1、1生命科學引論課程概要：1、目的2、內容生命科學引論之遺傳學的魅力2遺傳學簡介遺傳學發展簡要回顧遺傳學的魅力21世紀的遺傳學怎樣學習遺傳學3本節內容提要：一、遺傳學簡介4遺傳變異（heredity and variation）研究生物體遺傳與變異規律的科學遺傳學（GENETICS），是生命科學的核心。567更多圖片：賀竹梅新浪博客遺傳學是以基因為中心的學科81、經典遺傳學-遺傳物質和性狀的傳遞2、分子遺傳學-以基因為中心，發展到基因組水平的遺傳學3、表觀遺傳學探索基因與環境關系的橋梁Cover story10今天的遺傳學已成為現代生命科學的核心。11從遺傳因子概念到DNA遺傳化學基礎；從研究遺

2、傳因子與性狀的關系到遺傳信息的表達與傳遞；從經典遺傳學方法到分子技術與經典技術結合的分析方法；從單個或少數基因研究模式到基因組水平上的基因互作模式；從DNA序列遺傳信息到序列之外的表觀遺傳信息。12DNA復制：遺傳物質的傳遞，突變的影響，復制錯誤，復制中的表觀遺傳調控，末端隱縮問題，環境的影響。囊性纖維化基因的研究：克隆，定位，篩查，基因功能，突變數據庫，突變的種族分布頻率，與環境因素的關系，基因治療，藥物開發。從研究的角度 從教學的角度遺傳學的中心命題：13二、遺傳學發展簡要回顧1415Mendelelian GeneticsMolecular GeneticsGenomic Genetic

3、sEpigenetics16Beadle and Tatum 一基因一酶 從左上順時鐘循環：Francis CrickMsurice WilkinsJames WatsonRosalind Franklin阿瑟科恩伯格DNA聚合酶的發現 杰羅姆勒瓊發現唐氏綜合征是由于人體的第21對染色體變異造成的馬歇爾尼倫伯格，羅伯特霍利和哈爾科拉納闡明遺傳密碼保羅伯格創造出第一個重組DNA分子美國開始了人工胰島素的生產 瑪麗克萊爾金和艾倫威爾遜發現，人類和猩猩的基因相似度達到99%沃爾特吉爾伯特，弗雷德里克桑格和艾倫馬克希姆開發出DNA測序技術1956 1959 1960 1966 1969 1972 19

4、75 1977 1978 mRNA的發現；第一個蛋白質晶體結構被解析喬納森貝克韋斯分離出第一個細菌基因DNA自動測序儀的發明DNA指紋技術的發現諾貝爾獎授予提出癌基因概念的畢曉普和瓦默斯第一只克隆動物多利羊誕生第一罐轉基因西紅柿出產p53基因抑癌機制果蠅、河豚魚和擬南芥的全基因組測序人類基因組序列圖繪制結束諾貝爾獎授予發現RNA干擾的安德魯法爾和克雷格梅洛GeneBank數據庫的建立PCR技術發明抑癌基因Rb的克隆人類基因組組織的成立（HUGO）第一個顯性遺傳?。ê嗤㈩D氏?。┑募膊』蚩寺?. 美國正式啟動基因組計劃2. 第一例基因治療進入臨床實驗 1985 1988 1990 1993 19

5、96 1999 2001 2005 1984 1986 1989 1991 1994 1997 2000 2003 2006 1.DNA芯片進入商業化應用2.酵母基因組測序完成完成人的22號染色體的測序諾貝爾獎授予發現細胞周期和調控機制的三位科學家 Science Magazines top 125 unanswered questions (2005)。在重中之重的25個問題中，生物學占了15席，其中涉及到大量的遺傳問題。19What Is the Universe Made Of?What is the Biological Basis of Consciousness?Why Do Hu

