第17章遗传物质的功能单位chaya

第五篇遗传与进化第17章——遗传物质的功能单位制作：吕梦春2015年11月25日遗传学概述遗传学是一门涉及生命起源和生物进化的理论科学，同时也是一门密切联系生产实际的基础科学。遗传学研究生物遗传和变异的科学；是研究生物体遗传信息和表达规律的科学；是研究和了解遗传物质本质的科学。绪论狭义定义遗传：子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性。变异：子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。广义定义遗传：同种个体之间的相似性。变异：同种个体之间的差异。遗传与变异的关系？2019/12/204/23遗传学研究的任务a、遗传物质的结构：b、遗传物质的传递：c、遗传物质的表达：2019/12/205/23遗传学：是研究一切生物遗传和变异的科学。阐明生物遗传和变异的现象及其表现的规律；自我复制；能储存遗传信息；能表达遗传信息；可由突变产生变异。理论上，遗传物质必须具备四个条件：第一节、遗传物质是核酸第一节、遗传物质是核酸间接证据四个1）含量：DNA含量相对恒定。2）代谢：不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响；3）突变：一些物理和化学因素可以引起生物体遗传特性的改变。4）分布：DNA是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类等。2019/12/207/23直接证据1）格里费斯肺炎双球菌的转化实验2）艾弗里体外转化实验3）赫尔斯和蔡森的噬菌体侵染与繁殖实验（32P35S）结论：DNA是绝大多数生物的遗传物质。2019/12/208/23RNA病毒：TMV，SARS，HIV，大多数流感病毒（如禽流感病毒、H5N1等）1956年A.Gierer和G.Schraman发现：烟草花叶病毒（TMV），其遗传物质是RNA。1957年美国的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了这一结论。结论：在不含DNA的某些病毒（TMV）中，RNA就是遗传物质。第二节基因概念的发展一、孟德尔的遗传因子——现代遗传学之父二、萨顿和博伟里建立“遗传因子位于染色体上”的假说三、约翰逊（Johannsen）称遗传因子为基因（gene），此外，还创立了基因型和表型的概念。基因是遗传物质的结构和重组的单位，一个基因是不能被分割的最小单位；基因是控制性状的功能单位，能产生相应的表型，基因是突变的单位，他可以通过突变形成另一个等位基因；基因位于染色体上，呈线性排列。四、摩尔根创立的“三位一体”的基因假说（P752页）四、摩尔根创立的“三位一体”的基因假说基因是决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位。这种“功能、交换、突变”三位一体的基因假说就是经典遗传学的基因概念。此外他们还得出了连锁互换定律（详见18.1），该定律与分离定律、自由组合定律共称遗传学三大基本定律。五、比德尔（Beadler）与其同事系统地研究了生化合成与基因的关系，提出了“一个基因一个酶”的理论，证明基因通过它所控制的酶决定着生物代谢中的生化反应步骤，进而决定着遗传性状。六、艾弗里（Avery）等人的细菌转化试验有力地证明了遗传物质为DNA，而不是蛋白质，基因位于DNA上。七、本泽尔证实了基因是一个功能单位，而不是结构上的最小单位，提出了顺反子学说：①顺反子：一段DNA序列（病毒中为一段RNA序列），能够编码一种多肽的所需要的最短的DNA片段，是遗传的功能单位，即：一个顺反子就是一个基因，②突变子：指基因中发生突变后能产生表型效应的遗传物质的最小单位，它可以是一个或多个核苷酸。③重组子：顺反子中能通过交换重组改变表型的最小单位，它在结构上不能通过交换而分开。一个基因不是一个突变单位，也不是一个重组单位，仅是一个功能单位，基因内部的一个或者若干个脱氧核苷酸对才是重组单位或突变单位。即：一个顺反子包含多个的突变子和重组子。九、超基因、假基因和拟基因的发现1.超基因：也称基因簇，作用于一种性状或一系列相关性状的几个紧密连锁在同一条染色体上的一组基因。超基因中不同基因之间没有调控的关系。分为简单多基因家族和复杂多基因家族。2.假基因：具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变而失去了功能，是没有功能的基因。3.拟基因：不包含有用的生物信息的基因。八、雅各布（Jacob）和莫诺建立基因表达调控的操纵子（operon）模型超基因如人类组织相容性抗原复合体HLA，称为人类白细胞抗原（humanleucocyteantigen，HLA）。HLA复合体位于第6号染色体短臂上大约4000kb范围内，由一群密切连锁的基因组成。HLA复合体是迄今已知的人体最复杂的基因体系。从着丝点一侧起依次为Ⅱ类基因、Ⅲ类基因和Ⅰ类基因区域所在。1961年开始，美国生化学家尼伦伯格（Nirenberg）和马太破译了第一个遗传密码。三联体密码的破译、中心法则的建立以及蛋白质和核酸的人工合成，基因内部精细结构的揭示，基因活动的调节和控制原理的发现，突变分子基础的阐明等，使遗传学的发展走在了生物科学的前列。十、现代基因的概念及特点1.概念：是DNA分子（RNA病毒是RNA）上具有遗传效应的片段和功能单位。2.特点：见“754-755”（1）基因呈双螺旋结构并随DNA的复制而复制（2）基因间一般不重叠（3）真核基因的主要载体是染色体（4）极少数基因是可移动的——转座子（5）基因是一个功能单位，但不是结构单位（6）割裂基因和连续基因是否含内含子？（7）基因转录的mRNA具有相同的起始密码和终止密码一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子非编码区不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质;但有调控遗传信息表达的核苷酸序列,最重要的位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点.第三节基因的结构一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游与RNA聚合酶结合位点启动子终止子RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。