遗传,基因,基因组及相关技术应用

1、基因、基因组与遗传基因、基因组与遗传赵志光赵志光 兰州大学生命科学学院兰州大学生命科学学院遗传遗传现象现象 heredityheredity突变突变现象现象 mutationmutation组成生命体的化学物质糖类（单糖、多糖）氨基酸、蛋白质无机物（矿物质）核酸其他有机物（维生素、色素等）有机物遗传由什么物质决定？遗传由什么物质决定？（基因是由什么物质组成的？）（基因是由什么物质组成的？）第一部分第一部分基因和基因组基因和基因组肺炎球菌肺炎球菌实验体系实验体系 19281928年，英国年，英国 Frederick Griffith Frederick Griffith S型肺炎球菌：有荚膜，菌

2、落表面光滑，致病，肺炎R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙，不致病l结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌l这种生物分子或遗传物质是什么呢？纽约洛克非勒大学研究所，纽约 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年 结论：DNA是生命的遗传物质Oswald AveryOswald AveryAlfred Hershey1908 19971965年获诺贝尔奖（研究病毒的复制和基因结构）Ma

3、rtha Chase 1928 2003噬菌体实验体系噬菌体实验体系 1952年，Hershey 和 Chase，病毒（噬菌体）放射性同位素35S标记病毒的蛋白质外壳，32P标记病毒的DNA内核，感染细菌。新复制的病毒，检测到了32P标记的DNA，没有检测到35S标记的蛋白质，DNA在病毒和生物体复制或繁殖中的关键作用。DNADNA如何能稳定地传递遗传信息？如何能稳定地传递遗传信息？（DNADNA的结构特点和半保留复制）的结构特点和半保留复制）Francis Harry Compton Crick 19162004用“中心法则”阐述遗传信息的传递James D. Watson1928-1962

4、1962年诺贝尔奖年诺贝尔奖（发现（发现DNADNA的结构及其在生命中的传递规律）的结构及其在生命中的传递规律）DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现1953年4月8日，卡文迪许实验室（ Cavendish Laboratory ）主管Lawrence Bragg在比利时的一个蛋白质会议上宣布了Watson 和Crick推导出DNA的双螺旋结构，但是新闻界没做任何报导。1953年4月25日，Watson 和Crick将其研究结果发布在Nature上1953年5月14日，Bragg在伦敦Guys Hospital Medical School再次报告了此事， news chronicle （新闻

5、纪事报）的Ritchie Calder写了一篇 “Why You Are You. Nearer Secret of Life.“ 报导了此事。第二天纽约时报也报导了此事。DNA结构的阐明被一些学者称为20世纪最伟大的发现。DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的。DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。DNA双螺旋结构的生物学意义：精确复制1958，Meselson和Stahl 大肠杆菌 15NH4CI为唯一氮源的培养液中生长若干代被15N标记的大肠杆菌转入14NH4CI为唯一

6、氮源的培养液中完成第一代和第二代繁殖时，分离DNA，密度梯度超速离心被15N标记的亲代双链DNA（记作15N/15N）密度大，在下部；14N/14N密度小，在上部；15N/14N在15N/15N和14N/14N之间DNADNA合成（复制）的合成（复制）的同位素示踪实验同位素示踪实验实验发现：被15N标记的亲代DNA离心后只有一条带，位于离心管下部；繁殖后第一代大肠杆菌的DNA离心后也只有一条带，分布于离心管中部；繁殖后的第二代大肠杆菌DNA离心后出现两条带，一条分布于离心管中部，另一条分布于离心管上部，证明新合成的DNA分子的两条多核苷酸链中有一条来自亲代DNA，一条则是新合成的。DNA的复制

7、是以亲代的一条DNA为模板，按照碱基互补的原则，合成另一条具有互补碱基的新链，因此，细胞中DNA 的复制被称为半保留复制Franklin William Stahl (1929-)Matthew Stanley Meselson (1930-)DNA的复制发生在细胞周期的S期，在解旋酶的作用下，首先双螺旋的DNA可以同时在许多DNA复制的起始位点局部解螺旋并拆开为两条单链，如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为复制叉。DNADNA的复制的复制总是由总是由5 5 向向3 3 方向方向进行进行DNADNA的半保留复制保证了所有的的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同的遗传信体细胞

