第二章 基因概念的演变与发展.pptx

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2基因的概念和演变,2.1基因概念的演变2.2基因的分子结构2.3核酸分子的空间结构2.4基因概念的多样性,2.1基因概念的演变,2.1.1早期的“基因”概念2.1.2经典基因概念2.1.3DNA是主要的遗传物质,2.1.1早期的“基因”概念,最早的关于遗传物质的解释融合遗传理论（Hippocrates，BC5世纪）：

父本精液与母本胚胎中的体液融合后，传递给后代并控制子代个体的性状表现。

双亲体液中集中了来自身体各部分的控制生物遗传的因素。

Aristotle（BC4世纪）：

残疾人的后代不一定是残疾者。

获得性遗传理论（Lamark1809）：

物种的形成是对环境的适应过程，环境对形态的改变一旦发生就可以获得并遗传给后代，使生物体逐渐转变为新种。

这种观点否认遗传物质的存在。

Darwin（1866）“泛生论”假说：

生物体一切性状的表现受控于体内各部位的各种泛生粒。

成为获得性遗传的理论支撑。

泛生论,种质论,Roux（1883）：

通过观察细胞有丝分裂和减数分裂过程的观察，提出遗传单元直线排列的染色体是遗传物质。

Weismann（1883）切割老鼠尾巴实验，否定了“泛生论”。

Weismann提出“种质论”（1885）：

多细胞生物的细胞可分为“体质”和“种质”。

生物体的性状表现是由各组织、器官的体质细胞控制的，而体质细胞是由种质细胞产生的。

种质虽不直接控制性状的表达，但可衍繁自身，世代相继，种质是连续的。

体质受到环境条件的影响而发生改变可能会导致性状的变化，但不会改变体质的基本特征，也不会遗传给后代。

2.1.2经典基因概念,1865年，Mendel提出遗传因子假说，但是35年之后才得到学术界的重视，这也标志着遗传学的诞生。

1910年，遗传学家Morgan提出连锁遗传规律，从而继承和发展了孟德尔的遗传学说。

1926年，Morgan在基因论里提出了“三位一体”的基因概念Morgan的学生Sturtevant在后来的研究修正了这个概念，他发现基因不是孤立地排列在染色体上的遗传实体，基因的表达显然受染色体状态的影响。

1955年，Benzer提出顺反子理论，从理论上修正了拟等位基因的概念，再次发展了经典的基因概念。

GregorMendel,1865年，Mendel将研究成果公布，却没有得到研究者的重视，但是，到了1900年，他的科学发现才被人们重新发现。

遗传因子假说奠定了现代遗传学的重要基础。

1909年，“Gene”单词由Johannsen创造以表述Mendel的“遗传因子”。

通过果蝇眼色突变性状的遗传实验发现了伴性遗传现象，他和他的同事们进一步通过大量的果蝇杂交实验又发现了遗传学的第三个基本规律-连锁遗传规律：

基因是以线性形式排列在染色体上，在染色体上占有一定位置；基因的传递同基因所在染色体的传递是连锁的。

Morgan,基因论中经典基因概念：

即基因是孤立地排列在染色体上的实体（不再是代表某种性状的抽象符号A，a，B，b），是具有特定功能，能独立发生突变和遗传交换的、“三位一体”的、最小的遗传单位。

Sturtevant对基因概念的修正,基因的剂量及位置效应和表观遗传学现象（epigenetics）：

基因不是一个孤立地排在染色体上的遗传实体,基因的表达不仅有计量效应，也有位置效应,基因的表达受染色体状态的影响。

等位基因,复等位基因（multiplealleles）：

当野生型（A）基因向不同方向发生突变形成不同状态的等位基因（a1,a2,a3），总称为复等位基因。

等位基因（allele）：

指的是野生型基因（A）发生突变后形成的突变基因（a），它与野生型基因位于同源染色体的同一基因座位上。

拟等位基因,拟等位基因：

紧密连锁、控制同一性状的非等位基因,1、突变体白眼果蝇w-w-与突变体杏仁色果蝇wawa杂交的F1代中，出现了1/1000高概率的红眼野生型个体2、不同糯玉米品系（wxwx）间杂交F1代花粉中发现了较高频率的非糯花粉粒（Wx），这种频率是恒定的。

