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1、第二章 基因概念的发展与DNA的结构,图 3-1,本章主要内容：一、“基因”概念的发展二、DNA的结构三、基因概念的多样性,一、“基因”概念的发展,1、产生; 2、经典“基因”概念的建立; 3、经典“基因”概念的发展;,早期的“基因”概念,“融合遗传理论”（Hippocrates)：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；“获得性遗传理论”（Lamarck)：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；“泛生论”（Darwin)：生物体一切性状的表现受控于体内各部位的各种泛生粒；,“种质论”（Roux)：生
2、物体的性状表现是由各组织、器官的体质细胞控制的，而体质细胞由种质细胞产生。种质虽不直接控制性状的表达，但可繁衍自身，世代相继，种质是连续的。,19世纪中叶, 奥地利生物学家Mendel传递规律-分离规律和自由组合规律。他所指的遗传因子, 即基因概念的萌芽。,1、萌芽与产生,1900年，de Vires、Corres 和Tscher-mak Von三人分别在月见草、玉米和豌豆的杂交实验中证实了孟德尔定律，标志着遗传学的诞生。 1909年，Johannsen首次用“基因”取代了“遗传因子”，并提出“基因型”和“表现型”。此时，“基因”只是一个抽象的符号。,1926年，Morgan发表基因论，首次提
3、出了“三位一体”的基因概念：基因首先是一个功能单位，能控制蛋白质的合成，从而控制生物性状发育；其次它是一个突变单位，在一定条件下，野生型基因能突变成相应的突变型基因，从而表现出各种变异类型；第三，它是一个重组单位，两个不同基因可重组，产生与亲本不同的新类型；,2、经典基因概念的建立,另外，基因在染色体上按一定顺序、间隔一定距离线性排列，各自占有一定的区域。,3、经典“基因”概念的发展,（i）“一个基因一个酶”假说的提出；（ii）顺反子、突变子和重组子概念的产生；（iii）操纵子模型的提出；,“一个基因一个酶”假说（ 1941年，Beadle和Tatum）,认为生物的性状可分为许多单位性状，每个
4、单位性状均受一种酶影响，而酶决定于基因的表达。,顺反子、突变子和重组子（1955年，Benzer),顺反子是一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链； 突变子是能发生突变的最小单位，可以是一个或几个核苷酸，其中任一核苷酸的改变都可形成一个突变子； 重组子是能够交换的最小单位，有起点和终点，各个重组子之间均有一定的距离，彼此间能发生交换。,操纵子模型(1965年，Jacob和Monod),将乳糖操纵子的基因分为结构基因、调节基因、操纵基因和启动基因,二、DNA的结构,1、核酸概述（化学成分、种类和分布）2、DNA的一级结构3、DNA的二级结构4、DNA的超螺旋结构5、DNA序列中的不寻常结构6
5、、DNA的性质（变性与复性）,（一）核 酸 概 述,（1）核酸的化学成分,核苷酸分子由三个部分组成： 碱基：嘧啶（双环）、嘌呤（单环） 五碳糖：核糖或脱氧核糖 磷酸,(1) 碱基糖之间是糖苷键 (2) 糖磷酸之间是磷酸酯键,核酸有两种：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。两种核酸的主要区别如下：DNA含的糖分子是脱氧核糖，RNA含的是核糖；DNA含有的碱基是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T），RNA含有的碱基前3个与DNA完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶（U）所代替；DNA通常是双链，而RNA主要为单链；DNA的分子链一般较长，而RNA分子链较短。,（2）核
6、酸的种类,记住了,真核生物的绝大部分DNA存在于细胞核内的染色体上;少量的DNA 存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。 RNA在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集中在核仁上，少量在染色体上。,（3）核酸的分布,细菌也含有DNA 和RNA；多数噬菌体只有DNA ；多数植物病毒只有RNA；动物病毒有些含有RNA，有些含有DNA 。,流感病毒,大肠杆菌,（二）DNA的一级结构,DNA的一级结构，就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。,（三）DNA的二级结构,DNA的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。,沃森（左）和克里克（右）,1、DNA双螺
