第三章-人类遗传学

1、第三章 人类遗传学,本节课从了解细胞的本质开始。因为从某种意义上说，细胞就是进化过程开始的地方。,第一节 细胞的结构与功能,细胞（cell）是所有生命体的基本组成单位。通常根据细胞核的形态，细胞结构生物又可划分为原核细胞结构生物和真核细胞结构生物。,一、生命体的物质组成 由无机化合物和有机化合物组成。无机化合物包括水和无机盐；有机化合物包括碳水化合物（糖类）、蛋白质（包括各种酶）、脂类、核酸以及维生素等。,蛋白质是最重要的生命组成成分。 酶是生命体各种代谢活动的催化剂。 核酸可分为核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，D

2、NA）。,细胞的构成 细胞 的基本结构主要包 括细胞核和细胞质,图1.1 细胞的一般结构,按功能细胞可以化分为体细胞和性细胞。体细胞构成了人体内的具有不同功能的组织；性细胞包括精子和卵子，它们的唯一功能就是将亲代的生命遗传信息传递给子代。,二、细胞核,细胞核（nucleus）是细胞生命活动的控制中心，RNA和DNA就存在于细胞核内。细胞核是细胞中遗传信息储存、复制和转录的重要场所。它外面有一层核膜，将核与质分开，细胞质只含有少量与遗传有关的结构。,三、染色体 在细胞分裂之前，细胞核是由脱氧核糖核酸和组蛋白组成的复合丝状物质构成的，被称为染色质（chromatin）；当细胞进行分裂时，由染色质构

3、成的细胞核会变成棒状物，被称为染色体（chromosomes）。典型的染色体结构包括一个着丝点（centromere）和两个臂（arm）三部分。,人类体内的一个细胞中含有46条染色体。其中前22对被称为常染色体，第23对被称为性染色体，即XX（女性）或XY（男性）。一般来讲，从第1对染色体到第22对染色体，其尺寸是逐渐变小的，但是X染色体尺寸较大，而Y染色体是所有染色体中尺寸最小的,染色体的一般结构,男性的染色体组型,最萌的性染色体,向卵子发出最后冲刺的精子,受精,四、有丝分裂 有丝分裂（mitosis）是指全部的体细胞分裂。所产生的两个子细胞与秦代有相同数目的染色体。 有丝分裂过程可以区分为

4、前期，中期，后期和末期。从上一次细胞有丝分裂结束到下一次细胞有丝分裂开始之间的一段间隙时间，称为间期。,有丝分裂过程,五、减数分裂 一个母细胞通过有丝分裂方式产生两个染色体数目相同的姐妹细胞。这种分裂方式（有絲分裂）的结果只是使个体自己的细胞增值，而不能产生新的个体。一个种群的繁衍还必须依赖另一种细胞的分裂方式，即减数分裂（meiosis）。 将染色体数目由二倍体变为单倍体。性细胞特有的分裂方式。,有丝分裂与减数分裂过程解析,第二节 分子遗传学 这一节了解、认识DNA的基本特性将有助于我们理解物种进化的过程。,一、遗传密码DNA 一个染色体是由大量的核酸和蛋白质构成的，其中决定遗传的是核酸，更

5、确切地说是脱氧核糖核酸（DNA）。那么，DNA是怎样成为遗传物质的呢？研究DNA的结构将有助于我们认识DNA作为遗传物质的真正原因。,DNA包含四种碱基类型，腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）。 因此DNA分子的脱氧核苷酸也包括四种类型，腺苷酸、胸苷酸、胞苷酸和鸟苷酸。,DNA的双螺旋结构,DNA的功能 DNA分子在存储了惊人的遗传信息的同时还具有另外一种自我复制功能。DNA分子的自我复制过程就是以亲代DNA分子为模板复制出子代DNA的过程。我们已经知道DNA的两条链上的碱基对是严格对应的，即假如一条链上的碱基排列为GGCTGC，那么相对应的另一条链上的碱基排列一定是CC

6、GACG。 C-G A-T,DNA的功能 DNA的自我复制功能就是严格依照这种对应原则，将双螺旋结构进行解旋，在蛋白酶的作用下，游离的脱氧核苷酸按照碱基互补配对原则合成与母链互补的子链，二者逐渐延伸并相互盘绕构成新的DNA双螺旋结构。但是，这一简单描述的真正过程是极为复杂的。,DNA的自我复制模式,二、基因的表达 基因是具有遗传效应的DNA片段，每一条染色体只含有一个DNA分子，但这个DNA分子上却含有很多个基因。 DNA分子单链的基本结构是脱氧核苷酸，基因实际上就是这些脱氧核苷酸的组合。也就是说，DNA分子所具有的遗传功能是由其基因的存在而产生的。,虽然基因是由脱氧核苷酸组成的，但是由于组成

