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遗传学Genetics 课程代码：10102104 学时数：72学时（讲课：58学时；实验：14学时；实习：无） 学分数：4第一章 绪论第六章 细菌和病毒的遗传第二章 遗传的细胞学基础 第七章 细胞质遗传第三章 孟德尔遗传 第八章 数量遗传第四章 连锁遗传和性连锁 第九章 群体遗传与进化第五章 染色体变异 第十章 基因工程与基因组学第一章 绪论通过本章学习，认清遗传学研究的对象和任务，了解遗传学在科学和生产发展中的作用，掌握在遗传学发展史上的重要科学家和关键性实验。第一节 遗传学研究的对象与任务一 遗传学的研究对象遗传学（genetics）是研究生物遗传与变异的科学。* 什么是遗传与变异哪？遗传与变异是生物界最普遍和最基本的两个特征。人类在生产活动中早就认识到遗传与变异的现象及其相互关系。俗话说“种瓜得瓜，种豆得豆；种谷子不出芝麻”，水稻种下去长出来的总是水稻，这种亲代与子代相似的现象就是遗传（heredity）。但是遗传并不意味着亲代与子代完全相像，俗话说“一母生九子，九子各不同”，有一个非常相似的故事说的也是这个道理：龙生九子，九子各异。在农业生产中，经常会发现：同一个品种的水稻种成的后代，却有熟期早晚、粒重不同的现象。这种现象就是变异（varation）。* 遗传和变异是生命中的一对矛盾，这种矛盾是生物通过各种繁殖方式反映出来的。它们是既对立又统一的，没有遗传，不可能保持性状和物种的相对稳定性，没有变异，不会产生新性状，也就不可能有物种的进化和新品种的选育。遗传是相对的、保守的，而变异是绝对的、发展的。遗传与变异这对矛盾不断运动，经过自然选择，才形成形形色色的物种，同时又经过人工选择，才育成生产所需的各种品种。所以说，遗传、变异、选择是生物进化和新品种选育的三大因素。* 遗传变异的表现都与环境有不可分割的关系。生物与环境的统一这是生物科学中公认的基本原则。因为任何生物都必须在必要的环境条件下生长发育，从而在该环境下表现出遗传与变异。所以，研究生物的遗传与变异必须密切联系其环境。遗传学就是以微生物、植物、动物以及人类为研究对象，研究遗传、变异、生物的进化以及与环境的相互关系。二 遗传学的研究任务遗传学研究的范围包括遗传物质的本质、遗传物质的传递和遗传物质的实现三个方面。*遗传物质的本质包括他的化学本质和物理本质、它所包含的遗传信息、它的结构、组织和变化等。*遗传物质的传递包括遗传物质的自我复制、染色体的行为、遗传规律和基因在群体中的数量变迁等。*遗传物质的实现包括基因的原初功能、基因的相互作用、基因作用的调控以及个体发育的作用机制等。本书主要讲述遗传物质的传递。*遗传学研究的任务在于：阐明生物遗传和变异的现象及其表现的规律；深入探索遗传和变异的原因及其物质基础，揭示其内在的规律；从而进一步指导动植物与微生物的育种实践。第二节 遗传学的发展与分支从大的方面来讲遗传学的发展可以分为四个阶段，并在发展过程中产生了很多分支。一.从混合遗传到颗粒遗传遗传学起源于育种实践，劳动人民在长期的农业生产和饲养家畜过程中，已经认识到遗传与变异现象，并且通过选择选育出大量优良品种，但是直到十八世纪下半叶和十九世纪上半叶，才由拉马克（Lamarck,J.B.,1744-1829）和达尔文(Darwin,C.,1809-1822)对生物界的遗传与变异进行了系统研究。拉马克认为环境条件的改变是生物变异的根本原因，提出了器官的用进废退（use chara disuse of organ）与获得性状可以遗传（inheritance of acquired characters）等学说，这些学说对于后来的进化的观点以及对遗传与变异的研究都有着重要的推动作用。达尔文1831年剑桥大学毕业，不久由于他得到一个著名教授的推荐，得以以学者的身份乘坐英国海军水文地理战舰“贝格尔”号，作了历时约5年的环球科学旅行。通过这次旅行，使它成为一个坚定的进化论者，并在1858年7月的英国林耐学会上宣读了自己和华莱士（A.R.Wallace）分别提出的、内容相近的有关生存竞争的进化理论。在遗传上，达尔文提出“泛生论”的假说，他认为，动物每个器官里都普遍存在着微小的泛生粒，这些泛生粒能够进行分裂繁殖，并在体内随着体液流动，最后聚集到生殖器官里，形成生殖细胞。他还认为，不同雌雄个体的体液混合，就把两亲的泛生粒混合起来，集中在受精卵里。当受精卵发育成成体时，各种泛生粒又随着子体的体液流入到各器官里去发挥作用，最后表现各自亲本的遗传性状。如果亲代的泛生粒发生改变，则后代表现出变异的性状。这就是混合遗传的概念。这一假说纯属一种假设性推想，并未获得科学的证实。事实上，动物体内根本没有什么泛生粒。尽管“泛生论”似乎荒唐，但毕竟揭开了人们认识与研究遗传及遗传物质基础的序幕。在生物科学史上，把拉马克和达尔文时代称作达尔文主义时代，把他们的学说通称为达尔文主义。达尔文以后，生物科学中又广泛流行新达尔文主义。其代表人物是德国生物学家魏斯曼（Weismann，A.1834-1914）。他支持达尔文的选择理论，但不同意“获得性状可以遗传”理论。对遗传物质的认识他提出了“种质连续论”。这个理论认为，多细胞的生物体是由种质和体质两部分构成的；种质好像是一个个颗粒存留于生殖细胞的染色体上，是亲代传递给后代的遗传物质，它们世代相传连续不断，在本质上是不死的；体质是由种质产生的，但它只是生物的躯体，随着机体的死亡而死亡，体质在每一世代需重新产生，体质通过生长和发育形成新个体的各种组织和器官，但它不能产生种质，它只是对种质起一个保护、营养和提供栖息地的作用，种质因受到良好保护很难受到环境影响而改变，环境只能影响体质，而不能影响种质，因而环境影响不能遗传。