7、旋结构主要内容,（1）两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上；（2）两条多核苷酸链走向为反向平行，即一条链磷酸二酯键为53方向，而另一条为3一5方向，二者刚好相反；,（3）每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距离为0.34nm；（4）每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对，其直径约为2nm； （5）在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现。,2、维持双螺旋结构稳定性的力,（1）氢 键：氢部分正电性与另一碱基上电负性强的原子
8、相互吸引而形成氢键，碱基A-T间有2个氢键，而C-G间则有3个氢键。,（2）疏 水 作 用,疏水作用是指两个不溶于水的分子或基团（嘌呤和嘧啶环）之间的相互作用，也称疏水键；,（3）范德华力：范德华力是指当两个原子彼此接近时，便产生诱导的振动电荷，由于这种电荷的分布产生了非特异性的吸引力；,（4）磷酸基的负电荷静电斥力和磷酸酯键：核苷酸上的磷酸基团都带有一个负电荷，双链之间这种强有力的静电斥力使两条链分开；磷酸酯键是连接核苷酸形成双螺旋骨架的主要力量。,（5）碱基分子内能：当温度等因素使碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭到破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基堆集力，会使DNA双螺旋结构受到破坏
9、。,3、DNA二级结构的多态性,A-DNA的结构特点：（1） B-DNA中，2-脱氧核糖的构象出现了变化从而使同股多核苷酸链中相邻磷酸基间的距离缩短 0.1 nm。这一变化使每匝螺旋的碱基对数由 B-DNA的 10转变为A-DNA的11。（2）A-DNA的另一重要差别在于碱基对在螺旋中的位置，在B-DNA中，碱基对集中于螺旋轴；而在 A-DNA中，碱基对向大沟方向移动了约0.5 nm，这一变化的结果改变了B-DNA的外形和沟的尺寸,Z-DNA的结构特点：,（1）Z-DNA是左手螺旋，每个螺旋含12个碱基对，比A-DNA拧得更紧；（2）双螺旋中不存在深沟，只有浅沟；（3）双螺旋的轴心也在碱基对之
10、外，即轴心不再穿过碱基对之间的氢键，而位于氢键之外靠近胞嘧啶碱基一侧。Z-DNA轴心所处的方向正好与A-DNA相反；（4）Z-DNA中磷酸二酯键的连接不再呈B-DNA中的光滑状，而是呈锯齿形，这就是Z-DNA名称的由来；（5）Z-DNA中的碱基对不像B-DNA中那样位于双链的中央，鸟嘌呤碱基的第8个碳原子位于双链之外（在B-DNA申，糖、磷酸键覆盖了C8位置）。由于Z-DNA上几乎不存在易被蛋白质识别的沟，Z-DNA可能是利用位于双链分子外围的鸟嘌呤碱基与化学物质发生识别反应,三种不同构象的DNA活性,B-DNA是活性最高的 DNA构象， B-DNA变构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变构
11、为Z-DNA后则活性明显降低。 即： B-DNA A-DNA Z-DNA,（四）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，他们在特殊情况下可以相互转变，如：,超螺旋DNA可采取两种拓扑学上相当的形式。一种相当于双螺旋绕圆柱体旋转；另一种相当于双螺旋相互盘绕。超螺旋的这两种形式可以相互转变（下图）。,天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外可得正超螺旋如溴乙锭的嵌人,环形DNA分子会由于超螺旋化而变得更为致密，它们在超离心中的沉降速度和在凝胶电泳中的迁移速度都增加，故超螺旋DNA可通过这两种方法来检测和分离。,（五）DNA中的不寻常结构,DNA的不寻常结
12、构是以一定的DNA序列为基础的。交替的嘧啶、嘌呤重复序列倾向形成Z-DNA，反向重复序列倾向形成十字形结构，构成镜像重复的同型嘧啶-同型嘌呤序列可能形成三链结构，而富含G的序列可能形成四链结构等。,（六）DNA的性质,1、DNA变性,是指当双螺旋DNA加热至生理温度以上（接近100C）时或受到极端酸碱溶剂、变性剂等处理后，它就失去生理活性。这时DNA双股链间的氢键断裂，最后双股链完全分开并成为无规则线团的过程。简而言之，就是DNA从双链变成单链的过程。,增色效应：它是指在DNA的变性过程中，它在260 nm的吸收值先是缓慢上升，到达某一温度后即骤然上升的效应（见下图）。,Tm（变性温度）：增色
