分子水平上的基因功能中课件.ppt

第五章第五章 分子水平上的分子水平上的基因功能基因功能 （中）（中）5.5　中心法则及其发展　　中心法则及其发展　 n n中心法则中心法则(central (central dogma)dogma)阐述生物世代、阐述生物世代、个体以及从遗传物质个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表传物质复制、性状表现过程中的现过程中的信息流向信息流向n n最初由最初由CrickCrick提出，并提出，并经过了多次修正经过了多次修正中心法则的发展　中心法则的发展　n n反转录(逆转录)：n n反转录酶n ncDNAn nRNA的自我复制n nDNA指导蛋白质合成中心法则的发展　中心法则的发展　中心法则的发展　中心法则的发展　中心法则的发展中心法则的发展　　蛋蛋 白白 质质 合合 成成 过过 程程 也也 就就 是是 遗遗 传传 信信 息息 从从DNA→mRNA→DNA→mRNA→蛋蛋白白质质的的转转录录和和翻翻译译的的过过程程，，以以及及遗遗传传信信息息从从DNA→DNADNA→DNA的的复复制制过过程程，，这这就就是是分子生物学的分子生物学的中心法则中心法则中心法则中心法则。

5.6 基因的功能（一基因一酶假说）n n一、一、一、一、GarrodGarrod的先天性代谢缺陷的先天性代谢缺陷的先天性代谢缺陷的先天性代谢缺陷 二十世纪初，英国医生二十世纪初，英国医生二十世纪初，英国医生二十世纪初，英国医生GarrodGarrod首先发现人类中首先发现人类中首先发现人类中首先发现人类中几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症（（（（PKUPKU），它有常染色体隐性基因决定这是），它有常染色体隐性基因决定这是），它有常染色体隐性基因决定这是），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，因为这种隐性基因不能产生苯丙氨酸羟化酶，因为这种隐性基因不能产生苯丙氨酸羟化酶，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，因而不能把提内多余的苯丙氨酸转化为酪氨酸，因而不能把提内多余的苯丙氨酸转化为酪氨酸，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，只能通过苯因此血液中的苯丙氨酸积累起来，只能通过苯因此血液中的苯丙氨酸积累起来，只能通过苯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丙氨酸转移酶的作用，从另一代谢途径转变成丙氨酸转移酶的作用，从另一代谢途径转变成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，可有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸从尿液中排除，可有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸从尿液中排除，可有毒的苯丙酮酸，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。