这一理论对遗传学的研究和发展产生了重大影响。但是，把生物体绝对划分为种质和体质是片面的，这种划分在植物界一般是不存在的，在动物界也仅是相对的。尽管如此，这种理论也不失去对遗传物质认识的先驱作用，因为从此结束了混合遗传的概念，开始建立了颗粒遗传的概念。这是人们对遗传物质认识的第一阶段。这种认识主要基于生物体的外在表现与主观臆测，停留在个体水平.二.经典的基因论开始真正有分析地研究生物遗传和变异规律的是奥国布鲁恩（今捷克巴那地区）的孟德尔（Mendel，G.J.1822-1884）。他在前人植物杂交试验的基础上，于1856-1864年从事豌豆杂交试验，并对后代进行细致的记载与统计分析，于1866年发表了植物杂交试验的著名论文。在这篇论文里，他认为，决定生物性状表现的是存在于细胞里的遗传因子（Inherited facfor），这些遗传因子在体细胞内是成对存在的，在产生性细胞即配子时，成对因子彼此互不干扰地分开，因而性细胞内只含有每对遗传因子中的一个。也就是说，体细胞内含有的遗传因子是成对的，而性细胞内含有的遗传因子则是成单的。他首次提出了分离规律与独立分配规律。孟德尔的遗传因子假说是在魏斯曼“种质论”的基础上，把细胞学的进步和实际的遗传规律结合了起来，所以它是颗粒遗传的发展。1909年，丹麦遗传学家约翰逊（Johannsen，W.L.1859-1927）把孟德尔提出的“遗传因子”一词名为“基因”（gene），并被人们所接受。从此，基因这个名词一直沿用至今。1910年以后，美国的伟大遗传学家和试验胚胎学家摩尔根（Morgan，T.H.1866-1945）等以果蝇和玉米为材料，进行了大量的试验，继贝特生之后又发现了性状连锁遗传现象，并肯定了连锁遗传的存在。同时，在孟德尔的研究基础上，结合当时细胞学的发展，集颗粒遗传之大成，创立了经典的基因论。经典基因论认为，基因是遗传的功能单位、突变单位和互换单位，是三位一体的稳定实体。基因存在于细胞核内的染色体上。染色体上基因的位置是一定的，即基因排列顺序都是固定的，彼此的遗传距离也是一定的，象念珠一样成直线地排列。通过杂交，可以对染色体上的基因进行定位，并能绘制出连锁图。这些认识都有实验根据，摩尔根等对果蝇、玉米进行大量实验研究，把这二个物种染色体上大部分基因都进行了定位，并绘制出了各自的连锁图。经典基因论对遗传学的发展，产生了深远的影响，奠定了坚实的基础，现代遗传学都是在此基础上发展起来并不断完善的。这是人们对遗传物质基础认识的第二阶段。这时，对遗传物质的本质的认识已经深入到细胞水平，即是细胞遗传学阶段。（但是，限于当时的科学水平，不可能对遗传物质基础的认识完全正确，例如经典的基因论认为基因是一个稳定的实体，是不可分割的，就与事实不符。后来随着微生物生化遗传的深入研究，发现基因并不是一个不可分割的实体，基因在染色体上的位置也不是稳定的。基因还可分，其内部有许多小单位，它们能分别进行突变和互换，并被称为突变子（muton）和互换子（recon）。基因内部这些小单位的性质及排列方式不同，决定基因的性质就不同。所以，从这个意义上讲，基因称为作用子或顺反子。后来又发现，基因还可以跳跃，离开原来的位置到别的位置上去。尽管这样，不能因此否定经典基因论对遗传学发展的巨大贡献。）三.由微生物遗传时代到分子遗传时代在细胞遗传学时代已经认识到基因在染色体上，那么，基因是以什么形式存在于染色体上？其原初作用怎样？要研究这些问题，必须有一个好的研究材料。1941年美国的遗传学家比德尔（G.W.Beadle）和生物化学家泰特姆(E.L.Taum)在前人研究经验的基础上开始选用链孢霉作为研究材料，发现比用果蝇、玉米、豌豆等为试材要好得多，这个研究开创了微生物遗传的篇章，即以细菌和病毒等微生物为模式试材，研究遗传学问题。通过许多生物化学家和遗传学家共同的共同努力，微生物遗传学在40-50年代曾促进了遗传学中一些基本理论的阐明，比如，证明了遗传物质的化学本质是DNA、提出了乳糖操纵子模型等，在50到60年代则推动了分子遗传学的发展。当科学家发现DNA是遗传物质之后，就开始致力于解释DNA的化学成分和结构。在这方面的研究，有许多科学家做了积极的贡献，其中英国科学家瓦特森（Watson，J.D.）和克里克（Crick，F.HC.）所做的工作最卓越。早在1938年，曾在他们实验室工作过的威尔金斯（Wilkins）用X射线衍射DNA分子晶体，得到了X射线晶体衍射DNA照片，证明DNA上的有机碱基是互相叠堆的。在此基础上，瓦特森和克里克对该照片进行进一步分析，提出了DNA双螺旋的立体结构的著名论断，使人们对遗传物质基础的认识进入了分子时代，并找到了基因的分子实质，从分子水平上来认识基因。这是人们对遗传物质基础认识的第三阶段。从此以后，遗传学的发展突飞猛进，几乎每十年就有一次大的突破。现在人们对基因的认识就不像经典基因论那样了,不同的生物有不同的基因，而是万物同源，皆为DNA，只是其分子结构（遗传距离）上有差异，根据这种差异，可以准确的描述所有生物的差异。七十年代初，分子遗传学已成功的分离基因和人工合成基因，开始建立遗传工程这一新的研究领域。遗传工程的发展，使人类在改变生物性状上将取得更大的自由，它的深远影响是巨大的。