢黴精氨酸合成的生化模型：

酶X酶Y酶Z

前體——→鳥氨酸——→瓜氨酸——→精氨酸

Beadle等將不同的突變體定位於相應的合成步驟上

———arg－1———arg－2———arg－3———基因↓↓↓

XYZ酶

前體——→鳥氨酸——→瓜氨酸——→精氨酸該模型已成為“一個基因一種酶”的理論*要點：（1）細胞內的生化反應由一系列不同反應步驟組成；（2）每一步反應都有一種特異性酶催化；（3）每一種酶由一個基因控制。一、蛋白質的結構一條肽鏈中的氨基酸線性順序稱為蛋白質的一級結構。蛋白質的三維構型決定於氨基酸的順序即一級結構，基因是通過控制蛋白質的一級結構來決定酶的功能的。

第二節(jié)基因與蛋白質的相互關係

Peptidebondformationbetweentwoaminoacid,resultingfromadehydrationreaction13-16Thequaternarylevelofproteinstructureasseeninhemoglobin13-19二、蛋白質順序分析Sanger測定多肽順序的方法：蛋白質指紋（fingerprints）：蛋白質經水解後形成較小的片段，經層析法分離和染色後，不同大小的片段以特定的位置出現(xiàn)。不同的水解酶作用後產生不同的指紋。Sanger證明：某一特定蛋白質的氨基酸順序是特異性的“Theamino-acidsequenceiswhatmakesinsulininsulin”.三、基因突變與蛋白質變化的關係

1957年，VernonIngram對正常人的HbA和鐮形細胞貧血癥的基因突變純合體的HbS作比較研究。正常人的血紅蛋白（hemoglobin,Hb）由兩條α鏈和兩條β鏈組成，α鏈有141個aa，β鏈有146個aa。HbA和HbS的指紋只有一個位置上有區(qū)別，進一步對不同指紋部位作序列分析發(fā)現(xiàn)只有一個aa的差異：

1234567……

正常HbA：纈—組—亮—蘇—脯—穀—穀——……

鐮形HbA：纈—組—亮—蘇—脯—纈—穀——……Acomparisonoferythrocytesfromnormal(a)andfromindividualswithsickle-cellanemia(b).正常紅細胞鐮形紅細胞InvestigationofhemoglobinderivedfromHbAHbAandHbSHbS.individualsusingelectrophoresis,fingerprinting,andaminoacidanalysis.結論：在β鏈上第6位的纈氨酸代替了正常的谷氨酸，從而造成缺陷性血紅蛋白。Ingram的研究結果說明：通過遺傳分析確定的基因突變可以與一個蛋白質的aa順序的變化相連系，基因決定蛋白質的一級結構順序。四、基因與蛋白質的線性對應

1967年，CharlesYanofsky對E.coli色氨酸合成酶的研究證明了基因的變化與蛋白質變化之間有線性對應。色氨酸合成酶由A、B兩條多肽組成，trpA基因和trpB基因控制各自多肽的合成。在trpA基因圖中其突變點的順序與多肽A的氨基酸變化的位置有一種精確的對應關係。H3N突變位點COO–1152249175177183211213234235243

賴苯穀酪亮蘇甘甘甘絲穀丙醯

終亮纈穀甲半精異精穀纈半天亮終止醯胱亮胱在E.coli色氨酸合成酶trpA基因圖中其突變點的順序與多肽A的氨基酸變化的位置有一種精確的對應關係

結論：基因的線性順序和多肽的線性順序之間有對應關係，即：基因的核苷酸線性順序決定蛋白質的aa線性順序。

五、“一個基因一種酶”學說對經典遺傳學的某些解釋1．對遺傳比例和顯性的解釋：豌豆花色素的遺傳，雙因數(shù)雜種F2的比為9：7,P：（白）AAbb×aaBB（白）↓

F1：全部AaBb（紫色）↓

F2：A

B

A

bbaaB

aabb

紫9白3白3白1

解釋：在最終產生紫花色素的生物合成途徑中有兩個白色前體：基因A基因B↓↓

酶A酶B↓↓

前體1前體2紫花色素

A

B

A

bbaaB

aabb

紫9白3白3白1

顯性表示某一酶的功能正常，隱性表示該酶缺少活性。一個雜合體Aa具有產生正常功能酶的顯性等位基因：

等位基因A

等位基因a↓↓

酶A

無功能的酶↓前體X產物Y（產生Y表型）雜合體Aa表現(xiàn)為Y表型。A對a是顯性。2．臨界值模型只有當產物Y的濃度超過某一臨界值時才能產生表型Y。純合體AA比雜合體Aa產生更多的酶A。因此就會產生更多的產物Y。雜合體Aa的表型取決於它的Y產物量與臨界的關係。A2A2A1A1B1B1B1B2A1A2B2B2表型Y表型X

臨界點酶濃度產物Y濃度無臨界值時，雜合體Aa為中間表型，這是一種不完全顯性。與產物濃度相稱的表型

產物Y濃度

酶濃度C1C1C1C2C2C2第三節(jié)遺傳精細結構

經典遺傳學關於基因的念珠理論（1）基因是結構的基本單位，它不能由交換分開。交換只發(fā)生在基因之間，而不能在內部。（2）基因是突變的基本單位，基因可以從一種等位基因變?yōu)榱硪坏任换?，但在基因內部沒有可以變更的更小單位。（3）基因是功能的基本單位，基因的一部分，如果存在的話是不能起作用的。上述“三位一體”的基因概念在四十年代以前占統(tǒng)治地位。Benzer在50年代初的研究表明：念珠理論是不正確的。T4噬菌體的結構ThestructureofbacteriophageT4includinganicosahedralheadfilledwithDNA,atailconsistingofacollar,tubesheath,baseplate,andtailfibers.一、細菌噬菌體的生活週期LifecycleofbacteriophageT4.

