2022年2022年基因基本概念

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1、基因的基本概念名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 40 页 - - - - - - - - - 2 目录一、 基因概念的演变1 基因学说的创立2 基因与 DNA 分子3 基因与 DNA 的多核苷酸区段4 基因与多肽链二、基因与基因工程1基因研究的简单历史回顾2基因的定义3基因的数量三、基因的化学本质与编码产物1基因的化学本质2基因的编码产物3基因与蛋白质的数量关系四、基因的结构1基因的组成部分2原核基因的结构3真核基因的结构4基因的终产物五、基因的类型1以拷贝

2、数分类名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 40 页 - - - - - - - - - 3 2根据产物类型分类3根据表达特性分类4遗传选择标记与标记基因六、基因图与基因作图1遗传图2物理图七、基因座八、基因扩增1基因增加2基因减少3基因扩增九、基因表达1正义链和反义链2基因表达定义3基因表达的过程4基因表达的时空特异性5基因表达活性的调控十、基因克隆1克隆的概念2基因克隆定义十一、基因工程定义1 有关基因工程的名词术语名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

3、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 40 页 - - - - - - - - - 4 2 “遗传工程”与“基因工程”这两个术语的差别3 基因工程定义4 基因工程的主要内容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 40 页 - - - - - - - - - 5 第一讲基因的基本概念一、基因概念的演变1基因学说的创立G. Mendel(1857-1864)根据豌豆杂交试验，

4、创立了遗传因子分离律和遗传因子独立分配律提出了遗传因子的概念W. Johannsen 在 1909 年提出了用“基因”这个术语代替Mendel 的遗传因子基因术语的提出*此时所谓的“基因” ，并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何一种可见形态结构毫无关系的抽象单位，因此那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有涉及基因的物质概念。T. H. Morgan 1910 年的工作，头一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体联系起来了，使得科学界普遍接受了 Mendel 的原理基因与染色体联系起来2基因与 DNA 分子尽管由于 Morgan 等人的出色工作， 使基因学说得到了普遍的承认，但直到

5、1953 年 Watson-Crick DNA 模型提出之前，人们并不理解：a.基因的物质内容和结构特征；b.位于细胞核中的基因如何控制发生在细胞质中的生化过程；c.在细胞分裂过程中，为何基因可准确地复制自己。证实基因就是 DNA 的著名实验名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 40 页 - - - - - - - - - 6 1944年美国著名的微生物学家O. T. Arery 的肺炎链球菌的转化实验肺炎链球菌有两种不同的品系：S型具荚膜、有毒、光滑型R 型无

6、荚膜、无毒、粗糙型S DNA+R 菌培养物 R 型变 S型表现出毒性和荚膜结论：使细胞性状发生转化的因子是DNA，因此，DNA 分子是遗传信息的载体。启示：在科学研究中，尤其是基础理论的研究工作中，正确地选材具有极端重要的意义。1952 年美国冷泉港卡内基遗传学实验室的科学家A. D. Hershey和他的学生 M. Chase 的同位素双标记实验 (噬菌体 ) 用32P 和35S 分别标记噬菌体的内部DNA 和外壳蛋白质。然后用这种带双标记的感染寄主大肠杆菌，结果发现，只有具32P 标记的 DNA 进入寄主细胞，并重新繁殖出子代噬菌体。结论：在噬菌体中遗传物质也是DNA，而不是蛋白质。195

7、3年 J. Watson & F. Crick 在 M. Wilkins 和 R. Franklin X-射线衍射工作的基础上， 建立了 DNA 双螺旋结构模型， 解决了 DNA 分子的三维结构及其在遗传中的作用的问题。至此，关于基因的化学本质是DNA 的结论已是公认的事实。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 40 页 - - - - - - - - - 7 *但是必须指出，并非所有的基因都是由DNA 构成的，某些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等，它们的遗传

8、体系的基础是 RNA 而不是 DNA。 A. Gierer 和 G. Schramm在研究烟草花叶病毒 (TMV) 时首先发现 RNA 分子能够传送遗传信息，并证明 TMV 病毒的 RNA 成分，在其感染植株的叶子中能够诱导合成新的病毒颗粒。DNA 半保留复制模型证明了 DNA 是遗传物质和基因的载体之后， 人们进而开始研究 DNA 分子的自我复制过程， 以揭示遗传信息是怎样从亲代准确地传递到子代。DNA 分子的半保留复制模型：DNA 半保留复制是严格地按照碱基配对原理进行的。新合成的子代 DNA 忠实地保存了亲代DNA 分子所携带的全部遗传信息解决了基因自我复制问题双螺旋模型的建立： a.可

9、以从基因分子水平上分析遗传与变异现象b.可以客观地探索基因的结构与功能*从此，基因的研究进入了基因的分子生物学时代。启示： a.文献情报的重要性当时我们与西方交恶， 几乎没有科学交流， 信息不灵，人们不了解 DNA 在遗传研究中的重要性b.学术思想的自由的重要性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 40 页 - - - - - - - - - 8 前苏联学术界对摩尔根学派的错误批判政治干预学术研究的恶果1956 年青岛遗传学会议与 (鸡毛、茄子皮实验 ) 中国共

10、产党提出的双百方针是完全正确的。3基因与 DNA 的多核苷酸区段DNA 分子是基因的载体，那么是否每一段DNA 都是基因呢？(1)经典的基因概念：在染色体或DNA 分子上，基因是成串球似的一个挨一个地排列着，它们之间是由非遗传的物质连接起来。交换只是在基因之间进行， 而不是在基因内部发生。(2)基因的三位一体论：a.遗传功能单位b.交换单位c.突变单位(3)顺反子概念A unit of DNA or RNA corresponding to one gene T4 Plage 的 r区控制寄主细胞的致死效应，即快速溶菌作用。*1.Benzer 工作简介Benzer发现 r区可分为 rA 和 r