6、mans Have So Few Genes?To What Extent Are Genetic Variation and Personal Health Linked?Can the Laws of Physics Be Unified?How Much Can Human Life Span Be Extended?What Controls Organ Regeneration?How Can a Skin Cell Become a Nerve Cell?How Does a Single Somatic Cell Become a Whole Plant?How Does Ear

7、ths Interior Work?Are We Alone in the Universe?How and Where Did Life on Earth Arise?What Determines Species Diversity?20What Genetic Changes Made Us Uniquely Human?How Are Memories Stored and Retrieved?How Did Cooperative Behavior Evolve?How Will Big Pictures Emerge from a Sea of Biological Data?Ho

8、w Far Can We Push Chemical Self-Assembly?What Are the Limits of Conventional Computing?Can We Selectively Shut Off Immune Responses?Do Deeper Principles Underlie Quantum Uncertainty and Nonlocality?Is an Effective HIV Vaccine Feasible?How Hot Will the Greenhouse World Be?What Can Replace Cheap Oil -

9、 and When?Will Malthus Continue to Be Wrong?21三、遺傳學的魅力2223遺傳學創造出了更美的世界思念是基因般多彩的書卷， 寂寞猶如病毒一樣蔓延。 我把愛寫進核酸探針， 深埋在你的復制起點。就算紫外源在我們身邊出現， 世間的一切都發生著基因突變， 我們的心依然像肽鍵一樣緊緊相連。追憶我們生物反應的日子， 你的笑容就像熒光素一樣點亮了我的今天 與明天。 而現在的你卻為什么不在我身邊？ 24縱然我的心碎成了岡崎片段， 你的心發生了電子躍遷， 也不能改變我對你的愛戀。 我想你就像抗體想著抗原， 你的美麗是使我沖動的乙酰膽堿。 數個春秋盡是數個夜無眠, 每個堿

10、基都代表著我們永恒的誓言。 期待那么一天， 我們能再相見， 交織纏繞成塵世間最美妙的雙螺旋。25遺傳與變異的研究不但美，而且充滿吸引力！26“遺傳學的中心命題”（1）遺傳學中心命題不斷注入新的活力強調表型是環境與基因的互作，是遺傳學研究和學習過程中最基本的概念。28環境影響基因型的表達，因而影響表型的改變。同一遺傳型的繡球花品種的花色從紫羅蘭色到粉紅色都有，這依賴于土壤的酸性。 多數情況下，遺傳和環境共同影響表型，如皮膚曬黑，不同的紫外線照射及不同遺傳背景的皮膚受照射所產生的膚色是不同的。環境在表型確定中具有重要作用動物界中同性戀行為廣泛存在。在動物世界中的研究發現，同性行為并不影響動物的繁殖

11、能力，是一種適應性的表現，發生性關系的同性個體之間能夠結成同盟，共同維護領地，撫養后代，提高地位，有利于維持動物種群的穩定。30復雜行為性狀中的作用 E. Demir and B. J. Dickson (2005). “Fruitless Splicing Specifies Male Courtship Behavior in Drosophila.” Cell, 121: 785-794. 表達于神經元細胞的Fruitless基因的獨特的剪接方式可以影響雄果蠅的性取向。31同性戀的遺傳證據相關家系分析發現，同性戀家族成員中，兄弟所占比例最高（13.5），約人類族群中男同性戀比例的6.7倍

12、。母親姐妹的兒子以及母親的兄弟之間出現同性戀兄弟的比例也頗高，分占7.7%及7.3%。男同性戀的成因和遺傳有關系，是母系遺傳？32盡管如此，環境的誘導作用仍然是同性取向的重要影響因素。同性戀是基因和環境交互作用的結果。同性戀受遺傳、成長環境、家庭影響、長年的性壓抑或性誘導等多種因素的影響。神奇的基因表達與調控33基因大腸桿菌-半乳糖苷酶的合成。當培養基中葡萄糖用盡而存在半乳糖時,大量合成-半乳糖苷酶；當再次加回葡萄糖時,停止合成-半乳糖苷酶 34同卵雙生的兩人具有完全相同的基因組，在同樣的環境中長大后，他們在性格、健康等方面會有較大的差異，為什么？這說明：在相應的基因堿基序列沒有發生變化的情況

