1、,第十一章 基因和基因組,第一節(jié) 基因概念的發(fā)展,一、經(jīng)典的基因概念,Mendel的“遺傳因子” Morgan的基因概念P156 （1）基因是結(jié)構(gòu)單位，不能由交換分開(kāi)。 （2）基因是突變單位。 （3）基因是一個(gè)作用單位， 能產(chǎn)生一種 特定的表型效應(yīng)。 （4）染色體是基因的載體。,二、生化突變型與一個(gè) 基因一個(gè)酶說(shuō),（一）、鏈孢霉的精氨酸依賴(lài)型： （由幾個(gè)非等位基因控制） 生化突變型：某一基因突變 導(dǎo)致酶不能產(chǎn)生，或形成的 酶活性改變。 （二）、人的先天代謝缺陷,苯丙氨酸代謝缺陷引起的疾病,1. 苯丙酮尿癥 (PKU)（AR） 1934年首次發(fā)現(xiàn)，歐美地區(qū)發(fā)病率為1/16000。雜合子頻率為1/

2、50-1/70。 主要癥狀：智力發(fā)育障礙，易激動(dòng)，好動(dòng)，肌張力高，共濟(jì)失調(diào)，小便和汗液有特殊氣味等。 早期確診后，應(yīng)給予低苯丙氨酸飲食，并維持終生。,2. 尿黑酸尿癥(AR) 大量尿黑酸產(chǎn)生。機(jī)體中也積存了大量的尿黑酸，在結(jié)締組織中沉積，導(dǎo)致褐黃病，發(fā)展為關(guān)節(jié)炎。 基因定位于3q21-23。 發(fā)病率為1/250000。,3白化?。ˋR） 皮膚、毛發(fā)呈白色。眼呈淺蘭色。畏光，眼球震顫。暴露皮膚易生皮膚癌。 I型酪氨酸酶陰性。 II型酪氨酸酶陽(yáng)性。能合成褐黑色素，不能合成真黑色素，病因不明。 兩個(gè)白化病人婚配可能生出正常兒，因?yàn)橐粋€(gè)是I型，另一個(gè)為II型： aaBBAAbbAaBb,苯丙氨酸代謝缺

3、陷引起的疾病,萊一尼二氏癥（Lesch-Nyhan syndrome） (自毀容貌綜合征), 一種核酸代謝病,表明：基因決定酶的形成，控制生化反應(yīng)，從而控制代謝，這即一個(gè)基因一個(gè)酶說(shuō)（ one gene one enzyme” hypothesis ）。,Beadle and Tatum,1941 Beadle II; III,半乳糖-1-磷酸尿苷轉(zhuǎn)移酶編碼基因具有多態(tài)性：G+; GD; GI; GR; GG，各種等位基因的組合酶活性不同。,3. 萊一尼二氏癥（Lesch-Nyhan syndrome） (自毀容貌綜合征), 一種核酸代謝病。 鳥(niǎo)苷酸 次黃苷酸 HGPRT 鳥(niǎo)苷 次黃苷 鳥(niǎo)嘌呤

4、 次黃嘌呤 HGPRT ：次黃嘌呤鳥(niǎo) 黃嘌呤 嘌呤 磷酸核苷轉(zhuǎn)移酶 尿酸,（一）、位置效應(yīng),果蠅16A區(qū)段(Bar基因)重復(fù)處于染色體的不同位置對(duì)其個(gè)體眼面大小(小眼數(shù)目)的效應(yīng)不同。,反式(trans) 順式(cis),三、基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)和順?lè)礈y(cè)驗(yàn),位置效應(yīng)表明：染色體并非基因的簡(jiǎn)單容納器，基因在染色體上的位置也具有功能意義。 所以“念珠理論”的 (基因與染色體的關(guān)系)得到了發(fā)展。,（二）順?lè)醋?Benzer于1953年發(fā)現(xiàn)T-偶數(shù)噬菌體rII突變型。他對(duì)不同rII突變型重組的深入研究闡明了基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并提出了近代的基因概念。,1. T4噬菌體rII突變型及其檢測(cè),2. 雙重感染法繪制r

5、II區(qū)段連鎖圖,操作方法： 用兩種rII突變型雙重感染B品系，收集溶菌液； 分別接種到B品系、K()品系菌苔上； 考察兩個(gè)品系菌苔上的噬菌斑數(shù)目，就可以計(jì)算兩個(gè)突變位點(diǎn)間的重組值； 繪制連鎖遺傳圖。,雙重感染試驗(yàn)(p161),結(jié)果分析： 回復(fù)突變的頻率很小，不會(huì)產(chǎn)生如此高頻率的野生型噬菌體(斑)；所以野生型只能由重組產(chǎn)生。 Benzer先后分離到100多個(gè)不同的rII突變。在rII區(qū)段內(nèi)存在如此多的基因顯然是不可能的。 結(jié)論： 這些基因就是rII區(qū)段突變形成的復(fù)等位基因。 基因是由更小的重組單位構(gòu)成，野生型產(chǎn)生于基因內(nèi)重組，從而推翻了經(jīng)典遺傳學(xué)基因不可分性的性質(zhì)。,rII順?lè)礈y(cè)驗(yàn),rII區(qū)段突

