6第六章 基因的概念及发展
第六章基因的概念及发展
教学基本要求：
1．重点掌握基因的概念及其发展状况
2．具体掌握“三位一体”、结构基因、调节基因、启动子与操纵基因；顺反子、重组子、突变子；断裂基因、外显子与内含子；重叠基因；基因的功能，一基因一酶假说的内容。
学时数： 3学时
性状的表现受基因控制，由于基因的分离与减数分裂时染色体的分离同步，因而确定染色体是基因的载体。对遗传物质DNA的研究，把遗传学从细胞水平提高到分子水平，奠定了分子遗传学基础。本章将进一步说明基因的本质是什么，基因的概念及其发展状况。
第一节经典遗传学中基因的概念
1866年，G. J孟德尔在他的豌豆杂交试验中，用大写字母代表显性性状，用小写字母代表隐性性状，提出了遗传因子的概念，但他并没有严格地区别所观察的性状和控制这些性状的遗传因子。
20世纪，孟德尔的工作被重新发现。100多年来人们对基因的认识在不断地变化。
1909年，丹麦遗传学家约翰逊（Johansson. W.L）提出基因这一名词（gene←pangen genetics←to generate），并提出了基因型和表现型这个术语。
1910年，美国遗传兼胚胎学家T.H.摩尔根（Morgan）在果蝇中发现白色复眼突变型，首先说明(1)基因可以发生突变；(2)证实基因位于染色体上，呈直线排列，象一串珠子一样；(3)非等位基因间可以发生交换。不过直到40年代中期为止，还没有发现过交换发生在一个基因内部的现象。因此当时提出基因是一个功能单位，也是一个突变和交换单位的“三位一体”的概念。把基因看成是不可分割的最小的遗传单位。
摩尔根的主要成就:把基因和染色体联系起来。认为基因是一种物质，是染色体上的一个特定的区段。
第二节基因与DNA
一、基因的化学本质
1928年，Griffith首先发现了肺炎双球菌的转化现象，1944年，O.T.Avery（埃弗里）等证实肺炎双球菌的转化因子是DNA，才首次证明基因是由DNA构成。
1953年，Watson和Crick（沃森和克里克）提出了DNA的双螺旋结构模型。Crick，1957年提出“中心法则”，1961年，又提出“三联体密码”，从而阐明了DNA的结构、复制和遗传物质如何保持世代连续的问题。从化学本质上看基因是含有特定遗传信息的DNA分子片断，每个基因平均相当于1000(500-6000)对核苷酸的特定序列。估计大肠杆菌含有1000～7500个基因，人的基因至少有100万个（按分子量算）。
(1)基因的自体复制——DNA的复制。
(2)基因决定性状——DNA→mRNA→蛋白质。
(3)基因突变——DNA核苷酸的改变。
二、基因与基因组
基因组（genome）这个名词最早出现在1922年的遗传学文件中，指的是单倍体细胞中所含有的整套染色体，所以又被译作染色体组。近年来，学界更多地把genome定义为整套染色体所包含的全部基因。原核生物基因组就是原核细胞内构成染色体的一个DNA分子；真核生物的核基因组是指单倍体细胞内整套染色体所含的DNA分子。
基因组测序的结果指出，基因组中不仅包含着整套基因的编码序列，同时还包含着大量非编码序列，这些序列同样包含着遗传指令。因此，基因组应该是整套染色体所包含的DNA分子以及DNA分子所携带的全部遗传指令。
基因组研究的迅猛发展已形成了一个新的学科，即基因组学（Genomics），这是1986年出现的述语。用以表述研究生物体基因和基因组的结构组成、不稳定性及功能性的一门学科。随后又把基因组学分成结构基因组学和功能基因组学（structural genomics and furetional genomics），
前者研究基因和基因的结构，各种遗传元件的序列特征，基因组作图和基因定位等；后者着重研究不同的序列结构具有的不同的功能，基因表达的调控，基因和环境（包括基因与基因之间，基因与其他DNA序列之间，基因与蛋白质之间）的相互作用等。
（一）基因组的序列复杂性
1．C值悖理：
生物体的单倍体基因组所含DNA总量称为C值。
C值悖理：生物基因组的大小同生物在进化上所处的地位高低无关：
(1)显花植物和两栖类动物的基因组最大，软骨鱼硬骨鱼甚至昆虫和软体动物的基因组都大于包括人类在内的哺乳动物的基因组。肺鱼的C值比人类高100倍。
(2)每类生物的最小基因组的大小基本上对应生物在进化上所处的地位的高低。
2．序列复杂性
同一类生物中基因组大小相差悬殊，其主要差别在于多余（excess）DNA量的差别。
(1)重复序列
基因组不同序列的总长度称为序列复杂性（sequence complexity）。用bp来表示。序列复杂性的高低反映了序列包括的遗传信息量的多少。
(2)外显子数目的多寡，从进化的角度看，更多的外显子有助于形成更多的外显子组合，对生物在多种环境下生存是有利的。
3. DNA复性协力学
反映基因组内单一序列和重复序列的组成情况。
(1)DNA的变性和复性。
变性（denaturation）：:将双链DNA在中性盐溶液（食盐0.18mol/L、枸橼酸钠0.018mol/L）中加热（100℃，10分钟）。使两条多核苷酸链互补碱基对间的氢键打开，分成两条单链。
复性（renaturation）或退火（annealing）：变性后成为单链的DNA，在适当的条件下（慢慢冷却10小时以上）又回复成双链DNA。
解链温度（melting temperature，Tm）：使溶液中DNA分子的50%成为单链时，所需的温度。因为DNA分子中，氢键越多越稳定，所以GC含量多，解链温度高，DNA稳定性高。
(2)复性速率（reassociation rate）与重复顺序
DNA复性速率与基因组中碱基顺序的复杂情况和重复程度有关。两种不同复杂性的DNA分子，在总量相同的情况下，复杂性高的序列，复性速度慢，反之亦然。
复性速率可以用下列公式表示
C－在时间t时单链DNA浓度，k－二级反映常数
解微分方程得：
当复性反应完成一半时，所对应的Cot值定义Cot1/2
可用分光光度计，在260nm波段测量光密度的变化，此外，复性速率也受到反应液中DNA 初始浓度的影响。因此，以未复性的单链百分数为纵轴，初始浓度（Co）×时间（t）为横轴，作成Cot复性曲线，用来估计重复顺序和单拷贝顺序的相对比例。
E.coli DNA没有重复顺序。它的曲线可以看作是一条理想曲线，小牛DNA的复性速率初期比E.coli快得多。因为小牛基因组中少数基因有大量拷贝数。后期的复性速率大大低于E.coli，因为小牛基因组中单一顺序（unique）远比E.coli复杂。
（二）基因组DNA序列的分类
1．基因序列和非基因序列：
(1)基因序列是指基因组里决定蛋白质（或RNA产物）的DNA序列。ATG开始，终止密码子结束。在分析基因组序列时，当一个DNA序列以ATG开始，随后是一个个密码子，但还未发现其蛋白质产物，此时这种DNA序列称为可读框
(2)非基因序列是基因组中除基因以外的所有DNA序列，主要是两个基因间的插序列。
2.编码序列和非编码序列：
(1)编码序列是指编码RNA和蛋白质的DNA序列（不含内含子）。
(2)非编码序列包括内含子序列及居间序列的总和。
3．单一序列和重复序列
(1)单一序列（unique）是基因组里只出现一次的DNA序列。（非基因序列中也有单一序列），复性时间很慢。
(2)重复序列（repetitive）是在基因组中重复出现的DNA序列。基因组内的重复序列有的是散在分布，有的是成簇存在。重复序列又可分为：
A．轻度重复序列：一般指个基因组内有2-10个拷贝。但有时2-3个拷贝的DNA也被视作非重复序列，如组蛋白基因和酵母tRNA基因。
B．中度重复序列：一般指10到几百拷贝的DNA序列，复性时间以分计。通常是非编码序列，平均长度300bp，往往构成序列家族，与单一序列相隔排列，分散在基因组中。可
能在基因调控中起作用。
C．高度重复序列：约为300bp的重复顺序，一个基因组中有几百份甚至几百万份拷贝，复性时间以秒计。既有重复几百分拷贝的基因，如rRNA基因和某些tRNA基因，更多的则
是很短的非编码序列。呈头尾衔接的串联重复序列（tandem repeat）按照基因组的分子量计算，哺乳动物的基因组中极大部分是重复序列。在非重复序列中，编码肽链的基因估计不超过百分之几。重复顺序是真核生物DNA区别于原核生物的一个重要特征。
（三）重复序列家族
重复序列家族(sequence family)是指一类核苷酸序列高度相似的重复序列，包括基因和基因以外的序列。
真核生物基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因可归为一个基因家族（gene family）。但重复序列主要是基因以外的DNA序列，根据其在基因组中的组织形式，可分为串联重复序列和散在重复序列。多数来源于反转录转座子。
1．卫星DNA（satellite DNA）
DNA片段在氯化铯密度梯度离心中，按其大小在离心管内，形成不同的条带，根据荧光强度分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带，称卫星DNA，这种DNA的GC 含量较少，密度低。
卫星DNA按其浮力密度的大小可以分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类（1.687， 1.693， 1.700g/cm3），都是由各种不同的重复序列家族组成，通常是串联重复序列.