13、下，一些生物體的表型卻發生了改變。35DNA甲基化Hypermethylation，超甲基化hypomethylation，低甲基化一般，DNA甲基化程度越高，這段DNA被轉錄的可能性越小。36同卵雙生個體中之年齡依賴的表觀遺傳差異環境&表觀基因組（Epigenome）越來越多的證據表明胎兒對外部環境影響如環境污染、殺蟲劑或其他毒素、食物具有超級敏感性。（2）老問題的新發現39回過頭看孟德爾的豌豆雜交實驗：他研究了7對性狀，得出了基因的分離和自由組合定律。在回顧他的實驗時，我們不得不承認：在他的實驗中隱含著許多導致成功的”巧合”的因素。如7對性狀在后代的分離比驚人地符合3：1，是不是他有意的舍

14、棄了一些不符合的數據？又如，孟德爾得出他的結論的前提是7對控制這些性狀的基因剛好位于豌豆的7條不同染色體上，才能在每種性狀的組合上都得到他想要的結果，后來發現控制這7對性狀的遺傳因子只坐落在4條染色體上，這意味著決定這些性狀的遺傳因子在F2代中不一定完全自由組合。我們會懷疑，這需要多大的機會才能做到？孟德爾在實驗分析中有沒有把不符合他理論的數據給拋棄了？4041今天的基因組數據已經是海量了，如果我們從某一生物的基因組中隨機挑取7個基因，它們是連鎖的概率會是多大呢？42蜜蜂的性別決定似乎染色體倍性是性別決定因子實際上蜜蜂的性別決定機制是由一個基因的多個等位基因決定的，如果這個基因位點是雜合的，就

15、發育成雌性，如果只有一個拷貝就發育成雄性。這一結論通過近交獲得高水平純合的純合子是二倍體雄蜂得到了有力的證明。43a1 a1 a1或a1 a2每群蜜蜂中只有一個蜂皇，工蜂和蜂皇在遺傳結構上并無差別，但所食蜂皇漿的質量存在很大差別，導致二者不僅形態上差異巨大，且具截然不同的生殖能力、懸殊的生命期限以及相差甚遠的行為方式。研究發現，幼蟲發育過程中DNA甲基化的減少增加了變成蜂皇的機會，而營養物質漿改變了甲基化特征，并因此改變了基因表達的模式。44a1 a2蜂皇工蜂 科學悖論:生物的基因組在進化過程中越來越復雜，但是人的基因組卻比有些低等生物的基因組還簡單 C值悖論 在人類基因組中，全部基因序列只占

16、基因組的2左右。基因組內的非基因序列曾一度被研究者稱為“垃圾DNA”（junk DNA）。45（3）基因組序列列給我們思考的空間46一次能研究多少基因？Microarray？Sequencing？整個基因組在病變和用藥前后表達水平的變化?對環境刺激的響應？次級代謝物的調控？47整個基因組在處理（病變或用藥）前后表達水平的變化?對環境刺激的響應？次級代謝物的調控？（4）遺傳與進化誰也離不開誰481822-18841809-1882兩門學科在起點上非常相近1859年，達爾文發表了“The Origin of Species” 1865年，孟德爾發表了 “Experiments on Plant H

17、ybridization”4950群體遺傳學將經典遺傳學與進化生物學聯系到一起 1900-1915，孟德爾遺傳學說與物種進化間的相關性存在很大爭議 群體思想： 一個生物群體是由同種而又互有差異的個體所組成 它是達爾文全部理論(特別是自然選擇學說)的前提 但達爾文不知道什么是群體的遺傳結構黑匣子 孟德爾遺傳理論的重新發現使黑匣子逐漸被打開 1918-1930s，群體遺傳學的發展使得人們認識到遺傳與進化間的聯系，進化論和遺傳學走向結合。兩門學科在發展過程中密切相關(1)51群體遺傳學將經典遺傳學與進化生物學聯系到一起 1930s-1940s，現代綜合論(The Modern Synthesis)形