6、變的性質(zhì)： rII突變具有共同性狀，按經(jīng)典遺傳學(xué)理論，rII區(qū)段為一個(gè)基因； 如果基因是最小的功能單位，它也是一個(gè)順?lè)醋印?順?lè)礈y(cè)驗(yàn)表明： 多個(gè)rII突變型可以分為A、B兩組，組間突變型間能夠互補(bǔ)，而組內(nèi)的突變型間不能互補(bǔ)； 與rII區(qū)段連鎖圖對(duì)照發(fā)現(xiàn)：兩組突變分別位于rII區(qū)段的兩端| A | B |。,rII的兩個(gè)順?lè)醋?經(jīng)典遺傳學(xué)意義上的一個(gè)基因(rII區(qū)段)實(shí)際上有兩個(gè)順?lè)醋?功能單位)。 因此基因也很可能不是遺傳的最小功能單位。 有些基因具有一個(gè)順?lè)醋?，有些基因具有多個(gè)順?lè)醋印?在多順?lè)醋忧闆r下，基因是幾個(gè)功能單位的復(fù)合體。 Benzer提出“一個(gè)順?lè)醋右粭l多肽鏈”。,rII的重組分

7、析對(duì)基因的新認(rèn)識(shí),Benzer將最小重組單位定義為重組子(recon)。 rII區(qū)段存在多種突變的結(jié)構(gòu)表明：基因也并非最小突變單位。Benzer提出用突變子(muton)來(lái)描述基因內(nèi)改變后可以產(chǎn)生非野生型表型的最小單位。 理論上講突變子不必等于重組子。但以后研究顯示：突變子和重組子都是一個(gè)核苷酸對(duì)或者堿基對(duì)(bp)。所以基因內(nèi)每個(gè)堿基均可能發(fā)生突變，任意兩個(gè)堿基間均能發(fā)生交換重組。,3. 雙突變雜合體的互補(bǔ)作用,在二倍體生物中，可以建立雙突變雜合體。雙突變體雜合體有兩種形式，即順式(cis)和反式(trans)，如圖所示：,根據(jù)兩突變反式雙雜合體有無(wú)互補(bǔ)作用可以判斷它們是否為同一個(gè)功能單位的突

8、變： 突變型無(wú)互補(bǔ)作用為同一功能單位的突變； 野生型有互補(bǔ)作用為不同功能單位的突變。,這種測(cè)驗(yàn)稱(chēng)為互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，也稱(chēng)為順?lè)礈y(cè)驗(yàn)(cis-trans test)。Benzer將順?lè)礈y(cè)驗(yàn)所確定的最小遺傳功能單位稱(chēng)為順?lè)醋?cistron)，順?lè)醋觾?nèi)發(fā)生的突變間不能互補(bǔ),這種測(cè)驗(yàn)稱(chēng)為互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，也稱(chēng)為順?lè)礈y(cè)驗(yàn)(cis-trans test)。 Benzer將順?lè)礈y(cè)驗(yàn)所確定的最小遺傳功能單位稱(chēng)為 順?lè)醋?cistron)，順?lè)醋觾?nèi)發(fā)生的突變間不能互補(bǔ).,近代基因的概念,基因是一個(gè)作用單位順?lè)醋?。一個(gè)順?lè)醋觾?nèi)存在很多突變位點(diǎn)突變子，所謂突變子是改變后可以產(chǎn)生突變型表型的最小單位。一個(gè)順?lè)醋觾?nèi)部可以發(fā)生交換，出

9、現(xiàn)重組，不能由重組分開(kāi)的基本單位叫重組子。 所以，基因是一個(gè)順?lè)醋?，可以分成許多突變子和重組子。,四、 現(xiàn)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的 概念,(一)、 現(xiàn)代基因概念 基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段。,(二)、 基因的功能類(lèi)型,根據(jù)基因的原初功能可以將基因分為： 1. 編碼蛋白質(zhì)的基因，即有翻譯產(chǎn)物的基因。 如結(jié)構(gòu)蛋白、酶等結(jié)構(gòu)基因和產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)節(jié)基因。 2. 沒(méi)有翻譯產(chǎn)物，不產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA不翻譯，如編碼tRNA、rRNA的基因。 3. 不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段 如啟動(dòng)基因、操縱基因。啟動(dòng)基因是轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA多聚酶與DNA結(jié)合的部位。操縱基因是阻遏蛋白、激活蛋白與DN

