1、林林業業生物技生物技術課術課件件5.5.基因重基因重組組及表及表達達調調控控2思考討論31、基因與基因、基因與基因組組堿基組成：堿基組成：A T C G 堿基互補原則堿基互補原則結構：結構：雙螺旋結構雙螺旋結構表示方法：單鏈表示方法：單鏈5-3DNA的變性、復性的變性、復性DNA的存在形式：線性、環狀、開環的存在形式：線性、環狀、開環41、基因與基因、基因與基因組組堿基互補：堿基互補：A/T C/G51、基因與基因、基因與基因組組61、基因與基因、基因與基因組組71、基因與基因、基因與基因組組DNA分子能在細胞內復制：分子能在細胞內復制：半保留復制，半保留復制，復制起始點復制起始點(origi

2、n, ori)，復制子，復制子(replicon) ，原核生物是單復制子，真，原核生物是單復制子，真核生物是多復制子（同一代細胞的增殖，核生物是多復制子（同一代細胞的增殖，生殖）生殖）攜帶遺傳信息：攜帶遺傳信息：發育發育81、基因與基因、基因與基因組組DNA的復制的復制91、基因與基因、基因與基因組組A A、原核生物的基因結構、原核生物的基因結構 RNARNA聚合酶能夠識別調控序列中的結合位點，并與其結合。聚合酶能夠識別調控序列中的結合位點，并與其結合。轉錄開始后，轉錄開始后，RNARNA聚合酶沿聚合酶沿DNADNA分子移動，并與分子移動，并與DNADNA分子的一條分子的一條鏈為模板合成鏈為模

3、板合成RNARNA。轉錄完畢后，。轉錄完畢后，RNARNA鏈釋放出來，緊接著鏈釋放出來，緊接著RNARNA聚合酶也從聚合酶也從DNADNA模板鏈上脫落下來模板鏈上脫落下來。 非編碼區非編碼區 非編碼區非編碼區 編碼區編碼區 RNA聚合酶聚合酶結合位點結合位點 調控遺傳信息的表達調控遺傳信息的表達101、基因與基因、基因與基因組組非編碼區：非編碼區： 不能轉錄為信使不能轉錄為信使RNA，不能編碼蛋白質，不能編碼蛋白質 。編碼區編碼區: 能夠轉錄為相應的信使能夠轉錄為相應的信使RNA，進而指導蛋，進而指導蛋白質的合成，也就是說能夠編碼蛋白質白質的合成，也就是說能夠編碼蛋白質 。111、基因與基因、

4、基因與基因組組 B B、原核生物結構基因組成、原核生物結構基因組成轉錄啟動子、基因編碼區、轉錄終止子。轉錄啟動子、基因編碼區、轉錄終止子。啟動子：啟動子：DNA上上RNA聚合酶識別、結合和促使聚合酶識別、結合和促使轉錄的一段核苷酸序列。轉錄的一段核苷酸序列。轉錄起始位點：轉錄轉錄起始位點：轉錄mRNA的第一個堿基，多的第一個堿基，多數是數是A，以此作為序列的，以此作為序列的1，其上游核苷酸序，其上游核苷酸序列為列為“一一”，下游核苷酸序列為，下游核苷酸序列為“”。基因編碼區：包括起譯碼基因編碼區：包括起譯碼ATG、開讀框和休止、開讀框和休止碼碼TAA（TAG、TGA）。）。終止子：提供轉錄停止

5、信息的核苷酸序列終止子：提供轉錄停止信息的核苷酸序列。121、基因與基因、基因與基因組組編碼區編碼區非編碼區非編碼區非編碼區非編碼區與與RNA聚酶聚酶結合位點結合位點內含子內含子 外顯子外顯子 啟動子啟動子終止子終止子編碼區上游編碼區上游 編碼區上游編碼區上游 外顯子外顯子: : 內含子內含子: : C C、真核生物的基因結構、真核生物的基因結構131、基因與基因、基因與基因組組141、基因與基因、基因與基因組組基因單獨存在，兩個基因之間有很長的間隔序列基因單獨存在，兩個基因之間有很長的間隔序列區。內含子、外顯子。區。內含子、外顯子。轉錄啟動子有轉錄啟動子有3 3個保守序列區：個保守序列區：2

