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1、X射线大显身手:缪勒与基因的诱发突变,摩尔根的学生缪勒是一个才气横益、 勇敢、有远见的科学家。他一直在思索: 基因为什么会变化? 是什么力量引起基因的突变?,推测,一定有某种物理因素在起作 用,它具尖锐的作用点,在这点上它使 一个基因发生变化,但不触及同一细胞 中其它的基因。 要寻找一种物理因素,它能穿过细 胞和细胞核的防御堡垒,对一个基因产 生决定性的作用。,他想到了X射线。并进行下列实验: 用X射线照射上百个果蝇,让它们与未经照射 的果蝇进行交配,观察后代的突变情况。 结果:每一种想象的突变都以很大的比 例在后代中出现:有的果蝇的眼睛是扁平 的,凹的或凸的,具有各种各样的颜色,也 有完全没
2、有眼睛的;有的没有触角,有的果 蝇大,有的小,有的活泼,有的呆滞,有的 长命,有的短命。,这些突变与“自然”的遗传变异、通常的 突变如何比较?显然,只有数量上的差别。X 射线的作用和引起突变的自然因素的作用是一 样的,只是更加强烈。缪勒还发现X射线有时 可使原先诱发的突变回复,意味着什么?,有时突变的范围是很小的。,缪勒的伟大工作有两个主要影响:阐明了 突变的性质;为遗传学及生物化学提供了研究 基因的一个极有价值的诱发突变的手段。,缪勒因此获得1946年的诺贝尔奖。他被公认为伟大的生物学家之一。,红色面包霉的贡献:比德尔与一个基因一个酶理论,从尿液怎么发黑说起 1902年,Garrod研究黑尿
3、病,有人认为是 细菌引起的,但一些新生儿出生几小时后即 表现此病,而此时细菌区系尚未建立,因此 排除。通过家谱的研究,发现有遗传倾向, 其中60%是表兄妹结婚。,与Bateson共同分析,认为此病是一种遗传 缺陷,这种性状是由隐性孟德尔因子(基 因)控制的。只有当基因纯合时,才能表 现出黑尿病症状。,1908年,进一步指出,这种隐性基因纯合 的个体不能产生一种特殊的蛋白质即酶(尿黑酸氧 化酶),因此尿黑酸不能分解,尿中积累,遇空气 被氧化成黑色“先天性代谢错误”。 Garrod关于基因功能的研究大大超前于他所处的 时代,因此当时没有引起太多的注意。 直到20世纪40年代初,由于比德尔等人的工
4、作,人们才对基因的生理功能有了突破性认识。,比德尔的一个基因一个酶理论,1935年,摩尔根实验室的博士后比德尔与 访问学者伊佛路斯对果蝇眼色性状的遗传机理 进行研究。 野生型褐红色;突变型朱红色和朱砂色。 基因如何决定色素?,他俩采用移植技术,把正常果蝇幼虫的 组织移植到突变型的果蝇幼虫中,发现果 蝇都有正常的褐红色。 疑问:突变型果蝇的基因未变,为何眼褐 红色?,比德尔的结论: 正常细胞含(色素)某种化学物质,突变 体缺乏,移植后,后者得到了这种物质, 因此表型正常。 推测:基因导致一种化学物质的产生,该 物质又决定基因所表达的性状。基因的作 用与特定化学物质的产生有关。,比德尔开辟了一个崭
5、新的思路性状 的表达方式都可归纳为某种化学性质的表 达,为遗传学与生物化学的结合构筑了桥 梁。 正是比德尔开创性地把基因看作是控制 某一种化学物质或事件的因素时,他一下 子就抓住了问题的关键。也揭开了人类认识 基因功能的序幕。,由于果蝇机体较复杂,研究工作遇到 很多困难,1937年,比德尔来到了斯坦福 大学,在那里遇到了微生物化学家塔特 姆,1940年,俩人开始合作,选择红色面 包霉这种真菌作实验材料开始了基因功能 的进一步探索,最终取得成功。,红色面包霉是一种常见的真菌,可以很方 便地培养在人工培养基上。一般都可以生长在 基本培养基(化学成分完全明确的培养基,一 般包括各种矿物质和简单的有机
