基因的突变与进化作业

2016 春基因的突变和进化期末作业 学院： 海洋学院 班级： 海工 1201 姓名： 吕峥 学号： 3110103090 1 读书读报和日常生活中,经常会涉及到基因科学的相关知识。学习了本课程后,你能发现 你读到的某些文章或自己本人以前对基因科学的理解存在不确切的地方。 请从提高公众基 因科学素养的角度谈谈学习基因科学知识的意义和收获，要有事例，要求原创。题目自拟， 2250 字左右(30%) 学习基因科学的意义 首先，学习基因科学对于每一个人，都有重要的意义，泛的来讲，也就是科学普及有着 重要意义。万物都有自己的存在方式，科学普及打破我们对事物的错误直观认识，让我们对 世界和自己有一个更真实的了解，具 备求真唯实的科学世界 观；同时，科学普及 让我们具有 运用科学态度和方法判断及处理各种事务的能力。科普的定义：是以提高公民科学文化素质， 实现人与社会、人与自然和谐发 展为目的的全民终身科学教育。科普的内容：基本的科学知 识与基本科学概念的普及，实 用技术的推广，科学方法、科学思想与科学精神的 传播。 科学普及在社会经济发展中有着重要作用。大力提高公众的科学素养，是实施科教兴国 战略和可持续发展战略的重要基础。（一）科普是社会 经济发 展的必然要求。科普是提高 综合 国力的重要手段，只有普及基本的科学知识，人 们的基本科学素养有所提高，社会经济才能 健康发展，科普是消除愚昧的 锐利武器，只有科学普及，人们才能远离无知，不去相信迷信、 虚假信息、迷信等。科普是先进文化建设的重要方面，科学素养是文化的一部分，一个有着 良好文化的人必需有基本的科学素养。科学精神是激发民族精神和 时代精神的现实需要。科 普是塑造科学世界观、人生观 、价 值观的重要途径。（二）科普是实现人全面发展的客观需求。 科普是公众建立科学文明健康的生活方式的迫切需要，科学普及可以让我们远离伪科学和 迷信。科普是提高公众生活质 量的要求，高 质量的生活根本上来源于科学技 术的进步，为了 享用这些先进的科学技术给我们带来的便利，以追求更高的生活 质量，了解它 们成为了一个 内在要求，不了解驱动现代社会 设备的科学根基，会 让我们 迷惑甚至在追求生活质量的过程 中适得其反。如新鲜可人的无籽西瓜，大家都爱吃它，如果我们不了解它的三倍体形成机制， 或许会有疑惑和顾虑，它非自然，会不会对人体有害，这就成了阻碍我们提高生活质量的一 块石头。科普教育为人的全面 发展服务，活到老，学到老，人生是一个不断进步的过程。中学 里学到，生物分为原核生物和真核生物，原核生物又分 为细 菌和原生生物，真核生物分为植 物、动物、真菌。然而上过课后，我了解到，还有古菌的存在，原生生物分到动植物和真菌这 一边更加贴切，它们有一个共同的祖先。学习了解到新的知 识，或抛弃旧的错误的知识，就 是一种进步。科普促进公众对 科学事业的理解和支持， 这是从管理者的角度来 讲。 再者，普及的科学知识以及更 进一步的科学知识， 对生活有益 处。基因科学与我们人类 自身的繁衍、疾病的治疗息息相关。学习基因学知识，对我们保证自己的和下一代的健康， 有非常大的益处。学习这些知 识， 让我们有一个科学的态度，来对待生活中可能会遇到的问 题；同时让我们能够简单了解分析处理这些问题的过程，具备基本的科学素养。比如癌症的 问题，如果一个年轻人得了白血病，我们可能会误以为是因 为父母的遗传，毕竟他还这么年 轻，但事实是，这和遗传往往没有关系，得白血病往往是因为这个年轻人的生活习惯不好， 如果一个年长者得了癌症，我 们可能会认为是他的生活习惯问题 ，然而大部分年 长者的癌症 是因为杂合子基因的表达的原因，当然生活习惯不好，抽烟等也会引起癌症。又比如，我们 通常认为男性年龄大对生育影响不大，女性年 龄大对生育有明 显影响，事 实是两者都对生育 有影响。男性年龄大会加大精 细胞基因突变的可能， 对下一代 产生影响，而女性年龄大往往 会通过染色体畸变影响下一代。知道 这一点的男性就会适当注意生育年 龄， 对下一代的健康 非常有帮助。 再者，学科交叉。学科交叉是“ 学科际”或“跨学科”研究活动 ，其 结果导致的知识体系构 成了交叉科学。