不仅在于可以打破生物界限，克服远缘杂交的困难，能够有计划的培育出高产、优质、抗逆等优良的动植物和微生物新品种，大幅度的提高农业和工业的生产，而且可以有效的治疗人类的遗传性疾病，并可能从根本上控制癌变细胞的发生，造福于人类。人们对遗传物质基础的认识经历了这样三个大的阶段，并不是说认识已经很完善了。恰恰相反，还有许多不清楚的地方，有不少问题还要不断地深入探讨。随着科学的不断发展，人们对基因的认识必然更加深化。比如当控制一个性状的基因已经明确并被克隆时，利用这个基因并不一定使性状得以表达，这说明生物的遗传现象必须在单基因研究基础上从生物整体上进行解释。于是从微观重新回到宏观，20世纪80年代以来遗传学又有进入一个新的发展阶段，产生了一个新的分支。四、基因组及后基因组时代基因组学(genomics)是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。一个物种的单倍体的染色体数目称为该物种的基因组或染色体组，它包含了该物种自身的所有基因。不同物种的基因组大小差异极大，从2*105到5*1010个核苷酸对,其中人类为3*08核苷酸对。基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象，因此，基因组学的研究目标是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系，为最终充分合理地利用各种有效资源，为预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。基因组学的重要组成部分是基因组计划(genome project)，基因组计划包括很多工作内容(大体上可分为：构建基因组的遗传图谱(genetic map)；构建基因组的物理图谱(physical map)；测定基因组DNA的全部序列；构建基因组的转录本图谱；分析基因组的功能。)，以最早于1990年10月开始研究的，美国国立卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)和能源部(Department of Energy，DOE)联合启动的与曼哈顿原子弹、阿波罗登月计划并称人类自然科学史上的大工程的“人类基因组计划”(human genome project，HGP)为例，预计投资30亿美元，历时15年，将测定构成人类基因组的30亿个核苷酸对的排列次序，构建高分辨率的人类基因组遗传图谱、人类基因组物理图谱，发展新实验技术、研究系统和仪器设备，发展生物信息学。除政府机构外，由于巨大的商业利益，英国遗传生物学家克莱格文特尔博士，创立了私人公司也进行了这方面的研究，并且在起初是企图独占鳌头的，后来逐渐走向联合。（国际人类基因组计划大事记1998年5月 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，目标是投入3亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。由于其技术较人类基因组计划国际合作小组较为先进，因此实际工作进度较快。10月23日 美国国家人类基因组研究所在美国科学杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部测序工作将比原计划提前两年，即在2003年完成。1999年3月15日 英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作步伐，人类基因组工作草图将提前至2000年完成。9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对，使中国成为继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。中国负责人是杨焕明。12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。2000年3月14日 美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果。他们是针对一些私营生物技术公司为了商业利益而与国际人类基因组计划展开竞争，并试图将自己的研究成果申请专利而发出此声明的。该举措敦促私营公司跟政府实验室一样分享数据。人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长弗兰西斯柯林斯看到自己领导的多国合作小组即将失利，在克林顿总统的撮合下开始与塞莱拉合作，在年月完成测序；年初完成人类基因组草图。有趣的是，多国合作小组在英国自然杂志上，而塞莱拉在美国科学上，各自独立地在同一周发表论文；又在年月日的记者招待会上联合宣布：人类基因组测序工作完成。4月6日 塞莱拉公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码。但不少欧美科学家对塞莱拉公司的成果表示质疑，认为该公司的研究“没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数”，因而是“有漏洞的”。4月末 我国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。5月 国际人类基因组计划完成时间再度提前，预计从原定的2003年6月提前至2001年6月。5月8日 由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第21对染色体的测序工作。