8、都携带相同的遗传信息，并可以将遗传信息稳定息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代。地传递给下一代。基因结构和选择性表达基因结构和选择性表达（遗传信息的转录）（遗传信息的转录）核酸脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）rRNA（双链）（单链）tRNAsnRNAmRNAmiRNA转录：转录：DNA上的遗传信息按照碱基互补原则传递到信使RNA上的过程转录从哪里开始？到哪里结束？谁被转录？转录从哪里开始？到哪里结束？谁被转录？被谁转录？怎么转录？被谁转录？怎么转录？真核生物基因的一般结构启动子：决定基因何时、何地、如何表达内含子：表达成蛋白之前被剪切掉，一个基因可以有0个或多个内含子外显子：决定基因

9、表达成什么样的蛋白质DNARNA53启动子外显子5UTR3UTR外显子5UTR3UTR转录内含子启动子外显子转录起始点内含子5UTR3UTR从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质（遗传密码的破译）（遗传密码的破译）遗传信息是如何储藏在4种核苷酸中的？如何破译遗传密码？遗传密码的破译数学家、物理学家逻辑运算或推导分子生物学家？1955年 纽约大学 Grunberg-Manago 将核苷酸连接起来的酶 形成RNA聚合体 A连接成多聚A（polyA，A-A-A-A-A-A-A） polyC polyG polyU polyAU 问题：什么样的核苷酸组合可以被翻译成多肽片段？1960年 Matthei

10、31岁 德国人 美国国家健康研究所 老板 33岁的Nirenberg 试管中合成多肽 将ATP和游离的氨基酸加入到从细胞中提取的核糖体、核酸和酶的混合物中 问题：哪一种RNA可促进多肽的合成？对RNA高度敏感及时检测多肽合成的试管实验系统 在试管中加入了ATP、游离的氨基酸、酶和核糖体及核糖体RNA没有蛋白质的合成 问题：需要其他带有遗传信息的RNA？列出200多种RNA，烟草花叶病毒RNA 神秘的蛋白质 Marianne Grunberg-Manago方法人工合成RNA加入不同的酶、核糖体、ATP、氨基酸 加入poly U、poly A、poly AU poly U产生了许多蛋白质 问题：

11、poly U主要利用了哪些氨基酸呢？ 不同的氨基酸分别加入到poly U试管系统中 5天通宵达旦 星期六早晨，熬红了眼的Matthei得到了答案：poly U合成的肽链全部是苯丙氨酸（Phe）世界上破译第一个遗传密码的人问题：几个U决定一个苯丙氨酸的合成？Nirenberg 莫斯科 第五届国际生物化学大会不善于推销自己 小组会上 Meselson认为非同小可 Francis Crick 全体大会上重新做学术报告 问题：几个U决定一个苯丙氨酸的合成？Nirenberg全力组织其他遗传密码的破译 Matthei回德国 Nirenberg发现并定义了3个核苷酸为一个密码子 决定一个氨基酸的翻译Kho

12、rana 按需要连接任意核苷酸 ACACACACACACAC thr-his-thr-his链ACA苏氨酸的密码子CAC组氨酸的密码子1966年，Nirenberg和Khorana 全部遗传密码字典 64个密码子 61个负责20种氨基酸翻译， 3个无义密码子Nirenberg 和 Khorana 1968年 诺贝尔奖tRNAtRNA的作用的作用蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程细胞中蛋白质的合成是一个严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为mRNA的翻译。mRNA的翻译需要有mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与。翻译过程(即多肽链的合成)

13、包括起始、多肽链延长和翻译终止3个基本阶段。 是是一种不同于细菌、病毒或类病毒的在分类上一种不同于细菌、病毒或类病毒的在分类上尚示定论的病原因子。尚示定论的病原因子。其本质为由正常宿主细胞基其本质为由正常宿主细胞基因编码的、构象异常的蛋白质因编码的、构象异常的蛋白质，称为朊蛋白，称为朊蛋白( (prion prion protein, PrPprotein, PrP) )，目前尚未检出任何核酸成分，是目前尚未检出任何核酸成分，是人和动物的传染性海绵状脑病人和动物的传染性海绵状脑病( (transmissible transmissible spongiform encephalopathies

