分子遗传学：第二章 基因的性质

第 二 章
基 因 的 性 质
（ The Nature of the gene）
第一节 基因的作用
一, 人的先天代谢缺陷
, inborn errors in metabolism‖
1,黑尿症：正常人具有尿黑酸氧化酶, 使尿黑
酸转化为乙酰醋酸, 最后分解为 CO2和水 。 黑尿
症患者无尿黑酸氧化酶 。 尿液中含有尿黑酸,
排出经氧化后变黑 。 黑尿病基因为 a,患者基因
型 aa,正常人为 AA或 Aa。
2,苯丙酮尿症,PP个体 不能形成苯丙氨酸羟化
酶, 使苯丙氨酸不能转化为酪氨酸 。 大量苯丙氨酸积
累进一步引起下列反应,
（ 1） 苯丙氨酸自发转化为一种有毒物质苯丙酮酸, 随尿排出
（ 2） 过量苯丙氨酸积累，损害中枢神经系统，影响智力发育
（ 3） 血液中苯丙氨酸积累抑制了酪氨酸的代谢。后者是黑色
素的前体，造成白化病，无正常的酪氨酸酶。
酪氨酸酶的基因为 C。正常人为 CC或 Cc，白化病人
为 cc。
结论,先天性代谢缺陷是由于一种酶的
缺失造成, 有一隐性基因控制 。 基因的
作用是决定某种酶, 从而控制代谢途径
,控制某一性状 。
基因是如何控制代谢途径或生化反应
的呢？
二,, 一个基因一种酶, 学说
四十年代, Beadle和 Tatum
对链孢霉的研究进一步阐明了
基因的作用 。
基因是如何控制代谢途径或生化
反应的呢
1．假定：某一生物合成途径如下,
起始物,1 2 3 4 5 终产物
A B C D
基因 a决定酶 A,如果基因 b缺失,
a b c d 基因
b
A B C D
1 2 3 4 5 产物
酶
结果：产物 2转化为 3的反应不能进行 。 即在物质 2上被阻断 。
如加入 3或 4,可以得到终产物 5。 如加入更多的 1,也不可能合
成终产物 5。
B
2,阐明上述原理的例子分析
假定有一些实变体需要物质 G才能生长, 生物合成途径中 A—E
的所有成份是已知的, 试验每种成份维持突变体生长的能力, 结果
如下,
成份 A B C D E G
1 － － － + － +
2 － + － + － +
3 － － － － － +
4 － + + + － +
5 + + + + － +
―+‖能生长,－”不能生长
突
变
体
问 （ 1）,在 这一途径中, A—E和 G的顺序？
思考：能使大多数突变体生长的物质是最末生
成的, 而最早生成的物质能维持突变体生长的
数目是最少的,可以得到以下顺序,
E A C B D G
问 （ 2）,上述突变体是由于途径中那一步受阻造成的？
思考,E不能满足 E— A之间受阻的突变体生长的要求, 而其它物质都能满足
E→A 之间突变体生长的要求 。 从表中可知突变体 5一定是由于 E→A 转化受阻造成
。 同样, E或 A不能使突变体 4生长, 其它物质都能使其生长, 因此 4肯定是由于
A→C 的转化中受阻造成 。 最后可得,
A B C D E G
1 － － － + － +
2 － + － + － +
3 － － － － － +
4 － + + + － +
5 + + + + － +
5 4 2 1 3
G D B C A E
3,Beadle和 Tatum实验
营养缺陷型 （ auxotrophs）,不能在基本培养基上生长, 只能在
补加了特定营养物之后才能生长的实变体 。
有一组需要精氨酸才能在基本培养基上生长的链孢霉突变体：它
们对鸟氨酸和瓜氨酸的反应如下,
arg突变体对不同附加物的生长反应
突变体 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸
arg－ 1 + + +
arg－ 2 － + +
arg－ 3 － － +
Beadke等提出了链孢霉精氨酸合成的生化模型,
酶 X 酶 Y 酶 Z
前体 ——→鸟氨酸 ——→瓜氨酸 ——→精氨酸
Beadle等将不同的突变体定位于相应的合成步骤上
———arg－ 1———arg－ 2———arg－ 3———基因
↓ ↓ ↓
X Y Z 酶
前体 ——→鸟氨酸 ——→瓜氨酸 ——→精氨酸
该模型已成为, 一个基因一种酶, 的理
论
*要点,（ 1） 细胞内的生化反应由一系
列不同反应步骤组成； （ 2） 每一步反
应都有一种特异性酶催化； （ 3） 每一
种酶由一个基因控制 。
一, 蛋白质的结构
一条肽链中的氨基酸线性顺序称为蛋白质的一级结构 。
蛋白质的三维构型决定于氨基酸的顺序即一级结构, 基因
是通过控制蛋白质的一级结构来决定酶的功能的 。
第二节
基因与蛋白质的相互关系
Peptide bond formation between two amino acid,resulting from
a dehydration reaction 13-16
