1、目目 录录 第七章第七章 基因精细结构遗传分析基因精细结构遗传分析n第一节第一节 基因概念基因概念n第二节第二节 重组测验重组测验n第三节第三节 互补测验互补测验n第四节第四节 缺失作图缺失作图n第五节第五节 断裂基因与重叠基因断裂基因与重叠基因n第五节第五节 基因功能基因功能目目 录录教学内容要点基因的概念、重组测验、互补测验、基因的概念、重组测验、互补测验、断裂基因与重叠基因、基因的功能断裂基因与重叠基因、基因的功能目目 录录难点重组测验、互补测验与基因的功能重组测验、互补测验与基因的功能目目 录录7.1 7.1 基因概念和精细结构基因概念和精细结构 7.1.17.1.1基因概念的发展基因
2、概念的发展(1)(1)遗传因子遗传因子(孟德尔）孟德尔）(2)(2)染色体是基因载体（摩尔根）染色体是基因载体（摩尔根）(3)DNA(3)DNA是遗传物质是遗传物质 （肺炎双球菌的转化实验）（肺炎双球菌的转化实验）(4)(4)基因是有功能的基因是有功能的DNADNA片段片段 （G.BeadleG.Beadle和和E.Tatum:E.Tatum:一基因一酶）一基因一酶）(5)(5)操纵子模型操纵子模型(Jacob(Jacob和和Monod)Monod)(6)(6)跳跃基因和断裂基因的发现跳跃基因和断裂基因的发现目目 录录表 7-1 眼成虫盘移植实验供体受体移植眼的颜色（1）+鲜红（2）+鲜红（3
3、）+cn鲜红（4）cn+鲜红（5）cn橙红（6）cn鲜红+鲜红的（bright red），v:桔黄色眼（vermilion），cn 橙红色眼（cimnabar），和暗红色眼（scarlet）。目目 录录目目 录录7.1.2基因的类别及其相互关系基因的类别及其相互关系 根据基因的功能和性质，分为根据基因的功能和性质，分为:(一一)结构基因（结构基因（structural genes）与调节基因（）与调节基因（regulatory genes）(二二)核糖体核糖体 RNA基因（基因（ribosomal RNA genes，简称，简称 rDNA）与转移与转移 RNA基因（基因（transfer RN
4、Agenes，简称，简称tDNA）(三三)启动子（启动子（promotor）与操纵基因（）与操纵基因（operator）前者是转录时前者是转录时RNA聚合酶与聚合酶与DNA结合的部位；后者是调节结合的部位；后者是调节基因产物阻遏蛋白或激活蛋白与基因产物阻遏蛋白或激活蛋白与DNA结合的部位，结合的部位，目目 录录v7.1.3 基因与基因与DNA 多数肽链由多数肽链由 150 300个氨基酸组成，按三联密码子，个氨基酸组成，按三联密码子，须有须有450900个核苷酸对编码，加上基因内不编码的核苷个核苷酸对编码，加上基因内不编码的核苷酸序列，一个基因约有酸序列，一个基因约有 5006 000个核苷酸
5、对。并非个核苷酸对。并非 DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。分子区段。特定核苷酸序特定核苷酸序列与其转录产物列与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链氨基酸序核苷酸序列或翻译产物多肽链氨基酸序列相对应就是基因列相对应就是基因,要同时测定某一段要同时测定某一段DNA的核苷酸序列和的核苷酸序列和相应产物的序列。相应产物的序列。目目 录录7.2 重组测验重组测验7.2.1 拟等位基因拟等位基因 黑腹果蝇红眼由一个显性基因控制，位于黑腹果蝇红眼由一个显性基因控
6、制，位于X染色体染色体上，果蝇眼睛还有许多其他颜色，如粉红色、杏色、伊上，果蝇眼睛还有许多其他颜色，如粉红色、杏色、伊红、象牙色和白色等突变型。红、象牙色和白色等突变型。早期研究认为控制这些眼睛颜色性状的基因是等位早期研究认为控制这些眼睛颜色性状的基因是等位的，之间是复等位关系。用的，之间是复等位关系。用“”代表野生型红色眼基代表野生型红色眼基因，因，wa代表杏色眼基因，代表杏色眼基因，w代表白色眼基因，当杏色眼代表白色眼基因，当杏色眼（w a wa）与白眼（）与白眼（w Y）果蝇杂交时，）果蝇杂交时，F1为杏为杏色眼，如果色眼，如果wa与与w 是等位基因，是等位基因，F应只有两种亲本表应只有