6、0-20-3030：TATATATA框，框，DNADNA在此處開始解鏈；在此處開始解鏈； 7070：CAATCAAT框，框，RNARNA聚合酶結合。聚合酶結合。 更上游：更上游：GCGC框，轉錄調控因子結合。框，轉錄調控因子結合。終止子下游有一保守的終止子下游有一保守的AATAAAAATAAA提供轉錄產物的釋提供轉錄產物的釋放信號。放信號。不具不具SDSD序列區，核糖體與轉錄的序列區，核糖體與轉錄的mRNAmRNA結合靠結合靠mRNA5mRNA5端添加的端添加的“帽帽”結構。結構。 D D、真核生物結構基因組成、真核生物結構基因組成151、基因與基因、基因與基因組組161、基因與基因、基因與基

7、因組組每個每個基因座位基因座位用用三個小寫斜體英文字母三個小寫斜體英文字母表示，這表示，這三個字母來自說明基因特性單詞的前三個字母。例三個字母來自說明基因特性單詞的前三個字母。例如，色氨酸合成酶用如，色氨酸合成酶用trp表示。表示。表型相同基因不同的表型相同基因不同的突變型突變型，用三個字母后面，用三個字母后面加加一個大寫字母一個大寫字母表示。例如，各個色氨酸合成酶用表示。例如，各個色氨酸合成酶用trpA 、trpB表示。表示。同一基因的同一基因的不同突變位點不同突變位點用基因符號后面所用基因符號后面所加的加的阿拉伯數字阿拉伯數字表示，如果突變位點所屬的基因還不確表示，如果突變位點所屬的基因還

8、不確定，那么大寫字母用短線表示。定，那么大寫字母用短線表示。 例如，基因例如，基因trpA的的各個突變型分別用各個突變型分別用trpA23 trpA46表示。表示。171、基因與基因、基因與基因組組一些基因的特性無法用一個詞來表示，就得用兩個一些基因的特性無法用一個詞來表示，就得用兩個或三個詞的前三個字母來表示。例如，有一些基因或三個詞的前三個字母來表示。例如，有一些基因與核糖體的大亞基有關，稱與核糖體的大亞基有關，稱rpl（由由ribosomal protein large三個單詞的首字母組成）三個單詞的首字母組成）基因符號在不會引起誤會的情況下也可以作為突變基因符號在不會引起誤會的情況下也

9、可以作為突變型的符號，如果易致誤解，就應該在座位符號上型的符號，如果易致誤解，就應該在座位符號上 加加上上“”或或“”來表示。例如來表示。例如hisA表示組氨酸缺表示組氨酸缺陷型基因，陷型基因， hisA表示相應的野生型基因表示相應的野生型基因抗藥性符號規定用大寫字母表示表型，用相同三個抗藥性符號規定用大寫字母表示表型，用相同三個小寫字母表示基因型。例如氨芐西林抗藥性的表型小寫字母表示基因型。例如氨芐西林抗藥性的表型用用ApR表示，基因型用表示，基因型用amp表示（表示（amp是是ampicillin的前三個字母）的前三個字母）一些常見的基因符號代表特定的意義，如，一些常見的基因符號代表特定的

10、意義，如，inc：不不親和性；親和性；rep：復制；復制；tra:轉移；轉移；fin：致育抑制；致育抑制；ori：復制起點；復制起點；Dam：DNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶181、基因與基因、基因與基因組組基因組基因組(genome)：一特定生物體的整套一特定生物體的整套(單倍體單倍體)遺傳物遺傳物質的總和。質的總和。基因組的大小用全部基因組的大小用全部DNA的堿基對總數表示。的堿基對總數表示。人基因組人基因組3109(30億億bp)，共編碼約，共編碼約10萬個基因。萬個基因。每種真核生物的單倍體基因組中的全部每種真核生物的單倍體基因組中的全部DNA量稱為量稱為C值值，與進化的復雜性并不一

11、致與進化的復雜性并不一致(C-value Paradox)。人類基因組計劃（人類基因組計劃（human genome project, HGP），），基因組學（基因組學（genomics），結構基因組學（），結構基因組學（structural genomics）和功能基因組學（）和功能基因組學（functional genomics）蛋白質組（蛋白質組（proteome）和蛋白質組學（）和蛋白質組學（proteomics）191、基因與基因、基因與基因組組 遺傳圖也稱連鎖圖，遺傳圖也稱連鎖圖，是指基因或是指基因或DNADNA標志在標志在染色體上的相對位置染色體上的相對位置與遺傳距離，后者通與遺

