1、本章重點* 1基因概念及其發展。 2原核生物基因調控：操縱元模型。 3真核生物基因調控： DNA、轉錄和翻譯三個水平。、經典遺傳關于基因的概念：孟德爾：把控制性狀的因子稱為遺傳因子。 如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 約翰生：提出基因(gene)這個名詞，取代遺傳因子。 摩爾根：對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經典遺傳學。 基因是化學實體，以念珠狀直線排列在染色體上。 第一基因的概念 一、基因的概念及其發展：基因的共性（按照經典遺傳學對基因的概念）： 染色體特性：自我復制能力和相對穩定性，在分裂時 有規律地進行分配。 交換單位：基因間能進重組，

2、而且是交換的最小單位。 突變單位：一個基因能突變為另一個基因。 功能單位：控制有機體的性狀。 經典遺傳學認為：基因是一個最小的單位，不能分割；既是結構單位，又是功能單位。 、分子遺傳學關于基因的概念：揭示遺傳密碼的秘密：基因 具體物質。基因不是最小遺傳單位 更復雜的遺傳和變異單位： 具體內容：一個基因DNA分子上一定區段，攜帶有特殊的遺傳信息 或對其它基因的活動起調控作用( 如調節基因、啟動基因、操縱基因)。例如：在一個基因區域內，仍可以劃分出若干起作用的小單位。 轉錄成RNA(包括mRNA、tRNA、rRNA) 翻譯成多肽鏈，. 現代遺傳學上認為：突變子：是在性狀突變時，產生突變的最小單位。

3、 一個突變子可以小到只有一個堿基對；如移碼突變。 重組子：在性狀重組時，可交換的最小單位稱為重組子。一個交換子只包含一個堿基對。 順反子：表示一個作用的單位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA與一個多肽鏈的合成相對應；平均大小為5001500個堿基對。基因概念：可轉錄一條完整的RNA分子或編碼一個多肽鏈； 功能上被順反測驗或互補測驗所規定。基因：相當于一個順反子， 包含許多突變子和 重組子。紫外燈下的DNA分子遺傳學保留了功能單位的解釋，而拋棄了最小結構單位說法。、分子遺傳學對基因概念的新發展結構基因(structural gene)：指可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列

4、。將基因分為不同類型： 調控基因(regulator gene)：指其表達產物參與調控其它基因表達的基因。 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，同時編碼兩個以上基因的現象。A EBCFD隔裂基因(split gene)： 內含子：在DNA序列中，不出現在成熟mRNA中的片段； 外顯子：在DNA序列中，出現在成熟mRNA中的片段。 指一個基因內部被一個或更多不翻譯的編碼順序即內含子所隔裂。跳躍基因(jumping gene)： 即轉座因子，指染色體組上可以轉移的基因。 實質：能夠轉移位置的DNA片斷。 功能：可從這條染色體整合到另

5、一條染色體上引起插入突變、DNA結構變異(如重復、缺失、畸變)。突變的結果很容易通過表現型變異得到鑒別。遺傳工程常用：轉座子標簽法。 玉米轉座子現象. 假基因(pseudogene):同已知的基因相似，處于不同的位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因。真核生物中的血紅素蛋白基因家族中就存在假基因。 血紅蛋白分子的四條多肽鏈、互補作用：設有兩個獨立起源的隱性突變，具有類似的表現型。 判斷是屬于同一個基因突變，還是屬于兩個基因的突變？ 即判斷是否屬于等位基因？ 建立雙突變雜合二倍體； 測定突變間有無互補作用。 由此可判斷是否屬于等位基因。 二、基因的微細結構2有互補作用：突變來自不同

6、的基因，則每個突的相對位點上都有一個正常野生型基因 最終可產生正常mRNA，其個體表現型為野生型。1無互補作用：突變來自同一個基因只能產生突變的mRNA形成突變酶和個體，顯示突變的表現型。則個體表現為突變型。3互補測驗（順反測驗）：根據功能確定等位基因的測驗。順反測驗：根據順式表現型和反式表現型來確定兩個突變體是否屬于同一個基因（順反子）。 順式排列為對照（是兩個突變座位位于同一條染色體上），不進行測試，其表現型 野生型。 實質上是進行反式測驗（反式排列：兩個突變座位位于不同的染色體上）。 反式排列為野生型：突變分屬于兩個基因位點； 反式排列為突變型：突變屬于同一基因位點。 本澤爾：提出順反子

7、，表示功能的最小單位和順反的位置效應。、順式與反式調控： 假設某一基因的表達受一種調控蛋白質(regulator protein)控制，只有在調控蛋白質與該基因的啟動子位點結合時，這個基因才能表達。如果這個基因的啟動子位點發生突變，調控蛋白不能識別這個位點，也就不能轉錄形成RNA，基因就不能表達(圖83)。 1. 順式調控： 如基因的啟動子發生突變，使得調控蛋白不能識別啟動子結構，該基因就不能表達；只影響基因本身的表達， 而不影響其它等位基因的調控突變。 2. 反式調控： 調控蛋白發生突變，不能與某基因的啟動子結合，還會影響到與該調控蛋白結合有關的所有等位基因位點表達。、基因的微細結構本澤爾利

