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关于本门课程的几点说明（1）v李刚，主要研究生物技术和酶分子生物学。v联系方式：vTel:（O）84110296；vEmail:v生命科学学院北院308室v讲课内容：v1、宏观遗传学部分（经典遗传学）;v2、微观遗传学部分（分子遗传学）Lecture Contents（1）（10 weeks）v1.Introduction.v2.Three laws of genetics.v3.The chromosome theory of inheritance.v4.The mapping and analysis of genomes.v5.Genetics of genomes.v6.Quantitative genetics.v7.Population genetics.Lecture Contents（2）（6 weeks）v8.Gene functions in molecular level.v9.Extranuclear inheritance.v10.Gene mutation and epigenetic variation.v11.Genetic recombination and transposon.v12.Developmental genetics（待定）.第一章 绪 论 Key words 遗传学 Genetics：研究遗传和变异的科学。遗 传 heredity：种瓜得瓜，种豆得豆。变 异 variation：母生九子，各不相同。思考：假如没有遗传，世界上的生物会怎样？假如没有变异，世界上的生物会怎样？Tips:遗传学这一学科名称是英国遗传 学家贝特森贝特森（Bateson，W）于1909年 首先提出的。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遗传信息的 结构，传递结构，传递和表达。和表达。2.遗传信息的传递包括世代世代的传递和个体间的传递。3.通过个体杂交杂交和人工的方式人工的方式研究基因的功能。“遗传学”定义 广义：广义：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。狭义：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。v 遗传(Heredity,inheretance):基因的结构 DNA的复制(replication),基因表达(gene expression)表达调控(regulation)基因纵向转递 转化(transformation)基因横向转递 转导(transduction)转染(transfection)无性繁殖 接合(conjugation)保持物种稳定 转基因(transgene)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。v变异变异(variation)基因重组(Recombination)染色体间 减数分裂中染色体的自由组合 染色体内 染色体的重排(Rearrangements)转基因体外重组 突变(Mutation)基因突变 染色体畸变（Aberration）有性繁殖 物种进化 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。遗传学的分支遗传学的分支v按研究的层次分类：群体遗传学群体遗传学(Population genetics)宏观 即进化遗传学或种群遗传学 数量遗传学数量遗传学(Quantitative gentics)细胞遗传学(Cytogenetics)核外遗传学(Extranuclear G.)微观 即细胞质遗传学(Cytoplasmic G.)染色体遗传学染色体遗传学(Chromosomal G.)分子遗传学(Molecular genetics)v按研究对象分类：人类遗传学(Human genetics)动物遗传学(Animal genetics)植物遗传学(Plant genetics)微生物遗传学(Microbial genetics)v按研究范畴分类：发育遗传学(Developmental genetics)行为遗传学(Behavioral genetics)免疫遗传学(Immunogenetics)药物遗传学(Pharmacogenetics)毒理遗传学(Toxicogenetics)辐射遗传学(Radiation genetics)肿瘤遗传学(Cancer genetics)医学遗传学(Medical genetics)血型遗传学(Blood group genetics)生化遗传学(Biochemical genetics)遗传学的应用学科：生物工程学(Biotechnology)优生学(Eugenics)育种学(工业微生物、农、牧和水产)遗传学的特点v1.是一门推理性的学科（研究如断案）v2.多学科的交叉和融合（医学、数学、计算机科学等）v3.