二、T4噬菌體的rII系統(tǒng)

r型突變體：快速溶菌突變體（rapidlysis），Benzer選擇rII突變體作研究的優(yōu)點是：與野生型rII+

相比具有不同的宿主範圍。rII不能在E.coliK上生長提供了一種選擇手段。

T4rII突變體和rII+在E.coil上的表型

T4 E.coilB E.coilK（λ）

rII 大而清晰園+ －

rII+

小而模糊+ +小而模糊

E.coilB能使rII突變體生長，稱為rII的許可性宿主（Permisivehost），E.coliK（λ）不能使rII突變體生長，稱為rII的非許可性宿主（Nonpermisivehost）。三、噬菌體的雜交和選擇

用兩種不同的rII突變體感染同一細菌E.coliB，一旦進入細胞，T4之間的DNA就發(fā)生重組，從而產生重組類型的噬菌體。然後感染E.coliK，野生型重組體的數(shù)目等於在K上的pfu/ml的數(shù)（PlagueformingUnit）優(yōu)點：用rII系統(tǒng)和兩個宿主，不需要篩選大量的噬菌斑就能選擇到極少發(fā)生的重組體。兩個不同突變的噬菌體DNA重組的過程

用兩個不同突變體的噬菌裂解液加到E.coliB株的肉湯培養(yǎng)液中，當二個突變類型的DNA感染同一細菌時可發(fā)生雜交。大多數(shù)複製的DNA是原來的類型，有時也能重組產生一種雙重突變型和正常的重組體（即野生型）。雜交後代植到E.coliB上後，都能良好生長，而植於E.coliK時，只有重組野生型才能生長，雙突變體重組型不能生長。MixthetwophagesCoinfectE.coliBAAr103r104WildtypeDoublemutantphageTakesomeofthephagepreparation,diluteit(10-8),andinfectE.coliBTakesomeofthephagepreparation,diluteit(10-3),andinfectE.coliKPlatethecellsandobservethenumberofplaques.TotalnumberofphagesWildtypephagesproducedbyintragenicrecombination兩個不同突變的噬菌體DNA重組的過程四·基因內重組IntragenicRecombination

將8個獨立而來的rII突變體成對感染E.coliB。形成噬菌斑後再將其裂解液接種感染E.coliK，只有野生型重組體rII

才能生長，而雙重組型（rII’rII’’）不能撿出，也不能生長。因此計算重組體的方法是以野生型的數(shù)×2。公式如下：重組率=

2×rII+噬菌體數(shù)總噬菌斑數(shù)＝2×在K上生長的噬菌體數(shù)

在B上的噬菌斑數(shù)×100%T4rII位點基因內重組的選擇。rII不能在K上生長，當二個帶有rII不同等位基因的T4感染同一B株後，其某些後代能在K上生長，即已成為rII

，結果說明在一個基因內發(fā)生了重組，而不是在基因間。

E.coliBrII’rII”

植於E.coliK上選擇根據(jù)重組率所得基因圖：

rII1rII7rII4rII5rII2rII8rII3rII6

___|_____|_____|____|_____|____|_____|_____|______它們的圖距就是rII+的重組率。rII基因內重組說明，基因是可以分割重組的，它由更小的單位組成，Benzer稱其為重組子recon，重組可以發(fā)生在重組子之間，但不能發(fā)生在其內部。因此，重組子(而不是基因)是重組的單位，基因是重組子完整的線性順序，一對核苷酸是重組的最小單位。第四節(jié)突變位點分析

基因內發(fā)生重組有助於構建詳細的基因圖，由各種等位基因突變體雜交發(fā)生基因重組的相對頻率能揭示出基因內突變位點的順序和相對位置。一、缺失突變體（deletionmutants）是由於DNA上消除了某個片段所引起的突變。在以缺失突變?yōu)楸尘暗闹亟M試驗中，突變不可能恢復到野生型。因為和那個特定突變體相對應的野生型區(qū)段的DNA已不復存在。

二、缺失作圖deletionmappingBenzer利用在rII區(qū)域中含有短的缺失的特殊突變體來定位其他新的突變位點。

1．原理：假定一個由12個突變位點組成的基因圖：

123456789101112

有一特殊突變體D1，當它分別與帶有突變點1、2、3、4、5、6、7或8的突變體雜交時不能獲得rII+重組體，那麼D1就是缺失1－8位點的突變體：

9101112缺失區(qū)

