普通遺傳學GeneralGenetics,任課教師李杰,主要參考書：朱軍遺傳學（第三版）中國農業出版社2002劉祖洞遺傳學（第二版）高等教育出版社1991王亞馥等遺傳學高等教育出版社1999趙壽元喬守怡現代遺傳學高等教育出版社2001BenjaminLewinGeneVIII2003李杰遺傳學習題集校內教材2004,教學方法與基本要求：,課程大綱,第一章緒論第二章孟德爾遺傳第三章連鎖遺傳和性連鎖第四章細胞質遺傳第五章遺傳物質的分子基礎第六章基因突變,第七章染色體變異第八章基因表達與調控第九章基因工程與基因組學第十章數量遺傳學第十一章群體遺傳與進化,第一章緒論,第一節遺傳學研究的內容和任務,1遺傳學的研究內容,(1)是研究生物遺傳和變異規律的科學：(2)是研究生物體遺傳信息的組成、傳遞和表達規律的科學：(3)是研究基因的結構、傳遞和表達規律的科學：遺傳物質是什么？遺傳物質性狀？,具體地說，遺傳學的內容應包括四個方面：,基因和基因組的結構分析，及其與生物學功能之間的關系，包括突變與異常性狀之間的關系。基因在世代之間傳遞的方式與規律?；蜣D化為性狀時所需的各種內外環境條件，即基因表達的規律。根據以上三方面的知識，能動地改造生物使之符合于人類的利益和要求。,2遺傳學研究的對象,以微生物（細菌、真菌、病毒）、植物和動物以及人類為對象，研究其遺傳變異規律。*生物種類極其繁多（目前有科學記載的約170萬種）。,3遺傳學研究的任務,(1)闡明：生物遺傳和變異現象表現規律；(2)探索：遺傳和變異原因物質基礎內在規律；(3)指導：動植物和微生物育種、提高醫學水平。,第二節遺傳學的發展,一、現代遺傳學發展前,1遺傳學起源于育種實踐,人類在長期的農業生產和飼養家畜過程中，早已認識到遺傳和變異現象；并且通過選擇，育成大量的優良品種。,2.18世紀下半葉和19世紀上半葉期間，拉馬克和達爾文對生物界遺傳和變異進行了系統的研究,(1)拉馬克（LamarckJ.B.,17441829）環境條件改變是生物變異的根本原因；用進廢退學說和獲得性狀遺傳學說如長頸鹿、家雞翅膀。,(2).達爾文（DarwinC.，18091882）廣泛研究遺傳變異與生物進化關系。1859年發表物種起源著作，提出了自然選擇和人工選擇的進化學說，認為生物是由簡單復雜、低級高級逐漸進化而來的。承認獲得性狀遺傳的一些論點提出“泛生論”假說。,泛生假說(hypothesisofpangenesis),認為動物每個器官里都普遍存在微小的泛生粒，它們能夠分裂繁殖，并能在體內流動，聚集到生殖器官里，形成生殖細胞。當受精卵發育為成體時，各種泛生粒進入各器官發生作用，因而表現遺傳。如果親代的泛生粒發生改變，則子代表現變異。,3魏斯曼（WeismannA.，18341914）種質連續論：種質是世代連續不絕的；支持選擇理論；否定后天獲得性遺傳：老鼠19代割尾巴試驗。,種質連續論(theoryofcontinuityofgermplasm),認為多細胞的生物體是由體質和種質兩部分所組成，體質是由種質產生的，種質是世代連綿不絕的。環境只能影響體質，而不能影響種質，故獲得性狀不能遺傳。這一論點在后來生物科學中，特別是在遺傳學方面發生了重大而廣泛的影響。但是，這樣把生物體絕對化地劃分為種質和體質是片面的。,二、現代遺傳學的發展階段,1.個體遺傳學向細胞遺傳學過渡時期（1910之前）,.孟德爾（MendelG.J.，18221884）系統地研究了生物的遺傳和變異。豌豆雜交試驗（1856-1864）：1866年發表植物雜交試驗,提出分離規律和獨立分配規律；假定細胞中有“遺傳因子”，認為遺傳是受細胞里的遺傳因子所控制的。,孟德爾生平1844-1848年，孟德爾在布隆大學哲學院學習神學，曾選修農學、果樹學和葡萄栽培學等課程。