《分子生物学基础》课件第三章.ppt

1、第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 一、噬菌体的繁殖和遗传一、噬菌体的繁殖和遗传 1、噬菌体的繁殖 （1）烈性噬菌体 烈性噬菌体（virulent phage）是使宿主菌发生裂解的噬菌体。它在浸染细菌时，先吸附到菌体表面的特异受体上，由噬菌体所产生酶的作用下，在细菌细胞壁上形成一个微孔，把它的头部中所含的遗传物质（核酸）注入到菌体内，它的蛋白质外壳却留在宿主细胞外面。这时宿主细胞的DNA立即停止活动，由噬菌体的DNA指导合成作用，产生一批噬菌体DNA和蛋白质外壳，最终形成新的噬菌体。（2）温和噬菌体 还有一类噬菌体感染细菌后，除偶而情况外，不出现溶菌现象，这类噬菌体被称为温和噬

2、菌体（temperate phage）。温和噬体体感染细菌后，可采取两种增殖周期中的一种。其中一种是溶菌周期，细菌受到感染后，菌体内噬菌体迅速增殖，菌体被裂解，噬菌体释放出来。另一种是所谓的溶源周期，细菌受噬菌体感染后，好象未被感染一样，细菌继续增殖。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 2噬菌体的基因重组 从野生型噬菌体可以分离出突变型，各突变型的性状可以传给可后裔。用两种突变型噬菌体感染同一宿主菌，它们的后裔可以出现重组子。进行重组实验时，把上述两个亲本噬菌体（r h+和r+h）去感染菌株B，噬菌体的浓度要高，使有高比例的细菌同时受到两种噬菌体的感染（称为混合感染或复感染，m

3、ixed or double infection）。把释放出来的噬菌体（子代噬菌体）接种在同时长有菌株B和B/2的培养基上。现在可以看到4种噬菌斑（表3-1）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 4种噬菌斑中，半透明而大（r h+）和透明而小且有朦胧光环（r+h）的是亲本突变型，透明而大且有朦胧光环（r h）和半透明而小（r+h+）的是重组型。利用出现不同噬菌斑的数目，可以作重组值的计算，我们可以利用重组值估计基因的位置和基因间的距离。重组值可用下式计算：总噬菌斑数总噬菌斑数重组噬菌斑数重组值)()(hrrh第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 二、细菌的繁殖和遗

4、传二、细菌的繁殖和遗传 1、细菌的繁殖 细菌通常以二分体的分裂方式进行无性繁殖，称作裂殖。裂殖形成的子细胞常大小相等，称同形裂殖。在陈旧的培养基中也会出现大小不等的子细胞，称异形裂殖。通过电子显微镜和遗传学的研究已证明，细菌中亦存在有性接合，不过其频率较低，大量地仍以裂殖为主。细菌通常每20min繁殖一代，每生长和分裂一个世代，细胞内染色体就要复制一次（图3-1）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-1 细菌的裂殖过程 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 2、细菌的杂交和基因重组 （1）细菌的杂交 细菌主要是无性繁殖。Lederberg和Tatum先把两种

5、菌株分别涂布在基本培养基平板上，培养几天后都没有任何菌落生长。若是把菌株A和B混合培养在含有以上五种物质的液体培养基中，几个小时后，离心洗涤细胞并涂布在基本培养基上，发现长出了菌落，频率是110-7（图3-2）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 杂交的原养型：met+bio+thr+leu+thi 图3-2 细菌的杂交现象第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 （2）F因子与高频重组 F F因子因子 Hayes用与Lederberg的实验相似的菌株A、B做杂交试验，所不同的是他用链霉素处理菌株A或B，不杀死它们，但阻碍它们的分裂。结果发现，处理过的A和未处理的B混

6、合与处理过的B和未处理的A混合，情况大不相同。前一种处理和混合在基本培养基上可以出现菌落，后一种处理和混合在基本培养基上不产生菌落。高频重组高频重组 后来Cavalli和Hayes先后在菌株A中发现了一种高频重组菌株Hfr。它们能跟F的菌株杂交，并能得到频率很高的重组细菌，频率要比一般的F+F高出上千倍。经研究证明，Hfr和F+不同之处是Hfr中的F因子整合在细菌的染色体上（图3-4B），但一般的F+中的F因子是存在于细胞质中的质粒。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 （3）F因子与性导 F+与Hfr两种菌株可以相互转换，也就是说F因子既可以插入到染色体中去，形成Hfr菌株，有

7、时又可通过有规则的交换和剪切，从染色体上完整地游离下来形成F+菌株，但是偶尔也会出现不规则的环出，形成的F因子携带了相邻细菌染色体的基因（图3-6）。这种带有插入细菌基因的环状F因子称为F因子（F-facter）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-3 U型管培养细菌不发生杂交 图3-5 F因子的DNA结构 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-4A F+F杂交 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-4B Hfr细胞的形成和HfrF杂交 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-6 F因子整合到细菌核染色体及不规则环