7、两种亲本表型，但在大量型，但在大量F1群体中约有群体中约有 11000野生型红眼果蝇。野生型红眼果蝇。红眼的出现不是突变，因为突变没有如此高频率。红眼的出现不是突变，因为突变没有如此高频率。目目 录录进一步研究证明杏色眼基因和白眼基因虽进一步研究证明杏色眼基因和白眼基因虽然在染色体上所占位置相同，即位于同一基因，然在染色体上所占位置相同，即位于同一基因，但属于不同位点，之间可发生交换。但属于不同位点，之间可发生交换。如杏色眼如杏色眼wa+/wa+x 白眼白眼w/Y，F1杏色杏色眼。眼。wa+/+w和和w a+/Y，F1雌蝇减数分裂时发雌蝇减数分裂时发生交换形成生交换形成+与与waw 配子，配子
8、，+配子与任何其配子与任何其他配子结合所形成的他配子结合所形成的F1个体均表现为野生型红个体均表现为野生型红眼果蝇，因而眼果蝇，因而F1群体中出现野生型个体。群体中出现野生型个体。目目 录录对杏色眼对杏色眼wa+/+w与野生型与野生型+/wa w两种个体两种个体进行比较发现进行比较发现,基因组成一样，但排列不同，基因组成一样，但排列不同，前者两个突变分别在两条染色体上，为反式前者两个突变分别在两条染色体上，为反式（trans）排列，后者则是两个突变同时排在）排列，后者则是两个突变同时排在一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均正常，为顺式（正常，为顺式（
9、cis）排列。）排列。目目 录录 反式排列表现为突变型，顺式排列为野生型。反式排列表现为突变型，顺式排列为野生型。这种由于排列方式不同而表型不同的现象称这种由于排列方式不同而表型不同的现象称为顺反位置效应（为顺反位置效应（cis-trans position effects），并将这种紧密连锁的功能性等位），并将这种紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因称为拟等位基因，但不是结构性的等位基因称为拟等位基因（基因（pseudoallele）。拟等位基因的发现）。拟等位基因的发现证明了基因的可分性。证明了基因的可分性。目目 录录7.2.2 噬菌体突变型噬菌体突变型SBenzer对大肠杆菌
10、噬菌体对大肠杆菌噬菌体 T4的的 r IIA和和 r IIB两两个基因的结构分析，证明了基因的可分性，基因内有个基因的结构分析，证明了基因的可分性，基因内有大量的突变子和重组子。大量的突变子和重组子。噬菌体的突变型可归为：噬菌体的突变型可归为：噬菌斑形态突变型：噬菌斑形态突变型：一些是由于侵染寄主后溶菌速一些是由于侵染寄主后溶菌速度的快慢而形成大小不同的噬菌斑（度的快慢而形成大小不同的噬菌斑（plaque）；另一）；另一些是由于被感染细菌是全部或是部分被杀死而形成清些是由于被感染细菌是全部或是部分被杀死而形成清晰或混浊的噬菌斑。晰或混浊的噬菌斑。目目 录录寄主范围突变型：寄主范围突变型：噬菌体
11、感染细菌时，首先吸附于细胞表面专一受噬菌体感染细菌时，首先吸附于细胞表面专一受体上，由受体基因控制，如果受体发生改变，可能使体上，由受体基因控制，如果受体发生改变，可能使噬菌体不能附着，从而该噬菌体的寄主范围缩小。另噬菌体不能附着，从而该噬菌体的寄主范围缩小。另外噬菌体突变也可扩大寄生范围。因为决定噬菌斑形外噬菌体突变也可扩大寄生范围。因为决定噬菌斑形态和宿主范围突变的基因在其基因组中相当狭窄的特态和宿主范围突变的基因在其基因组中相当狭窄的特定区段里，大多数基因涉及生命过程必不可少的功能，定区段里，大多数基因涉及生命过程必不可少的功能，所以上述突变通常是致死的。所以上述突变通常是致死的。目目
12、录录条件致死突变型：条件致死突变型：条件致死突变型在遗传学研究中具重要意义，通条件致死突变型在遗传学研究中具重要意义，通过这种突变已鉴定出噬菌体的大部分基因。过这种突变已鉴定出噬菌体的大部分基因。Benzer所用所用 T4的的 r II突变就是遗传学研究中所突变就是遗传学研究中所用的第一个条件致死突变型。用的第一个条件致死突变型。目目 录录T4噬菌体有多个迅速裂解突变型，分别称噬菌体有多个迅速裂解突变型，分别称为为 rl，r II，rIII等，它们位于染色体等，它们位于染色体 DNA的的不同区段，这不同区段，这 3组突变型由于在大肠杆菌不同组突变型由于在大肠杆菌不同菌株上的反应不同可以相互区别
13、。菌株上的反应不同可以相互区别。T4 r II突变使所侵染细胞迅速裂解形成大突变使所侵染细胞迅速裂解形成大噬菌斑，所以称为噬菌斑，所以称为 r II突变型。突变型。目目 录录 Benzer对对 r II区域的突变进行了分析：区域的突变进行了分析：r II突突变感染大肠杆菌变感染大肠杆菌 B菌株后迅速裂解，形成比野生菌株后迅速裂解，形成比野生型大的噬菌斑，从而从大量的型大的噬菌斑，从而从大量的rll+中筛选出中筛选出rll。另。另外外rll突变型感染带有原噬菌体的大肠杆菌突变型感染带有原噬菌体的大肠杆菌 K（）菌株时，不产生子代，而野生型菌株时，不产生子代，而野生型 T4 rII在大肠杆在大肠杆