14、,TSEsspongiform encephalopathies,TSEs) )的病原体。的病原体。朊毒朊毒体体 ( (prion)prion)/ /传染性蛋白粒子传染性蛋白粒子/ /朊粒朊粒/ /朊病毒：朊病毒： prion prion 是是一种不含核酸和脂类的疏水性糖蛋白，一种不含核酸和脂类的疏水性糖蛋白，分子量为分子量为2727303010103 3，因此又称为，因此又称为PrP27PrP273030。 两种不同的分子构型两种不同的分子构型：细胞朊病毒蛋白细胞朊病毒蛋白( (cellular PrP, PrPcellular PrP, PrPC C) )：三维结构具三维结构具有有42%4

15、2%的的-螺旋，螺旋，3%3%的的折叠。存在于正常组织及感折叠。存在于正常组织及感染动物的组织中，是正常基因的产物，通常情况下是染动物的组织中，是正常基因的产物，通常情况下是无害的无害的。对蛋白酶对蛋白酶K K敏感。敏感。羊痒疫朊病毒蛋白羊痒疫朊病毒蛋白( (scrapie prion protein , PrPscrapie prion protein , PrPSCSC) )：-螺旋占螺旋占30%30%，折叠高达折叠高达43%43%，仅存在于感染动物的，仅存在于感染动物的组织中，与致病和传染有关。对蛋白酶组织中，与致病和传染有关。对蛋白酶K K有抗性有抗性。 人类人类PrPPrPC C基因

16、基因：位于第：位于第2020号染色体的短臂上，有一个号染色体的短臂上，有一个内含子和一个外显子，含单一的读码框内含子和一个外显子，含单一的读码框。 PrPPrP基因变异基因变异（多为重复片段的插入或点突变可导致传染（多为重复片段的插入或点突变可导致传染性海绵状脑病。性海绵状脑病。） PrPPrP的增殖机制，目前尚不清楚的增殖机制，目前尚不清楚疯牛病疯牛病 Mad Cow Disease/牛海绵状脑病牛海绵状脑病Kuru库鲁病库鲁病:仅发生在巴布新几内亚东部高地的土著仅发生在巴布新几内亚东部高地的土著人中的一种进行性小脑退行性疾病。本病以寒战样震人中的一种进行性小脑退行性疾病。本病以寒战样震颠为

17、突出的临床表现而得名。潜伏期漫长颠为突出的临床表现而得名。潜伏期漫长(4(43030年年),),发病大多在发病大多在6 69 9个月内死亡。以小脑共济失调为主要个月内死亡。以小脑共济失调为主要临床特征，患者早期出现发抖、震颤、发音困难、舞临床特征，患者早期出现发抖、震颤、发音困难、舞蹈症及肌阵挛等。晚期发展为痴呆，肢体完全瘫痪，蹈症及肌阵挛等。晚期发展为痴呆，肢体完全瘫痪，最终因吞咽困难、衰竭、感染而死亡。最终因吞咽困难、衰竭、感染而死亡。克克- -雅病雅病( (Creutzfeld-Jakob disease,CJD):Creutzfeld-Jakob disease,CJD): 人人的传染

18、性海绵状脑病。散发性的传染性海绵状脑病。散发性患者病因不明，家族性患者病因不明，家族性CJDCJD患者的患者的prion prion 基因基因常发生变异。医源性因素主要与常发生变异。医源性因素主要与医疗器械消毒不严、脑深部电极、角膜移植、器官移植或注射从尸体脑垂体提医疗器械消毒不严、脑深部电极、角膜移植、器官移植或注射从尸体脑垂体提取的生长激素、促性腺激素等因素有关。我国也有报道。取的生长激素、促性腺激素等因素有关。我国也有报道。潜伏期潜伏期1515个月个月-40-40年。典型的临床表现为迅速进展的痴呆，肌阵挛，皮质盲，年。典型的临床表现为迅速进展的痴呆，肌阵挛，皮质盲，小脑共济失调，运动性失

19、语，并迅速发展为半瘫、癫痫甚至昏迷，病人最终死小脑共济失调，运动性失语，并迅速发展为半瘫、癫痫甚至昏迷，病人最终死于感染或自主神经功能衰竭，约于感染或自主神经功能衰竭，约90%90%的患者于的患者于1 1年内死亡。病理特征与库鲁病相年内死亡。病理特征与库鲁病相似，以神经细胞变性、减少或消失，空泡形成，海绵状改变及出出淀粉样斑块似，以神经细胞变性、减少或消失，空泡形成，海绵状改变及出出淀粉样斑块为主。其中海绵状空泡化被认为是为主。其中海绵状空泡化被认为是CJDCJD的特征病理诊断依据的特征病理诊断依据。 克克- -雅病变种雅病变种( (variant CJD,v-CJDvariant CJD,v

