1、5.1 遺傳的染色體基礎5.1.1 染色體(chromosome)的形態5.1.1.1 染色體的長度 每種生物的各條染色體在有絲分裂中期都有相對穩定的長度。真核生物的長度在0.530m，直徑0.23.0m。平均來說，植物的染色體比動物的大。5.1.1.2 染色體的結構1、著絲粒（centromere）/主縊痕（primary constriction） 末端著絲粒染色體(telocentric chromosome), 自然界中難以存在. 近端著絲粒染色體(acrocentric chromosome),分裂后期呈棒形 近中著絲粒染色體(sub-metacentric chromosome),

2、分裂后期呈L形. 中間著絲粒染色體(metacentric chromosome),分裂后期呈V形,不多見.2 2、次縊痕（secondary constriction） 著絲粒以外的縊痕（往往在短臂上）叫次縊痕，次縊痕的外端往往呈顆粒狀，稱為隨體（satellite）。第1頁/共61頁5.1.2 染色體的數目1）同源染色體（homologous chromosome）: 在在二倍體二倍體生生物的體細胞中物的體細胞中, ,其染色體是由來自其染色體是由來自父本父本和和母本母本的成對染的成對染色體構成色體構成, ,它們的形態和結構相同它們的形態和結構相同, ,并且在減數分裂中能并且在減數分裂中能相

3、互配對相互配對, ,這樣的成對染色體稱為同源染色體這樣的成對染色體稱為同源染色體. .2）非同源染色體（non-homologous chromosome）:減數分減數分裂中不能相互配對裂中不能相互配對, ,并且形態和結構也不相同的染色體并且形態和結構也不相同的染色體稱為非同源染色體稱為非同源染色體3）染色體組/基因組（genome） 二倍體生物的配子中，包含有該種生物進行生命活動所必二倍體生物的配子中，包含有該種生物進行生命活動所必需的需的最小限度的染色體數最小限度的染色體數，這樣的一組染色體稱為染色體組，這樣的一組染色體稱為染色體組。體細胞的染色體數是配子的二倍, 以2n表示, 配子中的染

4、色體數n表示. 例如: 人 2n=46, n=23, 表示: （1）人有46條染色體, （2）23對同源染色體, （3）染色體組的染色體數目為23.第2頁/共61頁5.1.3 核型與分帶1) 核型(karyotype): 是指染色體組在有絲分裂中期的表型, 是染色體數目、大小、形態特征的總和。 在對染色體進行測量的基礎上，進行分組、排隊、配對,并進行形態分析的過程叫核型分析.2) 染色體分帶(chromosome banding):使用特殊的染色方法,使染色體產生明顯的色帶,從而在不同的染色體間形成了特異的帶型, 依此作為鑒別單個染色體和染色體組的一種手段.第3頁/共61頁5.2 5.2 孟德

5、爾定律5.2.1 分離定律（law of segregation） 孟德爾對7對相對性狀進行了雜交試驗,例如,花色:紫花-白花; 籽粒:黃色-綠色; 圓粒-皺粒; 植株: 高莖-矮莖等. 試驗中發現, 子一代所有植株的性狀都表現一致,即在每對相對性狀中, 只表現一個親本的性狀,而另一個卻隱而不見. 故把表現出來的性狀稱為“顯性”, 不表現的稱為“隱性”, 同時認為性狀是由“遺傳因子=基因（gene）” 所決定的. 之后,對F1代進行自交, 結果在F2代中,顯性和隱性的性狀都表現出來, 其分離比是3:1.第4頁/共61頁解釋：生物的性狀是由遺傳因子(基因)所決定的.以紫花-白花性狀為例, 其花色

6、是由1對遺傳因子控制, 這樣, 就把控制單位性狀中不同相對性狀的的因子形式稱為等位基因，紫花由顯性基因（A_）控制，白花由隱性基因（aa），A對a完全顯性。這樣，Aa與AA表現為紫花，aa表現為白花。其中,帶有相同等位基因(如AA和aa)的個體稱為純合體(homozygote); 帶有兩個不同等位基因(如Aa)的個體稱為 雜合體(heterozygote).親代P 紫花AA白花aa 配子 A a F1 （全為紫花） Aa Aa 配子 A a A aF2 AA Aa Aa aa 表型比 3紫花 : 1白花 表型: 生物體表現出來的性狀基因型比 1AA：2Aa：1aa基因型: 決定表型的基因組合第

7、5頁/共61頁分離定律表述：分離定律表述： 相對性狀是由遺傳因子(基因)所決定的, 每種遺傳因子存在兩種不同的形式(顯性基因/隱性基因), 每種形式決定一種相對性狀. 這些遺傳因子成對(等位基因: 位于同源染色體同一位置上的基因)存在于體細胞中, 在減數分裂形成配子時，相互獨立，互不干預，并彼此分開進入不同的配子(其結果是一半配子帶一種等位基因，另一半配子帶有另一種等位基因), 并可通過因子的重組(雌雄配子的結合)再現出來.第6頁/共61頁分離定律的驗證分離定律的驗證測交試驗（測交試驗（testcrosstestcross） 在雜種(如F2)中, 由于顯性的作用, 表現為顯性性狀的個體, 其基