7、基因的脱氧核苷酸的数量和顺序不同，即核苷酸的序列是遗传信息的贮存形式，从而使得基因具有了不同的遗传信息。例如，我们可以将基本的碱基ATGC进行组合，则可能的基因形式包括ATGC、AGTC、ACGT或者GTCA等等，由于碱基可以重复和任意排列，因此还可能出现AAATTTGGGCCC或者ATGCATGCATGC的碱基排列方式。这就使得有限的碱基和脱氧核苷酸可以使不同的基因具有不同的遗传信息和遗传功能。基因所含有的遗传信息是通过DNA的复制功能传给下一代的，因此可以说，基因的复制是通过DNA的复制来实现的。,中心法则 基因表达的完成必须遵循一种客观法则，即中心法则。基因表达包括转录和翻译两个过程。,

8、DNA的基因表达必须借助RNA来完成。 RNA是另一种核酸分子，其核苷酸中的糖是核糖而不是脱氧核糖，其基本碱基构成是AUGC，即U（尿嘧啶）代替了DNA碱基中的T（胸腺嘧啶）。 RNA有三种类型，在蛋白质的合成过程中起着及其重要的作用。第一种是传递遗传信息RNA，被称为信使RNA（m）；第二种在翻译过程中起到重要作用的RNA，被称为核糖体RNA（r）；第三种是负责搬运氨基酸的RNA，被称为转运RNA（t）。,基因能够通过一定的方式使其自身的遗传信息反映到蛋白质分子的结构上，从而使得亲代和子代具有相似的性状。基因的这种控制蛋白质合成的方式被称为“基因表达”。基因的表达也要通过DNA来实现。,转录

9、 在细胞核内，DNA通过转录的方式首先合成RNA。具体过程是以DNA单链为模板，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、CTP及UTP为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。 转录的具体过程是，RNA聚合酶首先与DNA分子的特定部位发生粘着，这个特定的部位被称为启动子。启动子是DNA链上的一段特定的核苷酸序列，转录起点即位于其中。RNA聚合酶本身是不能和启动子结合的，只有在另一种称为转录因子的蛋白质与启动子结合后，RNA聚合酶才能识别并结合到启动子上，使DNA分子的双链解开，转录就从此起点开始。,图1.11 转录过程模式,翻译 由于只有mRNA携带的遗传信息才被用于指导

10、蛋白质的生物合成，即决定蛋白质中氨基酸排列顺序，所以一般用A、G、U、C四种核苷酸的组合来表示遗传信息。也就是说，DNA的编码链核苷酸序列决定了mRNA中的核苷酸序列，mRNA的核苷酸序列又决定了蛋白质中的氨基酸序列。,我们知道，蛋白质是由20种氨基酸组成的，但mRNA上却只含有A、G、U、C四种核苷酸，显然，如果由一个碱基或者两个碱基决定一个氨基酸的话，是不足以满足决定20种氨基酸的需要的。1954年，美籍俄裔理论物理学家兼科普作家盖末夫（George Gamow）研究了组成蛋白质的20种氨基酸和rnRNA的四种核苷酸之间的关系。他假定3种核苷酸为一个氨基酸编码，这样便得到64（43）种氨基

11、酸组合，可以完全满足20种氨基酸的编码需要，而这种3个核苷酸组合在一起的方式被称为密码子，也叫遗传密码或者三联体密码。 到1967年为止，科学家破译了全部的遗传密码子。后来的研究发现，一个氨基酸可以拥有两个或多个密码子，此外还存在3个作为蛋白质合成中止信号的密码子，这样决定氨基酸的密码子共有61个而不是64个。,蛋白质的合成过程总体说来可分为起始、延伸和中止三个阶段。转录过程结束以后，mRNA通过核孔从细胞核中游离到细胞质中，并与核糖体结合起来。核糖体由rRNA作用于核糖体亚基而形成的，是蛋白质的合成场所，每个核糖体的基本结构包括大亚基和小亚基。同时，tRNA转录后也通过核孔游离到细胞质中，每