13、效应达到最大值一半时的温度。,记住了,2、DNA复性,它是指热变性的DNA如缓慢冷却，已分开的互补链又可能重新缔合成双螺旋的过程。复性的速度与DNA的浓度有关，因为两互补序列间的配对决定于它们碰撞频率。,作业：1、解释“三位一体”？2、核酸的化学成分和种类分别是什么？3、什么是DNA的一级和二级结构？B-DNA的结构特点是什么?4、比较三种DNA二级结构的特点。5、什么是DNA变性、复性、增色效应、Tm值？,三、近代“基因”概念的多元化,（i）断裂基因的发现与结构特点；（ii）重叠基因的含义与种类；（iii）重复基因的含义；（iv）假基因的含义；（v）跳跃基因的含义与结构特点。,在真核生物中，
14、每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的，称之为C值，它是每种生物的一个特性，不同物种的C值差别很大。,（一）C值与C值悖理,C值和进化之间的复杂性并没有严格的相应关系。譬如，肺鱼的C值达1011 bp，而人类C值才只有109 bp。这种C值与生物进化复杂性不相对应的现象称为C值悖理。说明真核生物基因组中必然存在大量的不编码基因产物DNA序列。,含义：它是指共用一段DNA序列的两个或两个以上结构基因的互称。,（二）重叠基因,种类：,（1）套叠基因，即一个基因的序列完全落在另一个基因序列之中；（2）两个基因仅有一个核苷酸重叠，即前一个基因的终止点和后一个基因的起始点重叠；（3）三层重叠基因，即
15、三个不同基因共用一段核苷酸序列；（4）双链DNA分别作模板，按不同方向转录出独特的mRNA。,（三）重复基因,它是指在真核生物基因组中具有一份以上拷贝的基因。这些拷贝或在一条染色体上串联排列，或分散在多条染色体上，包括寡拷贝和多拷贝基因。,DNA的重复序列组织,（1）高度重复序列：高度重复序列的长度为210 bp，在基因组中可串联重复至105107次，约占基因组的150，平均为15。这些重复序列常称为卫星DNA。,有些卫星DNA位于染色体的中心粒，它们可能在减数分裂中承担一定的功能； 有一些重复序列位于染色体的端粒，它们是由一些富含GC的序列组成，重复20100次； 高度重复序列也散布于整个基
16、因组中，它们可分为长（67kb）和短（79300bp）散布重复序列两类。,（2）中度重复序列：中度重复序列包括rRNA和组蛋白基因，每一基因组约含1010000拷贝。,（3）单 一 序 列：单一序列包括酶在内的各种蛋白质基因，数目在一个到几个。单一序列构成人基因组的 65和约接近细菌、病毒以及质粒基因组的全部。,（4）反向重复序列：包括一种能与同股或另一股链中相应互补的序列。这种序列单股时形成发夹结构，双股时形成十字形结构，这些序列能迅速复性。发夹序列约占人基因组的6。,图 3-11,含义：它是指看似正常基因，却不能表达任何RNA或蛋白质，包括已知功能基因的残存拷贝、散在分布的长细胞核因子和短
17、细胞核因子。,（四）假基因,假基因的结构特点：,（1）不同部位有不同程度的缺失或插入；（2）缺少正常基因的内含子和启动子；（3）5端都有真核生物mRNA分子特有的AATAAA信号，造成转录启动区的缺陷；（4）两侧有顺向重复序列。,（五）断裂基因,它是指在真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是不连续的，即在其编码氨基酸的序列之间插入了非编码DNA序列的基因。主要由两部分组成:插入结构基因内的间隔序列称为内含子，转录为成熟mRNA的DNA片段称为外显子。,血红蛋白链基因中编码氨基酸的序列之间被一个 550 bp长的非编码序列和一个120 bp短的非编码序列隔开了,下图中表明DNA的双链有些部位拆开了
18、，使得其中的一条与mRNA互补的链和mRNA杂交了；而另一条DNA单链则凸出成环。如果基因是连续的，则在电镜下只能看到一个单链（较细）的环（A）。如果基因中含有一个插入序列（B），则可看到两个单链的环和一个较粗的双链 DNA的环（由间插序列所形成）。,图 3-13,图 3-14,内含子的起源：,第一类认为mRNA前体的内含子来源于自我剪接的内含子，它在原核生物与真核生物分化以前的原始基因中就存在； 第二类则认为它不是来源于自我剪接的内含子，而是来源于原始基因的编码或非编码序列。,间隔基因的意义：,（1）有利于生物遗传的相对稳定；（2）增加变异概率，有利于生物的进化；（3）扩大生物体的遗传信息储
19、量；（4）利用内含子进行代谢调节。,（六）跳跃基因或转座子,Barbara McClintock (1902-1992)Cold Spring Harbor Laboratory, NY（美国纽约的冷泉港实验室）Nobel Prize in Physiology and Medicine 1983,McClintocks discovery of transposons in corn:在白色玉米核心中的紫色部位就是由于转座的原因,转座子是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。,DNA转座现象的一般遗传特点:,1) 不依赖供体部位（Donor site）与靶部位（ Target si