通过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症通过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症通过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症n n苯丙酮酸苯丙酮酸苯丙酮酸苯丙酮酸 酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸 3 3，，，，4 4二羟苯丙氨酸二羟苯丙氨酸二羟苯丙氨酸二羟苯丙氨酸 n n苯丙酮酸苯丙酮酸苯丙酮酸苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸对羟苯丙酮酸对羟苯丙酮酸对羟苯丙酮酸 黑色素黑色素黑色素黑色素n n 尿黑酸尿黑酸尿黑酸尿黑酸n n aa( aa(黑尿症）黑尿症）黑尿症）黑尿症）n n 已酰醋酸已酰醋酸已酰醋酸已酰醋酸n n CO CO2 2+H+H2 2OO苯苯丙丙酮酮尿尿症症ppcc 白白化化病病n nGarrod认为这些代谢缺陷病是由于缺少某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质合成来控制细胞代谢的n n二、一个基因一种酶假说二、一个基因一种酶假说 Beadle和和Tatum于于1941年提出，并因此于年提出，并因此于1958年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖（一）生物合成过程（一）生物合成过程（一）生物合成过程（一）生物合成过程 基因：基因：基因：基因： a b c d a b c d a b c d a b c d ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 酶：酶：酶：酶： A B C D A B C D A B C D A B C D 代谢物：代谢物：代谢物：代谢物：1 → 2 → 3 → 4 → 5 1 → 2 → 3 → 4 → 5 1 → 2 → 3 → 4 → 5 1 → 2 → 3 → 4 → 5 前体物前体物前体物前体物 色素原色素原色素原色素原a a a a 色素原色素原色素原色素原b b b b 红色红色红色红色 紫色紫色紫色紫色 检测的物质检测的物质 A B C D E G A B C D E G突突 1 1 — — — + + — + + 2 2 — + + — + + — + +变变 3 3 — — — — — + + 4 4 — + + + + + + — + +体体 5 + + + + 5 + + + + — + + 突突 变变 型型: 5 4 2 1 3 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓代谢过程代谢过程: E → A → C → B → D → G（二）突变型与合成缺陷（二）突变型与合成缺陷（三）一个基因一种酶的实验依据（三）一个基因一种酶的实验依据 精氨酸缺陷型精氨酸缺陷型 补充培养基补充培养基: : 鸟鸟aa aa 瓜瓜aa aa 精精aa aa 菌株菌株I ― ― I ― ― ＋＋精氨酸突变型精氨酸突变型 菌株菌株II II －－ ＋＋ ＋＋ 菌株菌株III III ＋＋ ＋＋ ＋＋ 分析得出分析得出: : 基因基因 arg1 arg2 arg3 arg1 arg2 arg3 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 酶酶1 1 酶酶2 2 酶酶3 3 ↓ ↓ ↓↓ ↓ ↓ 前体物前体物  鸟鸟aa aa  瓜瓜aa aa  精精aaaa（四）一个基因一种酶的局限性（四）一个基因一种酶的局限性 (1)(1) 并非所有的基因都为蛋白质编码；并非所有的基因都为蛋白质编码； (2)(2) 有的酶由多个基因编码；有的酶由多个基因编码； (3) (3) 有的一个基因控制多个酶；有的一个基因控制多个酶； (4) (4) 有的有的RNARNA具有催化活性；具有催化活性；三、一个结构基因一条多肽链的证据三、一个结构基因一条多肽链的证据直接证据直接证据 人的镰刀形细胞贫血症人的镰刀形细胞贫血症n n正常人红细胞中含血红蛋白（正常人红细胞中含血红蛋白（HbA）：圆）：圆盘状，红色，运载氧气；盘状，红色，运载氧气；n n镰刀形细胞贫血症患者红细胞含血红蛋白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）：镰刀形，溶血型贫血，不能运载氧气。

氧气n n正常人基因型为：正常人基因型为：HbA HbA 血红蛋白为血红蛋白为HbAn n异常人基因型为：异常人基因型为：HbS HbS 血红蛋白为血红蛋白为HbSn n杂合体基因型为：杂合体基因型为：HbA HbS血红蛋白兼有血红蛋白兼有HbA和和HbS两种但由于两种但由于HbA可携带氧气，可携带氧气，因而不表现临床症状因而不表现临床症状n n研究表明：研究表明： HbA有有4条多肽链组成条多肽链组成α2β2，，其中其中 两条相同的两条相同的α链，每条具链，每条具141个氨基酸；个氨基酸；两条相同的两条相同的β链，每条具链，每条具146个氨基酸个氨基酸Ingram证明证明HbA和和HbS具有相同的具有相同的α链，只链，只是是β链上第链上第6位氨基酸不同，位氨基酸不同，HbA是谷氨酸，是谷氨酸，而而HbS是颉氨酸，是颉氨酸， HbA 和和HbS这对等位基这对等位基因的差别导致了由该基因所控制的多肽链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上的一个氨基酸的差别n由此可见：由此可见：基因是以某种方式规基因是以某种方式规定了蛋白质中氨基酸顺序的定了蛋白质中氨基酸顺序的。

5.7基因的精细结构－－顺反子基因的精细结构－－顺反子5.7.1基因内重组的发现n n拟等位基因拟等位基因拟等位基因拟等位基因 黑腹果蝇中黑腹果蝇中黑腹果蝇中黑腹果蝇中w wa a代表杏色眼基因代表杏色眼基因代表杏色眼基因代表杏色眼基因,w,w代表白色眼基因，且都位代表白色眼基因，且都位代表白色眼基因，且都位代表白色眼基因，且都位于于于于X X染色体上染色体上染色体上染色体上 P w P wa a w wa a × wY × wY 杏色杏色杏色杏色 白色白色白色白色 F1 w F1 wa a w ww wa a Y(Y(杏色眼）杏色眼）杏色眼）杏色眼） F2 w F2 wa a w wa a w wa a w ww wa a Y wYY wY 若若wa 和和w为等位基为等位基因因 ，，F2应该只有亲应该只有亲本两种表型，但在本两种表型，但在大量的大量的F2群体中却群体中却出现了出现了2/1000野生野生型红眼出现，红眼型红眼出现，红眼不是突变产生，因不是突变产生，因为不可能出现如此为不可能出现如此高的频率高的频率n n进一步研究证明：这是由于杏色眼基因和白眼基进一步研究证明：这是由于杏色眼基因和白眼基进一步研究证明：这是由于杏色眼基因和白眼基进一步研究证明：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，但属于因在染色体上所占的位置（座位）相同，但属于因在染色体上所占的位置（座位）相同，但属于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。