卫星DNA按其重复单元的多少可分为两类:
(1)小卫星DNA(minisatellite DNA)，由几百个核苷酸对的单元重复组成。（又：由11-60个bp的串联重复序列组成）。
(2)微卫星DNA（microsatellite DNA），由2-20bp重复成百上千次组成。（又：1-5bp）
DNA指纹（DNA fingerprints）：利用微卫星DNA的某些位置上的这种串联，成簇的重复单位数目不同，在串联重复序列两侧用限制性内切酶酶切后，就会产生重复单位数目不等的片段，具有丰富的多态性。这种多态性亦称VNTR序列（V ariable number of tandem repeat可变串联重复序列）。以VNTRs中的特异序列为探针进行Southern杂交，杂交带谱具有高度的特异性。
倒位重复序列：这是两个序列的互补拷贝在同条DNA链上的反向排列，如
GCA CTTC……GAA GTGC
CGTGAA G……CTTCA CG
2．散在重复序列
以散在方式分布于基因组内，一般都是中度重复序列。分为
(1)短分散重复序列（short inter spersed nuclear elements）SINEs长度在500bp以下。人类基因组中，重复拷贝数达10万以上。
人类基因组中所有SINE之间的平均距离约为2.2Kb。如Alu序列家族，人类基因组中约有50万-70万拷贝，平均每隔4 Kb就有一个Alu。一个典型的Alu序列长282bp，有一个限制性内切酶AluⅠ的识别序列ACCT。
(2)长散在重复序列（long interspersed nuclear elements，LINEs）重复序列单元长度1000bp。
第三节基因内部的精细结构
过去一直认为基因是一个功能单位，同时也是一个突变单位，交换单位，即所谓三位一体的概念，认为:交换只能发生在基因之间，而不能在它们之中；突变只能从一个基因变成另一个基因，其内部没有改变变化的更小单位。
20世纪40年代，在果蝇研究中发现，根据表型标准被认为是两个等位基因的突变型却可以发生重组而得到野生型，这种紧密连锁的功能性等位基因，但不是结构性的等位基因称为拟等位基因。
精密的微生物遗传分析证明，基因并不是最小的不可分割的单位。
一、顺反子、突变子与重组子
1．重组测验
1955年，美国的S.Benzer（本泽）用大肠杆菌T4噬菌体作为材料，研究快速溶菌突变型rⅡ的基因精细结构，发现在一个基因内部的许多位点可以发生突变，并可以在这些位点之间发生交换，从而说明一个基因是一个功能单位，但并不是一个突变单位和交换单位，因此，一个基因可以包括许多突变单位和许多重组单位。
2．互补测验
Benzer分析了rⅡ区域大约2000个（有些不能重组）突变型，知道这些突变分布在308个（能重组）位点上。那么，这308个位点是属于一个基因还是几个基因？为了划分这种功能单位界线，必须进行互补测验。
Benzer用不同的rⅡ突变型成对组合去感染大肠杆菌K（λ）菌株。他发现:rⅡ突变型可分成rⅡA和rⅡB两个互补群。所有rⅡA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，凡是属于rⅡA互补群的突变不能互补，同理属于B互补群的突变也不能互补，只有rⅡA的突变和rⅡB的突变可以互补。
3．顺反子、突变子与重组子的概念
（1）顺反子（cistron）：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胡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。rⅡ区内，有两个基因，但可在许多位点发生突变和重组。
（2）突变子（muton）：是指一个顺反子内部能发生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一对碱基。
（3）重组子（recon）是基因内不能由重组分开的遗传单位，即基因内出现重组的最小区间。重组子的单位可以小到核苷酸对。
总结：每个顺反子在染色体（DNA）上的区域称为基因座（locas），而每个基因座上有许多突变位点（site），它是一个顺反子内部能发生突变的最小结构单位，称为突变子；一个突变可以小到一对碱基，我们知道，DNA中每一核苷酸对的改变都可引起肽链中氨基酸的改变，从
而影响顺反子的功能，但它本身没有独立的功能，它们之间可以重组，而重组的最小结构单位称为重组子，重组子可以小到邻近碱基对间的重组。由此可见，顺反子既具有功能上的完整性，又具有结构上的可分割性。
二、断裂基因
传统的观点认为每个结构基因是一段连续的DNA顺序，到1977年法国的Chambom等和美国的Berget等首次在猴类病毒SV40和腺病毒中发现基因内部以及基因与基因之间存在有间隔顺序（spacer sequence），从而导致隔裂基因的概念。
1、断裂基因：基因的编码顺序由若干非编码区域（间隔序列）隔开，使阅读框不连续，这种基因称为隔裂基因（split gene，interrupted gene隔裂基因）。
通读框（open reading frame），在一条DNA链上，从起始密码开始到终止密码为止的连续核苷酸密码序列。
一个基因由几个互不相邻的段落组成，它们被长达数百乃至数千个核苷酸对的间隔序列所隔开。
在真核类中，几乎所有基因内部都含有不转译的部分。在转录为初级RNA时（或后），这一序列被切除。
图4-8 卵清蛋白基因及其与cDNA的杂交图
目前，已从珠蛋白、卵清蛋白、免疫球蛋白基因、tRNA、rRNA基因中，均发现具有这种间隔顺序的断裂基因。
2、外显子（exon或extron）：基因的转译部分。DNA序列中将被转录为mRNA、tRNA、rRNA的那些序列。
3、内含子（intron）：不转译的部分。在成熟的mRNA、tRNA、rRNA上未反应出来的DNA区段，即被切除的间隔序列。
Gilbert提出基因是被表达的外显子镶嵌在沉默的内含子中的一种嵌合体。而内含子的核苷酸数量可比外显子多5-10倍。
4、RNA剪接
5、断裂基因的意义
(1)有利于储存较多的信息：不同的剪接方式对应不同的mRNA，从而对应不同的多肽。
(2)有利于变异和进化
(3)增加重组机会
(4)可能是基因调控装置：内含子本身、转录水平和转录后水平
第四节基因空间位置关系
一、重叠基因
传统的观点认为每个基因是由一些密码子组成。而这些密码子是有序地排列在DNA链上，基因在染色体上是一个接一个地排列（线状排列）并不重叠。
1977年F.Sanger（桑格）分析了噬菌体φX174 DNA全序后，发现它只有5375个核苷酸，共组成了九个基因，而这九种基因共编码了2000种氨基酸，按三联体密码子的原则应有6000个核苷酸，而实际数与理论数却相差625个核苷酸。Sanger实验室的Barrell等在其核苷酸全序测定以后，发现φX174基因组中有些读码是重读的，即一种蛋白质的编码顺序内可以存在着另一种蛋白质的遗传信息。这就是重叠基因（overlapping genes）。
图4-9。φX174DNA中D基因和E基因的开始和结尾。说明:核苷酸顺序号从D基因的起始密码算起，E基因从179号开始。其阅读相（reading phase）跟D基因岔开。E基因包含在D 内（60%）。D基因与J基因首尾重叠。D的终止点A，即J的开始处。
进一步研究发现基因有各种重叠方式:
1、大基因之内包含小基因
如，由于密码读框不同而得到不同的蛋白质。
2、前后基因产首尾重叠
前后重叠1-2个核苷酸。如D与J，A与C
3、三个基因的三重重叠
shaw（1978）G4噬菌体。图示。
4、反向重叠
DNA的双链都转录，方向不同，形成不同的蛋白质，但这种转录相互干扰，一强一弱。
5、重叠操纵子
结构基因与调控序列的重叠，以及调控序列之间的重叠。如大肠杆菌中的frd和ampC两个操纵子。
重叠基因的意义:(1)节约空间；(2)对基因的表达调控起作用。如转译的偶联（translational coupling）；(3)一个碱基的变化将会引起几个基因的变化，从这个基因上说，重叠基因越多，那么适应性越小，在进化中趋于保守。
二、操纵子
大肠杆菌生长在无乳糖的培养基上时，每个细胞中含分解乳糖的酶，如β-半乳糖苷酶的分子还不到5个，一旦加入乳糖后2-3分钟，每个细胞中的β-半乳糖苷酶的含量可增加上千倍，每个细胞约含该酶分子5000个，而这时若将乳糖去掉，那么，2-3分钟后，细胞中的β-半乳糖苷酶的含量又恢复到初始水平。可见，乳糖能诱导相应的酶大量合成，因此，这种底物称为诱导物（inducer），相应的酶称为诱导酶（inducible enzyme）。
1961年，法国分子生物学家F.Jacob（杰柯伯）和J.Monod（莫诺）通过不同的大肠杆菌乳
糖代谢突变体来研究基因的作用，从而提出操纵子学说（operon theory），1965年获诺贝尔奖。