8、因型可能是純合的,也可能是雜合的. 為了確定為了確定F2F2的基因型的基因型, ,就需就需要把這些個體與隱性純合個體進行雜交，這種方法稱為要把這些個體與隱性純合個體進行雜交，這種方法稱為測交測交。 由于隱性純合體只能產生1種含隱性基因的配子, 它們與含任何基因的另一種配子結合,其子代只能表現出另一種配子所含決定基因的表現型. 因此, 測交子代表型的種類和比例正好反應了被測個體所產生的配子種類和比例. 1對等位基因雜合體的配子種類為2種.第7頁/共61頁5.2.35.2.3孟德爾第二定律自由組合定律/ /獨立分配定律（law of independent assortment） 兩對或兩對以上的

9、相對性狀如何遺傳? 圓粒-黃色(純合體)皺粒-綠色(純合體)F1全部為圓粒-黃色, 說明: 圓粒對皺粒為顯性圓粒對皺粒為顯性; ; 黃色對綠色為顯性黃色對綠色為顯性. F1自交F2, 表型比為 9圓黃:3圓綠:3皺黃:1皺綠, 總結: （1）圓粒:皺粒=3:1; 黃色:綠色=3:1. 說明: 兩對性狀是彼此獨立地從親代遺傳給子兩對性狀是彼此獨立地從親代遺傳給子代代; （2）F2中出現了兩種重組型個體, 圓綠和皺黃. 說明: 兩對相對性狀的基因在從兩對相對性狀的基因在從F1F1傳到傳到F2F2時時, , 又是自由組合的又是自由組合的. .第8頁/共61頁解釋解釋: :P 圓黃RRYY 皺綠rry

10、y 配子 RY ry F1 圓黃RrYy 配子 RY Ry rY ry形成合子時, 也是自由組合F2表現型為： 9圓黃:3圓綠:3皺黃:1皺綠 (3:1)2 的二項式展開基因型：9種 為32表現型: 4種為 22若有n對非等位基因, F2的性狀分離比就為 (3:1)n基因型數為 3n 表現型種類為 2n第9頁/共61頁RRYYrryyRYryRYryRYryRYryRYryRYry第10頁/共61頁自由組合定律的驗證自由組合定律的驗證測交試驗測交試驗F2, 圓黃, 基因型為R_Y_, 有如下4種情況:1)若為RRYY RY ry RrYy(圓黃) 說明: F2為雙顯性純合體, 產生了1種配子2

11、) 若為RRYy RY, Ry ry 1RrYy(圓黃); 1Rryy(圓綠) 說明: F2的圓粒為顯性純合,黃色為雜合, 產生2種配子3) 若為RrYY RY,rY ry 1RrYy(圓黃):1rrYy(皺黃) 說明: F2的圓粒為雜合的, 黃色為顯性純合的, 產生2種配子4) 若為RrYy RY, Ry, rY ,ry ry 1RrYy(圓黃): 1Rryy(圓綠):1rrYy(皺黃):1rryy(皺綠) 說明: F2為雙雜合體, 產生4種配子, 即22. 因此, n對性狀的雜合體可產生2n種配子;測交后代也會有2n種表現型, 且表型比為1:1:11m , m= 2n .第11頁/共61頁

12、自由組合定律的表述自由組合定律的表述: : 孟德爾認為, , 具有兩對和兩對以上相對性狀的遺傳因子( (基因) )在遺傳過程中, ,一對因子( (等位基因) )與另一對因子( (等位基因) )的分離和組合也互不干擾, , 它們在形成配子時, , 或者具有不同因子型( (基因型) )的雌雄配子在形成合子時, ,表現為自由組合的現象. .5.2.4 孟德爾定律的細胞學基礎 1903年,薩頓在研究蚱蜢的精子發生時發現, 染色體在減數分裂時的行為與孟德爾遺傳因子存在平行關系:1、在體細胞中，染色體是成對存在的，遺傳因子也成對存在.2、它們都有分離現象，配子中的染色體呈單倍性，而遺傳因子也是單個的.3、

13、在兩種生殖細胞結合后，染色體和遺傳因子又都表現為二倍性.4、兩對同源染色體和控制兩對性狀的遺傳因子一樣，形成配子時都是獨立分配和自由組合的.第12頁/共61頁5.3 5.3 性別決定與伴性遺傳5.3.1 性染色體與性別決定染色體組中決定性別差異的染色體為性染色體（sex chromosome），其余的稱為常染色體（autosome） XY型/雄性異配型 即雄性個體帶有X和Y兩種不同的性染色體，并可產生含X和Y的兩種配子，雌性個體含一對XX性染色體，只產生一種配子。人性染色體第13頁/共61頁雄性的一對性染色體形態大小相同，只能產生一種精子，而雌性的一對性染色體卻不同，能產生兩種卵。如ZW型，公

