1、一、经典的基因概念lMendel的“遗传因子”lMorgan的基因概念P156（1）基因是结构单位，不能由交换分开。（2）基因是突变单位。（3）基因是一个作用单位，能产生一种 特定的表型效应。（4）染色体是基因的载体。二、生化突变型与一个二、生化突变型与一个 基因一个酶说基因一个酶说（一）、链孢霉的精氨酸依赖型：（由几个非等位基因控制）生化突变型：某一基因突变 导致酶不能产生，或形成的 酶活性改变。（二）、人的先天代谢缺陷苯丙氨酸代谢缺陷引起的疾病1.苯丙酮尿症(PKU)（AR）1934年首次发现，欧美地区发病率为1/16000。杂合子频率为1/50-1/70。主要症状：智力发育障碍，易激动，
2、好动，肌张力高，共济失调，小便和汗液有特殊气味等。早期确诊后，应给予低苯丙氨酸饮食，并维持终生。2.尿黑酸尿症(AR)大量尿黑酸产生。机体中也积存了大量的尿黑酸，在结缔组织中沉积，导致褐黄病，发展为关节炎。基因定位于3q21-23。发病率为1/250000。3白化病（AR）皮肤、毛发呈白色。眼呈浅兰色。畏光，眼球震颤。暴露皮肤易生皮肤癌。I型酪氨酸酶阴性。II型酪氨酸酶阳性。能合成褐黑色素，不能合成真黑色素，病因不明。两个白化病人婚配可能生出正常儿，因为一个是I型，另一个为II型：aaBBAAbbAaBb苯丙氨酸代谢缺陷引起的疾病莱一尼二氏症（莱一尼二氏症（Lesch-Nyhan syndro
3、me）(自毁容貌综合征),一种核酸代谢病表明：基因决定酶的形成，表明：基因决定酶的形成，控制生化反应，从而控制控制生化反应，从而控制代谢，这即一个基因一个代谢，这即一个基因一个酶说（酶说（one gene one enzyme”hypothesis）。）。Beadle and Tatum1941 Beadle&Tatum 证实了这一代谢途径并提出了“一个基因一个酶说一个基因一个酶说”Beadle and Tatum:一个基因一个基因-一种酶一种酶 One Gene-One EnzymeX raysMMCMMMVitaminsAmino acids Purines and pyrimidines
4、 用X射线诱导处理红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和大量研究，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失。红色链孢霉实验 突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 I II III 结果表明：菌株III：自前体到鸟氨酸的反应受阻。菌株II：自鸟氨酸到瓜氨酸的反应受阻。菌株I：自瓜氨酸到精氨酸的反应受阻。表明：基因决定酶的形成，控制生化反应，从而控制代表明：基因决定酶的形成，控制生化反应，从而控制代谢，这即一个基因一个酶说（谢，这即一个基因一个酶说（one gene one enzyme”hypothesis）。）。现在认为一个基因控制一个多肽。现在
5、认为一个基因控制一个多肽。概括起来：arg1 酶1arg2 酶2arg3酶3前体（N-乙酰瓜氨酸）鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸1.苯丙酮尿症(PKU)（AR）1934年首次发现，欧美地区发病率为1/16000。杂合子频率为1/50-1/70。主要症状：智力发育障碍，易激动，好动，肌张力高，共济失调，小便和汗液有特殊气味等。早期确诊后，应给予低苯丙氨酸饮食，并维持终生。2.尿黑酸尿症(AR)大量尿黑酸产生。机体中也积存了大量的尿黑酸，在结缔组织中沉积，导致褐黄病，发展为关节炎。基因定位于3q21-23。发病率为1/250000。3.白化病（AR）皮肤、毛发呈白色。眼呈浅兰色。畏光，眼球震颤。暴露皮肤易
6、生皮肤癌。I型酪氨酸酶阴性。II型酪氨酸酶阳性。能合成褐黑色素，不能合成真黑色素，病因不明。两个白化病人婚配可能生出正常儿，因为一个是I型，另一个为II型：aaBBAAbbAaBb 2.2.半乳糖血症半乳糖血症（Galactosemia）一种糖代谢缺陷病，具三种亚型：I;II;III半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶编码基因具有多态性：G+;GD;GI;GR;GG，各种等位基因的组合酶活性不同。基因型 酶活性（%）临床表现G+G+100 正常G+GD 75 正常GD GD 50 正常GD GG 25 正常GI GI (35)中度半乳糖血症GR GR 10 半乳糖血症GG GG 0 严重半乳糖血症 3.