The quaternary level of protein structure as seen in
hemoglobin 13-19
二, 蛋白质顺序分析
Sanger测定多肽顺序的方法,
蛋白质指纹 （ fingerprints）,蛋白质经水解后形成较小
的片段, 经层析法分离和染色后, 不同大小的片段以特
定的位置出现 。 不同的水解酶作用后产生不同的指纹 。
Sanger证明：某一特定蛋白质的氨基酸顺序是特异性的
,The amino-acid sequence is what makes insulin
insulin‖,
三, 基因突变与蛋白质变化的关系
1957年, Vernon Ingram对正常人的 HbA和镰形细胞贫血症的
基因突变纯合体的 HbS作比较研究 。
正常人的血红蛋白 （ hemoglobin,Hb） 由两条 α链和两条 β链
组成, α链有 141个 aa,β链有 146个 aa。 HbA和 HbS的指纹只有
一个位置上有区别, 进一步对不同指纹部位作序列分析发现只
有一个 aa的差异,
1 2 3 4 5 6 7 ……
正常 HbA：缬 —组 —亮 —苏 —脯 —谷 —谷 ——……
镰形 HbA：缬 —组 —亮 —苏 —脯 —缬 —谷 ——……
A comparison of erythrocytes from normal (a)
and from individuals with sickle-cell anemia (b),
正常红细胞 镰形红细胞
Investigation of hemoglobin derived from HbAHbA and HbSHbS,
individuals using electrophoresis,fingerprinting,and amino
acid analysis,
结论,在 β链上第 6位的缬氨酸代替了正
常的谷氨酸, 从而造成缺陷性血红蛋白 。
Ingram的研究结果说明,通过遗传分析确
定的基因突变可以与一个蛋白质的 aa顺序
的变化相连系, 基因决定蛋白质的一级结
构顺序 。
四, 基因与蛋白质的线性对应
1967年, Charles Yanofsky对 E.coli色氨酸合成酶的研究证明
了基因的变化与蛋白质变化之间有线性对应 。
色氨酸合成酶由 A,B两条多肽组成, trpA基因和 trpB基因控
制各自多肽的合成 。
在 trpA基因图中其突变点的顺序与多肽 A的氨基酸变化的位置
有一种精确的对应关系 。
H3N
突变位点
COO–
1 15 22 49 175 177 183 211 213 234 235 243
赖 苯 谷 酪 亮 苏 甘 甘 甘 丝 谷
丙 酰
终 亮缬 谷 甲 半 精 异精谷缬半天亮 终
止 酰 胱 亮 胱
在 E.coli 色氨酸合成酶 trpA基因图中其突变点的顺序与多肽 A
的氨基酸变化的位置有一种精确的对应关系
结论,基因的线性顺序和多肽的线性
顺序之间有对应关系, 即：基因的核苷
酸线性顺序决定蛋白质的 aa线性顺序 。
五,, 一个基因一种酶, 学说对经典遗传学的某些解
释
1,对遗传比例和显性的解释,
豌豆花色素的遗传, 双因子杂种 F2的比为 9,7,
P,（ 白 ） AAbb × aaBB（ 白 ）
↓
F1：全部 AaBb （ 紫色 ）
↓
F2,A B A bb aaB aabb
紫 9 白 3 白 3 白 1
解释,
在最终产生紫花色素的生物合成途径中有两个白色前
体,
基因 A 基因 B
↓ ↓
酶 A 酶 B
↓ ↓
前体 1 前体 2 紫花色素
A B A bb aaB aabb
紫 9 白 3 白 3 白 1
显性表示某一酶的功能正常, 隐性表示该酶缺少活性 。 一个
杂合体 Aa具有产生正常功能酶的显性等位基因,
等位基因 A 等位基因 a
↓ ↓
酶 A 无功能的 酶
↓
前体 X 产物 Y（ 产生 Y表型 ）
杂合体 Aa表现为 Y表型 。 A对 a是显性 。
2,临界值模型
只有当产物 Y的浓度超过某一临界值时才能产生表型 Y。 纯合
体 AA比杂合体 Aa产生更多的酶 A。 因此就会产生更多的产物 Y
。 杂合体 Aa的表型取决于它的 Y产物量与临界的关系 。
A2A2 A1A1
B1B1
B1B2
A1A2
B2B2
表型 Y
表型 X
临界点
酶浓度
产物 Y浓度
无临界值时，杂合体 Aa为中间表型，这是一种不完全显性。
与产物浓度
相称的表型
产物 Y浓度
酶
浓
度 C1C1 C1C2 C2C2
第三节 遗传精细结构
经典遗传学关于基因的念珠理论
（ 1） 基因是 结构的基本单位, 它不能由交换分开 。 交换只发
生在基因之间, 而不能在内部 。
（ 2） 基因是 突变的基本单位, 基因可以从一种等位基因变为