14、雞為ZZ型，母雞為ZW型。p蜜蜂的性別決定其性別是由染色體的倍數決定的，雌蜂的染色體數為2n=32，雄峰的為2n=16(單倍體)。生殖時, 雌蜂卵是經減數分裂產生的; 雄峰的精子不經減數分裂, 由精原細胞直接發育而來.蜂卵受精工蜂與蜂皇u幼蟲得到5天以上的蜂皇漿蜂皇.u幼蟲只得到23天的蜂皇漿工蜂.p 雌性異配型第14頁/共61頁5.3.2 伴性遺傳 由性染色體上的非性別決定基因所決定的性狀與性別的遺傳存在某種必然的聯系,這樣一些性狀的遺傳方式,稱為伴性遺傳(sex-linked inheritance) /性連鎖.5.3.2.1 果蠅的伴性遺傳 P 紅眼白眼 F1（全為紅眼） 紅眼紅眼 F2

15、 3紅眼：1白眼（全為） 說明：在F2中, 白眼性狀只出現于雄性個體，而且紅眼對白眼為顯性。第15頁/共61頁P 紅眼XWXW XwY白眼配子 XW Xw Y F1 紅眼XW Xw 紅眼XWY 配子 XW Xw XW YF2 XWXW XW Xw XWY XwY3紅眼 : 1白眼果蠅的伴性遺傳的果蠅的伴性遺傳的解釋解釋:第16頁/共61頁5.3.2.2 5.3.2.2 人的伴性遺傳 人的色盲是伴性遺傳的，控制色盲的基因為隱性基因（cb），并位于X染色體上,Y染色體上不帶有它的等位基因。第17頁/共61頁色盲遺傳的其他形式色盲遺傳的其他形式: : 正常攜帶者XcbX+ 色盲XcbY Xcb X+

16、 Xcb Y 色盲XcbXcb 正常X+ Y Xcb X+ Y XcbXcb X+Xcb XcbY X+Y女性中色盲概率50%男性中色盲概率50%XcbX+ XcbY為正常攜帶者男性100%色盲第18頁/共61頁5.4 5.4 連鎖與遺傳圖5.4.1 連鎖與交換定律 位于同一條染色體上的基因連在一起進行遺傳的現象稱為連鎖(linkage).舉例：野生型： 體灰色(B),長翅(W)突變型： 體黑色(b),短翅(w) 若連鎖若連鎖? ?P BBWW bbww (灰身長翅) (黑身短翅) 配子 BW bw F1 BbWw(灰身長翅)測交 BbWw bbww 配子 BW bw bw F2 BbWw b

17、bww表型比 灰身長翅:黑身短翅 =1:1說明: 完全連鎖(complete linkage)BWBWbwbwBWbwbwbwbw測交BWbwbwbwBWbw第19頁/共61頁5.4.1 連鎖與交換定律 完全連鎖分離圖完全連鎖分離圖:第20頁/共61頁 若不連鎖若不連鎖?測交: (F1) BbWw bbww 配子: BW Bw bW bw bw F2: BbWw Bbww bbWw bbww表型比: 1 : 1 : 1 : 1實際結果: BbWw Bbww bbWw bbww 965 : 206 : 185 : 944說明: 不完全連鎖, 即在減數分裂的聯會期, 部分配子的染色體發生了交換.摩

18、爾根所揭示的這種既連鎖又互換的摩爾根所揭示的這種既連鎖又互換的現象現象, , 就被人們稱為遺傳學的第三就被人們稱為遺傳學的第三定律定律連鎖與交換定律連鎖與交換定律. .F1第21頁/共61頁5.4.2 5.4.2 重組值與遺傳圖5.4.2.1 重組值(recombination frequency, RF) 測交的結果表明測交的結果表明, , 發生交換后的發生交換后的親組合親組合與與重組合重組合的個的個體數是不相同的體數是不相同的. . 親組合親組合的個體數分別為的個體數分別為965965和和944944重組合重組合的個體數分別為的個體數分別為206206和和185185 RF=(RF=(20

19、6+185206+185)/()/(965+944+206+185965+944+206+185) )100% =17%100% =17%RF=RF=重組合重組合/(/(親組合親組合+ +重組合重組合) )100%100% 理論上理論上, 0 RFRFRFRF50%, 說明兩對基因為說明兩對基因為不完全連鎖不完全連鎖. .第22頁/共61頁5.4.2.2 遺傳圖(genetic map) 實驗證明, 同一條染色體上各不同基因之間的重組值是不同的, 而且基本上是恒定不變的. 解釋: 基因在染色體上是成行排列的, 彼此間的距離不同, 2個基因靠得越近, 交叉的機會就越少, 重組值就越小; 反之,