Benzer对基因概念的修正,T4噬菌体RII突变使其不能侵染E.coliK12菌株，并且在侵染E.coliB菌株之后产生边缘清晰、圆形的大噬菌斑。

数百个突变体两两组合，侵染B菌株，然后采用影印法转移到K12培养皿中。

利用统计学分析并绘制遗传连锁图。

遗传重组实验,在具有功能互补效应的测验体系中，两突变位点是处于不同的非等位基因中。

反之，则处于同一等位基因中。

互补测验,利用杂合二倍体菌株野生型基因对突变型等位基因可以发生功能的互补特点，将带有不同突变位点的两个噬菌体同时感染K12菌株，构成双突变杂合二倍体，组成互补测验体系，以测定个突变位点所在的基因的等位性。

顺反子理论,基因（也即顺反子）是染色体上的一个区段，在一个顺反子内有若干个交换单位，最小的交换单位称为交换子（recon）。

在一个顺反子中，有若干个突变单位，最小的突变单位被称为突变子（muton）。

在一个顺反子的结构区域内，如果发生突变就会导致功能的丧失，所以顺反子（cistron）即基因只是一个具有特定功能的、完整的、不可分割的最小的遗传单位。

通过互补测验分析rII结构,顺反子理论,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。

顺反子理论的意义,将“三位一体”的经典基因概念修正为“一位一体”的基因概念。

动摇或否定了“拟等位基因”的概念：

拟等位是基因内部同位点的突变体，是复等位基因的不同成员。

全同等位基因（homoallele）：

在同一基因座位（locus）中，同一突变位点（site）向不同方向发生突变所形成的等位基因。

非全同等位基因（hetroallele）：

在同一基因座位中，不同突变位点发生突变所形成的等位基因。

2.1.3DNA是主要的遗传物质,1928-1944年,Avery肺炎双球菌遗传转化研究，证实了DNA是主要的遗传物质。

1950年，Chargaff发现了DNA组成的A=T，G=C，（A+G）/（T+C）=1的当量规律。

1952年，Hershey和Chase进行T2噬菌体的侵染实验，直接证实了DNA是主要的遗传物质。

1952年，Wilkins完成高质量的DNA纤维X射线衍射照片。

1957年，Watson和Crick提出了著名的DNA双螺旋结构的模型。

DNA携带遗传信息的方式,1、以中心法则为基础的结构基因遗传信息。

这种信息是通过转录RNA，翻译蛋白质而表达的以三联体密码子的方式编码，贮存在非模板链（有义链）的一级结构上，并具有兼并性。

2、调控基因选择性表达的遗传信息。

这种信息是一具有特定三维结构的调节蛋白（反式作用因子）与特定核苷酸序列的DNA区段（顺式作用因子）相结合，从而启动某结构基因特异性表达的方式而体现的，也具有遗传的兼并性。

DNA作为遗传信息的优点,信息量大,分子量大:

1KbDNA有41000种遗传信息稳定的双螺旋结构:

自我复制，利于突变，方便修复2脱氧:

稳定性好比RNA稳定有T,无U：

消除C突变为U带来进化中的负担和潜在危险,RNA也可以作为遗传物质,1956年，Gierer和Schraman分离了烟草花叶病毒（TMV）的蛋白质和RNA，并且用RNA接种烟草，产生典型的TMV侵染病斑，而蛋白质不具备这种能力。

蛋白质可以作为遗传物质吗？

朊病毒（Prion）引起羊疫病、人Kuru病和牛海绵状脑炎（疯牛病）。

Prusiner的出色研究：

朊病毒的繁殖是将自身PrPCS的分子结构信息通过与正常膜蛋白PrPC的结合，在分子伴侣的辅助下，传递给PrPC并将其转化为PrPCS的过程。

2.2基因的分子结构,2.2.1DNA和RNA分子的差异2.2.2DNA的双螺旋结构模型2.2.3DNA的变性与复性,核酸和脱氧核酸的分子组成,2.2.1DNA和RNA分子的差异,RNA核苷中的核糖为2非脱氧的OH基。

RNA分子的碱基中没有T（除tRNA中分子的TC环外），只有U。

RNA分子多为单链分子。

RNA分子的化学稳定性较差，易发生降解。

在以DNA为主要的遗传物质的生物中，DNA分子链长，数目少，而RNA分子链短，数目多。

2.2.2DNA的双螺旋结构模型,Watson和Crick：

DNA分子是由两条反向平行的多聚核苷酸链组成的，连酸骨架主链位于螺旋的外缘，A/T，G/C以氢键方式连接形成的碱基对堆积在螺旋内部，向右盘旋的B-双螺旋棒状实体。

