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1、第三章 基因、基因组的结构,讨论题,基本概念： 基因、基因组、基因组学、人类基因组计划真核生物基因组与原核生物基因组有何主要区别？以图解说明真核细胞编码蛋白质的基因的一般结构。,第一节 基因的概念,一、基因概念的发展（一）基因概念的提出1、遗传学的奠基人孟德尔（Gregor Johann Mendel 18221884），在布尔诺的奥古斯丁教派修道院的菜园里，挥洒了8年的汗水，于1865年2月在奥地利自然科学学会会议上报告了自己植物杂交研究结果，第二年在奥地利自然科学学会年刊上发表了著名的植物杂交试验的论文。文中指出，生物每一个性状都是通过遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位。这样把
2、可观察的遗传性状和控制它的内在的遗传因子区分开来了，遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。,可以说，遗传因子实际上是孟德尔根据其实验结果所虚拟假想的某种东西，从那时起遗传学家踏上了寻找基因实体的艰难历程。1903年萨顿（W.S. Sutton 18771916）和鲍维里（T.Boveri 18621915）两人注意到在杂交试验中遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行为非常吻合，他们作出“遗传因子位于染色体上”的“萨顿鲍维里假想”。这种假想可以很好地解释孟德尔的两大规律，在以后的科学实验中也得到了证实，即被称为遗传的染色体理论。1909年丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen 18591927
3、）在精密遗传学原理一书中提出“基因”概念，以此来替代孟德尔假定的“遗传因子”。从此，“基因”一词一直伴随着遗传学发展至今。,（二）基因结构和功能的探索摩尔根（Thoman Hunt Morgan 18661945）和他的学生们利用果蝇作了大量的潜心研究。1926年他的巨著基因论出版，从而建立了著名的基因学说，他还绘制了著名的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。但基因到底是何物?其物质结
4、构和化学组成怎样?它是怎样决定遗传性状的?当时一无所知。,自从1900年孟德尔定律重新发现后，“基因怎样控制性状”的问题引起了许多遗传学家的浓厚兴趣。经过他们孜孜以求的努力，又出现了一批重要成果。如1941年比德尔（G.W. Beadle 1903）和塔特姆（E.L. Tatum 19091975）提出一个基因一个酶学说，证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状。1949年鲍林（L.C.Pauling1901）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序，这样20世纪40年代末至20世纪50年代初，基因是通过控制合成特定蛋白质以控制代谢决定性状原理
5、变得清晰起来。,1944年艾弗里（O.T. Avery 18771955）、麦卡蒂（M.McCarty 1911）等人发表了关于“转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体。1952年赫尔希（A.D. Hershey）和蔡斯（M.M. Chase 1927）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。1953年美国分子生物学家沃森（J.D. Watson）和英国分子生物学家克里克（F.H.C. Crick）通力协作，根据X射线衍射分析，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。,1957年法国遗传学家本滋尔（Benzer）以T4噬菌体
6、作为研究材料分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子学说。这个学说打破了过去关于基因是突变、重组、决定遗传性状的“三位一体”概念及基因是最小的不可分割的遗传单位的观点，从而认为基因为DNA分子上一段核苷酸顺序，负责着遗传信息传递，一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。一个作用子通常决定一种多肽链合成，一个基因包含一个或几个作用子。突变子指基因内突变的最小单位，而重组子为最小的重组合单位，只包含一对核苷酸。所有这些均是基因概念的伟大突破。,关于基因的本质确定后，人们又把研究视线转移到基因传递遗传信息的过程上。在20世纪50年代初人们已懂得基因与蛋白质间似乎存在
7、着相应的联系，但基因中信息怎样传递到蛋白质上这一基因功能的关键课题在20世纪60年代至20世纪70年代才得以解决。从1961年开始，尼伦伯格（M.W. Nirenberg）和科拉纳（H.G. Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并在1967年破译了全部64个遗传密码，这样把核酸密码和蛋白质合成联系起来。然后，沃森和克里克等人提出的“中心法则”更加明确地揭示了生命活动的基本过程。1970年特明（H.M. Temin）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成就进一步发展和完善了“中心法则”，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。,过去人们对基因的功能理解是单
8、一的即作为蛋白质合成的模板。但是1961年法国雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.L. Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。,（三）基因概念的进一步发展70年代后，基因的概念随着多学科渗透和实验手段日新月异又有突飞猛进的发展，主要有以下几个方面。1、基因具重叠性。1977年桑格（F. Sanger）领导的研究小组，根据大量研究事实绘制了共含有5375个核苷酸的X174噬菌体DNA碱基顺序图，第一次揭示