20、重組值就越大. 因此, 把每條染色體上基因排列的順序稱為把每條染色體上基因排列的順序稱為遺傳圖遺傳圖, 而確定基因在染色體上的位置的方法稱為而確定基因在染色體上的位置的方法稱為基因定位基因定位或或遺傳作圖遺傳作圖(genetic mapping). 由于重組值的大小可以反映基因間的距離遠近, 因此遺傳作圖就以重組值的大小作為兩基因間的相對距離. 重組值=1%=1個圖距單位(map unit), 稱作1厘摩(centi-Morgan, cM), 100cM=1M(Morgan)第23頁/共61頁5.5 5.5 孟德爾遺傳原理的延伸5.5.1 等位基因之間的互作5.5.1.1 不完全顯性，如紫茉莉

21、，紅花白花紫花5.5.1.2 復等位基因 座位(locus): 基因在染色體上的固定位置. 如果一個座位上的基因如果一個座位上的基因, , 因突變而產生了兩種以上因突變而產生了兩種以上的等位基因的等位基因, , 并決定和影響著同一性狀的狀態或性質并決定和影響著同一性狀的狀態或性質, ,這個座位上的一系列等位基因總稱為這個座位上的一系列等位基因總稱為復等位基因復等位基因. .注意: 對一個二倍體生物來說, 至多只能存在其中的兩種等位基因,其他形式則存在于同一種群的別的個體上. 例如, 人類的ABO血型就是由3個復等位基因決定的.A和B對O是顯性, A與B是共顯性/并顯性.第24頁/共61頁3 3

22、個等位基因分別為 IA , IB, i 血型血型(表型表型)基因型基因型紅血細胞膜上的紅血細胞膜上的抗原抗原種類種類血清中的血清中的抗體抗體種類種類ABABOIAIBIAi / IAIAIBi / IBIBiiA和和BAB-baa,b46紅細胞血清第25頁/共61頁5.5.2 5.5.2 非等位基因之間的互作5.5.2.1 互補作用 多個非等位基因同時存在時多個非等位基因同時存在時, , 才表現出某一性狀才表現出某一性狀, ,它們之間的關系它們之間的關系位互補關系位互補關系. . 如香豌豆如香豌豆, , C_P_C_P_ 基因型的植株開基因型的植株開紫花紫花, ,而而ccP_, C_ppccP

23、_, C_pp 和和 ccpp ccpp 的的植株都開植株都開白花白花, , 說明說明C C和和P P對紫色都是必要的對紫色都是必要的, , 具有互補作用具有互補作用. .5.5.2.2 抑制作用 一個基因抑制非等位的另一個基因的作用一個基因抑制非等位的另一個基因的作用, ,使后者的作用不能顯示使后者的作用不能顯示出來出來, ,這個基因稱為這個基因稱為抑制基因抑制基因(inhibiting gene).(inhibiting gene). 例如例如, , 結結黃繭黃繭家蠶家蠶白繭白繭中國家蠶中國家蠶F1F1結結黃繭黃繭 說明說明, , 黃繭對白繭是顯性黃繭對白繭是顯性. . 但但, , 黃繭黃

24、繭家蠶家蠶白繭歐洲家蠶白繭歐洲家蠶F1F1結結白繭白繭 說明說明, , 歐洲家蠶中存在另一對非等位的基因歐洲家蠶中存在另一對非等位的基因, , 抑制了黃繭基因的抑制了黃繭基因的表達表達. .5.5.2.3 上位效應 一對等位基因受到另一對等位基因的制約一對等位基因受到另一對等位基因的制約, ,并隨后者的不同并隨后者的不同, , 前者前者的表型有所差異的表型有所差異, ,后者即為后者即為上位基因上位基因(epistatic gene), (epistatic gene), 這種現象這種現象稱為稱為上位效應上位效應(epistasis).(epistasis).第26頁/共61頁例如例如, ,小鼠

25、的毛色遺傳小鼠的毛色遺傳P: BBCC (黑色) bbcc (白化) F1: BbCc (黑色) BbCc F2: 9B_C_ (黑): 3bbC_(褐): 3B_cc(白): 3bbcc(白) 只有3種表型(本應是4種)解釋: B B決定黑毛色決定黑毛色, b, b決定褐毛色決定褐毛色, , 而而C C決定色素存決定色素存在在, , c c決定無色素決定無色素. .因此因此, ,cccc是是B_/bbB_/bb的上位基因的上位基因. .第27頁/共61頁5.5.2.4 基因的多效性（pleiotropypleiotropy） 一個基因對許多表型發生影響的現象稱為基因的多效性. 例如, 雞羽毛

