遗传学09.基因结构及作用调控(35P).ppt

第九章第九章 基因结构及作用调控基因结构及作用调控 •第一节第一节 基因的概念基因的概念 •第二节第二节 基因细微结构基因细微结构•第二节第二节 基因表达及其调控基因表达及其调控•小小 结结•本章重点：基因的概念及发展 互补测验 基因作用的调控•本章难点：基因互补测验 绘制基因的细微结构第一节第一节 基因的概念基因的概念一、经典遗传学的基因概念一、经典遗传学的基因概念19091909年年，，丹丹麦麦学学者者约约翰翰森森提提出出了了基基因因(gene)(gene)术语代替孟德尔的遗传因子（术语代替孟德尔的遗传因子（factorfactor）19101910年年美美国国遗遗传传学学家家摩摩尔尔根根等等通通过过对对果果蝇蝇、、玉玉米米的的研研究究，，创创立立了了基基因因学学说说，，以以此此建建立立了了经经典典遗遗传传学学经经典典遗遗传传学学认认为为，，基基因因是是一一种种化化学学实体，呈串珠状直线排列在染色体上实体，呈串珠状直线排列在染色体上 基因共性：基因共性： （（1 1）能够自我复制繁殖，具有相对稳定性，）能够自我复制繁殖，具有相对稳定性，在细胞分裂中，同染色体一样有规律的分配在细胞分裂中，同染色体一样有规律的分配 （（2 2）交换的最小单位）交换的最小单位 （（3 3）最小的突变单位）最小的突变单位 （（4 4）一个基本功能单位）一个基本功能单位总之，经典遗传学认为基因是总之，经典遗传学认为基因是突变、交换、功突变、交换、功能能三位一体不可分割的单位。

三位一体不可分割的单位二、现代遗传学的基因概念与发展二、现代遗传学的基因概念与发展现代遗传学认为基因是一一段段具具有有遗遗传传信信息息的的DNADNA片断1953年，Crick和Watson DNA双螺旋结构模型 分子遗传学分子遗传学认为基因是一段具有特殊遗传信息的DNA片断，它或者被转录成RNA，进一步翻译成蛋白质或酶从而控制性状表达；或者对其他基因的活动起调控作用 1955年，本泽尔(Benzer) 研究T4噬菌体，发现基因的可再分割性提出： （（1））突变子突变子 性状突变时，产生突变的最小单位一个最小的突变子可能只包含一个核苷酸对 （（2））交换子（重组子）交换子（重组子） 连锁基因交换时的最小交换单位最小的一个交换子可能只包含一个核苷酸对 （（3））顺反子（作用子）顺反子（作用子） 通过顺反实验测定出的功能单位这一术语表示一个起作用的功能单位，基本上符合通常所指的基因1961年，Jacob和Monod 乳糖操纵子模型将基因分为：（（1 1））结结构构基基因因 能控制和成蛋白质或酶从而控制性状表达的基因2 2））调调节节基基因因 通过合成阻遏物控制结构基因转录和翻译的基因。

3 3））操操纵纵基基因因 控制结构基因转录的开关位点4 4））启启动动基基因因 转录子与RNA聚合酶结合的位点以后将操纵基因和启动基因改称为操纵子和启动子随着基因结构和功能的深入研究，基因的概念和内容不断又有新的发现1）隔隔裂裂基基因因（Splitting gene）1977年加拿大Sharp和美国Roberts发现某些基因被中间一个或多个没有遗传信息的内含子隔裂开来内含子：一个基因内部无遗传信息的DNA片段外显子：结构基因中具有遗传信息的DNA片段 （2）重叠基因重叠基因（Overlapping gene）1978年美国Sager发现 某些核苷酸片断同时编码两个基因 ABA基因和基因和B基因供用部分核苷酸基因供用部分核苷酸（3）跳跃基因跳跃基因（Jumping gene）20世纪50年代美国McClintock发现 有些基因在染色体上的位置不固定，可以在不同染色体间或染色体不同位置间发生转移跳跃基因加上促使基因跳跃的DNA片段合称为转座子 （4）伪基因伪基因（Pseudogene）同已知基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。

