生命科学与健康-第03章-遗传课件

1、遗传（heredity or inherritance）和变异（variation）是生物体最本质的属性之一。遗传性是指生物的亲代传递给子代一套遗传信息的特性。遗传型是指生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。如AA，Aa，aa。表现型是指具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。如豌豆的花色为紫色和白色。第三章 生命的延续遗传 第一节 孟德尔遗传学说 孟德尔豌豆杂交试验 基因独立分配定律两对相对性状的遗传种子形状：圆和皱，种皮颜色：黄和绿独立分配定律杂种中不同的等位基因，在形成配子时，其分离是彼此独立的，它们可以进行自由组合。独立分配定律的

2、验证遗传连锁现象测交实验双隐性纯合子用雌性遗传交换现象连锁与交换遗传定律当处于同一染色体上邻近位置的不同基因表现出相伴随而遗传的现象，称作基因的连锁（linkage） ；同源染色体上一对等位基因发生相互交换的现象称作基因的交换（crossing over）。 性染色体和伴性遗传 常染色体性染色体 XY ZW Z0伴性遗传是指性染色体上的基因所表现的特殊遗传现象。伴性遗传举例 染色体畸变与遗传变异 染色体畸变是指染色体结构和染色体数量发生了变化，从而导致生物个体发生了遗传变异的现象。染色体结构变异缺失所谓染色体的缺失是指一条染色体断裂而失去一段，在联会时，同源染色体就可能出现环状折叠的现象。倒位

3、所谓染色体的倒位是指一条染色体的断裂片段，位置倒过来后再接 上去的现象。易位所谓染色体的易位是指染色体的断裂片段连接到非同源染色体上的现象。 染色体畸变与遗传变异 染色体数目变异染色体整倍性变异二倍体生物的每一正常配子（正常精子或正常卵子）的全部染色体，称作一个染色体组（chromosome set）。如果体细胞中染色体数目的变异是以染色体组为单位进行增减时，称作整倍体变异。一倍体变异指单倍体。很少发生，不育多倍体变异三个或三个以上的染色体组的变异染色体数目变异染色体非整倍性变异如果体细胞中染色体数目的变异结果不是整倍数，称作染色体数目非整倍体变异。缺体指丢失一对同源染色体的变异，2n-2单体

4、指丢失单条染色体，2n-1三体指增加单条染色体，2n+1四体指增加两条染色体，2n+2共显性（codominance）共显性是指一对等位基因（alleles），即同一座位上的不同形式的基因，彼此之间没有显隐性关系，杂合时，两种基因分别表达其基因产物，形成相应的表型的现象。镶嵌显性杂合子中，两个等位基因分别在生物个体身体的不同部位得到了表达的现象 。 非等位基因的相互作用互补作用如果只有在若干个等位基因同时存在时才能使个体的某个性状得到表现，这些非等位基因的相互作用称之为互补作用，这些非等位基因称作互补基因（complementary genes）。上位作用一对等位基因的作用受到另一对等位基因作

5、用的制约，并随后者的不同而不同，这一现象，称作上位效应（epistasis），则称后者为上位基因（epistatic gene）。抑制作用一个基因抑制其非等位基因的作用，使后者的作用不能显示出来的现象称作抑制作用，这个基因称为抑制基因（inhibiting gene） 。三 微效基因的累加作用 数量性状常常不是由一对等位基因所决定，而是由多对等位基因所决定，每对等位基因对该性状只有微小的贡献，称作微效基因（minor gene），数量性状是多个微效基因的效应累加的结果，这种现象称之为微效基因的累加作用。四 性状的多基因决定和基因的多效性 一个性状可以受多个基因影响的现象称作性状的多基因决定，一

6、个基因也可以影响多个性状，这种现象称作基因的多效性（pleiotropy）。第四节 细胞质遗传 细胞质遗传特点和表现 细胞质遗传的物质 细胞质基因与细胞核基因的关系 第五节 基因的本质 一. 遗传物质是DNA或RNA的实验证明 DNA作为主要遗传物质的间接证据DNA作为主要遗传物质的直接证据1944年，Avery 肺炎球菌转化实验1952年 ，Hershey 和Chase T2噬菌体感染细菌实验1956年 ，Fraenkel 和Conrat烟草花叶病病毒拆分重建实验 （tobacco mosaic virus，TMV）二 基因的化学本质 DNA和RNA都是核酸（nucleic acids）。

