生物学普通遗传学绪论

生物学普通遗传学绪论第1页/共61页

遗传(Heredity,inheretance):

基因的结构

DNA的复制(replication),

基因表达(geneexpression)

表达调控(regulation)

基因纵向转递转化ransformation)

基因横向转递转导(transduction)

转染(transfection)

无性繁殖接合(conjugation)

保持物种稳定转基因(transgene)第一节遗传学的基本概念生物通过繁殖的方式来繁衍种族，保持生命在世代间的连续，保持子代与亲代的相似与类同，这种现象叫遗传(heredity、inheretance)。话说的“种瓜得瓜，种豆得豆”就是一种遗传现象。第2页/共61页变异(variation)

基因重组(Recombination)

染色体间－

减数分裂中染色体的自由组合染色体内－

染色体的重排Rearrangements)

转基因－体外重组突变(Mutation)

基因突变染色体畸变（Aberration）

有性繁殖

物种进化

遗传的本质就是遗传物质通过不断地复制和传递，保持亲代与子代间的相似与类同，与此同时，亲代与子代之间，子代个体之间总存在着不同程度的差异，包括环境差异与遗传物质差异，这种差异就是变异（variation）。俗话说的“一母生九子，九子各有别”就是变异现象。第3页/共61页遗传变异

变异不一定都能遗传，只有由遗传物质改变导致的变异可以传递给后代，这种变异叫遗传变异。第4页/共61页遗传学经典定义：研究生物的遗传和变异现象及其规律的一门学科。现代定义：①在生物的群体、个体、细胞和基因等层次上研究生命信息（基因）的结构、组成、功能、变异、传递（复制）和表达规律与调控机制的一门科学－－基因学。②研究基因和基因组的结构与功能的学科。第5页/共61页遗传、变异与环境的关系

遗传与变异是生物界普遍存在的区别于其它非生命的一种现象，是生命活动的两个基本特征。遗传是相对的，保守的，变异是绝对的，发展的。两者是相互联系，相互对立的，是一对矛盾的统一体。所有生物都起源于一个共同的祖先，若无变异，生物就不能进化成今天这样形形色色，生物界就失去进化的素材，遗传只是简单的重复；若无遗传，生物就不能传宗接代，变异就不能积累，变异就失去意义，生物也不能进化。所以，遗传和变异是生物进化和物种形成的内在根据。遗传和变异的表现都离不开一定的环境条件，因为任何生物都必须生活在环境中，从环境里摄取营养，通过新陈代谢进行生长、发育和繁殖，从而表现出性状的遗传和变异。第6页/共61页自然选择人工选择第7页/共61页第二节遗传学研究的任务和范围

（一）任务1、阐明生物遗传和变异的现象及其表现规律；2、深入探讨遗传和变异的本质，揭露其内在的规律；3、研究种群变化及物种形成的理论；4、利用遗传学规律指导育种实践，提高医学水平，以便更好地为人类服务。第8页/共61页（二）范围包括三个方面1、遗传物质的本质2、遗传物质的传递3、遗传信息的表达遗传物质的本质包括化学本质、遗传信息、结构、组成和变化，遗传物质的传递包括遗传物质的复制、染色体的行为、遗传规律和基因在群体中的数量变迁，遗传信息的表达包括基因的原初功能，基因的相互作用、基因作用的调控、个体发育中基因的作用机制。第9页/共61页（三）遗传学的分支按研究的层次分类：群体遗传学(Populationgenetics)

宏观即进化遗传学或种群遗传学数量遗传学(Quantitativegentics)

细胞遗传学(Cytogenetics)

核外遗传学(ExtranuclearG.)

微观即细胞质遗传学(CytoplasmicG.)

染色体遗传学(ChromosomalG.)

