普通生物学林宏辉第六章遗传学.docx
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普通生物学林宏辉第六章遗传学
第六章遗传学
教学重点：
1、中心法则
2、变异
3、基因工程
教学难点：
1、基因表达调控
教学措施：
研究实例列举
2、基因工程
教学措施：
结合转基因的实际应用讲解
第六章遗传与变异
一、遗传学三大定律
（一）孟德尔与豌豆实验
1、遗传因子假说
（inheritedfactorhypothesis）
2、分离定律（lawofsegregation）
3、自由组合律（lawof
independentassortment）
遗传因子假说
♦合子及其发育成的个体含有成对的遗传因子：
纯合子（homozygote）:
AA,BB,OO
杂合子（heterozygote）:
AO,BO,AB
♦性状（character/trait）：
显性（Dominant）显性因子:
A,B
隐性（Recessive）隐性因子:
OO
孟德尔——分离定律
亲代：
AA紫花Xaa白花
子一代F1：
Aa紫花
子二代F2：
Aa
AAA紫Aa紫
aAa紫aa白
紫花：
白花=3：
1
验证
Aa紫花Xaa白花
Aa紫花aa白花
1：
1
遗传学第一定律——分离律
♦形成生殖细胞时，成对的遗传因子分离，各自分到不同的配子中去；
♦受精时，不同配子间相对应的两个遗传因子又以同等的机会互相结合。
孟德尔——自由组合律
亲代YYRR黄圆Xyyrr绿皱
配子YRyr
F1：
YyRr黄圆
F1配子YRYryRyr
F2代：
遗传因子有16种组合，四种表现型：
黄圆：
黄皱：
绿圆：
绿皱=9：
3：
3：
1
验证
YyRr黄圆Xyyrr绿皱
黄圆YyRr：
黄皱Yyrr：
绿圆yyRr：
绿皱yyrr
1：
1：
1：
1
遗传学第二定律——自由组合律
♦针对一对以上的性状而言，控制不同性状的遗传因子在形成配子时可以自由组合到不同的生殖细胞中，受精时，再以相同的机会互相结合。
已知：
鹦鹉毛色遗传因子两对：
B-b、C-c
B：
黄色；C：
蓝色
b和c是隐性因子，不产生色素。
请问：
1、四种颜色鹦鹉的遗传因子组成情况如何？
2、两只绿色鹦鹉产生后代的情况怎样？
遗传因子的定位
（二）萨顿与蚱蜢
背景国哥伦比亚大学研究生WalterS.Sutton，研究蚱蜢精子的发生。
减数分裂
萨顿所观察到的蚱蜢染色体
减数分裂过程中染色体的行为与
孟德尔的遗传因子惊人的相似
1、成对存在；
2、形成生殖细胞时减半；
3、受精时数目复原；
4、减数分裂时，同源染色体行为符合
分离律
5、非同源染色体进入生殖细胞时的配
合，符合自由组合律。
遗传因子的定位
遗传因子位于染色体上
♦Sutton,WalterS.（1903）.Thechromosomesinheredity.Biol.Bull.4:
231-251.
♦Boveri,Th.（1902）.ÜbermehrpoligeMitosenalsMittelzurAnalysedesZellkerns.Verh.phys.-med.Ges.35:
67-90
遗传因子——基因
1909年，丹麦遗传学家
约翰逊（Johanson.W.L）
将遗传因子（inheritedfactor）
更名为基因（gene）
（三）摩尔根与果蝇（fruitfly）
FruitFlyChromosomes
设想
实际实验结果一
合理解释
基因不能随意组合
实际实验结果二
合理解释
遗传学第三定律——连锁和交换律
♦位于同一染色体上的基因呈线性排列，基因间存在着连锁（linkage）和交换（crossingover）现象。
♦交换导致重组（recombination）。
♦两个基因在染色体离得越远，重组频率越高，反之越低。
重组频率
基因定位
3、连锁与交换定律（摩尔根）
♦位于同一条染色体上的基因连在一起伴同遗传的现象称为连锁（linkage）
第六章遗传与变异
二、基因的本质
染色体结构
研究基因的本质
（一）
有荚膜——致死无荚膜——存活
肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）感染实验一
FredrikGriffith,1928
研究基因的本质
（一）
肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）感染实验二
FredrikGriffith,1928
研究基因的本质
（二）
OswaldAveryetal.,1944
研究基因的本质（三）
放射性同位素标记噬菌体T2
AlfredDayHershey，1952
多项实验证实
基因的本质是
DNA
第六章遗传与变异
三、基因的结构、功能和调控
1、DNA结构：
华生（Watson）和克里克（Crick）
DNA双螺旋模型（1953）
DNA半保留复制（1953）
获1962年诺贝尔奖
半保留复制（semi-conservative）
后续链（theLaggingStrand）的合成
DNA的复制
♦解链酶（helicase）
♦单链DNA结合蛋白（Single-strandedDNAbindingprotein）
♦DNA引物酶（DNAprimase）
♦DNA聚合酶（DNApolymerase）
♦DNA连接酶（DNAligase）
♦DNA切割酶（DNAnickase）
DNA的复制
单向复制双向复制
原核与真核的复制差异
原核单个复制起始点真核多个复制起始点
第六章遗传与变异
2、DNA作为遗传物质的功能
（1）贮藏遗传信息的功能
（2）传递遗传信息的功能
（3）表达遗传信息的功能
克里克提出中心法则,确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。
遗传信息的表达——中心法则
基因的结构
基因的结构
真核基因的结构
转录
翻译
转录：
DNA→RNA
转录（transcription）
转录（transcriptiong）
RNA酶的功能
♦解DNA链
♦合成RNA
♦沿DNA移动
转录
翻译
翻译（translation）
密码子（codon）与反密码子（anticodon）
遗传密码（geneticcode）
特性：
♦3个碱基
♦间并性
♦专一性
♦通用性
三、基因的结构、功能和调控
4、基因的表达及调控
原核基因的表达调控
原核生物乳糖操纵子：
调节基因启动基因操纵基因结构基因
阻遏蛋白
mRNA
RNA聚合酶
阻遏蛋白
调节基因启动基因操纵基因结构基因
RNA聚合酶
mRNAmRNA
阻遏蛋白+乳糖分解乳糖的系列酶
阻遏蛋白
真核基因的表达调控
♦转录水平的控制
♦对前体mRNA的加工
♦mRNA穿过核膜向细胞质运输的控制
♦在细胞质中mRNA的稳定性调节
♦mRNA的选择性翻译
♦蛋白质产物的修饰、折叠与活化
第二节人类遗传学基础
一、人类的染色体组成：
22对常染色体+1对性染色体
（一）、性别决定机制：
1、性染色体决定性别：
（1）XY型性别决定：
XX-雌；XY-雄
所有的哺乳动物、某些两栖类和鱼类、许多昆虫;雌雄异株的植物如：
大麻、菠菜、木瓜等。
性别决定机制
（2）ZW型性别决定：
ZW-雌；ZZ-雄
鸟类、家蚕等鳞翅目昆虫、某些两栖类、爬行类
（3）XO型性别决定：
16+X=雄；
16+XX=雌
蝗虫、蟋蟀、蚱蜢、蟑螂等直翅目昆虫
（4）性比数决定性别
果蝇为XY型性决定，X染色体与常染色体组的比率决定性别：
性别决定机制
2、染色体倍性的性别决定：
蚂蚁、马蜂、蜜蜂、黄蜂等。
例：
受精卵→雌蜂（2n）
未受精卵→雄峰（n）
雄蜂的减数分裂
♦雄蜂的减数分裂十分特殊，第一次减数分裂，出现单极纺锤体（monopolarspindle）所以染色体染色体全部向一极移动，两个子细胞其中一个正常，含16个二联体，而另一个是无核的细胞质芽体。
正常的子细胞经第二次减数分裂产生两个单倍体（n=16）的精细胞，发育成精子。
3、基因决定性别：
例：
玉米：
Ba-雌基因；Ts-雄基因
Ba-Ts-：
雌雄同株
babaTs-：
雄株
Ba-tsts：
雌株
babatsts：
双隐性雌株
4、环境因素决定性别：
营养、温度、日照、位置、激素等等
例：
蜜蜂、黄瓜、珊瑚鱼、后螠
温度决定性别
1、定义：
性染色体上的基因，它的遗传方式是与性别相联系的，这种遗传方式叫作伴性遗传
2、伴性遗传的种类：
♦伴X遣传：
男女均会发生
♦伴Y遣传：
只发生在男性身上
X染色体遗传
CalicoCats
染色体变异
（一）染色体变异
1、染色体数目变异
A、整倍性改变：
