第1讲基因的基本概念

第一讲基因的基本概念吴乃虎中国科学院遗传与发育生物学研究所2005年8月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．以拷贝数分类32．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42．“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，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.Morgan1910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1953年Watson-CrickDNA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①1944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：6S型——具荚膜、有毒、光滑型R型——无荚膜、无毒、粗糙型SDNA+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。②1952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。③1953年J.Watson&F.Crick在M.Wilkins和R.FranklinX-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。*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。7④DNA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8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AunitofDNAorRNAcorrespondingtoonegeneT4Plage的rⅡ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rⅡ区可分为rⅡA和rⅡB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rⅡA*突变型和rⅡB*突变型感染寄主株细胞的情况是这样的：混合感染，即rⅡA*+rⅡB*→E.coliK株细胞裂解单独感染，即rⅡA*orrⅡB*→E.coliK株细胞不裂解从上述结果可见，rⅡA和rⅡB显然是互补的突变体。在rⅡA亚区发生了突变的phage能够同在rⅡB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rⅡA和rⅡB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rⅡA和rⅡB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9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。(AunitofDNAorRNAcorcespondingtoonegene.)*3.顺反子是功能单位，它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，而只有其中某一特定的多核苷酸区段才是基因的编码区。*5.启示：①人类对客观世界的认识是无穷尽的；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。②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10(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。*2.1941年，G.W.BeadleandE.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(sicklecellanemia)的红血蛋白，和正常血红蛋白的氨基酸序列作了对比研究之后，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(multimericproteins)*1.同型多体(homomultimer)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：①Ingram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；②信息资料尤其是在今天的科研中具有极大的重要性，因此要积极参加学术交流；③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11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*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(hereditaryfactor)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)12*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；h.DNA酶切图谱的构建；13i.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(FromB.Lewin2000)1865Genesareparticulatefactors1903Chromosomesarehereditaryunits1910Genesisonchromosomes1913Chromosomescontainlineararraysofgenes1927Mutationsarephycicalchangesingenes1931Recombinationiscausedbycrossingover1944DNAisthegeneticmaterial1945Agenecodesaprotein141953DNAisadoublehelisc1958DNAreplicatessomiconservatively1961Geneticcode