12、傳距離，后者通常以基因或常以基因或DNADNA片段在片段在染色體交換過程中的染色體交換過程中的分離頻率厘摩（分離頻率厘摩（cMcM）來表示。遺傳圖的繪來表示。遺傳圖的繪制是人類基因組研究制是人類基因組研究的第一步，即以染色的第一步，即以染色體上某一點為遺傳標體上某一點為遺傳標記，以與之相伴遺傳記，以與之相伴遺傳的特征為對象，經連的特征為對象，經連鎖分析，將編碼該特鎖分析，將編碼該特征的基因定位于染色征的基因定位于染色體特定位置。體特定位置。A、遺傳圖譜、遺傳圖譜（ （Genetic Map） ）遺傳圖譜表現各基因間的相對位置遺傳圖譜表現各基因間的相對位置201、基因與基因、基因與基因組組2、物

13、理圖譜、物理圖譜（ （Physical Map） ） 物理圖是指以已知核苷酸序列的物理圖是指以已知核苷酸序列的DNADNA片段（序列標簽位點，片段（序列標簽位點，sequence-tagged sitesequence-tagged site，STSSTS）為）為“路標路標”，以堿基對（，以堿基對（bpbp，kbkb，MbMb）作為基本測量單位（圖距）的基因作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。組圖。 用限制酶將染色體切割成若干片用限制酶將染色體切割成若干片段，利用互補原理通過分子雜交法，段，利用互補原理通過分子雜交法，以一小段以一小段DNADNA序列作為標記，分析序列作為標記，分析標記間的距離

14、并確定各個片段在染標記間的距離并確定各個片段在染色體上的實際排列順序。色體上的實際排列順序。物理圖譜表現染色體上每個物理圖譜表現染色體上每個DNADNA片段的實際順序片段的實際順序211、基因與基因、基因與基因組組3、轉錄圖譜、轉錄圖譜（ （Expression Profiling） ） 轉錄圖譜反映在正常或受控條件下能轉錄圖譜反映在正常或受控條件下能夠表達的夠表達的cDNAcDNA片段數目、種類、結構與功片段數目、種類、結構與功能的信息。能的信息。4、測序圖譜、測序圖譜（ （ Sequence Profiling ） ） 測定基因組的測定基因組的DNADNA序列是人類基因組計序列是人類基因組

15、計劃的核心內容。劃的核心內容。22原核生物基因組與真核生物基因組原核生物基因組與真核生物基因組基因組基因組DNA分子量小。分子量小。主體為單個環狀染色體，主體為單個環狀染色體，僅一個復制起點。僅一個復制起點。重復序列少。重復序列少。不編碼的不編碼的DNA序列少。序列少。廣泛存在操縱子結構。廣泛存在操縱子結構。真核生物具有真正的核結構核一真核生物具有真正的核結構核一定數目的染色體。定數目的染色體。真核生物基因組遠大于原核生物，真核生物基因組遠大于原核生物，具多個復制起點。具多個復制起點。大部分基因具有內含子。大部分基因具有內含子。非編碼序列量多于編碼序列。非編碼序列量多于編碼序列。存在大量重復存

16、在大量重復DNADNA序列。序列。未發現原核生物的操縱子結構。未發現原核生物的操縱子結構。1、基因與基因、基因與基因組組231、基因與基因、基因與基因組組 DNADNA以一長串復雜以一長串復雜的線圈形式堆積成染的線圈形式堆積成染色體。色體。DNADNA各線圈圍繞各線圈圍繞在若干組蛋白束上形在若干組蛋白束上形成成“串珠串珠”結構。這結構。這些線圈構成了一個染些線圈構成了一個染色質鏈，然后染色質色質鏈，然后染色質折疊成許多環，再卷折疊成許多環，再卷曲形成一個染色體。曲形成一個染色體。染色體包括：染色體包括：DNA和蛋白質和蛋白質241、基因與基因、基因與基因組組252、基因的、基因的轉轉移和重移和

