遗传学-绪论

1、普 通 遗 传 学 General Genetics,任课教师 李 杰,主要参考书： 朱军 遗传学（第三版） 中国农业出版社 2002 刘祖洞 遗传学（第二版） 高等教育出版社 1991 王亚馥等 遗传学 高等教育出版社 1999 赵寿元 乔守怡 现代遗传学 高等教育出版社 2001 Benjamin Lewin Gene VIII 2003 李杰 遗传学习题集 校内教材 2004,教学方法与基本要求：,课 程 大 纲,第一章 绪 论 第二章 孟德尔遗传 第三章 连锁遗传和性连锁 第四章 细胞质遗传 第五章 遗传物质的分子基础 第六章 基因突变,第七章 染色体变异 第八章 基因表达与调控 第九

2、章 基因工程与基因组学 第十章 数量遗传学 第十一章 群体遗传与进化,第一章 绪 论,第一节 遗传学研究的内容和任务,1遗传学的研究内容,(1) 是研究生物遗传和变异规律的科学： (2) 是研究生物体遗传信息的组成、传递和表达规律的科学： (3) 是研究基因的结构、传递和表达规律的科学： 遗传物质是什么？ 遗传物质 性状？,具体地说，遗传学的内容应包括四个方面：,基因和基因组的结构分析，及其与生物学功能之间的关系，包括突变与异常性状之间的关系。 基因在世代之间传递的方式与规律。 基因转化为性状时所需的各种内外环境条件，即基因表达的规律。 根据以上三方面的知识，能动地改造生物使之符合于人类的利益

3、和要求。,2遗传学研究的对象,以微生物（细菌、真菌、病毒）、植物和动物以及人类为对象，研究其遗传变异规律。 *生物种类极其繁多（目前有科学记载的约170万种）。,3遗传学研究的任务,(1)阐明：生物遗传和变异现象 表现规律； (2)探索：遗传和变异原因 物质基础 内在规律； (3)指导：动植物和微生物育种、提高医学水平。,第二节 遗传学的发展,一、现代遗传学发展前,1遗传学起源于育种实践,人类在长期的农业生产和饲养家畜过程中，早已认识到遗传和变异现象；并且通过选择，育成大量的优良品种。,2. 18世纪下半叶和19世纪上半叶期间，拉马克和达尔文对生物界遗传和变异进行了系统的研究,(1)拉马克（L

4、amarck J. B., 17441829） 环境条件改变是生物变异的根本原因； 用进废退学说和获得性状遗传学说 如长颈鹿、家鸡翅膀。,(2). 达尔文（Darwin C.，18091882）广泛研究遗传变异与生物进化关系。 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。 承认获得性状遗传的一些论点 提出“泛生论”假说。,泛生假说(hypothesis of pangenesis),认为动物每个器官里都普遍存在微小的泛生粒，它们能够分裂繁殖，并能在体内流动，聚集到生殖器官里，形成生殖细胞。当受精卵发育为成体时，各种泛生粒进入

5、各器官发生作用，因而表现遗传。如果亲代的泛生粒发生改变，则子代表现变异。,3魏斯曼（Weismann A.，18341914） 种质连续论：种质是世代连续不绝的； 支持选择理论； 否定后天获得性遗传：老鼠19代割尾巴试验。,种质连续论(theory of continuity of germplasm),认为多细胞的生物体是由体质和种质两部分所组成，体质是由种质产生的，种质是世代连绵不绝的。环境只能影响体质，而不能影响种质，故获得性状不能遗传。这一论点在后来生物科学中，特别是在遗传学方面发生了重大而广泛的影响。但是，这样把生物体绝对化地划分为种质和体质是片面的。,二、现代遗传学的发展阶段,1.

6、 个体遗传学向细胞遗传学过渡时期（1910之前）,. 孟德尔（Mendel G. J.，18221884） 系统地研究了生物的遗传和变异。 豌豆杂交试验（1856-1864）： 1866年发表植物杂交试验,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。,孟德尔生平 1844-1848年，孟德尔在布隆大学哲学院学习神学，曾选修农学、果树学和葡萄栽培学等课程。1848年在维也纳大学期间，孟德尔先后师从著名物理学家多普勒、物理学家埃汀豪生和植物生理学家翁格尔，这三个人对他的科学思想产生了很大影响。当时大多数科学家所惯用的方法是培根式的归纳法，而多