20、-CJD) )：一种新型的人类传染性海绵状脑病，一种新型的人类传染性海绵状脑病，19961996年年由英国由英国CJDCJD监测中心首次报导。本病与典型的监测中心首次报导。本病与典型的CJDCJD在好发年龄、临床特征、脑电图在好发年龄、临床特征、脑电图和病理等方面有明显变化，因此被认为是新变种和病理等方面有明显变化，因此被认为是新变种( (new variant CJD,v-CJDnew variant CJD,v-CJD) )。进进一步的研究结果显示，从这些病例中提取的一步的研究结果显示，从这些病例中提取的PrPPrPSCSC与来源于与来源于BSEBSE的的PrPPrPSCSC的性质相同，的

21、性质相同，患者脑组织的病理变化与患者脑组织的病理变化与BSEBSE相似，从而表明相似，从而表明v-CJDv-CJD与疯牛病密切相关。现在普遍与疯牛病密切相关。现在普遍认为认为v-CJDv-CJD的来源可能是人食物链中含有疯牛病的致病因子所致，但确切的致病的来源可能是人食物链中含有疯牛病的致病因子所致，但确切的致病机制尚不清楚。机制尚不清楚。BSEBSE和和v-CJDv-CJD的出现已受到国际社会的广泛关注的出现已受到国际社会的广泛关注。 ScrapieScrapie羊瘙痒病羊瘙痒病: :在欧洲已流行了近在欧洲已流行了近300300年（第一个被发现年（第一个被发现的的TSETSE）, ,感染动物

22、表现为消瘦、步态不稳、脱毛、麻痹等，感染动物表现为消瘦、步态不稳、脱毛、麻痹等，因病羊由于瘙痒而常在围栏上摩擦身体而得名，病死率极高。因病羊由于瘙痒而常在围栏上摩擦身体而得名，病死率极高。DNA DNA RNA蛋白质遗传信息储存在核酸中；遗传信息由核酸流向蛋白质Francis Crick 19162004反转录反转录（逆转录（逆转录） 是是以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的的过程过程病毒病毒RNA RNARNA RNA：DNADNA中间体中间体逆转录酶逆转录酶RNARNA酶酶H H双股双股DNADNA整合酶整合酶整合到宿主细胞染色体整合到宿主细胞染色体转录、翻译子代病毒转录、翻

23、译子代病毒非活化形式长期潜伏非活化形式长期潜伏病毒复制病毒复制+ssRNA+ssRNA:-ssDNAssDNA:+ssDNA+ssRNA反 转 录HIV包膜糖蛋白刺突包膜糖蛋白刺突gp120gp120与宿主细胞特异受体结合与宿主细胞特异受体结合膜融合进入细胞质膜融合进入细胞质脱壳释出脱壳释出RNARNA2 2、反转录病毒的共同特性、反转录病毒的共同特性 有有包膜、球形，包膜、球形，80-120nm80-120nm。 基因组基因组为二条相同的为二条相同的 单单正链正链RNARNA二聚体。二聚体。 核心核心中有中有RNARNA依赖的反转录酶依赖的反转录酶 （具多聚酶和核酸内切酶功能）具多聚酶和核酸

24、内切酶功能） 复制复制特点：有独特的反转录过程，通过特点：有独特的反转录过程，通过DNADNA中间中间体，整合于细胞染色体体，整合于细胞染色体DNADNA。 有有gaggag、PolPol和和env3env3个结构基因及数量不等的调个结构基因及数量不等的调节基因。节基因。 病毒病毒有组织亲嗜性，以芽生方式释放有组织亲嗜性，以芽生方式释放共有两种型别共有两种型别 HTLV-I HTLV-IIHuman T-cell Lymphotropic Virus双脱氧末端终止和凝胶电泳法DNA测序技术的自动化改进：双脱氧末端终止和四色荧光标记基因 gene： 基因是生命有机体的遗传单位 基因是生命有机体中

25、编码蛋白质或功能RNA的一段核酸（DNA或RNA）序列基因组 genome：是一种生物整套遗传信息的总和这本书有23章（染色体）每一章有4800万-1亿5000万个字母（A/T/C/G）而且没有空格全书总共有约32亿个字母这本书装在只有针尖大小的细胞核内绝大多数情况下人体每个细胞至少装了一本这样的书，唯一的例外是血液中的红细胞，它们在发育过程中丢失了细胞核而没有基因组。部分生物基因组大小的比较物种类型物种类型物种名称物种名称基因组大小（基因组大小（bpbp数）数） 备注备注病毒噬菌体MS23,569第一个测序的RNA基因组病毒HIV（艾滋病毒）9,749病毒Mimi病毒1,181,404已知最

