遗传学.docx
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遗传学
遗传学
（Genetics）
学分数3周学时3
教学目的与要求：
课程性质：
生物学专业学生必修课
预修课程：
生物化学（含基础分子生物学），微生物学
基本内容：
遗传学基本概念，原理和实验、分析方法
基本要求：
学生通过学习对遗传学概念有透彻的理解，掌握基本遗传分析方法，思路清晰，能够利用所学知识独立分析解决具体问题，根据具体要求和目的查阅相关文献，并设计简单的实验
教学方式：
课堂讲解遗传学基本原理和分析方法，结合课后讨论，外邀专家专题讲座，着重培养学生独立思考和解决问题的能力，期末考试
参考教材：
1.赵寿元、乔守怡主编：
现代遗传学，高等教育出版社，2001年8月第1版
2.刘祖洞主编：
遗传学，高等教育出版社，1991年4月第2版
3.遗传学王亚馥等高等教育出版社
4.GeneVIIBenjaminLewin
5.AnintroductiontogeneticanalysisAnthonyJ.F.Griffiths
6.PrinciplesofGenetics，D.P.SnustadandM.J.Simmons,JohnWilly&Sons,Inc,2002,3rdedition
教学内容：
1．绪论（2学时）
什么是遗传学
遗传学的分支学科
遗传学的诞生和发展历史
2.经典遗传学（8学时）
遗传物质的确定和相关实验证据
DNA结构
中心法则
孟德尔遗传定理及其重新发现
摩尔根遗传连锁定律和实验分析
伴性遗传
基因和表型
等位基因和复等位基因
基因定义的演变
基因结构：
断裂基因和重叠基因
核外遗传:
线粒体和叶绿体基因组,母系遗传
转座子
3．肿瘤遗传学（4学时）
肿瘤的发生机制
不同肿瘤的遗传特征
肿瘤的预防和治疗
4．基因和染色体（6学时）
染色体畸变:
缺失,重复,倒位,易位,
染色体数量的改变:
单倍体,三倍体,多倍体,缺体,三体,多体
肿瘤遗传学
癌基因和抑癌基因
病毒致癌原理
癌症治疗策略
5.细菌遗传分析（2学时）
常用的重组分析材料
F因子中断作图
溶源性噬菌体介导的作图
6．基因组（6学时）
基因组复杂性
基因组构成
基因家族：
直向同源基因和平行同源基因
大分子基因文库的构建和意义
各种分子标记的原理和应用
遗传分析和基因定位克隆
基因功能研究方法
基因组的起源和进化
新基因产生的方式
基因进化机制
利用基因家族进行进化分析
7．基因与发育（6学时）
单细胞生物发育
多细胞生物发育：
分化和决定
细胞刁亡
干细胞概念和应用
线虫发育过程
果蝇体节发育的调控
哺乳动物的发育
不同的性别决定机制,性染色体特征,性别异常
信号传导
8．基因表达和调控（8学时）
顺式调控元件和反式调控因子：
启动子，增强子，弱化子，绝缘子，沉默子，转录因子
转录水平的调控
转录后调控：
RNA修饰，可变剪接，RNA编辑
翻译和翻译后调控：
翻译速度和RNA降解，蛋白质折叠，修饰和加工
蛋白质的降解途径
9．数量遗传学（4学时）
单基因性状和多基因性状
分析多基因性状的方法和原理
遗传率
近亲繁殖和近交系数计算
杂种优势
10．群体遗传学（4学时）
平衡群体和基因频率
基因库和基因频率：
突变和选择对基因频率的影响
遗传漂变,瓶颈效应,奠基者效应,中立学说
11．基因工程原理（4学时）
工具酶及其应用
载体，宿主及其应用范围
PCR原理和应用
转基因生物
基因诊断和治疗
分子生物学常用分析手段
本课程历史变革
复旦大学的遗传学课程创始于1956年,在国际著名遗传学家谈家桢教授的主持下,由国内著名的遗传刘祖洞,执教,谈家桢教授也曾多次参加讲课,1987年至1992年由江绍慧教授主讲遗传学,1993年以后,由乔守怡和赵寿元教授主讲遗传学课程,为配合该课程或相关课程,复旦大学编写了<<遗传学>>,<<分子遗传学>>,<<微生物遗传学>>,<<人类医学遗传学>>,<<英汉生物工程词典>>,<<现代遗传学>>等数十本教程,其中刘祖洞教授编写的<<遗传学>>曾获国家教委优秀教材二等奖。
