遗传学第1章绪论

遗传学武汉大学生命科学学院丁毅教授2008年2月－6月Ⅰ本课程的性质和任务21世纪是生命科学蓬勃发展的世纪。随着“人类基因组计划”的进行和深入，遗传学已成为21世纪生命科学领域发展最为迅速的学科之一，是当代生命科学的核心和前沿之一，它的分支几乎扩展到生物学的各个研究领域。遗传学课是生命科学学院以及相关学院本科生的基础课。本课程的任务系统地讲授遗传学的基本原理和遗传分析的基本方法，同时介绍现代遗传学发展的最新成就，使学生对遗传物质的本质、遗传物质的传递、遗传物质的变异以及遗传信息的表达与调控有一个较为全面和深入的认识和了解。培养学生的遗传分析能力和解决遗传学问题的技巧。Ⅱ教学要求与教学方法本课程始终注重培养学生的遗传分析能力和实验设计能力。要求学生掌握孟德尔式遗传分析，连锁遗传分析与染色体作图，基因精细结构的遗传分析，病毒的遗传分析，细菌的遗传分析，真核生物的遗传分析、遗传重组、核外遗传、分子标记与基因组研究、遗传物质的改变，群体遗传与进化，数量性状的遗传分析等基本内容和原理方法等。Ⅲ教学学时分配和安排本课程讲授，按每周3学时安排，共54学时。Ⅳ成绩评定：期末考试：70%文献阅读与综述：10%平时练习与测验：20%教学方法：采用多功能教室教学，采用国内外最新的彩色原版图片示范。课堂教学为主，课余阅读为辅。指定阅读参考书。每章讲授完毕，布置练习作业，以掌握和巩固所学知识。采用教材戴灼华、王亚馥、粟翼玟主编：遗传学（第二版），高等教育出版社，2008年1月20日第1次印刷第1版1999年6月1.1遗传学的定义：遗传学（Genetics）：是研究生物遗传和变异规律的科学。现代遗传学(ModernGenetics):是研究基因的结构、功能及其变异、传递和表达规律的学科。遗传（heredity）和变异（variation）是生物界最普遍和最基本的特性。遗传和变异是遗传信息决定的，因此，遗传学也就是研究生物体遗传信息的组成、传递和表达规律的一门科学。遗传学第1章绪论Genetics:ThestudyofBiologicalinformationGenetics,thescienceofheredity,isatitscorethestudyofbiologicalinformation.Alllivingorganism---fromsingle-celledbacteriaandprotozoatomulticellularplantsandanimals--muststore,replicate,transmittothenextgeneration,andusevastquantitiesofinformationtodevelop,grow,reproduce,andsurviveintheirenvironments.Geneticistsexaminehoworganismspassbiologicalinformationontotheirprogenyandhowtheyuseitduringtheirlifetime.——L.H.Hartwell,2000从遗传学角度理解：1.BiologicalinformationisencodedintheDNAmolecule(f-1)2.Biologicalfunctionemergesprimarilyfromproteinmolecules(f-2)3.Alllivingformsarecloselyrelated(f-3)4.Themodularconstructionofgenomeshasallowedtherelativelyrapidevolutionofbiologicalcomplexity(f-4)5.Genetictechniquespermitthedissectionofbiologicalcomplexity1.2遗传学的研究内容：⑴遗传现象(phenomenologyofheredity)例：植物的遗传现象：种瓜得瓜，种豆得豆水稻、大麦、小麦等各种农作物抗病遗传、品质遗传等。动物的遗传现象：代谢病、遗传病、白化现象等⑵基因组与基因的结构和功能（structureandfunctionofGenomeandgenes）真核生物、原核生物基因组结构和功能、基因的结构、启动子结构等⑶基因如何控制代谢和发育(基因表达的规律及其调控的分子机制)例：种子植株受精卵个体⑷基因在世代之间的传递方式与规律(群体中的基因的分布和行为)ABO血型，南方人、北方人中的基因频率的分布；遗传病分布等，基因的流动。⑸基因组的进化与遗传信息流1.3、遗传学的三个主要分支1.TransimissonGeneticsGenetics2.MolecularGenetics3.PopulationGenetics(1)、传递遗传学(TransimissionGenetics)孟德尔遗传学(MendelianGenetics)经典遗传学(ClassicalGenetics)研究基因从亲代传递到子代以及基因如何重组(2)、分子遗传学（MolecularGenetics）在分子水平上研究基因的结构和功能，基因的表达和调控等或者说是研究遗传信息大分子的结构与功能的一门科学例：DNA的结构、基因的分子结构和功能、操纵子、启动子转座子的分子结构、基因家族等mRNA的表达和调控、RNA的拼接、RNA干扰等所有发生在细胞中的分子遗传变异事件传统的遗传学“主要研究遗传单元在各世代的分布情况”分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存、复制、表达及调控过程。它的研究范畴：信息源信息模板工作分子（生长、分化、发育过程中的分子事件）中心法则分子遗传学的范畴分子遗传学所研究的应该是细胞中动态的遗传变异过程，以及与此相关的所有的分子事件图－55DNARNA肽链功能蛋白质性状(3).群体遗传学（PopulationGenetics）以群体为单位研究群体内遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科。