14、菌菌K（）菌株中能正常增殖，由此也很容易在）菌株中能正常增殖，由此也很容易在rll噬菌体中检出噬菌体中检出rll+噬菌体，所以可检出两种不同的噬菌体，所以可检出两种不同的 rll突变型之间重组频率极低的重组子。突变型之间重组频率极低的重组子。目目 录录Benzer的噬菌体的噬菌体重组实验重组实验 Discovery of Recombination Within the Gene Benzer 以T4噬菌体为材料进行了研究工作，正式提出“顺反子”这个术语 rIIA mutant rIIB mutant单独感染E.coli K单独感染E.coli K混合感染E.coli K能正常生长不能正常生长
15、不能正常生长目目 录录Benzer 顺反子概念和基因内重组顺反子概念和基因内重组 Discovery of Recombination Within the Gene m 1rIIA Chromosome carring mutation 1m 2rIIA Chromosome carring mutation 2Recombination within the geneChromosome carring mutation 1 and 2Wild type Benzer将两个rIIA突变型对B株进行混合感染，再让释放的子代噬菌体感染K株。出现了野生型噬菌体。目目 录录 r 47 r47 r4
16、7 +r104 精细作图 r47 +r106 r47 +r102 B菌株 K菌株目目 录录该方法称重组测验（该方法称重组测验（recombination test），以），以遗传图方式确定突变子间的关系。遗传图方式确定突变子间的关系。该法测定重组该法测定重组频率极灵敏，即使在频率极灵敏，即使在 106 r II噬菌体中只出现一噬菌体中只出现一个个rII+重组子，也可通过感染重组子，也可通过感染E.coli K()菌株的平菌株的平板检查出来板检查出来.目目 录录7.3 互补测验互补测验7.3.1 互补测验原理和方法互补测验原理和方法 基础遗传学研究首先须有突变型，然后分基础遗传学研究首先须有突变
17、型，然后分析突变型间的关系。重组测验与互补测验是确析突变型间的关系。重组测验与互补测验是确定这种关系的两个基本方法。定这种关系的两个基本方法。重组测验以遗传图距确定突变的空间关系，重组测验以遗传图距确定突变的空间关系，而互补测验则是确定突变的功能关系。而互补测验则是确定突变的功能关系。目目 录录如如 rII区有区有 3 000多个突变型都有相同表型，多个突变型都有相同表型，这是由于所有的这是由于所有的r II突变都导致丧失合成突变都导致丧失合成E.coli K()发育所需要一种或几种蛋白质能力，这些发育所需要一种或几种蛋白质能力，这些突变型对突变型对E.coli K()寄主细胞致死，但可在寄主
18、细胞致死，但可在E.coli B菌株细胞中增殖。菌株细胞中增殖。既然它们有相同表型，是否它们都影响既然它们有相同表型，是否它们都影响同一种遗传功能？同一种遗传功能？rII中这中这3 000多个突变型是多个突变型是属于一个基因还是属于几个基因？为划分这种属于一个基因还是属于几个基因？为划分这种功能单位界线，要进行互补测验。功能单位界线，要进行互补测验。目目 录录用不同用不同rll突变型成对组合同时感染大肠杆突变型成对组合同时感染大肠杆菌菌K()菌株：菌株：如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体（也有少量重组型的噬菌因型的子代噬菌体（也有少量重组型
19、的噬菌体），那么必然是一个突变型补偿了另一个突体），那么必然是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，两个突变型称彼此互补变型所不具有的功能，两个突变型称彼此互补（complementation）。如果双重感染的细）。如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。有一个相同功能受到损伤。目目 录录互补测验斑点测试法（互补测验斑点测试法（spot test）用一种用一种 r II突变型以突变型以 0.1感染比（噬菌体感染比（噬菌体1/细细菌菌10）感染）感染E.coli K()菌株。噬菌体和细菌在温菌株。噬菌体和细菌在