有另一突變體D2，當它與5、6、7、8、9、10、11或12突變位點的突變體雜交時不能獲得rII+重組體。即D2就是缺失5－12的突變體

根據(jù)重疊缺失區(qū)，可將基因分成三個區(qū)域

IIIIIID1

D2

1234缺失區(qū)

2．如何定位新的突變位點？

（1）當與D1雜交能獲得rII+重組體，與D2雜交卻不能，該突變體的突變位點位於III區(qū)；（2）當與D2雜交時能夠，但與D1雜交時不能獲得rII+重組體，該突變位於I區(qū)；（3）與D1和D2雜交都不能得到rII+重組體，其突變位點位於II區(qū)。

在III區(qū)裏的一個突變體與D1雜交獲得rII+的情形；I和II缺失區(qū)I和II區(qū)D1新突變體+++++

III區(qū)

＋＋＋＋＋

＋＋＊＋＋

突變位點III區(qū)

（4）缺失突變體之間也可以雜交從而象點突變那樣定位，如果雜交得不到rII+重組體，那缺失區(qū)就是重疊的。例如有一缺失圖：123

利用上述缺失圖可將新的突變定位。*思考：下圖表示T4rIIA順反子中4個缺失突變體的缺失圖

1

2

3

4

現(xiàn)有在rIIA中4個點突變體a－d，分別試驗它們與4種缺失突變體雜交獲得rII+的能力，結果如上表。問：4種點突變的順序怎樣排列？

a b c d1 + + + +2 + + + －3 + － + －4 － － + －

思考題：有一組噬菌體缺失突變體（1—5），成對相互雜交得到下列結果（“+”表示能獲得rII+重組體，“﹣”表示不能）1234512345

－+－+－+－++－

－+－－－++－－+

－－－+－根據(jù)上述結果畫出5個缺失突變體的缺失圖。用線條表示缺失區(qū)域。12345參考答案

第五節(jié)互補

Complementation

基因另一類功能的性質是互補作用

一、二倍體的互補作用

（白）AAbb×aaBB（白）↓

AaBb（紫）

AaBb個體能完成紫花色素所需的兩步生化反應，因為二條染色體上各自能提供一個起作用的基因：

染色體1Ab

酶A(1)起始物

(2)中間物

(3)終產物紫花色素

染色體2aB酶B染色體1能提供酶A，染色體2能提供酶B。這兩個部分缺陷的染色體能相互補償缺陷的部位，也就是說能互補。二、噬菌體T4的互補作用

1．當不能單獨在K菌株上生長的兩個rII突變體混合感染時，它們能象野生型噬菌體那樣在K株上生長，這樣兩種突變型稱為互補的突變型，因為每一種能補償另一種功能。使兩者都能生長。（T4染色體在宿主細胞中暫時二倍化）

2．不同的rII突變體可以分成兩類：即A組和B組。A組中的所有突變體能與B組中的所有突變體互補，而A組中的某一突變體不能與該組中的另一突變體互補，同樣B組中的某一突變體也不能與該組中另一突變體互補。A組中的所有突變體能定位到rII區(qū)段的一邊，B組中的所有突變體能定位到rII區(qū)段的另一邊上

A組B組A互補群B互補群混合感染rII’突變體rII’’突變體

E.colik()互補作用無互補作用細胞裂解釋放細胞不裂解無子出子代噬菌體代噬菌體釋放rII互補作用圖解：兩個不同的突變體rII’和rII’’同時感染E.coliK，一般情況下，rII突變體不會裂解K產生子代噬菌體；然而當兩個rII能互補時，就會裂解並有噬菌體生長，如果兩個突變體不能互補，就不會裂解，也不會有噬菌體生長。3．rII突變體互補的解釋：

rIIArIIBrII1

（1）（2）裂解

有兩個基因rIIA和rIIB在細菌裂解中起作用，裂解的兩個步驟分別由rIIA基因產生的酶A和rIIB基因產生的酶B控制。兩個rII突變體分別在rIIA或rIIB區(qū)域缺陷。+–

rIIArIIB–+

rII

酶A酶B由於rII1和rII2的染色體各自能產生裂解途徑中所必需的一種酶,所以裂解就能發(fā)生,即有野生型表型出現(xiàn)，稱這兩個rII突變體能互補與二倍體植物細胞染色體互補作用相類似，T4噬菌體的混合感染使噬菌體染色體處於暫時的“二倍體”細胞狀況，在這過程中發(fā)生了互補作用。三、順反子（Cistron）不能互補的突變必然影響的是同一功能單位，能夠互補的突變必定影響不同的功能單位，通過順反試驗發(fā)現(xiàn)的遺傳功能單位稱為順反子。rII區(qū)段中包括兩個作用單位A和B。也就是兩個順反子。順反子的概念來自順反試驗：它是用於說明在同一染色體上（順式）或相對染色體上（反式）排列的突變位點之間的互補試驗。順式試驗實際是對照，反式試驗才是真正的互補試驗。如果反式排列時有互補作用，說明兩個突變位點處於不同的順反子中，如不能互補，說明它們屬於同一順反子。