不同的位点，因而它们之间可以发生交换不同的位点，因而它们之间可以发生交换不同的位点，因而它们之间可以发生交换 P wP wa a+/ w+/ wa a+ × +w/ Y+ × +w/ Y F1 w F1 wa a+/ +w w+/ +w wa a+/ Y+/ Y （配子）（配子）（配子）（配子） （配子）（配子）（配子）（配子） w wa a+ +w w+ +w wa a w ++ ww ++ wa a+ Y+ Y F2 F2出现出现出现出现 ++/ w ++/ wa a+ + 和和和和++ /Y++ /Y（红眼野生型）（红眼野生型）（红眼野生型）（红眼野生型）n n顺反位置效应（顺反位置效应（cis-trans position effect)：：：： n nwa+/ +w两个突变分别在两条染色体上，两个突变分别在两条染色体上，称为称为反式（反式（trans)，， wa w /++两个土百年两个土百年同时排在一条染色体上，而另一条染色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，称为体上两个位点均正常，称为顺式（顺式（cis)。

反式表现为突变型，顺式排列为野生型，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象成为顺反位置效应n拟等位基因（拟等位基因（pseudoallele)：：表型表型效应类似紧密连锁的功能性等位基因，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：但不是结构性的等位基因，其发现证明：基因是可分的基因是可分的n nOliver和他的学生M Green首先想到在非常靠近lozenge位点的两侧找到一些突变位点的突变型进行实验，这些标记被称之为侧翼标记 如果交换发生在lozenge位点内，就会产生一个侧翼标记发生重组的染色体，并且在野生型基因lz+附近出现固定的标记如在lzs/lzg杂合体雌性X染色体的lozenge位点附近带有如下的侧翼标记： 5.7.2顺反子与互补测验n n顺反子：顺反子：顺反子：顺反子：不同突变之间没有互补的功能区，不同突变之间没有互补的功能区，不同突变之间没有互补的功能区，不同突变之间没有互补的功能区，一个顺一个顺一个顺一个顺反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个基因位点，基因位点，基因位点，基因位点，是遗传上的一个作用（功能）单位，但是遗传上的一个作用（功能）单位，但是遗传上的一个作用（功能）单位，但是遗传上的一个作用（功能）单位，但不是一个突变单位或重组单位。

不是一个突变单位或重组单位不是一个突变单位或重组单位不是一个突变单位或重组单位n n 顺反试验：顺反试验：顺反试验：顺反试验：指将两个拟突变分别处于顺式和反式，指将两个拟突变分别处于顺式和反式，指将两个拟突变分别处于顺式和反式，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根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验n n一、互补测验的原理和方法一、互补测验的原理和方法一、互补测验的原理和方法一、互补测验的原理和方法 互补测验（顺反测验）互补测验（顺反测验）互补测验（顺反测验）互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因：根据功能确定等位基因：根据功能确定等位基因：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的测验即根据顺式表现型和反式表现型来确定的测验即根据顺式表现型和反式表现型来确定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）两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）两个突变体是否属于同一个基因（顺反子） 彼此互补（彼此互补（彼此互补（彼此互补（complementation)complementation)：用：用：用：用 r rⅡⅡⅡⅡ 突变型成突变型成突变型成突变型成对组合同时去感染大肠杆菌对组合同时去感染大肠杆菌对组合同时去感染大肠杆菌对组合同时去感染大肠杆菌K(λ)K(λ)株，若被双重感株，若被双重感株，若被双重感株，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染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体（也有少量重组型的噬菌体），那么就必定是一（也有少量重组型的噬菌体），那么就必定是一（也有少量重组型的噬菌体），那么就必定是一（也有少量重组型的噬菌体），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，个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，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。