20、温热的琼脂中混合，涂布在平板，琼脂凝固后在平热的琼脂中混合，涂布在平板，琼脂凝固后在平板上划出的一定位置上再加一滴含另一种板上划出的一定位置上再加一滴含另一种 r II突变突变型的培养基。在这一滴培养基范围内，一些细菌型的培养基。在这一滴培养基范围内，一些细菌会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌斑，证明这两种突变型互补，相反不能互补。在斑，证明这两种突变型互补，相反不能互补。在一个培养皿平板上可做一个培养皿平板上可做68个斑点试验。个斑点试验。目目 录录n该方法测定重组频率极敏感，重组检出率达该方法测定重组频率极敏感，重组检出率达1/106，理论
21、上，理论上可测得可测得0.002%的重组值，实际上所观察的最小重组频率为的重组值，实际上所观察的最小重组频率为0.02%。根据二点杂交的结果，可作成连锁图。根据二点杂交的结果，可作成连锁图。目目 录录互补测验结果发现，除一些缺失突变型外，互补测验结果发现，除一些缺失突变型外，rII突突变型可分成变型可分成 r IIA和和 r IIB两个互补群。两个互补群。rllA突变型的突变位点都在突变型的突变位点都在rll区的一头，是一个独区的一头，是一个独立的功能单位；所有立的功能单位；所有rllB突变型的突变位点都在突变型的突变位点都在rll区的区的另一头，也是一个独立功能单位。另一头，也是一个独立功能
22、单位。凡属凡属rIIA的突变之间不能互补；同理属于的突变之间不能互补；同理属于rllB的突的突变之间也不能互补，只有变之间也不能互补，只有rIIA的突变和的突变和rllB的突变间可的突变间可互补，双重感染互补，双重感染E.coli K()菌株后可产生子代。菌株后可产生子代。说明说明 r 11A和和 r 11B是两个独立的功能单位，分别是两个独立的功能单位，分别具不同的功能，但它们又是功能互补的，要在具不同的功能，但它们又是功能互补的，要在E.coliK()菌株中增殖，两种功能缺一不可。可见菌株中增殖，两种功能缺一不可。可见r II是由于这两种遗传功能丧失而成的。是由于这两种遗传功能丧失而成的。
23、目目 录录 r106 r51 +r106 +r51n 顺反测验 r47 106 +r47 +r106 K菌株 B菌株目目 录录目目 录录 顺式测验 反式测验 突 变 位 点在 同 一 顺反子内 A B +A B 突 变 位 点在 不 同 的顺反子内 +A B+A B 图 5-20 顺反测验结果的图解。当顺式有功能，而反式没有功能时，突变 位点突变位点在同一顺反子内；当顺式有功能，而反式也有功能时，突变 位点突变位点在不同顺反子内。目目 录录目目 录录 Benzer将不同突变间没有互补的功能区将不同突变间没有互补的功能区称为顺顺反子（称为顺顺反子（cistron）。一个顺反子就是）。一个顺反子就
24、是一个功能水平上的基因，因此常用顺反子作一个功能水平上的基因，因此常用顺反子作为基因的同义词。为基因的同义词。目目 录录如如 r II区里区里 r IIA是一个顺反子，是一个顺反子，rIIB另一个另一个顺反子。每个顺反子在染色体上的区域称为基顺反子。每个顺反子在染色体上的区域称为基因座，而每个基因座中有若干个突变位点，是因座，而每个基因座中有若干个突变位点，是顺反子内部能发生突变的最小单位。顺反子内部能发生突变的最小单位。DNA中每中每一核苷酸对改变都可引起多肽链中氨基酸改变，一核苷酸对改变都可引起多肽链中氨基酸改变，从而影响顺反子功能。它们本身没有独立的功从而影响顺反子功能。它们本身没有独立
25、的功能，在它们之间可以重组。能，在它们之间可以重组。由此可见顺反子既具有功能上的完整性，由此可见顺反子既具有功能上的完整性，又具有结构上的可分割性。又具有结构上的可分割性。目目 录录7.3.3 基因内互补基因内互补 互补测验中已知同一顺反子内两突变不能互补测验中已知同一顺反子内两突变不能互补，但有例外互补，但有例外:发生于同一基因内两个不同发生于同一基因内两个不同位点突变致使两条原来相同的多肽转变成两条位点突变致使两条原来相同的多肽转变成两条分别在不同位点上发生变异的多肽链，而后将分别在不同位点上发生变异的多肽链，而后将这两条多肽构成双重杂合子，两者配合起来，这两条多肽构成双重杂合子，两者配合