根据遗传学原理，采用数字、统计或其他方法研究生物群体的遗传结构，群体中遗传变异的程度，其变化规律以及种群演变规律。研究群体中基因的分布和行为（通常按数学术语），基因频率ABO血型在人群中的分布，基因在群体中的演变、进化等。1.4．遗传学的发展1.4.1遗传学的诞生(孟德尔以前的遗传学)关于遗传机制的假说(1)预成论（preformationtheory）认为生物从预先存在于性细胞（精子或卵）中雏形发展而来，所谓发育只不过是这一雏形生物的机械性扩大，并没有新的东西产生出来。精源论者（荷兰leeuwenhoek列克虎文）认为雏形（微小的“原形人”）存在于精子中，而卵源论者（Janswammerdam1679）主张雏形存在于卵中。矮人/侏儒蜷缩(2).渐成论（epigenesis）亦称后成论与预成论相对立的理论德国胚胎学家C.F,Wolff认为生物体的各种组织和器官，都是在个体发育过程中逐步形成的，性细胞（精子或卵）中并不存在任何雏形。(3)．泛生论（pangenesis）C.Darwin（1809-1882）1868年生物体每个细胞里都有一种代表性的“微芽”——“泛子”（pangen）。泛子随着血液循环→生殖细胞→受精卵分裂和发育→各种泛子又不断地分配到不同的细胞中去，从而导致它们所代表的组织器官的分化和性状的发育，形成一个同亲代相似的新个体。达尔文认为生物的遗传就是通过这种方式实现的。(4)．种质论（Germplasmtheory）Weismann（1834-1914）“种质连续的遗传学说”认为：生物体分成种质和体质两部分。种质指生殖细胞，专营生殖和遗传，通过细胞分裂在一生中及世代间保持连续，生物的遗传就在于种质的连续。体质是种质以外的所有其他部分（体细胞），负责各种营养活动。种质决定了体质，种质的变异必将引起体质的变异，但体质的改变不会引起种质的改变。他指出：种质的连续性是建立在这样的基础上，即遗传是由具有一定化学成分和一定分子性质的物质，一代又一代的传递来实现的。(5)．融合遗传学说（blendingtheory/blendinginheritance）英国学者F.Galton和他的学生K.Pearson于1886-1894用统计方法研究数量性状（例如人的身高）在亲代与子代之间的相关性。认为“父母的遗传性在子女中各占一半，并且彻底混合，祖父母的遗传性在孙代中各占1/4等等。依次类推，融合遗传学说只能解释一部分数量性状的遗传现象，不能解释其全部，对绝大多数非数量性状则完全不适合。(6)．获得性状遗传（Inheritanceofacquiredcharacters）法国学者拉马克（Lamarck,1744-1829)认为个体由于在长时间受到环境条件的影响，使生物发生变异，获得了新的性状，经过世代的积累加深了这个新的性状，如果雌雄两性都获得这种共同的变异，那么这种变异便可以传给后代。1856－1863孟德尔著名的豌豆实验涉及基因分离1866孟德尔《植物杂交实验》（Experimentsonplanthybrids）提出了遗传学的两个基本定律：分离定律和自由组合定律(孟德尔)1859达尔文《物种起源》现代进化理论1871米歇尔从细胞核中分离出nuclein(核素)1875赫特维希指出受精是雌雄两原核融合1.4.2孟德尔以后的遗传学发展遗传学的孕育期－19001882－1885strasburgarandFlemming证明细胞核含有染色体。1900孟德尔定律重新发现突变理论荷兰deVries(费里斯)《论杂交分离的定律》月见草遗传基础研究德国Correns（柯伦斯）《杂交分离的孟德尔定律》玉米植物育种奥地利Tschermak(丘歇马克)《豌豆的人工杂交》豌豆他们的论文都刊登在1900年出版的《德国植物学会杂志》上，各自独立地证明遗传的孟德尔原理，这就是遗传学史上的孟德尔定律的重新发现。1900年遗传学作为一门独立的学科正式诞生了(1)细胞遗传学时期1901年W.sutton研究蝗虫;T.Bovert研究海胆观察:染色体的减数分裂行为，孟德尔因子分离和自由组合与染色体的分离和自由组合一致,他们大胆地认为孟德尔因子就在染色体上。提出Chromosometheoryofheredity(遗传的染色体假说)19021905willianE,Castle首先认识等位基因和基因型频率之间的关系willanBateson将遗传的科学称为遗传学theScienceofheredity：“genetics”1909W.Johannsen基因、基因型、表现型概念用基因取代“因子”﹑“性状”和“特性”等含糊概念。1910-1939细胞遗传学时期（摩尔根）：1910T.H.Morgan果蝇sex-linkedinheritance通过果蝇实验提出基因连锁定律，用实验证明基因位于染色体上。白眼→伴性遗传→一个特点基因位于一个特定的染色体上。遗传连锁图19131927A.H.SturtevantH.J.Mullerχ-射线诱导染色体突变人工改变基因的实验摩尔根（1866-1945）《基因论》——创立“基因学说”提出染色体遗传理论：细胞遗传学；1933年获诺贝尔奖摩尔根学派染色体——基因理论：基因是控制遗传性状的单位，并以直线排列染色体上；生物的某种性状是受一个或几个基因控制；染色体上基因的变化(或突变)是生物性状变异和生物进化的直接原因；提出遗传学的第三定律论证﹑概括和总结了遗传学的三大定律：分离﹑自由组合和基因连锁交换定律。(2)生化和微生物遗传学时期1923年A.Garrod(枷罗德)英国医生（生化遗传），进行家谱研究,撰写“InbornErrorsofMetabolism”《先天性代谢病》鉴别了第一个人类遗传病，黑尿病（缺尿黑酸氧化酶）。他认为这种疾病是由于单个基因发生突变后，产生一种不具功能的产物，从而导致代谢紊乱（metabolicdisorder）。提出“一个突变基因决定一种代谢紊乱”的观点，但在当时未受到广泛的关注。1927