另一等位基因, 但在基因内部没有可以变更的更小单位 。
（ 3） 基因是 功能的基本单位, 基因的一部分, 如果存在的话
是不能起作用的 。
上述, 三位一体, 的基因概念在四十年代以前占统治地位 。
Benzer在 50年代初的研究表明：念珠理论是不正确的 。
T4噬菌体的结构
The structure of bacteriophage T4 including an icosahedral
head filled with DNA,a tail consisting of a collar,tube sheath,
base plate,and tail fibers,
一, 细菌噬
菌体的生活
周期
Life cycle of
bacteriophage
T4,
二, T4噬菌体的 rII系统
r型突变体：快速溶菌突变体 （ rapid lysis）, Benzer选择 rII突变
体作研究的优点是：与野生型 rII+ 相比具有不同的宿主范围 。 rII不
能在 E.coli K上生长提供了一种选择手段 。
T4 rII 突变体和 rII+在 E.coil上的表型
T4 E.coil B E.coil K（ λ）
rII 大而清晰园 + －
rII+ 小而模糊 + + 小而模糊
E.coil B能使 rII突变体生长, 称为 rII
的许可性宿主 （ Permisive host）,
E.coli K（ λ） 不能使 rII突变体生长
,称为 rII的非许可性宿主
（ Nonpermisive host） 。
三, 噬菌体的杂交和选择
用两种不同的 rII突变体感染同一细菌 E.coli B,一旦
进入细胞, T4之间的 DNA就发生重组, 从而产生重组
类型的噬菌体 。 然后感染 E.coli K,野生型重组体的
数目等于在 K上的 pfu/ml的数 （ Plague forming Unit）
优点：用 rII系统和两个宿主, 不需要筛选大量的噬
菌斑就能选择到极少发生的重组体 。
两个不同突变的噬菌体 DNA重组的过程
用两个不同突变体的噬菌裂解液加到 E.coli B株的肉
汤培养液中, 当二个突变类型的 DNA感染同一细菌时可
发生杂交 。 大多数复制的 DNA是原来的类型, 有时也能
重组产生一种双重突变型和正常的重组体 （ 即野生型 ）
。 杂交后代植到 E.coli B上后, 都能良好生长, 而植于
E.coli K时, 只有重组野生型才能生长, 双突变体重组型
不能生长 。
Mix the two phages
Coinfect E.coli B
A A
r103 r104
Wild type
Double mutant phage
Take some of the phage
preparation,dilute it(10-8),
and infect E.coli B
Take some of the phage
preparation,dilute it(10-3 ),
and infect E.coli K
Plate the cells and observe
the number of plaques,
Total
number of
phages
Wild type
phages produced
by intragenic
recombination 两个不同突变的噬菌
体 DNA重组的过程
四 ·基因内重组 Intragenic Recombination
将 8个独立而来的 rII突变体成对感染 E.coli B。 形成噬菌
斑后再将其裂解液接种感染 E.coli K,只有野生型重组体
rII ? 才能生长, 而双重组型 （ rII’rII’’） 不能捡出, 也不能
生长 。 因此计算重组体的方法是以野生型的数 × 2。
公式如下,
重组率 =
2× rII+ 噬菌体数
总 噬 菌 斑 数 ＝
2× 在 K上生长的噬菌体数
在 B上的噬菌斑数
× 100%
T4 rII位点基因内重组的选择。 rII不能在 K上生长，当二个带有 rII不同等位基因的
T4感染同一 B株后，其某些后代能在 K上生长，即已成为 rII?，结果说明在一个基
因内发生了重组，而不是在基因间。
E.coli B
rII ’ rII ‖
植于 E.coli K上选择
根据重组率所得基因图,
rII1 rII7 rII4 rII5 rII2 rII8 rII3 rII6
___|_____|_____|____|_____|____|_____|_____|______
它们的图距就是 rII+的重组率 。
rII基因内重组说明, 基因是可以分割重组的, 它由更
小的单位组成, Benzer称其为重组子 recon,重组可以
