第四章 基因的结构与功能

• 基因是一个特定的 DNA 或 RNA 片段，但并非一段 DNA 或 RNA 都是基因。

第一节 基因的概念• 一、基因概念的发展（一）遗传“因子”：孟德尔认为，生物性状的遗

传由遗传因子所控制，性状本身不遗传。（二）染色体是基因的载体：摩尔根实验证明基因

位于染色体上，并呈直线排列，提出了遗传学是连锁交换规律，建立了遗传的染色体学说，为细胞遗传学奠定了重要基础。并由此提出基因既是一个功能单位，是一个突变单位，也是一个交换单位的“三位一体”概念。∴　经典遗传学认为：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。

（三） DNA 是遗传物质： 1928 年 Griffith首先发现了肺炎球菌的转化，证实 DNA是遗传物质而非蛋白质； Avery 用生物化学的方法证明转化因子是 DNA 而不是其他物质。

（四）基因是有功能的 DNA 片段20 世纪 40 年代 Beadle 和 Tatum 提出一

个基因一个酶的假说，沟通了蛋白质合成与基因功能的研究

1953 年 Watson 和 Crick 提出 DNA 双螺旋结构模型，明确了 DNA 的复制方式。

1957 年 Crick 提出中心法则， 61 年提出三联体遗传密码，从而将 DNA 分子结构与生物体结合起来

1957 年 Benzer 用大肠杆菌 T4 噬菌体为材料，分析了基因内部的精细结构，提出了顺反子（ cistor) 的概念，证明基因是 DNA 分之上一个特定的区段，是一个功能单位，包括许多突变位点（突变子），突变位点之间可以发生重组（重组子）

理论上，一个基因有多少对核苷酸对就有多少突变子和的重组子，实际上，突变子数少于核苷酸对数，重组子数小于突变子数。

总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为 DNA 分子上特定的一段顺序 --- 顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。

近代基因的概念：基因是一段有功能的 DNA 序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。

突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。

重组子：不能由重组分开的基本单位。

• （五）操纵子模型 1961 年法国分子生物学家 Jacob 和 Mo

nod 通过对大肠杆菌乳糖突变体研究，提出了操纵子学说（ operon theory) 。阐明了基因在乳糖利用中的作用。

（六）跳跃基因（转座子）和断裂基因的发现

20 世纪 50 年代以前认为每一基因组的DNA 是固定的，而且其位置和他们的功能无关。 50 年代初芭芭拉在玉米的控制因子的研究中指出某些遗传因子可以转移位置，之后在真核生物和原核生物中发现基因组中某些成分不固定性是普遍现象，称跳跃基因。 70 年代后发现大多真核生物基因都是不连续的，被不编码序列隔开，称断裂基因。

二、基因的类别及其相互关系

• 根据基因的功能和性质，可将其分为以下几类：• （一）结构基因（ structural gene) 和调节基因 (reg

ulatory gene): 既可转录又可翻译。• （二）核糖体 RNA 基因（ rRNA 基因简称 rDN

A ）和转移 RNA 基因（ tRNA 基因简称 tDNA ）：只可转录不可翻译。前者专门转录 rRNA ， rRNA与响应蛋白质结合形成核糖体；后者专门转录 tRNA ， tRNA 作用是激活氨基酸。

• （三）启动子（ promotor0 和操纵基因 (operator):既无转录功能又无翻译功能，确切说，它们不能称为基因。

三、基因与 DNA

• 一个基因大约有 500-6000 个核苷酸对，但并非DNA 分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA 分子区段。

• 如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？ 要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录

产物 RNA 核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段DNA 的核苷酸序列和相应产物的序列。