20、te )间序列的同源性;,2) 转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型和区域优先性）;,3) 某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性（免疫性）；,4) 靶序列在转座因子两侧会形成正向重复；,5) 转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应；,6）原核生物中的转座事件具有极性突变效应。,1、原核生物转座因子的种类及转座机制,三种类型:(1) 插入序列 (IS)(2) 转座子:包括转座因子A家族和复合型转座子(Tn)等(3) 转座噬菌体 Mu,基本概念:,最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertion sequence，IS）,(1) 插入序列 （ inse
21、rtion sequence IS ）,GATCGTC -GACGATC,中间序列编码转座酶,转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。,（2） 转座子 (Tn / TnA family), 2.5 kb 20 kb,具有IR、转座酶基因、 调节基因、抗生素基因,复合式转座子 (Tn):带有多种基因 (如：抗生素抗性基因) ，并且在两侧有IS序列.Tn10 有 9.3 kb 并且包括 6.5 kb 的中心DNA (其中含有四环素抗性基因) 和1.4 kb 反向 IS 序列.IS 序列提
22、供转座酶 并且 ITR 识别信号.,非复合式转座子 (TnA家族):同样带有多种基因 (如：抗生素抗性基因) 但两端不以IS序列终止.而是以非IS 序列重复序列终止.Tn3 有5 kb 包括 38-bp ITRs 以及包含 3个 基因： bla (-内酰胺酶), tnpA (转座酶), 和 tnpB (解离酶, 在重组过程中起作用).,温和噬菌体 Mu (Mu = 突变基因):37 kb 线形 DNA 包括 噬菌体 DNA 和两边非等长的宿主DNA;感染过程中, Mu 以非复制转座方式整合到宿主DNA 上并利用宿主的复制机制进行复制；,（3） 转座噬菌体 Mu phage （巨型转座子 ）,转
23、座可被分为复制性和非复制性两大类：,在复制性转座中，整个转座子被复制了，所移动和转位的仅仅是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶（resolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。TnA类转座主要是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。,2、真核生物的转座因子及转座机制,真核生物的转座因子的种类及机制：,剪贴式转座因子（cut - paste ）；,反转录转座子（Retro-transposon ）类似反转录病毒 。,（1）玉米中的控制因子（controlling element）,玉米细胞内
24、的控制因子归纳为两大类：一类是自主性因子:具有自主剪接和转座的功能另一类是非自主性因子:单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子。同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座提供反式作用蛋白（转座酶），而不同家族间无此反应。玉米转座子同样具有典型的IS特征在转座子的两翼有两个倒转重复序列，在靶DNA插入位点有两个短的正向重复序列。,（2）酵母中的转座因子（Ty因子）:,末端重复序列, 整合到非同源部位, 靶部位的重复；Ty 与逆转录酶病毒一样具有反转座因子；合成RNA后利用反转录酶合成DNA;cDNA 整合到新
25、的染色体部位., Copia 反转座子保守的, 5-100 分散的拷贝或基因组.结构上类似于酵母中的 Ty 转座子.利用RNA作为中间体并有反转录酶。 P 转座子杂交不育, 通过果蝇种间品系的交配而得到的缺陷型；P 转座字的长度范围在 500-2,900 bp之间.P 转座子 编码一种阻遏物, 能使它们在P品系中保持稳定,（3）果蝇中的转座子:,转 座 的 遗 传 效 应, 转座引起插入突变。 转座产生新的基因。 转座产生的染色体畸变。 转座引起的生物进化。,1、什么是C值和C值悖理？2、什么是重叠基因？其有哪些种类？3、什么是重复基因？DNA重复序列组织各有什么特点？4、什么是假基因？什么是断裂基因？内含子？外显子？5、什么是转座子？DNA转座现象的一般遗传特点是什么？转座的遗传效应又是什么？6、原核生物转座因子几种类型各有什么特点？,作业：,DNA复性对浓度的依赖关系：Cot曲线,