26、起来，可表现程度不同的恢复酶活性部位，称为基因可表现程度不同的恢复酶活性部位，称为基因内互补（内互补（intragenic complementation）。）。目目 录录基因内互补对互补测验存在一定干扰，通过研基因内互补对互补测验存在一定干扰，通过研究发现，基因内互补与基因间互补可区分开：究发现，基因内互补与基因间互补可区分开：基因间互补普遍存在，而同一基因内不同位点突基因间互补普遍存在，而同一基因内不同位点突变绝大多数不能互补，只有少数例外。变绝大多数不能互补，只有少数例外。基因内两个突变能互补的只能是点突变，无缺失，基因内两个突变能互补的只能是点突变，无缺失，突变一定是错义突变，不是无义
27、突变或移码突变；突变一定是错义突变，不是无义突变或移码突变；基因内互补作用的酶活性明显低于正常水平，最基因内互补作用的酶活性明显低于正常水平，最多只有野生型酶活性的多只有野生型酶活性的 25，形成的蛋白质常有，形成的蛋白质常有某种异常，如温度的稳定性或某种异常，如温度的稳定性或pH依赖性等。依赖性等。目目 录录7.4 缺失作图缺失作图7.4.1 缺失作图原理缺失作图原理 Benzer研究研究 r II突变型时发现一些突变由于核苷酸对发突变型时发现一些突变由于核苷酸对发生改变，称点突变生改变，称点突变(point mutation)。而另一些突变由于缺失。而另一些突变由于缺失相邻的许多核苷酸对，
28、称缺失突变相邻的许多核苷酸对，称缺失突变(deletion mutation)。尽。尽管两种突变形成相同表型效应，但有区别：管两种突变形成相同表型效应，但有区别：点突变是单个位点突变，缺失突变是多个位点突变点突变是单个位点突变，缺失突变是多个位点突变（multisitemutation）；）；点突变可发生回复突变，而缺失突变不可逆；点突变可发生回复突变，而缺失突变不可逆；点突变与其他点突变间可发生重组，而缺失突变同另一个点突变与其他点突变间可发生重组，而缺失突变同另一个点突变间不能重组，因为相应片段已缺失。这个杂交中没有点突变间不能重组，因为相应片段已缺失。这个杂交中没有一个基因组在这个点突变
29、位置上正确的核苷酸对，无法通过一个基因组在这个点突变位置上正确的核苷酸对，无法通过重组而恢复野生型核苷酸顺序。重组而恢复野生型核苷酸顺序。目目 录录7.4.2 缺失作图方法缺失作图方法 0.5ml 0.5ml E.coliE.coli B B菌株培养物加菌株培养物加1 1滴缺失型噬菌体和滴缺失型噬菌体和1 1滴滴待测待测r IIr II突变噬菌体，几分钟后取一滴菌液加在灭菌纸条突变噬菌体，几分钟后取一滴菌液加在灭菌纸条上，铺在长有上，铺在长有E.coliE.coliK(AK(A)菌株平板上，经培养如菌株平板上，经培养如目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录缺失作图须有一组重叠缺失突变系作工具
30、，缺失作图须有一组重叠缺失突变系作工具，把要测定的突变型和这一系列缺失突变型分别把要测定的突变型和这一系列缺失突变型分别进行重组测验。进行重组测验。凡能和某一缺失突变型进行重凡能和某一缺失突变型进行重组的，它的位置一定不在缺失范围内，凡不能组的，它的位置一定不在缺失范围内，凡不能重组的，它的位置一定在缺失范围内。重组的，它的位置一定在缺失范围内。Benzer所选择的一组缺失突变就将所选择的一组缺失突变就将rll区划分成区划分成47个片个片段，只需做十几个杂交，而且只要记录段，只需做十几个杂交，而且只要记录E.coli K()平板上是否出现重组体，就能将一个新的平板上是否出现重组体，就能将一个新
31、的 r II突变位点定位在突变位点定位在 r II区区 47个片段中。个片段中。目目 录录7.5 断裂基因与重叠基因断裂基因与重叠基因目目 录录7.5.1 外显子与内含子外显子与内含子 传统观点认为每一结构基因是一段连续的传统观点认为每一结构基因是一段连续的DNA序列。法序列。法国国Chambon（1977）和美国）和美国 Berget首次报道基因内部有间首次报道基因内部有间隔顺序隔顺序（space sequence）。提出断裂基因（）。提出断裂基因（split gene）概念。概念。指基因由几个互不相邻的段落组成，内部被长达数百个指基因由几个互不相邻的段落组成，内部被长达数百个乃至上千个核苷
