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第一节 基因的概念
作者:农学院    文章来源:浙江大学精品课程网    点击数:2420    更新时间:2007/7/5
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  一、基因的概念及其发展:

  ㈠、经典遗传学关于基因的概念:
  ①.孟德尔:把控制性状的因子称为遗传因子。如:豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。
  ②.约翰生:提出基因(gene) 取代遗传因子。
  ③.摩尔根:对果蝇、玉米等的大量遗传研究,建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。
  基因是化学实体,以念珠状直线排列在染色体上。
  基因共性(按照经典遗传学关于基因的概念):
  * 基因具有染色体的主要特性:自我复制和相对稳定性,在分裂时有规律地进行分配。
  * 交换单位:基因间能进重组,而且是交换的最小单位。
  * 突变单位:一个基因能突变为另一个基因。
  * 功能单位:控制有机体的性状。
   经典遗传学认为:基因是一个最小的单位,不能分割;既是结构单位,又是功能单位。

  ㈡、分子遗传学关于基因的概念:
  ⑴.揭示遗传密码的秘密:基因具体物质。
  一个基因DNA分子上一定区段,携带有特殊遗传信息转录成RNA翻译成多肽链,或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、操纵基因)。
  ⑵.基因不是最小遗传单位更复杂的遗传和变异单位:
  例如:在一个基因区域内,仍可以划分出若干起作用的小单位。
  ⑶. 现代遗传学上认为:
  ①.突变子(muton):性状突变时产生突变的最小单位。
   一个突变子可以小到只有一个碱基对;如移码突变。
  ②.重组子(recon):性状重组时,可交换的最小单位。
   一个交换子可以只包含一个碱基对。
  ③.顺反子(cistron):表示一个作用的单位,基本符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链合成相对应;平均为500-1500个碱基对。
  ⑷.基因概念:
  ①.可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链;
  ②.功能上被顺反测验或互补测验所规定。分子遗传学保留功能单位的解释,而抛弃最小结构单位说法。
  基因:相当于一个顺反子,包含许多突变子和重组子。

  ㈢、分子遗传学对基因概念的新发展:
  ⑴.结构基因(structural gene):指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。

蛋白质的一段DNA序列
蛋白质的一段DNA序列

  ⑵.调控基因(regulator gene):指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。

调控基因

  ⑶.重叠基因(overlapping gene):
  指在同一段DNA顺序上,由于阅读框架不同或终止早晚不同,同时编码两个以上基因的现象。


  ⑷.隔裂基因(split gene):
  指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。
  内含子(intron):DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段;
  外显子(extron):DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。

隔裂基因

  ⑸.跳跃基因(jumping gene):
  即转座因子,指染色体组上可以转移的基因。
  实质:能够转移位置的DNA片断。
  功能:在同一染色体内或不同染色体之间移动引起插入突变、DNA结构变异(如重复、缺失、畸变)通过表现型变异得到鉴别。
  遗传工程:转座子标签法。
玉米转座子

玉米转座子系统

  金鱼草转座子系统:
  金鱼草中最少含有四种转座子(Tam),含有12或13bp的插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和Tam3转座子分别为15kb、5kb和3.6kb长度。
  Tam转座子用于控制花的生物合成基因研究。
  突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。

  ⑹. 假基因(pseudogene):
  同已知的基因相似,处于不同的位点,因缺失或突变而不能转录或翻译,是没有功能的基因。
  真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。

假基因

  二、基因的微细结构:

  ㈠、互补作用:
  设有两个独立起源的隐性突变,具有类似的表现型。
  判断是属于同一个基因突变,还是属于两个基因突变?
  即判断是否属于等位基因?
  ①.建立双突变杂合二倍体;
  ②.测定突变间有无互补作用。

