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第一章 基因和基因组及基因工程的概念 第一节 基因的概念 第二节 基因组 第三节 基因工程的定义和研究内容 第四节 基因工程的发展史.

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1 第一章 基因和基因组及基因工程的概念 第一节 基因的概念 第二节 基因组 第三节 基因工程的定义和研究内容 第四节 基因工程的发展史

2 第一节 基因的概念 一、基因与 “ 遗传因子 ” 二、基因与染色体 三、基因与蛋白质 四、基因与 DNA 五、基因密码的破译 六、基因的概念 七、基因的新概念

3 一、基因与 “ 遗传因子 ” 对遗传物质基础的认识有个发展过程,孟德尔 ( G.Menodel )在 1857 ~ 1864 年以豌豆为材料 进行杂交实验的研究中, 提出 “ 遗传因子 ” 决定和 控制着生物体的各种性状。孟德尔 ( G.Menodel ) 1909 年丹麦生物学家 W.Johannsen 为了强调 “ 遗 传因子 ” 与生命的关系, 他根据希腊 “ 给予生命 ” 之义的词 “gene” (基因)创造性地用 “gene” 这个 术语来代替 “ 遗传因子 ” 。基因这个词当时被用 来描述遗传性状,但对基因的物质概念还未能 认识,只是遗传的一个符号。

4 孟德尔的豌豆杂交试验 遗传因子是成对的,一个来自父本,一个来自母本,形 成配体时彼此分开,在性细胞中是成单的,杂交子一代 各自保持独立和纯一状态,形成配子时又彼此分开,互 不混杂,完整地传给后代,雌雄配 子结合有等同随机结合的机会。 圆形种子+皱形种子 杂交第一代 ( 均为圆形 ) 回交 圆形豆 皱形豆 5474 粒 1850 粒 3 : 1 黄色图形+绿色皱形 黄色图形+绿色皱形 杂交第一代 ( 均为黄色圆形 ) 回交 黄色圆形豆黄色皱形豆绿色圆形豆绿色皱形豆 315 粒 121 粒 108 粒 32 粒 9 : : : 3 31

5 二、基因与染色体 1910 年~ 1926 年, 美国的摩尔根( T.H.Morgan ) 选用果蝇做研究材料 ,发现了基因连锁和交换 现象 ,创立了遗传的染色体理论 ( Chromosomol theory of inheritance ) ,绘制 了基因连锁 图, 接受了孟德尔的遗传原理, 指出 遗传物质必须由某种独立的要素组成, 即遗传因 子或叫做基因。从而证明了基因是位于染色体 上呈直线按顺序排列的遗传单位,基因是携带 遗传信息的结构单位,又是控制遗传性状的功 能单位 。摩尔根( T.H.Morgan )

6 摩尔根果蝇杂交试验 有 4 对染色体,一对小粒状, 2 对 V 形,一对呈棒 状 XX 或 XY (性染色体) X 1 X 2 (红眼) +X W Y (白眼) (野生型) (突变型) 杂交子一代(雌雄均为红眼) X 1 X W , X 1 Y , X 2 X W , X 2 Y X 1 X 1 , X 1 Y , X W X 1 , X W Y , X 2 X 1 , X 2 Y , X W X 2 , X W Y ¼ 为红眼雄性及白眼雄性

7 三、基因与蛋白质 1941 年 G.W.Beadle 和 E.L.Tatum 应用 X 射 线诱导链孢霉菌( Newospore crassa )在 DNA 损伤修复后, 产生了大量营养缺陷性 突变体, 提出了 “ 一个基因一种酶 ” 学说, 后 来又修正为 “ 一个基因一种蛋白质 ” 的学说, 或 “ 一个基因一种多肽链 ” 学说。

8 四、基因与 DNA 1928 年美国 O.T.Avery 首次证明了控制遗 传特性的物质是 DNA, 而不是蛋白质, 染 色体上的基因为 DNA 分子。 1953 年 J.watson 和 F.Crick 根据碱基配对规 律和 DNA 分子的 X 射线衍射图谱等实验, 提出了 DNA 分子的双螺旋结构。 1958 年证明了 DNA 半保留复制和 DNA RNA 蛋白质合成的中心法则(如图)。如图