6月26日 各国科学家公布了人类基因组工作草图。2001年8月26日，人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组“中国卷”通过国家验收。年月日，国际人类基因组测序组隆重宣布：美、英、日、法、德和中国科学家历经年的共同努力，人类基因组序列图亦称“完成图”，提前绘制成功。为此，参与研究国国政府首脑发表联合声明表示祝贺。从现在起，生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分，人类正生活在后基因组时代。）在美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联和一些发展中国家不甘落后，也相继启动了类似的研究项目。如日本于1991年4月提出了与HGP同等重要的“水稻基因组计划”(rice genome project，RGP)，1991年10月正式实施。通过该计划，将绘制出水稻所有12条染色体的遗传图谱，并对全部cDNA进行序列分析、组织特异性表达和基因功能研究。该计划正开展着广泛的国内国际合作研究，已构建成较为饱和的遗传图谱，构建了YAC和cosmid克隆的染色体物理图谱，完成了数组不同组织器官的cDNA文库。又如1992年8月，中国根据国情正式宣布实施自己的“水稻基因组研究计划”，1998年水日本、美国、中国、法国、加拿大、印度、泰国、韩国、巴西和英国等10个国家和地区32个研究所组成的科学家组成的水稻基因组研究计划国际合作小组，2005年8月12日已经宣布完成完成水稻基因组精细图谱的构建。科学家们已完成了水稻基因组序列全图图谱的绘制，其覆盖率和精确度均远远高于此前发表的草图，这是迄今在高等生物中最精确、最完整的测序工作之一。科学家希望这一重大突破能帮助人类解决粮食生产问题，而且全世界研究人员均可免费从计算机数据库中获取这一图谱。这一成就公布在8月11日出版的英国NATURE上。 此次测序的粳稻亚种（OryzaSativa）广泛生长于日本、韩国和美国。其DNA由4亿多碱基对组成，共有3.75万个基因，比人类基因还多1.2万多个。绘制完成的水稻基因组全图不仅定位了水稻中的全部基因，而且还率先在动植物中完成了对着丝粒的测序。那么，生物的基因组图谱和测序工作完成之后，还要干什么哪？后基因组学(post-genomics)是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。这将比序列测定本身要复杂的多，需要的时间也长得多。有人估计还得花几十年甚至上百年时间才能完成这一工作。自从1996年酵母菌基因组全序列测定以来，在四年多时间里，全世界已有1000多个实验室，5000多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究，共发表论文7000多篇，鉴定1060个新基因的功能，但仍然还有约1600个阅读框架的功能不清楚。这些结果充分说明后基因组学研究的复杂性。后基因组学主要利用DNA微列阵技术、蛋白质组学、酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合，对已知的基因组序列进行研究。回顾遗传学一个世纪的发展历史，清晰的表明遗传学是一个发展极快的科学；差不多每隔十年，就有一次重大的提高和突破,得以后来居上。经过几次飞跃，从“种瓜得瓜，种豆得豆”的形体认识达到DNA主宰遗传的分子水平，创造了20世纪生物科学的辉煌。现阶段的遗传学不论在广度和深度上都有飞跃的发展。他已从孟德尔、摩尔根时代的细胞水平，深入发展到现代的分子水平。遗传学之所以能这样迅速的发展，一方面由于遗传学与许多学科相互渗透和交叉，促进了一批边缘学科的形成；另一方面由于遗传学广泛应用近代化学、物理、数学的新成就、新技术和新仪器设备，因而能由表及里、由简单到复杂、由宏观到微观，逐步的深入研究遗传物质的结构和功能。遗传学发展到现阶段，已经形成三十多个分支，如细胞遗传学、数量遗传学、发育遗传学、进化遗传学、辐射遗传学、医学遗传学、分子遗传学、遗传工程、基因组学、蛋白质组学等。其中以分子遗传学为代表的包括基因组学在内的当代遗传学已经成为生物科学中最活跃和最有生命力的学科之一，而遗传工程应是遗传学中最重要的应用研究方向。无数的事实证明，遗传学的发展正在为人类的未来展示出无限灿烂美好的前景。在我国，虽然由于特定的历史与政治环境使遗传学的发展一直到80年代都受到不良影响，但后起直追，先后在近年完成了人类基因组“中国卷”（中国作为参加人类基因组计划六个成员国中惟一的发展中国家，承担了1%的测序任务。具体完成情况如下：1、承担区域：3号染色体短臂端粒至D3S3397(37CM)。2、 经过作图、大规模测序(工作框架图阶段和完成图阶段)后，最终获得精确度达99.99%(相当于错误率低于万分之一)的完成图序列17.4Mb，所有BAC序列都经过指纹图谱的验证。3、 在端粒位置目前尚存在一段约40-50Kb的技术性空缺(根据含有端粒序列的半YAC序列与已测序列的重叠度推断， 4、 除上述区域外，还完成了包括3号染色体其他区域以及其他染色体部分区域的序列14.2 Mb，共完成31.6 Mb的序列测定，有效总读长为384.2 Mb。5、经过序列分析，在3P端粒至D3S3397区域，共识别122个基因，其中86个是已知基因(55个为功能明确的基因，8个为疾病相关基因；在31个基因中找到了75种不同的剪切方式；发现了1760个新的SNP(dbSNP中未报道)；还进行了完成图中重复序列、CpG岛、GC含量的分析。