8、用經典的噬菌體突變和重組技術 詳細分析T4噬菌體r區基因的微細結構。 原理： r+ 野生型T4噬菌體：侵染E.coli B株和K12株；形成小而邊緣模糊的噬菌斑。 r突變型T4噬菌體：只能侵染B株，不能侵染K12()株。形成大而邊緣清楚的噬菌斑。 利用上述特點:讓兩個r突變型雜交 侵染K12()株，選擇重組體r+r+ 計算兩個r+ 突變座位間的重組頻率。方法：兩種r突變類型：rx、ryr+rxryr+混合感染E.coli B株接種K12()株計數r+ ry、rxr+r+ r+、rxry四種基因型均能生長r+ r+僅生長一種重組型 B株結果：.重組值計算： rxry的數量與r+r+ 相同，計算時

9、r+r+ 噬菌體數2。 可以獲得小到0.001，即十萬分之一的重組值。 利用大量r區內二點雜交結果，繪制出r區座位間 微細的遺傳圖： . r突變體類型： rA、rB：兩個rA 突變體K12 無噬菌體繁殖 兩個rB 突變體 K12 無噬菌體繁殖rA rB突變體 K12 噬菌體繁殖 rA與rB區段可以互補，分屬于不同基因座位。 三、基因的作用與性狀的表達 在生物的個體發育過程中，基因一旦處于活化狀態，就將它攜帶的遺傳密碼，通過mRNA的轉錄與翻譯，形成特異的蛋白質。 基因對于遺傳性狀表達的作用可分為直接的與間接的。 基因的變異可以直接影響到蛋白質的特性，從而表現出不同的遺傳性狀。 但是在更普遍的情

10、況下，基因是通過酶的合成，間接地影響生物性狀的表達。 某段DNA轉錄rRNA 如發生致死突變，不能形成核糖體， 易死亡。tRNA 發生突變后， 多肽鏈改變。轉錄mRNA翻譯蛋白質結構蛋白直接生物酶間接性狀1.結構蛋白基因變異 直接影響蛋白質特性，表現出不同遺傳性狀。 例如人的鐮形紅血球貧血癥。 HbA 突變 HbsHbc 紅血球鐮刀形 血紅蛋白分子有四條多肽鏈： 兩條鏈(141個氨基酸/條)、 兩條鏈(146個氨基酸/條)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差 異在于鏈上第6位上氨基酸：HbA第6位為谷氨酸（GAA)； Hbs第6位為纈氨酸（GUA)； Hbc第6位為賴氨酸（AAA）。 紅血

11、球碟形產生貧血癥的原因：單個堿基的突變 引起氨基酸的改變 導致蛋白質性質發生變化，直接產生性狀變化。 正常碟形紅血球轉變為鐮刀形紅血球 缺氧時表現貧血癥。 HbA Hbs Hbc例如：豌豆 圓粒(RR) 皺粒(rr) F1 圓粒(Rr) F2 1/4皺粒 R基 因酶蛋白質淀粉分支酶正常合成淀粉r 基因不合成酶無功能酶缺少一種淀粉分支酶積累蔗糖和大量的水份2. 酶蛋白 表明：R與r基因控制豌豆籽粒的性狀不是直接的，而是通過指導淀粉分枝酶的合成間接實現的。同時揭示了基因控制性狀表達的具體過程及分子基礎。產生tRNA, rRNA，無表型；不轉錄mRNA，但對其它基因起調控作用。 產生多肽，有表型；

12、基因 比德爾和塔特姆根據紅色面包霉的研究所提出的“一個基因一個酶”的假說，亦即一個基因通過控制一個酶的合成來控制某個生化過程，從而影響到某些遺傳性狀的表達。 從分子遺傳學的觀點來看，該假說過分簡單化了。 一個基因 一個mRNA 一個多肽 上圖式仍不完善， 第二節基因的調控一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典 該種生物的每個細胞中都有這本字典不同細胞選用其中各自需要的密碼子加以轉錄和翻譯。 為什么基因只有在它應該發揮作用的細胞內和應該發揮作用的時間才能呈現活化狀態? 結論：必然有一個基因作用的調控系統在發揮作用。 基因調控主要在三個水平上進行：. DNA水平上調控。. 轉錄水平上調控。.