18、成，包含了達爾文的大部分思想，并從遺傳結構的角度給群體以新的詮釋進化生物學的里程碑 進化是漸變的過程 所有的進化現象都可用合適的遺傳機制來解釋 自然群體中存在的遺傳多樣性是進化的重要條件 自然選擇和遺傳漂變都是引起性狀演變的機制兩門學科在發展過程中密切相關(2)但遺傳多樣性的物質基礎究竟是什么呢？當時尚不明確!52 分子遺傳學1910，Morgan發現基因位于染色體上1944，肺炎球菌的轉化實驗1952，噬菌體感染實驗1953，DNA雙螺旋結構被發現隨后，DNA能以自身為模板合成mRNA及被翻譯為蛋白質(基因表達)有絲分裂與減數分裂，遺傳突變與重組 分子進化學不同物種間同源基因的DNA序列與蛋

19、白質序列有變化進化的分子基礎：突變，重組，轉座中性學說 vs. 選擇學說分子時代的研究證明DNA是真正的遺傳物質53基因組時代：人類基因組計劃的啟動和完成（1989-2003） 反向遺傳學 數字化生物學時代進化基因組學： 比較不同物種、不同種群或不同個體的基因組差異 發現新的功能基因或結構，理解功能的遺傳學基礎 探討功能變化和物種進化的機制 基因組時代的研究人面不知何處去，桃花依舊笑春風54自1933年摩爾根第一個在遺傳學領域獲得諾貝爾獎以來，至目前為止已有近80位科學家獲得與遺傳學研究相關的諾貝爾獎。55（5）諾貝爾獎喜歡青睞遺傳學最近連續5年(20062012)18人獲諾獎與遺傳學有關20

20、06年Fire和Mello二人，RNA干擾現象和雙鏈DNA沉默機理，這是遺傳學中基因表達與調控的重大發現；Kornberg第一次將真核基因的轉錄過程細致地描述下來，揭示了真核生物體內的細胞如何利用基因內存儲的信息生產蛋白質的過程；2007年Capecchi，Smithies和MJ Evans 三人，在涉及胚胎干細胞和哺乳動物DNA重組方面的一系列突破性發現及這些發現導致的“基因打靶”技術的發展，這是反向遺傳學的重要技術；2008年himomura，Chalfie和Tsien三人，因他們在發現和研究綠色熒光蛋白（GFP）方面做出貢獻，GFP對于遺傳學研究和遺傳工程的發展起到了重要作用；2009年

21、Blackburn，Greider和Szostak三人以表彰他們發現端粒和端粒酶保護染色體的機理，這更是一直困擾遺傳學家多年關于DNA復制的問題；Ramakrishnan，Steitz和Yonath三人“核糖體的結構和功能”的研究，核糖體是生命性狀表現者蛋白質合成的惟一場所，其結構和功能對遺傳信息的傳遞起重要作用。2010年Edwards因創立體外受精技術而獲獎。5657斯德哥爾摩時間10月8日11點半：2012年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了英國科學家John B. Gurdon和日本科學家Shinya Yamanaka，獲獎理由為“發現成熟細胞可被重編程變為多能性”。獲獎的研究工作破除了以往認

22、為胚胎發育及細胞分化不可逆的概念，完成了在體細胞中轉入基因并將其轉化為干細胞的重大突破，為實現干細胞治療及體外器官培養鋪平了道路。（6）遺傳學的應用舉例動植物的育種離不開遺傳學美國在20年代應用雜種優勢原理于玉米育種取得顯著增產效果；中國在70年代把此原理成功地應用于水稻生產。多倍體的生長優勢如小黑麥異源多倍體同樣在中國得到了應用。人工誘變是廣泛應用的育種方法之一。40年代以來微生物遺傳學的發展又推動了抗菌素工業以及其他新興的發酵工業的進步。70年代及其后體細胞遺傳學和分子遺傳學的發展進一步增加了育種的手段如單倍體育種、轉基因育種、分子標記育種等。轉基因技術已深入到我們的日常生活優生學是遺傳學

