【正文】 1 第二講 基因與基因組學(xué) Gene and Genome 主講人： 白云飛 東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 2 第一節(jié) 基因的概念與結(jié)構(gòu) 一、 基因的概念 （一）基因概念的發(fā)展 ? 隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，人類對于基因的認識逐步深入，基因概念也隨之發(fā)展?；蚋拍畎l(fā)展經(jīng)過幾個時期。 ? (1)遺傳“因子” ? 基因的最初概念是來自孟德爾的遺傳“因子”，認為生物性狀的遺傳是由遺傳因子所控制的，性狀本身是不能遺傳的，控制性狀的遺傳因子才是遺傳的。 ? 1909年，丹麥學(xué)者 W． L． Johannsen提出了“基因” (gene)一詞，代替了孟德爾的遺傳因子，并由此形成了“顆粒遺傳”學(xué)說，認為在雜種中等位基因不融合，各自保持其獨立性，這也是孟德爾遺傳規(guī)律的核心 。 3 (2)染色體是基因的載體 ? 1910年摩爾根等通過果蠅雜交實驗表明，染色體在細胞分裂時的行為與基因行為一致，從而證明基因位于染色體上，并呈直線排列，提出了遺傳學(xué)的連鎖交換規(guī)律，證明了性別決定是受染色體支配的。 ? 基因的連鎖和交換定律的實質(zhì)是：在進行減數(shù)分裂形成配子時，位于同一條染色體上的不同基因，常常連在一起進入配子；在減數(shù)分裂形成四分體時，位于同源染色體上的等位基因有時會隨著非姐妹染色單體的交換而發(fā)生交換，因而產(chǎn)生了基因的重組。 4 (3)DNA是遺傳物質(zhì) ? 1944年 Avery等人不僅在體外成功地重復(fù)了上述實驗，而且用生物化學(xué)方法證明了轉(zhuǎn)化因子 (transforming factor)是 DNA，而不是多糖莢膜、蛋白質(zhì)和 RNA，而且轉(zhuǎn)化頻率隨著 DNA純度的提高而增加。證明了 DNA就是遺傳物質(zhì)。 5 (4)基因是有功能的 DNA片段 ? 20世紀 40年代 G W． Beadle和 E． L． Tatum通過對粗糙脈孢菌營養(yǎng)缺陷型的研究，提出了一個基因一個酶的假說 。 ? 1953年 Watson和 Crick提出了 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，明確了 DNA在活體內(nèi)的復(fù)制方式 。 ? 1957年由 Crick最早提出遺傳信息在細胞內(nèi)的生物大分子間轉(zhuǎn)移的基本法則，即中心法則，接著在1961年又提出了三聯(lián)遺傳密碼，這樣將 DNA分子的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能有機地統(tǒng)一起來，也為揭示基因的本質(zhì)奠定了分子基礎(chǔ) 。 ? 1957年 T4噬菌體作為材料，在DNA分子結(jié)構(gòu)的水平上，分析了基因內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)，提出了順反子 (cistor)概念，證明基因是DNA分子上的一個特定的區(qū)段。 6 (5)操縱子模型 ? 1961法國分子生物學(xué)家 的大腸桿菌乳糖代謝突變體來研究基因的作用，提出了操縱子模型學(xué)說 (operon theory)。這一學(xué)說闡明了基因調(diào)控在乳糖利用中所起的作用。表明人們已認識到基因的功能并不是固定不變的，而是可以根據(jù)環(huán)境的變化進行調(diào)節(jié)。隨之人們發(fā)現(xiàn)無論是真核還是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)都是涉及到編碼蛋白的基因和 DNA上的元件。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1965年諾貝爾獎。 7 乳糖操縱子 8 7)“跳躍基因 ” 和 “ 斷裂基因 ” 的發(fā)現(xiàn) ? 50年代初，美國遺傳學(xué)家 B． McClintock在玉米的控制因子的研究中已經(jīng)指出某些遺傳因子是可以轉(zhuǎn)移位置的。后來的研究發(fā)現(xiàn)，在原核生物和真核生物中均發(fā)現(xiàn)有基因轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，并將這些可轉(zhuǎn)移位置的成分稱為跳躍基因(jumping gene)，亦稱轉(zhuǎn)座因子 (transposon element)。 ? 此外，傳統(tǒng)的觀點認為，一個結(jié)構(gòu)基因是一段連續(xù)的 DNA序列， 70年代后期發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)真核生物基因都是不連續(xù)的，其中被一些不編碼序列所隔開，故稱為斷裂基因。 ? 1978年，在噬菌體中還發(fā)現(xiàn)了重疊基因，一個基因序列可被包含在另一個基因中，兩個基因序列可能部分重疊。 