基因的概念及结构.ppt

基因的概念和结构 复等位基因 multiplealleles 顺反子 cistron 超基因 supergene 假基因 pseudogene 断裂基因和重叠基因可动基因 mobilegene 染色体外基因 第一节基因的概念与发展 一 发展历程1 1865年Mendel 遗传因子最初由孟德尔的杂交试验提出 遗传因子 此时为一逻辑推理产物 是一种与生物状状相应的符号 无实质内容 2 1909年丹麦Johanssen 基因 3 1910年 40年代Morgan等认为基因是三合一体 即基因既是一个功能单位 也是一个突变单位和一个交换单位 摩尔根通过对果绳的研究 阐明了连锁交换规律和伴性遗传 并进一步推理出基因在染色体上呈直线排列 基因是一种化学实体并决定性状 基因是突变和重组的最小单位 4 1944年Avery首次证实基因是由DNA构成 及1953年DNA双螺旋模型的提出 人们认为基因是具有一定遗传效应的DNA片段5 1944年Beadle研究脉胞菌突变 提出一基因一酶学说 后来研究血红蛋白时发现蛋白质可由不同肽链组成 而突变只影响一条肽链 提出了一基因一多肽学说 6 1955年 Benzer通过顺反互补实验发现一个基因内部的许多位点上可以发生突变 并且可能在这些位点间发生交换 说明一个基因并不是一个突变单位和一个交换单位7 60年代 Jacod和Monod研究细菌基因调控时发现基因是可分的 功能上是有差别的 结构基因 决定合成某种蛋白质调节基因 编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因 无翻译产物的基因8 新的发现 断裂基因 重叠基因 跳跃基因 基因是实体 它的物质基础是DNA 或RNA 基因是具有一定遗传效应的DNA分子中的特定核苷酸序列 基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据基因是可分的 基因的分子生物学定义 基因是编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷序列 包含 编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列 转录所必须的调控元件 编码区上游的非编码序列 内含子 编码区下游的非编码序列 基因结构 基因的不同类型 结构基因 为蛋白质或RNA编码的基因 其产物为酶促反应的有关的功细胞组分 它不影响其它基因的表达调节基因 不编码RNA或蛋白质的基因 其主要作用是调节其它基因的表达 功能性基因 基因家族中 仍然为蛋白质或RNA编码的家族成员称假基因 Pseudogene 基因家族中已不为蛋白质或RNA编码的家族成员 第二节复等位基因 multiplealleles 复等位基因 一个群体中 一对同源染色体的同一基因座上存在着2个以上的等位基因 这就是复等位基因 multiplegene 复等位基因是生物遗传多态性在遗传上的直接原因 复等位基因间的互作效应 互补基因 某性状只有在二个以上的非等位基因共存时才会表现出来 这种由于互相补充而使一个性状得以表现的非等位基因 称为互补基因抑制基因 某一突变基因的表型效应由于第二个突变基因的出现而恢复正常时 称后一突变基因为前者的抑制基因 相关概念 上位效应 一对显性基因的表现受到另一对非等位基因的作用 这种非等位基因间的抑制或遮掩作用叫上位效应 起抑制作用的基因称为上位基因 被抑制的基因称为下位基因 一个2倍体细胞最多只能有复等位基因的2个拷贝2个等位基因 可以组成3种基因型3个等位基因 可以组成6种基因型4个等位基因 可以组成10种基因型n个等位基因 可以组成n n n 1 2种基因型其中纯合体为n个 杂合体为n n 1 2个 第三节顺反子 cistron 早期的基因概念 基因是一个功能单位 重组单位 突变单位 三位一体 发展的基因概念 基因是一个功能单位 基因内部可突变和重组 一个基因就是一个顺反子 基因的顺式和反式排列 顺反子概念的提出 1955年 S Benzer通过对T4噬菌体精细结构的研究提出了顺反子 Cistron 突变子 muton 和重组子 recon 的概念顺反子 编码一种多肽链的核苷酸序列 是一个功能单位突变子和重组子均为一核苷酸对 