第二节第二节 基因结构基因结构一、互补测验（顺反实验）一、互补测验（顺反实验）T T4 4噬噬菌菌体体r rII区区有有不不同同的的突突变变型型，，r1、、r2、、r3等 r1r2＋＋r3不能产生有浸染力的不能产生有浸染力的 能够产生有浸染力的能够产生有浸染力的 r1和和r2子代噬菌体子代噬菌体 r1和和r3子代噬菌体子代噬菌体 两种突变能彼此互补，产生野生性状，说明突变发生在不同的功能单位中，如彼此不能互补则发生在同一功能单位内 通过互补测验发现的功能单位称为顺反子顺反子r1和r2属于同一顺反子（基因）r3与r1和r2属于不同的顺反子（基因） 高等生物互补测验必须建立双突变杂合体A＋＋ B＋＋A－－ B－－A＋＋ B－－A－－ B＋＋顺式排列顺式排列反式排列反式排列顺式排列总是表现野生性状，作为对照反顺式排列总是表现野生性状，作为对照反式排列与顺式排列表现型相同，两种突变发式排列与顺式排列表现型相同，两种突变发生在不同的功能基因中；反式排列与顺式排生在不同的功能基因中；反式排列与顺式排列表现型不同，两种突变发生在同一功能基列表现型不同，两种突变发生在同一功能基因中。

因中二、基因细微结构二、基因细微结构原理：原理：野生型野生型T4T4噬菌体噬菌体rII＋＋能感染能感染B B和和K12K12菌株，产菌株，产生小而边缘模糊的噬菌斑生小而边缘模糊的噬菌斑rIIrII突变型不能感染突变型不能感染K12K12菌株，只能感染菌株，只能感染B B菌株菌株产生大而边缘清楚的噬菌斑产生大而边缘清楚的噬菌斑用两种不同的用两种不同的rIIrII突变型同时感染突变型同时感染B B菌株，在菌株，在细菌体内噬菌体染色体间可能发生交换，根细菌体内噬菌体染色体间可能发生交换，根据交换计算两个突变位点间的交换值据交换计算两个突变位点间的交换值•方法：方法：例如，两种突变型例如，两种突变型r rx x r r＋＋和和r r＋＋ r ry y同时感染同时感染B B菌株，理菌株，理论上产生论上产生4 4种子噬菌体：亲型（种子噬菌体：亲型（r rx x r r＋＋和和r r＋＋ r ry y），重），重组型（组型（r rx x r ry y和和r r＋＋ r r＋＋）4 4种都能感染种都能感染B B菌株，可计菌株，可计算噬菌斑总数，只有算噬菌斑总数，只有r r＋＋ r r＋＋能感染能感染K12K12菌株，计算重菌株，计算重组型噬菌斑数。

组型噬菌斑数 重组型噬菌斑数重组型噬菌斑数 总噬菌斑数总噬菌斑数 2 2××r r＋＋r r＋＋噬菌斑数噬菌斑数 总噬菌斑数总噬菌斑数 2 2××K12K12噬菌斑数噬菌斑数 B B菌株噬菌斑数菌株噬菌斑数重组值＝重组值＝＝＝＝＝×100％％×100％％×100％％T4噬菌体不同突变型的配对杂交实验噬菌体不同突变型的配对杂交实验 本泽尔共选取了本泽尔共选取了8 8种种rII不同突变型进行配对不同突变型进行配对杂交据此绘制杂交据此绘制rII区基因的细微结构图区基因的细微结构图 图图9 9－－2 2 通过配对杂交后绘制的通过配对杂交后绘制的r rIIII区部分连锁图区部分连锁图 该分析系统能检测出最低交换值是该分析系统能检测出最低交换值是0.0001%0.0001%，实验中，实验中发现两个非等位基因间的交换值总是大于发现两个非等位基因间的交换值总是大于0.01%0.01%，因，因此交换值为此交换值为0.0001%0.0001%～～0.01%0.01%定为同一基因内交换定为同一基因内交换, , 有有些杂交实验不产生重组型即重组值为些杂交实验不产生重组型即重组值为0 0，认为这是基，认为这是基因内同一交换子产生的不同突变。

