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分子遗传学讲义第一章 绪 论一、什么是分子遗传学1、遗传学（genetics）什么是遗传学？l 遗传学是研究生物体遗传和变异的一门学科。l 遗传学是研究生物体遗传信息的组成、传递和表达规律的学科。l 遗传学是研究基因的结构、传递和表达规律的学科，可称为基因学。遗传学研究的内容？l 基因和基因组的结构分析，构成基因和基因组的核苷酸序列与其生物学功能之间的关系，包括突变与异常性状之间的关系。l 基因在世代之间传递的方式与规律。l 基因转化为性状时所需的各种内外环境条件，也就是基因表达的规律。l 根据上述三方面研究所获得的知识，能动地改造生物，使之符合人类的利益和要求。2、分子生物学（molecular biology）什么是分子生物学？分子生物学是在分子水平上研究生物的结构、组织和功能的学科，它试图根据化学和物理规律来解释生命现象。分子生物学以生物大分子为研究对象，是现代生物学领域最具活力的学科之一。分子生物学研究的内容？l 生物大分子的化学结构、大小、性状和三维结构，以及大分子之间的相互作用。l 生物大分子结构和功能的关系，以及生物学现象的分子生物学过程。l 生物大分子在细胞成分中的组织结构方式，以及活细胞在合成大分子时的物理化学过程。l 生物信息传递和表达的分子生物学过程。附：生物学学科名称分类以研究的生物对象命名：植物学、动物学、微生物学以研究的层次命名：分子生物学、细胞生物学、生态学以研究的生命现象命名：（动物）生理学、发育生物学、神经生物学、遗传学以研究的方法命名：生物化学、生物物理学3、分子遗传学（molecular genetics）什么是分子遗传学？l 分子遗传学是研究遗传信息大分子的结构与功能的一门学科，是分子生物学的一个重要分支。它依据物理、化学原理来解释遗传现象，并在分子水平上研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。l 分子遗传学是遗传学的一个分支，着重在分子水平上研究基因的结构和功能以阐明生物遗传和变异的规律。由此可知，分子遗传学是分子生物学和遗传学的交叉学科。二、分子遗传学的发展史1人类在长期的农业生产和家畜饲养过程中，早已认识到遗传和变异现象，并且通过选择，育成了大量优良品种。2拉马克（J. B. de Lamarck）提出器官的用进废退和获得性状遗传学说3达尔文(C. R. Darwin )提出自然选择和人工选择的进化学说和泛生假说4新达尔文主义：支持达尔文的选择理论，但否定获得性状遗传 魏斯曼(A. Weismann)提出种质(germplasm)学说。种质（germplasm）：是指性细胞和产生性细胞的那些细胞，在世代繁衍的过程中，种质自身永世长存，在世代之间连续相继；体质（somatoplasm）：是保护和帮助种质繁殖自身的一种手段，是由“种质”产生的。种质细胞系完全独立于体制细胞系，体质细胞发生的变化（也就是获得的性状）不影响种质细胞，因而获得性状不会遗传给子代。试验把小鼠的尾巴切掉然后进行繁殖，连续19代，新生小鼠的尾巴仍然像正常的一般长。5孟德尔遗传规律的提出和重新发现1866年，孟德尔发表“植物杂交试验”论文，首次提出分离和独立分配两个遗传基本规律。1900年，狄。弗里斯、柴马克和柯伦斯三人同时发现孟德尔遗传规律。6. 1906年贝特生发现遗传连锁现象，并首次提出遗传学作为一个学科的名称。7. 1909年约翰生提出“基因”一词来表述孟德尔的遗传因子。8. 摩尔根（T. H. Morgen）等同样发现形状连锁现象，提出了基因理论、连锁遗传规律、染色体遗传理论。 事例 Morgen曾是一位实验胚胎学家，1910年他用果蝇做近亲交配试验，在许多野生型红眼果蝇中发现了一只白眼雄果蝇。他抓住这一偶然现象，穷究其底蕴，终于发现1913年斯特蒂文特绘制出第一张遗传连锁图。9. 1944年，美国学者埃弗利（Avery）等在肺炎球菌中证实了转化因子脱氧核糖核酸（DNA）,从而阐明了遗传的物质基础。10. 比德尔（Beadle,G. W.）提出“一个基因一个酶”的假说，从而发展了微生物遗传学和生化遗传学。11. 