順式試驗反式試驗 突變位點位於同一順反子中突變位點於不同順反子中 ABABABAB+–++一個順反子是一段遺傳區(qū)域，在這一遺傳區(qū)域中的突變位點之間沒有互補作用。例如兩個不同的rII突變體（反式結構）感染同一細菌，而噬菌體不能生長，那麼這兩個突變位於同一順反子中（右上）；如果有互補作用，即後代噬菌體能生長，那麼這兩個突變體位於不同的順反子中（右下），在右上圖中，只有順反子B的功能正常，而在右下圖中，A、B兩個順反子的功能都正常。

順反子（Cistron）：

一個順反子是一段遺傳區(qū)域，在這個區(qū)域中的不同突變之間通常不發(fā)生互補作用，一個順反子相當於一個基因。具有功能上的完整性和結構上的可分割性。

四、重組和互補

重組表示染色體DNA物理上的斷裂和重新連接，其結果產生了基因的新組合。?互補不涉及個體染色體任何基因型的變化。互補表示基因產物的混合補償作用，只有當兩個染色體位於同一細胞中並各自能行使一種不同的功能時才能發(fā)生。其後，每個染色體仍然保持不變。例如，當兩個不同的rII突變體位於同一宿主細胞中發(fā)生互補作用後，其後代僅具有原親本的基因型。A

ABBABABABABABAB（a） 該突變體能互相補償，因為野生型基因A和B的產物能在細胞質中混合，但基因組不發(fā)生斷裂和重接。

(b)如發(fā)生重組，兩個基因組將發(fā)生重排。(c)這對突變不能互補，因為兩個突變體都不能提供野生型基因A的產物。(d)產生野生型噬菌體的重組過程機會較少。五、近代基因概念的發(fā)展基因是一個順反子，它是一個功能單位。一個順反子記憶體在許多突變位點，即存在許多突變子；一個順反子內可以發(fā)生交換出現(xiàn)重組，因此也可以有許多重組子。一個基因是DNA分子上具有遺傳資訊的特定區(qū)段，作為一個獨立的功能單位，它是一個順反子，它由許多突變子和重組子。

Muton：突變子是基因內部變化後產生突變表型的最小單位

Recon：重組子是基因內部不能由重組而分開的基本單位。一個順反子是為一條多肽編碼的DNA區(qū)段，“一個基因一種酶”學說可以更精確改為“一個順反子一條多肽”的理論。

遺傳變異機理I

基因突變

一、自發(fā)突變(spontanueousmutation)

包括DNA複製的錯誤和自發(fā)損傷

1．DNA複製錯誤

（1）轉換突變(transitionmutation)DNA中的堿基由一種異構體轉變?yōu)榱硪环N異構體的互變異構作用會引起堿基錯配：

第一節(jié)基因突變的分子礎

互變異構作用會引起堿基錯配T烯醇式GTG烯醇式

C亞胺式ACA亞胺式ACGTCTGCAGACGtTGTGTAGACGTCTGCAGACGTCTGCAGACATCTGTAGACGTCTGCAGACGTCTGCAG複製複製第一代第二代突變型野生型野生型野生型在DNA複製中一個G互變成烯醇式Gt，從而與T配對，在下次複製時Gt回到穩(wěn)定的酮式結構G，這時已摻入到Gt對面的T將與A配對，由此引起GC→AT的轉換。一個嘌呤被另一個嘌呤取代，或一個嘧啶被另一個嘧啶取代稱轉換突變。（2）顛換transversion

一個嘧啶被一個嘌呤取代，或一個嘌呤被一個嘧啶取代。（3）移碼突變(Frame－shiftmutations)

經常發(fā)生在重複序列區(qū)。移碼突變的模型：5,CGTTTT3,GCAAAAACGTAC5,CTTT3,GCAAAAACGTAC5,CTTTTTGCTAG3,GCAAAAACGTACGTGT

(a)(b)(c)5,CTGAGAGA3,GACTCTCTCTCTCTGCA5,CTGAGAGA3,GACTCTCTCTGCA5,CTGAGAGAGACGT3,GACTCTCTCTGCACTCTAdditionDeletion(d)(e)(f)由於單個堿基的插入或缺失造成移碼突變（frameshiftmutation）

半胱絲氨穀氨纈氨改變半胱

精氨賴氨亮氨DNATGC

TCG

CAA

GTTGA

TGC

CGC

AAG

TTG

↓讀碼框×××插入或缺失會造成其下游三聯(lián)體密碼子錯讀，生成完全不同的肽鏈。

缺失T

2．自發(fā)損傷除複製錯誤外，DNA自發(fā)性損傷造成突變(1)．細胞中經常發(fā)生脫嘌呤作用(depurination)，使去氧核糖和堿基G或A連接的糖苷鍵被打斷，從而失去G或A，複製時在脫嘌呤位點對面插入堿基造成突變。(2)．脫氨基作用(deamination)：如胞嘧啶C脫氨基後形成了尿嘧啶U，在複製過程中將與A配對，從而引起GC→AT轉換突變脫氨基複製

GC

AU

AT

突變

NNNHH脫氨基作用ONNOOCytosineUracilNNNHHH3CO51脫氨基作用5-MethylcytosineNNOHOH3CHThymine

細胞中有一種修復酶識別DNA中的尿嘧啶並將其切除，稱尿嘧啶—DNA糖基酶

5甲基胞嘧啶是發(fā)生GC→AT轉換突變的熱點。因為5甲基胞嘧啶脫氨基後形成的T不能被上述修復酶識別，因此不能被修復。二、誘發(fā)突變1.天然鹼基類似物胸腺嘧啶類似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由於胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代會導致5-BU變換異構體，使其堿基的配對能力發(fā)生變化。14-7