顺反子学说否定了一个基因一个酶的假说单顺反子是真核基因的转录形式 一个启动子后仅具有一个编码序列 多顺反子出现于原核生物 即若干个基因由一个启动子控制 转录在一条mRNA上 Fig15 10Thearrangementofgeneticmarkersincisandtransheterozygotes 2003JohnWileyandSonsPublishers 两个相邻的等位基因 基因型均为m1 m2 但是在染色体上的排列方式不一样 因而表型也不相同 Fig15 11Thecis transpositioneffectobservedbyEdwardLewiswiththeaprandwmutationsofDrosophila apr 杏色眼w 白色眼 顺式排列表现为红色 反式排列表现为杏色 如何判断突变是在一个顺反子内还是2个不同的非等位基因 a1a1xa2a2突变型突变型a1a2突变型突变型野生型如果F1代是突变型 说明a1 a2位于同一顺反子的不同位点 如果F1代是野生型 说明a1 a2是两个非等位基因 顺反子 是一个遗传单位 一个顺反子决定一个多肽链突变子 是DNA中构成基因的一个或若干个核苷酸重组子 重组子代表一个空间单位 它有起点和终点 可以是若干个密码子的重组 也可以是单个核苷酸的互换 顺反子进一步发展了基因的概念 第四节操纵子 Operon 由操纵基因操纵的几个结构基因连锁在一起 由一个启动子转录成为一个mRNA分子 然后翻译成为几种蛋白质 这样的结构称为一个操纵子乳糖操纵子 包括3个结构基因 半乳糖苷酶 乳糖透性酶 乙酰化酶 2020 3 4 26 1 操纵子的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖 乳糖 麦芽糖 阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖当培养基中含有葡萄糖和乳糖时 细菌优先利用葡萄糖当葡萄糖耗尽 细菌停止生长 经过短时间的适应 就能利用乳糖 细菌继续呈指数式繁殖增长 2020 3 4 27 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶 促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶 lactosepermease 和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶 galactosidase 2020 3 4 28 在环境中没有乳糖时 大肠杆菌合成 半乳糖苷酶量极少 加入乳糖2 3分钟后 细菌大量合成 半乳糖苷酶 其量可提高千倍以上二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前 也能测出细菌中 半乳糖苷酶活性显著增高这种诱导现象 法国的Jocob和Monod等人通过研究 于1961年提出乳糖操纵子 lacoperon 学说 编码阻碍基因的I位点启动子区域P位点操纵基因O位点三个结构基因 ZYA 当乳糖缺乏是 I基因表达阻遏物 阻碍物与操纵基因结合 启动子的活性收到阻碍 ZYA基因转录起始受到抑制在乳糖存在是 乳糖与阻遏物结合 改变阻遏物构象使之不能与操纵基因结合因此起始ZYA基因的合成 Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator additionofinducerreleasestherepressor andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription 第五节超基因 超基因 supergene 是指作用于一种性状或作用于一系列相关性状的几个紧密连锁的基因基因家族 真核生物中由同一祖先基因在进化过程中经突变 重复和倒位等演变而成的具有相同或相似作用的所有基因 称基因家族 血红蛋白超基因 超基因家族或成员可位于同一染色体上或不同染色体上如脊椎动物的血红蛋白基因 为四聚体 由两条a链和两条 链组成 在不同发育阶段血红蛋白的组成不同发育阶段血红蛋白的组成胚胎期 8周 2 2 2 2 2 2胎儿期 3 9月 2 2成人期 出生后 