11、B 两个亚区，它们各产生一种特殊的物质，只有当这两种物质同时存在时，寄主细胞才会发生溶菌裂解。因此，用rA*突变型和 rB*突变型感染寄主株细胞的情况是这样的：混合感染，即 rA*+r B*E.coliK株细胞裂解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 40 页 - - - - - - - - - 9 单独感染，即 rA* or rB*E.coliK株细胞不裂解从上述结果可见， rA 和 rB 显然是互补的突变体。在 rA 亚区发生了突变的 phage能够同在 r

12、B亚区发生突变的 phage互补；但它们都不能同跟自己一样在同一亚区内发生突变的phage互补；反之亦然。所以 rA 和 rB 是两个不同的功能单位。1955 年，Benzer正式使用顺反子 (cistron)这个术语， 将这两个亚区分别叫做rA 和 rB 顺反子。*2.顺反子的的概念 =一段核苷酸序列，编码一种完整多肽链的核苷酸序列。 这种多肽既可以是一种具有生物活性的蛋白质， 也可同别的多肽聚合形成多功能的蛋白质。 或者说是：相应于一个基因的DNA 或 RNA单位。(A unit of DNA or RNA corcesponding to one gene.) *3.顺反子是功能单位，它

13、是由许多可以突变的位点组成，而这些位点之间又可以发生交换。顺反子中的最小交换单位 (又称交换子 )和最小突变单位(又称突变子)，都应是 DNA 分子中的一个核苷酸对，只有在这种情况下，交换子才等于突变子。*4.顺反子概念表明，基因不是最小的单位，它仍然是可分的；并非所有的DNA 序列都是基因，而只有其中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 40 页 - - - - - - - - - 10 某一特定的多核苷酸区段才是基因的编码区。*5.启示：人类对客观世界的认识

14、是无穷尽的；个体器官组织细胞细胞核染色体DNA基因顺反子突变子、交换子碱基,要学好辩证法，自觉地用辩证唯物主义思想指导自己的科学实践。所有生物的基因都是由DNA 构成的，而 DNA 结构不是一致的， 所以不同生物来源的基因(DNA)可以融为一体。由此可见，基因的DNA 共性，是进行基因工程重要的理论基础之一。从中我们可以深刻地领会到基础理论研究的重要性。没有理论指导的实践是盲目的实践。4基因与多肽链(1)一种基因一种酶*1. 1902-1908 年 间 ， A. Garrod在 研 究 人 类 黑 尿 病(Aldaptonnrea)时就已经指出，此病是由于缺乏某种酶促反应造成的。*2. 194

15、1 年，G. W. Beadle and E. L. Tatum 在研究红色面包霉时第一次明确提出“一种基因一种酶”的假说。*3. 1957 年， V. Ingram 在对镰刀形细胞贫血症(sickle cell anemia)的红血蛋白，和正常血红蛋白的氨基酸序列作了对名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 40 页 - - - - - - - - - 11 比研究之后，才第一次用实验证明了基因同蛋白质之间的直接联系。镰形细胞血红蛋白链的氨基端第6 个氨基酸部

16、位发生了由缬氨酸取代正常的谷氨酸的突变。*4. 这表明：基因的突变会直接影响到它编码的蛋白质多肽链成份的变化，从而证实了“一种基因一种酶”的假说是正确的。(2)一种基因一种多肽许 多 蛋 白 都 是 由 数 个 亚 基 组 成 的 多 体 蛋 白 (multimeric proteins) *1. 同型多体 (homo multimer)蛋白质由一种基因编码*2. 异型多体 (heteromultimer)蛋白质由多种基因编码*3. “一种基因一种多肽”*4. 启示：Ingram 获得成功的重要原因之一是应用了当时刚刚出现的蛋白质氨基酸序列分析技术；信息资料尤其是在今天的科研中具有极大的重要性

17、，因此要积极参加学术交流；不同学科知识的相互渗透是今天科学发展的一大特色，因此科学工作者们，特别是硕士生、博士生，应该注意培养自己具有广博的多学科知识。二、 基因与基因工程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 40 页 - - - - - - - - - 12 *1.基因工程或称基因操作，是分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上，于20 世纪 70 年代诞生的一门崭新的生物技术科学。*2.基因工程的创立与发展，直接地依赖于基因分子生物学的进步，两者之间有

18、着密切而不可分割的内在联系：a. 基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；b. 基因工程技术的发展与应用，又深刻并有力地影响着基因的研究，使我们对基因本质的认识提高到了一个空前的高度。*3.根据上面所述，我们在讨论基因工程之前，有必要对基因研究的发展过程、基因的基本概念和基因的现代概念作一番简要的回顾和叙述。1. 基因研究的简单历史回顾自从 1865年孟德尔提出遗传因子 (hereditary factor)以来，近 150年以来基因的研究经历了漫长的发展过程，主要的可概括如下几条：(1)基因研究大体上可分为三个阶段：*1. 20 世纪 50 年

19、代以前，主要从细胞染色体水平上进行研究基因的染色体遗传学阶段(细胞遗传学 ) *2. 20 世纪 50 年代以后，主要从DNA 水平上进行研究基因的分子生物学阶段(分子遗传学 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 40 页 - - - - - - - - - 13 *3.最近 30年，重组 DNA 技术的建立基因工程学阶段 (分子生物技术学 ) 本阶段的主要特点是， 改变了从表型到基因型的传统遗传学的研究途径， 而是直接从克隆的目的基因出发，研究基因的功能