分子遗传学(Moleculargenetics)第10页/共61页按研究对象分类：人类遗传学(Humangenetics)

动物遗传学(Animalgenetics)

植物遗传学(Plantgenetics)

微生物遗传学(Microbialgenetics)按研究范畴分类：发生遗传学(Developmentalgenetics)

行为遗传学(Behavioralgenetics)

免疫遗传学(Immunogenetics)

药物遗传学(Pharmacogenetics)

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毒理遗传学(Toxicogenetics)

辐射遗传学(Radiationgenetics)

肿瘤遗传学(Cancergenetics)

医学遗传学(Medicalgenetics)

血型遗传学(Bloodgroupgenetics)

生化遗传学(Biochemicalgenetics)

应用学科：生物工程学(Biotechnology)

优生学(Eugenics)

育种学(工业微生物、农、牧和水产)第12页/共61页遗传学的特点1.是一门推理性的学科2.多学科的交叉和融合3.发展快4.应用性强第13页/共61页第三节遗传学的发展史一．在孟德尔以前及同时代的一些遗传学说1.公元前五世纪希波克拉底（Hippocrates）提出了第一个遗传理论。他认为子代具有亲代的特性那是因为在精液或胚胎里集中了来自身体各部分的微小代表元素(elememt)。第14页/共61页2.100年后，亚里斯多德（Aristotle）认为:精液不是提供胚胎组成的元素，而是提供后代的蓝图。生物的遗传不是通过身体各部分样本的传递，而是个体胚胎发育所需的信息传递3.1809年拉马克（Lamarck,J.B）提出了

“

用进废退”的进化论观点，由此而得出

获得性状（acquiredcharacteristics）是可以遗传的。

①．环境条件改变是生物变异的根本原因；②．用进废退学说和获得性状遗传学说如长颈鹿、家鸡翅膀。第15页/共61页4.1866年达尔文（Darwin）提出了泛生论（hypothesisofpangenesis），认为身体各部分细胞里都存在一种胚芽或

泛子（pangens）5.1883年法国动物学家鲁.威廉（Roux.W）提出有丝分裂和减数分裂过程的存在可能是由于染色体组成了遗传物质，同时他还假定了遗传单位沿着染色体丝作直线排列。①．1859年发表《物种起源》著作，提出了自然选择和人工选择的进化学说，认为生物是由简单复杂、低级、高级逐渐进化而来的。②．承认获得性状遗传的一些论点提出“泛生论”假说。第16页/共61页6.德国的生物学家魏斯曼（WeismannA）做了连续22代剪断小鼠尾巴的实验，否定了泛生论。

1883和1885年他将Roux,W.理论发展成为完整的遗传和发育的理论——种质论（germplasmtheory）,认为多细胞生物可分为：

种质（germplasm）：独立,连续,

能产生后代的种质和体质。

体质（somatoplasm):体质是不连续的，不能产生种质。第17页/共61页7.1869年达尔文的表弟高尔顿（Galton,F.）发表了“天才遗传（Hereditarygenius）”即“融合遗传论”

他研究了1768-1868年100年间英国的977个（这些人在4000人中才会产生一个）将军、首相、文学家、科学家的家谱，发现大多数名人出生于望族，据此做出论断认为天才是遗传的，还认为，遗传的不光是天才本身，还有天才的形式。遗传决定论让他于1883年创造了优生学，以研究如何以人工选择代替自然选择改良人种，他认为有相当才能的男女，一代一代长此以往，最终就能产生极有天赋的人才。但非常不幸的是，这一思想后来成为希特勒发动法西斯战争的思想基础。

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二．遗传学的诞生1797年英国的奈特（Knight，T）豌豆杂交实验：

P灰色×白色

F1

灰色

F2

灰色白色但未统计分析，只发现了这一现象。第19页/共61页

1863年法国的诺丹（Nauding）发表了植物杂交的论文并获法国政府的奖励。他认为：（1）植物杂交的正交和反交结果是相同的；（2）在杂种植物的生殖细胞形成时“负责遗传性状的要素互相分开，进入不同的性细胞中，否则就无法解释杂种二代所得到的结果”第20页/共61页1865年当时属奥地利的布隆（Brunn）基督教修道院的修士格里高·孟德尔（GregorJohannMendel），根据他8年植物杂交实验的结果，2月8日在当地的科学协会上宣读了一篇题为“植物杂交实验”的论文，1866年正式发表在该协会的会刊上。提出分离规律和独立分配规律；假定细胞中有“遗传因子”，认为遗传是受细胞里的遗传因子所控制的。孟德尔临终前说：“

等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”第21页/共61页孟德尔和他的豌豆第22页/共61页