由赵寿元,乔守怡主持的遗传学课程教学曾多次受到市,部委,国家级的奖励,1991年以来曾获上海市优秀教学成果二等奖、上海市优秀教学成果一等奖,优秀教学成果国家级二等奖等多项奖励,在国内具有很大影响。
遗传学教学大纲讲稿要点
第一章绪论
关键词：
遗传学Genetics
遗传heredity
变异variation
一．遗传学的研究特点
1.在生物的个体，细胞，和基因层次上研究遗传信息的结构，传递和表达。
2.遗传信息的传递包括世代的传递和个体间的传递。
3.通过个体杂交和人工的方式研究基因的功能。
“遗传学”定义
遗传学是研究生物的遗传与变异规律的一门生物学分支科学。
遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和调控的一门生物学分支科学
遗传heredity
生物性状或信息世代传递的现象。
同一物种只能繁育出同种的生物
同一家族的生物在性状上有类同现象
变异variation
生物性状在世代传递过程中出现的差异现象。
生物的子代与亲代存在差别。
生物的子代之间存在差别。
遗传与变异的关系
遗传与变异是生物生存与进化的基本因素。
遗传维持了生命的延续。
没有遗传就没有生命的存在，没有遗传就没有相对稳定的物种。
变异使得生物物种推陈出新，层出不穷。
没有变异，就没有物种的形成，没有变异，就没有物种的进化，遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生物生生不息，造就了形形色色的生物界。
二.遗传学的发展历史
1865年Mendel发现遗传学基本定律。
建立了颗粒式遗传的机制。
1910年Morgan建立基因在染色体上的关系。
1944年Avery证明DNA是遗传物质。
1951年Watson和Crick的DNA构型。
1961年Crick遗传密码的发现。
1975年以后的基因工程的发展。
三.遗传学的研究分支
1.从遗传学研究的内容划分
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
生物进化的机制突变和选择
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。
应用重点干细胞的基因作用。
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。
2.从遗传学研究的层次划分
群体遗传学研究基因频率的改变的遗传学分支。
群体遗传学基因结构和基因率的改变
例题群体中存在一个隐性有害基因，基因频率是万分之一。
如果实行优生政策，不准该个体结婚或生育。
基因率降低到十万分之一时，需要多少代？
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：
染色体结构合数目的变化与生物表型的关系。
进展：
细胞表面抗原的形成和改变，细胞信号传导过程中基因的作用。
目前的实验：
细胞表达系统。
例如：
无籽西瓜的染色体组成.
普通西瓜2n＝22
诱变成功的4倍体作母本X2倍体父本杂交，获得3倍体西瓜，在形成生殖细胞时，不能正常减数分裂，所以成为无籽西瓜。
分子遗传学研究生物基因组结构和功能的遗传学分支学科。
基因工程
生物制药
分子生物学技术
3.从遗传学研究的对象划分
微生物遗传学以微生物为研究对象的遗传学分支。
重点研究病毒，细菌，真菌的基因结构，基因功能。
基因工程的载体，受体等
人类遗传学研究人类遗传和变异规律的分支科学。
人类性状的遗传分析
遗传病的分布和发生机理
遗传病的诊断
基因治疗
遗传学疾病人类3千多种，涉及上万个基因。
染色体疾病基因突变疾病，线粒体疾病，孟德尔遗传病，多基因遗传病.