发展快（四个时代）v4.应用性强(DNA破案、动植物育种、生物医药)第一节 遗传学的发展史遗传学的发展史v一在孟德尔以前及同时代的一些遗传学说一在孟德尔以前及同时代的一些遗传学说v1.公元前五世纪希波克拉底（Hippocrates）提出了第 一个遗传理论。v 他认为子代具有亲代的特性那是因为在精因为在精 液或胚胎里集中了来自身体各部分的微小液或胚胎里集中了来自身体各部分的微小 代表元素代表元素(elememt)。v2.100年后，亚里斯多德（Aristotle）认 为:精液精液不是提供胚胎组成的元素，而 是提供后代的蓝图是提供后代的蓝图。生物的遗传不是通 过身体各部分样本的传递，而是个体胚 胎发育所需的信息传递信息传递。v3.1809年拉马克（Lamarck,J.B）提出了 “用进废退用进废退”的进化论观点，由此而得出 获得性状获得性状（acquired characteristics）是可以遗传的。是可以遗传的。4.1866年达尔文提出泛生论泛生论,认为身体各部分细胞里都存在一种胚芽或“泛泛子子”(pangens),它决定所在细胞的分化和发育。各种泛子随着血液循环汇集到生殖细胞中。受精卵发育过程中，泛子又不断流到不同的细胞泛子又不断流到不同的细胞中中，控制所在细胞的分化，产生一定的组织器官。Charles Darwin(1809-82)6.德国的生物学家魏斯曼（Weismann A）魏斯曼十分赞同和支持达尔文的选择理论，但他否认达尔文在遗传和变异的解释上提出的泛生假说；更激烈反对法国生物学家 J.-B.de拉马克提出的后天获得性状遗传观点。他做了连续他做了连续22代代剪断小鼠尾巴的试验，结果剪除尾巴的小鼠后代仍然长出与正剪断小鼠尾巴的试验，结果剪除尾巴的小鼠后代仍然长出与正常小鼠等长的尾巴。因而他认定体质细胞的变异不能影响种质常小鼠等长的尾巴。因而他认定体质细胞的变异不能影响种质细胞，后天获得的性状不能遗传；细胞，后天获得的性状不能遗传；只有种质细胞才能在世代间保持连续性。1883和1885年他将Roux,W.理论发展成 为完整的遗传和发育的理论种质论种质论 （germplasm theory）,认为多细胞生物 可分为：种质（germ plasm）：独立,连续,能产生后代的种质（生殖细胞）。体质（somatoplasm):体质是不连 续的，不能产生种质（体细胞）。v7.1869年达尔文的表弟高尔顿（Galton,F.）发表了“天才遗传（Hereditary genius）”，即“融合遗传论融合遗传论”。他认为变异是连续的，亲代的遗传性在子女中各占一半，并彻底混合，即“融融合遗传论合遗传论”。由于他所选择的研究性状是数量性状，所以虽然他的结论是完全正确的，但只适合数量性状（连续性数量性状（连续性状）状），而不能作为遗传的普遍规律（不不能作为遗传的普遍规律（不适合孟德尔的显、隐性性状）。适合孟德尔的显、隐性性状）。二遗传学的诞生二遗传学的诞生v1797年英国的奈特（Knight，T）豌豆杂交实验：P 灰色白色 F1 灰色 F2 灰色 白色 但未统计分析，只发现了这一现象。v 1863年法国的诺丹（Nauding）发表了植物杂交的论文并获法国政府的 奖励。他认为：（1）植物杂交的正交正交和反交反交结果是相同的；（2）在杂种植物的生殖细胞形成时“负负 责遗传性状的要素互相分开，进入不责遗传性状的要素互相分开，进入不 同的性细胞中，同的性细胞中，否则就无法解释杂种 二代所得到的结果”v1865年当时属奥地利的布隆（Brunn）基督教修道院的修士格里高格里高孟德尔孟德尔（Gregor Johann Mendel），根据他8年植物杂交实验的结果，2月8日在当地的科学协会上宣读了一篇题为“植物杂交实验植物杂交实验”的论文，18661866年正式发表在该协会的会刊上。v 孟德尔临终前说：“等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”孟德尔定律的二次发现 v荷兰阿姆斯特丹大学的教授狄夫瑞斯狄夫瑞斯（de Vries）v德国土宾根大学的教授科伦斯科伦斯（Correns,C.E）v奥地利维也纳农业大学的讲师切尔迈克切尔迈克（Tschermak）1900年分别同时发现了孟德尔的业绩。他们都宣称，就在完成他们的研究工作的时候，才注意到早在35年前孟德尔便得出了相同的结论。狄夫瑞斯狄夫瑞斯：进行了见月草见月草杂交试验，发现F2的分离比为3:1。1900,3,261900,3,26日其日其论文论文“杂种分离法则杂种分离法则”发表在发表在德国植物学会杂志德国植物学会杂志(18)83-90;(18)83-90;和法国科学院的和法国科学院的纪事录纪事录(130)845-847(130)845-847。狄夫瑞斯曾从狄夫瑞斯曾从L.HL.H拜莱拜莱的的植物育种植物育种中查到孟德尔的工作。他在德文版中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。在寄给德国的那篇文章中他在脚注中写道：在寄给德国的那篇文章中他在脚注中写道：“在我完成了大部分试验并根据这些试验写成这篇文章后才第一次知道孟德尔的文章。”