孟德尔定律的二次发现

荷兰阿姆斯特丹大学的教授狄夫瑞斯（deVries）德国土宾根大学的教授科伦斯（Correns,C.E）奥地利维也纳农业大学的讲师切尔迈克（Tschermak）1900年分别同时发现了孟德尔的业绩。

狄夫瑞斯：进行了见月草杂交试验，发现F2的分离比为3:1。1900,3,26日其论文“

杂种分离法则”发表在《德国植物学会杂志》(18)83-90;和法国科学院的《纪事录》(130)845-847。狄夫瑞斯曾从L.H拜莱的《植物育种》中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。第23页/共61页科伦斯于1900,4,21日阅读狄夫瑞斯法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但科伦斯已从老师未格里处知道了孟德尔的工作，于是他撰写了“

杂种后代表现方式的孟德尔法则”一文，1900,4,24日发表在《德国植物学会杂志》(18)158-168。这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用。第24页/共61页切尔迈克也作了豌豆杂交试验，发现了分离现象，撰写了“于豌豆的人工杂交”的讲师就职论文，清样出来后他读到了狄夫瑞和斯科伦斯的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900，6,24日也发表在《德国植物学会杂志》(18)232-239.三个人的工作都发表在《德国植物学会杂志》，都证实了孟德尔法则，这就是遗传学发展史上著名的孟德尔法则的重新发现。孟德尔法则的发现在学说界皆引起了一场激烈的论战:

牛津大学动物学教授韦尔登（Weldon）剑桥大学的遗传学教授贝特森(Bateson)第25页/共61页孟德尔法则的发现在学术界引起了一场激烈的论战:连续变异和非连续变异之争

牛津大学动物学教授韦尔登（Weldon）

剑桥大学的遗传学教授贝特森(Bateson）

当时，孟德尔论文刚刚被重新发现，不重视或不以为然的人很多，其中包括由高尔顿(F.Galton)创建而在当时影响很大的英国生物统计学派中的许多人，代表人物是贝特森的朋友韦尔登(W.F.R.Weldon)。那时，他们认定绝大多数变异都是“连续变异”，有人甚至否认“非连续变异”的存在。以当时他们的权威，使诞生不久的孟德尔理论面临被扼杀于摇篮之中的危险。贝特森挺身而出，义无反顾地充当孟德尔理论最坚定的卫士。1902年，作为对韦尔登攻击的回答，贝特森出版了《孟德尔遗传原理：一个回击》一书，揭开了20世纪初一场关于遗传学论战的序幕。

这场论争在1904年举行的英国科学促进协会的会议上达到了高潮。贝特森和韦尔登都对这次交锋进行了充分的准备。实际上，从1900年开始，贝特森就同庞内特(RCPunnett)合作进行了一系列杂交实验，共涉及植物的9个属和动物的4个属，尤其以植物中的香豌豆和动物中的家禽类的研究最为深入。他们为证明孟德尔理论在植物和动物中的普遍适用性作了不懈的努力。因此，在1904年的那次会议上，贝特森以精确的数据和明确的论点在论争中大获全胜。

第26页/共61页贝特森先后创用:

遗传学（Genetics）

等位基因（allele）

纯合体（homozygous）

杂合体（heterozygous）

上位基因（epistaticgenes）第27页/共61页

1909年丹麦的科学家

约翰逊（Johannsen）创用了

基因（gene）

基因型（genotype）

表型（phenotype）遗传学的发展可分为四个时期：第28页/共61页第一个时期:细胞遗传学时期

(1900－1940)狄·费里斯（deVriesH.,1848~1935）：提出“突变学说”（1901~1903）：认为突变是生物进化因素。约翰生（JohannsenW.,1859~1927）：①.1909年发表“纯系学说”：明确区别基因型和表现型；②.最先提出“基因”一词：替代遗传因子概念。鲍维里（BoveriT.,1902）和萨顿（SuttonW.,1903）：发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系染色体遗传学说的初步论证。第29页/共61页贝特森（BatesonW.,1906）：①.从香豌豆中发现性状连锁；②.创造“genetics”。詹森斯（JanssensF.A.,1909）：观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。第30页/共61页1910年摩尔根（Morgan,T.H）及其