1930年色盲基因第一个定位，1974年kappa轻链缺乏症基因第一个克隆。
目前已定位孟德尔遗传病基因1600多，克隆了其中的940多种
肿瘤抑制基因（antioncogene）
Rbdel13q1427个exon,12个intron
视网膜母细胞瘤克隆的概念与类型
四．克隆
1．Clone源于希腊文klon，嫩枝的意思，是指从树上取下嫩枝，栽在地上以成另一棵树。
是细胞、植物、动物或人的精确的遗传复制。
名词，一群具有相同基因型的微生物。
2．哺乳动物细胞克隆技术，又称哺乳动物的核移植或无性繁殖技术；它是通过特殊的人工手段（显微操作，电融合等）对哺乳动物特定发育阶段的核供体（胚胎分裂球或体细胞核），及相应的核受体（去核的受精卵或成熟的卵母细胞）不经过有性繁殖过程，进行体外重构并通过重构胚的胚胎移植，从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的。
3．克隆技术存在的问题
动物克隆技术虽然取得了一定的进展，但该技术目前还很不完善。
存活率低是当今核移植技术的最大缺陷。
克隆羊的端粒较同年羊短。
可能会减少寿命。
基因组印记现象在哺乳动物的发育中普遍存在，基因组印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究。
核移植过程中产生的个体突变频率高。
第二章基因的概念和结构
第一节孟德尔遗传分析
关键词：
显性dominant隐性recessive
基因型genotype表型phenotype
分离定律lawofsegragation
自由组合定律lawofindependentassortment
复等位基因（multiplegene）
顺反子（cistron）
超基因（supergene）
假基因（pseudogene）
可动基因（mobilegene）
染色体外基因
复等位基因（multiplegene）
连锁（linkage）
交换（crossingover）
重组（recombination）
•插入序列insertedsequence,IS
•转座子transposon，Tn
一.分离定律
实验:
P:
红花X白花
基因型CCcc
配子Cc
F1代红花
基因型Cc
配子C，c
F2代红花白花
基因型CC，Cccc
比例3：
1
分离定律:
杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到雌雄配子中去的规律。
基础概念
杂合体（heterozygote）：
基因座上两个不同的等位基因的个体。
纯合体（homozygote）：
基因座上两个相同的等位基因的个体。
回交（backcross）：
杂交的子一代与亲代的交配形式。
测交（testcross）：
杂合个体与纯合隐性个体的交配形式。
性状（character）：
生物的形态，结构，生理功能过程的特征。
显性（dominant）：
杂合子生物表现出来的性状
隐性（recessive）：
杂合子生物被掩盖的性状。
等位基因（allile）：
同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因。
表型（phenotype）：
生物个体形成的性状表现。
基因型（genotype）：
生物个体的基因组成
孟德尔假设
1.遗传性状由遗传因子决定。
2.遗传因子是成对存在得。
3.生殖细胞中具有成对因子中的一个。
4.每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞。
5.形成生殖细胞时，成对因子相互分离。
6.生殖细胞的结合是随机的。
7.遗传因子有显隐性之分。
孟德尔分离比实现的条件
1.杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的。
2.两种配子结合是随机的。
3.子二代基因型个体存活率是相等的。
4.显性是完全的。
二.孟德尔自由组合定律
实验：
黄，满X绿，皱
基因型YYRRyyrr
配子YRyr
F1代黄满
基因型YyRr
配子YRYryRyr
F2代黄满黄皱绿满绿皱
基因型Y_R_Y_rryyR_yyrr
表型比：
9：
3：
3：
1
孟德尔自由组合定律:
两对非同源色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，形成四种基因型的配子。
在杂交时四种配子随机结合，形成四种表型，9种基因型的群体。
多对非等位基因分析
例题：
•AABBCCXaabbcc子一代自交，子二代中，表型为A-B-C-的比例是多少？
1.子一代自交，子二代中，基因型为AaBbCc的比例是多少？
2.子一代自交，子二代中，杂合体的比例是多少？
一个基因决定了一个性状。