科伦斯科伦斯:于1900,4,21日阅读狄夫瑞斯法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但科伦斯已从老师未格里处知道了孟德尔的工作，于是他撰写了“杂种后代表杂种后代表现方式的孟德尔法则现方式的孟德尔法则”一文，1900,4,24日发表在德国植物学会杂志(18)158-168。这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用。科伦斯科伦斯曾说过孟德尔的分离学说是他（在1899年10月的一天）醒着躺在床上等天亮时突然“像闪电似的”进到他的脑海的。他那时正忙于别的研究只是在几个星期之后才读过孟德尔的论文。当他收到狄夫瑞斯的法国（巴黎）科学院文章的复印本时（1900年4月21日）他才（在一天之内）将他的试验结果写成他才（在一天之内）将他的试验结果写成文章并在德国植物学会文章并在德国植物学会4月月27日的会议上宣读日的会议上宣读，随后大约在5月25日出版。科伦斯科伦斯从一开始就不认为他在重新发现孟德尔上起了重要作用。在他的一份通报的标题中就用的是“孟德尔法则”。他认为“就我自己来说重新发现这些定律所费的智力劳就我自己来说重新发现这些定律所费的智力劳动比之孟德尔是大大减轻了。动比之孟德尔是大大减轻了。”切尔迈克切尔迈克也作了豌豆杂交试验，发现了分离现象，撰写了“关于豌豆的人工杂交”的讲师就职论文讲师就职论文，清样出来后他读到了狄夫瑞斯和科伦斯的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900，6,24日也发表在德国植物学会杂志(18)232-239.三个人的工作都发表在德国植物学会杂志，都证实了孟德尔法则，这就是遗传学发展史上著名的孟德尔法则的重新发现。孟德尔法则的重新发现。贝特森先后创用:v 遗传学（Genetics）v 等位基因（allele）v 纯合体（homozygous）v 杂合体（heterozygous）v 上位基因（epistatic genes）v 1909年丹麦的科学家 约翰逊（Johannsen）创用了v 基因 （gene）v 基因型（genotype）v 表型 （phenotype）遗传学发展的四个时期v1.细胞遗传学时期细胞遗传学时期;v2.2.微生物遗传和生化遗传时期；微生物遗传和生化遗传时期；v3.3.分子遗传时期；分子遗传时期；v4.基因组和蛋白质组时期；基因组和蛋白质组时期；第一个时期:细胞遗传学时期 (19001940)1910年 摩尔根（Morgan,T.H）及其 斯特蒂文特（Sturtevant）弟子 布里吉斯（Bridges）（谈家桢）缪勒（Muller）创立了连锁定律1927年 Muller X-射线诱发突变 基因是一个抽象的遗传因子，既是功 能单位，又是重组单位和突变单位代表人物：摩尔根 他确立了遗传的染色体学说 1910年摩尔根创立了连锁定律并证实了基因在染色体上以直线方式排列。提出了遗传的染色体理论(chromosome theory of inheritance)。获1933年度诺贝尔奖。Thomas Hunt Morgan(1866-1945)l其他重大成果：l 19271927年，穆勒和斯特德勒年，穆勒和斯特德勒 用用X X射线分射线分别诱导果蝇和玉米突变成功。别诱导果蝇和玉米突变成功。l 19371937年，布莱克斯里年，布莱克斯里 用秋水仙素诱导用秋水仙素诱导植物多倍体成功植物多倍体成功第二时期第二时期:微生物遗传和生化遗传时期微生物遗传和生化遗传时期 （1941194119601960）v1941 1941 Beadle和和 Totum 提出提出一基因一酶学说一基因一酶学说 v1944 1944 Avery 确定遗传物质为确定遗传物质为DNADNAv1951 1951 McClintock B.发现跳跃基因或称发现跳跃基因或称 转座转座v1953 1953 Watson和和 Crick建立双螺旋模型建立双螺旋模型v1958 Kornberg 发现发现 DNA合成酶合成酶 在此期遗传的基本单位是顺反子（在此期遗传的基本单位是顺反子（Cistrons）代表人物：George Beadle(1903-89)and E.L.Tatum(1909-79)1941年Beadle and Tatum 提出了一个基因一个酶的假说(One gene-one enzyme hypothesis):获1958年度诺贝尔奖 代表人物：1944年Avery提出遗传的物质基础是DNA。最应该获得诺贝尔奖而没有获得，为此，诺贝尔委员会曾一度受到批评。Oswald Avery(1877-1955)代表人物：1951年Barbara McClintock发现跳跃基因（转座）获1983年度诺贝尔奖Barbara McClintock(1902-92)代表著作：1945:薛丁谔（Sehrdinger,E）v 生命是什么 v (WHAT IS LIFE?v Cambridge Univ)v“基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。”