斯特蒂文特（Sturtevant）弟子布里吉斯（Bridges）缪勒（Muller）创立了连锁定律①.提出“性状连锁遗传规律”；②.提出染色体遗传理论⇒细胞遗传学；③.著“基因论”：认为基因在染色体上直线排列，创立基因学说。第31页/共61页费希尔（FisherR.A.）：

1918年，发表了重要文献“根据孟德尔遗传假设的亲属间相关的研究”

成功运用多基因假设分析资料，首次将数量变异划分为各个分量，开创了数量性状遗传研究的思想方法。

1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,为数量遗传学的发展奠定了基础。1927年Muller

X-射线诱发突变

基因是一个抽象的遗传因子，既是功能单位，又是重组单位和突变单位斯特德勒（StadlerL.T.）：

1927年在玉米用X射线诱发突变。证实基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生，用X射线处理也会产生大量突变。人工产生遗传变异的方法，使遗传学发展到一个新的阶段。第32页/共61页第二时期:微生物遗传和生化遗传时期（1941—1960）

1941Beadle和

Totum

在红色面包霉的生化遗传研究中，分析了许多生化突变体：①.提出“一个基因一种酶”假说；②.发展了微生物遗传学、生化遗传学。以后研究表明，基因决定着蛋白质（包括酶）合成改为“一个基因一个蛋白质或多肽”。第33页/共61页卡斯佩森（CasperssonT.O.）：

40年代初用定量细胞化学方法证明DNA存在于细胞核中。以后又有人证明：①.DNA是构成染色体的主要物质；②.同种生物不同细胞中DNA的质与量恒定；③.在性细胞中DNA的含量为体细胞的一半。第34页/共61页艾弗里（AveryO.T.,1944）等用纯化因子研究肺炎双球菌的转化实验，证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。赫尔希（HersheyA.D.,1952）等用同位素示踪法在研究噬菌体感染细菌的实验中，再次确认了DNA是遗传物质。

至此，已为遗传物质的化学本质和基因功能奠定了初步的理论基础。第35页/共61页1944:薛丁谔（Sehrdinger,E）

(WHATISLIFE?CambridgeUniv)

“活的有机体的具有精确自我复制和自我组装的能力，这正是生命现象的精髓所在……分子的聚集体执行着一种程序，其最终结果是这种程序的复制以及这种分子聚集体的延续，简而言之，这就是生命！基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。”于1944年出版，被称之为分子生物学上的《汤母叔叔的小屋》。这本书不仅使物理学家相信他们可以解决生物学方面的问题，而且也鼓励了生物学家用数学系统方法和物理模型解决生物学问题。

在其影响下一批物理学家和化学家开始介入研究遗传的分子基础和基因的自我复制这两个当时生物学的中心问题。第36页/共61页1951

McClintockB.

发现跳跃基因或称转座1953

Watson和

Crick建立双螺旋模型意义：①．为DNA分子结构、自我复制、相对稳定性和变性提出合理解释；②．DNA是贮存和传递遗传信息的物质；③．基因是DNA分子上的一个片段；④．分子生物学诞生将生物学各分支学科及相关的农学、医学研究推进到分子水平是遗传学发展到分子遗传学的重要转折点。1958Kornberg

发现DNA合成酶

在此期遗传的基本单位是顺反子（Cis—trons）第37页/共61页第三时期:分子遗传时期

(1961~1985)1961:Jacob和Monod建立乳糖操纵子模型，阐明微生物基因表达的调节问题克里克(CrickF.H.C.，1961)等用实验证明他于1958年提出的关于遗传三联密码的推测。提出“中心法则”。第38页/共61页1957年开始，尼伦伯格（NirenbergM．W.）等着手解译遗传密码，经多人努力至1969年全部解译出64种遗传密码。

60年代先后明确mRNA、tRNA和核糖体功能。1962，1968Arber，1978Smith

发现限制性酶1964，1965：Nirenberg，Khorana破译遗传密码1972Berg建立重组技术1975Temin发现反转录酶第39页/共61页1977Sanger&Gilbert

建立测序方法1977Sharp和Roberts

发现内含子

1980Shapiro发现转座子1981

Cech和Altman

发现核酶1985

Mullis,K.

