第二章基因的概念及发展

分子生物学第二章基因的概念及发展Theconceptanddevelopmentofgene什么是基因（gene）？基因是原核、真核生物以及病毒的DNA和RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位和突变单位以及控制性状的功能单位。基因调控基因结构基因2001Humangenomesequenced早期概念经典概念基因概念的发展基因概念的多样性一、早期的基因概念1.融合遗传理论(BlendingInheritance,Hippocrates,希波克拉底,公元前460-375)基本论点：遗传因子或遗传物质相遇的时候，彼此会相互混合，相互融化，而成为中间类型的东西。2.获得性遗传理论(Inheritanceofacquiredcharacteristics,Lamarck,拉马克,1809)物种的形成是对环境的适应过程，后天所获得的性状(character)可以遗传给下一代。例如长颈鹿的祖先是短颈的，因为地上的草不够，它们需要伸长颈部去吃树上的叶，那么下一代的颈就会变长。如此一代一代伸长下去，就变成今天的长颈鹿。用进废退否定遗传物质的存在3.泛生论假说（hypothesisofthepangenesis,Darwin,1866）体内的各类细胞中，均具有代表其自身的胚芽。杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，胚芽随血液循环到达生殖细胞，并传递给后代。4.种质论（Theoryofgermplasm,Weismann，1885）多细胞生物的细胞可分为“体质”和“种质”后天获得性只能改变体质（Somatoplasm,体细胞），无法改变种质（Germplasm,生殖细胞）只有种质才能遗传这一学说为日后的染色体遗传理论和基因学说的建立提供了基本的理论框架，使Weismann成为现代遗传学的伟大先驱5.遗传因子假说（Hypothesisoftheinheritedfactor,MendelGJ,1865)遗传性状由遗传因子决定遗传因子成对存在生殖细胞中具有成对因子中的一个每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞形成生殖细胞时，成对因子相互分离生殖细胞的结合是随机的遗传因子有显隐性之分孟德尔定律：分离定律（Lawofsegregation）自由组合定律（Lawofindependentassortment）否定了融合遗传、泛生论及获得性遗传理论为颗粒遗传理论（particulatethearyofinheritance）奠定了基础1900年，孟德尔定律被重新发现1879年德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体。1903年美国细胞学家萨顿发现了遗传因子与染色体的平行关系，提出了遗传的染色体学说。TheoryoftheGeneThomasHuntMorgan1926二、经典的基因概念（classicaltheoryofgene）遗传因子基因（gene）经典基因概念•基因是染色体上的实体•基因象念珠(bead)状孤立地呈线性排列在染色体上•基因是“三位一体”(Threeinone)交换(cross-overunit)突变(mutationunit)功能(functionalunit)“三位一体”的最小的不可分割的基本的遗传单位♣交换单位：基因间能进行重组，而且是交换的最小单位。♣突变单位：一个基因能突变为另一个基因，产生等位基因。Aa♣功能单位：控制有机体的性状。(1926T.H.Morgan)ALFREDHENRYSTURTEVANTNovember21,1891—April5,1970三、基因概念的发展1.位置效应（positioneffect）一个基因随着染色体畸变而改变它和邻近基因的位置关系，从而改变了表型效应的现象称位置效应。--可能是随着位置的改变也改变了和5′端调控元件的关系和距离，从而影响了基因的表达。果蝇的复眼数目野生型果蝇的复眼大约由779个左右的红色小眼所组成Positioneffectsongeneexpression.PositioneffectscanbeobservedfortheDrosophilawhitegene.Wild-typeflieswithanormalwhitegenehaveredeyes.(AfterL.L.SandellandV.A.Zakian,TrendsCellBiol.2:10-14,1992.)(euchromatin,常染色质)异染色质IllustrationofthedifferentsizesofcompoundeyesofthefemaleDrosophilamelanogasterascausedbythevaryingnumbersoffacets.Thesizeoftheeyeisinfluencedbythepositioneffect果蝇的X染色体上16A区段果蝇眼面大小遗传的剂量效应和位置效应7793584525682.