第一章 基因与基因工程

1. 第一章 基因与基因工程

2. 基因是什么？ • 基因一词来自希腊语，意思为“生”（gene）； • 早期关于遗传物质的臆测 • 1864年英国哲学家斯宾塞曾提出“生理单位”； • 1868年达尔文将其称为“微芽”； • 1884年瑞士植物学家冯内格列称之为“异胞质”； • 1889年荷兰学者雨果·德弗里斯称为“泛生子”； • 1883年德国魏斯曼称之为“种质” • 生殖细胞中的染色体便是种质； • 认为种质是遗传的，体质不遗传，种质影响体质，而体质不影响种质。 • 为重新发现和广为人们接受的孟德尔遗传规律铺平了道路 。

3. 基因学说的创立 • 遗传学奠基人，现代遗传学之父（1822-1884） • 生于奥地利西里西亚一个“草根”家庭 • 维也纳大学，毕业后从事了长达8年之久的豌豆杂交实验（1856-1864） • 1865年发表了《植物杂交试验》的论文 • 揭示了生物遗传的奥秘

4. “豌豆”——孟德尔成功的关键 表型丰富且易于观察

8. 分离实验结果的验证 为了验证子1代细胞中确实存在一对等位基因Rr，并且，这一对等位基因在减数分裂中真的彼此分离，分别进入到不同的生殖细胞中去，孟德尔设计了著名的测交试验。

9. R R R R r r r r 孟德尔的贡献 • 基因的分离定律

10. 雌配子 雄配子 r Y y R y r R Y y Y R r y y R R y Y Y Y r r r r Y y R r y y r r Y Y R R Y y R R Y Y R r y y r R • 基因的自由组合定律

11. 提出遗传因子（hereditary factor）概念 • 每一个性状都是通过遗传因子来传递的 • 遗传因子是一些独立的遗传单位。 认为生物的性状是由“遗传因子”决定的

12. “基因”概念的提出 1909年，丹麦生物学家约翰逊根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。 • 不代表物质实体 • 遗传性状的符号 迟到了44年 约翰逊 （W. L. Johannsen,1857-1927）

13. 遗传的染色体理论 摩尔根（1866—1945），美国著名遗传学家，现代遗传学奠基人之一，提出了遗传学三条基本定律中的基因连锁互换定律，确立了基因作为遗传单位的基本概念，并与1933年获得诺贝尔生理及医学奖。 摩尔根与果蝇

14. “果蝇”成就了摩尔根 果蝇是一种很理想的遗传学实验材料 （1）它的个头小，每只果蝇仅半厘米长，30万个果蝇的重量仅一磅， 易于在实验室中培养； （2）繁殖快，从出生到性成熟大约只要十天左右； （3）所含染色体少，使研究者易于观察果蝇的遗传变异特征。

15. 连锁与互换定律：当两对不同的基因位于一对同源染色体上时他们并不自由组合，而是联合传递，称为连锁。同源染色体上的连锁基因之间，由于发生了交换，必将形成新的连锁关系，称互换或重组。连锁与互换定律：当两对不同的基因位于一对同源染色体上时他们并不自由组合，而是联合传递，称为连锁。同源染色体上的连锁基因之间，由于发生了交换，必将形成新的连锁关系，称互换或重组。

16. 同源染色体非姐妹染色单体发生互换

17. 由于互换发生基因重组，使一些基因不是总与另一些基因连锁在一起，这就是不完全连锁。由于互换发生基因重组，使一些基因不是总与另一些基因连锁在一起，这就是不完全连锁。

18. 经典遗传学关于基因概念的要点 1、基因是不连续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，并且呈直线排列，具有相对的稳定性。 2、基因作为一个功能单位控制有机体的性状表达。 3、基因以整体进行突变，是突变的最小单位。 4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位。 5、基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过减数分裂和受精作用有规律地传递。

19. 小 结 *** 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。　　 *** 基因三位一体的概念 交换单位：基因间能重组，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。功能单位：控制有机体的性状。 *** 基因是一个最小的单位，不能分割； *** 既是结构单位，又是功能单位。

20. 遗传的物质基础 • 什么是遗传物质 • 亲代与子代之间传递遗传信息的物质; • 某些病毒的遗传物质是RNA,所有其他生物的遗传物质都是DNA; • 是染色体的主要成分; • 存在于细胞核外的质体、线粒体、动体等细胞器中. • 遗传物质必须具备哪些特点 • 在体细胞中含量稳定； • 在生殖细胞中含量减半； • 能携带遗传信息； • 能精确地自我复制； • 能发生变异.