9 斷裂基因的意義 （ 1） 有利于儲存較多的遺傳信息量； （ 2） 有利于變異與進化； （ 3） 增加重組機率； （ 4） 內(nèi)含子可能是調(diào)控裝置 。 10 （二）基因的概念 ? 在初中生物學(xué)課本中，把基因定義為“染色體遺傳物質(zhì)中決定生物性狀的小單位”。高中生物學(xué)課本則把基因定義為“有遺傳效應(yīng)的DNA片段”。在最具權(quán)威的 2022年版 《 中國大百科全書 》 中，基因的定義是“含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳信息的最小功能單位”。在最近幾年出版的外文版和部分中文版的分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)書籍中又給出了新的答案。 從上述基因研究的最新進展可以看出，基因不僅在功能上多種多樣，在結(jié)構(gòu)上也是五花八門，因此，給它下一個非常準確和永遠適用的定義是相當(dāng)困難的?；虻母拍铍S著遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展而不斷完善。 ? 從遺傳學(xué)的角度看，基因是生物的遺傳物質(zhì)，是遺傳的基本單位 ——突變單位、重組單位和功能單位；從分子生物學(xué)的角度看，基因是負載特定遺傳信息的 核酸序列 ，在一定條件下能夠表達 某種遺傳信息（其產(chǎn)物為有功能的多肽鏈或功能 RNA分子 ），變成特定的生理功能。 “核酸序列” 主要指 DNA，對于 RNA病毒來說則指染色體RNA。 “ RNA分子”主要 包括 tRNA和 rRNA。 這個定義較確切地表述了基因的本質(zhì)和功能，已經(jīng)被絕大多數(shù)學(xué)者所接受。 11 （三）基因的分類 ? 根據(jù)基因的功能和性質(zhì)，可將其分為以下幾類： ? (一 )結(jié)構(gòu)基因 ? 這類基因不僅可轉(zhuǎn)錄 (tran scription)成 mRNA，而且可翻譯 (translation)成多肽鏈，從而構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白和催化各種生化反應(yīng)的酶。 ? (二 ) rDNA和 tDNA基因 ? 這類基因只轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相應(yīng)的 RNA，而不翻譯成多肽鏈。 12 ? (三 )啟動子 (promotor)與操縱基因 (operator) ? 前者是轉(zhuǎn)錄時 RNA多聚酶起始與 DNA結(jié)合的部位；后者是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物阻遏蛋白質(zhì)或激活蛋白質(zhì)與 DNA結(jié)合的部位，它們都是不轉(zhuǎn)錄的 DNA區(qū)段，確切說，它們不能稱為基因。但關(guān)系到結(jié)構(gòu)基因的活化或鈍化。 13 以上各類基因 (或 DNA區(qū)段 )之間的相互關(guān)系如下圖。通過這些基因的相互作用、密切協(xié)作，調(diào)控基因有序地表達，從而使各種生命活動表現(xiàn)出規(guī)律性、和諧性。 14 15 1. 原核生物的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的 （一） 結(jié)構(gòu)基因 基因中編碼 RNA或蛋白質(zhì)的 核酸 序列 。 二、 基因的結(jié)構(gòu) t a y z o p structural gene promoter operator terminator 16 DNA mRNA前體 編碼序列不連續(xù) ， 稱為斷裂基因（ interrupted gene） RNA剪接 由外顯子（編碼序列 )和內(nèi)含子（非編碼序列 )兩部分組成， intron exon 成熟 mRNA 17 5′ 3′ exon3 exon1 exon2 GT AG GT AG 真核基因中 RNA剪接的識別信號 內(nèi)含子的 5′端以 GT開始， 3′端以 AG結(jié)束。 intron2intron1 18 5′ 3′ exon3 exon2 exon1 intron1 intron2 (二 ) 轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列 前導(dǎo)序列 尾部序列 編碼區(qū) 側(cè)翼序列 側(cè)翼序列 結(jié)構(gòu)基因編碼區(qū)兩側(cè)的一段不被翻譯的 DNA片段 (側(cè)翼序列 )， 參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 19 t a y z o p structural gene promoter 啟動子 promoter terminator 終止子 terminator operator 操縱元件 operator 20 反式作用因子 transacting factor 能識別和結(jié)合特