自然界的各种现象之间本来就是一个相互 联系的有机整体，人 类社会也是自 然界的一部分，因而人类对于自然界的 认识所形成的科学知 识体系也必然就具有整体化的 特征。科学史表明，科学经历 了综合、分化、再 综合的过程。现代科学则既高度分化又高度综 合，而交叉科学又集分化与综 合于一体， 实现了科学的整体化。 学科交叉点往往就是科学新 的生长点、新的科学前沿，这 里最有可能产生重大的科学突破，使科学发生革命性的变化。 同时，交叉科学是综合性、跨学科的产物，因而有利于解决人类面临的重大复杂科学问题、 社会问题和全球性问题。古菌是一种 现在仍生活在极端环 境中的生物，它与真核生物和 细菌 都有相似之处，很有可能是远 古地球环境仍然恶劣的时候生活着的生物，保存到了现今。研 究古菌或许对地质学、考古学等有意 义， 仅仅是我的猜测。 学科交叉是学术思想的交融， 实质上，是交叉思 维方式的综 合、系统辩证思维的体现。 自然界现象复杂、多样，仅从一种视角研究事物，必然具有很大的局限性，不可能揭示其本 质，也不可能深刻地认识其全部 规律。因此，惟有从多视角，采取交叉思维的方式， 进行跨学 科研究，才可能形成正确完整的认识。著名物理学家海森伯认为：“ 在人类思想史上，重大成 果的发现常常发生在两条不同的思维路线的交叉点上。 ”1986 年，诺贝尔基金会主席在颁奖 致词中说：“从近几年诺贝尔奖获得者的人选可明显看到，物理学和化学之间，旧的学术界限 已在不同的方面被突破。它们 不仅相互交叉，而且形成了没有鲜明界限的连续区，甚至在生 物学和医学等其它学科，也发 生了同样的关系。 ”1953 年，DNA 双螺旋结构的重大发现就是 化学家 L.C.波林、生物学家 J.D.沃森、物理学家 F.H.C.克里克、R.富兰克林和 M.H.F.威尔金 斯等合作的结果。这些表明，在多学科之间、多理论之间发生相互作用、相互渗透，形成了 “科学键”，从而能开拓众多交叉科学前沿领域， 产生出许多新的“生长点”和“再生核”，如粒 子宇宙学、生物物理化学、生物数学、太空科学、环境科学、科学伦理学、系统科学、自然社 会学和社会自然学等。迄今，交叉学科的数量已达 2 000 多门之多，其中许多都是交叉科学 的前沿。 2 什么是基因组，什么是基因 组学，以 这是一个基因组 学的时代为题，写一篇科普文章, 谈一谈基因组学的产生、发展及其 对 21 世纪的影响。 2250 字左右 (30%) 这是一个基因组学的时代 这是一个基因组学的时代。 基因组的定义是：生物细胞中单套染色体所含 DNA 序列的全部组成。从而基因 组学( 英 文 genomics)的定义就是：研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。包括涉及基因作图、 测序和整个基因组功能分析等，是 遗传学的一个分支。基因组学根据得到的基因组信息，同 时利用相关数据系统，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。1 以下我们谈谈基因组学的产生和发展。 全基因组测序标志着基因组学的产生。 对 DNA 测序最早出现在 1954 年，Whitfeld 等提 出了降解法，由于操作复杂，该方法并没有被广泛应用。成熟的 DNA 测序技术出现于上世 纪 70 年代中期，Maxam 和 Gibert 报道了通过化学降解法测定 DNA 序列。同年 Sanger 和 Nicklen 报道了双脱氧链终止序列测定法。上世纪 80 年代后期以来陆续出现了其他的一些 测序方法：Hyma 的焦磷酸测序法、Pfeifer 的连接酶测序法等。全基因组测序技术的出现对医 学所有领域来说都是一次革命性的进步。 对于每个生物个体来 说，基因 组包涵了其整个的遗 传信息。全基因组测序技术能 够全面、精确地分析基因 组的碱基序列，从而破解其所包含的 信息，揭示基因组的复杂性、多样性。通过对不同个体或群体的比对，可以发现其中的遗传 特性或突变，进而加深对各种疾病 发生、 发展的了解，进而制定相应的应对方法。全基因组 测序技术将会使人类对自然界生物及自身的了解更加深入并给人类的健康带来实际利益。2 对人类的全基因组测序出现于 1986 年，由科学家 Renato Dulbecco 等提出。他认为这对 关于癌症的研究有帮助。