26、卷曲松散性狀是由一對隱性基因決定的, 但同時表現出不耐低溫, 脾臟大, 血液多, 心跳快, 消化器官大, 產卵少等性狀.5.5.2.5 多基因遺傳(polygenic inheritance) 質量性狀(qualitative character) 成對相對性狀之間的區別明顯, 非此即彼,這樣的性狀稱為質量性狀. 其遺傳基礎為單基因(monogene)或主基因(majorgene), 表現為孟德爾式遺傳. 數量性狀(quantitative character) 性狀表現型之間的區別不明顯, 存在一系列中間類型, 彼此之間難以分類(如身高和株高等性狀),但可以度量的性狀就稱為數量性狀. 其遺傳

27、基礎是多基因, 即由表型效應微小, 但作用相等且相加的多個基因來決定同一性狀的遺傳,這樣的遺傳現象稱為多基因遺傳/多因一效, 不表現為孟德爾式遺傳.第28頁/共61頁5.6 5.6 遺傳物質 遺傳物質的特點:1) 1) 含有細胞全部的遺傳信息含有細胞全部的遺傳信息; ;2) 2) 能準確復制能準確復制; ; 3) 3) 能發生變異能發生變異. . 大量的實驗證明DNA和RAN是生物的遺傳物質,是遺傳信息的載體. 1953年,Watson和Crick又發現了DNA的雙螺旋結構. DNADNA是由是由2 2條反向平行的核苷條反向平行的核苷酸鏈組成酸鏈組成, , 彼此間靠堿基互彼此間靠堿基互補配對相

28、連補配對相連, ,并呈螺旋狀扭并呈螺旋狀扭轉轉, ,形如一個扭曲的梯子形如一個扭曲的梯子, , 梯子橫檔即是梯子橫檔即是A-TA-T及及C-GC-G的的連接連接. . 這樣的結構模型能很這樣的結構模型能很好地解釋遺傳物質所應具有好地解釋遺傳物質所應具有的特點的特點. .第29頁/共61頁5.6.1 DNA5.6.1 DNA的復制5.6.1.1 DNA復制的半保留性游離的核苷酸 復制叉(replication fork) 由于新合成的由于新合成的DNADNA分子中保留了原來母分子中保留了原來母DANDAN分子雙鏈中的一條鏈分子雙鏈中的一條鏈, , 因此因此就把就把DNADNA的這種復制方式稱為的

29、這種復制方式稱為半保留復制半保留復制(semiconservative replication)(semiconservative replication)第30頁/共61頁5.6.1.2 DNA DNA復制的半不連續性 DAN聚合酶只能使新DNA從5 3方向合成. 結果會使DNA的合成在一條模板鏈上可以連續不斷的前移, 而在另一條反向互補的模板鏈上, 則是行不通的. DAN在該模板鏈上復制時,是以片段方式進行的, 這些片段被稱為岡崎片段.第31頁/共61頁5.7 5.7 基因的表達5.7.1 遺傳密碼5.7.1.1 遺傳密碼的含義 DNA由4種核苷酸組成, 各種遺傳信息就存在于它們的不同排列

30、組合中, 然后由DNA轉錄 RNA翻譯蛋白質. 中心法則(central dogma) DNA首先轉錄形成與之互補的mRNA, 其4種核苷酸的堿基是A、U、C、G, 而蛋白質的合成就是按照mRNA提供的遺傳信息來進行的, 這些信息是包含在這些信息是包含在A A、U U、C C、G G的不同排列的不同排列組合組合中中, , 這樣的不同排列組合就構成了遺傳密碼這樣的不同排列組合就構成了遺傳密碼. . 蛋白質有20種氨基酸,每個氨基酸應由多少個堿基所決定？ 1個核苷酸/堿基決定1種氨基酸, 則只出現4種氨基酸; 2個核苷酸/堿基編碼1種氨基酸, 出現42=16種氨基酸; 3個核苷酸/堿基編碼1種氨基

31、酸, 就會有43=64種氨基酸.p3 3個核苷酸個核苷酸/ /堿基堿基組成的組成的三聯密碼三聯密碼是足以編碼所有是足以編碼所有2020種氨基種氨基酸的酸的最小單位最小單位, , 是遺傳信息編碼的最佳選擇是遺傳信息編碼的最佳選擇. .第32頁/共61頁5.7.1.2 遺傳密碼的特點1) mRNA1) mRNA每每3 3個核苷酸編碼個核苷酸編碼1 1種氨基酸種氨基酸, ,稱為稱為三聯體密碼三聯體密碼( (triplet triplet code).code).2) 2) 三聯體密碼的閱讀起點一旦確定三聯體密碼的閱讀起點一旦確定, ,就就3 3個個1 1組組3 3個個1 1組的連續組的連續下去下去,

