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1、1,第一节 基因的概念与发展,第12章 基因表达的调控,一、基因概念的演变 1、在功能上基因概念的演变 1)遗传因子是生物性状的符号 18571909 1857年Mendel作了8年的碗豆杂交实 验,创立了遗传学的第一、第二定 律,在他的植物的杂交实验论文中 把控制 性状的 某种东西叫做“遗传 因子” (Genetic factor) ,分别用A、B、C、D等字 母代替遗传因子,此因子就是生物性状的符号,例如:红花A用表示,白花用a表示。这种因子什麽东西,在什麽地方还不清楚。但是,在哪个年代Mendel提出了遗传因子的概念,认为子代的性状是由于得到了亲代的遗传因子,,这已经是一个伟大的进步,既
2、:生物的性状 有它的物质基础,打破了上帝决定一切的概念。 2)基因是位于染色体上的决定遗传性状的基本功 能单位 19091940,1909年,丹麦人约翰逊(Johansen) 1910年Morgan 、 Sturtevant、Briges 的工作, 提出基因在染色体上直线排列,不重复、不重叠、 不分割基因是 功能单位、突变单位、重组单位。 把基因物质化。提出“三位一体”的概念。但是还 不清楚基因到底是什麽东西,是啥样的化学实体 1927年,摩尔根的 弟子穆勒Muler 发现用X射线可以使果蝇的基因发生 突变,进一步证实了基因是实实在 在的化学实体,同时开创了基因突 变新领域。1946年获得诺贝
3、尔奖金,3)基因是决定某种酶的DNA片段 19401955 1940年,Beadle和Tatum用诱变剂处理红色面 包霉得到各种营养缺陷型突变体。其中一种是精 氨酸缺陷型,在此缺陷型又分成四种类型: argE argF argG argH,精氨酸缺陷型的生长反应 菌 株 基本 基+谷 基+鸟 基+瓜 基+精琥 基+精 野生型 + + + + + + arg E - - + + + + argF - - - + + + argG - - - - + + argH - - - - - +,谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 精氨酸,精氨酸的代谢过程和酶作用位置 谷氨酸 argE酶 鸟氨酸 argF
4、酶 瓜氨酸 argG酶 精氨琥珀酸 argH酶 精氨酸,分析代谢途径 :在那种物质上都不长,说明那种物质最靠前 在那种物质上都长,说明那种物质最靠后,分析基因作用位置: 在多种物质上都长,说明基因作用靠前.在多种物质上都不长,说明基因作用靠后 提出一个基因一种酶学说,1958年双双获诺贝尔奖金。但没有打破基因三位一体的概念,代谢途径分析,从竖行分析代谢途径 : 在那种物质上都不长,说明那种物质最靠前。 在那种物质上都长,说明那种物质最靠后,谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 精氨酸,1944年,Avery的细菌体外转化实验 证明N是遗传物质, 1952年,Hershey和Chase的噬菌 体重
5、组实验使生物学界承认N 是 遗传物质,1969年Hershey获诺贝尔奖金 1953年Watson和Crick以及威尔金斯发 现了双螺旋结构,因此,基因的概念 成为:基因是决定某种酶的DNA片 断。1962年三人同时获得诺贝尔奖金,4)基因是决定一条多肽链的DNA片段 19551961 A、顺反测验 (1955 Benzer ) 根据基因顺式排列和反式排列时的表现情况 来判断两个位点是否属于一个基因的测定方 法,T4噬菌体R区有2个位点: RA 、RB RA RB 两个位点都正常时可在大肠杆菌K菌株上生长 两个位点突变时不能在K菌株上生长 两个其中的1个位点突变时不能在K菌株上生长 这2个位点
6、属于一个基因的两个位点还是 两个基因呢?,13,他设计了顺反测验的方法分析T4噬菌体R区的 两个区域,描绘了基因的的精细结构,发表细 菌噬菌体遗传区的精细结构论文,提出了顺反 子(Cistron)的概念和基因是决定一条多肽链的 DNA片段的概念。 顺反子:一个不同突变之间没有互补的功能区.,r1 r2 顺式 野生型性状 r1 反式 r2 野生型性状,顺式时、反式时都为野生型性状,说明这 两个位点能互补,此两个位点 属于两个 不同的基因,发现RA区是一个基因位点, RB区是一个基因 位点,两个位点都正常时,每位点编码一条多肽 链,2条多肽链合起来形成一种酶,提出:一个基 因一条多肽链的学说,打破
7、了基因是一个功能单 位的概念。 在RA区: a + + b a b + + 在每个区的不同突变体之间也进行了一系列顺反 测验,混合感染试验,证明RA区是一个顺反 子,RB区是一个顺反子。,不生长,无互补,生长,有互补,17,18,图 227突变座位与互补图解,C、基因精细结构分析 突变子(muton):可以突变的最小单位 发现A基因有800bp,既有800个突变位点,B基因 有500bp,既有500个突变位点 交换子(recon) :可以发生交换的最小单位 A基因有800bp,既有800个交换位点,B基因有 500bp,既有500个交换位点 打破了基因“三位一体”的概念。,5)基因是实现一定遗