拟等位基因（pseudoallele）概念染色体上紧密连锁，控制同一性状的非等位基因ABbaABabAbaB与等位基因的区别？野生型突变型野生突变型突变野生型自然分离重组交换3.顺反子理论野生型（wildtype）突变型（mutationtype）根据表型标准被认为是两个等位基因的突变型可以发生重组得到野生型顺式排列（cis）：两个拟等位基因在同一条染色体上，另一条同源染色体的相对位置上排列着野生型基因，表现为野生型。反式排列（trans）两个拟等位基因分别位于两条同源染色体上（野生型基因也位于两条不同同源染色体上），使两条染色体都是有缺陷的，表现为突变型。顺反效应（cis-transeffect）a1和a2是否为同一基因？互补试验对于反式：T4噬菌体rII突变型的互补实验rA突变体单独入侵rB突变体单独入侵rA、rB突变体同时入侵基因的顺反子测试示意图A和B是否为同一基因？正常正常正常突变Ab1Ab2a1BAb2MutantWildtype同舟共济爱莫能助不同的非等位基因同一等位基因功能互补效应的测验体系具有不具有突变位点处于顺反子假说（Theoryofcistron）•顺反子（cistron）＝基因（gene），基因的同义词•在一个顺反子内，有若干个突变单位突变子(muton)•在一个顺反子内，有若干个交换单位交换子（recon）•基因内可以较低频率发生基因内的重组和交换•cistron概念的提出是对经典的基因概念的动摇拟等位基因：基因内不同位点的突变体threeinoneoneinoneLocus(loci)：基因座Site：位点基因是DNA分子上的一个区段（具有编码序列）基因平均由1000个左右的碱基对组成，一个DNA分子可以包含几个乃至几千个基因。基因不是最小的遗传单位，而是可再分的；基因是最小的功能单位因此：在同一基因座位中，同一突变位点向不同方向发生突变所形成的等位基因。全同等位基因（homoallele）非全同等位基因(heteroallele)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。G全同A非全同基因的最终概念！基因的最新概念？GeneticsGenomicsFunctionalgenomics四、基因概念发展不同类型的基因：结构基因调控基因重复基因重叠基因隔裂基因跳跃基因假基因1.重复基因（repeatedgene）来源相同、结构相似、功能相关的基因在染色体上成串存在，称为基因家族（genefamily）；一些基因集中串联排列在一条染色体上，形成一个基因簇（genecluster），称为重复基因。rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因组蛋白基因不同物种中，基因的排列次序、转录方向和间隔区都不同。2.断裂基因（splitgene）也叫不连续基因(discontinuousgene)在基因编码蛋白质的序列中插入与蛋白质编码无关的DNA间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段。外显子（exon），外元编码的DNA序列，即被表达的DNA区段内含子（intron），内元不编码的DNA序列Gilbert（1978年）提出内含子、外显子概念3.跳跃基因（jumpinggene）移动基因（movablegene）转座子（transposonableelements,TEs）(transposon)从基因组上的一个位置转移到同一条染色体或另一条染色体的另一个位置，引起相应控制性状的改变。转座子的发现认为：一种控制基因在玉米基因组中移动的结果（McClintockB，ColdHarboringLab）1950年，发现玉米粒的颜色经常发生变化控制基因插入到玉米染色体上编码色素的基因中，改变基因表达活性，使玉米粒颜色发生变化。基因的插入位置不断发生变化，沿着染色体移动，造成玉米粒的颜色成斑驳状。Ac-Ds系统玉米中的转座子“可移动的控制因子”----解离因子（dissociator，Ds）它可以插入到C基因中----转座。另一个可移动的控制因子是激活因子（activator，Ac），它的存在可激活Ds转座，进入C基因或其他基因，也能使Ds从基因中转出，使突变基因产生“回复突变”，这就是Ac-Ds系统4.假基因（pseudogene）核苷酸序列与编码某一蛋白质的基因相似，但不具功能，不能转录形成成熟mRNA或不能翻译出功能蛋白质。•重复的假基因已有基因在结构上发生较大变化而失去功能后形成•加工的假基因没有启动子和内含子，在3端有一段延伸的短A-T碱基对序列，似poly(A)尾巴。5.重叠基因（overlappinggene）共同使用同一DNA序列，但编码两种不同蛋白质的基因。1.一个基因的核苷酸序列完全在另一个基因里面；2.两个基因之间的核苷酸有部分重叠本章主要内容基因的顺反子概念重复基因、断裂基因、跳跃基因、假基因、重叠基因概念及意义原核、真核生物基因结构的异同