17、重組組細菌的接合細菌的接合 (conjugation)細菌的轉化細菌的轉化 (transformation)轉導轉導 (transduction)轉染轉染 (transfection)轉座轉座 (transposition)262、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組1946年，萊德伯格（年，萊德伯格（J.Lederberg）與泰特姆（）與泰特姆（E.L.Tatum）進行）進行的著名實驗被稱為的著名實驗被稱為“細菌的接合試驗細菌的接合試驗”，也即是細菌的雜交試驗。，也即是細菌的雜交試驗。 272、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組當當A A株和株和B B株混合時，長出一些非營養缺陷型細菌株混合時

18、，長出一些非營養缺陷型細菌（met，bio，thr，leu）282、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組還要排除幾種可能：還要排除幾種可能：1 1、細菌沒有接合而只是交換了、細菌沒有接合而只是交換了DNADNA（轉化因子）（轉化因子）2 2、細菌沒有接合，只是通過培養基交換了養料、細菌沒有接合，只是通過培養基交換了養料U U形管試驗形管試驗 將這兩種菌株分別培養在一個將這兩種菌株分別培養在一個中間以燒結玻璃隔開的中間以燒結玻璃隔開的U U形管形管的兩端，燒結玻璃使兩種細菌的兩端，燒結玻璃使兩種細菌不能接觸，但容許培養基和大不能接觸，但容許培養基和大分子物質自由通過，培養數小分子物質自由通過，培養

19、數小時后涂布基本培養基平板，結時后涂布基本培養基平板，結果沒有相應的菌落出現，說明果沒有相應的菌落出現，說明細菌的接觸是出現非缺陷型菌細菌的接觸是出現非缺陷型菌株的必要條件。從而證明了細株的必要條件。從而證明了細菌接合現象的存在。菌接合現象的存在。 292、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組1928年，格里菲思（年，格里菲思（F.Griffith）在肺炎）在肺炎雙球菌中發現轉化現象后，直到雙球菌中發現轉化現象后，直到1944年年轉化因子的本質才被艾芙弗里轉化因子的本質才被艾芙弗里（O.T.Avery）等鑒定。）等鑒定。細菌轉化：細菌轉化：一種細菌菌株由于捕獲了來一種細菌菌株由于捕獲了來自另一種

20、細菌菌株的自另一種細菌菌株的DNA，而導致性狀，而導致性狀特征發生遺傳性改變的生命過程。特征發生遺傳性改變的生命過程。302、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組轉化因子本質是轉化因子本質是DNA。感受態（感受態（competent cell）：）：細菌生長細菌生長過程中，只有某一階段的細菌才能成為過程中，只有某一階段的細菌才能成為轉化的受體的生理狀態。一般細菌的感轉化的受體的生理狀態。一般細菌的感受態都出現在對數生長的后期。受態都出現在對數生長的后期。轉化因子整合相關因素：轉化因子整合相關因素：受體細胞的感受體細胞的感受態、受體與供體受態、受體與供體DNA的同源性、受體的同源性、受體細菌的酶系

21、統、線狀供體細菌的酶系統、線狀供體DNA較環狀較環狀DNA易轉化。易轉化。312、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組細菌接合現象發現細菌接合現象發現5年后又發現了轉導年后又發現了轉導現象。現象。轉導：轉導：以噬菌體等為媒介把細菌的基因以噬菌體等為媒介把細菌的基因從一個細胞轉移到另一個細胞的過程。從一個細胞轉移到另一個細胞的過程。烈性噬菌體由于不發生整合所以不會發烈性噬菌體由于不發生整合所以不會發生轉導。生轉導。轉導分為轉導分為普遍性轉導普遍性轉導和和局限性轉導局限性轉導。322、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組332、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組噬菌體侵入細菌或外源噬菌體侵入細菌或外源

22、DNA導入真核細導入真核細胞的過程稱為轉染。胞的過程稱為轉染。轉座因子（轉座因子（transposable elements）：）：又叫又叫跳躍基因（跳躍基因（jumping genes）或移動基因）或移動基因（movable genes），是一種可以在染色體基因），是一種可以在染色體基因組上移動，甚至在不同染色體之間或是染色體、組上移動，甚至在不同染色體之間或是染色體、噬菌體及質粒噬菌體及質粒DNA之間躍遷的之間躍遷的DNA短片段。短片段。342、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組麥克林托克，麥克林托克，19511951年提出了可移動的年提出了可移動的遺傳基因（即遺傳基因（即“跳躍基因跳躍基