12、一种tRNA只能转运特定的氨基酸。tRNA拥有一种三叶草状的结构，上面的部分用于携带特定的氨基酸，下面的部分是反密码子，它能够与mRNA上的相应密码子结合。,当tRNA携带着一个氨基酸进入到核糖体后，按照碱基互补配对原则，以mRNA为模板，将氨基酸安放在特定的位置上。核糖体按照mRNA密码子的顺序依次将其小亚基与mRNA结合，逐渐形成一条不断加长的肽链。小亚基与mRNA结合后，再与大亚基结合成完整的核糖体。这时，真正的蛋白质合成才真正开始。当mRNA上出现了中止密码子时，肽链的延长过程就结束了，这时候肽链脱离mRNA，经过一定的折曲后，最终形成了具有一定氨基酸序列的蛋白质。,图1.12 蛋白质

13、的合成过程,第三节 孟德尔遗传学,很久已来，人们坚信子代的性状是亲代性状融合的结果，但是没有人能够科学地解释这种现象产生的真正原因。19世纪中叶，一名叫孟德尔（Gregor Mendel）的奥地利罗马教修道士应邀来到博尔诺修道院从事育种的数学和物理学模式研究。期间，他从生物的性状出发，最先揭示了生物遗传的两个基本规律，即基因的分离定律（Mendels Law of Segregation）和基因的自由组合定律（Mendels Law of Independent Assortment），从而奠定了遗传学的基础，因此这门学科也被称为孟德尔遗传学。,一、基因型与表现型 在遗传学研究中，我们称一个基

14、因在染色体上的特定位置为基因座（locus）。在一对同源染色体上，占有相同基因座的一对基因，它们控制一对相对性状，被称为等位基因（alleles）。以人类 ABO 血型为例，其基因座是在9号染色体长臂的末端，在这个座位上的等位基因有A、B、O三种。就某一个体来说，决定其血型的一对等位基因是A、B、O三个基因中的两个，其可能的血型为AA、BB、OO、AO、BO和AB。,在一个群体内，同源染色体的某个相同基因座上的等位基因可能只有一个，也可能有两个或者更多。当超过两个以上时，就被称作复等位基因，人类的 ABO血型就是由3个复等位基因决定的。 一个生物体的外在性状被称为表现型（phenotype），

15、与表现型相关的基因组成被称为基因型（genotupe）。我们知道，某一物种中的个体性状发育既受到自身遗传基因的控制，同时也受到外部环境的深刻影响。例如，人类不同纬度区域的类型差异就是内在的遗传因素和外部环境共同作用的结果，也就是说，表现型是基因型与外部环境共同作用的结果。,二、孟德尔遗传学定律 孟德尔是通过对豌豆的杂交实验发现了基因的分离定律和基因的自由组合定律的。孟德尔发现，豌豆的某一性状拥有不同的表现型，我们称这些同一性状的不同表现型为相对性状（relative trait）。他最终选择了豌豆的七对较为稳定的相对性状进行研究（图1.13）。,图1.13 孟德尔豌豆试验所用的七对性状,基因的

16、分离定律 我们知道，在同一基因座上的两个等位基因控制着一对相对性状。这两个等位基因可能是相同的也可能是不同的，如果来自亲代的这两个等位基因是相同的，那么子代的基因型是纯合的，反之是杂合的；由相同基因的配子结合成的合子发育成的子代叫做纯合子，反之是杂合子。如果基因型是纯合的，那么其遗传性状是比较稳定的，不会发生遗传学的性状分离；如果基因型是杂合的，那么子代的遗传学性状会发生分离。 孟德尔首先进行了单个性状的杂交实验。他选用纯种高茎豌豆和纯种矮茎豌豆做为亲代（P）进行杂交实验。结果显示，无论是正交还是反交，子一代（F1）总是高茎的。用子一代进行自交，子二代（F2）当中既有高茎又有矮茎，这便是性状分

17、离现象。,对所有七对相对性状的杂交试验表明，子一代全部是显性性状，子二代发生了性状分离现象，显性性状和隐性性状的数量比接近3:1。 为什么在子一代中没有发生性状分离现象，而在子二代中却发生了？如前所述，表现型是基因型与外部环境共同作用的结果。我们现在忽略环境因素的影响，只考虑遗传因素的作用。 孟德尔把子一代中显现出来的那些性状（例如高茎）称作显性性状（dominant trait），把未显现出来的那些性状（例如矮茎）称作隐性性状（recessive trait）。决定这些性状的等位基因被称作显性等位基因（dominant allele），与其相对的是隐性等位基因（recessive allel