1950年，Chargraff、Markham等用纸层系法和分光光度法大量测定了各种生物的DNA碱基组成后发现，不同生物的DNA碱基组成不同，有严格的种的特异性，他们还发现碱基总量总是A=T、G=C,提示了A-T、G-C之间互补的概念。121953年瓦特森（Watson,J. D.）和克里克（Crick, F. H. C.）通过X射线衍射分析的研究，提出DNA双螺旋结构模型理论，促进了分子遗传学的迅速发展，标志着遗传学以及整个生物学进入了分子水平的新时代。1953年4月25日出版的Nature杂志（171卷737738页）刊登了他们的论文“核酸的分子结构脱氧核糖核酸的结构”。13. 1955年，美国分子遗传学家本泽尔用基因重组分析方法研究T4噬菌体中的基因精细结构，其剖析重组精细程度达到DNA上相隔仅三个核苷酸的水平，这一工作在概念上沟通了分子遗传学和经典遗传学。14. 1956年，Crick提出了遗传信息传递的中心法则。15. 1959年，Neselson等提出了DNA复制是半保留的。16. 1963年，Nirenberg等完成了密码子的破译。17. 1965年，Monod, Jacob提出了操纵子学说。Robert&Helley提出tRNA结构。18. 1970年，Baltimore等发现了反转录酶。19. 1972年，Berg等构建了第一个人工重组DNA 分子，开创了基因工程这一新的研究领域。20 1977年，Sanger&Gilbert发明了DNA序列测定方法。Sharp等发现了内含子（intron）。211981年，Cech等发现了核酶（ribozyme）。221990年,Mullins发明了PCR技术。“人类基因组计划”（human genome project）开始启动。HGP是堪与阿波罗登月计划和曼哈顿原子弹计划相提并论的人类历史上第三大工程。1990年10月1日美国正式启动人类基因组计划，总体计划是在15年内投入至少30亿美元进行人类基因组计划。意大利、英国、法国、德国、欧共体、丹麦、俄罗斯、日本、韩国、澳大利亚等先后启动HGP。2003年，人类基因组计划提前2年完成。2321世纪分子遗传学进入“后基因组时代”。三、分子遗传学展望1、 基因的概念任何一门科学的发展都是以概念为基础的。化学是以分子原子为基础的，而遗传学则是以基因概念为基础的。基因概念的演变，标志着遗传学的发展。l 摩尔根在基因论中提出遗传粒子理论，他认为基因连接成直线，好像线上的连珠，粒子性的基因彼此独立，互不重叠。本泽尔提出顺发子概念，认为基因是功能单位。分子遗传学的发展证明了基因不仅可以重叠，而且可以被分隔。这在基因概念上是个突破，它不仅使摩尔根的基因概念过时，也使风行一时的“基因是功能单位”的顺反子概念不能成立。l 1978年吉尔伯特提出“基因是转录单位”的新概念。这个概念也还不能令人满意，因为作为一个单位转录下来的mRNA也往往不是一个基因。l 基因及基因型的稳定性一直是传统遗传学的重要概念。目前已认识到在某些情况下，某些DNA序列可以重排和扩增，以用于调节基因表达或构建新的基因。转座子的发现使人们相信可移动DNA序列的存在是生物界的普遍现象。基因的概念正经历着从稳定到动态的重大突破。随着分子遗传学的发展，新的基因概念必将出现，基因概念的演变必将促进遗传学的发展。正如摩尔根在基因论中所说：“当然，基因论不需，也未尝自认为是最终极的。毫无疑义，它将会经过许多变革，循着新的方向该进。”2、 真核细胞的基因调控操纵元模型使我们对原核生物的基因调控有了比较彻底的了解，但操纵元模型对真核细胞并不适用，因为：l 简单的基因调控模型无法解释高等生物体中复杂性状的分化与发育过程。l 这种模型的调控灵敏度决定于mRNA很快被制造又很快被消耗，能够对外界的生存条件（如培养基中的诱导物乳糖）做出快速反应。而真核生物中mRNA长达几十小时甚至数日的半衰期，使这种应变性的模型大大失去了调控的意义。l 真核细胞中许多协同作用的基因是分散在若干不同的染色体上，不像原核生物那样只有一条“染色体”。真核细胞如何协调这些分散基因的活动，我们目前知道得还很少。因此，搞清楚真核细胞中的调控过程，必将大大丰富分子遗传学的内容，这也是该学科的一项战略性任务。3、 遗传与发育遗传和发育的研究异途同归，发育的过程，归根结底是基因的表达调控问题。例如在发育过程中存在着控制结构基因表达的时序基因（temporal gene）。