一个操纵子（operon）除了同一个转录单位的结构基因(structure gene)外，还有直接参加其转录调控的DNA序列。lacO ，lacP，即乳糖操纵子由5个紧密连锁，但功能不同的DNA区段组成。
图3-4 大肠杆菌乳糖操纵子的基因调控系统。
(1)结构基因z ：β- 半乳糖苷酶基因→酶催化乳糖→半乳糖+葡萄糖。
(2)结构基因y ：β- 半乳糖苷透性酶基因→膜结合蛋白，使乳糖进入细胞。
(3)结构基因a ：编码β- 半乳糖转乙酰基酶，该酶可将一个乙酰基从乙酰辅酶A转移至β- 半乳糖上，其在乳糖利用上的生物学意义尚不清楚。
(4)启动基因P ：是RNA多聚酶与DNA结合的启始部位。(initiator)
(5)操纵基因O ：是阻遏蛋白结合的部位，它的功能象一个开关。(operator)
调节基因i 产生阻遏蛋白，调节结构基因的活性，与(1)-(5)不相邻。(regulatory gene)
操纵基因与由它操纵的几个结构基因连锁在一起，几个结构基因由一个启动子转录成为一个mRNA分子，然后翻译成几种蛋白质，这样的结构成为一个操纵子(operon)。调节基因通过产生阻遏物来调节操纵基因，进而控制结构基因的功能。这样，这些基因构成了一整套基因功能的调节控制系统。
调节基因和操纵基因都有控制结构基因的作用，它们的差别是：(1)调节基因可以调节不同染色体上的结构基因，而操纵基因则只是操纵同一染色体上的结构基因。(2)后者无基因产物。
操纵子模型进一步丰富了基因概念。
三、超基因
超基因(super gene)是指作用于一种性状或作用于一系列相关性状的几个紧密连锁的基因。
人类基因组的超基因如血红蛋白基因簇。图示。
一个基因经过重复(duplication)和变异而产生的一组基因，组成一个基因家族(gene
family)，基因家族中的各个成员可以聚集成簇也可以分散在不同的染色体上。
一个共同的祖先基因通过各种各样的变异，产生了结构大致相同但功能却不尽相同的一大批基因，分属于不同的基因家族，但可以总称为一个基因超家族(supfamily).
功能相同或相关的许多基因聚集成簇，就形成一个基因簇。在成簇的基因家族中通过染色体重排而分散到其他位置上的成员，被称为孤独基因(orphan gene).
四、染色体外基因
在细胞质遗传中介绍
五、可动基因或转座元件
细胞中能改变自身在染色体上位置的一段DNA顺序，叫做转座遗传因子（transposable genetic element），简称转座元件或转座基因（transposable element，TE），可动基因(mobile gene)。
转座(transposition)和易位(translocation)是两个不同的概念。转座是在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置切离下来，然后插入染色体的新位置；或是染色体上的DNA序列转录成RNA，RA N反转录成cDNA，插入染色体的新位置，原位置仍保留；转座因子本身既包含了基因，如编码转座酶的基因，又包含了不编码蛋白质的DNA序列。
1、玉米的(As-Ds)控制系统
1932年，美国玉米遗传学家B.McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用，又称之为控制因子（Controlling elements）。
其中一个称之为解离因子（DS，dissociation），DS插入色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，当DS离开C基因后抑制作用被解除。
Ds的解离又受另一控制因子—激活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。Ac丢失，Ds趋向稳定。Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，这是因为Ds和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是两端的序列是相同的。只是Ds基因不同程度的缺失是间序列，如丢失产生转座所需要有关酶—转位酶。
2、原核生物中的转座因子
1967年，在大肠杆菌半乳糖操纵子的突变型研究中第一次在细菌中发现了可转移座位的插入序列。
(1)插入序列（insertion sequences，IS）
λdgal-和λdgal+的区别：(a)不能被碱基替换所回复，但又可回复突变；(b)密度梯度离心证明λdgal-比重大于λdgal+；(c)λdgal-和λdgal+分子杂交可见杂合双链上出现一个多余的DNA环。
IS1的特点：(a)768核苷酸；(b)本身没有表型效应，只携带转座酶基因；(c)如F因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列；(d)具有某些共同的结构特征：两端的核苷酸顺序完全相同或相近，但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeal(IS)sequences）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈—环结构（哑铃状结构）；(e)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶DNA序列5-11 hp
(2)转座子（transposon，Tn）
是一类较大的转座因子，除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因。如Tn3含有3个基因：(a)编码β-内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（a m p k），转座酶基因（tnpA）和编一种阻遏物的调节基因（tnp k）；(b)分子大小2000～25000np；(c)两端为IR；(d)转座子则赋于宿主细菌一定的表型。
(3)转座噬菌体
1963发现。Mu（Mutator phage）
3、转座机制
以细菌的转座子为例
(1)切开转座酶有两种功能(1)识别受体靶点。从5'端切开，产生两个粘性末端。(2)识别自身两边的IR。3'切开。
(2)接合成为共合体共价链齐头相连，形成两个缺口。
(3)复制DNA多聚酶补上缺口，连接酶连接，形成顺向重复序列。
(4)重组在特定位点重组。共合体分离成两部分。
转座子是以它的一个复制品转移到另一位置，而在原来位置上仍然保留原有的转座子。
4、转座因子的遗传学效应
(1)引起插入突变。
(2)插入位置上出现新基因。
(3)切离，发生回复突变，或染色体畸变。
(4)造成同源序列整合。
(5)增加新的变异，有利于进化。
第五节基因的功能与类别
一、基因的功能
1、one gene-one enzyme hypothesis
G..W.Beadle（1954）的实验：用X射线得到不同的精氨酸突变型菌株，在培养基上分别添加鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸，其生长情况如表4-3所示，
表4-3 链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸的反应
比德尔因此提出一个基因一种酶的假说，该假说对基因功能的实质奠定了基础。确认(1)基因的功能是通过酶控制的生化反应，而达到控制生物的性状，从而也说明(2)生物的性状往往是一系列基因所控制，绝不是“一个基因一个性状”。
1958年获诺贝尔奖。
[例]人的先天代谢缺陷。图示：苯丙氨酸的几条代谢途径。其中每一步都需要特定的酶。
(1)黑尿病：尿液氧化后变黑。由于尿液中的尿黑酸氧化之故，体内没有尿黑酸氧化酶，不能把尿黑酸变成乙酰醋酸。
(2)白化病：不能形成黑色素。不能合成酪氨酸酶，所以不能使酪氨酸变为3。4一二羟苯丙氨酸，进而不能形成黑色素。
(3)苯酮尿症：不能形成苯丙氨酸羟化酶，因而不能把苯丙氨酸转变为酪氨酸，造成血液中苯丙氨酸累积，只能通过苯丙氨酸转氨酶的作用，变为苯丙酮酸，从小便中排出。由于血液中苯丙氨酸太多，抑制了酪氨酸变成黑色素。
2、one gene-one protein
所有的酶都是蛋白质，但所有的蛋白质不一定是酶。如血红蛋白、胰岛素。而所有的蛋白质都是由遗传基因控制的，因而用一个基因一个蛋白质更确切些。
3、one gene-one polypeptide chain
许多蛋白质往往又是由两条或多条多肽链组成（特别是那些由不同的多肽链组成的蛋白质）。如成人血红蛋白A由4条多肽链组成α2β2，而每个基因只有一种遗传信息，编码一种多肽链。显然α和β多肽链是由不同基因所控制的。所以提出“一个基因一条多肽链”的假说。
4、有些基因如rRNA、tDNA只转录rRNA、tRNA，而不翻译肽链。还有些基因，如操纵基因根本就没有基因的产物，但不能说它们不是基因。