8、出形成F因子 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 （4）转导 细菌杂交发现以后，过了几年又发现了转导（transduction）。转导是指以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体从一个细菌转移到另一细菌的过程。转导有两种，一为普遍性转导，一为特异性转导。普遍性转导 该实验虽然没有证明沙门氏菌中有接合现象，却发现了由噬菌体介导的基因转移过程转导。现在知道，P22感染供体细菌细胞时，供体染色体断裂成小片段，在形成噬菌体颗粒时，偶而错误地把供体染色体的片段组合到头部，而不是它们自己的遗传物质。因为决定感染 细 菌 的 能 力 的 是 外 壳 蛋 白 质，所 以 这 种 病 毒 或 转 导

9、 颗 粒（transducing particles）可以吸附到受体细菌细胞上，注入它们的内容物，现在这内容物是供体细菌的部分基因了。当转导中的噬菌体内容物注入一个受体细胞后，形成一个部分二倍体，然后导入的供体菌基因通过重组，整合到受体菌的染色体上（图3-7）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-7 P22噬菌体的普遍性转导示意图第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 特异性转导特异性转导 我们现在介绍另一类噬菌体，它们所进行的转导是特异性转导（specialized transduction），或局限性转导（restricted transduction），

10、这类噬菌体只转移细菌染色体的特定部分。噬菌体是特异转导者（transducer）的一个很好例子。大肠杆菌的一个溶源菌株K12（）可由紫外光诱导，用来进行转导。唯一成功的转导为gal+基因座位。根据实验知道，总是附着在供体的gal+基因座位的邻近位置，特异性转导供体的gal+基因给受体（图3-8）。第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-8 噬菌体特异性转导机制 A：DNA插入细菌染色体形成溶源性细菌；B：正常环出产生噬菌体或不正常环出产生d gal+转导粒子；C：产生溶源性转导子或通过重组产生转导子第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 （5）转化 细菌的转化作用

11、是指从一个供体菌株分离出来的DNA片段与另一受体菌株的活细胞接触，受体细胞吸收外源DNA片段进而发生遗传重组的过程（图3-9）。进一步研究发现，细菌转化的频率较低，大约只有1%的受体细胞可吸收外源DNA，转化频率低的原因可能是：受体细菌的细胞壁并非任何区域都允许外源DNA片段通过，而只是在特定区域形成临时性通道，因此将这一区域称为受体部位（receptor site），而在受体细胞表面这一部位的数目是有限的；第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 图3-9 细菌转化的机制 A：转化菌形成的过程；B：转化中遗传重组的机制 第一节第一节 原核生物的遗传规律原核生物的遗传规律 转化时供体

12、细菌DNA断裂成小片段，这些片段平均长度约为20,000个核苷酸对，外源DNA片段进入受体后可以和受体染色体形成部分二倍体，有可能发生重组，从而使受体细胞发生稳定性的遗传转化。转化过程包括几个连续的阶段：供体双链DNA 分子和受体细胞表面受体部位进行可逆性结合；供体DNA片段被吸入受体细胞，并要防止被受体DNA酶破坏；供体DNA进入受体后，立即从双链DNA转变成单链DNA，其中一条单链被降解；未被降解的单链DNA部分地或整个地插入受体细胞的DNA链中与同源区段形成杂合的DNA分子；杂合DNA经复制、分离以后，形成一个受体亲代类型的DNA和一个供体与受体DNA结合的杂种双链DNA，从而导致基因重

13、组形成各种类型的转化子（transformant）。第二节 真核生物的遗传规律 一、真核生物的繁殖 1、无丝分裂（amitosis）也称直接分裂，是一种简单的分裂形式，先是细胞的体积增大，然后核延伸缢裂成两部分，细胞质也随之从中部收缩分裂为二。这种方式仅在少数情况下发生，过去不少人认为无丝分裂在高等生物中是病变、衰老或受伤害组织的细胞分裂方式。目前了解到，无丝分裂在某些专化组织细胞中是常见的，比如，某些腺细胞、神经细胞、小麦的分蘖节和胚乳，向日葵的中柱鞘以及愈伤组织的某些细胞中常可见到。2、有丝分裂（mitosis）有丝分裂是真核细胞中普遍而比较完善的一种分裂方式。有丝分裂的特点主要在于分裂过