发育的分子遗传学原理将是分子遗传学研究的重要领域。4、 自我组合过程 自我组合过程：l 将噬菌体T4的各个“部件”混合于溶液中，它们能自动地装配成完整的T4噬菌体。其步骤是按严格顺序进行，最后只有在头与尾装配成功后，尾丝才能装配上去。l 核糖体是由几十种蛋白质和rRNA自动装配而成。l 将分离的心脏胚胎细胞放在一起，能自动组合成心脏组织并有搏动能力。把分子遗传学理解为只是研究DNA的复制、调控以及表达未免过于狭隘。分子遗传学应以分子水平的DNA复制为基础去研究亚细胞、细胞等各级水平上自我复制（或组合、装配），这样才能进一步揭开遗传发育的奥秘。5、 遗传工程遗传工程（基因工程）是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学、微生物遗传学的手段来改造或重组生物遗传特性的一门新技术。遗传工程的应用：l 基因工程制药。例如胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗等。胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取1g的胰岛素，其价格比黄金还贵。一位患者一年所需要的胰岛素的量，需要40头牛或50头猪的胰脏作原料。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种产量问题，还使其价格大大降低!l 改造生物的遗传性状或治疗人类的遗传疾病。如超级小鼠、转基因发荧光的猪。重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。l 研究基因和蛋白质的结构与功能。真核生物的基因组是极其庞大的，在整体情况下研究某一基因的，常常由于条件错综复杂而难以分析。DNA重组技术使我们有可能把需要研究的基因分离出来，对其进行重组或改造，或把它放回严格控制的细胞中，去研究基因的结构与功能，或获取理想的蛋白质产物。近年来兴起的蛋白质工程则是应用基因工程技术去改造蛋白质或酶分子结构，研究蛋白质或酶的结构与功能，或创造出新的蛋白质。6、 蛋白质感染因子与蛋白质遗传蛋白质感染因子（prion）是一种能够迅速繁殖、传染的蛋白质病原体，导致疯牛病（牛海绵状脑病）、羊搔痒病、人Kuru病等。迄今为止，发现它只含蛋白质，不含核酸，它以自身为模板，把细胞中具有正常功能的蛋白质转变为病原体。蛋白质感染因子的发现，是对“DNA是唯一的遗传物质”的统治理论提出挑战。分子生物学的DNA遗传理论和基因概念必将发生巨变。7、 RNA干扰RNA干扰（RNA interference,RNAi）现象：生物体中由双链RNA断裂而来的小RNA分子（small interfering RNA,siRNA），有2125个核苷酸组成，它们能在细胞质中以及在基因组水平上触发后成的基因沉默，即在细胞质中与互补的mRNA结合，使该mRNA的某一段落成为双链，阻碍了它在核糖体中的翻译，并导致mRNA链的降解，在细胞核中使其同源的DNA序列甲基化而使基因陷于沉默RNAi是后成的、遗传的，但不涉及基因突变，成为后成遗传学（epigenetics）。8、 基因组学和生物信息学在人类基因组计划的带动下，人类、线虫、果蝇、拟南芥、水稻等多种生物基因组图谱已经完成，基因组计划中产生了一门新的学科生物信息学。三、国内知名分子遗传学研究机构及杂志（一）国家重点实验室：1、病毒基因工程国家重点实验室，所在地：北京，建设时间：1987年，依托单位：中国预防医学科学院病毒学研究所，实验室主任为侯云德院士，主要研究内容包括：（1）病毒相关新型细胞因子基因工程; （2）新型病毒疫苗与抗体工程；（3）我国重要病毒的结构与功能；（4）病毒等微生物的基因组工程; （5）新型病毒载体与病毒基因元件的研究；（6）病毒及其受体的单核苷酸多样性和病毒芯片。2、蛋白质工程和植物基因工程国家重点实验室，北京， 1987年，北京大学，实验室主任：朱玉贤，实验室开展大分子结构与功能关系、分子生物学及基因表达调控的基础理论研究和应用基础研究。联合建立了北京大学耶鲁大学植物分子遗传学及农业生物技术联合研究中心和北京大学香港中文大学植物基因工程联合实验室。