Genes，ChromosomeandDNA第二章

基因、DNA與染色體2.1 基因概念的演變與發(fā)展

2.2 染色體2.3 DNA的結(jié)構(gòu)2.4 DNA的復(fù)制2.5 DNA的損傷與修復(fù)

2.1基因概念的演變與發(fā)展

本節(jié)掌握要點經(jīng)典的及現(xiàn)代的基因概念基因概念的發(fā)展，主要內(nèi)容及實驗依據(jù)順反子（cistron）及其等位基因（allele)的概念全同等位基因，非全同等位基因的概念斷裂基因，外顯子，內(nèi)含子互補測驗轉(zhuǎn)座子的種類及遺傳學(xué)效應(yīng)

2.1.1遺傳因子假說

(Hypothesisoftheinheritedfactor

G.J.Mendel1866.)

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)

遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA,aa)

在生殖細胞內(nèi)為單（A,a）

雜合子體細胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa)

等位的遺傳因子分離非等位遺傳因子間自由組合地獨立分配到配子中2.1.2 基因?qū)W說

基因是染色體上的實體

基因象鏈珠(bead)一樣，孤立地呈線狀地排列在染色體上

基因是Threeinone:

功能(functionalunit)突變(mutationunit)

交換(cross-overunit)

“三位一體”的最小的不可分割的基本的遺傳單位(1926T.H.Morgan)經(jīng)典遺傳學(xué)的基因概念Bareye

Positioneffect

Dosageeffect

DuplicationWildtype16A780個68個45個Ｘ－chromosomeSturtevent385個2.1.3基因的位置效應(yīng)

Positioneffect復(fù)眼數(shù)目果蠅復(fù)眼（W>wineuchromatin,常染色質(zhì)）（Wgenebesilencedinheterochromatin,異染色質(zhì)區(qū)的W基因沉默）WWwwWwRedeye

紅眼Wwwhiteeye

白眼Positioneffect（位于不同染色質(zhì)區(qū)域，效應(yīng)不同）Why?Epigenetics!2.1.4

擬等位基因（pseudoalleles）Multiplealleles

a1Aa2a3Aa1a2a1a1×a2a2

a1a2(nowildtype)

But!W

w-

wa

redeye(wt)w-wa×w-Y

Xw-Y

Xw-Xw-Xw-Xw-Y

XwaXw-XwaXwaY

?1/1000WTredeyewhiteeye(mut)amygdaloideye(mut)（杏仁色）果蠅緊密連鎖（交換率極低）功能相同（表型相似）

擬等位基因的概念A(yù)1A2

a1a2

ＷＴMutA1

a2

a1

A2

2.1.5順反子學(xué)說（cistron）

(Benzer1955)Mut.T4rII:rII107,rII105,rII51,rII47……(400)

PhageE.coliB

E.colik12Plaque

（噬菌斑）野生型T4MutT4rII白,小,邊緣模糊白,小,邊緣模糊（僅WT）大,園,邊緣清晰可以通過重組實驗測定他們的距離與順序Recombinationanalysis（重組分析）兩種噬菌斑rII47

0

0

rII102

infectE.coliBinfectE.coliK12

0

0

rII47

rII104

一種WT噬菌斑可以根據(jù)重組值計算兩兩之間的距離Threeinone!RIIregion

RII47104101103105106

51102

Howmanygenes?！

0

0

rII47

rII106

0

0

rII106

rII51

Complementationtest

（互補測驗）InfectE.coliK12

LargenumberNotbyrecombination！功能互補rII47rII106rII106rII51復(fù)制和重組WTphenotypeWhy?How?