第二节 重组测验• 一、拟等位基因 黑腹果蝇中 wa 代表杏色眼基因 ,w 代表白色眼基因，且

都位于 X 染色体上 P wa wa × wY

杏色 白色 F1 wa w wa Y(杏色眼）

F2 wa wa wa w wa Y wY

若wa 和w为等位基因 ， F2应该只有亲本两种表型，但在大量的 F2群体中却出现了 1/1000野生型红眼出现，红眼不是突变产生，因为不可能出现如此高的频率

• 进一步研究证明：这是由于杏色眼基因和白眼基因在染色体上所占的位置（座位）相同，但属于不同的位点，因而它们之间可以发生交换。

P wa+/ wa+ × +w/ Y

F1 wa+/ +w wa+/ Y

（配子） （配子） wa+ +w wa w ++ wa+ Y

F2 出现 ++/ wa+ 和 ++ /Y （红眼野生型）

• 顺反位置效应（ cis-trans position effect) ：

• wa+/ +w两个突变分别在两条染色体上，称为反式（ trans) ， wa w /++两个土百年同时排在一条染色体上，而另一条染色体上两个位点均正常，称为顺式（ cis) 。反式表现为突变型，顺式排列为野生型，这种由于排列方式不同而表型不同的现象成为顺反位置效应。

• 拟等位基因（ pseudoallele) ：表型效应类似紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因，其发现证明：基因是可分的。

• 二、噬菌体突变型1 、噬菌斑形态的突变型2 、寄主范围的突变型3 、条件致死突变型概念：条件致死突变（ P101 ）• Benzer 实验所用的 T4 的 rⅡ突变就是

一个条件致死突变型。（见 P101 表 4-1 ）

表 4-1 野生型与几种突变型的区别类 型 不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型

B K() S

野生型 小噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑 rI 大噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑 rII 大噬菌斑 无噬菌斑（致死） 小噬菌斑rIII 大噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑

• 三、 Benzer 的重组实验两种 rⅡ突变类型： rx、 ry

　 　　　　 r+rx　　×　　 ryr+　　　　　　　　　 ↓混合感染　　　　　　　　 E.coli B株　　　　　　　　　接种　　　　　　　　　　　　　　　 B株　　　　　 K(λ) 株　　　　　　　 计数　　　　　 r+ry、 rxr+　　　　 r+r+　　　 r+r+、 rxry　　　仅生长一　　　四种基因型　　　 种重组型　　　 均能生长

• 重组值计算： rxry的数量与 r+r+ 相同，计算时 r+r+ 噬菌体数×2。

　　

• 此种测定方法称为重组测验（ recombina

tion test) ，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，此方法测定重组频率非常灵敏可以获得小到 0.001％，即十万分之一的重组值。

第三节 互补测验• 一、互补测验的原理和方法 互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）

彼此互补（ complementation) ：用 rⅡ 突变型成对组合同时去感染大肠杆菌 K(λ)株，若被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体（也有少量重组型的噬菌体），那么就必定是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补。

若双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。

• 互补测验结果发现：• rⅡ 突变型可分成 rⅡ A 和 rⅡ B两个互补群。所有 rⅡ A 突变型的突变位点都在 rⅡ 区的一头，是一个独立的功能单位 , 所有 rⅡB 突变型的突变位点都在rⅡ 区的另一头，也是一个独立的功能单位 .

• 凡是属于 rⅡ A 的突变之间不能互补 ,同理凡是属于 rⅡ B 的突变之间也不能互补 ,只有 rⅡ A 和 rⅡ B 的突变之间可以互补 ,即双重感染大肠杆菌 K(λ) 株后可产生子代。

• 说明 : rⅡ A 和 rⅡ B 是两个独立的功能单位 , 分别具有不同的功能 , 但它们的功能又是互补的。

互补试验的原理 表型 有无功能互补 结论 反式 : A+ B A B+

反式 : A+ B A B+

突变型 － 属同一顺反子

野生型 ＋ 属不同顺反子

二、顺反子

• 互补实验中，两个隐性突变如表现出互补效应，则证明这两个突变型分别属于不同基因；如不能表现出互补，则证明这两个突变型在同一基因内。

• 对于不同基因间的突变型在互补测验中，不论是顺式还是反式排列均表现出互补效应；但若属于同一基因的不同位点的突变，则顺式结构表现互补，反式结构则不能互补。说明基因是一个独立的功能单位。

