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第 4 节 核酸与基因 Concept of Nucleic acid and the Gene

第 4 节 核酸与基因 Concept of Nucleic acid and the Gene. 一 基因的概念. 早期的基因概念. 经典的基因概念. 基因概念的演变与发展. 基因的分子结构. 基因概念的多样性. 物种 加强和完善对环境的适应 逐渐转变为新种. 融合遗传理论 （ Blending inheritane ）. 母本体液. 父本体液. +. 子代具有父，母双亲的性状. 获得性遗传理论 ( Inheritance of acquired characters ). L.B.Lamarck.

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第 4 节 核酸与基因 Concept of Nucleic acid and the Gene

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Presentation Transcript

  1. 第 4 节 核酸与基因 Concept of Nucleic acid and the Gene

  2. 一 基因的概念

  3. 早期的基因概念 经典的基因概念 基因概念的演变与发展 基因的分子结构 基因概念的多样性

  4. 物种 加强和完善对环境的适应 逐渐转变为新种 融合遗传理论 （Blending inheritane） 母本体液 父本体液 + 子代具有父，母双亲的性状 获得性遗传理论(Inheritance of acquired characters) L.B.Lamarck • 获得的性状是由环境影响 (非遗传物质的改变) • 新性状一旦获得, 便能遗传给后代

  5. 泛生论假说 （Hypothesis of the Pangenesis） C. Darwin 1868

  6. 种质论（Theory of germplasm） A.Weismann 1883. Germeplasm → Germplasm → Germplasm Somatoplasm Somatoplasm Root, Stem, Leaf……

  7. 孟德尔(1823-1884) “遗传学之父” 阐述了遗传学的分离和自由组合两大定律，以及“基因”的概念。

  8. Mendel's Paper in English Experiments in Plant Hybridization (1865)by Gregor Mendel Read at the meetings of February 8th, and March 8th, 1865 [1] Introductory Remarks Experience of artificial fertilization, such as is effected with ornamental plants in order to obtain new variations in color, has led to the experiments which will here be discussed. The striking regularity with which the same hybrid forms always reappeared whenever fertilization took place between the same species induced further experiments to be undertaken, the object of which was to follow up the developments of the hybrids in their progeny.

  9. 遗传因子假说(Hypothesis of the inherited factor) G. J. Mendel 1866. • 生物性状由遗传因子控制 • 亲代传给子代的是遗传因子(A,a….) • 遗传因子在体细胞内成双(AA,aa), • 在生殖细胞内为单（A,a） • 杂合子后代体细胞内具有成双的 • 遗传因子(Aa) • 等位的遗传因子独立分离, 非等 • 位遗传因子间自由组合地分配到 • 配子中

  10. 摩尔根： 阐述了遗传学的连锁与交换定律， 被誉为“现代实验生物学奠基人”。

  11. Theory of the gene (1926 T. H. Morgan) • 基因是染色体上的实体 • 基因象链珠(bead)一样，孤立地呈 • 线状地排列在染色体上 • 基因是； 功能(functional unit) 突变(mutation unit) 交换(cross-over unit) 最小的 不可分割的 基本的 “三位一体”的 (Three in one) 遗传单位

  12. Forms of genes ★ Transcriptable, translatable gene ( Z,Y,A ) Transcriptable but nontranslatable gene ( tDNA, rDNA ) Nontranscriptable, nontranslatable gene ( promoter, operator )

  13. Forms of genes ★cis action factor Affects the activity only of DNA sequences on its own molecular of DNA, this property usually implies that the factor does not code for protein 通过核苷酸自身的特异二级结构控制与它紧密连锁的结构基因的表达，一般不编码蛋白质。(无基因产物的DNA功能区)

  14. ★ trans action factor Affects the activity of any gene located on genome(基因组) by its translated product. 通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达 可转录，可翻译调节蛋白的DNA功能区,可通过互补测验体系确定其功能区域 ★ cis-dominant(显性) The ability of a site (cis-factor) to control adjacent gene irrespective of the presence in the cell of other alleles(等位基因) of the site. cis acting factor 对与其紧密连锁基因的控制效应不受其等位基因的影响。

  15. ▲ 1928 Griffith 1944 Avery O.T RII DNA SIII DNA 是主要的遗传物质 • DNA is genetic material ▲ Hershey lambdar phage cycle ▲ Watson & CrickDNA double helix • RNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV) • Is the protein genetic material ? 复制 ? 表面遗传信息 ?

  16. 1kb DNA序列 41000种遗传信息 ★A / T, C / G 互补 双螺旋结构 复制, 转录 遗传稳定 ★ 核糖的2’ – OH脱氧 在水溶液中的稳定性高于RNA ★ 可以突变 以求不断进化 方便修复 以求稳定遗传 ●DNA作为遗传物质的优点 (自然选择的优势) ★储存遗传信息量大

  17. 生物进化的C值矛盾 (C value paradox of nucleotide) 最大C值 Maximum C value The total amount of DNA in the genome of haploid is a characteristic of each living species known as its Maximum C value(单倍体基因组总DNA 的含量叫作C值) 最小C值 Minimum c value The total amount of DNA for encoding the genes information is termed its Minimum c value（编码基因信息的总DNA含量叫作c値）