“ 人类 基因组计划（Human Genome Project, HGP）”是 20 世纪 90 年 代初开始的全球范围的全面研究人类基因组的重大科学项目。HGP 旨在阐明人类基因组 DNA 核苷酸序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类全部遗3.2109 传信息，使人类第一次在分子水平上全面地 认识自我。 HGP 的整体目标是阐明人类遗传信 息的组成和表达，为人类遗传 多样性的研究提供基本数据。HGP 可揭示一万余种人类单基 因异常（由临床意义的约计 6000 种）和上百种危害人类健康的多基因病（例如冠心病、高血 压、糖尿病、恶性肿瘤、自身免疫性疾病等）的致病基因和致病易感基因，从而建立对各种疾 病的诊治方法，从而推动整个生命科学和医学 领域的发展。 基因组测序的方法经历了三代的技术发展。以 Sanger 的双脱氧链终止法和 Maxam 化学 降解法为基础发展而来的各种 DNA 测序技术被称为第一代 测序技术。特点是易掌握、精确 度高，缺点是操作过程复杂，耗时长，费用高昂。进入 21 世纪后，随着现代生物技术及计算 机技术的发展，在第一代测序技 术的基础上不断改进，逐 渐 形成了以高通量测序为特点的第 二代技术，一次能对几十万到几百万条 DNA 分子进行测序，使得对一个物种的基因组或转 录组测序变得方便易行。第二代 测序技术保持了高准确度，大大降低了测序成本并极大地提 高了测序速度。以单分子测序技 术为基础的新一代测序方式被称 为第三代测序技术。其技 术 缺陷是标记核苷酸的成本高，且 测序错误率高。 Adam Phillippy 团队 2012 年将第二代和第三 代测序技术结合到一起开发了近乎完全准确的长读取技术。 2012 年， Peters 等利用长片段读 取技术(LFR)中“条形码 ，DNA 拼接完整的基因组序列，在完整的人类基因组中仅有 600 个 错误碱基。此技术极大地提高了全基因 组测序的精度， 显著降低在 测试中所需的 DNA 量。2 随着全基因组测序的发展和 HGP 基因组学任务的基本完成，科学家们启动了后基因组 计划（post-genome era）。它主要研究基因组的功能，即功能基因组学。功能基因组学就是在 基因组的层次上，研究基因的表达、调控与功能。人类基因图的“转录图”是最初步的人类基 因组功能图。基因的转录具有 组织、 发育阶段的特异性，并受所有生理、病理及环境因素的 调节。因此，转录图除了提供基因序列的结构信息外，还提供了该基因表达的组织、发育阶 段、生理状况的信息。绘制人 类基因组的一张三维的“ 转录图 ”或称“ 基因表达图”，反映某一 基因在不同发育阶段、不同组织 中不同水平的表达，反映某一组织中不同时间、不同基因的 不同水平的表达，以及在某一生长发育阶段在不同组织中不同基因的不同水平的表达。后基 因组计划还包括人类基因组多样性计划、比 较基因组学、工业基因组学、药物基因组学、疾 病基因组学以及蛋白质组学等方面。 比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上， 对已知的基因 和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。利用模式生物基 因组与人类基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，克隆人类疾病基因，揭示基因功能和 疾病分子机制，阐明物种进化关系，及基因组的内在结构。“一个物种的不同器官之间的差异 要比与另一物种的同一器官之间的差异大的多。 ”比较基因组学又分为种间比较基因组学和 种内比较基因组学。3 接下来讲的是基因组学对 21 世纪的影响。二十一世 纪是基因 组学的世纪，基因 组测序 对生物学、医学等的帮助非同凡响。 新一代的全基因组测序，使全基因 组测序广泛运用于肿瘤、 遗传疾病、 传染性流行病、 感染性疾病等疾病，同时还能判断个体疾病的易感性及生物进化等。 使用全基因组测序，发现了遗传 疾病的新的突变体， 为遗传 疾病的发病机制提供新的理 论依据。