天然鹼基類似物的摻入誘發(fā)突變胸腺嘧啶類似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由於胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代會導致5-BU變換異構體，使其堿基的配對能力發(fā)生變化。

A——5-BUTG——5-BUc

（酮式）（烯醇式）1．轉換突變AT——GC

摻入異構體複製

ATA5-BUTG5-BUC

GC

突變

2．GC——AT

摻入異構體複製

GCG5-BUCA5-BUT

AT

突變

2．特異性錯配——改變某一堿基的結構（1）烷化劑：如甲基磺酸乙酯EMS，烷化劑能在DNA上的四個堿基發(fā)生作用，使其增加烷基側鏈，其最大的特異性是在鳥嘌呤的6位氧上增加一個烷基側鏈導致與T錯配，從而在下個複製週期中產生GC→AT轉換。NH2OH（2）羥胺HA：NH2OH也是一種特定誘發(fā)GC→AT轉換的誘變劑。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上發(fā)生羥基化作用產生N4羥基胞嘧啶，它能象T那樣與A配對，產生GC→AT轉換。胞嘧啶CN4羥基胞嘧啶腺嘌呤A(3).亞硝酸能誘發(fā)胞嘧啶脫氨基成為尿嘧啶U，尿嘧啶會與A配對，誘發(fā)GC→AT轉換突變；亞硝酸還能誘發(fā)腺嘌呤脫氨基形成次黃嘌呤H，H能和C配對，誘發(fā)AT→GC轉換突變。

||亞硝酸||複製||(1)GCAUAT||C脫氨基||||

||亞硝酸||複製||(2)ATHCGC||A脫氨基||||

亞硝酸可誘發(fā)兩個方向上的轉換。3．旁路複製——SOS系統(tǒng)細胞在有嚴重DNA損傷時，為避免致死所發(fā)出的緊急反應。其結果將發(fā)生一定水準的突變。

（1）黃麯黴B1的誘變作用（AFB1）（2）UV的誘變作用□黃麯黴毒素B1的誘變作用（AFB1）是一種強烈的致癌物，它能在鳥嘌呤G上接上一個黃麯黴毒素分子，從而使其脫去嘌呤，在複製過程中會在脫嘌呤位置的對面優(yōu)先插入一個腺嘌呤A，從而誘發(fā)GC→TA的顛換。

G

CGa

CAFB1脫嘌呤

GC正常

TA

突變

AC

□紫外線UV的誘變作用

能使DNA上同一鏈中相鄰的TT變?yōu)槎垠wTT，干擾正常堿基配對能力，在DNA複製過程中將發(fā)生錯誤導致突變。Covalentcross-links

共價交聯(lián)第二節(jié)生物學修復機制

生物為了生存和繁衍後代，DNA必須精確的複製。但在DNA複製的忠實性上存在許多潛在危險。有機體是怎樣使DNA複製保持高度的穩(wěn)定性使變異減少到最低限度的呢？——細胞具有以各種方式修復DNA損傷的酶系統(tǒng)。一、損傷的直接修復

UV引起的光損傷TT二聚體能被光復活酶修復，該酶能在暗處和TT二聚體結合，形成酶和DNA複合體，在光照條件下，複合體分解，使TT二聚體分解為原先正常的堿基。

光復活酶不能在暗處起修復作用，因此也稱：光修復作用。14-3

二、切補修複途徑

這種作用不需要光照，而是經修復酶將損傷切除修補的過程，亦稱暗修復。

1．一般切補修複：切補核酸酶（UVRA，B，C基因編碼）能識別一些大的損傷，將受損堿基及兩旁的堿基切除。造成的缺口由DNApolI合成填補，並由連接酶封口。切補核酸酶（UVRA，B，C基因編碼）能識別一些大的損傷，將受損堿基及兩旁的堿基切除。造成的缺口由DNApolI合成填補，並由連接酶封口。Nucleotideexcisionrepair(NER)ofaUV-inducedthyminedimer.在人類中這也是一種重要的修復途徑。著色性幹皮癥是由於缺乏切補修複酶造成的遺傳性缺陷，正常人的皮膚細胞和該缺陷者的皮膚細胞在培養(yǎng)時對UV的敏感性有很大差異，具有該缺陷的人在30歲之前就易死於皮膚癌。

Twoindidualswithxerodermapigmentosum.