二、基因的类别
根据DNA分子一定区段（基因）的功能差异，我们将基因分为下面几种：
1、编码蛋白质的基因
(1)结构基因：编码酶和结构蛋白的基因。凡是编码酶蛋白、血红蛋白、胶原蛋白或晶体蛋白特蛋白质的基因都称为结构基因（structure gene）。
(2)调节基因：凡是编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因都称为调节基因（regulator gene）。
2、没有翻译产物的基因
转录成RNA后不再翻译为蛋白质的tRNA和rRNA基因。多拷贝的，决定子
3、不转录的DNA区段
(1)启动基因（启动子，启动区）：转录时，RNA多聚酶开始和DNA结合的部位。
(2)操纵基因：位于结构基因（一个或多个）的前端，与阻遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动的DNA区段。是操纵结构基因的基因。
4、不具正常功能的基因—假基因
与有功能的基因在核苷酸顺序组成上非常相似，但不具正常功能的基因。
假基因的发现是在真核生物的分子遗传学研究中应用重组体DNA技术和DNA顺序分析技术而取得的。
产生推测：(1)假基因是相应的正常基因在染色体的不同位置上的复制品，由于突变积累的结果而丧丧失活性。(2)以mRNA为中介的正常基因的间接复制品，所以又称加工基因。可能是真核生物细胞中的mRNA先径反转录形成DNA，再整合到染色体上形成的。
基因的概念及发展
基因的概念及发展 基因(gene)这个名词是1909年由遗传学家约翰逊(W．Johannsen)提出来的。他用基因这一名词来表示遗传的独立单位，相当于孟德尔在豌豆试验中提出的遗传因子。顾名思义，基因不仅是一个遗传物质在上下代之间传递的基本单位，也是一个功能上的独立单位。 在遗传学发展的早期阶段，基因仅仅是一个逻辑推理的概念，而不是一种已经证实了的物质和结构。由于科学研究水平的不断提高，从浅入深，由宏观到微观，基因的概念也在不断的修正和发展。在20世纪30年代，由于证明了基因是以直线的形式排列在染色体上，因此人们认为基因是染色体上的遗传单位。20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，1953年在沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构以后，人们普遍认为基因是DNA的片段，确定了基因的化学本质。20世纪60年代，本茨(S．Benzer)又提出了基因内部具有一定的结构，可以区分为突变子、互换子和顺反子三个不同单位。DNA分子上的一个碱基变化可以引起基因突变，因此可以看成是一个突变子；两个碱基之间可以发生互换，可以看成是一个互换子；一个顺反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作为功能单位的基因应该是顺反子。从分子水平来看，基因就是DNA分子上的一个个片段，经过转录和翻译能合成一条完整的多肽链。可是，通过近年来的研究，认为这个结论并不全面，因为有些基因在转录出RNA以后，不再翻译成蛋白质，如rRNA和tRNA就属于这种类型。另外，还有一类基因，如操纵基因，它们既没有转录作用，又没有翻译产物，仅仅起着控制和操纵基因活动的作用。特别是近年来发现，在DNA分子上有相当一部分片段，只是某些碱基的简单重复，这类不含有遗传信息的碱基片段，在真核细胞生物中数量可以很大，甚至在50％以上。关于DNA分子中这些重复碱基片段的作用，目前还不十分了解。有人推测可能有调节某些基因活动和稳定染色体结构的作用，其真正的功能尚待研究。因此，目前有的遗传学家认为，应该把基因看作是DNA 分子上具有特定功能的(或具有一定遗传效应的)核苷酸序列。 基因概念的发展 1909年，约翰逊(Johannsen)首次提出了基因(gene)的概念，用以替代孟德尔(Mendel)早年所提出的遗传因子(genetic factor)一词，并创立了基因型(geno-type)和表现型(phenotype)的概念，把遗传基础和表现性状科学地区分开来。随着遗传学的发展，特别是分子生物学的迅猛发展，人们对基因概念的认识正在逐步深化。 1 1个基因1个酶 英国生理生化学家盖若德(Garrod．A．E)研究了人类中的先天代谢疾病，并于1909年出版了《先天代谢障碍》一书。他通过对白化病等疾病的分析，认识到基因与新陈代谢之间的关系，即1个突变基因，1个代谢障碍。这种观点可以说是1个基因1个酶观点的先驱。 比得尔(Beadle．G．W)和塔特姆(Tatum．EL)对红色链孢霉做了大量的研究。他们认为，野生型的红色链孢霉可以在基本培养基上生长，是因为它们自身具有合成一些营养物质的能力，如嘌呤、嘧啶、氨基酸等等。控制这些物质合成的基因发生突变，将产生一些营养缺陷型的突变体，并证实了红色链孢霉各种突变体的异常代谢往往是一种酶的缺陷，产主这种酶缺陷的原因是单个基因的突变。
转基因技术的基本概念
转基因技术的基本概念:(来源：生命经纬) （一）转基因技术的定义 将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”（Genetically modified organism，简称GMO）。 （二）几种常用的植物转基因方法 遗传转化的方法按其是否需要通过组织培养、再生植株可分成两大类，第一类需要通过组织培养再生植株，常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法；另一类方法不需要通过组织培养，目前比较成熟的主要有花粉管通道法。 1．农杆菌介导转化法 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。 农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。 2．基因枪介导转化法 利用火药爆炸或高压气体加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。与农杆菌转化相比，基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制。而且其载体质粒的构建也相对简单，因此也是目前转基因研究中应用较为广泛的一种方法。 3．花粉管通道法 在授粉后向子房注射合目的基因的DNA溶液，利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。该方法于80年代初期由我国学者周光宇提出，我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。（三）常用的动物转基因技术 1．显微注射法 在显微镜下，用一根极细的玻璃针（直径1-2微米）直接将DNA注射到胚胎的细胞核内，再把注射过DNA的胚胎移植到动物体内，使之发育成正常的幼仔。用这种方法生产的动物约有十分之一是整合外源基因的转基因动物。 2．体细胞核移植方法 先在体外培养的体细胞中进行基因导入，筛选获得带转基因的细胞。然后，将带转基因体细胞移植到去掉细胞核的卵细胞中，生产重构胚胎。重构胚胎经移植到母体中，产生的仔畜百分之百是转基因动物。 （四）转基因技术与传统技术的关系 自从人类耕种作物以来，我们的祖先就从未停止过作物的遗传改良。过去的几千年里农作物改良的方式主要是对自然突变产生的优良基因和重组体的选择和利用，通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传学创立后近百年的动植物育种则是采用人工杂交的方法，进行
基因概念的历史演变
课程论文：基础分子生物学 题目：基因概念的历史演变 基因概念的历史演变 摘要： 基因（gene）是遗传学家约翰逊（W．Johannsen）在1909年提出来的。在遗传学发展的早期阶段，基因仅仅是1个逻辑推理的概念，而不是一种已经证实了的物质和结构。在基因遗传学史上，基因概念的发展大概分为以下阶段：孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因阶段；顺反子阶段和现代基因阶段。整个演变中人们对基因的认识不断深化和完善。 关键词：基因；概念；阶段；类型 正文： 一、早期的基因概念 遗传物质的早期推测 20世纪20年代，大多数科学家认为，蛋白质是生物体的遗传物质。20世纪30年代，人们才认识到DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子，组成DNA分子的脱 氧核苷酸有四种，每一种有一个特定的碱基。由于对DNA分子的结构没有清晰的了解， 认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。 1.孟德尔的遗传因子阶段 19世纪60年代初，孟德尔对具有不同形态的豌豆作杂交实验，在解释实验中每种性状的遗传行为时，用A代表红花，a代表白花，表明生物的某种性状是由遗传因子 负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体 细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。孟德尔所说的“遗传因子”是代表决定某个 性状遗传的抽象符号。 孟德尔在阐明遗传因子在世代中传递规律时，就已经认识到了基因的两个基本属性：基因是世代相传的，基因是决定遗传性表达的。现在所说的“基因是生物体传递遗 传信息和表达遗传信息的基本物质单位”，实际上就是孟德尔所阐明的基因观。 2.摩尔根的基因阶段