• 顺反子：不同突变之间没有互补的功能区，一个顺反子就是一个基因，就是一个基因座位，包含多个基因位点，是遗传上的一个作用（功能）单位，但不是一个突变单位或重组单位。

• 顺反试验：指将两个拟突变分别处于顺式和反式，根据其表型确定两个突变是否是同一基因的试验。

判断两突变是否处于同一顺反子的方法 : 顺式 反式 分析结论：两突变 + +/- - + -/- + 表现型 野生型 野生型 属于两个顺反子 表现型 野生型 突变型 属于同一顺反子

• 遗传上的突变单位和重组单位是突变子（ muton) 和重组子 (roecon) ，突变子是基因内改变后可以产生突变表型的最小单位。它只相当与一个核苷酸对，不能将其定义为一个基因。重组子是基因内不能有重组分开的遗传单位，也不能将其定义为一个基因。

• 所以：基因可分，可分为很多突变子和重组子。

•三、 基因内互补1、 基因内互补的机理

2、 基因内互补与基因间互补的区别

基因间互补 基因内互补

发生机率 普遍存在 仅少数能发生

缺失突变 能发生互补 不能发生

酶活性 同野生型一样 明显低于野生型（仅 25% ）

第四节 缺失作图

• 点突变和缺失突变的区别： 1 、点突变是单个位点的突变，缺失突变是多个

位点的突变； 2 、点突变可回复，而缺失突变不可； 3 、点突变之间可发生重组，缺失突变同另一个

基因组在这个缺失区的点突变 间不可重组，即无法通过重组而恢复野生型核苷酸顺序。

• 缺失作图： Benzer 根据这一原理很方便地把数千个独立的 rⅡ突变定位在 rⅡ遗传图上更小的区段内，此方法称缺失作图。

• 凡是能和某一缺失突变进行重组的，他的位置一定不在缺失范围内，凡是不能重组的，它的位置一定在缺失范围内。

缺失 1

缺失 2

a b c

细线表示缺失区，二者分别与各种突变体杂交，缺失 2只有与 a 区中突变体杂交才能产生野生型重组体，缺失1只有与 c 区突变体杂交才能产生野生型重组体，但 2个缺失与 b 区的突变体杂交均不能产生野生型重组体。

• 二、缺失作图方法（ P107 ）

第五节 断裂基因与重叠基因• 一、外显子与内含子• 1977 年法国的 Chambon等和 Berget等首次报道基因内部有间隔顺序（ spacer sequence) ，并由此提出断裂基因（ split gene ）的概念。在成熟mRNA 上反映出的 DNA 区段，即 DNA 序列中被转录成为 mRNA 的片段称为外显子（ exon 或 extron) 在成熟mRNA 上未反映出的 DNA 区段称为内含子 (intron)

• 二、断裂基因的意义

• 1 、有利于储存较多的信息，增加信息量；• 2 、有利于变异和进化；• 3 、增加重组机率；• 4 、可能是基因调控装置

• 三、重叠基因• 1978 年英国剑桥大学分子生物学 Sarger

分析了 X174DNA全序列后，发现它的核苷酸实际数比理论数少 614 个氨基酸。

同实验室的 Barrell等发现其基因组中有些密码是重叠的，从而形成重叠基因。

• 重叠基因的几种重叠方式：• 1 、大基因内包含小基因• 2 、前后两个基因首尾重叠• 3 、三个基因之间三重重叠

• 4 、反向重叠• 5 、重叠操纵子• 普遍认为：重叠基因不仅是能经济和有效的利用 DNA 遗传信息量，节约碱基，而且更重要的是便于对基因表达起调控作用。如色氨酸操纵子中 trpD 基因的翻译依赖与上游基因 trpE 的翻译，原因是trpE 的终止密码子与 trpD 的起始密码子重叠。