发生在重组子之间, 但不能发生在其内部 。 因此, 重
组子 (而不是基因 )是重组的单位, 基因是重组子完整的
线性顺序, 一对核苷酸是重组的最小单位 。
第四节 突变位点分析
基因内发生重组有助于构建详细的基因图, 由各种等
位基因突变体杂交发生基因重组的相对频率能揭示出基因
内突变位点的顺序和相对位置 。
一, 缺失突变体 （ deletion mutants）
是由于 DNA上消除了某个片段所引起的突变 。 在以缺失
突变为背景的重组试验中, 突变不可能恢复到野生型 。 因
为和那个特定突变体相对应的野生型区段的 DNA已不复存
在 。
二, 缺失作图 deletion mapping
Benzer利用在 rII区域中含有短的缺失的特殊突变体来定位其它
新的突变位点 。
1,原理：假定一个由 12个突变位点组成的基因图,
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
有一特殊突变体 D1,当它分别与带有突变点 1,2,3,4,5,6
,7或 8的突变体杂交时不能获得 rII+重组体, 那么 D1就是缺失 1－ 8
位点的突变体,
9 10 11 12
缺 失 区
有另一突变体 D2,当它与 5,6,7,8,9,10,11或 12突变位点
的突变体杂交时不能获得 rII+重组体 。 即 D2就是缺失 5－ 12的突变体
根据重叠缺失区, 可将基因分成三个区域
I II III
D1
D2
1 2 3 4 缺 失 区
2,如何定位新的突变位点？
（ 1） 当与 D1杂交能 获得 rII+重组体, 与 D2杂交却
不能, 该突变体的突变位点位于 III区；
（ 2） 当与 D2杂交时能够, 但与 D1杂交时不能 获
得 rII+重组体, 该突变位于 I区；
（ 3） 与 D1和 D2杂交都不能 得到 rII+重组体, 其突
变位点位于 II区 。
在 III区里的一个突变体与 D1杂交获得 rII+的情形；
I 和 II缺失区
I和 II区
D1
新突变体 +
+
+ + +
III区
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＊ ＋ ＋
突变位点
III区
（ 4） 缺失突变体之间也可以杂交从而象点突变那样
定位, 如果杂交得不到 rII+重组体, 那缺失区就是重叠
的 。 例如有一缺失图,
1
2
3
利用上述缺失图可将新的突变定位 。
*思考,下图表示 T4 rII A顺反子中 4个缺失突变体的缺失图
1
2
3
4
现有在 rII A中 4个点突变体 a－ d,分别试验它们与 4种缺失突变体
杂交获得 rII+的能力, 结果如上表 。
问,4种点突变的顺序怎样排列？
a b c d
1 + + + +
2 + + + －
3 + － + －
4 － － + －
思考题,
有一组 噬菌体 缺失突变体（ 1—5）,成对相互杂交得到下
列结果（,+‖表示能获得 rII+重组体，,﹣ ‖表示不能）
1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
－ + － + －
+ － + + －
－ + － － －
+ + － － +
－ － － + －
根据上述结果画出 5个缺失突变体的缺失图。用线条表示缺
失区域。
1
2
3
4
5
参考答案
第五节 互补
Complementation
基因另一类功能的性质是互补作用
一, 二倍体的互补作用
（ 白 ） A A b b × a a B B（ 白 ）
↓
AaBb（ 紫 ）
AaBb个体能完成紫花色素所需的两步生化反应,
因为二条染色体上各自能提供一个起作用的基因,
染色体 1 A b
酶 A (1)
起始物
(2)
中间物
(3)
终产物
紫花色
素
染色体 2 a B
酶 B
染色体 1能提供酶 A,染色体 2能提供酶 B。 这两个部分缺陷的染色
体能相互补偿缺陷的部位, 也就是说能互补 。
二, 噬菌体 T4的互补作用
1,当不能单独在 K菌株上生长的两个 rII突变
体混合感染时, 它们能象野生型噬菌体那样在 K
株上生长, 这样两种突变型称为互补的突变型,
因为每一种能补偿另一种功能 。 使两者都能生长
。 （ T4染色体在宿主细胞中暂时二倍化 ）
2．不同的 rII突变体可以分成两类,即 A组和 B组。
A组中的所有突变体能与 B组中的所有突变体互补，而 A组中的某一
突变体不能与该组中的另一突变体互补，同样 B组中的某一突变体
也不能与该组中另一突变体互补。 A组中的所有突变体能定位到 rII
区段的一边,B组中的所有突变体能定位到 rII区段的另一边上
A组 B组
A互补群 B互补群
混合感染
rII’突变体 rII’’突变体
E,coli k(?)