Ab1

Ab2

a1BAb2相互補充！依據(jù)

Onegeneoneenzyme

Mutant

Wildtype

沒有互補！突變位于不同的功能單位，能互補；突變位于相同的功能單位，不能互補不同的非等位基因

同一等位基因

功能互補效應(yīng)的測驗體系具有

不具有

突變位點處于a1BAb2Ab1

Ab2

rII4710410110310510651102

●●●●●●●●Agene

Bgene

rIIregioninT4phagecontainstwogenes科學(xué)（基因--酶）為技術(shù)（互補測驗）的發(fā)明提供了理論依據(jù)（互補測驗）技術(shù)為科學(xué)（順反子）的發(fā)現(xiàn)提供了方法手段構(gòu)建大量（核苷酸及表型）突變體開展大量（功能互補）實驗順反子學(xué)說（Theoryofcistron）Cistron是基因的同義詞

在一個順反子內(nèi)，有若干個突變單位,突變子(muton)

在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位,交換子（recon）

基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組，交換

pseudoalleles

是基因內(nèi)的不同突變體

mut1Xmut2

WT是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果cistron概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動搖是對pseudoalleles概念的修正

基因是一個具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遺傳功能單位threeinoneoneinone

順反子理論

Theoryofcistron

(Benzer1955)

對經(jīng)典的基因概念的

第一次重要修正與發(fā)展

2.1.6等位基因（Allele）概念的發(fā)展同一座位存在的兩個以上不同狀態(tài)的基因,其總和稱之為復(fù)等位基因（multiplealleles）（A,a1,a2..）

全同等位基因:

在同一基因座位（locus）中，同一突變位點（site）向不同方向發(fā)生突變所形成的等位基因（homoallele）

Muta1Muta2×ATTCGGAGCTATTCAGAGCT

(mut2)

ATTCAGAGCTATTCGGAGCT

(mut1)

site

Genelocus

WＴAMuta1Muta2ATTCTGAGCTATTCGGAGCT

ATTCAGAGCT

非全同等位基因:

在同一基因座位（locus）中，不同突變位點（site）發(fā)生突變所形成的等位基因(heteroallele)

。

site

Genelocus

siteWTAMuta1Muta2ATTCTGAGCT

ATTCGGAGCTATTCTGAGATMuta1Muta2×ATTCGGAGCTATTCTGAGATATTCGGAGAT

(mut)ATTCTGAGCT(WT)

基因是可分的一個基因內(nèi)的單個堿基變異，可引起性狀改變基因內(nèi)交換形成WTLac.OperonLactose2.1.7

操縱子理論（乳糖操縱元）

(Lactoseoperon1961.Jacob,Monod)

IPOZYA

zya

生物性狀的表現(xiàn)往往具有上位性互作的遺傳效應(yīng)

某一基因功能的表現(xiàn)是若干基因組成的信息表達的整體行為2.1.8

間隔基因（splittinggene）PhillipSharp&RobertsAd2(1977)（minirevolution）

RichardJ.RobertsPhillipA.SharpNobelPrize1993PierreChambon

(France)(1977)ovalbuminofchickenEukaryoticcellulargeneisalsosplitSplittingseq.inthe5’endofHexoncpgeneofAd2DNAofAd2+EcoRI&HindIIImRNAofHexoncpSharpgroupRobertsgroup1977

PNAS74:3173,1977Adenovirus,腺病毒，Ad2Hexongene

cp,六聯(lián)體外殼蛋白1978Gilbert真核生物基因的新概念Exon(外顯子)DNA與成熟RNA間的對應(yīng)區(qū)域

氨基酸的編碼區(qū),aminoacidcodingregion

非間隔區(qū),non-spacer真核生物的結(jié)構(gòu)基因是由若干exon

和intron

相間排列的序列組成的間隔基因

Intron(內(nèi)含子)IntronisasegmentofDNAthatistranscribedintonuclearRNA,butissubsequentlyremovedfromwithinthetranscriptandrapidlydegraded.DNA與成熟RNA間的非對應(yīng)區(qū)域氨基酸的非編碼區(qū)（non-codingregion）間隔區(qū)（spacer）成熟RNA（mRNA）中已被切除的部分卵清蛋白DNAXcDNAElectro-microscope7introns8exons典型真核生物基因結(jié)構(gòu)外顯子序列保守內(nèi)含子序列多變（但外顯子與內(nèi)含子基因突變頻率相同）內(nèi)含子（intron）外顯子（exon）PTDNAPre-mRNAmRNA1973年，Weiner&Weber大腸桿菌RNA病毒4008003％Weissman外殼蛋白組成有感染力病毒顆粒必需1977年Sanger在Nature發(fā)表ФX174的全核苷酸序列，正式發(fā)現(xiàn)了重疊基因2.1.9