26、大的病毒基因组细菌流感嗜血杆菌1,830,000第一个完成基因组测序的生物（1995）变形虫无恒变形虫670,000,000,000最大的基因组（有争议）酵母酿酒酵母12,100,000第一个测序的真核生物（1996）植物日本马醉木150,000,000,000已知最大的植物基因组鱼非洲肺鱼130,000,000,000已知最大的脊椎动物基因组哺乳动物人3,200,000,000概况：是一项旨在确定人类DNA上所有碱基序列并鉴定和定位人类基因组上20,00025,000个基因的生理功能的国际性科学研究1989年由美国能源部生物与环境办公室长官Ari Patrinos提出。1998年美国Cele

27、ra公司也宣布开展独立的人类基因组计划研究人类基因组计划的主要工作由美国、英国、日本、法国、德国和中国等6国政府的大学和研究机构完成，概况：政府的人类基因组计划为1990-2005年完成。实际2000年完成人类基因组计划工作草图，2003年完成和发表了全部框架图。2006年最后一条染色体的测序工作完成。人类基因组计划的初始目标是定位人类基因组单倍体的参考基因组（约30亿个碱基），一些组织和公司已经着手进行二倍体基因组的研究任何个体的“基因组”都是独特的（同卵双胞胎和克隆个体除外），定位“人类基因组”包括对每个变异基因的测序。人类基因组计划不包括此类工作，约有8%的人类异染色体没有测序。启动阶段

28、：1998年初HGP 才完成约3，1998年一季度HGP 中一些科学家怀疑，原计划可能过于乐观。公私并进格局：1998.5.9 J.C. Venter 等宣布，组建商业公司，投入3亿美元，计划3年内完成。1998.6.5Venter 在 Science 上发表文章，论述人类基因测序新策略。他们计划装备新式测序仪230台，每天测序14 万个碱基。第一年即可完30亿个碱基的99%，第 2、3 年进行拼接和填补。1998.8 加州 Incyte 药物公司宣布投入2亿美元用于 HGP。其他公司也宣布开展HGP研究在公私竞争格局下的国际HGP研究：1998.10美 国国家人类基因组研究所宣布HGP 可

29、提 前 2 年, 即 在 2003年完 成 。1999.12 国 际 HGP 联 合 小 组 宣 布完 整地 破 第 22 对 染 色 体 的 遗 传 密 码。2000.6完成并公布人类基因组工作草图。（2000.4 塞 莱 拉 公 司 宣 布 完 成 一 名 志 者 的 完 整 遗 传 密 码。）2001 年2月16日人类基因组计划（HGP）完成同时发表两套报告（Science, Vol. 291, No. 5507，Nature , Vol.409, p.860）HGP带来的影响：推动医学和生物技术的飞跃发展 开拓新学科领域又有商机，又有知识产权问题对社会伦理的冲击谁是替身？第二部分第二部

30、分遗传的规律遗传的规律一些概念：性状：生物个体表现出来的可见或可测单一特征（如花色、人眼睛颜色、手指数目、个体大小等）表型：一个个体性状的总和遗传：生物将性状传递给子代的现象基因型：控制可遗传性状的整套基因（一个性状可能由多个基因控制）几千年以来，人类一直尝试着通过选育的方法培育出更为有用的植物或动物，但是19世纪中页以前，由于不了解动植物性状遗传的机理，这些选育方法都是凭经验进行，成功与否完全不可预知。遗传学研究的发展改变了这种状况。Gregor Mendel 1822-1884奥地利奥古斯丁修道院的修道士，1866年发表了他的研究成果，但直到1900年（孟德尔去世后16年）才引起注意。孟德

31、尔晚年成为奥古斯丁修道院院长，停止了他的研究活动。豌豆花经典遗传学经典遗传学（孟德尔遗传学）（孟德尔遗传学）豌豆单因子杂交实验与分离定律 7对差别鲜明的性状： 花的颜色：紫色/白色； 种子形状：圆形/皱缩； 种子颜色：黄色/绿色； 花着生位置：腋生/顶生； 豆荚形状：饱满/皱缩； 豆荚颜色：绿色/黄色； 植株高度：高/矮。Mendel遗传学第一定律：分离定律 Mendel最初实验是对具有单个相对性状的亲代杂交，所有杂交产生的F1代都只表现一个亲代的性状，F2代具有一定的比例。豌豆7组相对性状分别杂交实验结果Mendel按上述方法继续对7组相对性状分别进行杂交实验，统计了子二代植株显性与隐性性状