双螺旋的骨架,脱氧核苷酸之间通过3，5磷酸二酯键将脱氧核糖5位和3位连接，形成螺旋体骨架。

碱基对和氢键,A/T，G/C配对，碱基对之间以N-H-N和N-H-O的供体-氢原子-受体方式形成氢键互补配对。

Waston键：

A/T之间以二氢键配对，G/C之间以三氢键配对。

B-DNA,螺旋直径：

2.0nm螺距：

3.4nm，包含10个碱基对，0.34nm/碱基对，相对于螺旋纵轴上升或下降了36度。

小沟：

小于180度大沟：

大于180度碱基顶部的极性基团裸露在大沟内，存在较多能够与蛋白质因子形成特异结合的氢键和供体与受体，加之大沟的空间大，能够提供蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性结合的概率与多样性远高于小沟，因而大沟往往是基因表达调控的重要位点。

影响双螺旋结构稳定性的因素,磷酸酯键：

强作用力（80-90kcal/mol），是连接核苷酸形成DNA双螺旋骨架的重要作用力。

也是促使DNA趋于稳定的主要因素。

氢键：

本质上是一种静电力，是作用力仅有4-6kcal/mol的次级弱键，加热即可使DNA双链解链。

但是由于DNA分子是成千上万对碱基对堆积的实体，许多弱氢键按一定的方向，成线性的连续排列和堆积形成的集合能是十分大的，成为促使DNA趋于稳定的主要因素。

细胞内生理条件：

0.2mol/LNa盐。

Na+围绕DNA有效的屏蔽带较强负电荷的两条核苷酸链上磷酸基团之间的静电斥力。

碱基堆积力：

在同一条核苷酸链中，相邻碱基间的疏水作用力和范德华作用力，也称为非特异性结合力。

碱基对之间的挤压、抵御可以使DNA分子的内能增加，碱基间有序排列的状态破坏，氢键作用力被减弱，会导致DNA双螺旋结构的不稳定。

2.2.3DNA的变性与复性,变性条件：

加热、极端溶剂、尿素、酰胺等有机试剂处理。

氢键和碱基堆积力受到破坏，双链解链。

变性和复性是可逆过程。

使DNA变性的方法,加温变性：

方便广泛，但是高温容易引起磷酸二酯键的断裂。

极端酸碱变性法：

pH11.3强碱变性，使DNA的氢键全部解除，完全变性为单链DNA。

变性剂处理法：

尿素、甲酰胺等。

DNA变性发生的检测方法,光吸收法：

碱基的嘌呤环和嘧啶环对260nm的紫外线具有强烈的吸收特征值。

50ug/mL双链DNA、单链DNA和游离脱氧核苷酸的溶液A260分别为1.00、1.37、1.60。

DNA增色效应：

在进行DNA热变性研究时，随温度升高单链状态的DNA分子不断增加而表现出的A260值递增的效应。

或者称为减色效应。

1：

双链DNA；2：

变性DNA；3：

核苷酸的紫外吸收,DNA分子热变性动态过程：

变性S形曲线。

Tm值：

增色效应达到最大值一半的温度定义为该DNA分子的变性温度或Tm值（meltingtemperature）,Tm值的定义,影响Tm值的因素,DNA分子的碱基组成DNA分子的碱基排列盐浓度DNA片段大小变性剂pH,大片段DNA分子之间，片段长短对Tm值得影响较小；而短于100个碱基的DNA分子之间，片段较短的Tm值较小,变性剂（尿素、酰胺）会与DNA分子中的碱基形成新的氢键，改变原有的A/T，G/C的配对关系，导致Tm值降低。

pH在5-9范围内，Tm值变化不大；pH5，DNA分子易发生脱嘌呤，在2-3范围内，碱基发生质子化（NH2NH3+）；pH=12，碱基中的酮基转变为烯醇基，减弱氢键，引起Tm值降低。

DNA分子的复性（renaturation）,DNA水溶液加热变性时，双螺旋两条链分开；如果缓慢冷却至低于Tm值25度条件下并维持较长一段时间，两条链可以完全重新结合成各原来一样的双股螺旋过程。

复性是变性的逆转。

但需要一定的条件，要在一定的盐浓度下缓慢降温。

影响DNA复性过程的因素,单链DNA的初始浓度C0,DNA分子中,核苷酸的排列状况（随机排列,重复排列）,2.3核酸分子的空间结构,主要内容：

2.3.1DNA的一级结构2.3.2DNA的二级结构2.3.3DNA的三级结构,2.3.1DNA的一级结构,DNA的一级结构是指由数量很多的A、T、G、C4种基本核苷酸，通过3、5磷酸二酯键连接的直线或者环形分子。