7、普勒则主张，先对自然现象进行分析，从分析中提出设想，然后通过实验来进行证实或否决。埃汀豪生是一位成功地应用数学分析来研究物理现象的科学家，孟德尔曾对他的大作组合分析仔细拜读。孟德尔后来做豌豆实验，能坚持正确的指导思想，成功地将数学统计方法用于杂种后代的分析，与这两位杰出物理学家不无关系。翁格尔当时正从事进化学说的研究，他认为研究变异是解决物种起源问题的关键，并且用这种观点去启发他的学生孟德尔。通过翁格尔，孟德尔了解了盖尔特纳的杂交工作。盖尔特纳曾用80个属700个种的植物，进行了万余项的独立实验，从中产生了258个不同的杂交类型，这些成果都记录在盖尔特纳的著作植物杂交的实验与观察中，孟德尔曾仔

8、细地读过这本书，此书至今还保存在捷克布隆的孟德尔纪念馆内，书中遍布记号和批注，有的内容正是以后孟德尔的实验计划里的组成部分。由此可见，一个伟大的科学思想的形成绝非偶然。,孟德尔为什么会取得成功？ 孟德尔之所以能发现分离规律和自由组合规律，其成功的原因有： （1）选择了适合的实验材料豌豆。 具有好些易于区分的相对性状；豌豆是自花授粉植物，而且是闭花授粉，能避免外来花粉混杂；豌豆能产生较多的种子，便于收集数据进行分析；豌豆易于栽培，生长期短。 （2）首先只研究一对性状，尽可能使问题简化，得到结果和结论后，再从简单到复杂，研究两对性状到多对性状。 （3）孟德尔把数学统计方法应用到遗传分析中。观察群体

9、，将数学统计方法用于遗传分析是孟德尔的首创。这也是数学在生物学领域里的第一次突破。数学统计方法的应用，使实验结果能定量而准确地揭示本质。所以说，孟德尔对人类的贡献，不仅仅局限于遗传学领域，还表现在科学思想的方法论上。,孟德尔学说又为什么被遗忘？ 孟德尔的理论简明易懂，而在当时也迫切需要这样一个理论，但为什么他的工作曾被完全忽视，以致被埋没了34年呢？ （1）孟德尔“生不逢时”。达尔文的光芒掩盖了孟德尔。 （2）对自己研究成果的意义认识不足。发表的论文却屈指可数，而涉及其成果的论文只有一篇。其实，孟德尔还曾用紫罗兰、玉米及紫茉莉等做过杂交实验，并进一步证实了他在豌豆实验中得到的结果。这些本来都可

10、以作为系列文章发表，然而他却隐而不发。他甚至没有和其他的植物学家或杂交研究者联系、交流，也没有给国际或国内的会议投寄论文。 在孟德尔的论文中没有任何突出的理论，所谓“孟德尔第一定律”、“孟德尔第二定律”，都是后人给加上的。其大量篇幅给人的感觉是：比例和数字、“纯粹的事实”。 （3）由于数学统计方法首次引入生物学中。孟德尔以前的生物学完全是一门描述性的科学，生物学家们根本想不到数学会与生物学有联系，也搞不懂统计数学对揭示生物学规律有什么帮助。一位捷克学者的亲身经历就生动地说明了这一事实。捷克学者伊尔蒂斯（HIltis）回忆说，1899年，他发现了孟德尔的论文，并激动地拿给他的导师看，可这位有学问

11、的教授说，“呵！这篇论文我知道，它无关紧要。除了数字和比例，比例和数字外，一无它物。不要为它浪费时间，把它忘了吧！”,.孟德尔遗传规律的重新发现 1900年，同时有三位著名学者发现了孟德尔及其创立的颗粒遗传学说。他们是荷兰的狄弗里斯（De Vris H.）、德国的科伦斯（Correns C.）和奥地利的冯切尔迈克（VonTschermak E.）。在不同国家用多种植物进行与孟德尔早期研究相似的杂交试验 获得与孟德尔相似的解释德国植物学会杂志 证实孟德尔遗传规律 确认重大意义。 1900年孟德尔遗传规律的重新发现 标志着遗传学的建立和开始发展 孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。 1910年起将孟

12、德尔遗传规律 孟德尔定律。,纪念孟德尔先生：在其修道院建立了纪念馆。,(3)狄费里斯（de Vries H., 18481935） 提出“突变学说”（19011903）： 认为自然界新种的产生不是长期选择的结果，而是突然出现的，突变是生物进化的因素。,2. 细胞遗传学时期（1910 1939）,当时细胞学和胚胎学已有很大发展，对于细胞结构、有丝分裂、减数分裂、受精及细胞分裂过程中染色体动态都已比较了解。 细胞学研究和孟德尔遗传规律结合。 研究工作的主要特征是从 个体水平 细胞水平 建立 染色体遗传学说。,(1). 约翰生（Johannsen W., 18591927） . 1909年发表“纯系