20、及其与表型之间的关系。 使基因的研究进入了反向生物学阶段，或说是分子生物学技术学阶段，亦可说是现代生物技术学阶段。(2)现代生物技术学 (分子生物技术学 )的三个组成部分：*1.基因工程原理这是现代生物技术学的基础与核心*2.生物技术学重组DNA 技术的应用a. 现代农业生物技术；b. 现代工业生物技术；c. 哺乳动物基因工程；d. 重组 DNA 与医学研究；*3.基因工程基本技术a. 质粒 DNA 的分离与纯化；b. DNA 分子的体外切割；c. DNA 分子的体外重组；d. DNA 的凝胶电泳；e. 探针分子的标记；f. DNA 分子的转化；g. 感受态细胞的制备；名师资料总结 - - -

21、精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 40 页 - - - - - - - - - 14 h. DNA 酶切图谱的构建；i.核苷酸序列的测定；Somger法(双脱氧法 )；Maxam-Gilhert 化学修饰法；DNA 测序自动化；杂交测序法。j. 寡核苷片段及基因的化学合成；k. 基因定点突变技术；l. 基因 PCR 扩增技术；m. 研究 DNA 蛋白质相互作用方法；n. 酵母双杂交、单杂交、三杂交法；o. 基因剔除技术；p. RNAi 技术基因研究简史一览表(From B. Le

22、win 2000) 1865 Genes are particulate factors 1903 Chromosomes are hereditary units 1910 Genes is on chromosomes 1913 Chromosomes contain linear arrays of genes 1927 Mutations are phycical changes in genes 1931 Recombination is caused by crossing over 1944 DNA is the genetic material 名师资料总结 - - -精品资料

23、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 40 页 - - - - - - - - - 15 1945 A gene codes a protein 1953 DNA is a double helisc 1958 DNA replicates somiconservatively 1961 Genetic code is triplet 1977 DNA can be sequenced 1997 Genome can be sequenced 2基因的定义基因通常又叫做顺反子(cistron

24、)，是遗传的基本单位，携带着某种蛋白质或 RNA 的遗传信息。从化学本质上看，基因是一段具有特定功能的连续的脱氧核糖核苷酸(DNA)序列，是构成巨大遗传单位染色体的组成部分。关于基因定义应掌握如下3 个要点：a.基因携带着蛋白质或RNA 的信息，此即说基因的编码产物是蛋白质或RNA；b.基因是一段具特定功能的DNA 序列；c.基因是染色体的组成部分；3基因的数量生物体中基因的数量相当庞大， 但不同进化水平的生物体基因的数量有很大的差别。即便是最简单的单细胞生物，如细菌，也起码有数千种不同的基因及其相应的编码产物； 而复杂的多细胞真核生物， 例如我们人类本名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

25、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 40 页 - - - - - - - - - 16 身则至少需要 4000050000种不同的基因。 (有的文献说人类基因组大约编码 100000种左右的基因 )。三、基因的化学本质与编码产物1 基因的化学本质 (The Chemical nature of the gene) 在 Mendel 思想被科学工作者广泛接受之后，关于基因的化学本质究竟是蛋白质还是DNA 长期存在着争论，人们基本上是持等同赞成的态度。此时，人们并没有弄清基因的化学本质，究竟是DNA

26、还是蛋白质。(1)1994 年，O. Avery 等肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae)毒性转化实验，证明遗传信息的携带者是DNA 而不是蛋白质。S型有毒； R 型无毒。 S DNA 加到 R 型培养物中，后者变成了有毒的。(2)1952 年，A. D. Hershey & M. Chase 应用放射性标记技术证明在 T2 噬菌体转导过程中，使E.coli 发生溶菌感染的所需要的物质是 T2 DNA 而不是蛋白质。(3)1953 年，F. Crick 和 J. Watson DNA 双螺旋模型的建立，解决了 DNA 分子的三维结构及其在遗传中的作用问题。至此，关于基

27、因的化学本质是DNA 的结论，已是毫无疑问的事实。但是必须指出，随后的研究工作证明：并非所有的基因都是由DNA 构成的，某些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等，它们的遗传体系基础是RNA 而不是 DNA(genetic systems 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 40 页 - - - - - - - - - 17 based on RNA rather than DNA)。2基因的编码产物基因是细胞中所有RNA 及蛋白质分子的“蓝图” ，有些基因编码

28、的最终产物是RNA 分子，例如 rRNA 基因、tRNA 基因及其它小分子量的 RNA 基因等；而其它一些基因编码的终产物是蛋白质，这些蛋白质是通过mRNA 中介合成的。(1)1941年， G. W. Beadle & E. L. Tatum建立的“ One gene-One enzyme ”理论。X 射线诱导 Neurospora crassa 产生许多突变体鉴 定 出 营 养 缺 陷 突 变 体 (Auxotrophic mutant)。这些突变体加入单一的营养物于培养基中，便可得到富集。因此便于对某一种生化缺陷进行研究。关于这些营养缺陷突变体的遗传分析表明，其中每一种突变都是由于单个基因