9 遗传中心法则

10 五、基因密码的破译 1961 年 F.Crick,S.Brenner, M.W.Nirenberg, H.G.Khorana 等确立了每三个核苷酸可作为决 定一个氨基酸的密码子。密码子 1964 年 64 种三联密码子全部被破译公布。 64 种 密码子中有 61 个密码子可用于编码 20 种氨基酸, 有 3 个密码子为终止信号, 只表示链的终止, 不 表达任何氨基酸。其中 AUG 为启始密码子,并 具有通用性、偏爱性和简并性。简并性

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12 遗传密码的兼并性

13 六、基因的概念 按照分子生物学理论,基因的概念应当是指编 码有功能蛋白质多肽链或 RNA 分子所必需的全 部核酸序列(即 DNA 序列)。根据这个概念, 一个基因不仅含编码蛋白质肽链或 RNA 分子的 核酸序列, 还包括保证转录所必需的非编码的 调控序列即位于编码区上游 5’ 端的启动子非编 码序列、内含子( intron )和位于编码区下游 3’ 端的终止子非编码序列。编码区是发挥基因功 能的结构基因(或功能基因),而起调控、启 动和终止作用的非编码区属于调控基因。

14 七、基因的新概念 1 、移动基因 2 、断裂基因( split gene ) 3 、重叠基因 4 、假基因 5 、重复序列及重复基因

15 1 、移动基因 移动基因( movable gene )又叫转位因子 ( transposable elements ), 由于它可以在染色体 基因组上移动,甚至可在不同染色体间跃迁, 故又称跳跃基因( jumping gene ), 这种基因是 J.A.Shapiro 在研究大肠杆菌高效突变时发现的。 有三种类型: 1. 插入序列( insertion sequences, 简称 IS ),其长度为数百个到数千个碱基对之 间(如图 1-1 ) 。 2. 转位子( Tn) ,即两侧的 IS 和一个中心序列(带有遗传信息) 3. 噬菌体 Mu 和 D108 ,其转位作用如图 1-2 。图 1-1图 1-2

16 2 、断裂基因( split gene ) 在真核细胞中的核苷酸序列中间插入与 氨基酸编码无关的 DNA 间隔区段,使一 个有功能的结构基因分隔成不连续的若 干区段,将这种编码序列不连续,有间 隔区段的 DNA 片断称为断裂基因。这种 非编码间隔区段 DNA 称间隔子(内含 子),有转录和编码功能的编码序列称 表达子。原核细胞无内含子。其二者 mRNA 剪辑作用如图 1-3 , 1-4 , 1-5图

17 3 、重叠基因 不同基因的核苷酸序列有时为相邻两个 基因共用,将核苷酸彼此重叠的两个基 因称为重叠基因( overlapping genes ), 在  174 噬菌体有两种类型的重叠基因(图 1-6 )。图 1-6

18 4 、假基因 在珠蛋白基因簇( gene cluster )各片断核 苷酸序列分析时发现,除了有正常的功 能基因之外,还有功能失活的特殊序列 片断,它不能行使表达功能。该类无表 达功能的畸变核苷酸基因序列片断,称 为假基因。其产生原因如图 1-7 、 1-8图

19 5 、重复序列及重复基因 几乎所有的真核细胞(酵母除外)的基因组 DNA 中都具有重复序列( repeated sequence ), 它无转位移动能力,因此它区别于转位作用的 IR ( inverted repeat )。 IR 是指序列的重复性。 但无基因序列的交叉重叠性,故不同于重叠基 因序列。重复序列可分为四种类型: (1) 不重复序列,是唯一的序列,只有一个拷贝。 (2) 低度重复序列,一般有 1-10 个拷贝。 (3) 中度重复序列,有数十至数万( 10 5 )拷贝。 如图 1-9 、 1-10图 (4) 高度重复序列 拷贝数可达 10 6 以上, 包括卫星 DNA 、高丰度 SINE 家族的 Alu 序列 。卫星 DNA