14、程中核及染色体之间有规律的动态变化，其结果是遗传物质从母细胞均等地分给两个新形成的子细胞。第二节 真核生物的遗传规律 细胞周期包括间期和分裂期。间期又可分为G 1期，S期和G 2期。分裂期（图3-10）又分为前期、中期、后期和末期。（1）间期（interphase）是细胞有丝分裂之前阶段，虽然细胞核在形态上没有什么显著的变化，但许多重要的合成过程，包括细胞质内各种物质的合成和DNA的复制，均在这一阶段进行。间期又可分为三个时期，G 1（gap1 phase）期主要进行各种RNA 和蛋白质的合成；S（synthesis phase）期，主要进行DNA的复制，结果DNA量即染色质的量增加了一倍；G

15、 2（gap2 phase）期较短，是进一步为分裂期作准备，这时细胞中积累以后形成纺锤体的微管蛋白等前体物质，并贮存了能量。整个间期往往占一个细胞周期的90%的时间。第二节 真核生物的遗传规律 （2）分裂期 前期（prophase）分裂开始于前期，这时在S期已经加倍的染色质包含2条染色单体的纤丝不断地螺旋化，变短、变粗，形成染色体。核仁变小至逐渐消失。中心体（动物和低等植物）一分为二移向细胞的两端，最后核膜溃解，出现纺锤体。中期（metaphase）各条染色体移到细胞中央平面 赤道板附近，它们的着丝粒的位置均处在赤道板上。后期（anaphase）每一个染色体的着丝粒分裂为二，使并列的两个染色单

16、体在纺锤丝的牵引下各移向一极。末期（telophase）两组染色体分别移向两极后，染色体逐渐解螺旋，纺锤体逐步消失，重现核膜和核仁。第二节 真核生物的遗传规律 图3-10 有丝分裂过程示意图第二节 真核生物的遗传规律 3、减数分裂 真核生物在进行有性生殖时，在形成配子的过程中，要经过一种特殊的细胞分裂过程减数分裂。这个过程的特点是，染色体复制一次，细胞连续分裂两次（减数分裂I、II），结果一个母细胞分成4个子细胞，每个子细胞内的染色体数减少为一半，也就是说原来是二倍体体细胞，减数分裂后就变成了单倍体生殖细胞。如人的体细胞中染色体数为2n=46，生殖细胞染色体数n=23。此外，同对的染色体之间可

17、以发生遗传物质的交换，这样通过遗传物质的重新组合，使新形成的性细胞之间在遗传上可能出现质的差异，这样便为杂种后代的多样性准备了条件。构成减数分裂的两次连续分裂通常称为减数第一分裂和第二分裂，它们都可划分为前、中、后、末四个连续的时期，习惯上以前期、中期、前期、中期等来表示（图3-11）。第二节 真核生物的遗传规律 图3-11 减数分裂过程示意图 第二节 真核生物的遗传规律 减数第一分裂：（1）前期I 细线期 进入减数分裂的细胞，染色体纤丝已在间期复制，每一染色体已有两个染色单体，由于太细长，还看不出双重性，染色纤丝开始螺旋化。偶线期 染色体的形态和细线期差不多，这时形态、特性上相同的各对染色体

18、（即同源染色体）开始配对，同源染色体配对是减数分裂的特点。一般有丝分裂没有此过程。粗线期 同源染色体配对完成，这时每一组染色体看上去是二条实际上含有一对同源染色体（也就是四条染色单体）故称双价体。双价体上有两个并列排着的着丝粒，它们分别属于2个同源染色体。由于染色体的螺旋化程度加深，染色体细丝逐渐可见。由于配对，从外观上看染色体数目由2n条n组。双线期 双价体中两条同源染色体一部分分开，另一部分又相互连接，这称交叉。交叉最终导致交换的结果。终变期 也称浓缩期，染色体进一步螺旋化，染色体变粗、变短，核膜开始消失，双价体移向赤道板。第二节 真核生物的遗传规律 （2）中期 各个双价体排列在赤道板上，

19、由于纺锤体的作用，双价体上的两个着丝粒渐渐分开，一对同源染色体开始分离，但仍有交叉连接着，交叉逐渐端化。（3）后期 由于纺锤体的作用，双价体中的两条同源染色体分开，分别移向一极，每条染色体的着丝粒不分裂，包含着两个染色单体。因此，每一极只得到n条染色体，所形成的2个子细胞，各含n条染色体，所谓的减数就发生在这时候（请注意和有丝分裂的区别，有丝分裂后期是着丝粒分开，两个染色单体分别移向一极，因此数目没有减少）。（4）末期 染色体到达两极，并逐渐解旋，核仁重建，核膜重建，胞质分裂，形成两个子细胞，各自含有n条染色体。（5）减数分裂间期 这是指第一次减数分裂和第二次减数分裂组之间的时期，由于不需要复