第三时期:分子遗传时期 (19531985)v1953年,J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构模型,从而解决了DNA分子结构与基因的自我复制问题,标志着遗传学进入了分子遗传时期。1961:Jacob 和Monod建立乳糖操纵子模型 1962，1968 Arber，1978 Smith 发现限制v 性酶 1964，1965：Nirenberg，Khorana破译遗传v 密码 1972 Berg建立重组技术 1975 Temin发现反转录酶v1977 Sanger&Gilbert 建立测序方法v1977 Sharp 和 Roberts 发现内含子 v1980 Shapiro发现转座子v1981 Cech和Altman 发现核酶v1985 1985 Mullis,K.建立了建立了PCRPCR体外扩增技术。体外扩增技术。v此期基因的概念此期基因的概念是一段可以转录为功能性是一段可以转录为功能性RNA的的DNA，它可以重迭、断裂的形式存在，它可以重迭、断裂的形式存在，并可转座。并可转座。双螺旋模型的建立(Watson and Crick,1953)以及中心法则的提出(Crick,1958)里程碑式的发现：James Watson(1928-)Francis Crick(1916-)获1962年诺奖DNA双螺旋结构的发现：v1953年4月25曰自然杂志：v 核酸的分子结构脱氧核糖核酸的一个结构模型v作者：沃森（J.D.Watson）(美）v 克里克（F.H.C.Crick）（英）其他代表人物：乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod,1961)Francois Jacob(1920-)Jacquces Monod(1910-67)获1965年诺奖 其他代表人物：遗传密码的破译(Nirenberg and Khorana,1964,1965)Har Gobind Khorana(left)and Marshall Nirenberg获1968年 诺奖其他代表人物：反转录酶(Temin,1975)，DNA合成酶(Kornberg,1958)，限制性内切酶的发现(Arber,1962,1968;Smith,1978)Howard Temin(1934-94)Arthur Kornberg(1918-)获1978年诺奖其他代表人物：DNA重组技术的建立(1972,Berg)DNA测序(Sanger and Gilbert,1977)Paul Berg(1926-)Frederick Sanger(1918-)Walter Gilbert(1932-)1980年诺奖其他代表人物：转座子的移动(Shapiro,1980)核糖酶(Cech and Altman,1981)的发现PCR技术的建立(Swithies,1986)内含子的发现(Sharp and Roberts,1977)J.A.Shapiro(1943-)Sidney Altman(1939)Philip A.Sharp(1944-)1993年获奖v第四时期第四时期:基因组和蛋白质组时期基因组和蛋白质组时期 (1986 至今至今)v1986 美 Dulbecco首次提出了“人类基因组 工程”v1990 4月美国宣布人类基因组测序工作的5 年计划。v1991 Stepken Fodor 把基因芯片的设想第一 次变成了现实.v1992 10月美Vollrath D.等分别完成人类Y染 色体染色体的物理图谱.v1993 10月 美国公布了19931995年的人类基 因组测序工作计划，并预计2005年完成 整个的测序工作。v1995 Smith,H.O等第一个细菌基因组流感嗜 血杆菌(H.influenzae)全基因组序列发表。v1995 12月美、法科学家公布了有15000个标记 的人类基因组的物理图谱。v1996 Dietrich W.F等绘制了小鼠基因组的完整 遗传图谱。v1996 10月Goffeau等完成了酵母基因组的测序v1996 DNA芯片进入商业化v1997 Wilmut Wilmut 完成了体细胞克隆v1998 12月，第一个多细胞真核生物线虫的 基因组在Science上发表。v1999 Cate J.HCate J.H第一次绘制出完整核糖体的 晶体结构，揭示了其中的很多细节。v1999 国际人类基因组计划联合研究小组完成 了人类 第22号染色体测序工作。v2000 3月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因 组测序。v2000 完成了人类第21号染色体的测序v2000 6,26 人类基因组草图发表v2000 12,14 英美等国科学家宣布绘出拟南 芥基因组的完整图谱v2001 1,12 中、美、日、德、法、英等国科 学家(Nature,15日)和美国塞莱拉公司 (Science,16日)各自公布人类基因组图 谱和初步分析结果。