1848年在維也納大學期間，孟德爾先后師從著名物理學家多普勒、物理學家埃汀豪生和植物生理學家翁格爾，這三個人對他的科學思想產生了很大影響。當時大多數科學家所慣用的方法是培根式的歸納法，而多普勒則主張，先對自然現象進行分析，從分析中提出設想，然后通過實驗來進行證實或否決。埃汀豪生是一位成功地應用數學分析來研究物理現象的科學家，孟德爾曾對他的大作組合分析仔細拜讀。孟德爾后來做豌豆實驗，能堅持正確的指導思想，成功地將數學統計方法用于雜種后代的分析，與這兩位杰出物理學家不無關系。翁格爾當時正從事進化學說的研究，他認為研究變異是解決物種起源問題的關鍵，并且用這種觀點去啟發他的學生孟德爾。通過翁格爾，孟德爾了解了蓋爾特納的雜交工作。蓋爾特納曾用80個屬700個種的植物，進行了萬余項的獨立實驗，從中產生了258個不同的雜交類型，這些成果都記錄在蓋爾特納的著作植物雜交的實驗與觀察中，孟德爾曾仔細地讀過這本書，此書至今還保存在捷克布隆的孟德爾紀念館內，書中遍布記號和批注，有的內容正是以后孟德爾的實驗計劃里的組成部分。由此可見，一個偉大的科學思想的形成絕非偶然。,孟德爾為什么會取得成功？孟德爾之所以能發現分離規律和自由組合規律，其成功的原因有：（1）選擇了適合的實驗材料豌豆。具有好些易于區分的相對性狀；豌豆是自花授粉植物，而且是閉花授粉，能避免外來花粉混雜；豌豆能產生較多的種子，便于收集數據進行分析；豌豆易于栽培，生長期短。（2）首先只研究一對性狀，盡可能使問題簡化，得到結果和結論后，再從簡單到復雜，研究兩對性狀到多對性狀。（3）孟德爾把數學統計方法應用到遺傳分析中。觀察群體，將數學統計方法用于遺傳分析是孟德爾的首創。這也是數學在生物學領域里的第一次突破。數學統計方法的應用，使實驗結果能定量而準確地揭示本質。所以說，孟德爾對人類的貢獻，不僅僅局限于遺傳學領域，還表現在科學思想的方法論上。,孟德爾學說又為什么被遺忘？孟德爾的理論簡明易懂，而在當時也迫切需要這樣一個理論，但為什么他的工作曾被完全忽視，以致被埋沒了34年呢？（1）孟德爾“生不逢時”。達爾文的光芒掩蓋了孟德爾。（2）對自己研究成果的意義認識不足。發表的論文卻屈指可數，而涉及其成果的論文只有一篇。其實，孟德爾還曾用紫羅蘭、玉米及紫茉莉等做過雜交實驗，并進一步證實了他在豌豆實驗中得到的結果。這些本來都可以作為系列文章發表，然而他卻隱而不發。他甚至沒有和其他的植物學家或雜交研究者聯系、交流，也沒有給國際或國內的會議投寄論文。在孟德爾的論文中沒有任何突出的理論，所謂“孟德爾第一定律”、“孟德爾第二定律”，都是后人給加上的。其大量篇幅給人的感覺是：比例和數字、“純粹的事實”。（3）由于數學統計方法首次引入生物學中。孟德爾以前的生物學完全是一門描述性的科學，生物學家們根本想不到數學會與生物學有聯系，也搞不懂統計數學對揭示生物學規律有什么幫助。一位捷克學者的親身經歷就生動地說明了這一事實。捷克學者伊爾蒂斯（HIltis）回憶說，1899年，他發現了孟德爾的論文，并激動地拿給他的導師看，可這位有學問的教授說，“呵！這篇論文我知道，它無關緊要。除了數字和比例，比例和數字外，一無它物。不要為它浪費時間，把它忘了吧！”,.孟德爾遺傳規律的重新發現1900年，同時有三位著名學者發現了孟德爾及其創立的顆粒遺傳學說。他們是荷蘭的狄弗里斯（DeVrisH.）、德國的科倫斯（CorrensC.）和奧地利的馮切爾邁克（VonTschermakE.）。在不同國家用多種植物進行與孟德爾早期研究相似的雜交試驗獲得與孟德爾相似的解釋德國植物學會雜志證實孟德爾遺傳規律確認重大意義。1900年孟德爾遺傳規律的重新發現標志著遺傳學的建立和開始發展孟德爾被公認為現代遺傳學的創始人。