  18. 显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 硬骨鱼类 软骨鱼类 赖皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 霉菌 藻类 真菌 G+细菌 G-细菌 枝原体 C value paradox of nucleotide A 生物体进化程度高低 与大C值不成明显正相关 B 亲缘关系相近的生 物大C值相差较大 C 一种生物内大C值与 小c值相差极大 （Euk. 人体 c = C/10） ( Prok. Φx174 c ＞C )

  19. 真核生物 DNA 染色体数 （2C） （2N） 两栖鲵 168 pg 24 肺鱼 100 38 蝾螈 85.3 24 警蛙 28.2 24 牛 6.4 60 人 6.4 46 绵羊 5.7 54 果蝇 0.2 8 贝母 196.7 24 豌豆 28 12 玉米 11 20 原核生物 DNA （C） Salmonella 0.0143 pg E.coli 0.0040 T2 0.00022 λ 0.0000055 ΦΧ174 0.000005

  20. 2-10 bp / copy 105-106copies / genome Microsatellite DNA C0t(1/2) < 0.001 多为串联重复排列 分布于着丝点, 端粒区, 结构基因两侧 5-50 copies / genome Minisatellite DNA 重复基因 (Repetitive gene) 重复序列分类 a)高度重复序列 ( High repetitive sequence) ( Variable number tandem repeats . VNTR )

  21. MOUSE CALF Eukaryote Prokaryote 34 41 42 55 (GC%) Sequence in satellite DNA bp of repeat unitsequence Sea crab 2 ATATAT….. Drosophila 5 ATAATATAAT….. Mouse 9 GAAAAATGAGAAAAATGA 104 bp fragment CsCl gradient centrifugation

  22. b)  中度重复序列 ( middle repetitive sequence ) 100-1000 bp / copy 10-104copies / genome C0t(1/2)~ 0.001 - 0.1 rDNA tDNA Histone gene cluster

  23. Middle repeat gene 拷贝重复，多量 序列多为相似 特点 排列成束成串 功能完全相同 具有进化的整体性，累积突变

  24. c)     单拷贝序列 (single copy sequence, 1-3 copies) 低等真核生物 10-20% 高等植物 80% repetitive sequence 高等动物 50% 多为结构基因 如tRNA, 各种酶基因等

  25. d)     反向重复序列 (inverted repetitive sequence)) 在DNA和RNA中可形成发夹结构或十字结构。在DNA中要形成这种结构需要能量，因此，发生可能性很小。 CAT GAACGTCC TATTGTC GGACGTTC TGA GTA CTTGCAGG ATAACAG CCTGCAAG ACT 上述结构也回纹结构(Palidrome), 较短的回纹结构可作为一种特别信号，可被限制性内切酶所识别。

  26. e)    间隔序列 基因组的非编码序列，包括编码区(外显子)之间的间隔序列—内含子，以及基因与基因之间的序列。 人们对间隔序列的认识是限的。一些人认为这些序列是多余的，因此认为是“junk”。 但近年来也有研究表明对转录等有作用，并不是“junk”。：

  27. 生物体内的内含子本身有可译框架，能编码蛋白质和酶；生物体内的内含子本身有可译框架，能编码蛋白质和酶； 内含子可在DNA水平上移位—一个可移动的基因元件，具有转座作用； RNA水平上的内含子—可变剪接是基因表达的一种特殊调节方式； 内含子能编码小核仁RNA，积累在核仁中，与核糖体生成、装配有关。

  28. 14Kd Cp 97% 38Kd Ip 3% 重叠基因 (overlapping gene) 方式 • Mis-reading for stop codon • ( Q RNA virus 1973. A. Weiner ) 400Nt 800Nt AUG----------------------UGA-----------------------UAA UGA, UAG易被漏读， 错读 UAA 能严格终止

  29. IB IA ID IC 种类 ※ I 类； 反向重叠基因 （重叠基因分布在同一DNA区域的不同单链上） 方式 ？!

  30. IIA IIB IIC IID ※ II 类； 同向重叠基因 （重叠基因分布在同一DNA区域的同一单链上） 方式？

  31. X174 ( F. Sanger, 1977 ) C = 5387 bp 5387 bp 11 genes 3 mRNA 9 peptides ---ATG-----//------AATGCC ----//---ATAACG---//--TAA---- A ATGCCN----NNATAA B • Alternate different reading frame

  32. SV40 • Selection different start codon or stop codon Vp3 Vp2 Vp1 (Simian Virus 40 SV40) ---AUG--------TCAUGCCCAA----AUGAGGC-------------- Vp1 Start Vp2 Start Vp3 Start

  33. stop start Alternate different reading frame Stop --------------TCAUGCCCAAACUAGGC-------------- Start

  34. T 18s T 5.8s T 28sNT18s T 5.8s T 45s 41s Sea urchia 450copies 20s 32s 18s Drosophila 28s 100 copies 5.8s Tobacco 750 copies H1 H4 H2B H3 H2A rDNA gene family Histone gene family

  35. 原始密码子多为RNYRNYRNY ( A/G N U/C) RNYRNYRNY ( N YR) +1移码, 进化 (NA/GU/C) 重叠基因的生物学意义 a) 原核生物进化的经济原则 (较小的C值编码较多的基因信息) b) 提高蛋白质疏水性, 以增强生物体自然选择的适应性 密码子进化理论认为; NYR多为Hydrophobic amino acid, 改变蛋白质性能

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