建立了PCR体外扩增技术。此期基因的概念是一段可以转录为功能性RNA的DNA，它可以重迭、断裂的形式存在，并可转座。

第40页/共61页第四时期:基因组和蛋白质组时期

(1986~至今)1986[美]Dulbecco首次提出了“人类基因组工程”19904月美国宣布人类基因组测序工作的5

年计划。1991StepkenFodor

把基因芯片的设想第一次变成了现实.199210月[美]VollrathD.等分别完成人类Y染色体染色体的物理图谱.第41页/共61页199310月美国公布了1993－1995年的人类基因组测序工作计划，并预计2005年完成整个的测序工作。1995Smith,H.O等第一个细菌基因组—流感嗜血杆菌(H.influenzae)全基因组序列发表。199512月美、法科学家公布了有15000个标记的人类基因组的物理图谱。1996DietrichW.F等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。199610月Goffeau等完成了酵母基因组的测序1996

DNA芯片进入商业化第42页/共61页1997

Wilmut

完成了体细胞克隆199812月，第一个多细胞真核生物线虫的基因组在Science上发表。1999CateJ.H第一次绘制出完整核糖体的晶体结构，揭示了其中的很多细节。1999国际人类基因组计划联合研究小组完成人类第22号染色体测序工作。20003月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。第43页/共61页2000完成了人类第21号染色体的测序20006,26人类基因组草图发表200012,14英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱20011,12中、美、日、德、法、英等国科学家(Nature,15日)和美国塞莱拉公司(Science,16日)各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约3万基因。第44页/共61页1.基因组(genome)学研究生物体内基因组的分子特征。以整个基因组为研究对象，而不是以单个基因为单位作为研究对象遗传学发展的新动态第45页/共61页2、后基因组学

2003年4月14日，人类基因组序列图绘制成功，但对于90%以上的人类基因尚不了解其功能。后基因组学研究基因组的基因功能，基因之间的相互关系和调控机制的学科。目前已衍生出了许多新兴学科：1）比较基因组学；2）功能基因组学；3）疾病基因组学；4）药物基因组学；第46页/共61页2.1比较基因组学

对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较,分析基因的大小、数量,基因排列顺序,编码序列与非编码序列的特征以及物种进化关系等的学科。不仅可以揭示生命的起源、进化等重大生物学问题，还具有潜在的实用价值。如通过细菌和人类的基因组比较研究，有可能筛选出只在细菌中存在的基因，成为新的抗菌素的药靶。第47页/共61页2.2功能基因组学DNA芯片技术：面积不大的基片（氧化硅、玻璃或尼龙等材料制成）表面分成不同小格→有序的点阵排列核苷酸分子（不同基因、cDNA的DNA片段或寡核苷酸）→将待分析的核苷酸分子标记变性成单链，与芯片上的核苷酸分子杂交→洗掉芯片上序列不同的核苷酸分子→利用高精度的激光扫描仪记录已杂交分子的荧光信号→计算机分析。第48页/共61页第49页/共61页应用领域：基因多态性检测；基因表达分析；克隆选择及文库筛选（如cDNA文库）基因突变检测及遗传病和肿瘤的诊断等。第50页/共61页3.蛋白质组学蛋白质组：一个基因组所表达的全部蛋白质。蛋白质组学：在蛋白质水平研究基因组的基因表达，分析基因组的蛋白质类型、空间结构变异以及相互作用的机制。双相电泳技术：第一相是以蛋白质的电荷差异为基础进行分离的等电聚焦，第二相是以蛋白质分子量差异为基础的SDS。第51页/共61页第52页/共61页4.生物信息学(Bioinformatic)

定义为分子生物学和计算生物学的交叉.

包含三个重要的内容:(1)基因组信息学;(2)蛋白质的结构模拟;(3)药物设计.第53页/共61页第四节遗传学在国民经济中的作用

遗传学与农牧业的关系遗传学与工业的关系遗传学在能源的开发和环境保护中的应用遗传学在医疗卫生工作中的应用遗传学在其他领域中的应用

第54页/共61页一、遗传学与农牧业的关系无论是农林还是畜牧水