
第1讲基因的基本概念.pdf
36页第一讲基因的基本概念吴 乃 虎中国科学院遗传与发育生物学研究所2005年 8 月目录一、基因概念的演变1.基因学说的创立2.基因与D N A 分子3.基因与D N A 的多核甘酸区段4.基因与多肽链二、基因与基因工程1.基因研究的简单历史回顾2.基因的定义3.基因的数量三、基因的化学本质与编码产物1.基因的化学本质2.基因的编码产物3.基因与蛋白质的数量关系四、基因的结构1.基因的组成部分2.原核基因的结构3.真核基因的结构4.基因的终产物五、基因的类型1.以拷贝数分类2.根据产物类型分类3.根据表达特性分类4.遗传选择标记与标记基因六、基因图与基因作图1.遗传图2.物理图七、基因座八、基因扩增1.基因增加2.基因减少3.基因扩增九、基因表达1.正义链和反义链2.基因表达定义3.基因表达的过程4.基因表达的时空特异性5.基因表达活性的调控十、基因克隆1.克隆的概念2.基因克隆定义十一、基因工程定义1.有关基因工程的名词术语2.“遗传工程”与“基因工程”这两个术语的差别3.基因工程定义4.基因工程的主要内容第一讲基因的基本概念一、基因概念的演变1.基因学说的创立G.Mendel(1857-1864)根据豌豆杂交试验,创立了遗传因子分离律和遗传因子独立分配律提出了遗传因子的概念W.Johannsen在 1909年提出了用“基因”这个术语代替Mendel的遗传因子基因术语的提出*此时所谓的“基因”,并不代表物质实体,而是一种与细胞的任何一种可见形态结构毫无关系的抽象单位,因此那时所指的基因只是遗传性状的符号,还没有涉及基因的物质概念。
T.H.Morgan 1910年的工作,头一次将代表某一特定性状的基因,同某一特定的染色体联系起来了,使得科学界普遍接受了 M endel的原理基因与染色体联系起来2.基因与DNA分子尽管由于Morgan等人的出色工作,使基因学说得到了普遍的承认,但直到1953年 Watson-Crick DNA模型提出之前,人们并不理解:a.基因的物质内容和结构特征;b.位于细胞核中的基因如何控制发生在细胞质中的生化过程;c.在细胞分裂过程中,为何基因可准确地复制自己证实基因就是DNA的著名实验1944年美国著名的微生物学家O.T.Arery的肺炎链球菌的转化实验肺炎链球菌有两种不同的品系:S型具荚膜、有毒、光滑型R型无荚膜、无毒、粗糙型S D N A+R菌培养物f R型变S型表现出毒性和荚膜结论:使细胞性状发生转化的因子是D N A,因此,D N A分子是遗传信息的载体启示:在科学研究中,尤其是基础理论的研究工作中,正确地选材具有极端重要的意义1952年美国冷泉港卡内基遗传学实验室的科学家A.D.Hershey和他的学生M.Chase的同位素双标记实验(噬菌体)用32P和35s分别标记噬菌体的内部D N A和外壳蛋白质。
然后用这种带双标记的感染寄主大肠杆菌,结果发现,只有具32P标记的D N A进入寄主细胞,并重新繁殖出子代噬菌体结论:在噬菌体中遗传物质也是D N A,而不是蛋白质1953 年 J.Watson&F,Crick 在 M.Wilkins 和 R.Franklin X-射线衍射工作的基础上,建立了 D N A双螺旋结构模型,解决了 D N A分子的三维结构及其在遗传中的作用的问题至此,关于基因的化学本质是D N A的结论已是公认的事实但是必须指出,并非所有的基因都是由D N A构成的,某些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等,它们的遗传体系的基础是R N A而不是DNAoA.Gierer和G.Schramm在研究烟草花叶病毒(TMV)时首先发现R N A分子能够传送遗传信息,并证明T M V病毒的R N A成分,在其感染植株的叶子中能够诱导合成新的病毒颗粒D N A 半保留复制模型证明了 D N A 是遗传物质和基因的载体之后,人们进而开始研究D N A 分子的自我复制过程,以揭示遗传信息是怎样从亲代准确地传递到子代D N A 分子的半保留复制模型:D N A 半保留复制是严格地按照碱基配对原理进行的。