8、传效应的核苷酸序列 1961-1969 1961年 ,Monord 和Jacobe对大肠杆菌乳糖代谢进 行研究, 提出了乳糖操纵子学说,I P O Z Y A 调节基因、结构基因:转录翻译形成蛋白质 操纵基因:仅转录不翻译不形成蛋白质 启动基因:不转录不翻译不形成蛋白质 因此,基因不一定都得有产物,:调节基因;:启动基因;:操纵基因; :半乳糖苷酶基因;:半乳糖苷透性酶基 因;:转乙酰基酶基因。 由于他们开创了基因调控的研究领域,谱写了 分子遗传学的新的一章,1965年Monord 和 Jacobe双双获得诺贝尔奖金,1968年美国遗传学家普坦森(Ptashene) 吉尔伯特(Gilbert)
9、成功分离出一个具 有抑制功能的DNA片断,用实验和实物 证明了基因的调控机制 1969年,Shapiro分离出了大肠杆菌乳 糖操纵子,进一步证实乳糖操纵子学说,2、在结构上基因概念的演变 1)重复基因 (repetitive gene) 基因以多个拷贝存 在的现象 。 1968年美国学布里顿通过DNA的复性动力学研 究发现在真核细胞DNA中存在重复顺序 物种 5SRNA tRNA 大肠杆菌 7 60 啤酒酵母 140 250 黑腹果蝇 165 850 人类 2000 1300 非洲爪蟾 24000 1150,2)重叠基因: (Over-lapping gene)一基因与另一 基因存在共用一段核
10、苷酸序列的现象 重叠基因的发现 : 1977年 Sanger对一侏儒噬菌体 X174的DNA结构 和蛋白质进行研究,发现它能形成11种蛋白质,总分 子量为25万道而顿,按此量该噬菌体应该有6078个 核苷酸来编码,但是,此单链环状DNA仅有5386个核 苷酸,少692个核苷酸, 对这种现象的分析中发现 了重叠基因,重叠类型: 重叠一个核苷酸: 5 T A A T G 3 正链 3 A T T A C 5 负链 5 U A A U G 3 RNA UAA为D基因的终止码,AUG为J基因的 起始码,两个基因重叠一个核苷酸 重叠两个核苷酸: 5 A T G A 3 正链 3 T A C T 5 负链
11、 5 A U G A 3 RNA A基因的终止码UGA与C基因的起始码AUG 重叠两个核苷酸,部分重叠: K基因与A基因重叠83个核苷酸,与C基因 重叠85个核苷 酸 K 51 218 A 3973 133 C 390 完全重叠: E基因在D基因中,重叠322个核苷酸 E 518 840 D 390 845,B基因在A基因中,重叠388个核苷酸 B 5046 48 A 3973 133 三重重叠:1978年,有人发现Sv40病毒3个外壳蛋白基 因 Vp1、Vp2、Vp3三重重叠。有5234bp, 环状双链基因组分成10分钟长. Vp1 7-1.5 Vp2、 7-9.8 Vp3 7-9.8,G4
12、噬菌体:基因全长都与其它基因重叠,端区 与基因的最后个重叠,端与基因的 开头个重叠,在和两个位点上, 阅读框的三种方式都得到应用。(终止、起始、编码),H,A,C,D,B,K,重叠操纵子:指结构基因与调控序列的重叠,调 控序列之间的重叠 重叠基因意义:在于经济有效的利用遗传信息, 不利一面是一个硷基的变化会影响 几个基因 真核生物基因重叠:如果蝇、海胆、人类某些基 因也发现有重叠,但不普遍 。真 核生物存在内含子、外显子,选择 性剪接时形成不同的蛋白质,这也 是基因重叠现象,大鼠肌钙蛋白T 基因此方式产生、两种产物,3)断裂基因:(splite gene) 含有可转译区段和不转 译区段的一类结
13、构基因 断裂基因的发现: 1977年美国生物化学家Sharp和英国生 物化学家Roberts以腺病毒为材料,发 现基因在排列上有一些不相关的片断隔 开,呈现不连续状态,发现了断裂基 因,1993年两人获诺贝尔奖金。Crick 称之为分子遗传学的一次“微型革命”,在Sharp和Roberts的实验发现割裂基因之前法国的 Chambon小组已经在研究鸡卵清蛋白基因的表达和 激素的关系时也发现了类似现象。但是,他们不能 解释这种现象。 1977年Berget在美国冷泉港作了一个关于断裂基 因的报告, Chambon受到启发,对他们的实验 进一步研究,在真核生物发现了断裂基因。 1978年,Gilbert把出 现在成熟的mRNA中的片 段叫做外显子(exon),把不出现在成熟的 mRNA中的片段叫做内含子(intron),鸡卵清蛋白基因的结构(7700bp) 外显子 内含子 1、47(前导序列) A 2、185 B 3、51 C 4、129 D 5、118 E 6、143 F 7、156 G 8、1043 1872bp 5828bp,断裂基因的特征:内含子可多可少,可长可短