重疊基因1977年

桑格爾在測定噬菌體ΦX174的DNA序列時兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個或兩個以上基因的組成部分。多種重疊方式大基因內(nèi)包含小基因前后兩個基因首尾重疊一個或兩個核苷酸幾個基因有一段核苷酸序列重疊在一起重疊基因中不僅有編碼序列也有調(diào)控序列ABABAB2.1.10跳躍基因/轉(zhuǎn)座子

（Jumpinggene

/Transposon/MobileDNA）

存在于染色體DNA上可自主復(fù)制和位移的基本單位基本特點：一種可移動的DNA片段，常插入到另一個宿主DNA分子上本身不含復(fù)制起始機制，依賴宿主DNA分子進行復(fù)制

DNA轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)座子具有在同一或不同DNA分子上移動的能力1914埃默森Cornelluniversity

玉米果皮花斑突變

pVVpvv

1936羅德斯IndianaUniversity

玉米糊粉層斑點（Dotted，Dt）突變

基因轉(zhuǎn)座現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn)AaDt

DtaA

基因的不穩(wěn)定性？

最早發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座子

Ac,activator,激活因子，自主因子

Ds,dissociator,解離因子，非自主因子

Ac,編碼轉(zhuǎn)座酶，transposase,3500ntmRNAAc存在時，激活Ds轉(zhuǎn)座

1947BarbaraMcClintock

玉米糊粉層花斑不穩(wěn)定現(xiàn)象伴隨的遺傳事件

Ds-Ac調(diào)控（激活-解離）系統(tǒng)麥克林托克ABC基因C表達，籽粒表現(xiàn)有色當(dāng)Ds存在時，基因C不能合成色素，籽粒表現(xiàn)無色在Ac激活因子存在時,Ds從染色體上解離，從而解除了對基因C的抑制玉米籽粒顏色與位于9號染色體上的基因（C）有關(guān)CI→ci→糊粉層花斑玉米糊粉層色斑不穩(wěn)定遺傳是由可轉(zhuǎn)座因子Ac-Ds引起-1947DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中雙鏈嚴格互補的關(guān)系闡明了基因的遺傳穩(wěn)定性-1953跳躍基因-生物基因組的遺傳物質(zhì)不固定的觀點難于接受★插入序列：Insertionsequence,IS最簡單的轉(zhuǎn)座子大腸桿菌半乳糖苷酶galˉ

突變體含一段800～1400bp的插入片段，ISIS片段末端含反向重復(fù)序列,IR（invertedrepeats）

編碼轉(zhuǎn)座酶，transposase

轉(zhuǎn)座時復(fù)制宿主靶位點一小段DNA，形成形成正向重復(fù)序列復(fù)制性轉(zhuǎn)座:整個轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，轉(zhuǎn)座的僅僅是原轉(zhuǎn)座子的拷貝，如TnA類非復(fù)制性轉(zhuǎn)座:轉(zhuǎn)座子移位。如IS、Mu及Tn5正向重復(fù)序列Directrepeats,DR交錯切割插入轉(zhuǎn)座子補平缺口轉(zhuǎn)座子的反向末端重復(fù)序列可在靶點的兩翼產(chǎn)生正向重復(fù)序列123456789123456789987654321987654321轉(zhuǎn)座酶基因1~91~99~19~1靶位點反向重復(fù)序列Invertedrepeats,IR雙鏈解離后反向末端序列可形成單鏈莖環(huán)結(jié)構(gòu)反向末端重復(fù)序列

插入序列（IS）的結(jié)構(gòu)比較元件長度（bp）

IR（bp）DR（bp）靶位點IS1768239隨機IS21327415有熱點IS414281811或12AAAN20TTTIS51195164有熱點IS10R1329229NGCTNAGCNIS50R153199有熱點IS9031057189未知★復(fù)合型轉(zhuǎn)座子，compositetransposon