18、e）。,我们暂时使用字母A来表示显性基因，用字母a来表示隐性基因。那么AA和aa是纯合子，Aa是杂合子。以高矮茎这两个相对性状为例，AA为高茎纯合子，aa为矮茎纯合子。以这两种合子为亲代进行杂交，F1的基因型只有Aa一种，这是因为F1的两个等位基因分别来自亲代双方。以F1自交，那么F1当中的A和a会发生分离，其产生的雌雄配子各有两种，即分别含有A和a。那么，F2当中便会出现三种基因型，即AA、Aa和aa。这三种基因型的数量比大致为1:2:1，那么总体上看，高茎（AA和Aa）与矮茎（aa）的数量比大致为3:1。,基因的自由组合定律 孟德尔在进行了单个相对性状研究的基础上，对多个性状进行了杂交实验

19、。例如，他选用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆作为亲代进行杂交实验。我们假设纯种黄色圆粒豌豆的基因型是YYRR，纯种绿色皱粒豌豆的基因型是yyrr，那么F1产生的均为黄色圆粒，基因型为YyRr。以F1自交，F1中的配子组合包括：YR、yR、yR和yr，那么F2当中的配子结合方式为4416种，即16个后代。其中出现了与亲代双方均不相同的表现型，即黄色皱粒和绿色圆粒。总体来看，黄圆、黄皱、绿圆和绿皱的数量比是9:3:3:1。孟德尔依据以上结论，认为不同基因对中的基因分配是独立的，换句话说，就是在减数分裂形成配子的过程中，同源染色体上的等位基因遵循基因分离定律，同时非同源染色体上的非等位基因能够自

20、由组合。,三、基因的连锁和交换定律 美国著名的遗传学家摩尔根（Thomas H. Morgan）通过对果蝇的杂交实验，发现了遗传学的另一规律，即基因的连锁和交换定律。这一定律弥补了孟德尔遗传学定律的许多不足。,所谓基因的连锁（linkage）是指位于亲代的同一条染色体上的不同等位基因在传给子代的过程中，互相连在一起传给子代，不发生分离的现象。摩尔根通过实验证明，位于同一条染色体上的两个基因的连锁关系是会发生改变的，即来自父方的染色单体和来自母方的染色单体会发生染色体交叉（crossing over）互换（图1.14），从而发生基因重组现象。需要说明的是，交叉现象只会发生在同源染色体之间，现在我

21、们知道，X染色体是经过交叉拼接后传给后代的，而Y染色体几乎是原样不动地传给后代,图1.14 染色体的交叉模式,性别决定和伴性遗传 人类有23对染色体，其中第23对染色体与性别有关，因为其含有决定个体性别的遗传信息，因此被称为性染色体。我们知道，性染色体有两种，即X和Y，决定个体为女性的是XX，决定是男性的是XY。X染色体上的碱基对约为163,000,000对，基因数为1098个；Y染色体上的碱基对约为51,000,000对，基因数为78个。,遗传学的研究表明，有些遗传学疾病的发生常常与性别相关联，我们称之为伴性遗传。例如，红绿色盲就是一种较为常见的伴性遗传疾病。这种疾病的致病基因（b）位于X染

22、色体上，因此该致病基因是随着X染色体传给后代的。男性的红绿色盲基因只能由母亲一方传递。人类的另一种常见遗传学疾病血友病（hemophilia）也属于伴性遗传疾病。,在进行生物进化研究的时候，我们往往会为地球上曾经存在过的和现生的物种种类所惊叹。我们在试图揭示这种丰富性原因的时候，不能不对生物的变异现象进行研究，而生物变异的根本原因就是基因突变（mutation）。,第四节 突变,一、突变的进化意义 突变是指染色体上某一位点上的基因或者染色体本身发生了改变。它是所有遗传变异的最终来源，它为生物的进化提供了最初的原料。导致突变的因素很多，大致包括了物理因素、化学因素和生物因素三种。物理因素最为常见

23、的是各种辐射和温度；化学因素则包括了各种能够改变DNA分子性质的化学物质；生物因素包括某些病毒和细菌等。,突变是一种生物界中普遍存在的现象。突变的发生是随机的，不受时间、部位和个体的限制。它可以发生在生命体发育的任何时期以及任何细胞内，但是就进化意义来讲，突变必须发生在性细胞内，也就是说，突变的最终结果是使得生命体发生变异，并将这种变异传递给后代。 大多数基因突变是有害的，生命体在长期的进化过程中已经适应了外部环境，如果这时某个或者某几个基因发生突变，就会严重影响到生命体的发育和生存，甚至会导致死亡。人类的许多先天性疾病都与这种基因的突变有关。但是也有少量的突变是有利的，这些突变的目的是使得生命体更好地适应外部环境变化以求得生存。,二、突变的类型 突变的发生需要一