肿瘤是目前研究的热 点，也是 难点，使用全基因组测序，为很多肿瘤的发现、 危险 因素、 预后的判断、治疗、 耐 药机制等作出巨大贡献，为寻找肿瘤的病因和根治打下了坚 实的基础。感染性疾病很普遍，甚至没有引起足够重视，感染性疾病由细菌性、 病毒性、 支 原体、 衣原体、 立克次体、 螺旋体、 真菌、 寄生虫等引起的感染，目前全基因组测序主要 运用于细菌感染耐药机制的研究。 传染性疾病是指由病原微生物感染人体后 产生的有传染 性、在一定的条件下可以造成流行的疾病。使用全基因组测序广泛运用于疟疾、 结核等传染 病的流行病学调查、 耐药机制研究。对个体进行全基因组测 序， 能对患者对那些疾病易感， 这让个体能做到早预防、 降低患病率、 提高生活质量。 Machini 等(2014)对 221 个遗传 咨询人员( 包括遗传咨询师 , 遗传学家, 护师)进行匿名 调查对全基因组测序的看法发现全基因组测序仍然存在账单问题、 遗传结果解释、 揭露未 知突变的意义等不足。 要把全基因 组测序运用到临床和实际 生活中， 还有很多问题需要解 决。希望通过人类的努力，最终把全基因组测序运用到临床，为临床疾病的预防、 诊断、 治 疗带来方便。4 参考文献： 1百度百科 /link?url=Gc8e3oHneXQ0n9yk5psAScS76dMtvQxWm- j4EkZ9Kq54OizLPQ9Y2OWL80ZgkaKANiYVYXxJM6C3rWq3zTXhha 2 滕国栋(综述 ), 陈敏亮(审 校). 全基因组测序技术的发 展和应用J. 中国美容医学, 2013, 22(4):503-506. 3百度百科 /view/558396.htm 4 李晓明, 杨莹, 彭辉,等. 全基因组测序在医学应用进展 J. 基因组学与应用生物学, 2015(5). 3 基因科学的已有成就和未来发展离不开学科交叉。 请 你结合自己所学专业，以 基因科 学中的学科交叉为题,写一短文， 谈一谈这一方面的成功事例和你 对未来的展望。 1500 字 左右(20%) 基因科学中的学科交叉 学科交叉是“学科际” 或“跨学科”研究活动，其结果导致的知识体系构成了交叉科学。自 然界的各种现象之间本来就是一个相互联系的有机整体，人类社会也是自然界的一部分，因 而人类对于自然界的认识所形成的科学知识体系也必然就具有整体化的特征。科学史表明， 科学经历了综合、分化、再综合的过程。现代科学则既高度分化又高度综合，而交叉科学又 集分化与综合于一体，实现了科学的整体化。 学科交叉点往往就是科学新的生 长点、新的科 学前沿，这里最有可能产生重大的科学突破，使科学发生革命性的 变化。同时，交叉科学是 综合性、跨学科的产物，因而有利于解决人类面临的重大复 杂科学问题、社会问题和全球性 问题。 学科交叉是学术思想的交融， 实质上，是交叉思 维方式的综 合、系统辩证思维的体现。 自然界现象复杂、多样，仅从一种视角研究事物，必然具有很大的局限性，不可能揭示其本 质，也不可能深刻地认识其全部 规律。因此，惟有从多视角，采取交叉思维的方式， 进行跨学 科研究，才可能形成正确完整的认识。著名物理学家海森伯认为：“ 在人类思想史上，重大成 果的发现常常发生在两条不同的思维路线的交叉点上。 ”1986 年，诺贝尔基金会主席在颁奖 致词中说：“从近几年诺贝尔奖获得者的人选可明显看到，物理学和化学之间，旧的学术界限 已在不同的方面被突破。它们 不仅相互交叉，而且形成了没有鲜明界限的连续区，甚至在生 物学和医学等其它学科，也发 生了同样的关系。 ”1953 年，DNA 双螺旋结构的重大发现就是 化学家 L.C.波林、生物学家 J.D.沃森、物理学家 F.H.C.克里克、R.富兰克林和 M.H.F.威尔金 斯等合作的结果。这些表明，在多学科之间、多理论之间发生相互作用、相互渗透，形成了 “科学键”，从而能开拓众多交叉科学前沿领域， 产生出许多新的“生长点”和“再生核”，如粒 子宇宙学、生物物理化学、生物数学、太空科学、环境科学、科学伦理学、系统科学、自然社 会学和社会自然学等。迄今，交叉学科的数量已达 2 000 多门之多，其中许多都是交叉科学 的前沿。 我所学的专业是海洋工程与技术，似乎很 难与基因科学 产生交叉，那么我 们不如看一看 海洋科学与基因科学的交叉。海洋科学与基因科学交叉成功的例子有很多。