20、制染色体，这个时期很短，有的生物不经这个时期而直接进入第二次减数分裂。第二节 真核生物的遗传规律 减数第二分裂：（6）前期 情况与有丝分裂前期相似，每条染色体含有两条染色单体，它是由于第一次分裂后期，着丝粒没有分裂而保存下来的，这时整个细胞的染色体数目是n。（7）中期 各条染色体排列在赤道板上。（8）后期 着丝粒一分为二姊妹染色单体各移向一极。（9）末期 染色体逐渐解螺旋，核膜和核仁重新出现。经过减数分裂过程（包括减数分裂、），一个2n的体细胞形成四个染色体数目减半为n的子细胞。它们再经过一个发育阶段，便形成配子细胞。第二节 真核生物的遗传规律 二、真核生物的遗传规律二、真核生物的遗传规律 1

21、显性与隐性性状 2分离与自由组合规律 （1）分离规律 孟德尔的结论是：在子一代中，两个不相容而对立的亲代的性状只出现一个；在子一代中潜伏的性状在子二代中以1/4比例出现。分离规律从表面上看起来是后代中重新分离出原属隐性性状的个体，实质上是杂种在产生雌雄配子时，决定显性性状的基因和决定隐性性状的基因分离，形成雌雄配子各有两种（一种含显性基因，一种含隐性基因），各占1/2，以后随机结合，使得子二代基因型分离比为121。其中隐性纯合体的表型与原隐性亲本一样，显性纯合体和杂合体的表型则是同显性亲本一样，所以子二代表型分离比是31（图3-12）。第二节 真核生物的遗传规律 图3-12 豌豆一对等位基因的

22、分离规律 第二节 真核生物的遗传规律（2）自由组合规律图3-13 豌豆两对等位基因的自由组合规律 第二节 真核生物的遗传规律 孟德尔的自由组合规律还可以引伸到更多基因对杂合体的后代各种类型的数目的预测。如子一代是3对基因的杂合体，那么就会产生雌雄各8种配子，有64种配子组合，其表型的比例是二项式（3+1）3的展开。同理可以推导出4对、5对或更多的基因杂合体的后代情况，列于表3-2。第二节 真核生物的遗传规律 3连锁与交换规律 不完全连锁（incomplete linkage）是指连锁的非等位基因，在配子形成过程中发生了交换，这样就出现了和完全连锁不同的遗传现象。这种结果除产生大量亲本型外，还会

23、出现少量的重组型。应当指出，一对连锁基因重组频率的多少是固定的，但不同连锁基因间重组频率是不同的，这反应了不同基因在染色体上的相对距离。重组型出现是染色体交换的结果，所谓交换（crossing over）是指两条同源染色体对应片段间发生了交叉和交换，从而导致了等位基因间的交换。性连锁是指性染色体上有关基因的情况，它们既符合伴性遗传的规律，而当性染色体上有两对或两对以上的基因时，它们也表出连锁和交换的现象。同样，常染色体上排列着的许多基因，也有表出连锁和交换的规律。第二节 真核生物的遗传规律 图3-14 玉米两对相对性状的的遗传分析 第二节 真核生物的遗传规律 3重组与交换的分子基础 （1）断裂

24、融合学说 这个学说是由达林顿最先提出的（图3-16），他认为减数分裂前期的偶线期，一对同源染色体相互吸引形成螺旋，联合配对，而当一个染色体分成两个单体时，染色单体又相互排斥，这时由于斥力代替引力，平衡被破坏，只有当两个非姊妹染色单体在相同的位置上断裂，螺旋部分松开，平衡才得以恢复。这时一个染色单体的断裂端跟另一非姊妹染色单体的相应断裂端相接愈合，形成了重组染色单体。这样，在每发生一次断裂愈合所形成的四个染色单体中，两个是亲代类型，两个是重组类型。第二节 真核生物的遗传规律 图3-16 染色体断裂融合模式 第二节 真核生物的遗传规律 （2）杂种DNA学说 该学说是至今一个能解释上面这种异常情况的

25、学说。其观点是在晚偶线期染色体配对时，同源DNA分子配合在一起，经过内切酶的作用，切开断裂点，使两个非姊妹染色体DNA双链分子各有一条链断裂，以后再在连接酶的作用下，一个断裂点以交替的方式跟另一个断裂点相互联结，形成两个杂种的DNA分子（图3-17）。第二节 真核生物的遗传规律 图3-17 DNA分子的交换与重组 第二节 真核生物的遗传规律 杂种的DNA分子中有不相称的碱基对，GA对和CT对等。这种不相称的碱基对是不稳定的，它们在DNA分子中会处于歪斜状况，很容易为核酸外切酶所切除，形成缺口，在多聚酶作用下，又能合成互补的碱基，再在连接酶作用下，成为连续的核苷酸链完成修复，这个过程也叫基因的转