7、核酸是一种生物大分子，由核苷酸（nucleotide）组成。 每一核苷酸由三部分组成，一个是磷酸分子、一个是糖 分子、一个是碱基，碱基有两类，分别为嘌呤和嘧啶。 常见的嘌呤有两种：腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）；常 见的嘧啶也有两种：胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。 在DNA分子中，腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）是等量 的，鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）也是等量的。在细胞 中DNA分子是成对存在的，两条DNA分子链相互键以 氢键缔合，并呈双螺旋结构，这种氢键实质上是碱基之 间的氢键，即AT和GC，因此，在DNA分子中，A 和T等量，G和C等量。三. 基因的复制-半保留机制（semi-conservativ

8、e） DNA双螺旋结构在某些蛋白质的作用下解螺旋，两条链中间的碱基对分开，成为两条单链； 每一条单链上所暴露出来的碱基各自与一个游离于细胞核中的互补核苷酸碱基相连，即链上的A、G、T、C分别和游离的T、C、A、G相连。连接上去的各种核苷酸都是脱氧核苷三磷酸；在DNA聚合酶的催化作用下，这些新连接上去的核苷酸丢去2个磷酸，释放出能量，变为核苷一磷酸，并一一顺序连接而成一新链，它们释放出的能量用于这一多聚反应。新链与旧链再形成双螺旋结构。这样，一个双链的DNA就复制成各含一个旧链和一个新链的两个双链 DNA分子了。 中心法则 （central dogma） DNA分子储存遗传信息。DNA分子的遗传

9、信息可以由于自我复制而传给新一代的DNA分子，也可转录成mRNA，mRNA再将信息转译成蛋白质，这就是生物学的中心法则。这一法则表示遗传信息流是：DNARNA蛋白质的。五 遗传物质在细胞中存在的形式个体水平细胞水平、染色体水平分子水平：一个基因决定一个酶密码子水平核苷酸水平（碱基水平）六 基因表达调控 乳糖操纵子模型色氨酸操纵子模型真核基因的表达碱基替换（substitution）所谓的碱基替换是指一种碱基为另一种碱基所替换，从而使单个密码子发生了改变。转换一种嘌呤（或嘧啶）碱基转换为另一种嘌呤（或嘧啶）碱基颠换一种嘌呤（或嘧啶）碱基转变为一种嘧啶（或嘌呤）碱基第六节 基因突变 移码突变（fr

10、ameshift mutation）在DNA链的碱基序列中插入一个或几个碱基，或者失去一个或几个碱基，从而使全部密码都发生了变化。插入在DNA链中插入一个碱基或多个碱基丢失DNA链上丢失一个碱基或多个碱基一 基因突变的类型基因突变的类型多种多样，如果按突变体（mutant）表型特征的不同，可将突变分为以下几种类型：形态突变型生化突变型营养缺陷型抗性突变型抗药性抗紫外线抗噬菌体抗原突变型致死突变型条件致死突变型指在某一个条件 称限制性条件或非允许条件（non-permissive condition） 下呈现致死效应，而在另一条件下 即允许条件（ permissive condition ） 却

11、不表现致死效应的突变型。例如：温度敏感突变型（Ts mutant）。其他突变型二 基因突变的特点不对应性即突变的性状与引起突变的原因之间无直接的对应关系。自发性稀有性自发突变虽然可随时发生，但突变的频率较低和稳定，一般在10-610-9之间。突变频率，又称作突变率，一般是指每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，也有用每单位群体在繁殖一代过程中所形成突变体的数目来表示。例如，突变率为1*10-8，即为1*108个细胞群体分裂成2*108个细胞时，平均会形成一个突变体。独立性突变对细胞是独立的，对基因也是独立的。诱变性诱变剂可提高突变率，一般为10-105倍。稳定性由突变产生的新性状，是稳

12、定的、可遗传的。可逆性由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，称作正向突变（forward mutation）；相反的过程称作回复突变或回变（back mutation or reverse mutation ）。三 基因突变的自发性和不对应性的实验证明变量试验或波动或彷徨试验（fluctuation test）1943年，Luria and Delbrck根据统计学原理，设计如下实验：实验材料：肉汤培养集中对数期的大肠杆菌， 103/ml；甲乙两试管诱变因子：T1 噬菌体突变率指标：抗噬菌体实验过程：甲10ml取0.2ml分装50支试管保温24-36h分别倒在50个含T1的培养皿中50个培