2001年8月26日)、水稻基因组精细图、家蚕基因组“框架图”，已成为世界基因组研究的强国之一。2004年5月28日，经中央有关部门批准，在北京华大基因研究中心基础上成立中国科学院北京基因组研究所，基因组研究所将和国内同行一起实施三大基因组计划，从而使中国基因组研究再攀新高峰。这三大计划分别是以人类遗传与健康为主题的“炎黄计划”，以中药现代化为主题的“神农计划”，以动植物、微生物基因组研究在强国健民上的应用为主题的“轩辕计划”。另外，目前，我国科学家们正和丹麦、美国等国的同行一起进行家猪基因组、鸡基因组研究。北京华大中心是世界上第六大基因测序中心。第三节 遗传学在科学和生产发展中的作用遗传学的深入研究，不仅直接关系到遗传学本身的发展；而且在理论上对于探索生命的本质和生物的进化，对于推动整个生物科学和有关科学的发展都有着巨大的作用。在遗传学的研究上，试验材料从豌豆、玉米、果蝇等高等动植物发展到红色面包霉、大肠杆菌、噬菌体等一系列的低等生物，试验方法从生物个体的遗传分析发展到少数细胞或单细胞的组织培养技术。这些发展对于遗传研究的材料和方法是一个重大的进步；而且在认识生物界的统一性上也具有重大的理论意义。因为低等生物，特别是微生物繁殖快，数目多、变异多、易于培养，便于化学分析；而利用高等动植物以及人体的少数的离休细胞，也能应用类似于培养细菌的方法进行深入的遗传研究。这就可以更好地提高试验准确性。研究资料清楚地表明最低等的和最高等的生物之间所表现的遗传和变异规律都是相同的，这一点有力地证明了生物界遗传规律的普遍性。*随着遗传学研究的深入，在理论上必然涉及到生命的本质问题。近年来分子生物学，其中更重要的是分子遗传学的发展，充分证实以核酸和蛋白质为研究基础，特别是以DNA为研究的基础，来认识和阐述生命现象及其本质，这是现代生物科学发展的必然途径。*遗传学与进化论有着不可分割的关系。遗传学是研究生物上下代或少数几代的遗传和变异，进化论则是研究千万代或更多代数的遗传和变异。所以，进化论必须以遗传学为基础。达尔文的进化论是十九世纪生物科学中一次巨大的变革，它把当时由于物种特创论的影响，生物科学中各学科互不相关的研究统一在进化论的基础上，使它们成为相互具有关联的学科。但是，由于社会条件和科学水平的限制，特别是当时遗传学还没有建立，达尔文没有、也不可能对于进化现象作出充分而完满的解释。直到二十世纪遗传学建立以后，尤其是近代分子遗传学发展以后，进一步了解遗传物质的结构和功能，及其与蛋白质合成的相互关系，才可能精确地探讨生物遗传和变异的本质，从而也才可能了解各种生物在进化史上的亲缘系及其形成过程，真正认识到生物进化的遗传机理。因此，分子遗传学的发展与达尔文的进化论相比拟，可以说是生物科学中又一次巨大的变革。*在生产实践上，遗传学对于农业科学起着直接的指导作用。为了提高育种工作的预见性，有效地控制有机体的遗传和变异，加速育种进程，就必须在遗传学的理论指导下，开展品种选育和良种繁育工作。我国首先育成水稻矮秆优良品种，并在生产上大面积推广，从而获得显著的增产，就是这方面的一个典型事例，在国外也有一些类似的事例，例如，在墨西哥育成矮秆、高产、抗病的小麦品种：在菲律宾育成抗倒伏、高产、抗病的水稻品种等。正是由于这些品种的推广，使一些国家的粮食产量有着不同程度的增加，引起农业生产发生显著的变化。*遗传学在医学中也同样起着重要的指导作用。由于遗传学的发展，广泛开展人类遗传性疾病的调查研究，深入探索癌细胞的遗传机理，从而为保健工作提出有效的诊断、预防和治疗的措施，为消灭致命的癌症展示出乐观的前景。重组DNA的技术为基因操纵和基因克隆铺平了道路。人类的许多重要基因被分离、整合到各种载体，并转移到寄主细胞中，组成可以合成各种蛋白质的生产中心。随着人类社会和工农业生产的发展，有计划地控制人口的增长已经成为世界各国普遍性的问题；我国已明确提出，实行计划生育是一项基本国策。因此，为了防治遗传性疾病和畸形胎儿的出现，积极普及遗传学知识，认真做好产前检查和遗传咨询工作，确保少生优生，这是提高我国民族的遗传素质和促进社会主义建设的重要保证。近几十年来，遗传学已经取得了飞跃的进展。展望二十一世纪，人们将会越来越认识到现代遗传学在科学发展、社会进步、生产力提高等各方面所产生的重要作用，以DNA为核心的遗传学科的发展必将在人类发展史上留下不可磨灭的功绩遗传学的学习方法 勤奋加智慧第二章 遗传的细胞学基础通过本章学习，了解生物染色体的结构与组成掌握真核染色体在细胞分裂、生殖等生命活动中的规律性行为及其与生物遗传和变异的关系。第一节 真核细胞的遗传体系一、原核细胞与真核细胞所有生物都具有一定的细胞结构，但在细胞结构的组成上，各种生物是不同的。根据细胞结构的复杂程度，可把生物界的细胞概分为两类：原核细胞(prokaryotic cell)和真核细胞(eukaryotic cell)。原核细胞一般较小，约为110 m。原核细胞外面是由蛋白聚糖(peptidoglycan)构成的起保护作用的细胞壁(cell wall)。蛋白聚糖是原核生物所特有的化学物质。细胞壁内为细胞膜(plasma membrane)，其组成和结构与真核细胞相似。细胞膜内为DNA、RNA、蛋白质及其它小分子物质构成的细胞质(cytoplasma)。原核细胞的细胞质内仅有核糖体(ribosome)不存在有膜的细胞器，细胞质内没有分隔，是个有机的整体；也没有任何内部支持结构，所以主要靠其坚韧的外壁来维持其形状。