13、学说”：正确区分了生物体的可遗传变异（纯系间的粒重差异）与不遗传变异（纯系内的粒重差异），并提出“纯系内选择在基因型上不产生新的改变”的论点，为自花授粉植物的纯系育种建立了理论基础。 明确区别基因型和表现型； . 最先提出“基因”一词： 替代遗传因子概念。,. 鲍维里（Boveri T., 1902）和萨顿（Sutton W., 1903） 发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系：两者在体细胞中都成对存在，而在生殖细胞中则是成单的；成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离，进入不同的子细胞中，不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。染色体很可能是遗传因子的载体，染色体遗传学说的初步论证。

14、,(3)贝特生（BatesonW., 1906） . 从香豌豆中发现性状连锁； . 创造“genetics”。 1899年，伦敦“植物杂交工作国际会议”； 1902年，纽约“植物杂交工作国际会议”； 1906年，伦敦“杂交和植物育种国际会议”。,. 詹森斯（Janssens F. 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。,(5). 摩尔根（Morgan T.H., 18661945） . 提出“性状连锁遗传规律”； . 提出染色体遗传理论 细胞遗传学； . 著“基因论”：认为基因在染色体上直线排列，创立基因学说。,基因学说主要内容： 种质（基因）

15、是连续的遗传物质； 基因是染色体上的遗传单位，有很高稳定性 能自我复制和发生变异； 在个体发育中，基因在一定条件下，控制着一定的代谢过程 表现相应的遗传特性和特征； 生物进化 主要是基因及其突变等。 这是对孟德尔遗传学说的重大发展，也是这一历史时期的巨大成就。,他对孟德尔学说的态度大致可分为：“拥护反对继承并发展”3个阶段 。 科学家的思维应该是发散的，而实验结果则是限制思维的边界，它们使发散的思维向真理的极限点收敛。摩尔根则正是这样一位善于思考和实验研究的科学家。 由于对染色体遗传理论的贡献，摩尔根于1933年荣获诺贝尔生理学医学奖。他是第一位以遗传学成就而荣获诺贝尔奖的科学家，是染色体遗传

16、学的创始人，在孟德尔遗传学向分子遗传学发展的过程中，起着承上启下、继往开来的作用。,遗传学发展史中，每一次适合的选取都导致了一次学科发展的飞跃。以哺乳动物为实验材料，饲养管理一般都较复杂，生长期又长，而且由单基因控制的性状少而难寻，所以，一般不适合遗传学理论研究。而果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析。作遗传分析时，研究者只

17、需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻。,果蝇作为遗传学实验材料的优越性,(6). 斯特蒂文特（Sturtevant, A. H.） 1913提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法。在此基础上，绘制了第一张遗传连锁图谱，标明基因在染色体上的线性排列。,(7)诱变 穆勒（Muller H.T.）： 1927年对果蝇用X 射线诱发突变。 斯特德勒（Stadler L.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。 布莱克斯生（Blakes

18、lee A. F.）： 利用秋水仙素诱导多倍体。,3. 数量遗传学和群体遗传学的诞生（1930 1932年）,费希尔（Fisher R. 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。,4. 从细胞水平向分子水平过渡时期（1940 1952年）,摩尔根及其弟子们将基因定位在染色体上。基因研究发展到细胞学水平之后，遗传学面临的历史任务便是解决“基因究竟是什么？”的问题了。摩尔根及其弟子尤其是缪

19、勒（HJMuller）相信，基因是某种化学分子，基因是通过化学过程而起作用的。他们进而认为，经典的物理学和化学方法最终能说明生命现象。 研究基因的化学本质，单靠遗传学的力量已经不够，需要有生物化学家与物理学家的加盟。不同领域的科学家从不同方向朝基因的分子水平进军，在分子遗传学的酝酿时期形成了三大学派：信息学派、生化学派和结构学派。,由于微生物遗传学和生化遗传学研究的广泛开展，使工作进入微观层次 其主要特征是以微生物为研究对象，采用生化方法探索遗传物质的本质及其功能。,(1). 比德尔（Beadle G. W.，1941） 在红色面包霉的生化遗传研究中， 分析了许多生化突变体： . 提出“一个基