7、莱一尼二氏症（莱一尼二氏症（Lesch-Nyhan syndrome）(自毁容貌综合征),一种核酸代谢病。鸟苷酸 次黄苷酸 HGPRT 鸟苷 次黄苷 鸟嘌呤 次黄嘌呤 HGPRT：次黄嘌呤鸟 黄嘌呤 嘌呤 磷酸核苷转移酶 尿酸 （一）、位置效应位置效应反式(trans)顺式(cis)三、基因的精细结构和顺反测验 位置效应表明：位置效应表明：染色体并非基因的简单容染色体并非基因的简单容纳器，纳器，基因在染色体上的位置也具有功能基因在染色体上的位置也具有功能意义意义。所以所以“念珠理论念珠理论”的的(基因与染色体的关基因与染色体的关系系)得到了发展。得到了发展。（二）顺反子 Benzer于1953
8、年发现T-偶数噬菌体rII突变型。他对不同rII突变型重组的深入研究阐明了基因的精细结构，并提出了近代的基因概念。1.T4噬菌体rII突变型及其检测2.双重感染法绘制rII区段连锁图 操作方法：用两种rII突变型双重感染B品系，收集溶菌液；分别接种到B品系、K()品系菌苔上；考察两个品系菌苔上的噬菌斑数目，就可以计算两个突变位点间的重组值；绘制连锁遗传图。双重感染试验(p161)结果分析：回复突变的频率很小，不会产生如此高频率的野生型噬菌体(斑)；所以野生型只能由重组产生。Benzer先后分离到100多个不同的rII突变。在rII区段内存在如此多的基因显然是不可能的。结论：这些基因就是rII区
9、段突变形成的复等位基因。基因是由更小的重组单位构成，野生型产生于基因内重组，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。rII顺反测验 rII区段突变的性质：rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因；如果基因是最小的功能单位，它也是一个顺反子。顺反测验表明：多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够互补，而组内的突变型间不能互补；与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端|A|B|。rII的两个顺反子 经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位)。因此基因也很可能不是遗传的最小功能单位。有些基因具有一个顺反子，有些基因具有
10、多个顺反子。在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体。Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。rII的重组分析对基因的新认识 Benzer将最小重组单位定义为重组子(recon)。rII区段存在多种突变的结构表明：基因也并非最小突变单位。Benzer提出用突变子(muton)来描述基因内改变后可以产生非野生型表型的最小单位。理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研究显示：突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基对对(bp)(bp)。所以基因内每个碱基均可能发生突变，。所以基因内每个碱基均可能发生突变，任意两个碱基间均能发生交换重组。任意两个碱基间均能发生
11、交换重组。3.双突变杂合体的互补作用 在二倍体生物中，可以建立双突变杂合体。双突变体杂合体有两种形式，即顺式(cis)和反式(trans)，如图所示：根据两突变反式双杂合体有无互补作用可以判断它们是否为同一个功能单位的突变：突变型无互补作用为同一功能单位的突变；野生型有互补作用为不同功能单位的突变。这种测验称为互补测验，也称为顺反测验(cis-trans test)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补这种测验称为互补测验，也称为顺反测验(cis-trans test)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子
12、(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补.近代基因的概念 基因是一个作用单位顺反子。一个顺反子内存在很多突变位点突变子，所谓突变子是改变后可以产生突变型表型的最小单位。一个顺反子内部可以发生交换，出现重组，不能由重组分开的基本单位叫重组子。所以，基因是一个顺反子，可以分成许多突变子和重组子。四、现代分子遗传学关于基因的 概念(一)、现代基因概念 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。(二)、基因的功能类型 根据基因的原初功能可以将基因分为：1.编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因。如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因。2.没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录