互补作用 无互补作用
细胞裂解释放 细胞不裂解无子
出子代噬菌体 代噬菌体释放
rII互补作用图解,两个不同的突变体 rII’和 rII’’同时感染 E.coli K,一般情况
下, rII突变体不会裂解 K产生子代噬菌体；然而当两个 rII能互补时, 就会裂
解并有噬菌体生长, 如果两个突变体不能互补, 就不会裂解, 也不会有噬
菌体生长 。
3,rII突变体互补的解释,
rIIA rIIB
rII1
（ 1） （ 2） 裂解
有两个基因 rIIA和 rIIB在细菌裂解中起作用, 裂解的两个步骤
分别由 rIIA基因产生的酶 A和 rIIB基因产生的酶 B控制 。 两个 rII
突变体分别在 rIIA或 rIIB区域缺陷 。
+ –
rIIA rIIB
– + rII?
酶 A
酶 B
? 由于 rII1和 rII2的染色体各自能产生裂解途
径中所必需的一种酶,所以裂解就能发生,
即有野生型表型出现，称这两个 rII突变体
能互补
? 与二倍体植物细胞染色体互补作用相类似，
T4噬菌体的混合感染使噬菌体染色体处于
暂时的“二倍体”细胞状况，在这过程中
发生了互补作用。
三、顺反子（ Cistron）
? 不能互补的突变必然影响的是同一功能
单位, 能够互补的突变必定影响不同的
功能单位, 通过顺反试验发现的遗传功
能单位称为顺反子 。 rII区段中包括两个
作用单位 A和 B。 也就是两个顺反子 。
?顺反子的概念来自顺反试验：它是用于说
明在同一染色体上 （ 顺式 ） 或相对染色体
上 （ 反式 ） 排列的突变位点之间的互补试
验 。 顺式试验实际是对照, 反式试验才是
真正的互补试验 。 如果反式排列时有互补
作用, 说明两个突变位点处于不同的顺反
子中, 如不能互补, 说明它们属于同一顺
反子 。
顺式试验 反式试验
突变位点位于同一
顺反子中
突变位点
于不同顺
反子中
A B A B
A B A B
+ –
+ +
一个顺反子是一段遗传区域, 在这一遗传区域中的突变位点之间没有互补作用 。
例如两个不同的 rII突变体 （ 反式结构 ） 感染同一细菌, 而噬菌体不能生长, 那
么这两个突变位于同一顺反子中 （ 右上 ） ；如果有互补作用, 即后代噬菌体能生
长, 那么这两个突变体位于不同的顺反子中 （ 右下 ）, 在右上图中, 只有顺反子
B的功能正常, 而在右下图中, A,B两个顺反子的功能都正常 。
顺反子 （ Cistron）,
一个顺反子是一段遗传区域, 在这个区域中
的不同突变之间通常不发生互补作用, 一个顺
反子相当于一个基因 。 具有功能上的完整性和
结构上 的可分割性 。
四, 重组和互补
重组表示染色体 DNA物理上的断裂和重新连接，其结果
产生了基因的新组合。
互补不涉及个体染色体任何基因型的变化。互补表示基
因产物的混合补偿作用，只有当两个染色体位于同一细胞
中并各自能行使一种不同的功能时才能发生。其后，每个
染色体仍然保持不变。例如,当两个不同的 rII突变体位于
同 一宿主细胞中发生互补作用后，其后代仅具有原亲本
的基因型。
A
A
B
B
A B
A B
A B
A B
A B
A B
（ a） 该突变体能互相补偿
,因为野生型基因 A和 B的产
物能在细胞质中混合, 但基因
组不发生断裂和重接 。
(b) 如发生重组，两个基
因组将发生重排 。
(c) 这对突变不能互补,
因为两个突变体都不能提
供野生型基因 A的产物 。
(d) 产生野生型噬菌体的
重组过程机会较少 。
五, 近代基因概念的发展
基因是一个顺反子, 它是一个功能单位 。 一个顺反子内存在许多突
变位点, 即存在许多突变子；一个顺反子内可以发生交换出现重组
,因此也可以有许多重组子 。
一个基因是 DNA分子上具有遗传信息的特定区段, 作为一个独
立的功能单位, 它是一个顺反子, 它由许多突变子和重组子 。
Muton：突变子是基因内部变化后产生突变表型的最小单位
Recon：重组子是基因内部不能由重组而分开的基本单位 。
一个顺反子是为一条多肽编码的 DNA区段,, 一个基因一种酶,
学说可以更精确改为, 一个顺反子一条多肽, 的理论 。