率先在国家863计划支持下，开展了生物信息学研究并成为EMBNet 上的中国国家节点，成立了国内第一个生物信息学研究中心，建立国内领先、国际先进的公开数据库。3、分子生物学国家重点实验室，上海，1984，中科院生物化学与细胞生物学研究所，实验室现任主任为金由辛，主要学术方向和研究内容是：（1）RNA及其与蛋白质的相互作用（包括抑癌核酸、氨基酰tRNA合成酶及其与RNA的相互作用、RNA的结构与功能研究）；（2）基因的表达与调控（包括形态发生相关基因的表达调控、诱导脂肪细胞分化的信号转导和基因表达调控、胆固醇代谢平衡相关基因的表达调控与功能作用研究）；（3）染色体和功能基因组（包括端粒和端粒酶、DNA甲基化和外遗传学、疾病基因组、肝癌相关基因的功能研究）。4、分子肿瘤学国家重点实验室，北京，1987，中国医学科学院肿瘤研究所，现由詹启敏教授担任实验室主任，实验室目前设有以下7个研究课题组： （1）癌变基因组学课题组；（2）癌症预警学遗传分子基础课题组；（3）癌变分子机理课题组；（4）基因治疗课题组；（5）肝癌发生机制课题组；（6）免疫治疗预防课题组；（7）基因组稳定性与肿瘤研究课题组。5、农业生物技术国家重点实验室，北京，1987，中国农业大学，现任实验室主任为于嘉林教授。实验室的基本研究方向是以重要农作物、家畜、家禽和农业微生物为对象，在植物基因工程、动物基因工程、微生物基因工程、动植物分子遗传和植物分子病毒学等生物技术应用基础研究中，开展动植物优质、高产、抗逆性状相关基因的分离和在作物、家畜（禽）改良中的应用；重要农业动物的功能基因组学；利用动物乳腺生物反应器生产高附加值蛋白质；以及微生物次生代谢产物的研制等多项研究。6、遗传工程国家重点实验室，上海，1984，复旦大学，现任实验室主任为余龙教授(兼任中国遗传学会，基因组学分会副主任)，现任学术委员会主任为赵寿元教授（兼任第十八届国际遗传学联合会主席，中国遗传学会理事长），谈家桢院士和施履吉院士任学术委员会顾问。主要科研方向为：（1）基因组功能研究；（2）遗传工程的基础与开发应用研究。研究领域涉及人类遗传学、医学遗传学、遗传工程学、群体和进化遗传学。7、植物分子遗传国家重点实验室，上海，1986，中国科学院上海植物生理生态研究所，现任实验室主任为陈晓亚研究员，学术委员会主任为许智宏院士。（ 1 ）植物功能基因组学研究： 利用功能基因组学研究平台，围绕水稻、拟南芥等模式植物以及大豆、棉花、蔬菜等重要农作物，开展突变群体的构建与分析、植物基因表达调控机理的研究；建立并加强相关研究的技术平台建设，完善相关的研究体系。力争在水稻等植物突变体库建立、 cDNA 芯片与转录谱分析以及重要功能和调控网络的研究方面取得突破性进展。（ 2 ）植物重要生物学功能基因的分离、分析与遗传控制 ：利用分子遗传学手段，针对植物重要生物学现象和生理功能，深入开展激素作用机理 、花和重要营养器官的分化与发育、代谢调控、植物对环境的适应及信号转导机理等方面的研究。 （ 3 ）植物生物技术和基因工程：利用植物基因工程手段，重点进行植物细胞遗传操作、农作物品质等农艺性状改良基因工程及植物生物反应器的研制。 8、植物基因组学国家重点实验室，北京，2003，中国科学院遗传所 微生物研究所，实验室现任主任为方荣祥院士，学术委员会主任为朱立煌研究员。主要研究内容为：（1）植物基因组序列分析和结构研究；(2) 植物的功能基因组学研究，包括大规模突变体库的构建和应用、水稻重要农艺性状的分子基础、植物耐逆性研究、棉花纤维品质改良的基因工程、重要病原微生物的功能基因组学研究等等；（3） 比较基因组学和生物信息学研究；（4）蛋白组学研究；（5）植物遗传工程。9、作物遗传改良国家重点实验室，武汉，1992，华中农业大学，现任实验室主任为张启发教授，学术委员会主任为傅廷栋教授。主要分为以下几个方向的研究：基因图谱（分子标记技术与遗传作图）、重要基因的克隆、功能基因组学、雄性不育与杂种优势、种质资源发掘与创新、作物改良的新途径和新方法、新品种选育。10、医学遗传学国家重点实验室，长沙，1989，中南大学湘雅医学院，现任实验室主任为邓汉湘教授，学术委员会主任为中国工程院院士夏家辉教授。目前研究内容主要包括4个方面，即：（1）人类遗传病的家系收集及相关数据库建立；（2）人类重要遗传病的致病基因定位、克隆及功能分析；（3）基因治疗新载体和基因工程产品的研究；（4）人体干细胞的分离及其定向分化研究。