13、产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA的基因。3.不转录的DNA区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位。(三)、基因的几种特殊形式 1.重复基因：指在染色体组上存在多份拷贝的基因。重复基因往往是生命活动中最基本、最重要的功能相关的基因。最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。2.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。1977年 Sanger 对单链环状的噬菌体X174进行了测序。5386Nt 11 基因，3
14、个转录单位，由3个启动子（pA,pB,pD）启动。X174含有的5386Nt最多能编码1795个氨基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110，则总的蛋白质分子量为197,000Da，但实际蛋白质总分子量却为262,000D。将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因3.断裂基因（隔裂基因）早期分子遗传学认为基因是一个连续的、完整的结构。早期分子遗传学认为基因是一个连续的、完整的结构。1977年年Doel研究表明：研究表明：卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明（真核卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明（真核生物）基因的生物）基因的DNA序列可能是不连续的。序列可能是不连
15、续的。一个基因内部一个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。被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。外显子：参加蛋白质编码的外显子：参加蛋白质编码的DNA片段。片段。内含子：不参加蛋白质编码的内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段。片段。4.跳跃基因(jumping gene)又称为转座子(transposon)、转座因子、转位因子(transposable element)。转座子转位的过程也是一个遗传重组过程；转座子在染色体上转位可能会引起插入位置基因功能丧失(突变)，再次转位离开插入点时便会发生基因功能的恢复。5.5.假基因假基因(pseudogene)(pseudoge
16、ne)假基因:同已知的基因结构相似，处于不同的位点，因缺失或突变缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功是没有功能的基因能的基因。真核生物中的血红素蛋白血红素蛋白基因家族中就存在假基因。超基因 在一个基因簇内含有几百个功能相关的基因，这些基因簇又称为超基因（Super gene），如人类主要组织相容性抗原复合体和免疫球蛋白重链及轻链基因都属于超基因 超基因可能是由于基因扩增后又经过功能和结构上的轻微改变而产生的，但仍保留了原始基因的结构及功能的完整性。第二节 基因组与基因组学 基因组：生物细胞中单套染色体的所含DNA序列的全部组成。人类基因组：22条常染色体和X，Y染色体的DNA组成。基因组大小比
17、较 种类 Mb大肠杆菌 4.64啤酒酵母 12.1线 虫 100果 蝇 140蝗 虫 5000小 鼠 3300豌 豆 4800玉 米 5000小 麦 17000人 类 3000 C值悖论 生物体单倍体DNA总量称为 C值 生物的进化等级高，不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。进化地位高，结构复杂的生物与同类生物最小基因组比较，符合进化程度越高，生物基因组越大的规律。分类最小基因组支原体 0.58 X 106细菌 2.8 X 106酵母 3.0 X 107霉菌 5.5 X 107蠕虫 1.1 X 108昆虫 0.5 X 109鸟类 0.2 X 1010两栖类 0.1 X 1010哺乳类 2.8 X 1010 人类基因组研究的惊人发现 19号染色体是含基因最丰富的染色体，而13号染色体含基因量最少。目前已经发现和定位了26000多个功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能。人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”。在染色体上有基因成簇密集分布的区域，也有大片的区域只有“无用DNA”不包含或含有极少基因的成分。基因组上大约有14的区域没有基因的片段。353的基因包含重复的序列。这说明那些原来被认为是“垃圾”的DNA也起重要作用，应该被进一步研究。