一个性状并不一定由一个基因所决定。
事实上，很多性状由一系列基因所决定。
当考察性状的遗传方式时，是以在其它基因相同的条件下，仅仅列出了差别的基因。
例题
一对表型正常的夫妇生有一个有病的孩子和一个表型正常的孩子。
1.再生一个是有病孩子的机会是多少。
2.如果表型正常儿子与一个另一个同样类型的表型正常女子结婚，生有病子女的机会是多少。
如果一个表型正常，等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚，生有5个孩子，其中无病子女的机会是多少，3病2正常的机会是多少。
孟德尔分离定律的普遍性
适用于单基因遗传性状的分析
例如：
人类的白化病；
RFLP（DNA限制性内切酶片段长度多态性。
）
EcoRV酶切人体基因组DNA，与苯丙氨酸羟化酶基因探针杂交，获得3Okb和25kb的两种类型，父母是正常表型，两个孩子一个是表型正常30kb/25kb杂合体一个是有病个体，25kb/25kb纯合体，推测，25kb可能与有病基因连锁。
孟德尔定律数据的统计处理
适合度测验（goodnessoffit）
实验实际比数与理论比数适合的程度。
卡平方测验适合度
孟德尔定律的适用范围
•并显性：
当一对等位基因杂合时，两个基因所控制的性状同时表达的现象。
•外显率－带有显性基因个体表现出所控制的性状的实际数与理论数之比。
第二节连锁遗传分析
F1杂合子形成配子时，两对基因有保持亲代原来组合的倾向，并且这种倾向与显隐性无关。
摩尔根的试验
摩尔根根据大量实验结果，提出连锁交换定律，即遗传的第三定律：
处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率
连锁（linkage）：
同一亲本的基因趋向于联合
交换（crossingover）：
同一亲本的基因相互分开，重新组合
重组（recombination）：
由于同源染色体上的不同等位基因间的重新组合，产生不同于亲本的类型
重组频率recombinationfrequency,RF
重组频率的计算：
重组频率（RF）：
重组型数目/（亲本型数目＋重组型数目）
1%重组值为一个单位，称一个厘摩，记作1个CM。
基因在染色体上的距离以重组值为根据，画出的基因距离图称遗传学图（geneticmap）。
三点测交（threepointtesscross）
关于连锁和交换的几个实例
●用RFLP做Arabidopsis遗传图：
两个亲本分别用不同限制性内切酶做酶切，并分别用探针A（蓝色）和探针B（绿色）做Southern杂交。
若两种RFLP自由分离，F2代中亲本型和重组型出现频率相同（CaseI）；否则，若二者紧密连锁，重组型出现频率将大大小于亲本型出现频率（CaseII）
根据重组频率可以计算遗传标记RFLP间的图距。
●应用连锁遗传分析做疾病
的产前基因诊断
β地中海贫血是一种常见的遗传疾病，重症型往往造成死亡。
可通过产前诊断预防患儿的出生。
利用几种限制酶对几个地中海贫血家系的患者及其父母进行RFLP分析。
根据所得结果，可选用特定的探针和限制性内切酶对胎儿做产前基因分析。
家系分析
用限制性内切酶AvaII和探针βIVS以及限制性内切酶HindIII和探针pRK28进行分析
第三节血型遗传学
复等位基因：
一个群体中，存在着2个以上的等位基因。
•ABO血型系统遗传方式
A血型：
IAIA;IAi
B血型：
IBIB;IBi
AB血型：
IAIB
O血型：
ii
例题
•一对分别都是AB血型的夫妻，所生的子女
A型，AB型B型
¼½¼
•某一人群B血型占0.45，O血型占0.36，计算该群体中A和AB血型的比例。
孟买血型和类孟买血型
特例：
临床中发现有一位病人在验血中确定为B血型，在接受O型血的输血后，引起凝血反应。
在对供血者血液重新检测时发现，其血细胞在与抗A血清反应时，初时无反应，2个小时后呈凝集反应。
所以确定供血者为A型，而不是O型。
有一犯罪嫌疑人在犯罪现场留下的唾液鉴定血型是O型，但是在重点检查某一嫌疑人时，检测出该人的血型是B型，在其它举证都确凿的情况下，已经确认该人是犯罪人，为什么会出现体液与血液血型不一致的现象？
有一AB血型男子与O血型女子结婚，生了一个O型孩子，分析其原因。
CISAB。
9q34同源染色体不等交换。
二．Rh血型系统遗传分析
恒河猴红细胞（Rhesusmonkeys抗原）免疫家兔
兔抗猴血清检测人红细胞。
85％产生凝集反应
15％无凝集反应
定名恒河猴红细胞抗原为Rh抗原。
Rh阳性血型的红细胞带有Rh抗原，无抗体。
Rh阴性血型的红细胞没有Rh抗原，有抗体
Rh血型新生儿溶血症
Rh阴性血型的母亲怀有Rh阳性血型的胎儿，在母亲胎盘异常情况下，临产时会出现母亲的抗体进入新生儿血液中，与婴儿的抗原产生免疫反应，造成婴儿溶血。