13、养皿中抗噬菌体突变型菌落数差异极大乙10ml保温24-36h取0.2ml分别倒在50个含T1的培养皿中50个培养皿中抗噬菌体突变型菌落数基本相同结论：大肠杆菌抗噬菌体性状的突变，不是由于环境因素噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体之前，在某一次细胞分裂过程中随机自发产生的。影印试验（replica plating）1952年，Lederberg夫妇四 突变机制突变自发突变诱发突变染色体畸变缺失重复倒位易位点突变碱基置换转换颠换移码突变缺失 添加五 损伤基因的修复联合国呼吁暂停人类基因“编辑” 警惕定制婴儿（全文）/15/1008/15/B5DR6TGQ00094O5H_all.html#p1

14、参考消息网10月8日报道法新社报道称，一个由科学家、哲学家、律师和政府部长组成的联合国教科文组织委员会今天呼吁暂停对涉及人类种系的基因进行“编辑”，并对可能导致人种改良的遗传特性修改活动的风险提出了警告。联合国教科文组织下属的国际生物伦理学委员会（IBC）说，基因疗法可能成为“医学史上的一个分水岭”，而基因组编辑“无疑是最有希望造福全人类的科学事业之一”。但这些专家说，基因编辑需要“特别谨慎，而且引发了严重关切，尤其是人类基因组编辑是否应该应用于种系基因，从而导致影响子孙后代的遗传改良”。因此，正在巴黎举行会议的国际生物伦理学委员会呼吁暂停这项具体工作。该委员会说：“对人类基因组的干预应该只被

15、允许用于预防、诊断或治疗，不能进行任何影响后代的修改。”该委员会说，除非施加此类限制，否则就有可能“危及全人类与生俱来且平等的尊严，令人种改良死灰复燃”。这些专家警告说，科学的迅猛发展使得出现所谓“定制婴儿”的可能性变得越来越大，这意味着必须就此进行更加广泛的公众讨论。一种名为CRISPR-Cas9的基因组“编辑”新技术使得科学家能够更加简单有效地插入、移除和纠正DNA，为治疗某些疾病带来希望，比如镰状细胞病、囊性纤维变性以及一些癌症都可能得到治疗甚至治愈。CRISPR-Cas9技术由美国化学教授珍妮弗道德纳和法国人埃玛纽埃勒沙尔庞捷发明。两人是将于7日公布的诺贝尔化学奖得主的热门人选。过去3

16、年，CRISPR基因编辑技术成为生命科学领域的最热门研究，因为利用这种简单的手段，科学家可以方便地对感兴趣的基因进行编辑，使基因编辑从过去高大上的尖端技术变成科学家的常用武器，也给人类基因疾病的治疗带来希望。利用这种技术，科学家已经先后成功对多种细胞，包括人类胚胎细胞进行了基因编辑。由于这种技术的简单方便，一些业余的生命科学研究爱好者都开始使用这种技术进行基因改造。几乎所有人都认为，CRISPR基因编辑技术是最有希望问鼎诺贝尔化学奖的研究。不过作为一种新技术，仍然存在一些缺陷和不足，也就是说仍然有改进的潜力。美国著名华裔科学家MIT张锋教授团队是该领域的领先小组之一，最近发表论文提供了一种更好

17、的CRISPR基因编辑工具，他们根据生物进化理论，在细菌蛋白库中寻找更理想的DNA切割酶，获得了成功，使该技术超更简单、更便宜、更快、更准等方向上迈进一大步。CRISPR是生命进化历史上，细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器，简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌，利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，进化出CRISPR系统，利用这个系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除，这是细菌特有的免疫系统。微生物学家10年前就掌握了细菌拥有多种切除外来病毒基因的免疫功能，其中比较典型的模式是依靠一个复合物，该复合物能在一段RNA指导下，定向寻找目标DNA序

18、列，然后将该序列进行切除。许多细菌免疫复合物都相对复杂，其中科学家掌握了对一种蛋白Cas9的操作技术，并先后对多种目标细胞DNA进行切除。这种技术被称为CRISPR/Cas9基因编辑系统，迅速称为生命科学最热门的技术。从事这一技术开发的团队则一直关注如何进一步改进该技术。张峰团队在这一竞赛中率先取得了成功。张锋是MIT的分子生物学家，他们对数百个候选来自细菌的蛋白酶进行筛选，结果发现其中一个许多细菌对抗病毒感染的蛋白CPF1，具有编辑DNA的能力。利用新建立的基因编辑系统，张锋小组成功对人类细胞进行编辑。该研究上周在细胞杂志发表了该研究论文。与过去的CRISPRCas9基因编辑系统相比，新的张