1909年，丹麦遗传学家约翰逊创造了“基因”这一术语，用来表达孟德尔的遗传因子，但还只是提出了遗传因子的符号，没有提出基因的物质概念。摩尔根对果蝇的研究结果表明，1条染色体上有很多基因，一些性状的遗传行为之所以不符合孟德尔的独立分配定律，就是因为代表这些性状的基因位于同一条染色体上，彼此连锁而不易分离。这样，代表特定性状的特定基因与某一条特定染色体上的特定位置联系起来。基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，从而赋予基因以物质的内涵。3.顺反子阶段 早期的基因概念是把基因作为决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位，后来，这种“三位一体”的概念不断受到新发现的挑战。 20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，1953年在沃森和克里克提出DNA 的双螺旋结构以后，人们普遍认为基因是DNA的片段，确定了基因的化学本质。 1957年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念。 顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。能产生1条多肽链的是1个顺反子，顺反子也就是基因的同义词。1个顺反子可以包含一系列突变单位——突变子。突变子是DNA中构成1个或若干个核苷酸。由于基因内的各个突变子之间有一定距离，所以彼此之间能发生重组，重组频率与突变子之间的距离成正比。重组子代表1个空间单位，有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。如果是后者，重组子也就是突变子。 4.现代基因阶段 （1）操纵子 从分子水平来看，基因就是DNA分子上的一个个片段，经过转录和翻译能合成1条完整的多肽链。操纵基因与其控制下的一系列结构基因组成1个功能单位，称为操纵子。 （2）移动基因 移动基因指DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。移动基因机构简单，由几个促进移位的基因组成。基因的跳动能够产生突变和染色体重排，进而影响其他基因的表达。 （3）断裂基因 过去人们一直认为，基因的遗传密码子是连续不断地并列在一起，形成1条没有间隔的完整基因实体。但后来通过对真核蛋白质编码基因结构的分析发现，在它们的核苷酸序列中间插入有与编码无关的DNA间隔区，使1个基因分隔成不连续的若干区段。这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。 （4）假基因 1977年，G．Jacp根据对非洲爪蟾5S rRNA基因簇的研究，提出了假基因的概念，现已在大多数真核生物中发现了假基因。这是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因。 （5）重叠基因 长期以来，在人们的观念中一直认为同一段DNA序列内，是不可能存在重叠的读码结构的。但是，随着DNA核着酸序列测定技术的发展，人们已经在一些噬菌体和动物病毒中发现，不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。 二基因类型
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基因概念的发展及对我的启示 基因的概念是现代遗传学的中心概念，由其演化出来的一系列概念构成了现代遗传学乃至整个现代生物学的基本体系框架。回顾基因概念的演变和发展，为我们正确理解基因概念，认识其本质和遗传学的发展历程具有重要的意义。基因是遗传的物质基础，是DNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称，携带有遗传信息的DNA序列，是具有遗传效应的DNA 分子片段，是控制性状的基本遗传单位，通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。 1，基因概念的起源 （1）C.R.Darwi的泛生论认为动物每个器官里都普遍存在微小的流动的泛生粒，以后聚集在生殖器官内形成生殖细胞繁殖后代。泛生论虽 然是混合遗传的解释，并不正确，但是他第一次肯定有机体内部特 殊的物质负责传递遗传性状这是合理的。 （2）E.H.Hae.ckel的独特分子学说, K.W.von.Nageeli的生殖质学说，H. deVries的泛子学说都认为遗传物质是种极微小的粒子，并都带有 形而上学的成分。 （3）A.Weismann的种质学说认为生物体可分为体质和种质两部分，种质学说包含着科学合理的内核，已认识到遗传物质问题。因此可以说 是基因的初步概念已经在种质学说中开始孕育萌动了。 2.基因概念的发展 1）经典遗传学阶段
（—）遗传因子学说基因的最初概念来自孟德尔的“遗传因子”，认为生物性状的遗传是由遗传因子所控制的，性状本身是不能遗传的，被遗传的是遗传因子。 （二）基因术语提出 1909年，丹麦学者W．L．Johannsen提出了“基因”(gene)一词，代替了孟德尔的遗传因子。但是只是提出了遗传因子的符号，并没有提出基因的物质概念。 （三）基因是化学实体 1910年摩尔根等通过果蝇杂交实验研究性状的遗传方式得出连锁交换定律，证明基因位于染色体上，并呈直线排列，性别决定是受染色体支配的。 （四）三位一体学说 1927年莫勒首先用X射线造成人工突变研究基因的行为，证明基因在染色体上有确切的位置，它的本质是一种微小粒子。Morgan的“基因论”首次把基因的概念归纳为“三位一体学说”，遗传就是位于染色体上的粒子单位——基因的传递。 (五)一个基因一个酶学说 1941年Beadle，G.w等人对红色链孢霉进行研究提出一个基因一个酶的观点，认为基因控制酶的合成，一个基因控制一个相应的酶，基因通过酶控制代谢继而控制性状，这是人们对基因功能的初步认识。 2）分子遗传学阶段 （一）基因的化学本质是DNA，有时是RNA 艾弗里和格里菲斯通过对肺炎双球菌的转化实验首次证明了基因的本质是DNA。1956年，康兰特烟草病毒的研究中，证明了不具有DNA的病毒中RNA是遗传物质，从而基因的概念落实到具体的物质上。
基因家族的定义
什么是一个基因家族呢由一个共同的祖先基因经过重复(duplication)和突变(mutation)产生的、外显子中具有相似的序列的一组相关基因被称为基因家族(gene family)。基因重复主要有三种方式：片段复制、串联重复和逆转录转座或其他转座事件等，基因重复后可以彼此形成基因簇(gene clusters)，同一家族中的成员有时紧密的排列在一起，成为一个基因簇；更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。基因突变是基因分子进化的第一原因，由核苷酸替代、插入/缺失、重组和基因转换等引发的突变基因或DNA序列，通过群体水平的遗传漂变和/或自然选择进行扩散，并最终在物种基因组中得以固定，这种方式产生的新基因一般拷贝数目不会增加，相对基因重复是非常少的，主要是影响基因的序列以及其编码的蛋白。基因家族主要是指一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因，是具有显著相似性的一组基因，编码相似的蛋白质产物。 有时定义基因家族，从结构域角度来刻画。如：一类基因，其编码蛋白都含有同一个结构域，这一类基因是一个基因家族。比如MADS-box基因家族，这类基因都含有MADS-box结构域，还有SET结构域基因家族。这个定义信息更偏向功能信息，一般来说结构域决定某种功能，因为结构域序列保守，易形成稳定的三维结构。这与共同祖先的定义有些差别，很多结构域难找得到其共同祖先。另外一个基因的共同祖先定义比较复杂的，越是历史久远的祖先，因为物种的在进化过程中发生了很多丢失和增加事件。共同祖先是个相对的概念，比如植物的共同祖先，一般包括藻类及其它绿色植物，而被子植物共同祖先，根据已经测序的基因组，一般指单双子叶之前就可以。如果从共同祖先定义基因家族，很多已知的基因家族就要被分成很多个基因家族。有很多网站（数据库）专门收集结构域，比如Pfam和InterPro，这两个数据库内容差不多。这些数据库以Hmmer算法为基础，根据Uniprot中包含的蛋白，进行序列连配找到保守的片段(结构域），再以这些序列使用Hmmer构建种子，保存这些种子。一个蛋白拿过来后，与这些种子比对，根据打分能判断出这个蛋白是不是含有这个结构域，这也是判断一个基因编码蛋白是不是属于这个家族。