Rh血型的遗传机制
Rh抗原受控与3个紧密连锁的基因座：
Cc；Dd；Ee。
以单倍型方式传递。
当D基因存在时，为Rh阳性。
d基因没有相应的抗原，是Rh阴性血型。
单倍型：
一条染色体上的基因组成。
CDE；CDe；CdE；Cde;cDE；cDe;cdE;cde;
三．人类白细胞抗原（hunmanlecucocyantigen，HLA）
抗宿主反应：
受体抗原－供体抗体
排斥反应：
受体抗体－供体抗原
主要组织相容性抗原系统
（majorhistocompatibilityantigensystem）
主要组织相容性复合体基因
（majorhistocompatibilitycomplexgene,MHC）
HLA的遗传机制
主要组织相容性抗原按免疫性分为三类：
第一类：
移植抗原（transplantationantigen）,
位于T淋巴细胞上，
编码基因为：
HLA——A，B，Ｃ
第二类：
免疫反应的信息传递抗原。
编码基因为：
HLA——DR，DQ，DP
第三类：
补体蛋白，与抗原－抗体复合物作用。
编码基因为：
HLA——C2，C4，Bf
同一条染色体上的基因组成被称为单倍型（haplotype）
白细胞抗原的单倍型分析
父抗原：
A2，A11，B13，Bw46
母抗原：
A3，A9，B5，B7
子1抗原：
A2A3B7Bw46
子2抗原：
A11A9B5B13
子3抗原：
A2A9B5Bw46
子4抗原：
A3A11B7B13
子5抗原：
A3A11B7Bw46
四．MN血型的遗传分析
人群中存在着MN血型系统，受M和N两个基因控制，并显性。
MN
MMMMN
NMNNN
MN血型的遗传分析
MNSs是紧密连锁的血型基因
单倍型是：
MS;NS;Ms；Ns
基因型有10种：
MS;NS;Ms；Ns
MS／ＭS;Ms／Ｍs
ＮS／NS;Ｎs／Ns
MS／NS;ＭＳ／Ｍs
MＳ／Ｎｓ;Ms／Ns
ＮＳ／Ｍｓ；ＮＳ／Ｎｓ
例题：
用M和N血清检查一个家庭，确定父亲基因型是NN,母亲是MM，儿子是MM。
结论：
儿子不是该夫妻的亲生孩子。
但是其它血型和方法证明孩子的确是亲生的。
发现了Mg抗原亚型。
Mg抗体不能与M抗原反应。
检测结果，父亲表型是具有Mg和N抗原，基因型是MgN。
五．伴性血型遗传
Xg血型的遗传分析
Xg抗原是目前发现的第一个与性别有关的抗原
基因:
Xga有Xg抗原
Xg无Xg抗原
Xga对Xg显性
第四节基因组中的转座成分
一．转座因子
玉米粒颜色的遗传。
正常：
有色有色
异常：
有色无色，色斑
玉米的转座子
•玉米色粒调控元件
Ac-Ds系统第9染色体
C基因，色素合成基因。
Ac基因，自主移动的调节因子。
4.5kb,5个exon,编码转座酶。
Ds基因，非自主移动的受体因子。
0.5---4.0kb,与Ac有同源序列。
插入引起色素不能合成。
•插入序列（insertionsequence,IS）
仅含有转座酶基因的简单转移序列。
长度多在700－1500bp左右。
由末端反向重复序列（IR），转座酶基因组成。
插入基因组中时，在靶位上生成正向重复序列（DR）
常见的IS结构
IS长度末端IR靶位DR插入选择
IS1768239随机
IS213274195热点
IS414281811（12）AAAN20TTT
IS51195164热点
IS101329229TNAGCN
IS50153199热点
转座子（transposon,Tn）
•带有转座酶基因等必需基因及抗药性等与转座无关基因的转座因子。
结构特征：
两端具有同向或反向插入序列，同时，两端的IS可能相同或不同。
常见的转座子：
转座子长度标记末端取向
Tn55700KanRIS50反向
Tn109300TetRIS10反向
Tn92500CamRIS1正向
反转录转座子（retrotransposon）
通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。
病毒超家族（viralsuperfamily）,可编码反转录酶或整和酶，自主转录。
呈DNA时，具有LTR序列。
非病毒超家族（nonviralsuperfamily）,不可编码反转录酶或整和酶，不能自主转录。
呈DNA时，无LTR序列。
果蝇的转座子
P（PElement）
开放阅读框ORF0…ORF1…ORF2…ORF3
内含子123
P因子表达差异：
ORF0，1，266KD，转座阻遏物
ORF0，1，2，387KD，转座酶
P型细胞质：
含66KD，阻遏转座
酵母的转座子
Ty（Transposonyeast）
转座引起的遗传效应
•插入突变
•插入失活
•插入带来新的基因
•非精确解离形成突变（缺失，重
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