26、换。切除和修复可以进行，也可以不进行。就是进行的话，也可以向不同方向发展，例如GA的碱基对可以去掉A，变成GC对，也可以去掉G，变成TA对。如果GC是野生型的话，则TA是突变型。这样以来，就会造成像图（图3-18）所示各种异常的分离。杂种DNA理论是断裂愈合理论的补充和发展，两种理论加在一起，可以初步解释正常的交换重组和异常的交换重组。第二节 真核生物的遗传规律 图3-18 重组DNA分子各种异常的分离 第第三节 基因、基因组与基因突变 一、基因的类型和特性 1基因的概念 基因（gene）是生物的DNA或RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位。包括编码蛋白质和tRNT、rRNA

27、及其他小分子RNT的结构基因，以及具有调节控制作用的调控基因。基因可以通过复制、转录和翻译来决定蛋白质的生物合成，进而实现对遗传性状发育的控制。基因还可以发生突变和重组，导致产生有利、中性、有害或致死的变异。DNA是遗传的物质基础，基因主要是位于染色体上的DNA分子中。DNA由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，遗传信息存在于其中。由于DNA的核苷酸序列能决定它所对应的蛋白质氨基酸序列，而生物体的各种表型是通过产生许多特殊功能的蛋白质来实现的，因此基因也被简单的定义为能产生一个特定蛋白质的DNA序列。第第三节 基因、基因组与基因突变 2基因的命名 （1）用三个小写英文斜体字母表示基因的名称 （2

28、）在三个小写英文斜体字母后面加上一个大写英文斜体字母表示其不同的基因座，全部用正体时表示其相应的蛋白产物和表型。（3）对于质粒和其他染色体外成分，如果是自然产生的质粒，用三个英文正体字母表示，第一个字母大写；但如果是重组质粒，则在两个大写字母之前加一个p，大写字母表示构建该质粒的研究者或单位。（4）对果蝇基因命名的例子最繁多，特别是在发育生物学中。对突变表型的表示用14个字母代表。第第三节 基因、基因组与基因突变 （5）对于酵母，一般用三个大写英文斜体字母表示基因的功能，后面的数字表示不同的基因座。（6）线虫用三个小写英文斜体字母表示突变表型 （7）目前还没有适用于植物的惯用命名法，但大多数也

29、用13个小写字母表示。（8）脊椎动物一般用描述基因功能的14个小写英文斜体字母和数字表示其基因功能。（9）人类基因的命名方法与脊椎动物相似，但需大写。第第三节 基因、基因组与基因突变 3断裂基因 多数真核生物和少数低等生物的基因组中，在基因的编码序列之间含有大量的不编码序列，从而隔断了对应于蛋白质的氨基酸序列，这种不连续的基因又称为断裂基因或割裂基因（split gene）。指基因的编码序列在DNA分子上不连续排列，而被不编码的序列所隔开。构成断裂基因的DNA序列分为两类：基因中编码的序列称为外显子（exon），外显子是基因中对应于信使RNA编 码 序 列 的 区 域；不 编 码 的 间 隔

30、序 列 称 为 内 含 子（intron），内含子是在信使RNA被转录后的剪接加工中被去除的区域。断裂基因由一系列交替存在的外显子和内含子构成，基因的两端起始和结束于外显子，对应于其转录产物信使RNA的5和3末端。如果一个基因具有n个内含子，则相应也含有n+1个外显子。第第三节 基因、基因组与基因突变 图3-19 鸡卵清蛋白基因中存在非编码的内含子区L及17区为外显子，AG区为内含子第第三节 基因、基因组与基因突变 4重叠基因 （1）原核生物的重叠基因 图3-20 174的重叠基因 第第三节 基因、基因组与基因突变 （2）真核生物的重叠基因 图3-21 选择性剪接可产生不同的RNA产物 第第三

31、节 基因、基因组与基因突变 5基因及基因组的大小与C值矛盾 （1）基因及基因组大小 表3-3总结了一些生物体的平均基因大小，当比较不同物种时，可以看出从低等真核生物到高等真核生物mRNA的平均大小略有增加，而基因的平均大小和外显子数目明显增加。在哺乳动物、昆虫、鸟类中，基因的平均长度将近是其mRNA长度的5倍。第第三节 基因、基因组与基因突变 （2）C值与C值矛盾 生物体的一个特征是其单倍体基因组的全部DNA含量总是相对恒定的，通常称为该物种的C值。真核生物基因组的C值（C-value）：指生物单倍体基因组中的DNA含量，以pg表示（1pg=10-12g）。不同物种的C值差异很大，最小的支原体

32、只有106bp，而最大的如某些显花植物和两栖动物可达1011bp。C值矛盾（C value paradox）是指真核生物中DNA含量的反常现象。主要表现为：C值不随生物的进化程度和复杂性而增加，如肺鱼的C值为112.2，而人是3.2，与牛相近；亲缘关系密切的生物C值相差甚大，如豌豆为14，而蚕豆为2；高等真核生物具有比用于遗传高得多的C值，如人的染色体组DNA含量在理论上包含300万个基因，但有实际用途的基因只有5万10万个左右。第第三节 基因、基因组与基因突变 二、基因组二、基因组 1原核生物的基因组 （1）原核生物的染色体基因组 （2）质粒基因组 2真核生物基因组 （1）真核生物染色体基因

