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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1.1865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。2.1910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。3.1926年，Morgan在《基因论》里提出了“三位一体”的基因概念4.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。5.1955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。每个性状由定位在染色体上的遗传因子控制，并提出了遗传因子的分离与自由组合的两大遗传规律。遗传因子假说GregorMendel1865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a1a1a2a2×a1a2a1a2P配子F1传统基因概念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rII4710410110310510651102A基因B基因顺反子理论顺式测验反式测验突变在同一顺反子内突变在不同顺反子内当顺式有功能，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。rII4710410110310510651102A基因B基因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。RNARNA蛋白质蛋白质1957年，Fraenkel-Conrat和Singre进行了TMV重建实验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TΨC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pHMarmur-Doty公式：Tm=69.3+0.41×(G+C)%(G+C)%=(Tm-69.3)×2.44限定条件：30-70%（G+C）含量1倍SSC缓冲液在A、T、G、C随机分布的情况下，（G+C）含量愈高的DNA分子，Tm值越大。A/T集中区域，可形成变性