32、酸对的间隔序列（内含子）隔开。乃至上千个核苷酸对的间隔序列（内含子）隔开。自从在猴自从在猴类病毒类病毒SV40和腺病毒中发现断裂基因以后，又发现珠蛋白基和腺病毒中发现断裂基因以后，又发现珠蛋白基因、卵清蛋白基因、免疫球蛋白基因、因、卵清蛋白基因、免疫球蛋白基因、tRNA基因、基因、rRNA基基因均是断裂基因。高等真核生物基因多数都有内含子，只有因均是断裂基因。高等真核生物基因多数都有内含子，只有少数基因没有内含子。原核生物的基因一般无内含子。少数基因没有内含子。原核生物的基因一般无内含子。目目 录录n 19771977年年FlavellFlavell和和JeffreysJeffreys将兔将兔
33、珠蛋白基因珠蛋白基因mRNAmRNA反转录反转录成成cDNAcDNA，然后再与，然后再与珠蛋白基因杂交，结果发现珠蛋白基因杂交，结果发现珠蛋白基珠蛋白基因片段比因片段比cDNAcDNA大两倍，说明大两倍，说明珠蛋白基因内部含有不属于珠蛋白基因内部含有不属于cDNAcDNA的片断，即不出现在的片断，即不出现在mRNAmRNA分子中的非编码序列。同年，分子中的非编码序列。同年，ChambonChambon对鸡输卵管的卵清蛋白基因做了同样的实验，并在电对鸡输卵管的卵清蛋白基因做了同样的实验，并在电子显微镜下观察，得到了直接证据和相同的结果：子显微镜下观察，得到了直接证据和相同的结果：目目 录录鸡卵清
34、蛋白基因（鸡卵清蛋白基因（ovalbumin gene）mRNA比该基因比该基因DNA短很多。用该短很多。用该mRNA与卵清蛋白与卵清蛋白DNA杂交，或者先以杂交，或者先以mRNA为模板反转录出互补为模板反转录出互补cDNA，然后用这种然后用这种cDNA与卵清蛋白与卵清蛋白DNA杂交，再用电子杂交，再用电子显微镜观察照相，结果表明显微镜观察照相，结果表明A、B、C、D、E、F和和G等等DNA序列在成熟的序列在成熟的mRNA中未能反应出来。中未能反应出来。目目 录录DNA是完整的，只是有些片段找不到可和它配对是完整的，只是有些片段找不到可和它配对的的mRNA，于是这段，于是这段DNA拱起来。拱起
35、来的拱起来。拱起来的DNA序列序列可能未转录，至少在成熟的可能未转录，至少在成熟的mRNA序列中没有这部分序列中没有这部分DNA的转录产物。的转录产物。将将DNA序列中被转录成为序列中被转录成为mRNA的片段称为外显的片段称为外显子（子（exon或或extron），而在成熟），而在成熟mRNA未转录的未转录的DNA区段为内含子（区段为内含子（intron）。）。卵清蛋白基因含卵清蛋白基因含7个内含子，将基因分隔为个内含子，将基因分隔为8个外个外显子，还有一前导序列。由此显子，还有一前导序列。由此Gilbert提出基因是由被提出基因是由被表达的外显子镶嵌在沉默的内含子中的一种嵌合体，表达的外显子
36、镶嵌在沉默的内含子中的一种嵌合体，而且内含子的核苷酸数量可比外显子多而且内含子的核苷酸数量可比外显子多510倍。倍。目目 录录7.5.2 断裂基因的意义断裂基因的意义 研究表明，真核生物基因中存在断裂基因具有研究表明，真核生物基因中存在断裂基因具有普遍性，那么在进化中又有什么意义？普遍性，那么在进化中又有什么意义？有利于储存较多的信息，增加信息量。有利于储存较多的信息，增加信息量。一个基因一个基因只转录出一种只转录出一种mRNA，但是一些断裂基因以不同剪，但是一些断裂基因以不同剪接方式可产生两种至多种接方式可产生两种至多种mRNA，编码，编码不同功能的不同功能的多肽。如多肽。如 SV40的同一
37、段的同一段DNA在一种情况下读成一在一种情况下读成一种蛋白质，在另一种情况下读成另一种蛋白质。种蛋白质，在另一种情况下读成另一种蛋白质。目目 录录有利于变异和进化。有利于变异和进化。虽然单个碱基改变有时虽然单个碱基改变有时可引起氨基酸改化而造成蛋白质变化，但很难可引起氨基酸改化而造成蛋白质变化，但很难产生重大改变而形成新蛋白质。如果这些单个产生重大改变而形成新蛋白质。如果这些单个碱基突变发生在密码子第三位上往往沉默，突碱基突变发生在密码子第三位上往往沉默，突变效应会大大降低。而断裂基因中如果突变发变效应会大大降低。而断裂基因中如果突变发生在内含子与外显子结合部位，就会造成剪接生在内含子与外显子