33、组 （2）线粒体基因组 （3）叶绿体基因组（Chloroplast genome）第第三节 基因、基因组与基因突变 3真核生物DNA序列组织 单拷贝序列又称非重复序列，在一个基因组中只有一个拷贝，真核生物的大多数编码基因都是单拷贝的。在复性动力学中对应于慢复性组分。轻度重复序列 在一个基因组中有210个拷贝（有时被视为非重复序列），如蛋白基因和酵母tRNA基因。在复性动力学中也对应于慢复性组分。中度重复序列 有十至几百个拷贝，一般是不编码的序列，例如人类基因组中的Alu序列等。中度重复序列可能在基因表达调控中起重要作用，包括DNA复制的起始、开启或关闭基因的活性、促进或终止转录等。平均长度约3

34、00bp，它们在一起构成了基因序列家族与非重复序列相间排列。对应于中间复性组分。高度重复序列 有几百到几百万个拷贝，是一些重复数百次的基因，如rRNA基因和某些tRNA基因，而大多数是重复程度更高的序列，如卫星DNA等。高度重复序列对应于快复性组分。第第三节 基因、基因组与基因突变 三、基因突变三、基因突变 1基因突变的类型 基因突变有以下多种类型：碱基对置换指DNA错配碱基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一个碱基对所取代，又称为点突变。碱基对置换有两种类型：即转换是在两种嘧啶或两种嘌呤之间的互换；颠换发生在嘧啶与嘌呤或嘌呤与嘧啶之间的互换。碱基替换通常仅发生在一个碱基上，偶尔也有几

35、个碱基同时被替换。转换发生的频率一般比颠换高1倍左右。插入突变指在基因的序列中插入了一个碱基或一段外来DNA导致的突变。例如，大肠杆菌的噬菌体Mu-1、插入序列（IS）或转座子都可能诱发插入突变。插入突变有两种方式：拷贝或复制移动，指一个位点上的序列被复制后插入到另一位点。非拷贝移换，DNA序列从一个位点直接移动到另一位点。第第三节 基因、基因组与基因突变 2诱变剂的作用 （1）碱基类似物 是与DNA正常碱基结构类似的化合物（base analog），能在DNA复制时取代正常碱基掺入并与互补链的碱基配对。但这些类似物易发生互变异构，在复制时改变配对性质，引起碱基对置换。所有碱基类似物引起的置换

36、都是转换，而非颠换。5-BU是胸腺嘧啶的类似物，在通常情况下以酮式（keto）结构存在，能与腺嘌呤配对；但它有时以烯醇式（enol）结构存在，则与鸟嘌呤配对（图3-22）。胸腺嘧啶也有酮式和烯醇式互变异构现象，但其烯醇式发生率极低。而5-BU中由于溴原子负电性很强，其烯醇式发生率很高，显著提高了诱变力，结果使AT对转变为GC对。第第三节 基因、基因组与基因突变 图3-22 5-溴尿嘧啶酮式和烯醇式具有不同的配对性质第第三节 基因、基因组与基因突变 （2）碱基的修饰剂 某些化学诱变剂通过对DNA分子上碱基的修饰（base modifier），改变其配对性质。例如，亚硝酸能脱去碱基上的氨基。当腺嘌

37、呤脱氨后成为次黄嘌呤（I），后者与胞嘧啶配对，而不与胸腺嘧啶配对；胞嘧啶脱氨后成为尿嘧啶，与腺嘌呤配对等。经过两次的复制以后，分别由于A和C的脱氨，而使AT对转换为GC对，或GC对转换为AT对。鸟嘌呤脱氨后成为黄嘌呤（X），后者仍与胞嘧啶配对，经复制后恢复正常，不引起碱基对置换。羟胺（NH2OH）与DNA分子上的碱基作用十分特异，它只与胞嘧啶作用，生成4-羟胺胞嘧啶（HC），能与腺嘌呤配对，结果使GC对变为AT对（图3-23）。第第三节 基因、基因组与基因突变 图3-23 化学修饰剂改变碱基的配对性质 第第三节 基因、基因组与基因突变 3诱变剂和致癌剂的检测 许多化合物需在体内经过代谢活化才有