32、 ,既不能漏讀也不能重讀既不能漏讀也不能重讀. .3) 3) 所有的生物具有相同的遺傳密碼所有的生物具有相同的遺傳密碼. .4) 4) 大多數氨基酸具有大多數氨基酸具有2 2個或個或2 2個以上的密碼子個以上的密碼子, , 這種這種1 1個氨基個氨基酸有多種密碼子的編碼現象酸有多種密碼子的編碼現象, ,稱為密碼的稱為密碼的簡并簡并(degeneracy).(degeneracy).5) 5) 遺傳密碼中含有蛋白質的啟始信號遺傳密碼中含有蛋白質的啟始信號(AUG,GUG)(AUG,GUG)和終止信號和終止信號(UAG,UAA,UGA).(UAG,UAA,UGA). 無義密碼子(nonsense

33、code) 在64種密碼子中, 有3個密碼子(UAG, UAA和UGA)并不編碼氨基酸, 稱為無義密碼子; 而其余61種都可編碼氨基酸, 稱為有義密碼子(sense code)第33頁/共61頁5.6.2 5.6.2 轉錄（transcription） 介紹幾個概念轉錄. 以以DNADNA分子為模板分子為模板, ,按照堿基互補的原則合成按照堿基互補的原則合成RNARNA，同時，同時將將DNADNA分子攜帶的遺傳信息轉移到分子攜帶的遺傳信息轉移到RANRAN分子上的過程。分子上的過程。翻譯(translation). 以以mRNAmRNA分子為模板分子為模板, ,按照按照mRNAmRNA上密碼子

34、的遺上密碼子的遺傳信息指導氨基酸合成為蛋白質多肽鏈的過程。傳信息指導氨基酸合成為蛋白質多肽鏈的過程。基因和基因表達. 轉錄是分段進行的，被轉錄的特定轉錄是分段進行的，被轉錄的特定DNADNA序列序列稱為稱為基因基因(gene)(gene)。而轉錄的過程就稱為。而轉錄的過程就稱為基因表達基因表達（gene gene expressionexpression）。結構基因和非結構基因 通過轉錄而產生的RNA分子有3類，即mRNA、tRNA和rRNA，它們都參與蛋白質的合成，但功能不同。其中只有mRNA被翻譯產生蛋白質，因此，將編碼將編碼mRNAmRNA分子的基因稱為分子的基因稱為結構基因結構基因（s

35、tructural genestructural gene）；而編；而編碼其他碼其他RNARNA分子的基因稱為分子的基因稱為非結構基因非結構基因（nonstructural genenonstructural gene）第34頁/共61頁轉錄的過程：轉錄的過程： DAN解旋RNA聚合酶以其中的1條鏈為模板, 新鏈沿5 3前移其中作為模板的鏈稱為有義鏈（sense strand）。而與之互補的鏈稱為反義鏈（antisense strand）第35頁/共61頁5.7.3 RNA5.7.3 RNA分子的結構和功能5.7.3.1 mRNA的結構和功能結構：反密碼子密碼子氨基酸5領頭序列(短)蛋白質編碼

36、序列(長)結尾序列(短)3功能：領頭序列領頭序列向核糖體提供合成啟始信向核糖體提供合成啟始信 息息, , 不翻譯；不翻譯；編碼序列編碼序列翻譯成蛋白翻譯成蛋白 質的氨基酸序列質的氨基酸序列; ;結尾序列結尾序列提供翻提供翻 譯終止信息。譯終止信息。5.7.3.2 tRNA的結構和功能結構：由由3 3個不配對的個不配對的環環和配對的和配對的柄柄構成構成, , 稱為稱為三葉草型三葉草型(cloverleaf model),(cloverleaf model),含含 75759090個核苷酸個核苷酸, , 其中頂環有其中頂環有3 3個個 核苷酸序列稱為核苷酸序列稱為反密碼子反密碼子(anticodo

37、n).(anticodon).第36頁/共61頁功能: 向核糖體運載向核糖體運載氨基酸氨基酸; ; 其其反密碼子反密碼子可與可與mRNAmRNA上的上的密碼子密碼子通過堿基互補發生配對通過堿基互補發生配對, , 這樣這樣能保證蛋白質合成中把正確的能保證蛋白質合成中把正確的氨基酸加到多肽鏈上氨基酸加到多肽鏈上. . 任何細胞中都有至少61種不同的tRNA, 不同的tRNA的尾部都結合有不同的氨基酸. 5.7.3.2 rRNA的結構和功能 與大量的核糖體蛋白共同構成核糖體(ribosome),是蛋白質合成的場所.5.7.3.2 tRNA的結構和功能氨基酸反密碼子 tRNA座位mRNA座位第37頁/

38、共61頁5.7.4 5.7.4 翻譯(translation)(translation) 翻譯的過程是蛋白質多肽鏈的合成過程.1. 1. 初始化初始化(initiation)(initiation) mRNA mRNA的的啟始密碼子啟始密碼子(AUG(AUG編碼編碼蛋氨酸蛋氨酸) )與核糖體小亞與核糖體小亞基結合基結合 與帶有蛋氨酸與帶有蛋氨酸(Met)(Met)的的tRNAtRNA的的反密碼子反密碼子UACUAC進行特異性地結合進行特異性地結合大亞基結合進來大亞基結合進來2. 2. 鏈延伸鏈延伸(chain elongation)(chain elongation) 大亞基的第二個座位結合進