新合成的子代D N A 忠实地保存了亲代D N A 分子所携带的全部遗传信息解决了基因自我复制问题双螺旋模型的建立:a.可以从基因分子水平上分析遗传与变异现象b.可以客观地探索基因的结构与功能*从此,基因的研究进入了基因的分子生物学时代启示:a.文献情报的重要性当时我们与西方交恶,几乎没有科学交流,信息不灵,人们不了解 D N A 在遗传研究中的重要性b.学术思想的自由的重要性前苏联学术界对摩尔根学派的错误批判政治干预学术研究的恶果1956年青岛遗传学会议与(鸡毛、茄子皮实验)中国共产党提出的双百方针是完全正确的3.基因与DNA的多核甘酸区段D N A 分子是基因的载体,那么是否每一段D N A 都是基因呢?(1)经典的基因概念:在染色体或D N A 分子上,基因是成串球似的一个挨一个地排列着,它们之间是由非遗传的物质连接起来交换只是在基因之间进行,而不是在基因内部发生基因的三位一体论:a.遗传功能单位b.交换单位 c.突变单位O O O O O O O(3)顺反子概念 A unit of DNA or RNA corresponding to one geneT4 Plage的r ll区控制寄主细胞的致死效应,即快速溶菌作用。
l.Benzer工作简介Benzer发 现r ll区可分为rll A和rllB两个亚区,它们各产生一种特殊的物质,只有当这两种物质同时存在时,寄主细胞才会发生溶菌裂解因此,用rIIA*突变型和rIIB*突变型感染寄主株细胞的情况是这样的:混合感染,即rnA*+rnB*-E.coK株细胞裂解单独感染,即rll A*or rIIB*-E.coK株细胞不裂解从上述结果可见,rllA和r llB显然是互补的突变体在rllA亚区发生了突变的phage能够同在r llB亚区发生突变的phage互补;但它们都不能同跟自己一样在同一亚区内发生突变的phage互补;反之亦然所 以rllA和rllB是两个不同的功能单位1955年,Benzer正式使用顺反子(cistron)这个术语,将这两个亚区分别叫做rllA和rllB顺反子2顺反子的的概阂=一段核甘酸序列,编码一种完整多肽链的核昔酸序列这种多肽既可以是一种具有生物活性的蛋白质,也可同别的多肽聚合形成多功能的蛋白质或者说是:相应于一个基因的 DNA 或 RNA 单位A unit of DNA or RNA corcespondingto one gene.)*3.顺反子是功能单位,它是由许多可以突变的位点组成,而这些位点之间又可以发生交换。
顺反子中的最小交换单位(又称交换子)和最小突变单位(又称突变子),都应是DNA分子中的一个核昔酸对,只有在这种情况下,交换子才等于突变子4.顺反子概念表明,基因不是最小的单位,它仍然是可分的;并非所有 的DNA序列都是基因,而只有其中某一特定的多核昔酸区段才是基因的编码区5.启示:人类对客观世界的认识是无穷尽的;个体一器官一组织一细胞f细胞核f染色体f DNA基因f顺反子f突变子、交换子f碱基要学好辩证法,自觉地用辩证唯物主义思想指导自己的科学实践所有生物的基因都是由DNA构成的,而DNA结构不是一致的,所以不同生物来源的基因(DNA)可以融为一体由此可见,基因的DNA共性,是进行基因工程重要的理论基础之一从中我们可以深刻地领会到基础理论研究的重要性鼠没有理论指导的实践是盲目的实践4.基因与多肽链(1)一种基因一种酶*1.1902-1908年间,A.Garrod在研究人类黑尿病(Aldaptonnrea)时就已经指出,此病是由于缺乏某种酶促反应造成的2.1941年,G.W.Beadle and E.L.Tatum在研究红色面包霉时第一次明确提 出“一种基因一种酶”的假说3.1957年,V.Ingram在对镰刀形细胞贫血症(sickle cell anemia)的红血蛋白,和正常血红蛋白的氨基酸序列作了对比研究之后,才第一次用实验证明了基因同蛋白质之间的直接联系。