2 2 2 2 类 基因包括 1 2 类 基因包括 Gr Ar 类 和类 基因在染色体上 紧密连锁 呈直线排列 形成一个超基因 GrAr 基因簇 指基因家族的成员以串联重复方式排列在一起或不同家族的成员构成一重复单位 以串联重复方式排列在一起 原核 5SRNA 16SRNA 23SRNA真核 5 8SRNA 18SRNA 28SRNAtRNA簇 假基因 pseudogene 在基因家族中与功能基因相似的序列 但有许多突变以致于失去了原有的功能 假基因是没有功能的基因 在爪蟾5S基因 珠蛋白基因簇 免疫球蛋白基因簇及组织相容性抗原基因簇中都发现有假基因 第六节真核生物的断裂基因 断裂基因的发现1977年Flavell和Jeffreys兔球蛋白基因cDNA与DNA杂交实验同年Chambon鸡卵清蛋白的杂交实验真核生物的基因是断裂的 基因的不连续性 在1977年以前 都认为基因是一种为蛋白质编码的连续的核苷酸序列 因为当时对基因的研究都是从原核生物开始的 而在原核基因中很少有基因是间断的后来在对真核生物基因进行研究时经常发现 真核基因比其相应的mRNA长得多 开始以为基因的一端或两端存在一些不转录的序列但从核RNA hnRNA 和mRNA的大小进行比较发现 核RNA比相应的mRNA长 而与真核基因的大小相似 因此有一部分序列在初始转录中存在 而在mRNA从核转运到胞质之前被除去了真核基因中存在着一些可能被转录但不为蛋白质或多肽编码的序列 真核基因是间断的 随着对真核基因的深入研究 现已发现 绝大多数真核基因都是间断的 包括外显子 exon 和内含子 intron 两个大的部分 基因的可变剪切 黑腹果蝇tra基因果蝇的dsx基因肌钙蛋白T基因基因的可变剪切现象在真核生物中普遍存在 同一DNA序列可编码多种蛋白质利用不同的启动子 有时基因不止一个启动子 或启动子中的不同成分可独立起始转录 只是效率不同 因此可转录产生不同的mRNA利用不同的终止子 与启动子的情况类似改变拼接方式 将不同的外显子拼接在一起 可产生不同mRNA 抗原 抗体 可变剪接的意义 promoterexon1exon2exon3exon4exon5terminatorA 利用不同的启动子 例 鸡的强心肌和砂囊肌 B 利用不同的终止子 鼠降钙素基因 C 改变拼接方式 例鼠鸡钙蛋白T 123451235 第七节重叠基因 overlappinggene 1973年Weiner研究RNA病毒时的发现1977年Sanger研究 X174Phage时发现5387bp的基因组 编码的蛋白质比预期要多重叠基因概念 基因转录起始点不同 但是共用同一段DNA序列或几个核苷酸的不同基因除了RNA病毒和噬菌体 SV40病毒中也有重叠基因 原核生物重叠基因的类型 一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个基因的核酸序列当中 只是由于读码框不同而编码不同蛋白质两个基因核酸序列末端密码子相互重叠 例如终止密码TGA与起始密码ATG重叠某些核苷酸区段重叠 真核生物也有重叠基因 果蝇 人 秀丽新小杆线虫中都有发现一个基因的编码序列完全寓居于另一个基因的内含子当中套嵌基因 一个基因的互补链编码另外一个基因 第八节可动基因 mobilegene 可动基因的概念 在染色体体上的位置是可以移动的基因被称为可移动基因 也可以称为转座元件或转座因子 Transposableelement 易位 染色体发生断裂 然后通过断裂末端的重接 使染色体断片连接在同一条染色体的新位置 或是连接转移到另一条染色体上 此时 染色体断片上的基因也随着染色体的重接而移动到新的位置转座 在转座酶的作用下 转座子直接从原来位置切离下来 插入染色体的新位置 或者从自身的DNA序列转录出RNA RNA逆转录产生cDNA再插入染色体上新的位置 转座同易位的概念区别 McClintock的贡献 原始发现 1951年 McClintockB 在基因组中发现可以移动的基因 1984年获诺贝尔奖玉米粒颜色的遗传 正常 有色 有色异常 有色 色斑有色 无色 1932年 美国遗传学家B McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象 1951年首次提出转座子的概念 