这两个突变型就称为彼此互补这两个突变型就称为彼此互补这两个突变型就称为彼此互补　　　若双重感染的细菌不产生子代噬菌　　　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体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤功能受到损伤 互补试验的原理互补试验的原理 表型表型 有无功能互补有无功能互补 结论结论 反式反式: A: A+ + B B A B A B+ + 反式反式: : A A+ + B B A B A B+ + 突变型突变型 －－ 属同一顺反子属同一顺反子野生型野生型 ＋＋ 属不同顺反子属不同顺反子n互补测验结果发现：互补测验结果发现：n n rⅡⅡ 突变型可分成突变型可分成rⅡⅡ A和和rⅡⅡ B两个互补群两个互补群所有所有rⅡⅡ A突变型的突变位点都在突变型的突变位点都在rⅡⅡ 区的一区的一头，是一个独立的功能单位头，是一个独立的功能单位,所有所有rⅡⅡB突变突变型的突变位点都在型的突变位点都在rⅡⅡ 区的另一头，也是一区的另一头，也是一个独立的功能单位个独立的功能单位.n n凡是属于凡是属于rⅡⅡ A的突变之间不能互补的突变之间不能互补,同理凡同理凡是属于是属于rⅡⅡ B的突变之间也不能互补的突变之间也不能互补,只有只有rⅡⅡ A和和rⅡⅡ B的突变之间可以互补的突变之间可以互补,即双重即双重感染大肠杆菌感染大肠杆菌K(λ)株后可产生子代。

株后可产生子代n n说明说明: rⅡⅡ A和和rⅡⅡ B是两个独立的功能单位是两个独立的功能单位,分别具有不同的功能分别具有不同的功能,但它们的功能又是互但它们的功能又是互补的n n遗传上的突变单位和重组单位是突变子遗传上的突变单位和重组单位是突变子（（muton)和重组子和重组子(roecon)，突变子是基，突变子是基因内改变后可以产生突变表型的最小单位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分开的遗传单位，也不能将其定义为一个基因n n所以：所以：基因可分，可分为很多突变子和重基因可分，可分为很多突变子和重组子n二、噬菌体突变型二、噬菌体突变型1、噬菌斑形态的突变型、噬菌斑形态的突变型2、寄主范围的突变型、寄主范围的突变型3、条件致死突变型、条件致死突变型概念：条件致死突变概念：条件致死突变n nBenzer实验所用的实验所用的T4的的rⅡⅡ突变就是一个条突变就是一个条件致死突变型件致死突变型表表表表5-1 5-1 5-1 5-1 野生型与几种突变型的区别野生型与几种突变型的区别野生型与几种突变型的区别野生型与几种突变型的区别类类类类 型型型型不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型 B B B B K( K( K( K(   ) ) ) ) S S S S野生型野生型野生型野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑 rI rI rI rI 大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑 rII rII rII rII 大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死） 小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rIIIrIIIrIIIrIII大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑n n三、三、三、三、 Benzer Benzer的重组实验的重组实验的重组实验的重组实验两种两种两种两种r rⅡⅡⅡⅡ突变类型：突变类型：突变类型：突变类型：r rx x、、、、r ry y　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　r r+ +r rx x　　　　　　　　× ×　　　　　　　　r ry yr r+ +　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ↓ ↓混合感染混合感染混合感染混合感染　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　E.coli BE.coli B株株株株　　　　　　　　　接种　　　　　　　　　接种　　　　　　　　　接种　　　　　　　　　接种　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　B B株　　　　　株　　　　　株　　　　　株　　　　　K(λ)K(λ)株株株株　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 计数　　计数　　计数　　计数　　　　　　　　　　　　　　r r+ +r ry y、、、、r rx xr r+ +　　　　　　　　　　　　　　　　r r+ +r r+ +　　　　　　　　　　　　r r+ +r r+ +、、、、r rx xr ry y　　　仅生长一　　　仅生长一　　　仅生长一　　　仅生长一　　　四种基因型　　　　　　四种基因型　　　　　　四种基因型　　　　　　四种基因型　　　 种重组型种重组型种重组型种重组型　　　　　　　　　　　　 均能生长均能生长均能生长均能生长 n n重组值计算：重组值计算：rxry的数量与的数量与r+r+ 相同，计相同，计算时算时r+r+ 噬菌体数噬菌体数×2。

　　n n此种测定方法称为重组测验，它以遗传图此种测定方法称为重组测验，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，此方法测定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即十万分之一的重组值。