20 第二节 基因组 “ 基因组 ” 是表示某物种单倍体的总 DNA ,对 于二倍体高等生物其配子的 DNA 总和即为一组基因 组。不同生物基因组数目不同,如表

21 研究得较多的为以下三类基因组: 一、病毒基因组病毒基因组 二、细菌基因组细菌基因组 三、真核生物基因组真核生物基因组

22 第三节 基因工程的定义和研究内容 基因工程的定义 通常是指 在体外把核酸分子(基因) 组合到特定的载体上(病 毒,质粒,噬菌体等)并 使之进入(或导入)到原 来没有这类分子的宿主体 内,能使基因在宿主内繁 殖或表达生物活性物质。 基因工程的核心内容是重 组 DNA 技术,还包括体外 DNA 突变,体内基因操作 以及基因的化学合成等。

23 第四节 基因工程的发展史 一、四大里程碑四大里程碑 二、三大技术发明三大技术发明 三、基因工程的诞生基因工程的诞生

24 病毒基因组 特点: 1. 结构简单,无细胞结构,基因组为 DNA 或 RNA 组成,有双链 / 单链,环状 / 线状。 2. 有调控元件和转录 元件组成,转录元件可转录成为多顺反子 mRNA 。 3. 有 重叠基因。 4. 逆转录病毒( RV )可使 RNA 变 cDNA 其结 构如图,具 U3RU5 的长末端重复序列( LTR ),具随机 整和能力,可用作病毒载体。

25 细菌基因组 约有三千个基因,无内含 子,为双链 DNA ,但无核 仁、核膜,多为单拷贝, 无重叠基因,有多种功能 调控区,有复制起始区、 终止区、转录起始区,终 止区常有反向重复序列。 另外有质粒存在,质粒可 作为载体。

26 真核生物基因组 特点:大而复杂,为双倍体,有低中高重复序 列,多为断裂基因,基因组中非编码区多于编 码区(占 90% ),大多于蛋白质结合形成染色 体, DNA 占 35% , RNA 占 5% ,其余为蛋白质 (组蛋白或非组蛋白) 与 C 值矛盾:一般高等生物的全部 DNA 量(称 C 值)均大于低等生物,但某些植物或两栖动 物的 C 值比人高出几十倍,这种与进化复杂性 不一致的 C 值反常现象称为 C 值矛盾。 类型 多基因家族

27 四大里程碑 1. 遗传物质的明确 ——DNA 2.DNA 双螺旋结构理论(半保留复制及其 中心法则) 3. 基因遗传密码子的破译 4. 基因转译载体的发现

28 三大技术发明 1. 工具酶的发明:内切酶、合成酶、连接 酶 2. 基因合成和测序(合成仪、测序仪) 3.PCR 技术( PCR 扩增仪)

29 基因工程的诞生 1972 年是基因工程的诞生之年。美国斯坦福 大学 P.Berg 将 SV40 的 DNA 导入噬菌体载体 在大肠杆菌中获表达。 S.Cohen 等人将抗四 环素、新霉素基因的质粒转化大肠杆菌,获 得抗四环素,抗新霉素重组菌落,从而揭开 基因工程的序幕。

30 类型 1. 单拷贝序列:人类约占 60%~65% 2. 中度重复序列:长短 300~700bp ,重复次数达 10 5 。通常为 Alu 、 Kpn Ⅰ、 Hinf 、 rRNA 、 tRNA 、组蛋白基因等。 3. 高度重复序列: – 卫星 DNA 及微卫星 DNA – 反向重复序列:人类约占 5% ,长度 300bp 在复性 时,若有间隔序列,可形成发夹结构,若无间隔 序列,可形成回文结构,可能与复制、转录调控 有关。

31 多基因家族 指来源相同,结构相似,功能相关的基 因在染色体上成串存在,形成多基因家 族。如 rRNA 、 tRNA 、组蛋白基因等为 成串的,干扰素、珠蛋白、生长激素等 为分散的。

32 卫星 DNA 卫星 DNA 又称随体 DNA ,由 CsCl 超速离心后,分散在主峰旁,形似 卫星分布而称之。一般 5-10bp 短序 列,人类为 171bp ,保护和稳定染 色体。 近来又发现微卫星 DNA ,又称简 单重复序列,一般由 1-6bp 的串联 重复单位组成,有 2bp 、 5bp 、 6- 7bp 不等,以 2bp 为常见。人类基 因组中 2bp ( ≥14 )的重复序列呈 高度多态性。采用限制性长度多态 性( RFLP )分析,可用于基因连 锁的遗传标记,广泛用于诊断。

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