6、物如葡萄糖、 有机酸等)上。红色面包霉可以利用这些简单 的物质合成其生命活动所需的各种复杂的有机 物,如氨基酸、维生素等等。比德尔决定用X射 线处理红色面包霉。,野生型的红色面包霉可在基本培养基 上生长,X射线照射其无性孢子,可使许 多基因发生突变,相应的功能受到影响。 如果与合成某种重要物质如精氨酸有关的 基因突变了,它便不能在基本培养基上生 长,而只能在含有多种营养物质(包括精 氨酸)的“完全培养基”上生长。这种突 变体称为“营养缺陷型突变体”。研究基 因与性状的关系。,红色面包霉营养缺陷型 突变体的筛选,筛选过程: 1,把营养缺陷突变体与野生型分开; 2,鉴定各突变体是哪一物质的基因发生
7、了 突变; 3,基因定位。(见生命科学导论图42-43) 据此,比德尔认为,遗传性状在很大程 度上就是酶活动的结果,生物的遗传信息就 是储存在染色体上酶的结构信息,一个基因 指导一种酶的产生。这就是比德尔和塔特姆 获得诺贝尔奖的著名的“一个基因一个酶” 假说。,基因与蛋白质的关系,一个基因需要包含什么样的信息才能指 导和决定酶的结构呢? 先了解蛋白质的结构与功能特点。 蛋白质:酶、运输与储藏、细胞运动、免 疫、神经冲动的产生与传递、激素、细胞 “构件”。 蛋白质的结构都由基因编码,基因里必须包 含什么样的信息才能决定一个特定的多肽或 蛋白质的结构呢?,蛋白质的基本单位是氨基酸,1953年, 著
8、名的生物化学家Sanger搞清了胰岛素的分 子结构。据此,人们认识到: 蛋白质是一种不分支的长链分子; 氨基酸之间通过肽键连接在一起; 蛋白质中的氨基酸具有固定的排列顺序,即 蛋白质的氨基酸序列。,蛋白质的氨基酸序列是蛋白质最 基本的结构特征一级结构,而它 又决定了蛋白质的空间结构,也就决 定了它的功能。,Sanger的工作使人们意识到,基因应该 是通过编码组成蛋白质的氨基酸排列顺序来 决定蛋白质结构的,因此,基因携带的是蛋 白质的氨基酸序列信息。 1953年也正好是DNA双螺旋结构模型诞生 ,有了这个模型,基因编码蛋白质的机制就 可以被完全揭开了。,第二节 DNA生命的秘密,遗传物质的概念
9、DNA是遗传物质 DNA的复制 从DNA到染色体的包装 从基因到性状,遗传物质的概念,遗传物质就是携带遗传信息的化学分子。 三个特性: 1.精确复制和拷贝; 2.能编码和储存数量巨大的信息; 3.能在一定程度上改变自己的结构而改变编码的信息。,Hammerling的藻类嫁接实验证实遗传信息 存在于核中; 米歇尔(Miescher)发现的核素揭开了探 索遗传物质化学本质的序幕。 遗传物质究竟是核酸还是蛋白质,此后一 直争论了80多年 。,肺炎双球菌的转化实验 T4嗜菌体的标记实验 Watson-Crick 的DNA双螺旋结构模型 (见前),DNA是遗传物质,DNA的复制,1. 半保留复制DNA的
10、两条单链分别作为模板复制 与之互补的单链; 2.DNA的复制具有方向性, 只能从53; 3.DNA的两条单链的复制是非对称性的, 3链为连 续复制, 5链为间断复制; 4.DNA的复制必需先在复制起始点合成一段引物.,DNA的半保留复制,细菌培养在含15N 的培养基 中,细菌培养在含14N 的培养基中,一代,两代,1956年的Meselson 和Stahl的半保留复制实验(p138),14N 15N,DNA双链的极性,DNA的复制具有方向性, 只能从53,DNA双链的非对称性复制,DNA复制的引物,从DNA 到染色体的包装,DNA双螺旋2nm,核小体11nm,螺旋的核小体30nm,伸展的染色质
11、300nm,凝聚的染色质700nm,凝聚的染色体1400nm,DNA分子包装成染色体的长度为自由伸展时的万分之一。,从基因到性状遗传信息的流动与表达,遗传信息的流动方向 遗传信息的转录与翻译 遗传密码的破译及特点 人类基因组计划,遗传信息的流动方向,基因就是一种与生命活动有关的特殊 的指令,是一种信息。这种信息编码在DNA 的碱基的排列序列之中,并指导合成一种 特定的蛋白质分子。(肽链或RNA如tRNA rRNA) 基因表达基因指导蛋白质合成的过程, 也就是DNA的碱基序列转变成蛋白质的氨基 酸序列的过程,或者说是遗传信息表达出 来的意思。,生物遗传信息的流动方向 基因 蛋白质 功能 结构 转