39、大亞基的第二個座位結合進1 1個相應的個相應的tRNA(tRNA(帶有帶有相應的氨基酸相應的氨基酸) ) 形成肽鍵形成肽鍵核糖體移動核糖體移動1 1個密碼子個密碼子空出空出1 1個座位個座位接受第三個接受第三個氨酰氨酰-tRNA-tRNA以此類推以此類推. .3. 3. 終止終止(termination)(termination) mRNA mRNA的的終止密碼子終止密碼子(UAG(UAG、UAAUAA或或UGA)UGA)出現出現, , 由于它由于它們不編碼任何氨基酸們不編碼任何氨基酸, , 因此細胞中沒有相應的反密碼因此細胞中沒有相應的反密碼子子tRNA, tRNA, 兩亞基分離兩亞基分離,

40、 mRNA, mRNA退出退出. .第38頁/共61頁初始化終止第39頁/共61頁轉錄翻譯第40頁/共61頁5.7.5 中心法則(central donma) 一些RNA病毒的信息傳遞有另外的途徑1) RNA的復制 RNA病毒細胞 形成RNA復制酶 自身模板 互補RNA復制出與原來一樣的RNA.2) 反轉錄(reverse transcruption)1970年, 在RNA病毒中發現了反轉錄酶和新的信息流向RNA病毒 細胞 以自身為模板在反轉錄酶 DNA(cDNA)整合到寄主的DNA上 病毒RNA 寄主蛋白和病毒蛋白質細胞癌變. 發現了由RNA DNA的信息流.3) DNA翻譯. 實驗室, 用

41、鏈霉素/新霉素可使核糖體與單鏈DNA結合轉錄產生多肽. 結合上述3種情況, 人們又總結出了一個修正的中心法則DNARNA蛋白質轉錄翻譯DNARNA蛋白質第41頁/共61頁5.7.6 基因調控5.7.6.1 原核生物的基因調控 操縱子學說: 20世紀60年代,Monod等發現, 大腸桿菌在不含乳糖的培養基中,不分泌半乳糖酶, 而含有乳糖時, 則分泌半乳糖酶,并產生半乳糖. 經研究提出了操縱子學說.調節基因啟動基因操縱基因結構基因mRNA阻遏蛋白調節基因啟動基因操縱基因結構基因mRNA阻遏蛋白RNA聚合酶操縱子RNA聚合酶半乳糖酶消化乳糖半乳糖第42頁/共61頁操縱子學說操縱子學說: :調節基因啟

42、動基因操縱基因結構基因阻遏蛋白第43頁/共61頁5.7.6.2 真核生物的基因調控 1. Britten-Davidson模型三種情況 1) 激活蛋白1受體基因+多結構基因同時表達. 2) 激活蛋白多受體基因+1結構基因多種不同情況的表達. 3) 1感受基因+多綜合基因組多種激活蛋白多套結構基因表達.2. 染色質結構對轉錄調控的影響 異染色質, 處于固縮狀態的染色質, 轉錄活性很低. 常染色質, 處于解旋/松弛狀態的染色質, 活躍轉錄區域. 真核生物可通過異染色質化的程度而控制基因的表達.假定: 感應基因感應蛋白外來信號物質復合物綜合基因組mRNA激活蛋白受體基因(結構基因前)結構基因轉錄和翻

43、譯特異性酶/蛋白質第44頁/共61頁3. 轉錄后水平的調控 是指轉錄后,mRNA的拼接和不同壽命所起的基因調控作用. mRAN在進入細胞質之前的前身稱為hnRAN(核內不均一RNA, heterogeneous nuclear RNA), 必須經過加工后才成為成熟的mRNA. 加工的結果可產生不同的mRNA. 因此, 同一基因的轉錄產物,由于不同剪接方式形成不同mRNA的過程,稱為選擇性剪接.這一過程對基因表達的調控起著十分重要的作用. mRAN的壽命長短不一, 因而轉錄的蛋白質有多有少. 這也是一種有效的調節方式.第45頁/共61頁5.7.7 基因工程(gene engineering)5.