DNA一级结构的主要研究内容,DNA的一级结构是由核苷酸的序列体现的，它编码了结构基因的遗传信息。

特定调控区域的分布、组成也是一级结构研究的重要领域。

DNA序列测序,1975年Sanger发明核苷酸序列分析的“加减法”（引物延伸法）奠定了测序的技术基础,双脱氧末端终止法,测序技术的发展,第一代测序技术：

末端终止法。

第二代测序技术：

焦磷酸法。

Roche/454GenomeSequencerIllumina-solexaABI-SOLiDDover/Harvard-Polonator第三代测序技术：

基于纳米孔的测序技术。

一、二代测序技术比较,2.3.2DNA的二级结构,DNA二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。

通常情况下，DNA的二级结构分两大类：

右手螺旋：

B-DNA；A-DNA。

左手螺旋：

Z-DNA.,

（1）B-DNA分子及其不同形态,Wilkins和Franklin制备高清晰的小牛胸腺DNA纤维的X射线衍射图。

Watson和Crick揭示了DNA二级结构：

右旋B-DNA双螺旋结构模型。

二级结构的不同形态,常见形态：

线型（L型），环型（C型）。

特殊形态：

分支型（B型），叉型（Y型），置换型（D型），发夹型（H型），扭结型（K型），环突型（R型），三股螺旋，四股螺旋。

（2）A-DNA分子,当DNA钠盐纤维在相对湿度为92%时，所处的状态为B-DNA。

当DNA钠盐纤维相对湿度为75%时所处的状态就叫A-DNA。

A-DNA所形成的右手螺旋比B-DNA较大且较平，每旋转一圈的螺距为2.8nm，每圈包含11个碱基对，直径为2.55nm，每对碱基转角为33，碱基平面与轴夹角为20，这样使A-DNA的大沟窄而极深，而小沟浅,（3）左旋Z-DNA分子,1978年AlecxanderRich对人工合成poly（dG-dC）6核苷酸结晶进行了X射线衍射分析，发现其呈现左旋Z型双螺旋结构。

主要特征：

12碱基/螺旋，螺距4.46nm，直径1.8nm；脱氧嘧啶核苷取反式构象，脱氧嘌呤核苷取顺式构象。

DNA分子构型的比较,B-DNA与Z-DNA的动态转变,Poly（dG.Br-dC）：

dG的C8被Br取代。

Poly（dG-dm5C）：

dC第五位发生甲基化。

B-DNA,B-DNA,B-DNA,生理条件下B-DNA和Z-DNA的转变,Z-DNA在较低生理盐浓度条件下，Z-DNA的两条核苷酸链相距较近，链上磷酸基团间静电斥力没有得到完全屏蔽，导致其稳定性较差。

但是Z-DNA与较多带正电荷蛋白质结合并在被结合的局部DNA区域引入较高的离子强度，细胞内丰富的dm5C，细胞内的Br原子和DNA分子的超螺旋结构等促进Z-DNA形成和稳定。

在基因表达调控区内形成Z-DNA的序列，可通过与特异蛋白结合，发生甲基化修饰或形成超螺旋结构方式直接参与基因表达的调控。

2.4基因概念的多样性,主要内容：

2.4.1生物进化的C值矛盾2.4.2重叠基因2.4.3重复基因2.4.4间隔基因2.4.5跳跃基因或转座子2.4.6假基因,2.4.1生物进化的C值矛盾,大C值：

某生物单倍体基因组DNA的核苷酸数。

小c值：

受中心法则限定，编码结构基因DNA的核苷酸数。

C值矛盾,A生物体进化程度高低与大C值不成明显正相关,B亲缘关系相近的生物大C值相差较大,C一种生物内大C值与小c值相差极大（Euk.人体c=C/10）（Prok.x174cC）,2.4.2重叠基因,基因重叠：

不同的基因功能共用一段相同的DNA序列。

1977年，Sanger对X174基因组序列和基因产物分析，发现了基因内基因现象，即基因重叠。

400Nt800NtAUG-UGA-UAA,UGA,UAG易被漏读，错读UAA能严格终止,14KdCP97%,38KdIP3%,QRNAvirus（1973.A.Weiner）,RNA,X174的B基因和K基因重叠在A*基因内。

它们以不同的读码框架进行识读和翻译。

-AUG-TCAUGCCCAA-AUGAGGC-,Vp2Start,（SV40病毒）,Vp1Start,Vp3Start,选择不同的起始密码,重叠基因的类型,反向重叠基因：

编码在同一DNA区段不同极性单链上的重叠基因。

同向重叠基因：

编码在同一DNA区段同一极性单链上的重叠基因。

重叠基因的生物学意义,a）原核生物进化的经济原则（较小的C值编码较多的基因信息）,b）提高蛋白质疏水性,以增强生物体自然选择的适应性,密码子进化理论认为;,NYR多为Hydrophobicaminoacid,改变蛋白质性能,原始密码子多为RNYRNYRNY,RNYRNYRNY,+1移码,进化,2.4.3重复基因,按照C0t（1/2）值的大小，重复拷贝数的多少将重复序列分为：