29、缺陷(Single gene defect) 所致。根据上述发现推导出如下这样的假说：一种基因负责合成一种酶， 如果这种基因是缺陷的，那么这种酶也是缺陷的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 40 页 - - - - - - - - - 18 (2)1957. V. Zngram 对镰形细胞贫血症 (Sickle Cell Anemia)的研究中进一步直接证明蛋白质与基因之间的直接联系。这主要得力于刚刚发明的氨基酸序列分析法，分析了成年人血红蛋白的链和 链，

30、证明镰形血红蛋白链中没有任何变化，但链与野生型相比，在其氨基端第6 个氨基酸由缬氨酸取代了正常的谷氨酸。这表明基因的突变会直接影响到它编码的蛋白质多肽链成分的改变， 从而证实了 “一种基因一种酶” 的假说是正确的。(3)蛋白质结构研究多体蛋白质 (multimeric proteins)：由数个亚基组成。a. 各 种 亚基 相 同 的多 体 蛋 白质 叫 做 同型 多 体 蛋白 质(homomultimer)由一种基因编码b. 由不同的亚基构成的多体蛋白质叫做异型多体蛋白质(heteromultimer)由多种基因编码因此“一种基因一种酶”这一理论便被修正为“一种基因一种多肽链” (One g

31、ene-One polypeptide Chain) 。3基因与蛋白质的数量关系*1.并不是所有的基因的最终编码产物都是蛋白质，事实上有一些基因， 例如 tRNA 基因和 rRNA 基因的最终编码产物就蛋白质。*2.基因仅仅是构成生物个体发育、新陈代谢等遗传性状特征的物理信息，而基因功能的展现与否，则是取决于经过一定过程的表达调控所形成的编码产物蛋白质。*3.蛋白质是生物个体生命活动的直接参与者，是将基因与具体的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 40 页

32、- - - - - - - - - 19 代谢活动或发育过程联系起来的关键环节。但由于基因表达过程中存在着精细而复杂的调节作用，因此在一个生物个体中实际表达的蛋白质总数可能要远远超过基因的数量。例如在人类中大约 70%的基因在其表达过程中会通过mRNA 的可变剪辑，产生出多种功能与器官特异性均不相同的蛋白质。根据基因组序列 (大小)估计，一般认为人类基因组共有5104个左右的基因， 而这些基因经可变剪辑却可编码多达2106个蛋白质 (Service, R. F. Gene and Protein patens get ready to go head to head. Science, 200

33、1, 294:2082)。四、基因的结构 (Organization of the gene) 到了上世纪 70 年代，随着分子生物学及基因工程，特别是 DNA测序技术的发展，人们才真正有可能从单碱基水平上弄清基因的分子结构。1基因的组成部分无论是真核生物的基因还是原核生物的基因，从大的方面讲都可以划分成如下两个基本的组成部分：a. 编码区 (coding region) b. 非编码区 (noncoding region) c. 启动区 (promoter region) d. 终止区 (terminator) (1)编码区含有大量的遗传密码，包括起始密码子(AUG) 和终止密名师资料总结

34、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 40 页 - - - - - - - - - 20 码子(UAA, UAG 或 UGA) ，以及表达子 (exon)。(2)非编码区，系指基因分子结构中存在的对于遗传信息表达所必须的、但却不能转译成蛋白质多肽的DNA 序列，主要有：a. 5 -UTR，即 5 -末端非转译区；b. 3 -UTR ，即 3 -末端非转译区；c. Intron，即真核基因的间隔子序列。(3)启动区 (promoter region)， 系指位于基因 5 上游

35、的一段具有特殊功能的 DNA 序列区，亦称启动子 (promoter)。RNA 聚合酶是通过同它结合作用而启动基因的转录。原核基因启动子与真核基因启动子结构上是有差别的：a. 原核基因启动子比较简单，具有-10 和-35 等结构元件；b. 真核基因启动子比较复杂，分子量也大，距离转录起点数千个之遥，亦能对基因的转录发生效力；具有 TATA box及上游元件等特征性结构。(4)终止子 (terminator)，亦叫终止区，是位于基因3 端下游外侧与终止密码子相连的一段非编码的核苷酸短序列区，具有终止转录信号的功能，也就是说可使RNA 转录活性终止。2原核基因的结构(1)原核基因范围原核基因 (P

36、rokargotic gene)系指由原核生物如大肠杆菌基因组编码的基因，以及高等植物叶绿体基因组编码的基因，还有线粒体基因组编码的基因，都是属于原核基因。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 40 页 - - - - - - - - - 21 (2)原核基因的组成原核基因的 DNA 序列结构包括如下三大组成部分：a. 启动子序列5 -URT b. 转录区序列cDNA 序列区 -编码区3 -UTR c.终止子序列(3)原核基因 mRNA 结构原核基因的 mRN

37、A 序列结构包括如下三大组成部分：a. 编码区 (是连续不间断的序列 ) b. 转录而不转译的5 -UTR c. 转录而不转译的3 -UTR 3真核基因的结构(1)真核基因 (Eukaryotic gene)概念系指由真核细胞基因组编码的基因和感染真核细胞的DNA 病毒及反转录病毒基因组编码的基因也属于真核基因；图 1-1 一种典型的原核蛋白质编码基因的结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 40 页 - - - - - - - - - 22 (2)真核基因

38、的特征a. 与原核基因不同，真核基因往往具有内含子(intron)，它是包围在编码区之中的非编码序列；b. 真核基因是单顺反子， 编码单基因产物， 而原核基因则往往组成大的转录单位多顺反子，即单一的mRNA 分子可编码多种基因产物；c. 成熟的真核 mRNA 分子的 5 -端有一个帽的结构， 3 -端有一段 poly(A)尾巴。(3)真核基因的结构*1.真核基因 DNA 序列结构包括如下三大部分结构：a.启动子序列区b.终止子序列区c.转录序列区图 2 一种典型的真核蛋白质编码基因的结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