基因工程的诞生和发展
第一章基因工程概述 第一节基因工程的诞生和发展 一、基因 1．Mendel 的遗传因子阶段 Mendel . （1822-1884）. 1856-1864 豌豆杂交实验。 1866 年发表论文，提出分离规律和独立分配规律 1900 年Mendel 遗传规律被重新发现遗传学的元年 Mendel 提出：生物的某种性状是由遗传因子负责传递的。是颗粒性的，体细胞内成双存在，生殖细胞内成 单存在。遗传因子是决定性状的抽象符号。 2．Morgan 的基因阶段 1909 年丹麦遗传学家Yohannsen （1859-1927）发表了“纯系学说”首先提出了“基因”的概念，代替了Mendel “遗传因子” 的概念。但没有提出基因的物质概念。 1910 年以后，Morgan . 等提出了基因的连锁遗传规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。 3．顺反子阶段 1957年，本泽尔（Seymour Benzer ）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结 构，提出了顺反子（cistron ）概念：顺反子是1 个遗传功能单位，1 个顺反子决定1 条多肽链。4. 现代基因阶段 （1 ）操纵子 启动基因＋操纵基因＋结构基因 （2 ）跳跃基因 指DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。 （3 ）断裂基因 1 个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。 （4）假基因不能合成出功能蛋白质的失活基因。 （5）重叠基因不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的即重叠的。 现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功 能单位。 二、基因工程的诞生 一般认为1973 年是基因工程诞生的元年 （S. Cohen 等获得了卡那霉素和四环素双抗性的转化子菌落） 理论上的三大发现和技术上的三大发明对于基因工程的诞生起到了决定性的作用。 （一）DNA是遗传物质被证实 1944 年，Avery . 利用肺炎双球菌转化实验 1944 年，美国洛克菲勒研究所的Oswald Avery 等公开发表了改进的肺炎双球菌实验结果。 (1)S型菌细胞提取物及其纯化的DNA都可使R型菌转变成S型菌； (2)经DNase处理的S型菌细胞提取物失去了转化作用。 ( 3)经胰蛋白酶处理的S 型菌细胞提取物仍有转化作用。 不仅证实了DNA是遗传物质，而且证明了DNA可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工
基因检测相关概念
1、基因检测 基因检测是通过血液、其他体液或细胞对DNA进行检测的技术，是取被检测者脱落的口腔黏膜细胞或其他组织细胞，扩增其基因信息后，通过特定设备对被检测者细胞中的DNA分子信息作检测，预知身体患疾病的风险，分析它所含有的各种基因情况，从而使人们能了解自己的基因信息，从而通过改善自己的生活环境和生活习惯，避免或延缓疾病的发生。 基因检测可以诊断疾病，也可以用于疾病风险的预测。疾病诊断是用基因检测技术检测引起遗传性疾病的突变基因。目前应用最广泛的基因检测是新生儿遗传性疾病的检测、遗传疾病的诊断和某些常见病的辅助诊断。目前有1000多种遗传性疾病可以通过基因检测技术做出诊断。 预测性基因检测即利用基因检测技术在疾病发生前就发现疾病发生的风险，提早预防或采取有效的干预措施。目前已经有20多种疾病可以用基因检测的方法进行预测。 检测的时候，先把受检者的基因从血液或其他细胞中提取出来。然后用可以识别可能存在突变的基因的引物和PCR技术将这部分基因复制很多倍，用有特殊标记物的突变基因探针方法、酶切方法、基因序列检测方法等判断这部分基因是否存在突变或存在敏感基因型。 基因检测：指通过基因芯片等方法对被测者细胞中的DNA分子进行检测，并分析被检测者所含致病基因、疾病易感性基因等情况的一种技术。 目前基因检测的方法主要有：荧光定量PCR、基因芯片、液态生物芯片与微流控技术等。 2、基因突变 基因组DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象（gene mutation）。从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。 1个基因内部可以遗传的结构的改变。又称为点突变，通常可引起一定的表型变化。广义的突变包括染色体畸变。狭义的突变专指点突变。实际上畸变和点突变的界限并不明确，特别是微细的畸变更是如此。野生型基因通过突变成为突变型基因。突变型一词既指突变基因，也指具有
基因家族的定义
什么是一个基因家族呢？由一个共同的祖先基因经过重复(duplication)和突变(mutation)产生的、外显子中具有相似的序列的一组相关基因被称为基因家族(gene family)。基因重复主要有三种方式：片段复制、串联重复和逆转录转座或其他转座事件等，基因重复后可以彼此形成基因簇(gene clusters)，同一家族中的成员有时紧密的排列在一起，成为一个基因簇；更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。基因突变是基因分子进化的第一原因，由核苷酸替代、插入/缺失、重组和基因转换等引发的突变基因或DNA序列，通过群体水平的遗传漂变和/或自然选择进行扩散，并最终在物种基因组中得以固定，这种方式产生的新基因一般拷贝数目不会增加，相对基因重复是非常少的，主要是影响基因的序列以及其编码的蛋白。基因家族主要是指一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因，是具有显著相似性的一组基因，编码相似的蛋白质产物。 有时定义基因家族，从结构域角度来刻画。如：一类基因，其编码蛋白都含有同一个结构域，这一类基因是一个基因家族。比如MADS-box基因家族，这类基因都含有MADS-box结构域，还有SET结构域基因家族。这个定义信息更偏向功能信息，一般来说结构域决定某种功能，因为结构域序列保守，易形成稳定的三维结构。这与共同祖先的定义有些差别，很多结构域难找得到其共同祖先。另外一个基因的共同祖先定义比较复杂的，越是历史久远的祖先，因为物种的在进化过程中发生了很多丢失和增加事件。共同祖先是个相对的概念，比如植物的共同祖先，一般包括藻类及其它绿色植物，而被子植物共同祖先，根据已经测序的基因组，一般指单双子叶之前就可以。如果从共同祖先定义基因家族，很多已知的基因家族就要被分成很多个基因家族。有很多网站（数据库）专门收集结构域，比如Pfam和InterPro，这两个数据库内容差不多。这些数据库以Hmmer算法为基础，根据Uniprot中包含的蛋白，进行序列连配找到保守的片段(结构域），再以这些序列使用Hmmer构建种子，保存这些种子。一个蛋白拿过来后，与这些种子比对，根据打分能判断出这个蛋白是不是含有这个结构域，这也是判断一个基因编码蛋白是不是属于这个家族。 基因家族 定义 基因组进化中，一个基因通过基因重复产生了两个或更多的拷贝，这些基因即构成一个基因家族。 是具有显著相似性的一组基因，编码相似的蛋白质产物。 在真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族（gene family）。同一家族中的成员有时紧密的排列在一起，成为一个基因簇； 更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。 一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因，可能由某一共同祖先基因经重复和突变产生。 多基因家族 真核基因组的特点之一就是存在多基因家族（multi gene family）。多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。多基因家族大致可分为两类：一类是基因家