13、翻譯水平上調控。一、原核生物的基因調控： 原核生物具有嚴格的基因表達調控機制。 、轉錄水平的調控: 原核生物基因表達的調控主要發生在轉錄水平。當需要某一特定基因產物時，合成這種mRNA。當不需要這種產物時，mRNA轉錄受到抑制。 不同調控機制差別很大，但通常可歸為正調控和負調控兩種。 1.負調控：細胞中阻遏物阻止基因轉錄過程的調控機制。阻遏物與DNA分子結合 阻礙RNA聚合酶轉錄 使基因處于關閉狀態； 2.正調控：經誘導物誘導轉錄的調控機制。誘導物通常與蛋白質結合 形成一種激活子復合物 與基因啟動子DNA 序列結合 激活基因起始轉錄 使基因處于表達的狀態。正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，

14、而是生物體適應環境的需要，有的系統既有正調控又有負調控； 降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中一般以負調控來控制產物自身的合成。 原核生物以負調控為主，真核生物以正調控為主；、乳糖操縱元： 對于基因作用調控的機理，研究得比較清楚的是關于大腸桿菌乳糖代謝的調控。 在實驗條件下，如果把大量的乳糖加入有大腸桿菌的培養基內，可以產生使大腸桿菌發生乳糖代謝所需要的三種酶，半乳糖苷酶，滲透酶，轉乙酰酶的量急劇增加，培養基內乳糖用完時，這三種酶的合成同時停止。 1961年雅各布 （Jacob F）.和莫諾 （Monod J.） 根據上述事實提出了一個操縱元（子）模型，認為這三個酶的基因轉錄受一

15、個開關單位的控制，這種開關單位即為操縱子。操縱元（子）：由操縱基因以及緊接著的若干結構基因所組成的功能單位，其中的結構基因的轉錄為操縱基因所控制。 A、乳糖操縱元組成部分 I ： 編碼阻遏蛋白的基因 P： 啟動子 O：操縱子 L：前導序列Z、Y、A代表三種酶的結構基因是半乳糖苷酶基因是滲透酶基因a是轉乙酰酶基因o是開關位點，為操縱基因，起控制結構基因的轉錄和翻譯的作用。 A. 乳糖操縱元組成部分；B. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 無乳糖時，基因不表達；C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖時，基因表達；D. 抑制基因突變(IO+Z+Y+A+),無乳糖時，基因組成型表達

16、；E. 操縱基因突變型(IOcZ+Y+A+),無乳糖時，基因組成型表達。二、真核生物基因的調控： 原核生物操縱元調控中的一些原理也存在于真核生物基因表達調控中，但是，多細胞真核生物的調控機制，無疑遠比原核生物復雜。 真核生物基因表達的調控可以發生在DNA水平，轉錄水平，轉錄后的修飾，翻譯水平和翻譯后的修飾等多種不同層次。但多數基因的表達調控仍發生在轉錄水平。 原核生物原核生物真核生物真核生物操縱元調控操縱元調控多樣化調控，更為復雜多樣化調控，更為復雜基因組小，大腸桿菌基因組小，大腸桿菌:總長總長4.6106bp，編碼，編碼4288個基因，每個基因，每個基因約個基因約1100bp基因組大，人類基

17、因組全長基因組大，人類基因組全長3109bp，編碼，編碼10萬個基因，其余萬個基因，其余為重復序列為重復序列基因分布在同一染色體上，操縱元基因分布在同一染色體上，操縱元控制控制DNA與組蛋白結合成染色質，染色與組蛋白結合成染色質，染色質的變化調控基因表達；基因分布質的變化調控基因表達；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調控問題體間基因的調控問題適應外界環境，操縱元調控表達適應外界環境，操縱元調控表達基因差別表達是細胞分化和功能的基因差別表達是細胞分化和功能的核心核心轉錄和翻譯同時進行，大部分為轉轉錄和翻譯同時進行，大部分為轉錄水平調控錄水平調控轉錄和

18、翻譯在時間和空間上均不同，轉錄和翻譯在時間和空間上均不同，從從DNA到蛋白質的各層次上都有調到蛋白質的各層次上都有調控，但多數為轉錄水平調控控，但多數為轉錄水平調控真核生物與原核生物的調控差異 本章小結 1基因的概念、表達、調控和新發展：DNA是遺傳物質； 性狀受制于基因； 基因位于染色體上。 經典遺傳學的基因：“三位一體”，即是功能、突變、重組單位。 分子遺傳學的基因：保留了功能單位，發展了突變子和交換子的概念。 新基因概念：重疊基因、跳躍基因、斷裂基因、假 基因。 2原核生物在轉錄和翻譯水平上的調控： 操縱元模型：乳糖操縱元，色氨酸操縱元和阿拉伯糖操縱元模型。 3真核生物的三個水平調控：DNA水平：基因擴增、DNA重排、DNA甲基化。 轉錄水平：啟動子與轉錄因子的結合； 轉錄強化子與激活子； 選擇性啟動子； 選擇性mRNA切割； 激素的調控作用。 翻譯水平：蛋白質的折疊、蛋白酶切割、化學修飾、 蛋白質內含子的剪切。 、分子遺傳學關于基因的概念：揭示遺傳密碼的秘密：基因 具體物質。基因不是最小遺傳單位 更復雜的遺傳和變異單位： 具體內容：一個基因DNA分子上一定區段，攜帶有特殊的