  1.无互补作用:
  则个体表现为突变型,突变来自同一个基因,只能产生突变的mRNA形成突变酶和个体,显示突变的表现型。

无互补作用

  2.有互补作用:
  突变来自不同的基因,则每个突变的相对位点上都有一个正常野生型基因,最终可产生正常mRNA,其个体表现型为野生型。

互补作用

  3.互补测验(顺反测验):根据功能确定等位基因的测验。
  顺反测验:根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因(顺反子)。
  顺式排列为对照(是两个突变座位位于同一条染色体上),其表现型野生型。
  实质上是进行反式测验(反式排列:是两个突变座位位于不同的染色体上)。
  ① 反式排列为野生型:突变分属于两个基因位点;
  ② 反式排列为突变型:突变分属于同一基因位点。
  本泽尔:提出顺反子,表示功能的最小单位和顺反的位置效应。

顺反子

  ㈡、基因的微细结构:
  本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术分析T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构。
  ⑴.原理:
  r+ 野生型T4噬菌体:侵染E.coli B株和K12株;
  rⅡ突变型T4噬菌体:只侵染B株,不能侵染K12(λ)株。
  利用上述特点:
  让两个rⅡ突变型杂交侵染K12(λ)株,选择重组体r+计算出两个r+突变座位间的重组频率。

T4噬菌体
  ⑵.方法:
  两种rⅡ突变类型:rx、ry
      r+rx  ×  ryr+
          ↓混合感染
        E.coli B株
         接种
         
      B株     K12(λ)株
        计数  
   r+ry、rxr+    r+r+
   r+r+、rxry   仅生长一
   四种基因型    种重组型
    均能生长
两种rⅡ突变类型

  ⑶.结果:
  ①.重组值计算:rxry的数量与r+r+ 相同,计算时r+r+ 噬菌体数×2。

  可以获得小到0.001%,即十万分之一的重组值。
  利用大量rⅡ区内二点杂交结果,绘制出rⅡ区座位间微细的遗传图:

  ②. rⅡ突变体类型: rⅡA、 rⅡB:
  两个rⅡA突变体混合K12无噬菌体繁殖
  两个rⅡB突变体混合K12无噬菌体繁殖
  rⅡA + rⅡB突变体K12噬菌体繁殖
   rⅡA与rⅡB区段可以互补,分属于不同基因座位。

rⅡ突变体
rⅡ突变体
rⅡ突变体
  三、顺式与反式调控:

  1. 顺式调控:
  如基因启动子发生突变,使调控蛋白不能识别启动子结构,基因不能表达,这种只影响基因本身表达、不影响其它等位基因调控的突变称顺式调控。

  2. 反式调控:
  调控蛋白发生突变,不能与这个基因的启动子结合,将可影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点表达这种突变称为反式调控。

顺式与反式调控
  四、基因的作用与性状的表现:

基因的作用

   1.结构蛋白:
  基因变异直接影响蛋白质特性,表现出不同遗传性状。
  例如人的镰形红血球贫血症。
  红血球碟形  HbA
         突变
         
     HbS      HbC
       红血球镰刀形
  血红蛋白分子有四条多肽链:
  两条α链(141个氨基酸/条);
  两条β链(146个氨基酸/条)。
  HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异在于β链上第6位上氨基酸:
  HbA第6位为谷氨酸(GAA、GAG);
  HbS第6位为缬氨酸(GUA、GUG);
  HbC第6位为赖氨酸(AAA、AAG)。

  产生贫血症的原因:
  单个碱基的突变引起氨基酸的改变导致蛋白质性质发生变化,直接产生性状变化。
  正常碟形红血球转变为镰刀形红血球缺氧时表现贫血症。

红血球贫血症

四条多肽链


贫血症的原因

  2. 酶蛋白:
  例如:豌豆
  圆粒(RR) × 皱粒(rr)F1 圆粒(Rr)F21/4皱粒。

豌豆酶蛋白

基因
产生多肽,有表型;
产生tRNA、rRNA,无表型;
不转录mRNA,但对其它基因起调控作用。

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