23、因”）學說）學說基因可從染色體的一個位置跳躍基因可從染色體的一個位置跳躍到另一個位置、甚至從一條染色體跳到另一個位置、甚至從一條染色體跳躍到另一條染色體，為研究遺傳信息躍到另一條染色體，為研究遺傳信息的表達與調控、生物進化與癌變提供的表達與調控、生物進化與癌變提供了線索。于了線索。于19831983年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。麥克林托克麥克林托克實驗中培育實驗中培育的的“跳躍基跳躍基因因”玉米玉米麥克林托克（麥克林托克（B.McClintockB.McClintock）(1902(19021992)1992)美國女遺傳學家美國女遺傳學家352、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組分裂間期分裂間期

24、減數分裂減數分裂 I減數分裂減數分裂 II同源染色體同源染色體362、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組1964年，哈利臺（年，哈利臺（R.Holliday）提出的鏈斷裂）提出的鏈斷裂重接模型，解釋了部分雜合雙鏈的產生。重接模型，解釋了部分雜合雙鏈的產生。步驟：步驟：鏈斷裂：同源聯會的兩個鏈斷裂：同源聯會的兩個DNA分子中任意分子中任意一個出現單鏈切口，切口由一個出現單鏈切口，切口由DNA內切酶完成。內切酶完成。 兩個單鏈對接，形成半交叉。兩個單鏈對接，形成半交叉。 半交叉位置移動。半交叉位置移動。 Holliday中間體的變構和拆分。中間體的變構和拆分。 372、基因的、基因的轉轉移和重移和

25、重組組382、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組非同源重組非同源重組是指發生重組的兩個是指發生重組的兩個DNA分分子之間沒有或較少有序列同源性且不依子之間沒有或較少有序列同源性且不依賴重組蛋白賴重組蛋白RecA，這樣轉座、質粒的，這樣轉座、質粒的轉化、噬菌體、動物病毒的整合均屬于轉化、噬菌體、動物病毒的整合均屬于非同源重組。非同源重組。非同源重組又分為復制性重組（重組后非同源重組又分為復制性重組（重組后原來位置結構不消失）和保守性重組原來位置結構不消失）和保守性重組（原來位置結構消失）。（原來位置結構消失）。392、基因的、基因的轉轉移和重移和重組組抗生素抗抗生素抗性基因性基因外源外源DNA片

26、段片段經內切酶酶切經內切酶酶切理想的重組理想的重組重組質粒重組質粒抗生素篩選抗生素篩選基因重組基因重組403、基因表達、基因表達調調控控基因表達（基因表達（gene expression）：）：指基因指基因所編碼的遺傳信息被轉化為蛋白質產物。所編碼的遺傳信息被轉化為蛋白質產物。基因表達的主要過程包括基因表達的主要過程包括基因的轉錄基因的轉錄和和mRNA的翻譯的翻譯。基因表達的調節控制，簡稱基因表達調控基因表達的調節控制，簡稱基因表達調控（control of gene expression），是指），是指各種生物對其攜帶的遺傳信息表達的精密各種生物對其攜帶的遺傳信息表達的精密控制。控制。41原

27、核基因與真核基因表達特性的比較原核基因與真核基因表達特性的比較在原核基因的表達過程中，轉錄和轉譯是偶聯發生的；在真核在原核基因的表達過程中，轉錄和轉譯是偶聯發生的；在真核基因表達過程中，轉錄和轉譯在空間和時間上都是分開進行的。基因表達過程中，轉錄和轉譯在空間和時間上都是分開進行的。 423、基因表達、基因表達調調控控19611961年，法國分子生物學家雅各布年，法國分子生物學家雅各布(F.Jacob)(F.Jacob)和莫諾（和莫諾（JLMonod)JLMonod)提出了乳糖操縱子模型，開辟了基因表達調控研究的新領域。提出了乳糖操縱子模型，開辟了基因表達調控研究的新領域。 433、基因表達、基因表達調調控控乳糖操縱子乳糖操縱