38、结合部位，就会造成剪接方式改变，结果使蛋白质结构发生大幅度变化方式改变，结果使蛋白质结构发生大幅度变化，从而加速进化。从而加速进化。目目 录录增加重组机率。增加重组机率。内含子可能不断增减造成内含子可能不断增减造成新的剪接方式。一方面形成新基因，另一方新的剪接方式。一方面形成新基因，另一方面在剪接过程中增加重组频率；同时断裂基面在剪接过程中增加重组频率；同时断裂基因中由于内含子的存在，基因长度增加，重因中由于内含子的存在，基因长度增加，重组频率也增加。组频率也增加。可能是基因调控序列。可能是基因调控序列。内含子可能在基因内含子可能在基因表达中有一定调控作用，在基因转录水平上表达中有一定调控作用
39、，在基因转录水平上以及在合成以及在合成mRNA以后的加工过程中起着调以后的加工过程中起着调控基因表达的作用。控基因表达的作用。目目 录录总之，断裂基因是具有十分重要的生物学意义总之，断裂基因是具有十分重要的生物学意义的，但是对它的功能还不是完全了解。的，但是对它的功能还不是完全了解。如：如：剪接作用是通过什么机制来识别内含子与外剪接作用是通过什么机制来识别内含子与外显子的结合特定位点？如果通过酶进行，那么显子的结合特定位点？如果通过酶进行，那么这种剪接酶是否有特异性？一种酶还是多种酶这种剪接酶是否有特异性？一种酶还是多种酶参予作用？参予作用？因为这种剪接必须十分准确，只要因为这种剪接必须十分准
40、确，只要切错一个核苷酸，就会使密码全部弄错。切错一个核苷酸，就会使密码全部弄错。目目 录录内含子是一次切除还是多次切除？切除的内含子是一次切除还是多次切除？切除的RNA命运又如何？是否可作为形成命运又如何？是否可作为形成mRNA的原料？的原料？内含子是如何形成？内含子是如何形成？有人认为一切生物原来都有人认为一切生物原来都有内含子，但原核生物由于基因组小，复制快，有内含子，但原核生物由于基因组小，复制快，内含子成为快速复制的包袱，因此逐渐失去；相内含子成为快速复制的包袱，因此逐渐失去；相反的看法认为生物体本来没有内含子，由于外显反的看法认为生物体本来没有内含子，由于外显子改组（子改组（shuf
41、fling）位置不准确而形成内含子。）位置不准确而形成内含子。这两种看法都有一定的旁证，但仍难作出正确判这两种看法都有一定的旁证，但仍难作出正确判断。这些问题都有待进一步研究。断。这些问题都有待进一步研究。目目 录录7.5.3 重叠基因（重叠基因（overlapping gene）的发现）的发现 重叠基因：重叠基因：两个基因的核苷酸序列完全重叠或部分重叠的情况，即一段核苷酸片段被两个基因重复使用的现象。19731973年哈佛大学年哈佛大学WeinerWeiner首次发现首次发现E.coliE.coli的的QQ病毒有两个基因编码蛋白质从一个起点开始。病毒有两个基因编码蛋白质从一个起点开始。197
42、71977年年SangerSanger测定出噬菌体测定出噬菌体xx174174核苷酸序列为核苷酸序列为5375bp5375bp（现（现53875387），它编码），它编码9 9种蛋白质的种蛋白质的aaaa长度长度明显超过明显超过5375bp5375bp能编码的能编码的aaaa最大数目，后来发现最大数目，后来发现了其基因组中有多种重叠的情况。了其基因组中有多种重叠的情况。目目 录录目目 录录（一）大基因内包含小基因。（一）大基因内包含小基因。如如 B基因完全包含在基因完全包含在A基因内；基因内；E基因在基因在D基因内，由于密码读框不同而得到不同蛋白质。基因内，由于密码读框不同而得到不同蛋白质。（
43、二）前后两个基因首尾重叠。（二）前后两个基因首尾重叠。如如D基因终止密码子最后一个基因终止密码子最后一个核苷酸是核苷酸是J基因起始密码子的第一个核苷酸；还有前后重叠两基因起始密码子的第一个核苷酸；还有前后重叠两个核苷酸，如个核苷酸，如A基因与基因与C基因之间就重叠两个核苷酸。基因之间就重叠两个核苷酸。（三）（三）3个基因之间三重重叠。个基因之间三重重叠。Shaw（1978）对噬菌体）对噬菌体 G4核核苷酸序列分析时发现苷酸序列分析时发现 3个基因间的三重重叠。个基因间的三重重叠。（四）反向重叠。（四）反向重叠。DNA双链都转录，密码读框相同，但方向不双链都转录，密码读框相同，但方向不同，所以形
44、成不同的蛋白质。不过这两者的转录相互干扰，表同，所以形成不同的蛋白质。不过这两者的转录相互干扰，表达一强一弱。达一强一弱。（五）重叠操纵子。（五）重叠操纵子。重叠基因不仅结构基因之间重叠，也有结重叠基因不仅结构基因之间重叠，也有结构基因与调控序列重叠，以及调控序列之间重叠，如大肠杆菌构基因与调控序列重叠，以及调控序列之间重叠，如大肠杆菌中的中的md和和ampC两个相邻的操纵子的重叠。两个相邻的操纵子的重叠。目目 录录 普遍认为重叠基因不仅能经济有效利用普遍认为重叠基因不仅能经济有效利用DNA遗传遗传信息量，信息量，“节约节约”碱基，而且更重要的是便于对基因碱基，而且更重要的是便于对基因表达起调