19、锋版CRISPRCPF1基因编辑系统拥有五大优势。第一，只需一个协助RNA分子。Cas9系统需要2个RNA分子协助，Cpf1只需要一个RNA分子。第二、Cpf1酶分子量比Cas9小，进入细胞更容易，编辑成功率会提高。第三，Cpf1系统不同的识别序列令其基因编辑效果更好。第四，剪切位置与Cas9不同，选择余地更大。第五，产生黏性末端，便于新DNA序列插入。总之，张锋小组新建立的Cpf1基因编辑系统，使这一技术变的更容易操作，编辑效果更好。生物黑客进军基因编辑领域/15/0828/08/B23GGMVK00094O5H.html#from=relevant#xwwzy_35_bottomnewsk

20、wd生物黑客，又称生物崩客（biohack），自己动手的生物学家，车库生物学家（garage biologist）等，是为了防止出现技术被少数专业人士所掌握而形成的垄断操纵而产生的一群团体。他们主要是通过网络及其他手段来普及现代生物学知识。生物黑客的目标是把生物技术带出实验室，打破常规实验室的限制，在不同环境下创新发展生物技术。生物黑客们在网上教人们如何从菠萝里提取基因,还教人们如何以低廉价格从水、酒精中提取基因,甚至告诉人们如何网购低价的实验仪器,并利用这些仪器进行从简单到复杂的基因工程。他们除了像电脑黑客一样的反叛精神外,还反映出生物科学的神秘性日益被打破,生物科学的普及也日渐广泛。生物黑

21、客虽然是业余爱好者,但他们中可能有许多都毕业于哈佛之类的名校,甚至还可能是某些知名的科学人士。平时他们可能以智库成员的身份出现在自己的工作单位,业余时间则按自己的理想或幻想搞生物实验。虽然没有经过系统正规的科学研究训练，Johan Sosa仍然十年如一日地热衷于各种最强大的分子生物学技术。他是一个典型的生物黑客，现在他已经开始使用最新最潮的基因编辑工具CRISPR，这个工具面世才3年，能对目标DNA进行编辑。他现在已经掌握到体外编辑基因的程度，下周，他希望用这个技术对酵母基因进行编辑，成功后对模式植物拟南芥进行基因改造。看到Sosa的故事，我在想，生物医学技术和分子生物学技术没有什么可怕的，现

22、在已经到了车库实验室阶段，我们没有任何值得抱怨的，实验室条件不是问题，问题是我们是否能克服困难，我们是否真的热爱科研工作。CRISPR属于傻瓜型基因编辑工具，不仅简单，而且通用。让科学家第一次拥有随意编辑特定基因的流行工具。利用这种技术，三年来科学家已经成功对细菌到人类等不同类型的细胞进行基因编辑，甚至都引起了许多担心人类基因被编辑带来无法收拾后果的人的强烈担心，专门搞一些活动抵制这种编辑人类基因的活动。科学家利用这种技术，作为尝试进行消除遗传性贫血的基因治疗，治疗恶性肿瘤和生长人体器官的猪。甚至有人提出修改大象基因组，复原早已灭绝的猛犸象的设想。CRISPR的特征非常适合生物黑客要求技术能D

23、IY的胃口，越来越多社区业余生物学家在自己家庭实验室开始进军CRISPR。天然的创新精神激发他们利用这种技术编辑酵母基因，寻找能改变啤酒味道的菌种，构建艺术品和更基础的科学问题。都柏林生物黑客和企业家Andreas Strmer说，CRISPR是有史以来最了不起的工具，可以在自己的家里玩。Sosa是加州San Jose的一个IT顾问，3年前一天他希望培养出一个器官，此后生物黑客成为他的业余爱好。开始他不知道如何实现自己的想法，只以为就是培养干细胞就可以办了。操作细胞的挑战促使他开始认真阅读分子生物学教材（老人云：兴趣是最好的老师，此言不虚！），参加一些讲座，自学一些实验技术（简直就是生物医学研究生的路子！）。他参加了加州森尼维耳市的BioCurious社区实验室。Sosa开始不清楚用CRISPR能做什么用，他希望对酵母进行改造，让酵母能制作酪蛋白，这种蛋白在牛奶中大量存在，这样或许能用酵母直接制造出素食奶酪（思路似乎不错）。这一思路让他学习并掌握了酵母制造蛋白质需要进行化学修饰的过程。他现在已经掌握了一些大型著名实验室掌握的实验技术，每次想到这一点都让他十分兴奋。东京大