第六节 基因的功能• 一、 Garrod 的先天性代谢缺陷 二十世纪初，英国医生 Garrod 首先发现人类

中几种先天性代谢缺陷疾病，如苯丙酮尿症（ PKU ），它有常染色体隐性基因决定。这是因为这种隐性基因不能产生苯丙氨酸羟化酶，因而不能把提内多余的苯丙氨酸转化为酪氨酸，因此血液中的苯丙氨酸积累起来，只能通过苯丙氨酸转移酶的作用，从另一代谢途径转变成有毒的苯丙酮酸，苯丙酮酸从尿液中排除，可通过尿检而确诊，所以称为苯丙酮尿症。

• 苯丙酮酸 酪氨酸 3 ， 4 二羟苯丙氨酸

• 苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸 黑色素

• 尿黑酸• aa(黑尿症）• 已酰醋酸

• CO2+H2O

苯丙酮尿症

pp cc

白化

病

• Garrod 认为这些代谢缺陷病是由于缺少某些酶。因此，他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是通过控制酶和其他蛋白质合成来控制细胞代谢的。

• 二、一个基因一种酶假说 Beadle 和 Tatum 于 1941 年提出，并因

此于 1958 年获得诺贝尔奖。

（一）生物合成过程 基因： a b c d ↓ ↓ ↓ ↓ 酶： A B C D 代谢物： 1 → 2 → 3 → 4 → 5 前体物 色素原 a 色素原 b 红色 紫色

检测的物质 A B C D E G突 1 — — — + — + 2 — + — + — +变 3 — — — — — + 4 — + + + — +体 5 + + + + — +

突 变 型 : 5 4 2 1 3

↓ ↓ ↓ ↓ ↓

代谢过程 : E → A → C → B → D → G

（二）突变型与合成缺陷

（三）一个基因一种酶的实验依据 精氨酸缺陷型 补充培养基 : 鸟 aa 瓜 aa 精 aa 菌株 I — — ＋精氨酸突变型 菌株 II － ＋ ＋ 菌株 III ＋ ＋ ＋

分析得出 : 基因 arg1 arg2 arg3 ↓ ↓ ↓ 酶 1 酶 2 酶 3 ↓ ↓ ↓ 前体物 鸟 aa 瓜 aa 精 aa

（四）一个基因一种酶的局限性 (1) 并非所有的基因都为蛋白质编码；

(2) 有的酶由多个基因编码；

(3) 有的一个基因控制多个酶；

(4) 有的 RNA 具有催化活性；

三、一个结构基因一条多肽链的证据直接证据 人的镰刀形细胞贫血症• 正常人红细胞中含血红蛋白（ HbA ）：圆盘状，红色，运载氧气；

• 镰刀形细胞贫血症患者红细胞含血红蛋白（ HbS ）：镰刀形，溶血型贫血，不能运载氧气。

• 正常人基因型为： HbA HbA 血红蛋白为HbA

• 异常人基因型为： HbS HbS 血红蛋白为HbS

• 杂合体基因型为： HbA HbS血红蛋白兼有 HbA 和 HbS两种。但由于 HbA 可携带氧气，因而不表现临床症状。

• 研究表明： HbA 有 4条多肽链组成 α2

β2 ，其中 两条相同的 α链，每条具 141

个氨基酸；两条相同的 β链，每条具 146

个氨基酸。 Ingram 证明 HbA 和 HbS 具有相同的 α链，只是 β链上第 6 位氨基酸不同， HbA 是谷氨酸，而 HbS 是颉氨酸， HbA 和 HbS这对等位基因的差别导致了由该基因所控制的多肽链上的一个氨基酸的差别。

• 由此可见：基因是以某种方式规定了蛋白质中氨基酸顺序的。