（1）中度重复序列

（2）高度重复序列,

（1）中度重复序列,主体rDNA,特点,拷贝重复，多量,序列多为相似,排列成束成串（串联基因）,功能完全相同,具有进化的整体性，累积突变,

（2）高度重复序列,分布于着丝点,端粒区,结构基因两侧,104bp片段,CsCl密度梯度离心,原核生物,重复序列形成的假说,滚环扩增-突变,跳跃复制,不对称交换,2.4.4间隔基因,人呼吸道病毒腺病毒2Hexoncp基因mRNA和DNA杂交,鸡卵清蛋白基因DNA与mRNA分子杂交,间隔基因：

真核生物的结构基因是由若干外显子和内含子序列相间隔排列组成。

外显子：

DNA上与成熟mRNA对应的核苷酸区段，或结构基因在DNA中的氨基酸编码区，或间隔基因中的非间隔区。

内含子：

指结构基因中可转录但是在mRNA成熟前又被剪切的核苷酸区域，即DNA与成熟mRNA中的非对应区段，或结构基因在DNA中的氨基酸非编码区，或间隔基因中的间隔区。

概念,（核内不均一RNA）,间隔基因的普遍性,不仅绝大多数结构基因是间隔基因，rDNA和tDNA也是间隔基因。

间隔基因是真核生物的主要结构形式，但是原核生物中也存在间隔基因。

某些低等真核生物的线粒体以及叶绿体中也发现了间隔基因。

外显子和内含子的共同性质,间隔基因的外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNA产物中的排列顺序是相同的。

某种间隔基因在所有组织中都具有相同的内含子成分。

核基因的内含子通常在所有的可读框中都含有，一般没有编码功能。

大多数内含子上发生的突变不影响蛋白质的结构。

间隔基因概念的相对性,内含子并非都不编码蛋白质酵母细胞色素b的基因内含子II。

外显子并非都编码蛋白质人尿激酶原基因外显子I并非真核生物所有的结构基因都为间隔基因Histone基因家族、Interferon基因和酵母中多数基因。

间隔基因的形成假说,内含子先存论,内含子后生论,间隔基因在进化中的意义,有利于生物遗传的相对稳定增加变异概率，有利于生物的进化扩大生物体的遗传信息储量利用内含子进行代谢调节,2.4.5跳跃基因或转座子,1947，提出了DNA转座的现象。

1983年，获得诺贝尔生理医学奖。

BarbaraMcClintock,McClintock的研究成果,Ds断裂导致无着丝粒片段丢失。

显性标记丢失，表型改变,融合-断裂-桥循环,转座子引起玉米籽粒色斑表型改变,转座发生在玉米籽粒发育期间，出现在糊粉层上色斑的大小、斑点的多少由转座事件发生的频率与时间决定。

McClintock的研究成果,McClintock的研究成果,ciCI,Ds不能自行引发染色体的断裂，受Ac因子控制,回复突变,CIci,转座子的概念及分类,转座子:

在基因组中可移动的一段DNA序列。

转座：

一个转座子从基因组的一个位置转移到另一个位置的过程。

原核生物,插入序列（insertionsequence，IS）转座因子A家族（transposon，TnA）复合型转座子（compositiontransposon）转座噬菌体,真核生物,剪贴式转座因子（cut-paste）反转录转座子（retro-transposon）,转座子的转座机制的基本特点,转座过程不依赖供体位点与靶位点间序列的同源性转座插入的靶位点并非完全随机，具有插入热点的专一性和区域优先性某些转座因子（Tn3）对同类转座子的插入具有排它性（免疫性）转座事件发生后，靶序列在转座因子两侧会形成正向重复原核生物的转座事件具有极性突变效应转座因子的切除与转座产生复杂遗传学效应,转座因子的遗传效应,

（1）诱变效应：

基因表达关闭或下降，或改变结构基因，或产生极性突变效应。

（2）切除效应：

转座子切除可引起抗性基因丢失，准确切除可以引起回复突变，非准确切除可引起DNA缺失。

（3）双转座效应：

外显子改组。

（4）位置效应：

带增强子的转座子可增强靶位点基因表达，带启动子，则可启动靶位点基因表达。

（5）转座爆炸：

长期处于沉默状态的转座子再某种自然环境下，可能同时进入激活状态，产生大量突变个体，引起物种进化。