一个例子，在水 产养殖中，提高养殖对象生长 速度和抗逆性，一直是科学家追求的目标。我国朱作言先生在 世界上率先开展了水产动物的转基因工作，近 20 年来鱼类转 生长激素基因的研究取得了长 足进步，可望率先准入市场。生活在寒带的鱼可以产生一种奇妙的抗 冻蛋白，加拿大的丘才 良先生和其同事将这种自然抗冻基因分离出来并通过转基因的方法转到海洋生物体，从而 提高寒冷环境下生物的生长率和存活率。另一个例子，目前，越来越多的增养殖生物在人工 条件下繁殖成功。借助于一种独特的转基因技术，日本海洋生物学家应用精原干细胞异体移 植技术，成功实现异种“ 借腹生子”，成功地令 亚洲大马哈鱼生出了“原籍”美洲的虹鳟鱼。利 用这种技术可能使某些濒临灭绝的鱼类继续繁衍下去。再一个例子，人工转基因鲤鱼和鲇鱼 的生长速度比对照组快 50%。科学家还通过确定鲍和牡蛎产卵和附着的控制因子，大力发 展经济贝类育苗的商业化。 展望，海洋或者深海生物具有非常多的珍贵基因，如抗压、耐低温、耐高温或高硫 环境 基因等，这些基因或许可以被医学、生物工程等学科所利用。海洋天然产物化学家们揭示 ： 几乎所有阶元的海洋生物都具有广泛的独特分子结构。 药 物学家、生理学家和生化学家已 经 证明海洋生物独特结构的各种分子构成了整个生命体系的基本框架， 这意味着海洋生物在 医药和化学工业新产品开发领域具有广阔的前景。不同物种的海洋生物会 产生一些化合物， 来保护自身被捕食、被感染或有利于生存竞争。科学家 证明 这些化合物很多可以应用在农业 和医学上。确定这些化合物产 生的代谢途径和查明控制生 产过程的环境或生理激发机理，可 以帮助人们开发规模生产这些化合物的技术。 4 以DNA 序列以外的可遗传变异为题， 谈一谈表观遗传学方面的基本概念、物质基础、 生物医学方面和社会文化方面的展望。1500 字左右 (20%) DNA 序列以外的可遗传变异 对于一个个体，决定细胞 类型的不是基因本身，而是基因表达模式。表 观遗传学研究基 因表达模式在细胞时代之间的不依赖细胞内 DNA 的序列信息的可遗传性等。 表观遗传（epigenetic inheritance）的定义是：通过有丝分裂或减数分裂来 传递非 DNA 序 列信息的现象。表观遗传学（epigenetics）的定义是：研究不涉及 DNA 序列改变的基因表达和 调控的可遗传变化，或者说是研究从基因演 绎为表型的过 程和机制的一门新兴的遗传学分 支。 接下来是表观遗传的物质基础。 DNA 甲基化和染色体重塑。DNA 甲基化（DNA methylation）是研究的最清楚，也是最重 要的表观遗传修饰形式。DNA 甲基化是指 DNA 上胞嘧啶第五位碳原子因为 DNA 甲基化酶 的催化作用带上了一个甲基，胞 嘧啶转化为 5 甲基胞嘧啶 。甲基化的胞 嘧啶所在 DNA 将不 会表达，相当于被抑制，这与生物性状由密切联系，而且这样的甲基化可以通过细胞分裂或 减数分裂遗传给下一代细胞或下一代。一条 DNA 链上-CG-， 对面-GC- ，称 为 CpG 岛，按照 概率，CpG 岛的存在应该在 1/16 左右，然而自然中人类 CpG 岛的数量远低于这个水平，就 是因为甲基化的存在，DNA 复制 时，DNA 链上通常爬满了 DNA 甲基化转移酶，甲基化的部 分复制时 5 甲基胞嘧啶初容易产生复制错误。所以 CpG 岛 才被称为“岛”。一般 DNA 甲基化 与基因沉默相关联，而非甲基化一般与基因的活化相关联 ，去甲基化往往与一个沉默基因的 重新激活相关联。 正常情况下，人类基因组“ 垃圾”序列的 CpG 二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化 状态，与之相反，人类基因组 中大小为 1001000 bp 左右且富含 CpG 二核苷酸的 CpG 岛 则总是处于未甲基化状态，并且与 56% 的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图 分析结果表明， 人类基因组 CpG 岛约为 28890 个，大部分染色体每 1 Mb 就有 515 个 CpG 岛 ，平均值为每 Mb 含 10.5 个 CpG 岛， CpG 岛的数目与基因密度有良好的 对应