1910年起將孟德爾遺傳規律孟德爾定律。,紀念孟德爾先生：在其修道院建立了紀念館。,(3)狄費里斯（deVriesH.,18481935）提出“突變學說”（19011903）：認為自然界新種的產生不是長期選擇的結果，而是突然出現的，突變是生物進化的因素。,2.細胞遺傳學時期（19101939）,當時細胞學和胚胎學已有很大發展，對于細胞結構、有絲分裂、減數分裂、受精及細胞分裂過程中染色體動態都已比較了解。細胞學研究和孟德爾遺傳規律結合。研究工作的主要特征是從個體水平細胞水平建立染色體遺傳學說。,(1).約翰生（JohannsenW.,18591927）.1909年發表“純系學說”：正確區分了生物體的可遺傳變異（純系間的粒重差異）與不遺傳變異（純系內的粒重差異），并提出“純系內選擇在基因型上不產生新的改變”的論點，為自花授粉植物的純系育種建立了理論基礎。明確區別基因型和表現型；.最先提出“基因”一詞：替代遺傳因子概念。,.鮑維里（BoveriT.,1902）和薩頓（SuttonW.,1903）發現遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關系：兩者在體細胞中都成對存在，而在生殖細胞中則是成單的；成對的染色體或遺傳因子在細胞減數分裂時彼此分離，進入不同的子細胞中，不同對的染色體或遺傳因子可以自由組合。染色體很可能是遺傳因子的載體，染色體遺傳學說的初步論證。,(3)貝特生（BatesonW.,1906）.從香豌豆中發現性狀連鎖；.創造“genetics”。1899年，倫敦“植物雜交工作國際會議”；1902年，紐約“植物雜交工作國際會議”；1906年，倫敦“雜交和植物育種國際會議”。,.詹森斯（JanssensF.A.,1909）觀察到染色體在減數分裂時呈交叉現象，為解釋基因連鎖現象提供了基礎。,(5).摩爾根（MorganT.H.,18661945）.提出“性狀連鎖遺傳規律”；.提出染色體遺傳理論細胞遺傳學；.著“基因論”：認為基因在染色體上直線排列，創立基因學說。,基因學說主要內容：種質（基因）是連續的遺傳物質；基因是染色體上的遺傳單位，有很高穩定性能自我復制和發生變異；在個體發育中，基因在一定條件下，控制著一定的代謝過程表現相應的遺傳特性和特征；生物進化主要是基因及其突變等。這是對孟德爾遺傳學說的重大發展，也是這一歷史時期的巨大成就。,他對孟德爾學說的態度大致可分為：“擁護反對繼承并發展”3個階段?？茖W家的思維應該是發散的，而實驗結果則是限制思維的邊界，它們使發散的思維向真理的極限點收斂。摩爾根則正是這樣一位善于思考和實驗研究的科學家。由于對染色體遺傳理論的貢獻，摩爾根于1933年榮獲諾貝爾生理學醫學獎。他是第一位以遺傳學成就而榮獲諾貝爾獎的科學家，是染色體遺傳學的創始人，在孟德爾遺傳學向分子遺傳學發展的過程中，起著承上啟下、繼往開來的作用。,遺傳學發展史中，每一次適合的選取都導致了一次學科發展的飛躍。以哺乳動物為實驗材料，飼養管理一般都較復雜，生長期又長，而且由單基因控制的性狀少而難尋，所以，一般不適合遺傳學理論研究。而果蠅體型小，體長不到半厘米；飼養管理容易，既可喂以腐爛的水果，又可配培養基飼料；一個牛奶瓶里可以養上成百只。果蠅繁殖系數高，孵化快，只要1天時間其卵即可孵化成幼蟲，2-3天后變成蛹，再過5天就羽化為成蟲。從卵到成蟲只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蠅的染色體數目少，僅3對常染色體和1對性染色體，便于分析。作遺傳分析時，研究者只需用放大鏡或顯微鏡一個個地觀察、計數就行了，從而使得勞動量大為減輕。,果蠅作為遺傳學實驗材料的優越性,(6).