20、因一种酶”假说； . 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”。,同先前用果蝇作实验材料相比，红色面包霉有着许多优点，主要体现在四个方面：（1）产生有性后代的世代时间较短，条件适宜时只需几天时间；（2）在实验室条件下易于生长和保存，在含有简单培养基的试管中就能生长；（3）由于找到了适当的方法（限制培养），从而使其代谢（生化）突变体容易鉴别；（4）成体阶段是单倍体（仅有一套染色体），这样就使得所有的突变基因都能表现出来，呈表现型，不存在所谓隐性突变。,. 卡斯佩森（Caspersson T. O.） 40年代初用定量细胞化学

21、方法 证明DNA 存在于细胞核中。 . 以后又有人证明： . DNA是构成染色体的主要物质； . 同种生物不同细胞中DNA的质与量恒定； . 在性细胞中DNA的含量为体细胞的一半。,. 阿委瑞（Avery O. 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。 . 赫尔歇（Hershey A. 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。赫尔 歇与德尔布吕克和卢里亚一起，荣获 1969年的诺贝尔奖。,德尔布吕克与卢里亚的重要贡献是证明了噬菌

22、体和细菌都有基因，以及选取了一种恰当的生物学研究材料，从而为分子生物学的诞生奠定了坚实的基础。,5. 分子遗传学时期（1953现在）,40年代中细胞遗传学、微生物遗传学和生化 遗传学取得了巨大成就，使一些物理学家对研究 生物学问题产生浓厚的兴趣。 在量子力学家薛定谔生命是什么?（1944）一书 影响下，一些物理学家和化学家 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。 在生物研究中带进了物理学理论、概念和方法。,(1). 瓦特森（Watson J. D.）和 克里克（Crick F. H. C.） 意识到生物学问题可用物理学和化学的概念进行思考。 根据对DNA化学分析和X射

23、线晶体学结果 DNA分子结构模式（双螺旋结构，1953）。 威尔金斯和富兰克林为瓦特森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型提供了宝贵的数据资料。沃森、克里克和威尔金斯于1962年荣获诺贝尔生理学医学奖。沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型所依据的其实是1952年5月富兰克林得到的DNA的X光衍射照片。 从各专家处汲取所需，而得到新的综合结果，而且这种综合结果比其各部分更伟大，这是那些不能聚木为林的专家们无法领悟到的。,意义： 为DNA分子结构、自我复制、相对稳定性和变异性提出合理解释； DNA是贮存和传递遗传信息的物质； 基因是DNA分子上的一个片段； 分子生物学诞生 将生物学各分支学科及

24、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。,1957年，泰勒（JHTaylor）等人应用放射性标记的胸腺嘧啶与放射自显影技术，证明蚕豆根尖染色体的半保留复制。1958年，梅塞尔森（MMeselson）和斯塔尔（FWStahl）应用重氮标记与密度离心技术，证明大肠杆菌DNA的半保留复制。 1957年开始，尼伦伯格（Nirenberg MW.）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。 遗传密码的破译，是生物学史上一个重大的里程碑。尼伦伯格与霍拉纳于1968年荣获诺贝尔生理学医学奖。 60年代先后明确mRNA、tRNA和核糖体功能。,雅可布

25、（Jacob F.）和莫诺（Monod J.） 1961年发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出了大肠杆菌的操纵子学说，阐明微生物基因表达的调节问题。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。,由于上述成就，至60年代末已基本搞清楚蛋白质生物合成的过程，验证了1958年克里克提出的“中心法则”。 1970年，巴尔的摩（DBaltimore）和梯明（HMTemin）在致癌的RNA病毒中，发现依赖RNA的DNA多聚酶，即逆转录酶。这就是说，遗传信息流也可以反过来，从RNADNA。这是一项重要的发现。巴尔的摩和梯明于1975年荣获诺贝尔奖。 1981年，切赫（TRCech）等

26、人在四膜虫发现自催化剪切的tRNA。1983年阿尔特曼（SAltman）领导的一个研究小组发现大肠杆菌的核糖核酸P的催化活性取决于RNA而不是蛋白质。这意味着RNA可以不通过蛋白质而直接表现出本身的某种遗传信息。这是对中心法则的又一次补充和发展。切赫和阿尔特曼荣获1989年的诺贝尔化学奖。,遗传密码的破译解决遗传信息本身的物质基础及含义的问题。 “中心法则”解决遗传信息的传递途径和流向问题。,分子遗传学的许多成就是来自对原核生物的研究，70年代开始在此基础上开展对真核生物的研究。 细菌质粒、噬菌体、限制性核酸 内切酶、人工分离和合成基因取 得进展，1973年成功实现DNA的 体外重组 人类开始