基因概念的历史演变
课程论文：基础分子生物学 题目：基因概念得历史演变 基因概念得历史演变 摘要: 基因（gene)就是遗传学家约翰逊(W。Johannseｎ)在１909年提出来得。在遗传学发展得早期阶段,基因仅仅就是１个逻辑推理得概念，而不就是一种已经证实了得物质与结构。在基因遗传学史上,基因概念得发展大概分为以下阶段:孟德尔得遗传因子阶段;摩尔根得基因阶段；顺反子阶段与现代基因阶段.整个演变中人们对基因得认识不断深化与完善。 关键词：基因；概念；阶段；类型 正文： 一、早期得基因概念 遗传物质得早期推测 ２０世纪20年代，大多数科学家认为，蛋白质就是生物体得遗传物质。20世纪３0年代，人们才认识到DNA就是由许多脱氧核苷酸聚合而成得生物大分子,组成ＤNA分 子得脱氧核苷酸有四种,每一种有一个特定得碱基。由于对DＮA分子得结构没有清晰得 了解，认为蛋白质就是遗传物质得观点仍占主导地位. 1、孟德尔得遗传因子阶段 19世纪60年代初，孟德尔对具有不同形态得豌豆作杂交实验，在解释实验中每种性状得遗传行为时，用A代表红花,a代表白花，表明生物得某种性状就是由遗传因 子负责传递得，遗传下来得不就是具体得性状，而就是遗传因子.遗传因子就是颗粒性 得，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在.孟德尔所说得“遗传因子”就是代 表决定某个性状遗传得抽象符号。 孟德尔在阐明遗传因子在世代中传递规律时，就已经认识到了基因得两个基本属性：基因就是世代相传得,基因就是决定遗传性表达得。现在所说得“基因就是生物体 传递遗传信息与表达遗传信息得基本物质单位"，实际上就就是孟德尔所阐明得基因观。 2、摩尔根得基因阶段 1909年，丹麦遗传学家约翰逊创造了“基因”这一术语，用来表达孟德尔得遗传因子，但还只就是提出了遗传因子得符号,没有提出基因得物质概念。摩尔根对果蝇得 研究结果表明,１条染色体上有很多基因，一些性状得遗传行为之所以不符合孟德尔得 独立分配定律，就就是因为代表这些性状得基因位于同一条染色体上,彼此连锁而不易 分离。这样,代表特定性状得特定基因与某一条特定染色体上得特定位置联系起来。基 因不再就是抽象得符号,而就是在染色体上占有一定空间得实体,从而赋予基因以物质 得内涵. 3、顺反子阶段 早期得基因概念就是把基因作为决定性状得最小单位、突变得最小单位与重组得最小单位,后来,这种“三位一体”得概念不断受到新发现得挑战。
第三章 基因的概念和结构
第四章基因的概念和结构 ●遗传因子假说(Hypothesis of the inherited factor) ?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。 ●基因的概念的提出 ①．孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 ②．约翰生：基因(gene)取代遗传因子。 ③．摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。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，又是突变单位。“三位一体” 。 ?交换单位：基因间能进重组，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。 ●等位基因（Allele, Allomorph）载荷在同源染色体对等座位上的二个基因，这二个成对的基因称为等位基 因。 ●复等位基因（Allele, Allomorph）同一座位存在的两个以上不同状态的基因, 其总和称之为复等位基因 （multiple alleles）如，红细胞血型，白细胞抗原…。 ●拟等位基因：所谓的拟等位基因表型相似，但在位置上并不等位。 ●顺反子：是一个遗传的功能单位，一个顺反子决定一条多肽链，顺反子即是基因。 ●内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段； ●外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。 ●断裂基因（间隔基因）：真核生物的结构基因是由若干exon和intron 相间隔排列的序列组成的间隔基因。 ●重叠基因:指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。 ●转座因子：指染色体组上可以转移（或转坐）的基因。即跳跃基因(jumping gene)或可动基因(mobile gene)。 ●癌基因：癌基因是指其编码的产物与细胞的肿瘤性转化有关的基因。是一类会引起细胞癌变的基因。
基因概念的发展
基因概念的发展 摘要：在广泛文献调研的基础上，本文根据遗传学研究的不同时期对基因本质的不同认识,阐述了遗 基因概念的起源，形成，以及经典遗传学，分子遗传学等不同时期的基因概念，及最新发展。 关键词：基因；概念；发展 Development of the Genetic Concept Abstract:On the basis of extensive literature research，this paper summary about genetic studies of different periods and different perceptions of the nature of genes , gene explained the concept of genetic origin, formation, and classical genetics , molecular genetics concepts such as genes in different periods , and the latest developments. Key words: Gene；Genetic；developments 基因概念是现代遗传学的中心慨念,由其演化出来的一系列概念构成了现代遗传学乃 至整个现代生物学概念体系的基本框架[1]。对基因概念的不懈探索推动遗传学不断发展前 进,因此，回顾基因概念的演变和发展,为我们正确理解基因概念，认识其本质和遗传学的发 展历程具有重要的意义。 1 基因概念的起源 人类在长期的农业生产和饲养家畜过程中，早已认识到遗传和变异现象，并根据生产实 践的需要，如动植物育种、品种改良、产量提高等，开始重视遗传变异现象，并进行选择 积累了大量的经验。 从18世纪下半叶起，许多学者对遗传与变异现象进行了系统的研究，提出种种学说（见 表1），推动了遗传学的发展，也为基因概念的提出创造孕育了条件。 表1 关于基因概念起源的代表性学说 学说提出者主要内容贡献文献 泛生论学说达尔文 C.R.Darwi) 动物每个器官里都普遍存在微小 的、流动在体内的泛生粒,以后聚集 在生殖器官里,形成生殖细胞,当受 精卵发育为个体时,各种泛生粒即进 入各器官发生作用,因而表现为遗传 泛生论虽然是混合遗传 的解释,并不正确,但它 第一次肯定有机体内部 有特殊的物质负责传递 遗传性状,这是合理的 [2] [12] 独特分子 E.H.Haeckel 这几个概念都有一个共同的特点,即 认为遗传物质是种极微小的粒子,并 都带有形而上学的成分。这些不成熟的概念, 是 当时不成熟的遗传学状 况的反映 [2] [3] 生殖质K.W.von .Nageeli [12]泛子H. de Vries 种质学说魏斯曼 A.Weismann 生物体可分为体质和种质两大部 分，种质（性细胞和产生性细胞的 那些细胞）在世代繁衍过程中连续 相传，体质有种质产生，体质细胞 变化，不影响体质细胞。 种质学说包含着科学合 理的内核，已识到遗传 物质问题,因此可以说 基因的初步概念已经在 种质学说中开始孕育和 萌动了 [2] [3] [12] 2 基因概念的发展 2.1 经典遗传学阶段 2.1.1 遗传因子学说 孟德尔G.J.Mendel于1854 年到1965 年间对豌豆的遗传性状进行了长期的探索, 发现豌豆的很多性状能够有规律地传给下一代, 总结出生物遗传的两大定律( 分离定律和自
基因的概念和结构
