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1、第二章 基因和基因组及基因工程的概念第一节 基因的概念 第二节 基因组 第三节 基因工程的定义和研究内 容 第四节 基因工程的发展史第一节 基因的概念一、基因与“遗传因子”二、基因与染色体三、基因与蛋白质四、基因与DNA五、基因密码的破译六、基因的概念七、基因的新概念一、基因与“遗传因子” 对遗传物质基础的认识有个发展过程，孟德 尔（G.Menodel）在18571864年以豌豆为材 料进行杂交实验的研究中, 提出“遗传因子”决 定和控制着生物体的各种性状。 1909年丹麦生物学家W.Johannsen为了强调“ 遗传因子”与生命的关系, 他根据希腊“给予生 命”之义的词“gene”（基因）创
2、造性地用 “gene”这个术语来代替“遗传因子”。基因这 个词当时被用来描述遗传性状，但对基因的 物质概念还未能认识，只是遗传的一个符号 。孟德尔的豌豆杂交试验 遗传因子是成对的，一个来自父本，一个来自母本，形 成配体时彼此分开，在性细胞中是成单的，杂交子一代 各自保持独立和纯一状态，形成配子时又彼此分开，互 不混杂，完整地传给后代，雌雄配 子结合有等同随机结合的机会。 圆形种子皱形种子杂交第一代(均为圆形)回交圆形豆 皱形豆5474粒 1850粒3 ： 1 黄色图形绿色皱形黄色图形绿色皱形杂交第一代(均为黄色圆形)回交黄色圆形豆黄色皱形豆 绿色圆形豆绿色皱形豆 315粒121粒108粒32粒
3、 9： ：3 31二、基因与染色体 1910年1926年, 美国的摩尔根（T.H.Morgan ）选用果蝇做研究材料 ，发现了基因连锁和 交换现象 ，创立了遗传的染色体理论（ Chromosomol theory of inheritance） ，绘制了 基因连锁 图,接受了孟德尔的遗传原理,指出 遗传物质必须由某种独立的要素组成,即遗传 因子或叫做基因。从而证明了基因是位于染 色体上呈直线按顺序排列的遗传单位，基因 是携带遗传信息的结构单位，又是控制遗传 性状的功能单位 。摩尔根果蝇杂交试验 有4对染色体，一对小粒状，2对V形，一对呈 棒状XX或XY（性染色体）X1X2（红眼）+XWY（白眼
4、）（野生型） （突变型）杂交子一代（雌雄均为红眼）X1XW， X1Y ， X2XW，X2YX1X1，X1Y，XWX1，XWY，X2X1，X2Y，XWX2， XWY为红眼雄性及白眼雄性三、基因与蛋白质 1941年G.W.Beadle和E.L.Tatum应用X射 线诱导链孢霉菌（Newospore crassa） 在DNA损伤修复后, 产生了大量营养缺 陷性突变体,提出了“一个基因一种酶”学 说,后来又修正为“一个基因一种蛋白质” 的学说, 或“一个基因一种多肽链”学说 。 四、基因与DNA 1928年美国O.T.Avery首次证明了控制 遗传特性的物质是DNA, 而不是蛋白质, 染色体上的基因为
5、DNA分子。 1953年J.watson和F.Crick根据碱基配对 规律和DNA分子的X射线衍射图谱等实 验, 提出了DNA分子的双螺旋结构。 1958年证明了DNA半保留复制和DNA RNA 蛋白质合成的中心法则（如图 ）。遗传中心法则五、基因密码的破译 1961年F.Crick,S.Brenner, M.W.Nirenberg, H.G.Khorana等确立了每三个核苷酸可作为决 定一个氨基酸的密码子。 1964年64种三联密码子全部被破译公布。 64 种密码子中有61个密码子可用于编码20种氨 基酸, 有3个密码子为终止信号, 只表示链的终 止, 不表达任何氨基酸。其中AUG为启始密
6、码子，并具有通用性、偏爱性和简并性。遗传密码的兼并性六、基因的概念 按照分子生物学理论，基因的概念应当是指 编码有功能蛋白质多肽链或RNA分子所必需 的全部核酸序列（即DNA序列）。根据这个 概念，一个基因不仅含编码蛋白质肽链或 RNA分子的核酸序列, 还包括保证转录所必需 的非编码的调控序列即位于编码区上游5端 的启动子非编码序列、内含子（intron）和位 于编码区下游3端的终止子非编码序列。编 码区是发挥基因功能的结构基因（或功能基 因），而起调控、启动和终止作用的非编码 区属于调控基因。 七、基因的新概念1、移动基因 2、断裂基因（split gene） 3、重叠基因 4、假基因 5、
7、重复序列及重复基因1、移动基因 移动基因（movable gene）又叫转位因子（ transposable elements）,由于它可以在染色体 基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁 ，故又称跳跃基因（jumping gene）,这种基 因是J.A.Shapiro在研究大肠杆菌高效突变时 发现的。有三种类型：1.插入序列（insertion sequences, 简称IS），其长度为数百个到数千 个碱基对之间（如图2-1） 。 2.转位子（Tn) ，即两侧的IS和一个中心序列（带有遗传信 息）3.噬菌体Mu和D108，其转位作用如图2- 2。2、断裂基因（ split gene） 在真核