认为在基因组的不同区域存在可移动的控制因子 controllingelement 1983年获诺贝尔奖 玉米色粒调控元件Ac Ds系统第9染色体短臂 有色基因C附近C基因 色素合成基因 Ac基因 自主移动的调节因子 4 5kb5个exon 编码转座酶Ds基因 非自主移动的受体因子0 5 4 0kb 与Ac有同源序列插入引起色素不能合成 玉米的转座因子 可动基因 mobilegene 玉米粒颜色的遗传 C基因决定有色 CAc有色CDsAc花斑CDs无色 Ac与Ds因子的结构 Ac因子 4 563kb 有5个外显子 产物是转座酶 两端有11个bp的反向重复序列5 CAGGGATGAAA TTTCATCCCTG3 3 GTCCCTACTTT AAAGTAGGGAC5 Ds因子 解离因子 与Ac序列具有很大的相似性 但是中间缺失序列 有0 5 4 0kb 两端有11个bp的反向重复序列 在插入位点上有6 8bp的正向重复序列 Ac与Ds因子的转座机制 Ac与Ds因子的转座属于非复制机制 即不是先进行拷贝后将拷贝转移 而是直接从原位置消失 转座作用的机制 转座时发生的插入作用有一个普遍的特征 那就是受体分子中有一段很短的 3 12bp 被称为靶序列的DNA会被复制 使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间转座酶交错切开靶位点 插入序列插入与宿主的单链末端相连接 余下缺口由DNA聚合酶和连接酶填补 插入的两端形成正向重复 转座引起的遗传效应 插入突变插入失活插入带来新的基因非精确解离形成突变 缺失 重复 到位 插入激活 第九节染色体外基因 染色体外基因 extrachromosomalgene 在真核和原核生物细胞中有一些位于染色体外的基因叫染色体外基因 一 质粒 plasmid 细菌中除了染色体外 还有大量的小环状分子 就是质粒 plasmid 质粒上有抗生素基因 二 线粒体基因组 线粒体是真核细胞中的细胞器 每个细胞中含有几十至数千个线粒体 每个线粒体有多个线粒体基因组拷贝线粒体是非孟德尔式遗传 在高等生物中具有母性遗传的特征 线粒体基因组变化很大 可相差两个数量级 动物细胞的线粒体基因组较小 在人类 老鼠 牛等细胞中约为16 5kb 酵母线粒体基因组较大 但在不同菌株亦有变化 酿酒酵母约为84kb 每一细胞约有22个线粒体每一线粒体约有4个拷贝DNA 但在生长的细胞中有很大变化 第七节基因的相互作用 互补基因 conplementarygenes 修饰基因 modifiers 上位效应 epistasis 基因的相互作用 互补基因 complementarygenes 不同对基因相互作用 出现了新的性状 这两个基因称为互补基因 鸡冠的遗传 玫瑰冠X豌豆冠RRpprrPP胡桃冠RrPp胡桃冠玫瑰冠豌豆冠单冠R P R pprrP rrpp9 3 3 1 Fig4 13Combshapesinchickensofdifferentbreeds a 玫瑰冠b 豌豆冠c 胡桃冠d 单冠 修饰基因 modifiers 调控其它基因表达的基因 欧州白茧X黄茧IIyyiiYY白蚕茧IiYy白茧白蚕白茧黄茧I Y I yyiiyyiiY 931313 3 白蚕茧 上位效应 epistasis 某对等位基因的表现 受到另一对等位基因的影响 这种现象称上位效应 隐性上位 一对纯合隐性基因决定了另一对非等位基因表现的现象 兔子毛色遗传 灰色X白色CCGGccgg灰色CcGg灰色黑色白色白色C G C ggccG ccgg934 上位效应 epistasis 显性上位 显性基因决定了另一对非等位基因表现的现象燕麦穎壳颜色遗传 黑色X黄色BByybbYY黑色BbYy黑色黑色黄色白色B Y B yybbY bbyy933112 3 1 染色体与细胞质共作用 核基因与细胞质基因共同作用 杂交育种 不育系 S rr 保持系 N rr 恢复系 N RR 雌 不育系X保持系 雌 不育系X恢复系S rr N rr S rr N RR 不育系杂种一代S rr S Rr 母性影响 椎实螺 limnaea 左旋和右旋尖头向上 面对螺口左旋 开口在左边dd右旋 开口在右边DD 雌 右X左 雌 左X右 DDddddDD右Dd左DdDDDdddDDDddd右右右右右右右右左右右左 谢谢大家