27、进入按照需 要设计并能动改造物种和创造新 物种的新时代。,亚伯（WArber）等人于70年代在分子水平上解开了细胞基因限制/修饰现象的谜团：细菌的酶对于入侵噬菌体DNA发生作用，将其切成小片段。而这些DNA被特殊修饰“标记”后就不会被切割了。亚伯找到了这种切割的酶，叫做限制性内切酶，它能识别DNA顺序上特定的DNA位置并在这个地方切割。这种酶后来被广泛地使用于基因工程中，亚伯因此荣获了1978年度诺贝尔奖。,PCR技术,1984年春，缪里斯（KMullis）贴出一张海报，叙述了PCR技术，但未能引进起广泛注意。 1969年，有人从美国黄石国家公园温泉中的水生栖热菌体内分离纯化出了耐热的DNA多

28、聚酶，后来的商品名叫Taq酶。 1988年，西特斯公司的研究者们开始在PCR中使用Taq酶。这是PCR技术的重大改进，在此基础上实现了反应的自动化，从而PCR技术得到了极为广泛的应用。 缪里斯因发明PCR技术面荣获1993年的诺贝尔化学奖。,在分子遗传学中已成功： 人工分离基因； 人工合成基因； 人工转移基因； 克隆技术应用。,目前：基因工程 定向改变遗传性状。 更自由和有效地改变生物性状； 打破物种界限，克服远缘杂交困难； 培育优良动、植物新品种； 治疗人类的一些遗传性疾病。,遗传学发展： 整体水平 细胞水平 分子水平； 宏观 微观； 染色体 基因； 逐步深入到研究遗传物质结构和功能。,田中

29、（1967）将遗传学的发展划为8个阶段 19001909 形态遗传morphogenetics stage 19101919 细胞遗传cytogenetics stage 19201929 生理遗传physiological genetics stage 19301939 诱变遗传induced mutation stage 19401959 生化遗传biochemical genetics stage 19501959 群体遗传population genetics stage 19601969 微生物遗传microbial genetics stage 1970 分子遗传molecular

30、 genetics stage 与遗传学有关的新学科（90s） 分子数量遗传学、生物信息学、基因组学。,6. 遗传学的研究分支,现代遗传学已发展出30多个分支： 细胞遗传学 数量遗传学生统遗传学 发育遗传学进化遗传学微生物遗传学 辐射遗传学 医学遗传学分子遗传学 遗传工程 生物信息学基因组学等,从遗传学的研究内容划分： 进化遗传学；发育遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学； 从遗传学的 研究层次划分： 群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学 从遗传学的研究对象划分： 植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学；人类遗传学,进化遗传学： 研究生物进化过程中遗传学机制与作用的遗传学分支科学。研究内容： 生物进化的

31、机制 突变和选择 有害突变 淘汰和保留 有利突变 保留与丢失 中立突变 DNA多态性,发育遗传学： 研究基因的时间、空间、剂量的表达在生物发育中的作用的分支遗传学。 特征：基因的对细胞周期分裂和分化的作用。 应用重点： 胚胎干细胞 组织工程 转基因动物 克隆动物,免疫遗传学： 研究基因在免疫系统中的作用的遗传学分支。 重点： 不是研究免疫应答的过程，而是研究基因在抗体和抗原形成和改变中的作用。,群体遗传学： 研究群体基因结构和基因频率的改变的遗传学分支。,细胞遗传学： 研究生物在细胞水平的遗传结构和功能的遗传学分支学科。 重点： 染色体结构和数目的变化与生物表型的关系 细胞信号传导过程中基因的

32、作用,分子遗传学： 研究生物基因结构和功能的遗传学分支学科。 应用： 基因工程（体外DNA重组技术） 分子诊断 基因治疗,第三节 遗传学在科学和生产发展中的作用,1科学发展上的作用,解释生物进化原因，阐明生物进化的遗传机理； 遗传学表明高等和低等生物所表现遗传规律相同； 分子遗传学的发展，进而认识生命本质(DNA、蛋白质)。,2在生产实践上,对农业科学起直接指导作用 （丰富和更新动植物育种新技术）； 指导医学研究，提高健康水平。,3遗传学仍在发展,理论上和实践上仍有许多需要解决的问题； 广泛利用丰富的生物资源，提高育种效果。,4当代遗传学特点,理论扎实 技术领先 实用性强 学科交叉,遗传学是一门处于发展巅峰时期的学科。