其DNA存在的区域称作拟核 (nucleoi)。真核细胞一般比原核细胞大，其结构和功能也比原核细胞复杂得多。真核细胞不仅含有核物质，而且有核结构，即核物质被核膜包被在细胞核里。另外，真核生物还含有线粒体(mitochondria)、叶绿体(chloroplast)、内质网(endoplasmic reticulum)、高尔基体(Golgi body)等各种由膜包被的细胞器。除了原核生物以外，所有的高等植物、动物，以及单细胞藻类、真菌和原生动物等都具有这种真核细胞结构，故统称为真核生物(eukaryote)。尽管真核细胞形态和功能各不相同，但有一些特点是所有真核细胞所共有。如所有的真核细胞都由细胞膜与外界隔离，细胞内有起支持作用的细胞骨架，以及各种细胞器等。其中最重要的细胞器就是细胞核，简称为核(nuclear) 。一般为圆球形，但在不同生物和不同组织的细胞中有着很大的差异。核的大小也不同，就植物细胞核的直径计算，小的不到1m，大的可达600m；一般为525m。核是由核膜(nuclear membrane)、核液(nuclear sap)、核仁(nucleolus)和染色质(chromatin)四部分组成。是遗传物质集聚的主要场所，它对控制细胞发育和性状遗传都起主导作用。二、动物细胞与植物细胞当然，动物细胞与植物细胞是有些不同的。三、真核细胞的遗传体系分子遗传学的发展已拥有大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质。因此对于真核细胞生物来说，DNA存在的场所就可能是遗传物质的存在场所。研究发现，真核生物的DNA主要存在于细胞核中，这部分遗传物质称为核基因组或染色体基因组。除此之外，细胞质中线粒体、质体、中心体等细胞器中也存在一些遗传物质。这些细胞器在细胞内执行一定的代谢功能，是细胞生存不可缺少的组成部分。同时他们也单独或与核遗传物质一起完成一定的遗传功能。某些真核生物的细胞质或原核细胞中，除了细胞器外，还有另一类称为附加体(episome)和共生体(symbiont)的细胞质颗粒，它们是细胞的非固定成分，并且也能影响细胞的代谢活动，但它们并不是细胞生存必不可少的组成部分。例如，果蝇的s (sigma)粒子、大肠杆菌的F因子以及草履虫的卡巴粒(Kappa particle)等，这些成分一般都游离在染色体之外，有些颗粒如F因子还能与染色体整合在一起，并进行同步复制。通常把上述所有细胞器和细胞质颗粒中的遗传物质，统称为细胞质基因组(plasmon)。综合上面所述，真核生物遗传体系构成可以概括如下：下面主要讲一下染色质。第二节 染色体的形态、结构和数目一、染色体的形态特征 染色体是细胞核中最重要的组成部分，在细胞尚未进行分裂的核中，可以见到许多由于碱性染料而染色较深的、纤细的网状物，这就是染色质(chromatin)。当细胞分裂时，核内的染色质便卷缩而呈现为一定数目和形态的染色体(chromosome)。当细胞分裂结束进入间期时，染色体又逐渐松散而回复为染色质。所以说，染色质和染色体实际上是同一物质在细胞分裂过程中所表现的不同形态。染色体是核中最重要而稳定的成分，它具有特定的形态结构和一定的数目，是遗传物质的主要载体。具有自我复制的能力；并且积极参与细胞的代谢活动，在细胞分裂过程中能出现连续而有规律性的变化。几乎在所有生物的细胞中，包括噬菌体在内，在光学显微镜或电子显微镜下都可以看到染色体的存在。各个物种的染色体都各有特定的形态特征。在细胞分裂过程中，染色体的形态和结构表现为一系列规律性的变化，其中以有丝分裂中期染色体的表现最为明显和典型。因为这个阶段染色体收缩到最粗最短的程度，并且从细胞的极面上观察，可以看到它们分散地排列在赤道板上，故通常都以这个时期进行染色体形态的认识和研究。根据细胞学的观察，在外形上，每个染色体都有一个着丝粒(centromere)和被着丝粒分开的两个臂(arm)。在细胞分裂时，纺锤丝(spindle fiber )就附着在着丝粒区域，这就是通常所称的着丝点(spindle fiber attachment)的部分。着丝点主要由蛋白质组成。各个染色体的着丝点位置是恒定的，因为着丝点的位置直接关系染色体的形态表现(图23)。因此，根据着丝点的位置可以将染体色进行分类，如果着丝点位于染色体的中间，成为中间着丝点染色体(metacentric chromosome)，则两臂大致等长，因而在细胞分裂后期当染色体向两极牵引时表现为V形。如果着丝点较近于染色体的一端，成为近中着丝点染色体(sub-metacentric chromosome)，则两壁长短不一，形成为一个长臂和一个短臂，因而表现为L形。如果着丝点靠近染色体末端，成为近端着丝点染色体(acrocentric chromosome)，则有一个长臂和一个极短的臂，因而近似于棒状。又如果着丝点就在染色体末端，成为端着丝点染色体(telocentric chromosome)， 由于只有一个臂，故亦呈棒状。此外，某些染色体的两臂都极其粗短，则呈颗粒状(图24)。在细胞分裂过程中，着丝点对染色体向两极牵引具有决定性的作用。如果某一染色体发生断裂而形成染色体的断片，则缺失了着丝点的断片将不能正常地随着细胞分裂而分向两极，因而常会丢失。反之，具有着丝点的断片将不会丢失。着丝点所在的区域是染色体的缢缩部分，称为主缢痕(primary constriction)。在某些染色体的一个或两个臂上还常另外有缢缩部位，染色较淡，称为次缢痕(secondary constriction)。