21. 遗传物质发现简史 • 1869年，瑞典生理与化学学家F. Miescher从外科绷带上脓细胞中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，称为核素（nuclein） 30年，只发表了9篇Scientific papers Friedrich Miescher (1844–1895) Wilhelm His (1831–1904)

22. Friedrich Miescher’s Mentors Felix Hoppe-Seyler (1825–1895) Carl Ludwig (1816–1895) Adolf Strecker (1822–1871) pioneers of physiological chemistry (now biochemistry). properties of proteins “proteid” the physiology of the nervous system and its sensory organs first to synthesize an amino acid

23. “In my experiments with low alkaline liquids, precipitates formed in the solutions after neutralization that could not be dissolved in water, acetic acid, highly diluted hydrochloric acid or in a salt solution, and therefore do not belong to any known type of protein.”

24. 1885—1900年间，德国生理学家 Kossel、Johnew、Levene证实核酸由不同的碱基组成。 • 其最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。 • 1929年又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸(RNA)。

25. 遗传物质的发现 • 1928年生理学家格里菲斯（Griffith,J.）转化实验。 • 肺炎双球菌有两种类型：一种是S型双球菌，外包有荚膜，不能被白血球吞噬，具有强烈毒性；另一种是R型双球菌，外无荚膜，容易被白血球吞噬，没有毒性。

26. 1944年，Avery在离体条件下完成转化

28. 人们仍不相信DNA是遗传物质？？ • 认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息 • 而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异 • 认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质 • 即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。

29. 1952年，Hershey和Chase 噬菌体感染实验

31. 核酸是遗传物质的旁证 • 生物细胞内的核酸量维持稳定，RNA及蛋白质则随不同组织、年纪、生理状况而变化； • DNA含量与配子及成体细胞染色体倍数一致，在生命循环中维持稳定； • DNA性质稳定； • 紫外线的诱变最佳波长是260nm，该波段也是DNA的吸收峰。 • 核酸的分类 • 脱氧核糖核酸（DNA）；核糖核酸（RNA） • 核酸的组成成份 • 多核苷酸聚合链，核苷酸由碱基、戊糖和磷酸构成； • DNA中的戊糖为D-2-脱氧核糖，RNA为D-核糖； • DNA含4种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）； • RNA的4种碱基为A、G、C和尿嘧啶（U）。

32. DNA是主要的遗传物质 • DNA作为遗传物质的优点： • 信息量大,可以微缩； • 表面互补、电荷互补，双螺旋结构精确复制； • 核糖2‘脱氧，水溶液中稳定性好； • 能够突变，以求进化； • 有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的隐患

33. RNA是不是遗传物质？ • 1956年A.Gierer和G.Schraman发现烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV），其遗传物质是RNA； • 1957年美国的Heinz Fraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了这一结论。

36. 已知生物体内有12种RNA • 催化RNA（cRNA），RNA拟酶和其他RNA自我催化分子； • 基因组RNA（gRNA），遗传物质； • 指导RNA，指导RNA编辑小RNA分子； • 信使RNA（mRNA），由DNA转录而来，编码氨基酸序列； • mRNA类非编码RNA，转录、加工方式与mRNA相同，但不翻译为蛋白质； • 核糖体RNA（rRNA），核糖体的组分；

37. 转运RNA（tRNA），翻译mRNA遗传密码的译员； • tmRNA，既是tRNA，又是mRNA，翻译时一身二任； • 端粒酶RNA，真核生物染色体端粒复制的模板； • 信号识别颗粒RNA，与细胞内蛋白质的运输相关； • 小分子核RNA，是剪接体的组分； • 小分子核仁RNA，参与rRNA的加工，并指导rRNA特异位点的修饰