44、7.7.1 基因工程的概念 按照人們的科研或生產需要, 用人工的方法將某種特定的基因, 通過載體或其他手段導入受體細胞, 使它們在受體細胞中增殖并表達的一種遺傳操作, 稱為基因工程. 分為, 原核生物基因工程, 酵母基因工程, 植物基因工程, 動物基因工程.5.7.7.2 基因工程的常用酶 1. 核酸酶 1) RNA酶(RNase) 2) DNA酶(DNase) 3) 非專一性酶 4) 限制性核酸內切酶(restriction enzyme)第46頁/共61頁-G- -A-A-T-T-C-C-T-T-A-A- -G-限制性核酸內切酶切割部位限制性核酸內切酶切割部位:EcoR I 5-G-A-A

45、-T-T-C- 3-C-T-T-A-A-G-Hind 5-A-A-G-C-T-T- 3-T-T-C-G-A-A-A- -A-G-C-T-T-T-T-C-G-A- -A-Hpa I 5-G-T-T-A-T-C- 3-C-A-A-T-A-G-粘性末端回文(palindromes)第47頁/共61頁 2. 連接酶. 用于將兩段核酸拼接起來的酶.3. 聚合酶. 催化核酸合成反應的酶, 包括DNA聚合酶, RNA聚合酶.5.7.7.3 基因工程的基本過程1. 目的基因(target gene)的分離和制備1) 從生物基因組中直接分離目的基因 用多種限制性內切酶將某種生物的細胞DNA切成不同的片段, 所需

46、的目的基因就存在于某些特定的片段中.2) mRNA反轉錄成cDNA (complementary DNA) 真核細胞的基因往往是割裂基因(split gene), 即基因的編碼序列被數量不等的非編碼序列隔成多個小片段, 其中編碼的片段稱為外顯子(exon / extron); 不編碼的片段稱為內含子(intron). 轉錄時, 外顯子和內含子同時被轉錄成hnRNA, 只有經加工后方可成為成熟的mRNA.第48頁/共61頁 以特定的mRAN為模板反轉錄 單鏈DNADNA聚合酶 雙鏈DNA(cDNA) .第49頁/共61頁用超聲波可使DNA分子斷裂, 獲得各種片段的混合物, 再進行篩選和分離.化學

47、合成, 從蛋白質氨基酸的順序知道它的遺傳密碼, 再依照密碼進行化學合成.4) DNA的體外擴增聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction, PCR)（a）模板DNA變性單鏈（b）與引物退火(互補結合)（c）引物延伸 a-b-c構成1個循環, 然后再進入下一個循環, 這樣以2n指數擴增, n=循環數.3) 用機械或化學方法獲得目的基因第50頁/共61頁2. 載體(vector)及其選擇載體. 就是攜帶外源基因進入受體細胞的工具. 應具備如下特點: 1) 1) 易進入受體細胞易進入受體細胞 2) 2) 在受體細胞中能自主復制在受體細胞中能自主復制 3) 3) 容易從受體細胞

48、中分離與純化容易從受體細胞中分離與純化 4) DNA4) DNA片段插入后不影響其基本的生物功能片段插入后不影響其基本的生物功能質粒. 是一種能在細菌, 放線菌和酵母菌內寄生, 并獨立于染色體外進行自我復制的環狀DNA. 不是細菌生存所必須的.噬菌體. 細菌病毒, 常用的有Mu噬菌體.粘粒載體. 是由質粒和噬菌體(Mu)構建的大容量載體.第51頁/共61頁1) 粘性末端的連接 用同一種可產生粘性末端的內切酶,消化外源DNA和載體, 便可形成DNA末端彼此互補的粘性末端, 在用DNA連接酶將其連接,就形成了重組體分子.2) 平末端的連接 在外源DNA和載體的末端分別一小段相互互補的多聚核苷酸片段

49、, 然后通過DNA連接酶將它們連接, 稱為同聚末端連接.3. DNA片段和載體的連接重組體DNA分子的構建第52頁/共61頁4. 基因克隆(gene clone)和基因文庫(gene library) 將重組體DNA轉移到適當的受體細胞(如大腸桿菌), 通過在受體細胞內的復制以及細胞增殖而構成外源DNA的無性繁殖系, 即為基因克隆. 如果所制備的各種外源DNA的克隆數已多到把某種生物的全部基因都包含在內時, 這種克隆就成為該種生物的基因文庫.5. 選擇基因 從基因文庫中提取所需基因常用分子雜交(molecular hybridization). 1) DNA1) DNA變性成單鏈變性成單鏈 2

50、) 2) 根據所需基因的核苷酸順序根據所需基因的核苷酸順序, ,制備一段與之互補的核苷酸短鏈制備一段與之互補的核苷酸短鏈, , 并用同位素標記并用同位素標記, , 即成為即成為探針探針(probe).(probe). 3) 3) 用探針與變性的用探針與變性的DNADNA進行分子雜交進行分子雜交, , 便可檢出所要基因便可檢出所要基因. .6. 目的基因的表達 目的基因在受體細胞中能準確地轉錄和翻譯, 標志著基因工程的成功.第53頁/共61頁5.8 5.8 生物的變異 1) 基因重組 2) 突變(mutation): 遺傳物質發生非遺傳重組所引起的、可觀察到的、并且可遺傳的改變, 就稱為突變. 基因水平和染色體水平5.8.1 基因突變(gene mutation) 發生在基因水平上