接一、原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子编码区能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质二、真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区与RNA聚酶结合位点内含子外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子不能够编码蛋白质的序列叫做内含子，内含子能转录为信使RNA启动子终止子编码区上游编码区上游内含子外显子不同的基因外显子和内含子的数目是不同的如：人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做β－珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，其中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸人的一种凝血因子的基因，在它的186000个碱基对中，有26个外显子和25个内含子，能够编码2552个氨基酸5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图启动子：主要包括两个序列（1）在5’端转录起始点上游约20~30个核苷酸处有TATA框，它是一个短的核苷酸序列，是启动子中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要接触点，能使酶准确识别转录的起始点并开始转录。当TATA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会从不正常的位置开始。5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图启动子：主要包括两个序列（2）在5’端转录起始点上游约70~80个核苷酸的地方，有CAAT框，是启动子中另一个短的核苷酸序列，是RNA聚合酶的另一个结合点，它的作用还不肯定，一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。当框中的碱基顺序改变后，mRNA的形成量会明显减少。5’3’增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3内含子1内含子2AATAAA转录终止点真核细胞基因结构示意图增强子：在5’端转录起始点上游约100个核苷酸以远处的位置，能使转录活性增强上百倍。终止子：在3’端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，AATAAA顺序和下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。终止子的特殊碱基排列顺序能够阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来。三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别：（1）真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的（即双倍体）。细菌染色体基因组通常由一条环状双链DNA分子组成，染色体形成拟核，无核膜与胞浆分开。（2）基因组远远大于原核生物的基因组，具有多个复制起点，而每个复制子的长度较小。（3）真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条肽链。原核生物基因转录产物为多顺反子，功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构。E.Coli中乳糖操纵子结构模型ＲＰＯlacZlacYlacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶转录半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶原核生物的基因簇中，结构基因受一个启动子调控。这全部基因要么一起表达，要么不表达，而且转录生成单一的mRNA分子，然后再分别翻译成几个不同的多肽分子。（4）真核基因组大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的，称为断裂基因，需要进行转录后加工；原核基因组没有内含子结构，不需进行转录后剪接加工。（5）真核基因组中不编码的区域多于编码区域。原核基因组大部分为编码序列，不编码区域仅占一小部分。（6）真核生物基因组存在重复序列，重复次数可达百万次以上基因组远远大于原核生物的基因组。（7）真核生物基因组存在多基因家族、超基因家族和假基因。三、真核生物基因组与原核生物基因组的主要区别：第四节基因的表达调控2019/12/2039/23DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA的合成属于基因表达。中心法则(thecentraldogma)：I顺式作用与反式作用顺式作用：顺式作用元件与靶基因位于同一条染色体上的DNA序列发挥调控作用的方式。反式作用：基因编码产物，RNA或protein调控另一簇基因的表达的方式。顺式作用元件：与基因连锁的具有调控作用的DNA序列。如启动子，终止子。反式作用因子：某些基因编码的产物如蛋白质或RNA，能调控另一个基因的表达。如RNA聚合酶基因表达的方式2019/12/2040/23II正调控和负调控正调控：激活基因表达的过程，基因表达的活化物（activators）结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。真核生物常见负调控：抑制基因表达的过程，阻遏蛋白（repressorprotein）结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。原核生物常见正调控与负调控模式的比较2019/12/2042/232、诱导和阻遏表达诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。乳糖→利用乳糖的三种酶表达阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平降低的过程色氨酸—色氨酸合成酶系2019/12/2043/23基因表达调控的水平染色体和DNA水平上；转录水平上（最主要的方式）；转录后水平（RNA加工、成熟水平上）——真核生物；翻译水平上；蛋白质加工水平上；2019/12/2044/23•无论是真核细胞还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制，使得细胞在需要的时间和地点产生相应的特异性的蛋白质成为可能。•某一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种开关的活性是通过调节转录来实现的。•基因表达调控主要发生在转录水平上的调控和翻译水平上的调控。基因的选择性表达是细胞特异性的基础原核基因的表达特点：1、较真核生物简单。转录和翻译相偶联；基因组小；染色体简单2、营养状况和环境因素起着重要作用。3、转录水平上常以操纵子模式