某些染色体次缢痕的末端所具有的圆形或略呈长形的突出体，称为随体(satellite)(图23)。次缢痕的位置和范围，也与着丝点一样，都是相对恒定的，通常在短臂的一端。这些形态特征也是识别某一特定染色体的重要标志。此外，染色体的次缢痕一般具有组成核仁的特殊功能，在细胞分裂时，它紧密联系着核仁，因而称为核仁组织中心(nucleolar organizer)。例如，玉米第6对染色体的次缢痕就明显地联系着一个核仁。也有些生物在一个核中有两个或几个核仁。例如，人的第13、14、15、21和22对染色体的短臂上都各联系着一个核仁(图25)。各种生物的染色体形态结构不仅是相对稳定的，而且大多数高等生物其体细胞内染色体数目一般是成对存在的。这样形态和结构相同的一对染色体，称为同源染色体(homologous chromosome)；而这一对染色体与另一对形态结构不同的染色体，则互称为非同源染色体(non-homologous chromosome)。同源染色体不仅形态相同，而且它们所含的基因位点也相同。但在许多物种中有一对同源染色体(性染色体)其形态和所含基因位点往往是不同的。近年来由于染色技术的发展，在染色体长度、着丝点位置、长短臂比、随体有无等特点的基础上，可以进一步根据染色的显带表现区分出各对同源染色体，并予以分类和编号。例如，人类的染色体有23对(2n = 46)，其中22对为常染色体，另一对为性染色体 (X和Y染色体的形态大小和染色表现均不同)。目前国际上已根据人类各对染色体的形态特征及其染色的显带表现，把它们统一地划分为7组(A、B、G)，分别予以编号(表22 和 图25)。这种把生物细胞核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为染色体组型分析(genome analysis)，或称核型分析(analysis of karyotype)。人类的染色体组型分析，对于鉴定和确诊染色体疾病具有重要的作用。二、染色体的结构前面我们介绍了DNA(或RNA)是生物共同的遗传物质，是由核苷酸组成的双螺旋长链。那么DNA(或RNA)又是如何组成染色体的呢？下面我们对染色体的结构作一介绍。1、原核生物染色体与真核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)，其遗传信息的含量也比真核生物少得多。例如，大肠杆菌含有一个染色体，呈环状。它的DNA分子中含有的核苷酸对为3106，长度为1.1mm。而蚕豆配子中染色体(n6)的核苷酸对为21010，长度为6000mm；豌豆配子中染色体(n7) 的核苷酸对与长度分别为31010和10500mm。病毒染色体只含一个DNA或者RNA分子，可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。细菌染色体均为环状双链DNA分子。虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小得多，但其伸展长度比其本身仍要大得多。例如：噬菌体其DNA伸展长度为17m，而其染色体存在的噬菌体头部直径只有0.1m。大肠杆菌(Escherichia coli) 的DNA分子伸展有1200m长，而细菌直径只有12m(图311)。但是通常在原核生物的细胞里只有一个染色体，因而它们在DNA含量上远低于真核生物的细胞。那么这样长的DNA是如何装配到病毒或者细菌里去的呢？近年来研究发现，原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是“露裸”的DNA分子，其DNA分子同样与蛋白质和RNA等其它分子结合。例如：大肠杆菌DNA与几种DNA结合蛋白(DNA-binding protein)相结合。这些DNA结合蛋白很小，但在细胞内数量很多，它们含有较高比例的带正电荷氨基酸，可以与DNA带负电荷的磷酸基团相结合，其特性与真核生物染色体中的组蛋白(histone)相类似。大肠杆菌的染色体DNA除与蛋白质结合外，还结合有RNA。它的染色体是由50100个独立的负超螺旋环组成的环状结构(图312)。RNA和蛋白质结合在上面，以保持其结构的稳定性。2、真核生物染色体 染色质的基本结构 染色质(chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦称为染色质线(chromatin fiber)。在真核生物中，它是脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质及少量核糖核酸(RNA)组成的复合物，其中DNA的含量约占染色质重量的30。蛋白质包括组蛋白和非组蛋白二类，组蛋白是与DNA结合的碱性蛋白，有H1、H2a、H2b、H3和H4等五种，其在细胞中的比列大致为12222。它们是除精子等少数细胞外，为所有生物和细胞所共有。它与DNA的含量比率大致相等，是很稳定的，在染色质结构上具有决定的作用。而非组蛋白在不同细胞间变化很大，在决定染色体结构中作用可能不是很大，它们可能与基因的调控有关。近来研究发现，染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)、连接丝(linker)和一个分子的组蛋白H1。每个核小体的核心是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体，其形状近似于扁球状 (图313)。DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。连接丝把两个核小体串联起来，它是两个核小体之间的DNA双链。组蛋白H1结合于连接丝与核小体的接合部位，影响连接丝与核小体结合的长度。如果H1被除去，其核小体的基本结构并不会因此而改变。据测定，大部分细胞一个核小体及其连接丝约含有180200个碱基对(base pair，bp)的DNA，其中约146个碱基对盘绕在核小体表面1.75圈，其余碱基对则为连接丝，其长度变化较大，从短的8个碱基对到长的114个碱基对。根据染色反应，间期细胞核中的染色质可以分为两种：异染色质(heterochromatin)和常染色质(euchromatin)。异染色质是染色质线中染色很深的区段，这称为异染色质区(heterochromatin region)；常染色质是染色很浅的区段，这称为常染色质区(euchromatin region)。据分析，异染色质和常染色质在化学性质上并没有什么差别，只是核酸的紧缩程度及含量上的不同；并且根据电子显微镜的观察，二者在结构上是连续的。在细胞分裂间期异染色质区的染色质线仍然是高度螺旋化而紧密卷缩的，故能染色很深。而常染色质区的染色质表现为脱螺旋而呈松散状态，故染色很浅，不易看到。在同一染色体上所表现的这种差别称为异固缩(heterochromatin)现象。染色体的这种结构与功能密切相关，常染色质可经转录表现为活跃的遗传功能，而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用。放射自显影的实验证明，异染色质的复制时间总是迟于常染色质。异染色质又可分为组成型异染色质(constitutive heterochromatin )和兼性异染色质(facutative heterochromatin)。组成型异染色质主要是卫星DNA，构成染色体的特殊区域，如着丝点部位等。只与染色体结构有关，一般无表达功能。兼性异染色质可以存在于染色体的任何部位。它可以在某类细胞内表达，而在另一类细胞内完全不表达。例如，哺乳动物的X染色体。对某个雌性动物来说，其中一条X染色体表现为异染色质，完全不表达其功能，而另一条则表现为功能活跃的常染色质。因为染色体本身就是细胞分裂期间染色质的卷曲压缩，所以染色体也会象染色质一样，出现异染色质区和常染色质区。不同的生物各个染色体所出现的异染色质区的分布是不同的。例如，茅膏菜(Drosera)的异染色质位于染色体的末端；蚕豆、番茄、月见草和果蝇等分布于着丝点附近。在玉米中可能在着丝点的两边或一边，例如，在玉米第7染色体的长臂上靠近着丝点处就有一段较明显而稍膨大的异染色质区。在动物的性染色体上，Y染色体的异染色质也显然比X染色体为多。有些生物的细胞中除了具有正常恒定数目的染色体以外，还常出现额外的染色体。通常把正常的染色体称为A染色体；把这种额外染色体统称为B染色体，也称为超数染色体(supernumerary chromosome)或副染色体(accessory chromosome)。至于B染色体的来源和功能，尚不甚了解。不同物种和同一物种的染色体大小差异都很大，而染色体大小主要指长度而言，在宽度上同一物种的染色体大致是相同的。一般染色体长度变动于0.250.0m；宽度变动于0.22.0m。在高等植物中单子叶植物一般比双子叶植物的染色体大些。但双子叶植物中牡丹属(Paeonia)和鬼臼属(Podophyllum)是例外，具有较大的染色体。玉米、小麦、大麦和黑麦的染色体比水稻为大；而棉花、苜蓿、三叶草等植物的染色体较小。染色体的结构模型 在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：染色体的结构是由两条染色单体(chromatid)组成的。每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的染色粒(chromomere)。染色粒的大小不同，在染色线上有一定的排列顺序，一般认为它们是由于染色质线反复盘绕卷缩形成的。现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的，即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的，换言之，每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线。当完全伸展时，其直径不过100m，而其长度可达几毫米，甚至几厘米。当它盘绕卷曲时，可以收缩得很短，于是表现出染色体所特有的形态特征。如人的最长的一条染色体，在分裂间期其分子伸展时长达85mm，但在中期，却卷缩成为直径只有0.5m，长度约为10m的染色体，其长度差不多缩短了一万倍。那么，在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷缩成为一定形态结构的染色体的呢？现在认为至少存在三个层次的卷缩(图314)：第一个层次是DNA分子超螺旋化形成核小体，产生直径约为100m的间期染色质线，在此过程中组蛋白H2A、H2B、H3和H4参与作用。第二个层次是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为300m的超微螺旋，称为螺线管(solenoid)，此过程中组蛋白H1参与作用。最后