约3万基因。重大突破：克隆羊的成功(Wilmut,1997)以及人类基因组草图(2000.6.26)的面世。多利羊和它的代理母亲v遗传学发展的新动态v1.基因组(genome)学v2.后基因组学v3.蛋白质组学(Proteomics)v4.生物信息学(Bioinformatics)定义为分子生物学和计算生物学的交叉.包含三个重要的内容:v(1)基因组信息学;v(2)蛋白质的结构模拟;v(3)药物设计.第二节第二节 遗传学在国民经济中的作用遗传学在国民经济中的作用v 遗传学与农牧业的关系遗传学与农牧业的关系v 遗传学与工业的关系遗传学与工业的关系v 遗传学在能源的开发和环境保护中的遗传学在能源的开发和环境保护中的应应 用用v 遗传学在医疗卫生工作中的应用遗传学在医疗卫生工作中的应用 v 遗传学在其他领域中的应用遗传学在其他领域中的应用 遗传学与农牧业的关系遗传学与农牧业的关系v动植物的杂交育种；v转基因作物第二次绿色革命；遗传学与工业的关系遗传学与工业的关系v20世纪40年代，人工诱变用于微生物及高产菌种的选育，推动了抗生素工业的发展；v70年代由于基因作用调控原理的阐明，这一原理应用于微生物发酵工业，大大推动了氨基酸和核苷酸的生产；遗传学在能源的开发和环境保护中的应用遗传学在能源的开发和环境保护中的应用v利用遗传工程技术，设法培育一些特殊的菌种，使人们可以从废物、矿渣和海水中回收贵重金属及用于处理“三废”、保护环境；v利用Ames法、染色体畸变、姐妹染色单体交换等技术，对环境中致癌物质的检测，这对环境质量的控制有重要作用。v第一代生物燃料（生物能源）指的是利用玉米等粮食作物为原料转化为生物燃料（生物酒精、生物柴油）的应用模式，第二代生物染料是以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料，采用生物纤维素转化为生物燃料的模式，发展纤维素乙醇；第三代生物燃料则指木质素的降解利用，第二代和第三代生物燃料原料多来自植物秸杆等废料，不会产生与人争粮的情况。遗传学在医疗卫生工作中的应用遗传学在医疗卫生工作中的应用v遗传病的诊断和治疗；v优生学；v基因工程药物；v癌症和艾滋病致病机理的研究和防治；遗传学在其他领域中的应用遗传学在其他领域中的应用v法律上的亲子鉴定和罪犯查明；v考古中的DNA鉴定；v体育中的人才选拔；v生物武器的防治等。Tips：克隆的概念 vClone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。v美国生命伦理顾问委员会则认为，克隆一词指细胞、植物、动物或人的精确的遗传复制。v欧洲委员会认为，克隆是生产遗传上等同的生物的方法。v一般观点认为克隆是一个名词，一群具有相同基因型的微生物。克隆羊多莉的产生过程v多莉出世历经曲折。在培育多莉羊的过程中，科学家采用体细胞克隆技术，主要分个步骤进行：v步骤一：从一只岁芬兰多塞特白面母绵羊（姑且称为）的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的营养培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为“供体细胞”；步骤二：从一头苏格兰黑面母绵羊（）的卵巢中取出未受精的卵细胞，并立即将细胞核除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称之为“受体细胞”；步骤三：利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成“融合细胞”。电脉冲可以产生类似于自然受精过程中的一系列反应，使融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成“胚胎细胞”；步骤四：将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊（）的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成小绵羊-多莉。v多莉年月日 出生，年月日，因患严重肺病而接受“安乐死”。克隆技术存在的问题v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，存活率低存活率低是当今核移植技术的最大缺陷。v最近发现，克隆羊的端粒较同年羊短。可能会减减少寿命少寿命。v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。系值得深入研究。v核移植过程中产生的个体突变频率高个体突变频率高。课后思考题：v科学悖论:生物的基因组在进化过程中一般越来越复杂，但是人的基因组却比有些低等生物的基因组还小。而且人类的基因数目也比有些低等生物的的少，请就此问题谈谈你的看法。
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