（二）权威期刊l 中国科学（C辑）l 科学通报l 遗传学报l 遗传l 植物学报l 生物化学与分子生物学报l CELLTitle:Cell.ISSN:0092-8674 (Print)Title Abbreviation:CellISO Abbreviation:CellPublication Start Year:1974Publisher:Cell PressLanguage:EnglishCountry:United StatesSubject Term(s):CytologyNLM ID:0413066l NATURE GENETICSTitle:Nature genetics.ISSN:1061-4036 (Print)1546-1718 (Electronic)Title Abbreviation:Nat GenetISO Abbreviation:Nat. Genet.Publication Start Year:1992Publisher:Nature Pub. Co.,Language:EnglishCountry:United StatesSubject Term(s):Genetics, MedicalNLM ID:9216904l NATURETitle:Nature.ISSN:0028-0836 (Print)1476-4687 (Electronic)Title Abbreviation:NatureISO Abbreviation:NaturePublication Start Year:1869Publisher:Nature Publishing GroupLanguage:EnglishCountry:EnglandSubject Term(s):ScienceNLM ID:0410462l SCIENCETitle:Science.ISSN:0036-8075 (Print)1095-9203 (Electronic)Title Abbreviation:ScienceISO Abbreviation:SciencePublication Start Year:1883Publisher:American Association for the Advancement of ScienceContinuation Notes:Absorbed the Scientific monthly in Jan. 1958. Has annual suppl., 1964-85: Guide to scientific instruments; later issued with title, 1986-91: Guide to biotechnology products and instruments, or, 1992-93: Guide to scientific products, instruments, and services as part 2 of an issue of Science. Language:EnglishCountry:United StatesSubject Term(s):ScienceNLM ID:0404511l GENES & DEVELOPMENTTitle:Genes & development.ISSN:0890-9369 (Print)Title Abbreviation:Genes DevISO Abbreviation:Genes Dev.Publication Start Year:1987Publisher:Cold Spring Harbor Laboratory Press,Language:EnglishCountry:United StatesSubject Term(s):Molecular BiologyNLM ID:8711660l PNASTitle:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.ISSN:0027-8424 (Print)1091-6490 (Electronic)Title Abbreviation:Proc Natl Acad Sci U S AISO Abbrev