23、原理在人類生殖中的應用防止出生缺陷、提高出生素質的科學。韋伯英語新詞典中Eugenics被解釋為：通過控制婚配遺傳因素，來改善人種的運動。1995年版的生命倫理學百科全書定義為：一種“適者”強加于“不適者”并反對“不適者”出生、歧視少數民族或人群的政治、經濟、社會政策。 由于國家、文化及認識的不同，以優生學(Eugenics)稱謂的當代相關定義和實踐十分不同，優生學在當代爭議很大.鑒于眾多定義，1998年第18次國際遺傳學大會建議，英文“Eugenics”不再適于在科學文獻中使用。由于生殖細胞中的基因或染色體結構變異突變導致的遺傳性疾病。遺傳病是人類的一類重要疾病Genetic or here

24、ditary or inherited disease21三體綜合癥 遺傳學與癌癥遺傳學研究為致癌物質的檢測提供了一系列的方法。癌癥患病的傾向性是遺傳的，癌癥的起因又同DNA損傷修復有關，近年來癌基因的發現進一步說明癌癥和遺傳的密切關系，從長遠看，遺傳學研究必將為全面控制癌癥作出貢獻。 （7）許多遺傳學現象大家都感興趣越來越多的資料表明，來自父母雙方的同源染色體或等位基因存在著功能上的差異。基因組印跡( genomic imprinting) 是指在配子或合子發生期間，來自親本的等位基因或染色體產生專一性的加工修飾，導致后代體細胞中兩個親本來源的等位基因有不同的表達活性。基因組印記(genom

25、ic imprinting) 67現象公驢可以和母馬交配，生下騾（馬騾），如果是公馬和母驢交配，生下的叫驢騾。騾個大，具有驢的負重能力和抵抗能力，有馬的靈活性和奔跑能力，是非常好的役畜，但不能生育。驢騾個小，一般不如馬騾好，但有時能生育。 母馬 公驢母驢 公馬馬騾驢騾68 又如：人類的PWS和AS綜合征（Prader-Willi/Angelman） 不同的癥狀： PWS：智力低下，過度肥胖，身材矮小，小手小足 AS： 特殊面容，大嘴呆笑，步態不穩，智力低下PWS AS69 人類的PWS和AS綜合征 相同的原因 15號染色體長臂15q11 q13有微小缺失 不同的原因 PWS 患者缺失的15號染

26、色體來自父親，即缺少父源15號染色體缺失片段上的基因。 AS 患者缺失的15號染色體來自母親，即缺少母源15號染色體缺失片段上的基因。70 基因組印記是由于來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發生了修飾，使帶有親代印記的等位基因具有不同的表達特性，這種修飾常為DNA甲基化修飾，也包括組蛋白乙酰化、甲基化等修飾。71遺傳力（heritability）是指對于某一特定性狀在一定時間和某一群體中由于基因的作用所造成的表型變異百分率，即親代傳遞其遺傳特性的能力。H2=VG/(VG+VE)(誰的力氣更大？)遺傳力是怎樣影響性狀的？72性狀遺傳力性狀遺傳力 性狀遺傳力身高0.81理科天賦0