10、A結(jié)合的部位。,(三)、 基因的幾種特殊形式,1. 重復(fù)基因： 指在染色體組上存在多份拷貝的基因。重復(fù)基因往往是生命活動(dòng)中最基本、最重要的功能相關(guān)的基因。 最典型的重復(fù)基因是rRNA、tRNA和組蛋白基因等。,2. 重疊基因（ overlapping gene ）,指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象。,1977年 Sanger 對(duì)單鏈環(huán)狀的噬菌體X174進(jìn)行了測(cè)序。 5386Nt 11 基因， 3個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由3個(gè)啟動(dòng)子（pA,pB,pD）啟動(dòng)。 X174含有的5386Nt最多能編碼1795個(gè)氨基酸，若每個(gè)氨基酸的平均分子量為110，則總的蛋白質(zhì)

11、分子量為197,000Da，但實(shí)際蛋白質(zhì)總分子量卻為262,000D。 將全部DNA順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了重疊基因,3. 斷裂基因（隔裂基因）,早期分子遺傳學(xué)認(rèn)為基因是一個(gè)連續(xù)的、完整的結(jié)構(gòu)。1977年Doel研究表明： 卵清蛋白基因中間存在不表達(dá)的堿基序列，表明（真核生物）基因的DNA序列可能是不連續(xù)的。一個(gè)基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼順序即內(nèi)含子所隔裂。 外顯子：參加蛋白質(zhì)編碼的DNA片段。 內(nèi)含子：不參加蛋白質(zhì)編碼的DNA片段。,4. 跳躍基因(jumping gene),又稱(chēng)為轉(zhuǎn)座子(transposon)、轉(zhuǎn)座因子、轉(zhuǎn)位因子(transposable eleme

12、nt)。 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)位的過(guò)程也是一個(gè)遺傳重組過(guò)程； 轉(zhuǎn)座子在染色體上轉(zhuǎn)位可能會(huì)引起插入位置基因功能喪失(突變)，再次轉(zhuǎn)位離開(kāi)插入點(diǎn)時(shí)便會(huì)發(fā)生基因功能的恢復(fù)。,5.假基因(pseudogene),假基因:同已知的基因結(jié)構(gòu)相似，處于不同的位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒(méi)有功能的基因。 真核生物中的血紅素蛋白基因家族中就存在假基因。,超基因,在一個(gè)基因簇內(nèi)含有幾百個(gè)功能相關(guān)的基因，這些基因簇又稱(chēng)為超基因（Super gene），如人類(lèi)主要組織相容性抗原復(fù)合體和免疫球蛋白重鏈及輕鏈基因都屬于超基因 超基因可能是由于基因擴(kuò)增后又經(jīng)過(guò)功能和結(jié)構(gòu)上的輕微改變而產(chǎn)生的，但仍保留了原始基因的結(jié)構(gòu)及功能的完

13、整性。,第二節(jié) 基因組與基因組學(xué),基因組：生物細(xì)胞中單套染色體的所含DNA序列的全部組成。 人類(lèi)基因組：22條常染色體和X，Y染色體的DNA組成。,基因組大小比較,種類(lèi) Mb 大腸桿菌 4.64 啤酒酵母 12.1 線 蟲(chóng) 100 果 蠅 140 蝗 蟲(chóng) 5000 小 鼠 3300 豌 豆 4800 玉 米 5000 小 麥 17000 人 類(lèi) 3000,C值悖論,生物體單倍體DNA總量稱(chēng)為 C值 生物的進(jìn)化等級(jí)高，不一定就意味著它的C值高于比它低等的生物。C值沒(méi)有體現(xiàn)出與物種進(jìn)化程度相關(guān)的趨勢(shì)。這種生物學(xué)上的DNA總量的比較和矛盾，稱(chēng)為C值悖論。,進(jìn)化地位高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物與同類(lèi)生物最小基因組比較，符合進(jìn)化程度越高，生物基因組越大的規(guī)律。,分類(lèi)最小基因組,支原體 0.58 X 106 細(xì)菌 2.8 X 106 酵母 3.0 X 107 霉菌 5.5 X 107 蠕蟲(chóng) 1.1 X 108 昆蟲(chóng) 0.5 X 109 鳥(niǎo)類(lèi) 0.2 X 1010 兩棲類(lèi) 0.1 X 1010 哺乳類(lèi) 2.8 X 1010,人類(lèi)基因組研究的驚人發(fā)現(xiàn),