39、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 40 页 - - - - - - - - - 23 *2.真核基因初级 RNA 转录本包括如下四大部分结构：a.5 -UTR 序列区b.3 -UTR 序列区c.表达子 (外显子 ) d.间隔子(内含子 ) *3.真核基因成熟 mRNA 的结构包括如下几个部分：真核基因的初级转录本经过加工剪辑(即去掉间隔子，并加上 5 -帽的结构和3 -poly(A)尾巴，此时由细胞核输向细胞质。a.5 端帽的结构b.5 -UTR 序列c.编码序列区d.3 -UTR 序列e.3 端 poly(A)尾巴4基因的最终产物通常人们会说“基因的最终产物是

40、蛋白质多肽”，其实此种说法是不严谨的，因为并非所有基因的最终编码产物都是蛋白质，已经知道有些基因的最终编码产物是RNA 转录本而没有蛋白质产物。 例如：a. rRNA Genes b. tRNA Genes c. small nuclear RNA Genes 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 40 页 - - - - - - - - - 24 五、基因的类型1根据拷贝数多寡分类*1.单拷贝基因在单倍体或二倍体细胞的基因组中，编码多肽链的基因一般只有12

41、个拷贝，叫单拷贝基因(Single-copy genes) 。*2.多拷贝基因例如编码tRNA、rRNA 以及组蛋白的基因，往往是多拷贝的，以保证有足够的基因产物满足细胞的生命需求，这样的基因叫多拷贝基因。2根据产物类型分类(1)结构基因 (Structural genes) 除了调节基因以外的编码任何RNA 或蛋白质产物的基因，都叫做结构基因。 (注意结构基因与看家基因在概念上的差别！) (2)调节基因 (Regulator genes) 从广义上讲任何一种能够调节或限制其它基因表达活性的基因，都叫做调节基因。但在一般情况下则是指其产物能够控制另外一个基因或若干基因表达效率的基因。例如大肠杆

42、菌lac操纵子的 laci 基因，其编码蛋白质能够控制lac 操纵子结构基因的表达。3根据表达特性分类(1)组成基因 (Constitutive genes) 又叫做看家基因 (Housekeeping gene)，是一类理论上在所有细名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 40 页 - - - - - - - - - 25 胞类型中都能进行表达、并为所有类型细胞生存提供必需的基本功能的基因。组成基因在中文中有时亦译为“组成型基因”，或“组成型表达基因” 。(2

43、)诱导基因 (Inducible genes) 因环境中某种特殊物质的存在而被诱导表达的基因，叫做“诱导型基因”，简称“诱导基因”。因环境中某种物质的存在而使特定基因表达活性得以开启的过程，叫做诱导 (induction)；能够引起诱导反应的物质或分子，叫做诱导物 (inducers)。4根据实验用途分类(1)选择基因选择基因 (Selectable genes) ，又叫做选择标记基因(Selectable marker genes) ，是指可使被转化的细胞获得其亲本细胞所不具备的新的遗传特性，从而使得人们能够使用特定的选择性培养基，将转化的新细胞从其亲本细胞群体中选择出来的一类特殊的基因。选

44、择基因主要是一类编码可使抗菌素(诸如新霉素、 潮霉素、链霉素、以及庆大霉素等 )或除草剂失活的蛋白酶基因。 最常用的有：a. 新霉素磷酸转移酶基因 (neo)；b. 二氢叶酸还原酶基因 (dhfr)；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 40 页 - - - - - - - - - 26 c. 潮霉素磷酸转移酶基因 (hpt)；d. 膦丝菌素乙酰转移酶基因(bar)；(2)标记基因标记基因 (Marker genes) 在概念上与选择基因是有差别的，它是指其功

45、能和染色体座位是已知的，并易于根据其编码产物或杂交实验测其存在的一类独特的基因，它可以作为绘制新基因座位的参照点。(3)报告基因特指其编码产物能被快速检测，常用来判断外源基因是否已经成功地导入寄主细胞、器官或组织的一类特殊的基因。常用的报告基因有氯霉素乙酰转移酶(CAT)基因，-葡萄糖醛酸糖苷酶(GUS)基因，以及荧光素酶基因。5根据排列组合特点分类(1)基因家族 (gene family) *1.基因家族系指同一生物种中，从同一祖先基因经过复制， 突变而来的一组具有相似结构、 相似产物及相似功能的基因群体。*2.从广义上讲，同一基因家族的各个成员也可以看成重复基因。然而两者相比， 基因家族不

46、同成员之间序列差异毕竟要比重复序列的大一些，也就是说同源性还是较低一些。*3.基因家族，亦可叫做多基因家族(Multigene family)。它们往往编码着一个由许多种相关多肽组成的蛋白质家族，属于同名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 40 页 - - - - - - - - - 27 一多家族的各个成员， 可以存在于不同的染色体上，也可以位于同一条染色体上。(2)基因簇 (Gene cluster) 系指真核生物基因组中，由不同基因组成的一个特殊的组合排

47、列方式。同一基因簇的各个基因在遗传上往往是紧密连链的，它们可以是属于同一操纵子的不同结构基因，也可以是属于不同操纵子的不同结构基因；它们可以来自同一基因家族的不同成员，也可以是来自不同基因家族的不同成员。(3)孤独基因 (orphans) 系指与串联排列的基因簇成员相关，但在位置是彼此分立的一类基因。孤独基因在功能上与串联基因是有差别的。6根据细胞类型分类(1)原核基因系指由原核生物如大肠杆菌基因组编码的基因，以及高等植物叶绿体基因组编码的基因，还有线粒体编码的基因。(2)真核基因系指由真核细胞基因组编码的基因，和感染真核细胞的DNA病毒及反转录病毒基因组编码的基因也属于真核基因。7根据结构特