45、控作用。表达起调控作用。如如Trp操纵子中操纵子中imp基因翻译依赖于上游基因基因翻译依赖于上游基因trpE的翻译，称为翻译偶联（的翻译，称为翻译偶联（tanslational coupling）。因为）。因为 trpE的终止密码子与的终止密码子与imp的起始密的起始密码子重叠。这种重叠密码子是保证同一个核糖体对两码子重叠。这种重叠密码子是保证同一个核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。实验证明，翻译偶联是个连续基因进行翻译的机制。实验证明，翻译偶联是一种调控机制。一种调控机制。目目 录录已知噬菌体已知噬菌体MS2和猿猴病毒和猿猴病毒SV40都具都具有重叠基因。显然这些病毒可以用有限有重叠基因。
46、显然这些病毒可以用有限DNA执行更多的遗传功能，这是提高遗传执行更多的遗传功能，这是提高遗传物质效率的一种适应性表现。物质效率的一种适应性表现。目目 录录高等真核生物中也有重叠基因，一个基因高等真核生物中也有重叠基因，一个基因的内含子是另一个基因的编码序列。的内含子是另一个基因的编码序列。在果蝇中，编码果蝇蛹的角质层蛋白基因，在果蝇中，编码果蝇蛹的角质层蛋白基因，位于编码嘌呤代谢路线中一种酶基因的内含子位于编码嘌呤代谢路线中一种酶基因的内含子序列中。序列中。目目 录录近年来人的基因中也发现重叠基因。一种常近年来人的基因中也发现重叠基因。一种常染色体显性遗传病是由染色体显性遗传病是由I型神经纤维
47、瘤（型神经纤维瘤（NFI）基）基因引起。克隆该基因后分析发现它的第一个内含因引起。克隆该基因后分析发现它的第一个内含子中包含了另外子中包含了另外3个基因，其中两个基因编码产个基因，其中两个基因编码产生跨膜蛋白质，称生跨膜蛋白质，称EV12A基因和基因和EV12B基因；基因；另一个是编码少突细胞髓磷脂糖蛋白的另一个是编码少突细胞髓磷脂糖蛋白的OMGP基基因。与果蝇重叠基因不同，这些基因转录因。与果蝇重叠基因不同，这些基因转录NFI基基因转录的互补链；即因转录的互补链；即3个基因的转录方向与个基因的转录方向与NF基基因的转录方向相反。因的转录方向相反。目目 录录这里外显子和内含子的界线消失，对一些
48、基因这里外显子和内含子的界线消失，对一些基因这个序列是内含子，对于另一些基因却是编码产生这个序列是内含子，对于另一些基因却是编码产生蛋白质的外显子。内含子与外显子间的相互转换可蛋白质的外显子。内含子与外显子间的相互转换可能受到调控。人们对究竟什么信号决定基因转录的能受到调控。人们对究竟什么信号决定基因转录的方向等相关研究课题极感兴趣。方向等相关研究课题极感兴趣。重叠基因虽具一定适应意义，但也有不利的一重叠基因虽具一定适应意义，但也有不利的一面，如在重叠基因中，一个碱基的改变会引起几个面，如在重叠基因中，一个碱基的改变会引起几个基因的变化，可能导致严重后果。从这个意义上一基因的变化，可能导致严重
49、后果。从这个意义上一个生物的基因重叠越多，适应性越小，在进化中越个生物的基因重叠越多，适应性越小，在进化中越趋于保守。趋于保守。目目 录录7.67.6基因的功能基因的功能7.7.1.1人类先天代谢缺陷人类先天代谢缺陷人类苯丙酸代谢途径中的不同突变可引起不同人类苯丙酸代谢途径中的不同突变可引起不同的代谢病。的代谢病。尿黑酸氧化酶基因突变尿黑酸氧化酶基因突变黑尿病（黑尿病（aaaa）；酪氨酸酶基因突变酪氨酸酶基因突变白化病（白化病（cccc）；）；丙氨酸羟化酶基因突变丙氨酸羟化酶基因突变苯酮尿症（苯酮尿症（pppp）；）；目目 录录目目 录录n1941年年G.Beadle和和E.Tatum用链孢霉
50、为材料研究基因功能，提出用链孢霉为材料研究基因功能，提出一基因一酶假说。一基因一酶假说。n假设分离的假设分离的5 5种突变体种突变体1 1、2 2、3 3、4 4和和5 5不能合成生长所需物质不能合成生长所需物质G G，同时，同时该合成途径中该合成途径中A A、B B、C C、D D和和E E都是必需的都是必需的,可以用以下方法确定这些可以用以下方法确定这些物质的合成顺序：物质的合成顺序：由此可确定它们的合成顺序为：由此可确定它们的合成顺序为：E A C B D G E A C B D G 同时也可以确定几种突变体分别的突变位点为同时也可以确定几种突变体分别的突变位点为 ：5 4 2 1 35