斯特蒂文特（Sturtevant,A.H.）1913提出以交換值作為染色體上基因相對距離的想法。在此基礎上，繪制了第一張遺傳連鎖圖譜，標明基因在染色體上的線性排列。,(7)誘變穆勒（MullerH.T.）：1927年對果蠅用X射線誘發突變。斯特德勒（StadlerL.T.）：1927年在玉米用X射線誘發突變。證實基因和染色體的突變不僅在自然情況下產生，用X射線處理也會產生大量突變。人工產生遺傳變異的方法，使遺傳學發展到一個新的階段。布萊克斯生（BlakesleeA.F.）：利用秋水仙素誘導多倍體。,3.數量遺傳學和群體遺傳學的誕生（19301932年）,費希爾（FisherR.A.）1918年，發表了重要文獻“根據孟德爾遺傳假設的親屬間相關的研究”成功運用多基因假設分析資料，首次將數量變異劃分為各個分量，開創了數量性狀遺傳研究的思想方法。1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,為數量遺傳學的發展奠定了基礎。,4.從細胞水平向分子水平過渡時期（19401952年）,摩爾根及其弟子們將基因定位在染色體上。基因研究發展到細胞學水平之后，遺傳學面臨的歷史任務便是解決“基因究竟是什么？”的問題了。摩爾根及其弟子尤其是繆勒（HJMuller）相信，基因是某種化學分子，基因是通過化學過程而起作用的。他們進而認為，經典的物理學和化學方法最終能說明生命現象。研究基因的化學本質，單靠遺傳學的力量已經不夠，需要有生物化學家與物理學家的加盟。不同領域的科學家從不同方向朝基因的分子水平進軍，在分子遺傳學的醞釀時期形成了三大學派：信息學派、生化學派和結構學派。,由于微生物遺傳學和生化遺傳學研究的廣泛開展，使工作進入微觀層次其主要特征是以微生物為研究對象，采用生化方法探索遺傳物質的本質及其功能。,(1).比德爾（BeadleG.W.，1941）在紅色面包霉的生化遺傳研究中，分析了許多生化突變體：.提出“一個基因一種酶”假說；.發展了微生物遺傳學、生化遺傳學。以后研究表明，基因決定著蛋白質（包括酶）合成改為“一個基因一個蛋白質或多肽”。,同先前用果蠅作實驗材料相比，紅色面包霉有著許多優點，主要體現在四個方面：（1）產生有性后代的世代時間較短，條件適宜時只需幾天時間；（2）在實驗室條件下易于生長和保存，在含有簡單培養基的試管中就能生長；（3）由于找到了適當的方法（限制培養），從而使其代謝（生化）突變體容易鑒別；（4）成體階段是單倍體（僅有一套染色體），這樣就使得所有的突變基因都能表現出來，呈表現型，不存在所謂隱性突變。,.卡斯佩森（CasperssonT.O.）40年代初用定量細胞化學方法證明DNA存在于細胞核中。.以后又有人證明：.DNA是構成染色體的主要物質；.同種生物不同細胞中DNA的質與量恒定；.在性細胞中DNA的含量為體細胞的一半。,.阿委瑞（AveryO.T.,1944）等用純化因子研究肺炎雙球菌的轉化實驗，證明了遺傳物質是DNA而不是蛋白質。.赫爾歇（HersheyA.D.,1952）等用同位素示蹤法在研究噬菌體感染細菌的實驗中，再次確認了DNA是遺傳物質。至此，已為遺傳物質的化學本質和基因功能奠定了初步的理論基礎。赫爾歇與德爾布呂克和盧里亞一起，榮獲1969年的諾貝爾獎。,德爾布呂克與盧里亞的重要貢獻是證明了噬菌體和細菌都有基因，以及選取了一種恰當的生物學研究材料，從而為分子生物學的誕生奠定了堅實的基礎。,5.分子遺傳學時期（1953現在）,40年代中細胞遺傳學、微生物遺傳學和生化遺傳學取得了巨大成就，使一些物理學家對研究生物學問題產生濃厚的興趣。在量子力學家薛定諤生命是什么?（1944）一書影響下，一些物理學家和化學家研究遺傳的分子基礎和基因的自我復制這兩個當時生物學的中心問題。