8、细胞中的核苷酸序列中间插入与 氨基酸编码无关的DNA间隔区段，使一 个有功能的结构基因分隔成不连续的若 干区段，将这种编码序列不连续，有间 隔区段的DNA片断称为断裂基因。这种 非编码间隔区段DNA称间隔子（内含子 ），有转录和编码功能的编码序列称表 达子。原核细胞无内含子。其二者 mRNA剪辑作用如图2-3，2-4，2-53、重叠基因 不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个 基因共用，将核苷酸彼此重叠的两个基 因称为重叠基因（overlapping genes）, 在174噬菌体有两种类型的重叠基因 （图2-6）。 4、假基因 在珠蛋白基因簇（gene cluster）各片断 核苷酸序列分析时发
9、现，除了有正常的 功能基因之外，还有功能失活的特殊序 列片断，它不能行使表达功能。该类无 表达功能的畸变核苷酸基因序列片断， 称为假基因。其产生原因如图2-7、2-8 5、重复序列及重复基因几乎所有的真核细胞（酵母除外）的基因组 DNA中都具有重复序列（repeated sequence） ,它无转位移动能力，因此它区别于转位作用 的IR（inverted repeat）。IR是指序列的重复 性。但无基因序列的交叉重叠性，故不同于 重叠基因序列。重复序列可分为四种类型： (1)不重复序列，是唯一的序列，只有一个拷 贝。 (2)低度重复序列，一般有1-10个拷贝。 (3)中度重复序列，有数十至数
10、万（105）拷贝 。如图2-9、2-10 (4)高度重复序列 拷贝数可达106以上,包括卫 星DNA、高丰度SINE家族的Alu序列 。第二节 基因组“基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，对 于二倍体高等生物其配子的DNA总和即为一组基 因组。不同生物基因组数目不同，如表研究得较多的为以下三类基因组： 一、病毒基因组 二、细菌基因组 三、真核生物基因组第三节 基因工程的定义和研究内容基因工程的定义 通常是 指在体外把核酸分子（ 基因）组合到特定的载 体上（病毒，质粒，噬 菌体等）并使之进入（ 或导入）到原来没有这 类分子的宿主体内，能 使基因在宿主内繁殖或 表达生物活性物质。基 因工程的核心
11、内容是重 组DNA技术，还包括体 外DNA突变，体内基因 操作以及基因的化学合 成等。第四节 基因工程的发展史 一、四大里程碑 二、三大技术发明 三、基因工程的诞生病毒基因组 特点：1.结构简单，无细胞结构，基因组为DNA或 RNA组成，有双链/单链，环状/线状。2.有调控元件和 转录元件组成，转录元件可转录成为多顺反子mRNA 。 3.有重叠基因。4.逆转录病毒（RV）可使RNA变 cDNA其结构如图，具U3RU5的长末端重复序列（ LTR），具随机整和能力，可用作病毒载体。细菌基因组 约有三千个基因，无内 含子，为双链DNA，但 无核仁、核膜，多为单 拷贝，无重叠基因，有 多种功能调控区，
12、有复 制起始区、终止区、转 录起始区，终止区常有 反向重复序列。另外有 质粒存在，质粒可作为 载体。真核生物基因组 特点：大而复杂，为双倍体，有低中高重复 序列，多为断裂基因，基因组中非编码区多 于编码区（占90%），大多于蛋白质结合形 成染色体，DNA占35%，RNA占5%，其余为 蛋白质（组蛋白或非组蛋白） 与C值矛盾：一般高等生物的全部DNA量（ 称C值）均大于低等生物，但某些植物或两 栖动物的C值比人高出几十倍，这种与进化 复杂性不一致的C值反常现象称为C值矛盾。 类型 多基因家族四大里程碑 遗传物质的明确DNA DNA双螺旋结构理论（半保留复制及其 中心法则） 基因遗传密码子的破译
13、基因转译载体的发现三大技术发明 工具酶的发明：内切酶、合成酶、连接 酶 基因合成和测序（合成仪、测序仪） PCR技术（PCR扩增仪）基因工程的诞生1972年是基因工程的诞生之年。美国斯坦 福大学P.Berg 将SV40的DNA导入噬菌体载 体在大肠杆菌中获表达。S.Cohen等人将抗 四环素、新霉素基因的质粒转化大肠杆菌 ，获得抗四环素，抗新霉素重组菌落，从 而揭开基因工程的序幕。类型 单拷贝序列：人类约占60%65% 中度重复序列：长短300700bp，重复次数达 105。通常为Alu、Kpn、Hinf、rRNA、 tRNA、组蛋白基因等。 高度重复序列： 卫星DNA及微卫星DNA 反向重复
14、序列：人类约占5%，长度300bp在复性 时，若有间隔序列，可形成发夹结构，若无间隔 序列，可形成回文结构，可能与复制、转录调控 有关。多基因家族 指来源相同，结构相似，功能相关的基 因在染色体上成串存在，形成多基因家 族。如rRNA、tRNA、组蛋白基因等为 成串的，干扰素、珠蛋白、生长激素等 为分散的。卫星DNA 卫星DNA又称随体DNA，由 CsCl超速离心后，分散在主峰旁 ，形似卫星分布而称之。一般5- 10bp短序列，人类为171bp，保 护和稳定染色体。 近来又发现微卫星DNA，又称 简单重复序列，一般由1-6bp的 串联重复单位组成，有2bp、 5bp、6-7bp不等，以26bp为常 见。人类基因组中2bp（14） 的重复序列呈高度多态性。采用 限制性长度多态性（RFLP）分 析，可用于基因连锁的遗传标记 ，广泛用于诊断。