如无籽西瓜
B、非整倍性改变：
（1）单体性：
2n-1，如：
特纳氏综合症
（2）缺体性：
2n-2，不能存活
（3）三体性：
2n+1，如：
Down氏综合症
Klinefetter综合症
4）多体性：
2n+3或以上
性染色体数目异常
Klinefetter综合症
染色体结构变异
2、染色体结构变异（畸变）（教材：
p.404）
A、缺失：
染色体断裂而丢失一段
B、重复：
多了一段
C、倒位：
染色体内部结构顺序发生颠倒
D、易位：
染色体断裂并接到别的染色体上
猫叫综合症：
第5号染色体短臂缺失,患儿哭泣时发出咪咪声，耳位低下，智商仅20-40。
基因的结构发生改变，编码氨基酸的DNA碱基发生变化，由其编码的氨基酸、蛋白质的结构、功能随之改变。
通常有碱基替换，移码突变两种类型。
♦血红蛋白β链基因突变
♦人类中有约10%的人患有单基因遗传病，约20%的人患有多基因遗传病，还有染色体病（包括常染色体和性染色体的数量和结构畸变）等。
优生
研究降低产生不利表现型的不利基因的途径。
A、开展婚前检查
B、禁止近亲结婚
C、提倡适龄生育：
20岁以下年轻母亲所生子女中，先天畸形发生率比25-34岁者要高50%，40岁以上母亲所生子女中，先天愚型的发病率要比25-34岁者高10倍。
D、开展遗传咨询
♦临床水平；
♦细胞水平：
染色体、细胞、组织检查；
♦分子水平：
一是检测基因产物-蛋白质、酶的量和活性。
二是检测酶促反应底物或产物的变化；
♦基因水平：
核酸分子杂交法、PCR法、限制性内切酶法、核酸测序法等。
3、遗传病的治疗
♦外源基因导入的化学和物理方法
♦体外原位治疗
♦体内基因治疗
♦反义疗法
♦核酶的基因治疗
第六章遗传与变异
第三节基因工程原理与技术
一、基因工程原理：
生物的性状大都是可以遗传的，改变基因就可改变性状。
其基础在于：
（一）理论上的三大发现：
1、遗传物质是DNA
2、DNA的双螺旋结构、半保留复制
3、遗传信息的传递方式：
中心法则
（二）技术上的三大发现：
1、限制性内切酶、DNA连接酶
2、基因载体
3、逆转录酶
基因工程
二、基因工程的基本内容：
基因工程：
指在体外将外源DNA分子经切割和连接，插入至病毒、质粒或其它载体分子中，形成重组的DNA分子，导入到受体细胞中，使外源基因在受体细胞中表达的过程。
基因工程的基本步骤
1、目的基因的分离
2、将目的基因连接到能自我复制的载体分子
上，形成重组DNA分子
3、将重组DNA分子转移到适当的受体细胞内
4、筛选获得了重组DNA分子的受体细胞克隆
5、克隆基因的表达，产生出人类所需要的物
质
胰岛素基因的转化
重组DNA的主要工具
SourcesofrecombinantDNA:
geneofinterest目的基因
Vector载体:
质粒（Plasmids）,病毒等
RestrictionEnzyme限制性内切酶
HostCell宿主细胞
目的基因的制备
•构建基因组文库（DNA文库）
•逆向转录从mRNA合成DNA（cDNA文库）
•利用PCR特异性地扩增目的基因片段
基因组文库的构建
基因组文库的构建
cDNA文库complementaryDNA
从文库中寻找目的基因
多聚酶链式反应
PolymeraseChainReaction
所需反应物
♦模版
♦引物
♦单核苷酸
♦酶
♦缓冲体系
PCR反应步骤
♦第一步——92-940C高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。
♦第二步——37-550C温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。
♦第三步——68-720C温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA
PCR的三个步骤为一次循环，约需2－5分钟。
每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍，故PCR产物以指数方式即2n扩增。
对克隆基因的分析
•gelelectrophoresis凝胶电泳
•SouthernBlotTechnique
Runningofanagarosegel琼脂糖凝胶电泳
限制性内切酶的功能
限制性内切酶的的应用