9、了遗传的一种经济而巧妙的编排B和E基因核苷酸顺序分别与A和D基因的核苷酸顺序的一部分互相重叠。当然它们各有一套读码结构，且基因末端密码也有重叠现象（A基因终止密码子TGA和C基因起始密码子ATG重叠2个核苷酸；D基因的终止密码子TAA与J基因起始密码子ATG互相重叠1个核苷酸，顺序为TAATG）,2、内含子和外显子。人们在研究小鸡卵清蛋白基因时发现其转录形成的mRNA只有该基因长度的1/4，其原因是基因中一些间隔序列的转录物在RNA成熟过程中被切除了。这些间隔序列叫内含子，基因中另一些被转录形成RNA的序列叫外显子。小鸡的卵清蛋白基因中至少含7个内含子。因而从基因转录效果看，基因由外显子和内含
10、子构成。3、管家基因和奢侈基因。具有相同遗传信息的同一个体细胞间其所利用的基因并不相同，有的基因活动是维持细胞基本代谢所必须的，而有的基因则在一些分化细胞中活动，这正是细胞分化、生物发育的基础。前者称为管家基因，而后者被称为奢侈基因。,4、基因的游动性。早在20世纪40年代美国遗传学家麦克林托克（B.McClintock）在玉米研究中发现“转座因子”，直至1980年夏皮罗（J.Shapiro）等人证实了可移位的遗传基因存在，说明某些基因具有游动性。为此，这位“玉米夫人”荣获了1983年度诺贝尔奖。所有这些成果无疑给基因概念中注入鲜活科学的内容，帮助人们揭开层层面纱去更加全面了解基因的真面目。时
11、代在发展，科学在进步，基因概念的深入发展，必将对人类的文明进步产生强大的推动作用。,二、基因的定义,基因 (gene) DNA分子上有遗传效应的片段。（分子水平） 转录效应 转录基因遗传效应： 非转录效应 操纵基因,转录基因有4种：1）mRNA基因：产物为mRNA，能够翻译出细胞重要的结构和功能蛋白，又叫结构基因；2）tRNAr基因：产物为tRNA，不能翻译为蛋白质，在合成蛋白质过程中起作用3）RNA基因：产物为rRNA，同上4）调节基因：也能通过转录和翻译产出蛋白质，但是这些蛋白作为反式作用因子，对基因的转录起调节作用，故称调节基因,操纵基因包括（不转录，无产物）1）启动基因：RNA转录酶识
12、别、结合的位点（特定的序列、间距）；2）操纵基因：阻遏蛋白结合的序列。他们虽然不能转录，但其上特定的序列如果改变，结构基因的表达就会受影响，整个基因的活性就会改变，因此他们也有遗传效应。,真核基因与原核基因的策略不同：,一、原核细胞的基因结构,非编码区,非编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,与RNA聚酶结合位点,启动子,终止子,RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。,接,能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成
13、，也就是说能够编码蛋白质,不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质,非编码区,编码区,二、真核细胞的基因结构,编码区,非编码区,非编码区,与RNA聚酶结合位点,内含子,外显子,能够编码蛋白质的序列叫做外显子,不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使RNA,启动子,终止子,编码区上游,编码区上游,内含子,外显子,一个典型的真核基因编码序列：外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列：内合子(intron)5-端和3-端非翻译区(UTR) 调控序列(可位于上述三种序列中),真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须
14、经过加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为有功能的成熟的信使RNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。,原核生物没有内含子，DNA复制和转录相对较容易也比较简单，调控几乎完全由基因上游的RNA聚合酶结合位点控制； 而真核生物由于内含子的存在，有了“可变剪接”的可能，内含子也可以调控部分DNA合成的问题，比如针对环境变化调整转录出的蛋白质的结构、组成等； 另外，真核原核生物的核糖体也是不一样的，其中蛋白质和核糖体RNA都有显著的区别。原核生物在拟核区发生转录，而真核生物则在细胞核内。,第二节 原核生物基因组,
15、原核的基本特征：核质与细胞质之间无核膜因而无成形的细胞核（拟核或类核）核膜对信息传递的影响：转录、翻译几乎同步，调控粗放，容易出错真核特点,一、原核基因组的特点：1、基因组小2、利用率高，表现：1）、全是编码基因，极少数不转录；2）、基因重叠3）、连续3、操纵子结构,一、细菌基因组的特点1、类型：1）细胞的染色体、基因组；2）质粒DNA：独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链DNA。2、特点： 1）细菌DNA通常仅由一条环状双链DNA分子组成 大部分为编码序列。 2）结构基因中没有内含子，也无重叠现象。 3）具有操纵子结构。,Bacterial DNA is a compact nucleo
16、id,细菌遗传物质表现为相当致密的小块（拟核：nucleoid)，或一串小块占细胞体的1/3，但没出现真核生物细胞染色体形态特征,Bacterial DNA is tightly coiled thread,大肠杆菌（E.coli）的拟核在菌体破碎后以环状纤维的形式被释放出来。但没有伸展为游离双链体。,细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid），或核质体结构。核质体由3050bpDNA组成环状的结构域，中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。,细菌基因组共同结构特征：拟核有约100个这样独立的负超螺旋结构域。每个结构域是一个DNA环（40 kb)，其两端以某种（未知的）方法固定住，使旋转不会从一个结构域波及另一个结构域。,