12、 录 翻 译 中心法则:DNA RNA 蛋白质 反转录,遗传信息储存在核酸中 遗传信息由核酸流向蛋白质,复制,复制,遗传信息的转录与翻译DNA指导合成RNA 和蛋白质的过程(详见P144145),遗传密码的破译与特点,1954年物理学家George Gamow研究组成蛋白质 的20种氨基酸和mRNA 4个核苷酸之间的关系, 即4 种不同的核苷酸如何编码20种氨基酸? 作者推测: 1.如相邻2个核苷酸编码一个氨基酸, 则能决定 42=16种氨基酸. 2.若3个核苷酸编码一个氨基酸, 则有43=64种氨基 酸, 可满足20种氨基酸的编码要求.,遗传密码的破译,尼伦伯格(M.W.Nirenberg,
13、1927-): 1927年4月10日出生于纽约市; 1948年获佛罗里达大学的理科学士学位; 1952年获动物学理科硕士学位,论文是石蛾 的生态和分类,对生物化学感兴趣; 1957年在米歇根大学生物化学系获博士学位。 他的博士后研究即与蛋白质合成有关。,尼伦伯格在他的科研生涯中,孜孜以求 的目标就是理解科学。尼伦伯格大智若愚, 人家总是低估他的能力。 当时提出的模板RNA只是一种设想,缺 乏直接的分子证据。 “关键的事情我长期以来的目标就 是研究信息如何流动,DNA通过某种方式如 何决定蛋白质的合成?”,1961年,他研究出了一种在试管内的无细胞体系,这种体系能将氨基酸结合进多肽之中,亦即实现
14、蛋白质的人工合成。 体系是由核糖体、转运RNA、ATP、GTP(为合成反应提供能量)和必需的酶以及核酸所组成,还有合成蛋白质的原料:氨基酸带放射性。 体系的优点:多肽的合成有赖于将信使RNA加入到反应混合体系中去。,研究表明,系统在30分钟后开始工作,在一个半 小时之内连续合成蛋白质。 系列实验: 1,系统启动后,加入核糖核酸酶,它可分解RNA,结果蛋白质合成随即停止。 2,加入脱氧核糖核酸,它可分解DNA,结果蛋白质并不立刻停止,而是在30分钟后才停止。 说明了什么?,蛋白质合成体系依赖于模板RNA的存在。 一旦RNA被酶分解,反应立刻停止。另 一方面,模板RNA又是来自于DNA,因此, D
15、NA被酶破坏时,反应的停止就表现出了滞 后,只有当现存RNA被用完时,反应才停止, 因为新的模板RNA无法接上。,用烟草花叶病毒RNA试验,结果相似。 更深入的工作:加入特定顺序的核苷酸链,将 得到什么产物。 隔壁实验室正在试验人工合成RNA,利用一 种新酶,将任意多个核苷酸连在一起,他们 合成了多聚尿苷酸(Poly U),碱基只有一种, 尿嘧啶。(P142),1961年5月22日,尼伦伯格和他的助手将 Poly U放入人工合成体系中,奇迹出现了: 放射性氨基酸迅速结合到一些类似于蛋 白质的东西中去。究竟是哪些氨基酸掺入, 结果发现,只有一种氨基酸苯丙氨酸,合 成的蛋白质其实就是多聚苯丙氨酸。
16、,尼伦伯格的助手马泰曾说:“在做这 个主要实验之前,我就精确地知道,如果 仅有一种碱基,那就应该只对应一个氨基 酸,那可以得到精确的证明。当然我们很 兴奋,因为我们精确地知道我们要得到什 么。”实验结果果然出色地验证了他们的 想法。Phe-UUU,在密码破译竞赛中的另一位主要参赛者 是科拉纳(Khorana),1964年,他发明了 一种合成RNA的方法。用这种方法合成的RNA 可以是以2个、3个或4个碱基为单位反复重 复形成的大分子(例如 UGUGUGUGUGUGUGUGUG,(sys,val) GUAGUAGUAGUAGUAGUA, AGUCAGUCAGUCAGUCAGUC 至1966年,6