载体Vectors
♦必须能够自我复制
♦必须带有启动子
♦大小适度的环状DNA分子
♦通常带有筛选标志（如:
抗生素抗性基因等等）
质粒Plasmids
重组质粒导入宿组细胞
♦转化Transformation,导入受体细菌细胞
♦电激Electroporation
♦基因枪技术geneguntechnique
♦重组质粒导入植物细胞
♦转染（transfection），是将携带外源基因的病毒感染受体细胞的方法
♦脂质体介导法（liposomemediatedgenetransfer）:
导入动物细胞
♦微注射技术（microinjection），将外源基因直接注射到真核细胞内
基因枪
重组DNA+微金颗粒高速轰击材料
显微注射Microinjection
筛选screening
第六章遗传与变异
三、基因工程的应用
1、基因工程药物：
如干扰素
2、制备疫苗：
将致病病毒外壳蛋白制成疫苗
3、基因治疗：
用正常基因置换或增补遗传缺
陷的基因
4、转基因动物
5、转基因植物
基因工程应用
♦基因治疗
1）化学疗法与物理疗法
♦化学方法：
用磷酸钙微量沉淀外源DNA，然后与靶细胞混合；靶细胞摄入沉淀物，外源基因进入核内，与染色体发生整合。
♦物理方法：
主要有显微注射法和电穿透法。
电穿透法是借助电流使DNA直接穿过细胞膜，从而转入细胞中。
2）体外原位治疗
♦从患者体内取出带有基因缺陷的细胞；
♦通过基因转移进行遗传修正；
♦将经过遗传修正后的细胞进行选择和培养；
♦将修正后的细胞通过融合或移植的方法转入患者。
5）核酶的基因治疗
核酶（ribozyme）是指具有催化裂解活性的RNA分子。
通过载体将核酶转入细胞，特异性地切割有害基因。
第五节进化
一、自然选择学说
达尔文，1858，《物种起源》
1、遗传
2、变异
3、繁殖过剩
4、生存斗争
5、适者生存
自然选择学说的意义
（1）科学地解释生物进化的原因。
（2）正确解释了生物的适应性和多
样性。
自然选择学说的不足
1、未能解释遗传和变异的本质；
2、未能解释自然选择如何作用于
可遗传的变异。
现代综合进化论synthetictheory
1、种群而非个体是生物进化的单位
2、基因频率的改变导致进化
3、隔离导致物种形成
影响基因频率的因素
1、种群大小的改变
♦遗传漂变geneticdrift
♦建立者效应foundereffect
♦瓶颈效应bottleneckeffect
2、不随机交配
3、突变和新基因的加入
4、自然选择
隔离导致物种的形成
地理隔离
生殖隔离
因地理隔离导致生殖隔离实例
进化研究的发展
♦分子进化
不同物种间，从相应的核酸和蛋白质组成成分的差异上，可以估测它们之间的亲缘关系。
凡彼此间所具有的核苷酸或氨基酸愈相似，则表示其亲缘关系愈接近；反之，其亲缘关系就愈疏远。
根据各种生物间在分子水平上的进化关系，可以建立分子进化的系统树（phylogenetictree）。
分子进化研究的优点
⑴根据生物所具有的核酸和蛋白质在结构上的差异程度，可以估测生物种类的进化时期和速度，这比任何其他方法都精确，因为它是从数量上进行分析的；
⑵对于结构简单的微生物的进化，只能采用这种方法进行研究；
⑶它可以比较亲缘关系极其疏远的类型之间的进化信息，这是其他方法难以做到的。
进化研究的发展
♦分子进化的中性学说
1、绝大多数突变是中性的。
（1）同义突变
（2）非功能性突变
（3）不改变功能的突变
2、遗传漂变是分子进化的基本动力。
3、分子进化速率：
生物小分子的替换率
♦渐变式进化和跳跃式进化
1、化石：
“失去的环节”
2、调节基因的突变
第七章生物多样性
第一节生物分类概述
一、物种的概念：
物种（species）：
是生物基本的分类单元。
物种是形态、结构、功能、发育特征和生态分布基本相同的一群生物，与其他类群存在生殖隔离。
第一节生物分类概论
二、生物分类的阶层和双命名法：
林奈
界（kingdom）
门（phylum）
纲（class）
目（order）
科（family）
属（genus）
种（species）
双命名法
瑞典生物学家林奈在十八世纪建立：
拉丁语
属名+种名
例：
狼CanislupusL.
狗CanisfamiliarisbL.
智人HomosapiensL.
水稻OryzasativaL.