基因的概念和结构 一、基因的定义 1、基因：基因是有遗传效应的DNA片段。 2、基因的遗传效应：能控制一种生物性状的表现；能控制一种蛋白质的生物合成；能转录一种信使RNA。 3、知识点拨： 基因与脱氧核苷酸、遗传信息、DNA、染色体、蛋白质、生物性状之间的关系 (1)染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸之间的关系： （2）基因、染色体、蛋白质、性状的关系： 4、知识拓展： (1)基因的内涵 ①功能上，是遗传物质的结构和功能的基本单位。 ②本质上，是有遗传效应的DNA片段。 ③结构上，含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列。 ④位置上，在染色体上有特定的位置，呈线性排列。 (2)基因具有遗传效应，即基因能控制生物的性状，基因是控制生物性状的基本单位，特定的基因决定特定的性状。基因的遗传效应反映出来的效果是控制蛋白质合成，从而表现生物性状。 (3)DNA上有许多片段，其中有遗传效应的片段叫基因，没有遗传效应的片段不叫基因。 二、基因的功能 （1）传递遗传信息：是通过DNA的复制来实现的。 （2）表达遗传信息：是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的，包括转录、翻译。 （3）基因的表达遵循中心法则，结果合成了蛋白质。 （4）遗传信息流：如图
三、基因的结构 1、原核细胞基因的结构 说明： ①编码区和非编码区 编码区：能转录成相应的mRNA，能编码蛋白质。（结构基因） 非编码区：不能转录成相应的mRNA，不能编码蛋白质。（调控基因） ②启动子和终止子 启动子和终止子是DAN上的调控系列，调控转录。 启动子：是位于编码区上游的一小段核苷酸序列，有RNA聚合酶的结合位点，是转录的起始点，对转录具有调控作用。 终止子：是位于编码区下游的一小段核苷酸序列，是转录的终止点。 ③起始密码子和终止密码子 起始密码子和终止密码子是mRNA上的调控系列，调控翻译。 起始密码子：是位于mRNA上三个相邻的碱基（包括AUG，GUG），是肽链增长的起始信号，是翻译的起始信号。起始密码子编码（对应）相应的氨基酸（甲硫氨酸、缬氨酸）。 终止密码子：是位于mRNA上三个相邻的碱基（包括UAA，UAG，UGA），是肽链增长的终止信号，即翻译的终止信号。3种终止密码子均不编码氨基酸。 ④RNA聚合酶结合位点 RNA聚合酶结合位点是基因启动子的一部分，位于启动子区，原核生物为Pribnow区和TTGACA区，真核生物为TA TA区、CAA T区以及GCbox。这些结合位点的功能可以归纳为：与RNA聚合酶相互识别，且具有很高的亲和力。当RNA聚合酶结合位点发生突变时，转录不能进行，基因无法表达。 RNA聚合酶与RNA聚合酶结合位点结合后，开始转录，RNA聚合酶沿着DNA分子的一条链移动，并以DNA分子的一条链为模板合成RNA，转录完成后，RNA链从DNA分子上释放出来后，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。 2、真核细胞的基因结构
基因的概念及其发展研究
基因的概念及其发展研究 摘要： 基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同，是基因差异所致。人类只有一个基因组，大约有3万个基因。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。 本文介绍基因的概念以及其发展，人类对基因不段研究，从而更深入的了解基因，了解基因的发展，从而能够更好的利用有关基因方面的知识。 Abstract： Genes are DNA (deoxyribonucleic acid) molecule has a nucleotide sequence-specific genetic effects, collectively, is a genetic effect of the DNA molecule fragments. Gene located on chromosome, and arranged in a linear chromosome. Gene not only by copying the genetic information passed to the next generation, so that genetic information can also be expressed. Between different ethnic hair, skin, eyes, nose, and so different, is due to genetic differences. There is only one human genome, about 30,000 genes. Human Genome Project is the first American scientists in 1985 proposed to clarify the human genome's 3 billion base pairs of sequence, that all human genes and find out their location on the chromosome, to decipher all human genetic information to make the first human A comprehensive manner at the molecular level understanding of themselves. This paper introduces the concept of genes and their development, not of human gene research to better understanding of genes, understanding the development of genes, allowing better use of knowledge about genes.
基因概念的发展历程
基因概念的发展历程 石洪宇学号81120216 生物技术（动物）基因也可以叫顺反子,是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,位于染色体上,具有保存和传递遗传信息的功能.基因控 制蛋白质的合成.基因在复制的时候由于各种原因会发生复制错误,也就是我们常说的基因突变.基因突变会导致他控制的蛋白质也发生相映的改变``这种变化是不固定的.可能对我们是有益的也可能是有害的.生物的进化就是因为基因的遗传和突变造成的. 现代遗传学家认为，基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同，是基因差异所致。 人类只有一个基因组，大约有5-10万个基因。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。打个比方，这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图，并标明沿途的每一座山峰与山谷。虽然很慢，但每一座山峰与山谷。虽然很慢，但非常精确。
随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变化。基因药物已经走进人们的生活，利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。因为随着我们对人类本身的了解迈上新的台阶，很多疾病的病因将被揭开，药物就会设计得更好些，治疗方案就能“对因下药”，生活起居、饮食习惯有可能根据基因情况进行调整，人类的整体康健状状况将会提高，二十一世纪的医学基础将由此奠定. 利用基因，人们可以改良果蔬品种，提高农作物的品质，更多的转基因植物和动物、食品将问世，人类可能在新世纪里培育出超级物作。通过控制人体的生化特性，人类将能够恢复或修复人体细胞和器官的功能，甚至改变人类的进化过程。 在认识和熟练使用遗传生物学单位基因的新近进展后，它已经为科学家去改变病人的遗传物质，以达到治病防病的目的迈向新的一步。基因治疗的一个主要目标是用一种缺陷基因的健康复制去提供给细胞。这一方法是革命性的：医生试图通过改变病人细胞的遗传物质，来代替给病人治疗或控制遗传疾病的药物，最终达到医治病人疾病的根本目的。 基因概念是现代遗传学的中心慨念,由其演化出来的一系列概念构成了现代遗传学乃至整个现代生物学概念体系的基本框架。对基因概念的不懈探索推动遗传学不断发展前进,因此，回顾基因概念的演变和发展,为我们正确理解基因概念，认识其本质和遗传学的发展历程具有重要的意义。
第四章-基因的结构和功能
第四章基因的结构和功能 一、教学目的和要求： １掌握基因概念及其发展； 2 掌握基因的重组测验 3 理解利用顺反试验、互补试验鉴定两个突变型是否属于同一基因的原理； 4 了解缺失作图的原理 二、教学重点： １基因概念及其发展； 2 基因的重组测验 三、教学难点： 缺失作图的原理 四、教学方法： 面授并辅以多媒体教学 五、教学内容 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Monod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。