在生物研究中帶進了物理學理論、概念和方法。,(1).瓦特森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）意識到生物學問題可用物理學和化學的概念進行思考。根據對DNA化學分析和X射線晶體學結果DNA分子結構模式（雙螺旋結構，1953）。威爾金斯和富蘭克林為瓦特森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型提供了寶貴的數據資料。沃森、克里克和威爾金斯于1962年榮獲諾貝爾生理學醫學獎。沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型所依據的其實是1952年5月富蘭克林得到的DNA的X光衍射照片。從各專家處汲取所需，而得到新的綜合結果，而且這種綜合結果比其各部分更偉大，這是那些不能聚木為林的專家們無法領悟到的。,意義：為DNA分子結構、自我復制、相對穩定性和變異性提出合理解釋；DNA是貯存和傳遞遺傳信息的物質；基因是DNA分子上的一個片段；分子生物學誕生將生物學各分支學科及相關的農學、醫學研究推進到分子水平是遺傳學發展到分子遺傳學的重要轉折點。,1957年，泰勒（JHTaylor）等人應用放射性標記的胸腺嘧啶與放射自顯影技術，證明蠶豆根尖染色體的半保留復制。1958年，梅塞爾森（MMeselson）和斯塔爾（FWStahl）應用重氮標記與密度離心技術，證明大腸桿菌DNA的半保留復制。1957年開始，尼倫伯格（NirenbergMW.）等著手解譯遺傳密碼，經多人努力至1969年全部解譯出64種遺傳密碼。遺傳密碼的破譯，是生物學史上一個重大的里程碑。尼倫伯格與霍拉納于1968年榮獲諾貝爾生理學醫學獎。60年代先后明確mRNA、tRNA和核糖體功能。,雅可布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）1961年發表“蛋白質合成中的遺傳調節機制”一文，提出了大腸桿菌的操縱子學說，闡明微生物基因表達的調節問題。四年后的1965年，莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學與醫學獎。,由于上述成就，至60年代末已基本搞清楚蛋白質生物合成的過程，驗證了1958年克里克提出的“中心法則”。1970年，巴爾的摩（DBaltimore）和梯明（HMTemin）在致癌的RNA病毒中，發現依賴RNA的DNA多聚酶，即逆轉錄酶。這就是說，遺傳信息流也可以反過來，從RNADNA。這是一項重要的發現。巴爾的摩和梯明于1975年榮獲諾貝爾獎。1981年，切赫（TRCech）等人在四膜蟲發現自催化剪切的tRNA。1983年阿爾特曼（SAltman）領導的一個研究小組發現大腸桿菌的核糖核酸P的催化活性取決于RNA而不是蛋白質。這意味著RNA可以不通過蛋白質而直接表現出本身的某種遺傳信息。這是對中心法則的又一次補充和發展。切赫和阿爾特曼榮獲1989年的諾貝爾化學獎。,遺傳密碼的破譯解決遺傳信息本身的物質基礎及含義的問題。“中心法則”解決遺傳信息的傳遞途徑和流向問題。,分子遺傳學的許多成就是來自對原核生物的研究，70年代開始在此基礎上開展對真核生物的研究。細菌質粒、噬菌體、限制性核酸內切酶、人工分離和合成基因取得進展，1973年成功實現DNA的體外重組人類開始進入按照需要設計并能動改造物種和創造新物種的新時代。,亞伯（WArber）等人于70年代在分子水平上解開了細胞基因限制/修飾現象的謎團：細菌的酶對于入侵噬菌體DNA發生作用，將其切成小片段。而這些DNA被特殊修飾“標記”后就不會被切割了。