38. RNA拟酶集遗传信息传递作用和酶学催化作用于一身，可能是最初的遗传物质。RNA拟酶集遗传信息传递作用和酶学催化作用于一身，可能是最初的遗传物质。 • RNA——RNA蛋白质——DNA （遗传物质的进化历程） • 但是，RNA作为最初的遗传物质，面临许多挑战，最大的就是其起源问题。 • 模拟前生物条件，合成核糖很难； • 混合后只能得到α-核糖核苷，得不到RNA中的β-核糖核苷

39. 基因的顺反子概念 基因与DNA的多核苷酸区段 1957年S.Benzer用大肠杆菌T4噬菌体作为材料，分析了基因内部的精细结构，提出顺反子(cistron)概念。 （西莫尔·本泽尔S. Benzer, 1921～)

40. Benzer把在反式构型中不能互补的各个突变型在染色体上所占的一个区域称为一个顺反子。顺反测验结果表明，顺反子是一个必须保存完整才具有正常生理功能的遗传物质最小单位，实际上它是基因的同义词，是一个功能水平上的基因, 不是一个突变单位和交换单位。

41. 几个相关的重要概念 突变子：突变单位，基因内部有许多突变位点，也称突变子（muton）即突变后产生变异的最小单位。 重组子：重组单位，基因内部有多个重组单位，也称重组子（recon）不能由重组分开的最小单位。 顺反子（cistron，又叫作用子）：功能单位，从功能单位的意义上讲，一个顺反子相当于一个基因的DNA或RNA单元，它的产物是一个完整的肽链或者RNA分子，平均大小约为500-1500bp。

42. 操纵子模型 1961年，雅各布(F.Jacob)和莫诺(Jacques L.Monod, 1910-1976)提出操纵子概念，将基因分为结构基因、调节基因和所谓“操纵基因”以及后来发现的所谓“启动基因”。

43. 操纵子 调节序列 启动序列 操纵序列 编码序列 表达转录 I CAP P O Z Y A RNA聚合酶 结合部位 阻遏蛋白 结合部位 阻遏蛋白 多顺反子mRNA 操纵子：是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。

44. 生命有机体，基因都由DNA构成 基因的DNA共性—基因工程的重要理论基础之一 顺反子概念把基因具体化为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位；但它又是可分的，组成顺反子的核苷酸可以独自发生突变或重组，而且基因与基因之间还有相互作用。基因排列位置的不同，会产生不同的效应。

45. 基因与多肽链 基因是决定某种酶的DNA片段 1940—1955 1940年，比德尔（Beadle）和塔特姆（Tatum）用诱变剂处理红色面包霉得到各种营养缺陷型突变体。其中一种是精氨酸缺陷型，在此缺陷型又分成四种类型：argE argF argG argH

46. 精氨酸缺陷型的生长反应 菌 株 基本 基+谷 基+鸟 基+瓜 基+精琥 基+精 野生型 + + + + + + arg E - - + + + + argF - - - + + + argG - - - - + + argH - - - - - + 谷氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 精氨酸

47. 分析代谢途径 ：在那种物质上都不长，说明那种物质最靠前 在那种物质上都长，说明那种物质最靠后 分析基因作用位置: 在多种物质上都长，说明基因作用靠前.在多种物质上都不长，说明基因作用靠后 提出一个基因一种酶学说，1958年双双获诺贝尔奖金。 精氨酸的代谢过程和酶作用位置 谷氨酸 argE酶 鸟氨酸 argF酶 瓜氨酸 argG酶 精氨琥珀酸 argH酶 精氨酸

48. 一种基因一种多肽链 血红蛋白 人体内的血红蛋白结构由四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个β亚基，在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成α2β2的形态。

49. 基因的碱基顺序与蛋白质的氨基酸顺序 The Central Dogma of Molecular Biology 中心法则

50. 转录 Transcription: making an RNA copy of a DNA sequence Transcription，转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的mRNA链的过程。