因内同一交换子产生的不同突变由此得出概念：一由此得出概念：一个基因由许多交换子组成，不同交换子间可以发生交个基因由许多交换子组成，不同交换子间可以发生交换，同一交换子内不能发生交换因此，一个交换子换，同一交换子内不能发生交换因此，一个交换子就是一段内部不发生交换的就是一段内部不发生交换的DNADNA片断 另外，创造了另外，创造了突变子突变子的概念：的概念：同一基因内不同表现型同一基因内不同表现型的突变是由于不同突变子发生突变的结果，一个交换的突变是由于不同突变子发生突变的结果，一个交换子可能包含几个突变子子可能包含几个突变子第三节第三节 基因表达及其调控基因表达及其调控一、基因与性状表达一、基因与性状表达（一）直接编码蛋白质人类贫血症正常：HbA 贫血：Hbs Hbc每个血红蛋白有4条多肽链，2条α链，141个氨基酸，2条β链，146个氨基酸三个基因编码的蛋白质仅β链的第六位氨基酸有差异 HbA：缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－谷氨酸谷氨酸－－ 谷氨酸谷氨酸 HbsHbs：缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－：缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－缬氨酸缬氨酸－－ 谷氨酸谷氨酸 HbcHbc：缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－：缬氨酸－组氨酸－亮氨酸－苏氨酸－脯氨酸－赖氨酸赖氨酸－－ 谷氨酸谷氨酸 由由mRNAmRNA反推反推DNADNA 基因基因 氨基酸氨基酸 mRNA DNAmRNA DNA HbA HbA：： 谷氨酸谷氨酸 GAA GAAGAA GAA CTT CTT Hbs Hbs：： 缬氨酸缬氨酸 GUA GTAGUA GTA CAT CAT Hbc Hbc：： 赖氨酸赖氨酸 AAA AAAAAA AAA TTT TTT（二）控制酶的合成间接控制性状（二）控制酶的合成间接控制性状 例如：豌豆株高例如：豌豆株高 T基基因因合成赤合成赤霉素霉素节间节间伸长伸长高茎高茎豌豆豌豆 t基基因因不合成不合成赤霉素赤霉素节间节间不伸不伸长长矮茎矮茎豌豆豌豆二、基因作用的调控二、基因作用的调控（一）原核生物的基因调控Monod和Jacob的大肠杆菌乳糖代谢操纵子模型：代谢乳糖需要3种酶：（（1 1））β-β-半半乳乳糖糖苷苷酶酶 将乳糖分解为半乳糖，Z基因控制合成（（2 2））渗渗透透酶酶 增加膜的透性便于乳糖吸收，A基因控制合成。

3 3））硫硫化化半半乳乳糖糖苷苷乙乙酰酰转转移移酶酶 作用不清楚，Y基因控制合成调节基因I，操纵子oLacILacZLacYLacAP/O1.1.乳糖操纵子负调控乳糖操纵子负调控 当培养基中没有乳糖时，调节基因当培养基中没有乳糖时，调节基因I I合成合成阻遏物，结合在操纵子阻遏物，结合在操纵子O O上从而阻止从而阻止RNARNA聚聚合酶的通过，使得与乳糖代谢相关的合酶的通过，使得与乳糖代谢相关的3 3个结构个结构基因不能被转录基因不能被转录 当培养基中加入乳糖时，乳糖作为反阻当培养基中加入乳糖时，乳糖作为反阻遏诱导物，与阻遏蛋白结合，使其空间构型遏诱导物，与阻遏蛋白结合，使其空间构型发生变化脱离操纵子发生变化脱离操纵子O O，，RNARNA聚合酶得以通过，聚合酶得以通过，与乳糖代谢相关的与乳糖代谢相关的3 3个结构基因能被转录个结构基因能被转录•2.乳糖操纵子正调控乳糖操纵子正调控 当培养基中有足够的葡萄糖时，大肠杆菌细当培养基中有足够的葡萄糖时，大肠杆菌细胞中的环腺苷单磷酸（胞中的环腺苷单磷酸（cAMPcAMP）的含量很低）的含量很低；； 当培养基中缺少葡萄糖时，当培养基中缺少葡萄糖时，cAMPcAMP的水平迅速的水平迅速上升。

上升 cAMPcAMP可以和一种代谢产物激活蛋白（可以和一种代谢产物激活蛋白（ CAPCAP））结合形成复合体，该复合体与特异位点的结结合形成复合体，该复合体与特异位点的结合能帮助合能帮助RNARNA聚合酶与启动子结合，从而启聚合酶与启动子结合，从而启动结构基因表达动结构基因表达 培养基中既有葡萄糖又有其它糖（如乳糖）时培养基中既有葡萄糖又有其它糖（如乳糖）时, , cAMPcAMP含量很低，不能形成含量很低，不能形成cAMP-CAPcAMP-CAP复合体，复合体，CAPCAP不能不能结合启动基因结合启动基因P P启动子P P上没有上没有CAPCAP的情况下，的情况下，RNARNA聚合酶不能有效地结合到启动区域，因而尽管阻遏聚合酶不能有效地结合到启动区域，因而尽管阻遏物离开操纵子，物离开操纵子，Z Z、、Y Y、、A A三个结构基因不能转录三个结构基因不能转录 培养基中只有乳糖而没有葡萄糖时，培养基中只有乳糖而没有葡萄糖时，cAMPcAMP含量含量升高，能形成升高，能形成cAMP-CAPcAMP-CAP复合体，复合体，CAPCAP结合于启动子结合于启动子P P。