38、诱变作用，在测试时可将待测物与肝提取物一起保温，使其转化，这样可使潜在的诱变剂也能被检测出来。大肠杆菌的SOS反应可以使处于溶源状态的噬菌体激活，从而裂解宿主细胞产生噬菌斑。通常引起细菌SOS反应的化合物对高等动物都是致癌的。Devoret根据此原理，利用溶源菌被诱导产生噬菌斑的方法来检测致癌剂，简化了检测手段。第四节 染色体变异和DNA重组 一、染色体结构和数目变异一、染色体结构和数目变异 1染色体结构变异 许多染色体水平的变异在显微镜中可以直接观察到。习惯上把染色体结构的改变分为四种主要的类型，它们是缺失、重复、倒位和易位。（1）缺失 染色体臂发生二处的断裂，中间部分丢失，然后断裂处愈合，

39、形成缺失。缺失杂合体在减数分裂时，同源染色体相互配对，由于一条染色体缺少一个片段，同源染色体的另一条相应部分无法配对，拱了起来形成弧状的缺失圈，如图3-24。第四节 染色体变异和DNA重组 图3-24 染色体缺失所形成的弧状缺失圈 第四节 染色体变异和DNA重组 （2）重复 重复是指一个染色体除了正常的组成之外，还多了一些额外的染色体片段。重复可以在同一个染色体上，也可以在不同染色体上。存在重复的染色体片段，在同源染色体配对时，出现和缺失时类似的拱形结构，这是由于重复的部分无法配对，拱了出来（图3-25）。图3-25 各种重复杂合体的配对结构 第四节 染色体变异和DNA重组 （3）倒位 倒位是

40、指染色体断裂的某一片段倒转了位置又重新愈合的情况。倒位之后，虽然染色质含量没有什么变化，但由于基因的排列顺序的变化，也会造成遗传效应。在倒位的纯合体中，同源染色体都是倒位的，可以正常联合配对，减数分裂是正常的，看不出有什么遗传效应。但倒位的杂合体减数分裂比较复杂，在粗线期会产生倒位环（图3-26）。图3-26 倒位杂合体的配对结构 第四节 染色体变异和DNA重组 （4）易位 易位是指一个染色体的片段 接到另一个非同源染色体上，其中常见的是两个非同源染色体相互交换了片段，产生所谓的相互易位。例如，一个染色体的顺序是st，另一个非同源染色体的顺序是wv，相互易位及分离的结果如图3-27。在易位杂合

41、体中，减数分裂的粗线期由于染色体同源部分配对，会出现十字形的图形。易位可以自然产生，也可以由人工诱变产生，人们利用易位进行育种，取得了显著的成绩。第四节 染色体变异和DNA重组 图3-27 相互易位杂合体的配对结构和分离方式 第四节 染色体变异和DNA重组 2染色体数目的变化 （1）非整倍性变化 染色体数目的变化可以不是整套的增减，而是多了一条或一对，少了一条或一对。人们把少了一条染色体（2n1）的个体称为单体，少了一对（2n2）称为缺体，多了一条（2n+1）称为三体，而多了两条不同源的染色体称为双三体（2n+1+1）。染色体数目变异的一些类型列于表3-4。第四节 染色体变异和DNA重组 （2

42、）整倍性变化 高等动植物以二倍体为主要生活世代，但植物可在倍数方面有较大幅度的变化。多倍体的染色体数目是单倍体的三倍、四倍或更多倍。多倍体普遍存在于植物界，对进化有很大的意义。同源多倍体，是由染色体复制，而细胞不分割形成的。也可由未减数的配子结合生成。在同源多倍体中，所含的基因和原来一样，只是每一种基因的数目成倍地增加了。异源多倍体。两个不同种杂交，所得的杂种再经过染色体加倍，可形成异源多倍体。同源多倍体营养器官粗大，在生产上有一定的意义。异源多倍体也可以人工合成，成功的例子很多。第四节 染色体变异和DNA重组 二、二、DNADNA的重组的重组 1、同源重组 同源重组（homologous r

43、ecombination）又称一般性重组，由两条具有同源区的DNA分子，通过配对、链断裂和再连接，而产生的片段间交换的过程。（1）Holliday模型 （2）与DNA重组有关的酶 第四节 染色体变异和DNA重组 图3-28 同源重组的Holliday模型 第四节 染色体变异和DNA重组 图3-29 RecA蛋白介导的DNA链交换模型 第四节 染色体变异和DNA重组 2、特异位点重组 特异位点重组广泛存在于各类细胞中，起着十分特殊的作用，彼此有很大的不同。它们的作用包括某些基因表达的调节，发育过程中程序性DNA重排，以及有些病毒和质粒DNA复制循环过程中发生的整合与切除等。此过程往往发生在一个特

44、定的短（20200bp）DNA序列内（重组位点），并且有特异的酶（重组酶）和辅助因子对其识别和作用。特异位点重组的结果决定于重组位点的位置和方向。如果重组位点以相反方向存在于同一DNA分子上，重组结果发生倒位；重组位点以相同方向存在于同一DNA分子上，重组发生切除；在不同分子上，重组发生整合（图3-30）。第四节 染色体变异和DNA重组 图3-30 特异位点重组的结果决定于重组位点的位置和方向 第四节 染色体变异和DNA重组 三、三、DNADNA的转座的转座 1转座子的概念 生物体基因组中的DNA序列是基本恒定的，但在漫长的进化过程中，生物体基因组也在缓慢地发生着变异。与总的稳定性相反的是，由