48、点分类(1)断裂基因 (split gene) 编码序列不连续的间断基因，亦即是在其核苷酸序列中间插入了与氨基酸编码无关的DNA 间隔区，使一个基因分隔成若干名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 40 页 - - - - - - - - - 28 个不连续的区段。(2)移动基因 (movable gene) 又叫跳跃基因或转位因子，是指一种可以在染色体基因组上移动，甚至在不同染色体之间、噬菌体及质粒DNA 之间跃迁的DNA 短片段。(3)假基因 (pseudo

49、gene) 有人译伪基因。系指一类同野生型基因序列大部分同源，但由于突变而失去活性的畸变的核苷酸序列。(4)重叠基因 (overlapping gene) 又叫嵌套基因 (nested gene) 。系指核苷酸编码序列彼此重叠的、编码不同蛋白质的两个或多个基因。(5)重复基因 (repeat gene) 在基因组上存在着多个或大量的序列重复的基因，如rRNA 基因、tRNA 基因等。五、基因图 (Gene map)与基因作图 (Gene mapping) 基因图包括遗传图 (Genetic map)和物理图 (physical map)两种。基因图和基因作图， 是遗传子研究中的一种重要技术，它

50、涉及两个内容：其一是描述 (或确定 )被研究的目的基因与染色体之间的联系，也就是说将该基因定位在某条特定染色体上；其二是描述(或测定 )目的基因与其在所在的染色体上的其它基因之间的遗传距离以及它们之间的线性排列顺序列，亦即确定目的基因在染色体上的相对位置。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 28 页，共 40 页 - - - - - - - - - 29 注意： “遗传距离”与“物理距离”两个概念之间的差异。1遗传图 (Genetic map) 根据遗传重组的实验结果绘制

51、的表示同一条染色体DNA 分子上不同基因的排列顺序及其相对距离的线性图，叫做遗传图。遗传图中基因间的距离，即图距单位，以厘摩(cM)表示。*1.遗传距离即图距 (map distance) 可按下述公式求得：图距= 重组体数 100 子代总数Map distance= Number of recombinants 100 Total number of progeny *2.厘摩(centimorgan cM) 遗传图距或是染色体上基因间的距离以摩根单位表示(morgan unit)，1 摩根单位等于 100%的重组率 (交换值 )。1 厘摩(cM)则等于 1%的重组率。人类基因组1cM100

52、0Kb 拟南芥基因组1cM290Kb 蕃茄基因组1cM750Kb 小麦基因组1cM3500Kb 2物理图 (physical map) 以精确的物理长度为单位(通常是脱氧核糖核苷酸的数目)表示沿着染色体或 DNA 分子排列的两个位点之间实际距离和位置的特定图谱叫做物理图。一般说来物理图不涉及基因及性状特征。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 29 页，共 40 页 - - - - - - - - - 30 (1)物理图的类型 (Types of Plysical maps

53、) *1.基因组限制图 (Genomic restriction map) 一般是把基因组限制图简称为限制图(restriction map)：DNA 分子上各种限制性内切酶切割位点的线性排列图。*2.重叠克隆库 (Overlapping clone library) (2)物理图概念演变起始人们定义的物理图是不涉及基因及性状特征的。a. Physical map: A genetic map based on physical characteristics of the DNA, such as restriction sites, rather than on location of g

54、enes (R. F. Weaver and P. W. Hedrick. 1992.) b. Physical map: A map of DNA showing the actual distance in deoxynudeotides between sites. (L. Snyder & W. Champness. 1997.). c. Physical map: is the term used to describe muleculer characterization and localization of DNA sequence along chromosomes, wit

55、hout respect to visible traits or genes (R. A. Meyers, 1995). d. 近来在有些文章或著作中，将其上标记有基因的各种物理图，也称为遗传图，即基因图(Gene map)，虽然其中只有物理图距和所处的位置是已知的。因此任何根据物理方法而非遗传方法定位的、沿着染色体或名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 30 页，共 40 页 - - - - - - - - - 31 DNA 分子排列的目标图谱 (Object map)

56、都可以看作是物理图。既然物理图是由沿着染色体排列的目标位置组成的，于是就可以分为： 细胞遗传图 (Cytogenetic map) ： 用以表示染色体中基因位置的一种基因图。 染色体断裂点图 (Chromosomal break paint map) ： 表示染色体分子上断裂点排列及位置的一种物理图。 基因组限制片段图(Genomic restriction fragment map)： 一种表示沿着染色体基因组DNA 分子线性排列的限制酶识别位点的位置及距离的物理图。 重叠克隆库 (Overlapping clone library)：七、基因座*1.“locus ”是另一个在中文文献中比较

57、容易混淆的概念，这跟这个术语的历史演变过程有一定的关系。在中文有关文献中，有时译成“座位”，有的作者把该术语译成“基因座” ，还有一些作者则把“ locus ”译成“基因座位”等等。*2.在经典的或说是传统的遗传学著作中，是把“locus ” 定义为“基因” ，亦即说是一个给定的基因在一条染色体上所占的位置(The position of a given gene on a chromosome)。所以这个术语亦可叫做“遗传座位” (Genetics locus) ，或者更通常地叫做 “染色体座位” (Chromosomal locus) 。是代表一个染色体上的位置名师资料总结 - - -精品