17、4个密码子全部破译。,Khorana(左),Nirenberg(右),尼伦伯格和科拉纳于1968年共同获得 诺贝尔生理学和医学奖。 遗传密码的特点: 氨基酸:20个+3个无义密码; 密码子:64个 密码子的简并性:3种有6套、5种有4套、 1种有3套、9种有2套、2种为1套。 简并密码大多表现为第三个密码的不同 UUU、UUCPhe,遗传密码字典,密码子重叠吗?,1.假如密码子是重叠的, 当DNA分子编码顺序中某 个碱基发生突变, 那么将会影响一个以上氨基酸 顺序的改变. 2.1961年, 一项实验证明密码子是不重叠的: 亚 硝酸可诱导烟草花叶病毒蛋白质基因突变, 每次 突变产生的变异蛋白质中
18、只有一个氨基酸发生变 化.,假如密码子是重叠的,遗传密码的特点,通用: 所有生物采用同一密码字典. 兼并: 数个密码子编码同一个氨基酸. 摇摆: 反密码子的第3个碱基可选择不 同碱基(与密码子)配对 偏爱: 摇摆密码子使用频率不同. 偏离: 在不同场合同一密码子含义不同,遗传密码的通用性,GFP荧光树,密码子摇摆,遗传密码的兼并,密码子摇摆的原因,遗传密码子的偏爱,细菌,病毒,动物和植物虽然采用同一套密码子,但细胞中同义密码tRNA的比例并不相同. 不同生物的基因在使用同义密码或兼并密码时并非平等对待, 而是表现“偏爱”某些同义密码的特点,即某些同义密码子使用更为频繁。,酵母密码的使用频率不同
19、于人类,遗传密码的偏离,酵母 已知密码 预期密码 实际密码 UGA 终止密码 Trp CUN Leu Thr AUA ILe Met,基因组(genome ) 是一个单倍体细胞内基因的总和,它 分为核基因组、线粒体基因组与叶绿体基 因组.基因组内包括编码序列与非编码序列。,人类基因组计划与基因组学遗传信息的全面解读,遗传学图(genetic map)选择遗传标记以cM(摩尔根重组单位)为图距单位。根据基因交换频率的数据,推断两个遗传性状的基因之间的距离1cM=1,000Kb) 物理学图(physical map)以碱基对数为图距单位,限制性酶切,找出片断上独特的序列作界标,分析各界标间的距离.
20、 序列图(sequence map)分子水平的物理学图,即全部基因组DNA的碱基排列图 转录图(transcription map)转录图是基因图的雏形,现至少巳有25万个cDNA序列,并正在以每天1,000多个的速度增长,1.人类基因组计划,基因克隆计划:克隆和鉴定人的2-3万多个基因 基因组多样性计划:群体多样化的研究;代表基因组到个体基因组的研究 cDNA计划:目标是建立不同组织、不同基因在不同时期的表达“目录”,即个体基因表达的时空图 蛋白组计划:HGP的基因序列可以马上转化为信息的和物质的蛋白质一级结构。仿照HGP从单一的蛋白质转向大规模的种类、结构和功能的研究 细胞计划:从分子水平
21、到细胞水平的研究 中国的HGP指导思想:参与、分享,重点是利用我们的资源,依靠我们自己的力量,为我们的子孙克隆我们自己的基因,2.后基因组计划,人类基因组计划的实施,人类基因组计划负责人,人类基因组的测序路线,基因组的测序过程(由上至下策略),人类基因组草图,1. 国际联合体的测序结果: 总长: 人类基因组草图2.9 Gb 注释基因数: 26,383 2. Cerela Genomics 的测序结果: 总长: 2.8 Gb 注释基因数: 31,778 测序覆盖面为4次以下判读的顺序为草图 测序覆盖面为10次以上判读的顺序为精图,人类染色体上遗传病基因位置,其他生物基因组测序,1. 目前已报道的测序生物, 包括原核生物和真核生物已近80种. 2. 高等植物中已测序的物种为拟南芥(十字花科), 水稻(禾本科). 3. 哺乳动物:人,小鼠,狗,黑猩猩,猪,猫,恒河猴、大鼠、狗、牛、马、复鼠、鸭嘴兽、大熊猫等. 4. 低等真核生物:酵母,线虫,果蝇,血吸虫(中国). 5. 其它动物:鸡(中国),蜜蜂,斑马鱼等,
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