2．AP核酸內切酶修復途徑

單個嘌呤或嘧啶脫去後的位點稱AP位點，細胞中自發(fā)產生的AP位點的頻率很高。由一種專門在AP位點上切割的酶——切斷DNA上的磷酸二酯鍵。然後再起動由DNA外切酶、DNA聚合酶I和連接酶參與的切補修複過程。

AP核酸內切酶打開一切口

外切酶切除部分單鏈

DNA聚合酶I合成新的單鏈

連接酶封口

3．DNA糖基酶修復途徑

該酶切斷N-糖苷鏈（堿基與糖的連接），能將DNA中的異常堿基切除，切除後在DNA上形成AP位點，再經AP核酸內切酶途徑修復。

異常堿基U形成AP位點經AP核酸內切酶途徑修復

DNA中的正常堿基不是尿嘧啶U而是胞嘧啶和胸腺嘧啶的原因：

由於尿嘧啶DNA糖基酶切補修複途徑的存在，使DNA中的正常堿基不是尿嘧啶U而是胞嘧啶和胸腺嘧啶，一旦修復失效才會產生C→T的轉換突變。4．重組修復作用：某些DNA的損傷會阻礙DNA的複製，如UV光二聚體。細胞中由於SOS旁路複製系統(tǒng)會使DNA的複製重新起動並跨過該受損的區(qū)域，但在子代DNA鏈上產生一個缺口，這一缺口可由重組修復作用補上，該段DNA是從親代姐妹DNA鏈上切下補上的

重組修復並不能將親代DNA上的損傷除去，當?shù)诙窝}製時，留在親代DNA鏈上的損傷仍然要用同樣的重組修復作用來彌補，但隨多代複製後，損傷的親代鏈僅占極少數(shù)，絕大部分是重組修復後的正常DNA。從而使細胞恢復正常的功能

四、修復的總體戰(zhàn)略，細胞是如何有序地行使修復作用的？

1．細胞不會合成各種酶去修復各種類型的損傷。那會消耗太大的能量。2．一般先用一種通用的切補修複系統(tǒng)除去DNA上造成明顯缺陷的損傷。3．損傷太小並未達明顯缺陷時，採用特殊的切補修複系統(tǒng)（如DNA糖基化酶修復系統(tǒng)）。4．為了消除可能產生的複製錯誤，這時起用複製後錯配修復系統(tǒng)，並能修復其他修復系統(tǒng)遺留下的損傷5．各種修復系統(tǒng)並不是萬能的，不能把所有的DNA損傷都修復完好——生物發(fā)生變異進化的原因。

遺傳變異的機理II

重組

第一節(jié)一般同源重組

同源DNA序列之間的重組稱為一般重組。重組的過程要經歷一個DNA斷裂和重接的過程。

一、重組的Holliday模型11-18二、重組過程中的酶

一般性重組中涉及到三個重組基因的作用：recA，recB，recC。另外還要單鏈結合蛋白SSB的作用。由recB，C基因編碼的蛋白質複合體使DNA雙鏈的一條鏈打開缺口，並使螺旋部分鬆開。SSB結合到單鏈區(qū)使之穩(wěn)定，recA的蛋白也能結合到單鏈上，引導雙鏈形成，使原雙鏈中相應的單鏈被置換。交叉的移動由ATP水解來推動。切口由連接酶封口。HomologousDNAStrandnickingexchangeLigatenickedstrandsgoonCrossstrandexchangestructure重組過程的步驟和酶：(a)一對同源雙鏈；(b)由recB，C核酸酶在第一對DNA雙鏈的一條鏈打開缺口，並使螺旋部分鬆開。SSB結合到單鏈區(qū)使之穩(wěn)定，recA的蛋白也能結合到單鏈上，引導雙鏈形成，使原雙鏈中相應的單鏈被置換；(c)另一對DNA雙鏈的一條鏈打開缺口並與第一對DNA雙鏈的一條鏈配對；(d)切口由連接酶封口；(e)開始180o旋轉的結構(a)(b)(c)(d)(e)第二節(jié)專一性重組

專一性重組指只發(fā)生在特定位置上的重組。一、噬菌體的整合作用

λ噬菌體的整合和切割酶能專一性地識別λDNA和E.coli染色體上的特定位點，使λ與宿主染色體之間發(fā)生重組

λ整合切割酶特異切割POP’和BOB’後，能在O區(qū)產生一個粘性末端，在λ整合酶的作用和宿主整合因數(shù)的參與下，λDNA整合進E.coli的染色體中，為專一性重組。BOP,POB,gal整合和切割酶λ整合酶，宿主整合因數(shù)λBOB,galbioPOP,POP,λPackagingInjectionE.coliDNAattBattP

E.coli

重組位點

λ重組位點

λDNAλ整合和切割酶λ噬菌體的整合作用GCTTTTTTATACTAACGAAAAAATATGATTPBP,B,Att的核心區(qū)Oλ整合切割酶特異切割POP’和BOB’後，能在O區(qū)產生一個粘性末端，在λ整合酶的作用和宿主整合因數(shù)的參與下λDNA整合進E.coli的染色體中λ整合切割酶λ整合切割酶二、對基因表達具調控作用的重組

利用位置特異性重組控制基因表達：沙門氏菌的相轉變：表面鞭毛有H1和H2型。由於反向重複區(qū)的重組會導致插入序列的翻轉。翻轉重組的過程大約1次/1000次分裂。由此造成H2和H1基因交替表達，使H1和H2兩種表面鞭毛相轉變的頻率很高。PIR(L)IR(R)hinH2rH1H2鞭毛H1阻遏物PH1HINH2rH1PPPhinH2rH1HIN蛋白H1