具有功能基因（抗藥性等）的轉(zhuǎn)座子

IS插入到功能基因兩端，可能形成復(fù)合轉(zhuǎn)座因子ISmutationISL

ISR臂中心區(qū)臂IStranspositionIS

轉(zhuǎn)座因子A家族，transposon，TnA2.5kb~20kb具有IR、轉(zhuǎn)座酶基因、調(diào)節(jié)基因、抗生素抗性基因Tn3IRTnpAResTnpRAmpRIR38bp38bp

轉(zhuǎn)座酶

解離酶β-內(nèi)酰胺酶Tn1(AmpR)Tn2(AmpR)Tn3(AmpR)Tn4(AmpRStrR)Tn5(KanR)Tn6(kanR)Tn7(StrRTmpR)Tn9(CamR)Tn10(TetR)轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)座引起插入突變轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因轉(zhuǎn)座導(dǎo)致基因表達的變化轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變轉(zhuǎn)座引起的生物進化轉(zhuǎn)座帶來的基因重排2.1.11假基因

Pseudogene核酸序列與相應(yīng)的正常功能基因基本相同，但功能失活的基因（如不能合成功能蛋白）與具功能的親本基因（Parentalgene）連鎖，由親本基因片段復(fù)制串聯(lián)而成人類珠蛋白基因，ψ

為假基因加工的假基因（Processedpseudogene),含polyA,Nopromoter&intron,無連鎖2.1.12

真核生物中的重復(fù)基因

根據(jù)真核生物復(fù)性動力學(xué)的研究結(jié)果，重復(fù)拷貝數(shù)的多少，可以將真核DNA序列人為的分為三類：☆

不重復(fù)序列（Singlecopysequence單拷貝序列）在單倍體基因組里，這些序列一般只有1~3個拷貝，750~2000bp/copy，占DNA總量的40%~80%。結(jié)構(gòu)基因多屬于不重復(fù)序列☆

中度重復(fù)序列（Moderaterepetitivesequence）

0.1~1kb/copy,10~104copy/genome

rDNAtDNAHistonegeneclusterAlufamily間隔區(qū)NTSrRNAgenerRNAgene間隔區(qū)NTSrRNA基因結(jié)構(gòu),基因簇，geneclusterNon-transcribedspacers,NTS☆

高度重復(fù)序列（highrepetitivesequence），又稱微衛(wèi)星DNA，shorttandemrepeatsMicrosatellite2~10bp/copy105~106copies/genome

多為串聯(lián)重復(fù)排列，分布于著絲點、端粒區(qū)和結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)不編碼基因

無選擇壓力，可以保留在群體中，是有效的分子標(biāo)記數(shù)量性狀基因（量多，微效，效等，累加）與中度或高度重復(fù)基因或序列是否相同？重復(fù)序列為分子標(biāo)記分布區(qū)域Genome-wide

associationmarkers,GWAMGenome-wideassociationstudy,GWAS全基因組相關(guān)標(biāo)記（分析）Nature,Science文章，2010

DNAisamaingeneticmaterial▲Hersheylambdaphagecycle▲Watson&CrickDNAdoublehelix▲1928Griffith1944Avery2.1.13DNA是主要的遺傳物質(zhì)★

DNA

編碼兩類遺傳信息II類；特定DNAseq.+特定蛋白質(zhì)/核酸結(jié)合基因表達的指令geneon/offI類；DNAseq.RNAseq.(codon)aaseq.proteinphenotype(centraldogma，中心法則)

內(nèi)在信息內(nèi),外(信號分子)結(jié)合信息ORFonlyHelix,Ntseq….

遺傳信息存在于模版鏈三維空間結(jié)構(gòu)/DNA序列的一級結(jié)構(gòu)上(IR,Box,paracodon…)

三聯(lián)體密碼空間，調(diào)控密碼(key&lock)

簡并(degeneracy)簡并(degeneracy)WobbleIso-acceptorcis1trans2cis2trans1cis1trans3cis3I類II類expressionbyspecificbindingaabaseDNARNA