启动子启动子P P上有上有CAPCAP的情况下，的情况下，RNARNA聚合酶能有效地结聚合酶能有效地结合到启动区域，因而合到启动区域，因而Z Z、、Y Y、、A A三个结构基因被转录三个结构基因被转录•（二）真核生物的基因调节（二）真核生物的基因调节 1．DNA合成水平的调控  （1）基因扩增 需要发挥作用的基因扩增成多个拷贝如两栖类卵细胞前体RNA基因，扩增后基因拷贝数可达2×106，组装大量核糖体，满足大量合成蛋白质的需要2）异染色质活化 需要发挥作用的基因降低螺旋化程度如鸡的网组织细胞需大量合成珠蛋白，该细胞中DNA螺旋化较低，易被DNA酶降解•（3）DNA甲基化 胞嘧啶（C）第5碳上的氢被一个甲基取代称为甲基化 甲基化后可降低转录效率2 2．转录水平调控．转录水平调控 在转录水平上加以调控1 1）启动子与转录因子参与调控启动子与转录因子参与调控启动子：启动子：转录因子与RNA聚合酶接合的位点，位于基因编码区的上游，是基因的一个组成部分转录因子：转录因子：激活真核生物基因转录的一系列蛋白质转录因子在启动子区与RNA聚合酶接合，促使基因转录。

（引自李惟基等，（引自李惟基等，2007））•（（2 2）强化子的调控作用）强化子的调控作用 强化子：强化子：真核生物基因转录的一种顺式调控元件，可以提高转录效率；可对生物体的生长发育、细胞内外的信号作出反应，使特定的基因进行转录强化子与转录激活子结合，使DNA形成环状结构，便于强化子、启动子、转录激活子、转录因子、RNA聚合酶一起形成转录复合体，提高转录效率•（（3）激活子的调控）激活子的调控 激活子：激活子：一种与强化子接合的蛋白质，也属一种与强化子接合的蛋白质，也属于一种转录因子于一种转录因子 正激活子：提高转录效率正激活子：提高转录效率 负激活子：抑制转录的因子负激活子：抑制转录的因子激活子激活子•3 3．翻译水平的调控．翻译水平的调控 在蛋白质翻译水平上加以调控在蛋白质翻译水平上加以调控 （（1 1）蒙面信使理论）蒙面信使理论转录的转录的mRNAmRNA储藏在蛋白质外壳内，需要时才从储藏在蛋白质外壳内，需要时才从蛋白质外壳内释放出来进行翻译。

蛋白质外壳内释放出来进行翻译 （（2 2）翻译后蛋白质加工的调控）翻译后蛋白质加工的调控主要是蛋白质的折叠、空间构型，切割，化学主要是蛋白质的折叠、空间构型，切割，化学修饰上加以调控修饰上加以调控• 小小 结结经经典典遗遗传传学学认认为为基基因因是是交交换换、、突突变变、、功功能能三三位位一一体体不不可可分分割割的的单单位位现现代代遗遗传传学学认认为为基基因因是是段段 具具 有有 遗遗 传传 信信 息息 的的 D DN NA A 片片 段段 ，， 可可 进进 一一 步步 分分 割割成成更更小小的的亚亚单单位位，，如如：：交交换换子子、、突突变变子子、、作作用用子子还还发发展展了了隔隔裂裂基基因因、、重重叠叠基基因因、、跳跳跃跃基基因因、、假假基基因因等等新新概概念念基基因因对对性性状状的的控控制制一一是是直直接接编编码码合合成成蛋蛋白白质质直直接接表表达达性性状状，，一一是是通通过过合合成成酶酶间间接接控控制制性性状状表表达达原原核核生生物物主主要要通通过过操操纵纵元元模模型型调调控控基基因因租租用用，，真真核核生生物物的的调调控控有有 D DN NA A 水水平平、、转转录录水水平平和和翻翻译水平的调控。