分类学方法
♦经典分类：
形态特征
♦细胞分类：
染色体特征
♦数量分类：
大量的性状、相似性百
分率比较
♦生化分类：
蛋白质、核酸分子比较
利用免疫学原理
各种生物与人类的细胞色素c氨基酸组成的比较
基于DNA分子序列分析的分子系统树
系统树与生物的分界
♦系统树——生物界的家谱
♦生物的分界：
二界系统
三界系统
五界系统
六界系统
三界系统
1866年，德国学者海克尔提出
♦植物界
♦动物界
♦原生生物界:
细菌、蓝藻、原生动物和粘菌
系统树Systematictree
五界系统
五界分类系统简介
特殊的生命——病毒（virus）
一、病毒
1、特点：
A个体极小，能通过细菌过滤器，只在电镜
下可见
B无细胞结构，仅含一种类型的核酸（DNA
或RNA），主要成分为蛋白质和核酸
C既无完整的酶系，又无蛋白质合成系统，
不能进行独立的代谢活动
病毒
D严格的活细胞内寄生，以复制的方式
增殖
E在离体条件下，以无生命的化学大分
子状态存在，并可形成结晶。
F对抗生素不敏感，但对干扰素敏感。
以噬菌体为例：
附着——识别过程。
侵染——病毒核酸进入寄主细胞。
复制——复制病毒核酸，合成病毒
外壳蛋白质。
组装——形成一批子代病毒粒子。
裂解——寄主细胞破裂，释出病毒
粒子。
病毒的种类
A噬菌体——细菌病毒
B动物病毒：
天花、流感、疱疹、麻
疹、肝炎、脊髓灰质炎、爱滋病等
C植物病毒：
水稻黄矮病、烟草花叶
病、马铃薯退化、玉米、油菜、苹
果等的锈病等。
公元前1500年古埃及壁画
类病毒与朊病毒
二、类病毒和朊病毒
1、类病毒（viroids）：
单链RNA，完全没有蛋白质外壳。
2、朊病毒（prions）：
不含任何核酸的小分子疏水蛋白质。
可引起中枢神经系统病变导致死亡，如疯牛病、人库鲁病和雅克布病。
朊病毒引起的疾病
对这类疾病的研究，以羊搔痒病为代表，困难很大：
发病率低
病程慢
传染病/遗传病不清楚
病因/病原物找不到
人们只能猜想：
有一种“慢病毒”在起作用
“慢病毒”疾病
♦病程很慢；
♦都有神经系统退行性症状;
♦脑部出现淀粉样沉淀，形成海绵状空斑。
1976年诺贝尔生理学或医学奖
丹尼尔·盖都塞克
（D.Gajdusek）对“库鲁病”（kuru）病的研究的病因，认为是一种潜伏期极长的进行性病毒（慢性病毒）。
Kuru病在新几内亚土著居民中流行，妇女、儿童感染尤多。
自症状出现后，进展性脑组织损伤，６－１２个月死去。
不发烧无炎症
显示不出是感染病无免疫反应
在３５，０００左右土著人中，２０年内，死于此病的约有３０００多人。
１９５０s中期起，Gajdusek对此病作了仔细分析研究：
♦Kuru病流行过程与宗教仪式有关，妇女儿童受害尤甚。
♦1959年政府全面禁止仪式中的食人部分。
此后出生的儿童，不再得Kuru病。
零星病例还陆续出现，可能因为潜伏期长。
Gajdusek仔细分析研究
病症表现
不像是一种家族遗传病
流行规律也不像是中毒
也不像营养缺乏
脑组织切片
♦用脑组织液感染小白鼠，未获成功
♦1965年受病人脑组织感染的黑猩猩，出现Kuru病症状，潜伏期一年半。
Kuru病是一种传染病！
1997年度诺贝尔奖生理及医学奖
普鲁西纳博士（S.B.Prusiner）
美国加州大学旧金山分校医学院
表彰他在研究和发现一种新的蛋白质性质致病因子（普列昂prion）中所做的贡献。
他是不寻常的诺贝尔奖获得者
普鲁西纳（S.B.Prusiner）
1942年5月28日生
♦1968年获美国宾夕法尼亚大学医学院博士学位。
♦1984年起任加利福尼亚大学神经学、病毒学教授。
∙美国巴尔的摩兽医中心分子神经病毒学主任R.G.Rowher：
“诺贝尔奖可能有利于在此领域的深入研究”
∙明尼苏达大学微生物系主任A.Haase:
“诺奖委员会应等到确实证明仅仅是蛋白质本身在感染中起作用，没有其他因子参与，再授奖才合适。
”
∙耶鲁医学院神经病理学主任L.Manuelidis:
“诺贝尔奖的授予可能窒息不同观点的深入探讨。
”
∙美国媒体报道标题：
“美国科学家因一项有争议的研究获诺贝尔医学奖”
普列昂的发现
1、Prusiner把搔痒病从羊转至小鼠
发病潜伏期3－5年4－5个月
疑问
♦没有核酸，这个病原物如何增殖？
如何复制本身的遗传信息？
♦可能还是存在核酸，只是未能检测出来？
3、更深入的研究，更意外的结果
随着研究的深入，得到更多打破传统观念的结果：
（1）寻找Prn－p基因
编码普列昂蛋白（PrP）的基因，不但在染病动物脑
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