27、.34先天性幽門狹窄0.75體重0.78文史天賦0.45抑郁癥0.45口才0.68哮喘0.80早發型糖尿病0.35IQ（Binet）0.68先天性心臟病0.35遲發型糖尿病0.70拼寫能力0.53胃潰瘍0.37高血壓0.62數學天賦0.12唇裂0.76冠狀動脈病0.65人類一些性狀的遺傳力73四、21世紀的遺傳學74盡管遺傳學的基本概念和輪廓已經建立，然而，有許多遺傳機制是不清楚 的。它仍將是一門發展迅猛的對今后科學家具有挑戰性的學科。75在美國10個CDC的死亡主因中有 9個存在遺傳因素1. 心臟病(31.0%) 2. 癌癥 (23.2%) 3. 中風 (6.8%)4.慢性阻塞性肺病(4.8

28、%)5. 受傷 (4.2%)6. 肺炎/流感 (3.9%)7.糖尿病(2.8%)8. 自殺 (1.3%)9.腎病(1.1%)10.慢性肝病(1.1%)1. 心臟病(13.7%) 2. 中風 (9.5%) 3.肺病(6.4%)4. HIV/AIDS (4.2%) 5.慢性阻塞性肺病(4.2%)在10個WHO全球死亡主因中有 9個存在遺傳因素6.痢疾(4.1%)7.圍產期(4.0%)8.肺結核(2.8%) 9.氣管/支氣管/肺癌(2.3%)？10. 交通事故(2.2%) 2022/9/2479科學技術的發展在不斷的改變人的觀念和行為！對基因組的研究和認識；各種組學研究技術的發展；合成生物學的發展；

29、表觀遺傳學研究的發展。遺傳學的先進性來自于：21世紀的遺傳學1、基因功能的研究2、從基因到表型的蛋白質組學研究3、基因表達調控的網絡研究4、進化和發育的遺傳5、表觀遺傳學81五、怎樣學習遺傳學82現代遺傳學在以下三方面表現最為突出(概念、分析、新知識)：遺傳學可謂是一門“造詞”學科。就“遺傳”二字來講，派生出來的詞就有數百個，如遺傳因子、母體遺傳、遺傳力、遺傳平衡、遺傳易感性、遺傳圖譜、遺傳標記、遺傳印記、遺傳方差、遺傳重組、遺傳工程、遺傳信息，等等。而且，隨著遺傳學的發展，新的名詞不斷誕生，如SNP、HapMap、單倍型、內蛋白子、表觀遺傳、副突變、基因組印記、組蛋白密碼，以及各種組學名詞等

30、。831、重視遺傳學基本概念的學習84顯性： 共顯性 半顯性 復等位 擬等位 表觀顯性（epidominance) 上位 表型，基因型 ，epigenotype，epiphenotype遺傳粒子基因等位基因【全同等位基因(homoallele)、非全同等位基因(heteroallele)】 表觀等位基因（epialleles）黃曲霉毒素是主要由黃曲霉菌產生的可致癌毒素，其生物合成受多個基因控制，也受溫度、pH等因素影響。下列選項正確的是 A環境因子不影響生物體的表(現)型 B不產生黃曲霉毒素菌株的基因型都相同 C黃曲霉毒素致癌是表(現)型 D黃曲霉菌產生黃曲霉毒素是表(現)型 2010年高考試

31、題理綜（廣東卷）86遺傳分析重點轉移經典遺傳學注重遺傳性狀的傳遞規律分析；現代遺傳學應在此基礎上加入現代元素如分子標記、基因組信息分析、表觀遺傳學分析等。2、加強遺傳分析思維的訓練在副突變遺傳現象中，親代中的一個等位基因會在下代中影響另外一個等位基因的作用，盡管它們已經不在一起了。副突變（paramutation）能改變另一個等位基因的等位基因稱為副誘變基因（paramutagenic allele）；被改變的等位基因稱為副突變基因（paramutable allele）。一個中性的等位基因(neutral allele)既不是副誘變基因，也不是副突變基因。大多數等位基因是中性的！如果被副突變而改變了的基因也成為了副誘變基因。副誘變等位基因的影響可持續一代至多代。在孟德爾分離定律中，一對等位基因進入不同的配子中，相互之間完全沒有影響。