第五章 基因概念的发现

第一讲：三位一体的基因概念

一、三位一体的基因概念

• 基因确切存在
• 基因呈线状排列在染色体上
• 基因决定某一特定性状
• 基因可以突变
• 基因可交换

三位一体：

• 基因是功能单位
• 基因是突变单位
• 基因是重组单位

二、基因在染色体上的证据

• 染色体在有丝分裂中的行为
• 染色体在减数分裂中的行为
• 白眼性状伴性遗传
• 染色体不分离现象

 

第二讲：三位一体基因概念的修正

一、基因是突变单位的修正

• 利用不同突变纯合子杂交得到杂合子一代，根据子一代表型是突变型还是野生型来判断不同突变是否属于同一基因的实验方法。
• 一个基因的内部可能有多种突变形式，基因并非突变的单位。

二、基因是重组单位的修正

• 基因内部在不同碱基之间发生交换，产生少量重组类型的配子。
• 基因并非重组的单位

1、同点等位基因（homoallele）：在同一个基因内部的相同位点或重叠位点的不同突变基因，同点等位基因之间既不能互补也不能重组。

2、异点等位基因（heteroallele）：在同一个基因内部的不同位点的不同突变基因，异点等位基因之间不能互补，但可以重组。

三、基因是功能单位的修正

• 一个基因突变可以对应于一种物质合成障碍
• 一个基因一个酶
• 一个基因一条多态

蛋白质与多肽的联系和区别

• 结构上：
• 多肽：多个氨基酸脱水缩合形成的线性氨基酸链。
• 蛋白子：可能只具有一条多肽链，也可能是由多条多肽链构成。
• 功能上：
• 多肽：有些具有生物活性，有些不具有生物活性
• 蛋白质：都具有生物活性

1、原核基因的结构

• 原核基因包括调控序列和结构序列两部分
• 调控序列参与转录和翻译的调控，结构序列被转录成mRNA，同时被翻译成相应多肽

2、真核基因的结构

• 真核基因包括调控序列和结构序列两部分
• 外显子和内含子
• 5‘非翻译区和3’非翻译区

 

第三讲：基因是可调控的

一、操纵子的基因结构与调控机制

诱导：induction

可诱导基因：inducible gene

1、乳糖操纵子

操纵子（operon）：包括结构基因、操纵基因以及结构基因的启动子在内的整个连续的DNA结构单元称之为操纵子

调节基因IacI：编码阻遏基因，与IacO结合，阻止表达

2、乳糖操纵子的调控机制：

• 环境中无乳糖
• IacI编码的的阻遏蛋白能够与操纵基因结合
• 阻断RNA聚合酶在启动子上的移动
• 导致非常低水平的基因转录

 

• 环境中添加乳糖
• 乳糖变异为异乳糖
• 异乳糖与阻遏蛋白结合，改变构型，使得阻遏蛋白失去与操纵子基因结合的能力
• RNA聚合酶转录下游结构基因，开启转录

3、色氨酸操纵子

操纵子模型是基因表达的一种负调控机制——调节基因的表达是关闭结构基因表达所必需的

诱导操纵子：游离的阻遏蛋白是由活性的，可以直接结合操纵基因，关闭基因表达，如乳糖操纵子

抑制操纵子：游离的阻遏蛋白是没有活性的，只有在与共抑制物结合形成复合物的情况下，才能与操纵子结合，关闭基因表达，如色氨酸操纵子。

 

4、代谢抑制

• 代谢抑制（catabolite repression）：指的是葡萄糖的存在可抑制其他碳源利用的操纵子的诱导
• 代谢抑制是基因表达的一种正调节机制——调节基因的表达是打开结构基因表达所必需的

 

5、知识小结：

• 负调控机制（操纵子）和正调控机制（代谢抑制）。
• 原核生物可以根据环境变化开启或关闭特定基因的转录
• 真核基因的表达调控更加复杂和精密

第四讲：基因是割裂的

一、割裂基因的发现

实验：腺病毒基因组DNA与Hexon的mRNA进行杂交，电镜观察。

现象：基因组片段可以和mRNA形成杂合双链，但在杂合双链的内部溢出3个单链DNA环

结论：Hexon基因内部出现断裂，一些序列在mRNA中被删除

割裂基因：真核生物基因的编码序列在染色体上不是连续排列的，而是被内含子间隔开，因此真核生物的基因被称为割裂基因

内含子：指的是成熟的mRNA中不出现的基因序列

外显子：是在成熟的mRNA中出现的基因序列

二、RNA剪接与可变剪接

RNA剪接（RNA splicing）：从mRNA初始转录产物中去除内含子的过程

剪接复合体（splicesome）：mRNA的剪接依赖于特定的RNA-蛋白质复合物，即为剪接复合体

可变剪接（alternative splicing）指的是一个前体mRNA在不同的剪接方式下产生不同mRNA剪接变异体的现象

剪接变异体：又称可变剪接体，有mRNA转录得到的，mRNA包含若干外显子，经过剪接组合成不同长度的mRNA，翻译成不同长度蛋白质，这种由同一基因不同外显子组成的序列就是可变剪接体。

三、割裂基因的生物学意义

• 基因的表达调控
• 基因组的遗传信息
• 基因的进化

四、知识小结

1、绝大多数真核基因是割裂的。初始转录产物经过剪接加工后，外显子被保留在成熟的mRNA中，内含子被剪切。

2、割裂基因的内含子序列内蕴含了遗传信息，调控信息和突变素材。

第五讲：基因是可移动的

一、转座和转座元件的分类

1、转座

• 染色体上排列成串的基因并不是固定的，基因可以在染色体上以不规则地反式进行运动，即转座
• 能够从基因组的一个位置运动到另一个位置的DNA序列被称为可动基因（mobile gene），又称为转座元件（transposable ）

2、转座的方式

第一种：cut-cut，paste-in（剪切，粘贴）：将转座元件从原有位置切割下来，并插入到新的位置

DDE-转座子

第二种：copy-out,paste-in（拷贝，粘贴）

这个过程需要获得一份新的DNA拷贝，这个过程依赖于反转录酶RT，反转录酶RT以RNA转录产物为模板，合成新的DNA拷贝，再经过DDE转座酶的加工，插入到染色体的新位置。

第三种：copy-out,copy-in（拷贝-拷贝方式）

这种反式也需要拷贝一份新的DNA拷贝，同样依赖于反转录酶RT。但是，这类转座元件同时编码核酸内切酶，可以直接将反转录产物插入到染色体的新位置，而不依赖于DDE转座酶。

TP-反转录转座子

DNA转座子

反转录转座子：通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。转座过程称为反转录转座（retrotransposition）

二、细菌中的转座元件

1、插入序列：Insertion Sequence——IS

IS最初是从大肠杆菌的lac-突变体中发现，IS的移动可造成lac的插入突变，切离后造成回复突变

IS插入宿主基因组后会造成交错切割，从而在插入位置上产生短正向重复序列

插入序列如果切离精确，可使IS诱发的突变恢复为野生型。

插入序列的不精确切离，可使插入位置附近的宿主基因发生缺失。

第六讲：基因突变