32、之间比例3：1规律 等位因子 纯合子/杂合子显性基因隐性基因 Mendel首创了测交实验方法，验证了其推断的正确性。 Mendel建立了遗传学第一定律，即“分离定律”： 一对基因在形成配子时完全按照原样分离到不同的配子中去，相互不发生影响。在分析了一对性状传递规律的基础上，Mendel进一步进行了两对相对性状杂交的遗传分析。他选择了这样两个亲本进行杂交：一个是双显性亲本：种子是圆形的，种子的颜色为黄色；一个是双隐性亲本：种子是皱缩的，种子的颜色为绿色。Mendel遗传学第二定律：自由组合定律测交实验结果：1：1：1：1“多对基因的独立分配和自由组合定律”：当两对或更多对基因处于异质接合状态时，

33、它们在形成配子时的分离是彼此独立不相牵连的，同时分配时相互间进行自由组合。人类皮肤色素的连续性变化Mendel遗传学定律不能代表所有遗传因子表现的性状及遗传规律多基因遗传数量性状遗传质量性状（qualitative traits/characters）：变异可以截然区分为几种明显不同的类型，一般用语言来描述数量性状（quantitative traits/characters）：指在一个群体内的各个体间表现为连续变异的性状，如动植物的高度或长度等数量性状是可以度量的数量性状呈连续性变异数量性状的表现容易受到环境的影响控制数量性状的遗传基础是多基因系统现代遗传学现代遗传学基因的连锁和交换规律n

34、20世纪初，美国著名的实验胚胎学家Morgan及其同事通过果蝇的杂交试验，确立了基因在染色体上的连锁和交换规律，被后人称为遗传学第三定律。基因交换导致基因重组 重组率染色体上各基因间的重组率与基因位点间的距离成正比三点测交法 遗传学图 Thomas Hunt MorganThomas Hunt Morgan(1866 1945) 遗传的遗传的基础基础细胞分裂与染色体的复制细胞分裂与染色体的复制n 细胞分裂的作用细胞分裂的作用 一些单细胞生物，如眼虫和变一些单细胞生物，如眼虫和变形虫，一次细胞分裂可形成两形虫，一次细胞分裂可形成两个新生物体。个新生物体。 多细胞生物，也是由一个细多细胞生物，也是

35、由一个细胞胞受精卵或合子经过多次受精卵或合子经过多次分裂和分化发育形成分裂和分化发育形成由受精卵或合子经过多次分裂和分化发育形由受精卵或合子经过多次分裂和分化发育形成多细胞囊胚成多细胞囊胚细菌裂殖时细菌裂殖时DNADNA的复制的复制 细胞分裂首先细胞内遗传物质细胞分裂首先细胞内遗传物质DNADNA要完成复制，要完成复制，再均等分为两份。再均等分为两份。 在原核生物中，如在细菌在原核生物中，如在细菌裂殖时，这种裂殖时，这种DNADNA的复制的复制和二分相对比较简单和二分相对比较简单 真核生物具有膜包被的细胞核，其内细长的双链真核生物具有膜包被的细胞核，其内细长的双链DNADNA、蛋白质及少量、蛋

36、白质及少量RNARNA结合形成的复合物称为结合形成的复合物称为染色染色质质，它是一种易被碱性染料着色的遗传物质。，它是一种易被碱性染料着色的遗传物质。真核细胞分裂的染色体真核细胞分裂的染色体 在细胞分裂时期，构成染色在细胞分裂时期，构成染色质的长链质的长链DNADNA分子经过紧密缠分子经过紧密缠绕、折叠、凝缩，并与蛋白绕、折叠、凝缩，并与蛋白质结合，形成质结合，形成染色体染色体。 染色体是真核细胞分裂时期，染色体是真核细胞分裂时期，在显微镜下可见的具有固定在显微镜下可见的具有固定形态的遗传物质存在形式。形态的遗传物质存在形式。 每一种生物染色体的数目都是恒定的。每一种生物染色体的数目都是恒定的