58、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 31 页，共 40 页 - - - - - - - - - 32 (location)，它可以由基因以外的其它目标(Object)组成。因此很显然，物理图中的位置可以根据许多不同的目标予以确定，例如探针位点、限制酶位点、克隆位点、着丝粒(Centramere)和端粒 (telomere)。*3.近年来有些学者根据其DNA 序列的性质不甚清楚的新的遗传记号来确定遗传座位，这就使得“locus ”这个术语的概念变得更加混淆。*4.现在一般接受的染色体座位(chromo

59、somal locus) 的定义是：能够用某种特殊的方法确定的任何一个染色体位置，或者说是染色体中的一个区段，都可以叫做(称为)染色体座位。基因座 (locus) 的定义是：在一条染色体或DNA 分子上，相当于一个基因抑或一种物理表型特征的位置(A location on a chromosome or DNA molecule corresponding to a gene or a physical or phenotypic fcature) 。八、基因扩增 (Gene amplification) 基因扩增与基因增加 (Gene adition)是两种容易混淆但却是不同的概念。为此在阐

60、明基因扩增概念之前，需对基因增加及基因减少(Gene subtraction) 两种概念作一简介。1基因增加它是通过将一种或数种或一群外源新基因导入受体细胞，使基因类型增加，用以观察并研究其功能作用的一种基因工程策略。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 32 页，共 40 页 - - - - - - - - - 33 2基因减少这是通过使生物个体中一种或数种基因失活的途径，来研究其功能效应的一种基因工程策略。3基因扩增基因扩增与“基因增加”及“基因减少”不同，它是原来基因

61、拷贝数增多的过程，包括如下5 种不同的情况：*1.在体外，应用聚合酶链式反应技术(PCR) 和适当的引物使特定的基因的拷贝数得以增加的过程(PCR 反应的结果 )；*2.将外源基因克隆在高拷贝的质粒载体分子上，于是在体内的情况下，该基因的拷贝数也就变得相应地富裕起来；*3.一些外界环境的压力因素可以使真核细胞产生适应性效应，从而导致相应的保卫基因(Protective genes) 发生明显的扩增。这种情况可以在染色体上发生，也可以在染色体外产生。例如使用高剂量的氨甲蝶呤这种药物， 便可使二氢叶酸还原酶 (DHFR)基因得到扩增。因为这种基因的产物是氨甲蝶呤的作用靶子。*4.程序基因扩增 (P

62、rogrammed gene amplipication) 例如在 Xenopus laevis 非洲爪蟾卵子发生过程中的rRNA 基因。这种程序基因扩增有时被真核细胞用来作为在特定发育阶段产生高水平基因产物的一种手段。*5.在生物的进化过程中发生基因的加倍和扩增，结果使相同的基因在基因组上聚集成丛(clusters) 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 33 页，共 40 页 - - - - - - - - - 34 九、基因表达1正义链与反义链在讨论基因表达的问题时

63、， 需要弄清什么是DNA 的正义链和反义链(Sense strand and antisense strand)? *1.关于双链 DNA 分子中正义链与反义链的划分，文献中有两种不同的意见。在早期文献中，将双链 DNA 分子中转录成 mRNA分子的模板链，称为正义链(有意义链 )，而与有意义链互补的DNA 链则叫做反义链 (无意义链 )。至今仍有许多作者沿用这样的定义。*2.现在一般认为双链DNA 分子中被转录成RNA 转录本的链，叫做模板链 (templete strand)，又叫做反义链 (antisense strand) ，简称(-)链；而双链 DNA 分子中的编码链 (Coding

64、 strand)，除了以下 T 碱基取代 U 碱基之外，与 RNA 转录本具有同样的序列结构。编码链又叫做有意义链，简称(+)链或正义链。2基因表达定义基因通过 DNA 的转录和 RNA 的转译等过程，将其所携带的遗传信息转变成蛋白质 (或 RNA 转录本 )的过程，叫做基因表达。对有些基因，例如tRNA 基因和 rRNA 基因，它们的最终表达产物是 RNA 转录本而不产生蛋白质， 这些分子本身就具有重要的生物学功能；而对于大部分的其它基因，它们的转录本还要被转译成蛋白质，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心

65、整理 - - - - - - - 第 34 页，共 40 页 - - - - - - - - - 35 才能表现出相应的功能作用。3基因表达的过程储藏在基因中的遗传信息的表达分成转录和转译两个步骤：*1.转录(transcription)： 模板 DNA ， 即 DNA 模板链被拷贝成RNA分子的过程，叫做转录，又叫做RNA 的分子合成；*2.转译(translation)：mRNA 分子合成蛋白质的过程叫做转译，又叫做蛋白质合成；包含在 mRNA 分子中以核苷酸形式排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽链中氨基酸顺序的生化过程，叫做转译或蛋白质合成；4基因表达的时空特异性高等真核生物一般具有105

66、种左右不同的基因，但在一定的时间、一定的发育阶段，单个细胞或个体中都仅有15%的基因得到表达，产生约 15000 种不同的 mRNA 分子。由此可见基因表达具有时空特异性。(1)真核基因表达的时间特异性有些基因只能在生物个体发育的某个特定的阶段，即某一特定的发育时间中表达。基因表达的这种特性叫做基因表达的时间特异性，或叫做基因表达的发育阶段特异性；(2)真核基因表达的组织特异性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 35 页，共 40 页 - - - - - - - - -