45、转座子或转座元件可以引起DNA序列的改变，使生物体基因组发生变异。转座子（transposon）是指在基因组中可以移动的一段DNA序列。一个转座子由基因组的一个位置转移到另一个位置的过程称为转座。由转座子引起的转座过程有以下特征：能从基因组的一个位点转移到另一个位点，从一个复制子转移到另一个复制子；不以独立的形式存在（如噬菌体或质粒DNA），而是在基因组内由一个部位直接转移到另一部位；转座子编码其自身的转座酶，每次移动时携带转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因；转座的频率很低，且插入是随机的，不依赖于转座子（供体）和靶位点（受体）之间的任何序列同源性；转座子可插入到一个结构

46、基因或基因调节序列内，引起基因表达内容的改变。第四节 染色体变异和DNA重组 2转座子的分类 （1）插入序列（IS因子）最简单的转座子称为插入序列（insertion sequence，IS），简称IS因子。已发现有10余种，如IS1、IS2等。IS因子是一种较小的转座因子，长度为7501550bp，只含有与转座有关的酶基因，不含抗药性等其他基因，其两端都具有1525bp的反向重复序列（IR）。转座酶的活性主要是识别靶部位和转座子的末端并引起转座。转座子的末端可视为转座酶的部分底物，转座酶水平改变能控制转座因子的转座频率。第四节 染色体变异和DNA重组 图3-31 转座子在靶部位插入前后的结构

47、 第四节 染色体变异和DNA重组 （2）复合型转座子（Tn）这类转座子中除了有转座酶基因外，还带有药物抗性基因（或其相关基因）标志，因结构较大而复杂，故称为复合型转座子，以Tn表示。根据结构不同分为两种类型。I型：其两个末端由相同的IS序列构成，IS序列有正向和反向两种排列方式；II型：其两末端由38bp的反向重复序列组成，如TnA族转座子。复合型转座子也具有转位因子的三个共性：末端反向重复序列，为转座酶所必需；中间的开放阅读框架（ORF）作为标记基因；转位后，靶位点成为正向重复序列。Tn3转座子中tnpA基因编码含1021个氨基酸的转座酶，相对分子质量120 000；tnpR基因编码185个

48、氨基酸的蛋白质，相对分子质量23 000。后者有两个功能：一是作为解离酶，促使转座中间产物解离；另一个作为阻遏蛋白，调节tnpA和tnpR两个基因表达。解离控制位点res位于左右转录单位间的163bp富含A-T区。该区有3个长约3040bp的同源序列，是TnpR蛋白结合位点。Tn3的结构如图3-32。第四节 染色体变异和DNA重组 3转座过程发生的机制 转座子插入到一个新的靶DNA部位大致概括为：转座酶识别转座子的末端反向重复序列并在其3端切开，同时在靶部位交错切开单链，它的5突出末端与转座子的3末端连接，形成Shapiro中间体。不同种类转座子形成与靶序列连接中间体的过程大致相同，随后步骤各

49、异。在这个过程中，转座子两条链如同桥梁。交错末端的产生和填充可解释在插入部位产生靶DNA正向重复的问题（互补复制），两条链切口之间交错的核苷酸数目决定了正向重复的长度（图3-33）。第四节 染色体变异和DNA重组 图3-32 Tn3的结构示意图图3-33 转座子插入到靶DNA部位的机制第四节 染色体变异和DNA重组 按转座子在转座过程中是否发生复制，分为复制型转座和非复制型转座两类（图3-34）：图3-34 非复制型转座与复制型转座的基本过程 第四节 染色体变异和DNA重组 （1）复制型转座 转座过程中，在形成靶部位与转座子连接中间体后即进行复制，通过复制使原来位置与新的靶部位各有一个转座子，

50、其一条链是原有的，另一条链是新合成的。故转座的序列实际上是原来元件的一个拷贝，作为自身移动的一个部分转座子被复制。这个过程伴随着转座子拷贝数的增加。复制型转座涉及两种酶：一种是转座酶，作用在原来转座子的末端，另一种是解离酶，作用于复制拷贝元件。TnA族转座子就是通过复制型转座而移动的。复制转座使供体与受体分子连接成为共整合体（cointegrate），需通过重组将二者分开。（2）非复制型转座 又称保留性转座，转座元件直接由一个部位转移到另一个部位，在原来的部位没有保留。主要是利用供体和靶DNA序列的直接连接，只需要转座酶。插入序列和Tn10和Tn5利用这种机制转座。第四节 染色体变异和DNA重