镰形细胞血红蛋白B链的氨基端第6个氨基酸部位发生了由缀氨酸取代正常的谷氨酸的突变4.这表明:基因的突变会直接影响到它编码的蛋白质多肽链成份的变化,从而证实了“一种基因一种酶”的假说是正确的一种基因一种多肽许多蛋白都是由数个亚基组成的多体蛋白(multimeric proteins)*1.同型多体(homo multimer)蛋白质由一种基因编码*2.异型多体(heteromultimer)蛋白质由多种基因编码*3.“一种基因一种多肽”*4.启示:Ingram获得成功的重要原因之一是应用了当时刚刚出现的蛋白质氨基酸序列分析技术;信息资料尤其是在今天的科研中具有极大的重要性,因此要积极参加学术交流;不同学科知识的相互渗透是今天科学发展的一大特色,因此科学工作者们,特别是硕士生、博士生,应该注意培养自己具有广博的多学科知识二、基因与基因工程*1.基因工程或称基因操作,是分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上,于 20世 纪 70年代诞生的一门崭新的生物技术科学2.基因工程的创立与发展,直接地依赖于基因分子生物学的进步,两者之间有着密切而不可分割的内在联系:a.基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础,基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果;b.基因工程技术的发展与应用,又深刻并有力地影响着基因的研究,使我们对基因本质的认识提高到了一个空前的高度。
3.根据上面所述,我们在讨论基因工程之前,有必要对基因研究的发展过程、基因的基本概念和基因的现代概念作一番简要的回顾和叙述1.基因研究的简单历史回顾自从1865年孟德尔提出遗传因子(heredita与 factor)以来,近 150年以来基因的研究经历了漫长的发展过程,主要的可概括如下几条:(1)基因研究大体上可分为三个阶段:*1.20世 纪 50年代以前,主要从细胞染色体水平上进行研究基因的染色体遗传学阶段(细胞遗传学)*2.20世 纪 50年代以后,主要从DNA水平上进行研究基因的分子生物学阶段(分子遗传学)*3.最近30年,重 组 DNA技术的建立基因工程学阶段(分子生物技术学)本阶段的主要特点是,改变了从表型到基因型的传统遗传学的研究途径,而是直接从克隆的目的基因出发,研究基因的功能及其与表型之间的关系使基因的研究进入了反向生物学阶段,或说是分子生物学技术学阶段,亦可说是现代生物技术学阶段现代生物技术学(分子生物技术学)的三个组成部分:*1.基因工程原理这是现代生物技术学的基础与核心*2.生物技术学重 组 DNA技术的应用a.现代农业生物技术;b.现代工业生物技术;c.哺乳动物基因工程;d.重 组 DNA与医学研究;*3.基因工程基本技术a.质 粒 DNA的分离与纯化;b.DNA分子的体外切割;c.DNA分子的体外重组;d.DNA的凝胶电泳;e.探针分子的标记;f.DNA分子的转化;g.感受态细胞的制备;h.DNA酶切图谱的构建;i.核昔酸序列的测定;Somger法(双脱氧法);Maxam-Gilhert化学修饰法;DNA测序自动化;杂交测序法。
j.寡核昔片段及基因的化学合成;k.基因定点突变技术;1.基因PCR扩增技术;m.研究DNA蛋白质相互作用方法;n.酵母双杂交、单杂交、三杂交法;o.基因剔除技术;p.RNAi技术基因研究简史一览表(From B.Lewin 2000)1865 Genes are particulate factors1903 Chromosomes are hereditary units1910 Genes is on chromosomes1913 Chromosomes contain linear arrays of genes1927 Mutations are phycical changes in genes1931 Recombination is c。