H1鞭毛P反向重複區(qū)的重組會導致插入序列的翻轉由此造成H2和H1基因交替表達。三、一般重組與專一性重組的區(qū)別

插入式重組：λ噬菌體整合到宿主染色體上和沙門氏菌控制鞭毛形態(tài)的正反方向插入重組涉及遺傳因數(shù)的加入。

替換式重組：一般性重組中兩個染色體交換了一部分。區(qū)別：

1．DNA同源部位的大?。害薉NA和E.coliDNA只有附著點alt的核心區(qū)O是同源的，而在一般重組中，兩個染色體是同源的

2．重組部位的大小：一般重組中，雖然整個染色體同源，但實際重組部位可大可小，而特異重組中，同源部位雖很小，但重組一律包括整個λDNA。第十八章

遺傳變異機理III

轉位因子

上世紀三十年代，玉米遺傳學家

BarbaraMcClintock在研究中發(fā)現(xiàn)了玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象，可能是一種可轉移的遺傳因數(shù)。1948年McClintock首先確認和提出了轉座子的概念，這一重大發(fā)現(xiàn)並未引起人們的重視，70年代後在原核和真核生物中不斷發(fā)現(xiàn)有轉位因數(shù).McClintock（1902-1992）：

1944：美國國家科學院院士

1945：美國遺傳學會主席

1983：NobelPrize，35年後將轉位因數(shù)的重大發(fā)現(xiàn)歸功於她

轉位因數(shù)的概念：

轉位因數(shù)：調控因數(shù)，跳躍基因，徘徊基因，運動基因，轉座子等。（transposableelements）能從同一染色體的一個位置上轉到另一位置上，也能轉到不同的染色體上。轉位後會使那個位置附近的基因活性和結構發(fā)生變化。第一節(jié)

原核生物的轉位因數(shù)

一、插入序列Insertionsequence（IS）是一段DNA，當IS出現(xiàn)在一個基因的中間時會打亂編碼順序或鈍化基因表達。有些IS因數(shù)具有轉錄轉譯的終止信號。

1．IS因數(shù)引起的極性突變IS因數(shù)最早在E.coli的半乳糖操縱子(galactoseoperon)中發(fā)現(xiàn)，它涉及半乳糖代謝中的三個基因：

K

T

E

PKTE轉錄半乳糖激酶galgenesmRNA轉移酶異構酶啟動基因

最早在有激酶缺陷的E.coli突變體中發(fā)現(xiàn)有IS因數(shù)，而且在gal半乳糖操縱子的各個部位都有發(fā)生：（1）在任何一個激酶缺陷的突變體中，其突變位置可以位於K中，或位於T或E中，能抑制激酶基因表達的T基因突變不會抑制E的表達。各個突變只能影響到同一操縱子中轉錄下游其他結構基因的表達而不影響其上游基因的表達——極性突變。（2）上述突變體能自發(fā)回復為野生型（說明突變不是由缺失引起）；任何誘變劑不能提高回復為野生型的頻率，說明不是由缺失，無義突變，移碼突變或點突變造成，實驗證明是由IS因數(shù)引起的。2．IS因數(shù)的物理證據(jù)λdgal：λ缺陷性半乳糖轉導噬菌體λ噬菌體能經常插入到E.coli染色體的gal操縱子旁，除了產生正常的λ外，有時產生有缺陷的λ顆粒λdgal，在這種顆粒上λ原有的某些基因已掉在宿主染色體上，但卻帶有gal區(qū)段（λdefectivegalactose）用同樣方法得到：*λdgal———帶有gal極性突變的λ缺陷性半乳糖轉導噬菌體。證據(jù)：（1）將λdgal+和λdgal—的DNA作氯化銫離心後證明dgal—的DNA比dgal+的DNA長。是由於插入了一大段DNA引起的。在一個既定位置上的一種插入往往是突然出現(xiàn)的，是運動著的，只有當IS最終位於一個異常位置時，如在結構基因內部，才引起突變。（2）分子雜交圖：IS800ntsλdgal—λdgal+3．IS的方向：其插入的方向可以有變化λdgal+DNA兩條鏈的堿基的組成不同，會有不同的密度，可以分離開。來自兩個獨立的IS插入突變的λdgal—的DNA經變性分離後，兩條相同密度的鏈之間能形成一種異質雙鏈DNA。雙鏈DNA單鏈區(qū)單鏈區(qū)單鏈區(qū)單鏈區(qū)

由插入序列引起的兩個突變的λdgal—，其相應的鏈可形成異質雙鏈DNA

異質雙鏈DNA結構的解釋模型Mutant1

,

,HLMutant2

,

,

HLHH

,

,結論：IS序列以相反的方向插入在兩個突變體中。二.轉座子（Transposon)

五十年代在日本的醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)了細菌性痢疾的病原菌，它們對許多抗生素具有抗性，還能轉移到其他敏感痢疾菌中。對醫(yī)學是可怕的，對遺傳學研究是有意義的，發(fā)現(xiàn)是由抗性質粒引起的。

轉座子是一類具有抗性的可移動的遺傳因數(shù)，它的抗性基因兩側具有IS因數(shù)，便於識別和轉移。轉座子包括轉座子基因和兩側的IS因數(shù)。

轉座子結構示意圖

ABCXYZC,B,A,

A,B,C,X,Y,Z,

CBA轉座子基因ISIS轉座子(a)CABC,B,A,YXZIR=2IS(b)