37、。 多数动物和植物的体细胞是二倍体多数动物和植物的体细胞是二倍体 亲本的每一个配子只带亲本的每一个配子只带有一组染色体，叫单倍有一组染色体，叫单倍体。单倍染色体组所含体。单倍染色体组所含有的全部遗传信息称为有的全部遗传信息称为基因组。基因组。 细胞有丝分裂时，复制细胞有丝分裂时，复制后形成的两个染色单体后形成的两个染色单体分开，分配到两个新的分开，分配到两个新的子细胞中子细胞中 有分裂能力的细胞，从一次分裂结束到下一次分裂有分裂能力的细胞，从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的一个完整过程称为一个结束所经历的一个完整过程称为一个细胞周期细胞周期n 有丝分裂与细胞周期有丝分裂与细胞周期 典型的细

38、胞周期可包括典型的细胞周期可包括间期间期和和细胞分裂期细胞分裂期两部分。两部分。 间期包括一个（间期包括一个（DNADNA）合成期（）合成期（S S期）及期）及S S期前后两期前后两个间隙期（个间隙期（G G1 1期，期，G G2 2期）。期）。 细胞分裂期则包括有丝分细胞分裂期则包括有丝分裂和胞质分裂两个主要过裂和胞质分裂两个主要过程。程。 有丝分裂是一个连续的有丝分裂是一个连续的过程，根据染色体形态过程，根据染色体形态的变化特征可分为前期、的变化特征可分为前期、中期、后期和末期。中期、后期和末期。n 有丝分裂与细胞周期有丝分裂与细胞周期 特点：在间期每个染色特点：在间期每个染色体复制成两条

39、相同的染体复制成两条相同的染色单体，在分裂时有规色单体，在分裂时有规律地分配到两个子细胞律地分配到两个子细胞核中。核中。n 减数分裂与配子形成减数分裂与配子形成 在动物和植物中，雌配子是一个卵细胞，在动物和植物中，雌配子是一个卵细胞，雄配子雄配子是是一个精子细胞（高等植物中称为精核）。雌雄配子一个精子细胞（高等植物中称为精核）。雌雄配子相互融合形成受精卵或称相互融合形成受精卵或称合子合子。合子通常为。合子通常为二倍体二倍体（2 2n n），而配子则为），而配子则为单倍体单倍体( (n n) )。n 减数分裂与配子形成减数分裂与配子形成 由二倍体细胞形成单倍体细胞需要在细胞分裂过程由二倍体细胞形

40、成单倍体细胞需要在细胞分裂过程中染色体数目减半，伴随着染色体数目减半的细胞中染色体数目减半，伴随着染色体数目减半的细胞分裂称为分裂称为减数分裂减数分裂。遗传的染色体学说l 遗传因子及其独立分离与自由组合特性与染色体的行为特性有平行性：基因与染色体的平行关系基因定位在染色体上 染色体和基因成对存在； 形成配子时每对染色体每对基因分离； 在配子中，只有每对染色体一个染色单体，也只有每对等位基因中一个基因。性染色体和伴性遗传 与性别相关的特殊形态的一对同源染色体称为性染色体 4种性染色体类型 人的体细胞中有23对染色体性连锁基因伴性遗传X连锁遗传遗传病果蝇复眼颜色的遗传与性连锁基因定位第三部分第三部

41、分现代生物技术简介现代生物技术简介基因克隆基因重组转基因基因克隆（PCR技术及其应用）启动子：决定基因何时、何地、如何表达内含子：表达成蛋白之前被剪切掉，一个基因可以有0个或多个内含子外显子：决定基因表达成什么样的蛋白质DNARNA53启动子外显子5UTR3UTR外显子5UTR3UTR转录内含子克隆：无性繁殖生物分子的复制少量、不可见、不可测定大量、可测定（或可见） PCR（Polymerase Chain Reaction）聚合酶链式反应PCR是一种体外酶促合成特定DNA片断的技术，是根据人类的需要对复杂生命过程的一种简单化的模拟。PCR技术的原理是DNA半保留复制。历史历史1960s-19