67、36 某些真核基因只能在特异的组织中表达，例如肝组织、根组织等，这种基因表达特性，叫做基因表达的组织特异性，或者说是空间表达特异性。5基因表达活性的调控*1.遗传信息从DNARNA蛋白质的过程，在所有的细胞类型中都是受到高度调节的，同时在有些情况下也是严格协调的。基因表达的此类控制，保证了细胞不会浪费不必要的能量去合成基因产物，除非这种产物是细胞所必需的。*2.因此在生物体的发育过程中，一种基因的表达活性能够被局限在某个发育阶段或瞬间，或者只是在一定类型的细胞中，拟或是在某种外界因子的刺激下才需要这种基因表达，也有可能是在所有时间全部细胞类型中都进行表达：细胞特异性表达；发育阶段特异性表达；诱

68、导型表达；组成型表达。*3.基因表达的调节类型包括转录调节和转译调节两大类型，但一般认为转录水平的调节是基因表达的主要调节类型。十、基因克隆 (Gene cloning) 1克隆的概念(1)克隆的词义名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 36 页，共 40 页 - - - - - - - - - 37 在中文中，“克隆”一词兼具名词、动词和形容词三种不同的词义。*1.“克隆”一词作为名词使用时，是指从同一个共同祖先无性繁殖下来的一群遗传上同一的DNA 分子、细胞或个体组成的

69、特殊的生命群体；*2.“克隆”一词作动词使用时，则是指从同一祖先经无性繁殖产生这类遗传上同一的DNA 分子、细胞群体或个体群体的过程(生命过程 )；*3.在中文中“克隆” 一词还可作为形容词使用， 如克隆羊 (cloned sheep) 。(2)名词克隆的含义作为名词，“克隆”一词使用得比较广泛，具体地说包括如下三个方面不同的内容：a. 在胚胎学、免疫学以及细胞生物学等学科中，克隆一词是指从同一个祖先细胞分裂而来的一群遗传上同一的细胞群体；b. 具有相同基因型的同一物种的两个或多个个体，亦可用克隆表示。因此从同一个受精卵分裂而来的单卵双生子(monozygotic twins) ，便是属于同一

70、克隆；c. 在分子生物学中，带有一段插入DNA 序列的独特的寄主 /载体单位 (例如细胞寄主中的重组质粒载体)亦叫做克隆。2基因克隆 (Gene cloning) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 37 页，共 40 页 - - - - - - - - - 38 (1)基因克隆与 DNA 克隆*a.基因克隆现在一般称为DNA 克隆(DNA cloning)，它是指将外源 DNA 片段插入到克隆载体形成重组的DNA 群体，并转化到寄主细胞进行复制繁殖，以便从大分子的DNA

71、 或DNA 片段混合物中纯化并分离出特定的DNA 片段的实验操作过程，叫做 DNA 克隆。*b.基因克隆与 DNA 克隆的差别DNA 克隆这个名词过去叫做基因克隆，实质上两者在概念上还是有一定差别的。因为在DNA 克隆中插入的DNA 片段大多数是不含有基因编码序列的，或是不含有完整的基因编码序列的。基因克隆的实质是指应用类似于DNA 克隆的技术， 分离纯化含有目的基因的DNA 片段的实验操作过程。*c.严格地说，基因克隆应该叫做DNA 克隆，因为被克隆的是基因组的全部 (理论上 )的 DNA 片段，但并不是所有的DNA片段都编码有基因。(2)基因克隆的主要方法a. 互补作用基因克隆；b. cD

72、NA 克隆；c. 基因组 DNA 克隆；d. 基因定位克隆。(3)基因克隆与基因分离要注意基因克隆与基因分离两者之间的差别，完成了基因的克名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 38 页，共 40 页 - - - - - - - - - 39 隆并不等于完成了基因的分离。尽管两者之间存在着密切的关系。在日常口语中，甚至有关文件中，把“基因克隆”与“基因分离”等同使用是不妥当的！十一、基因工程定义1有关基因工程的名词术语遗传工程 (Genetic engineering) 基因

73、工程 (Gene engineering) 基因操作 (Gene manipulation) 重组 DNA 技术(Recombinant DNA technique) 基因克隆 (Gene cloning) 分子克隆 (Molecular cloning) 以上这些术语所代表的具体内容都是彼此相关的，在许多场合被混同使用，很难作出严格的区分。 从某种意义上讲， 它们之间的差别，只是各自考虑的角度和强调的侧重点不同罢了。2 “遗传工程”和“基因工程”这两个术语的差别将“遗传工程”和“基因工程”这两个术语不加区分地使用，甚至认为两者完全等同的认识是不准确的。严格地，遗传工程是指以改变生物有机体性状

74、特征为目标的遗传信息量的操作 (the manipulation of the information content) ，它既包括常规的选择育种， 也包括相对复杂的基因克隆等不同技术层次。因此，遗传工程虽然包括了基因工程的内容，但它所涉及的内容却比基名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 39 页，共 40 页 - - - - - - - - - 40 因工程要广泛得多，两者之间是有差别。3基因工程定义在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子， 构建遗传物质重组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定地繁殖。4基因工程的主要内容(1) 目的基因或含有目的基因的DNA 片段的分离(2) 体外 DNA 的重组 (载体分子 +DNA 片段+标记基因 ) (3) 转化(体外重组 DNA 对寄主细胞的转化 ) (4) 重组体克隆的筛选(5) 重组克隆中的目的基因的鉴定(6) 目的基因的功能鉴定名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 40 页，共 40 页 - - - - - - - - -