亞伯找到了這種切割的酶，叫做限制性內切酶，它能識別DNA順序上特定的DNA位置并在這個地方切割。這種酶后來被廣泛地使用于基因工程中，亞伯因此榮獲了1978年度諾貝爾獎。,PCR技術,1984年春，繆里斯（KMullis）貼出一張海報，敘述了PCR技術，但未能引進起廣泛注意。1969年，有人從美國黃石國家公園溫泉中的水生棲熱菌體內分離純化出了耐熱的DNA多聚酶，后來的商品名叫Taq酶。1988年，西特斯公司的研究者們開始在PCR中使用Taq酶。這是PCR技術的重大改進，在此基礎上實現了反應的自動化，從而PCR技術得到了極為廣泛的應用?？娎锼挂虬l明PCR技術面榮獲1993年的諾貝爾化學獎。,在分子遺傳學中已成功：人工分離基因；人工合成基因；人工轉移基因；克隆技術應用。,目前：基因工程定向改變遺傳性狀。更自由和有效地改變生物性狀；打破物種界限，克服遠緣雜交困難；培育優良動、植物新品種；治療人類的一些遺傳性疾病。,遺傳學發展：整體水平細胞水平分子水平；宏觀微觀；染色體基因；逐步深入到研究遺傳物質結構和功能。,田中（1967）將遺傳學的發展劃為8個階段19001909形態遺傳morphogeneticsstage19101919細胞遺傳cytogeneticsstage19201929生理遺傳physiologicalgeneticsstage19301939誘變遺傳inducedmutationstage19401959生化遺傳biochemicalgeneticsstage19501959群體遺傳populationgeneticsstage19601969微生物遺傳microbialgeneticsstage1970分子遺傳moleculargeneticsstage與遺傳學有關的新學科（90s）分子數量遺傳學、生物信息學、基因組學。,6.遺傳學的研究分支,現代遺傳學已發展出30多個分支：細胞遺傳學數量遺傳學生統遺傳學發育遺傳學進化遺傳學微生物遺傳學輻射遺傳學醫學遺傳學分子遺傳學遺傳工程生物信息學基因組學等,從遺傳學的研究內容劃分：進化遺傳學；發育遺傳學；免疫遺傳學；腫瘤遺傳學；從遺傳學的研究層次劃分：群體遺傳學；細胞遺傳學；分子遺傳學從遺傳學的研究對象劃分：植物遺傳學；動物遺傳學；微生物遺傳學；人類遺傳學,進化遺傳學：研究生物進化過程中遺傳學機制與作用的遺傳學分支科學。研究內容：生物進化的機制突變和選擇有害突變淘汰和保留有利突變保留與丟失中立突變DNA多態性,發育遺傳學：研究基因的時間、空間、劑量的表達在生物發育中的作用的分支遺傳學。特征：基因的對細胞周期分裂和分化的作用。應用重點：胚胎干細胞組織工程轉基因動物克隆動物,免疫遺傳學：研究基因在免疫系統中的作用的遺傳學分支。重點：不是研究免疫應答的過程，而是研究基因在抗體和抗原形成和改變中的作用。,群體遺傳學：研究群體基因結構和基因頻率的改變的遺傳學分支。,細胞遺傳學：研究生物在細胞水平的遺傳結構和功能的遺傳學分支學科。重點：染色體結構和數目的變化與生物表型的關系細胞信號傳導過程中基因的作用,分子遺傳學：研究生物基因結構和功能的遺傳學分支學科。應用：基因工程（體外DNA重組技術）分子診斷基因治療,第三節遺傳學在科學和生產發展中的作用,1科學發展上的作用,解釋生物進化原因，闡明生物進化的遺傳機理；遺傳學表明高等和低等生物所表現遺傳規律相同；分子遺傳學的發展，進而認識生命本質(DNA、蛋白質)。,2在生產實踐上,對農業科學起直接指導作用（豐富和更新動植物育種新技術）；指導醫學研究，提高健康水平。,3遺傳學仍在發展,理論上和實踐上仍有許多需要解決的問題；廣泛利用豐富的生物資源，提高育種效果。,4當代遺傳學特點,理論扎實技術領先實用性強學科交叉,遺傳學是一門處于發展巔峰時期的學科。目前遺傳學前沿已