42、70s：基因的体外分离技术。Khorana（1971）：美国MIT教授、1968年诺贝尔医学奖得主 “经过DNA变性，与合适引物杂交，用DNA聚合酶延伸引物，并不断重复该过程便可克隆tRNA基因”。核酸体外扩增最早设想遗忘: 当时很难进行测序和合成寡核苷酸引物； 当时(1970)Smith等发现了内切酶，体外克隆基因成为可能Kary Mullis(1985)Kary Mullis(1985)发明过程 Mullis 在“偶然想出的聚合酶链反应”一文中写到: “这种简单得令人惊奇，可以无限量地拷贝DNA片段的方法是在不可想象的情况下，即驾车行驶在月色下的加利福尼亚山间公路上时想出来的”。专利官司专

43、利官司1987年美国专利局专利授权1989年，DuPont异议，大小公司对簿公堂，将决定谁将获得诺贝尔奖。DuPont理由是，1971年PCR的雏形已由Khorana一系列文章阐明，并公布于众，应当是公共产权。斯坦福大学Kornberg（研究DNA聚合酶获诺贝尔奖）也认为，任何具备生物技术知识的人都可以从Khorana等的文章中推知如何操作PCR。美国专利局驳回DuPont异议，地方法院判属CetusCetus获胜后马上反诉，指出DuPont已侵犯另一项与PCR有关的专利并要求对方赔偿以及不再销售与PCR有关试剂和仪器PCRPCR发展速度发展速度惊人，没有一种技术能与之相比引用论文最多、应用范

44、围十分广泛1993年度诺贝尔化学奖：Mullis，与开创了“寡核苷酸基因定点诱变”加拿大籍英国科学家Michael Smith共获 DENATURATION 93C - 95C 退火 37C - 72C延伸反应 72C25-35 循环变性 93C - 95C 最后延伸体外DNA复制原理Klenow Klenow 酶酶早期采用该酶不耐热，缺点有温度要求低(37)，受热即失活；产物特异性不高；积累大量的失活残酶，使反应产物纯度大大降低；扩增的最长序列约400bp（Taq酶则能扩增10kb）分离:1969年，美国黄石国家公园温泉分子量:94KDa活性：在几种水生栖热菌中活性最高，200 000U/m

45、g离子需要：对Mg2+、单价离子性质和浓度较 敏感。最适浓度为50mmol/L。忠实性:没有校正单核苷酸错配功能-致命弱点。一般出错率为210-4核苷酸/每轮循环，利用PCR克隆、测序时尤应注意。抑制剂:尿素、乙醇、DMSO、DMF、甲酰胺、SDS及许多其他化学药剂。内源DNA:不同来源的酶可能由于制备过程中残留的原细菌DNA或PCR产物的污染而含有不明来源的DNA。在使用扩增保守序列的通用引物时，会在无模板对照管出现扩增带。保存:在-20至少6个月。地中海贫血的基因诊断血友病苯丙酮尿症肝炎性病肿瘤个人识别、亲子鉴定1985年，英国遗传学家Jeffreys采用DNA指纹图谱进行个人识别和亲子鉴

46、定。有时犯罪物证量很少，不足以用来进行DNA指纹分析，PCR有效解决这些问题。对于犯罪现场中遗留的少量生物物证，如一根毛发、一滴血等都可用于分析，在法医学上认证罪犯、亲子鉴定以及人的性别鉴定中PCR技术被普遍采用。构建遗传图谱、分离目的基因、 基因定位分子标记辅助育种了解不同品种间的亲缘关系、系统进化畜禽病诊断:猪伪狂犬病毒、猪口蹄疫病毒、猪瘟病毒、牛白血病毒、牛病毒、性腹泻病毒、免疫缺陷病毒等检测性别鉴定：牛、绵羊Y染色体上特异 DNA片段构建基因图谱检测基因整合与表达：转基因鱼杀虫病原微生物的基因型鉴定植物病原微生物分类 形态学上相似性和潜在的血清学交互反应，用常规方法难以区分，采用反转录

47、PCR（RT-PCR）可准确快速区分考古学植物分类学群体生态学基因重组子曰：“工欲善其事，工欲善其事，必先利其器必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。限制性核酸内切酶核酸连接酶Ctrl Ctrl + + X XCtrl Ctrl + + V V限制性核酸内切酶：（限制酶）能在专一性位点切割单链或双链DNA的酶，来源于细菌或古生菌，具有抵抗外来核酸物质的入侵的作用。酶名称酶名称来来 源源识别位点识别位点EcoREcoR-N-C-T-T-A-AG-N-55N-GA-A-T-T-C-N-BamHBacillus amyloliquefaciensH-N-C-C-T-A-GG-N-55N-GG-A-T-C-C-N-HindHemophilus influ