變性前的雙鏈形式,插入序列的方向相反變性後經鏈內退火形成的棒糖結構

第二節(jié)真核生物的轉位因數(shù)五十年代，McClintock在研究玉米時發(fā)現(xiàn)了轉位因數(shù)1．Ds因數(shù)：解離因數(shù)，能在玉米基因組內移動，它的存在會使染色體上該位置發(fā)生斷裂的機會增加，並由此改變鄰近基因的表達。當Ds因數(shù)插入到玉米顆粒色素基因C的近旁或中間時，就不能形成色素，當Ds轉位離開後，C基因所受的抑制作用會解除，玉米又出現(xiàn)色素。

cshbzwxDs+DsRecessivephenotypesappearCShBzWxDs位置Ds+

(缺少Ds因數(shù)）染色體發(fā)生斷裂斷裂發(fā)生後，另一同源染色體上的隱性基因表達，不能形成色素2．Ds因數(shù)不穩(wěn)定，它受另一調控因數(shù)Ac的影響

?Ac存在：能解除Ds對色素基因C的抑制作用,使C基因表達，顆粒出現(xiàn)色素斑點;

?Ac啟動因數(shù)丟失：Ds趨於穩(wěn)定，抑制了C基因的表達，玉米顆粒呈無色

CShAcDsAcAc(a)(b)(c)(d)玉米調控因數(shù)的作用模式：(a)Ac啟動因數(shù)的位置不穩(wěn)定，在無Ds轉位因數(shù)時，C基因不受抑制，顆粒呈深色。(b)當Ds因數(shù)插入C基因時，C的色素表型受到抑制。(c)每當Ds轉位後，C基因又可表達，顆粒出現(xiàn)斑點。(d)無Ac啟動因數(shù)時，Ds能穩(wěn)定插入到C基因中，使顆粒為無色。

由於Ds和Ac兩因數(shù)頻繁轉位，使玉米顆粒上出現(xiàn)散在斑點。CornkernelshowingspotofcoloredaleuroneproducedbygenetictraspositioninvolvingtheAc-DssystemAcomparisonofthestructureofanAcelementwiththreeDselements,allofwhichhavebeenisolatedandsequenced.

轉座位酶基因

謝謝同學們！

DNA的功能

第一節(jié)轉錄TranscriptionDNA一般存在於核內，蛋白質合成則在細胞質內，那麼DNA是怎樣控制蛋白質的合成呢？

一.RNA是中間體：實驗證據(jù)用放射性RNA前體（如尿嘧啶）作標記實驗表明，最先合成的放射性RNA是在細胞核中產生的；然後用非放射性RNA前體作跟蹤實驗，結果：放射性RNA又流向了細胞質，這提示，在DNA和蛋白質之間的遺傳資訊傳遞過程中，RNA是一中間物。

用非放射性用放射性RNA前體標記

示蹤後RNA出現(xiàn)於細胞質中

RNA前體示蹤遺傳資訊的流向——中心法則□如用T2

噬菌體感染大腸桿菌，最明顯的變化是RNA的快速合成，而且發(fā)現(xiàn)RNA與T2噬菌體的DNA的核苷酸成份是非常相近的。證明RNA是由DNA合成而來的，然後進入細胞質，在細胞質的特定場所指導合成特定的蛋白質，因此遺傳資訊的流向包括三個步驟。DNA複製轉錄

核RNARNA

質轉譯蛋白質

轉錄

□以DNA為範本，按照堿基互補原則合成一條單鏈RNA，從而將DNA中的遺傳資訊轉移到RNA中去的過程稱轉錄（transcription），RNA合成以5’—3’方向進行。

轉錄

□不對稱轉錄：轉錄僅發(fā)生在DNA的一條鏈上。分子雜交證明，某一基因的RNA只能與其DNA的一條鏈有雜交反應，即說明DNA上只有一條鏈可作為範本合成該基因的RNA。5’3’變性分開5’3’+標記的RNA

複性

5’5’5’3’3’3’3’5’範本鏈（或互補鏈）編碼鏈

RNA在一定時間上是由DNA的一條鏈轉錄而來的，然而在整個染色體或生活週期的各個時期並不一定由同一條鏈轉錄。在一個包含有許多基因的DNA分子中，各個基因的有意義鏈並不總是同一條DNA單鏈。在原核生物中，所有類型的RNA轉錄都由同一種聚合酶完成；而在高等真核生物中，有三種不同的RNA聚合酶轉錄不同的RNA（核仁內的RNA聚合酶催化rRNA，核內有二種RNA聚合酶分別催化合成mRNA和tRNA）。

三、轉錄的起始（Initiation）

1．啟動子（promoter）：是DNA轉錄起始信號的一段序列，它能指導全酶與範本正確地結合，並活化酶使之具有起始特異性轉錄形式。大腸桿菌啟動子序列分三個部位：R位點：RNA聚合酶識別位點；B位點：結合部位；I位點：轉錄起始部位。

－10區(qū)－35區(qū)

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TGTTGACA…