遗传学第一章绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/25,普 通 遗 传 学,GENERAL GENETICS,1,第一章绪论,一、遗传,学,研究的对象和任务,二、遗传学,的,发展简史,三、遗传学研究的领域,四,、,遗传学的应用,五,、,遗传学的特点与学习方法,本章要点,2,一、遗传,学,研究的对象和任务,1. 遗传学的研究对象,遗传学,(Genetics),是研究生物遗传信息传递及遗传信息如何决定生物性状发育的科学。是研究,生物遗传和变异,的科学,遗传与变异是生物界最普通、最基本的两个特征,遗传,(heredity),：,指生物亲代与子代,相似,的现象，即生物在世代传递过程中可以保持物种和生物个体各种特性不变；,变异,(variation),：,指生物在亲代与子代之间，以及在子代与子代之间表现出一定,差异,的现象。,3,遗传是相对的、保守的；变异是绝对的，发展的。,没有遗传，就没有物种的相对稳定性；没有变异，不会产生新的性状，也就不可能有物种的进化和新品种的选育,遗传和变异的表现都与环境具 有不可分割的关系。,遗传与变异的对立统一关系,4,2,.,遗传、变异和选择,遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的三大因素,生物进化就是环境条件,(,选择条件,),对生物,变异,进行,自然选择,，在自然选择中得以保存的变异传递给子代,(,遗传,),，变异逐代积累导致物种演变、产生新物种,动、植物和微生物新品种选育,(,育种,),实际上是一个人工进化过程，只是以选择强度更大的,人工选择,代替了自然选择，其选择的条件是育种者的要求,5,3,. 遗传、变异,与,环境,环境改变可以引起变异,战国时期,考工记,就指出：“橘逾淮而北为枳”。表明人们在很早以前就注意到生物生存环境的改变可以引起生物的性状改变,生物所表现出的性状变异分为：,可遗传,(,heritable),变异,和,不可遗传,(,non-heritable),变异,环境引起的变异中包含可以遗传给后代的特性，也包含只在生物当代表现出来，而不能传递给后代的变异,西汉的著名唯物主义者,王充,(,王阳明,),在,论衡,中指出：某些偶然变异是不可遗传的,考察生物遗传与变异应该在给定环境条件下进行,6,4. 遗传学的任务,遗传与变异现象,与,基本规律,阐明生物遗传、变异现象及其,表现,规律,遗传,的,本质,与,内在规律,探,索,遗传,、,变异的原因及其物质基础(遗传的本质),，揭示,遗传变异,的,内在规律,指导生物遗传改良工作,在,上述工作基础,上,指导动,、,植物和微生物遗传改良,(,育种,),实践,7,现代遗传学主要研究任务,以,基因为主要研究对象，研究基因在遗传变异中的作用机理。,染色体,基因与,DNA,，,基因控制蛋白质，从而控制遗传性状，从基因型到表现型。,基因突变与环境问题,8,二、 遗传学,的,发展简史,*,(一)、 古代遗传学知识的积累,(二)、 近代遗传学的奠基,1. 拉马克,：,器官,用进废退,与,获得性状遗传,2. 达尔文,：,泛生假说,3. 魏斯曼,：,种质连续论,4. 高尔顿,：,融合遗传假说,5. 孟德尔,：,遗传因子假说,(三)、 遗传学的建立和发展,1. 初创时期(1900-1910),2. 全面发展时期(1910-1952),3. 分子遗传学时期(1953-),9,*,(一)、 古代遗传学知识的积累,18,世纪中叶以前，遗传学基本上属于萌芽时期。人类在利用和改造生物的过程中，逐渐积累对生物遗传和变异的认识以及对遗传本质的探索和猜测。具有明显的朴素唯物主义和经验性质，在方法上比较直观，并更多地注意生物的形态特征,在欧洲，宗教神学的统治使遗传知识带上了浓厚的神学、神秘主义色彩。集中表现为,生物物种神创论,和,不变论,10,(二)、 近代遗传学的奠基,1. 拉马克,：,用进废退和获得性状遗传,拉马克认为：生物物种是,可变的,；遗传变异遵循“用进废退和获得性状遗传”规律,拉马克的主要研究领域是生物物种进化，但对生物进化的解释必然涉及对性状遗传与变异现象的解释,器官用进废退和获得性状遗传假说,用进废退：,生物变异的根本原因是环境条件的改变,获得性状遗传：所有生物变异,(,获得性状,),都是可遗传的，并在生物世代间积累,11,2. 达尔文,：,泛生假说,(hypothesis of,pangensis,),达尔文在解释生物进化时也对生物的遗传、变异机制进行了假设，并提出了泛生假说，认为：遗传物质是存在于生物器官中的“泛子,/,泛生粒”；遗传就是泛子在生物世代间传递和表现,达尔文也承认获得性状遗传的一些观点，认为生物性状变异都能够传递给后代,12,3. 魏斯曼,：,种质连续论,新达尔文主义,在生物进化方面支持达尔文的选择理论，但在遗传上否定获得性状遗传，魏斯曼是其首创者,种质连续论,(theory of continuity of,germplasm,),多细胞生物由种质和体质组成：种质指生殖细胞，负责生殖和遗传；体质指体细胞，负责营养活动,种质是“潜在的”，世代相传，不受体质和环境影响，所以获得性状不能遗传；体质由种质产生，是“被表达的”，不能遗传,种质在世代间连续，遗传是由具有一定化学成分和一定分子性质的物质,(,种质,),在世代间传递实现的,13,*,4. 高尔顿,：,融合遗传假说,融合遗传认为：双亲的遗传成分在子代中发生,融合,，而后表现,其根据是，子女的许多特性均表现为双亲的中间类型。因此高尔顿及其学生毕尔生致力于用,数学和统计学方法,研究亲代与子代间性状表现的关系,虽然融合遗传的基本观点并不正确，但是在这一基础上所创建的一系列生物数学分析方法，却为,数量遗传、群体遗传,的产生和发展奠定了基础,14,5. 孟德尔,：,遗传因子假说,遗传因子假说认为：,生物性状受细胞内遗传因子,(,hereditary factor),控制,遗传因子在生物世代间传递遵循分离和独立分配两个基本规律,这两个遗传基本规律是近现代遗传学最主要的、不可动摇的基础,15,(三)、 遗传学的建立和发展,1. 初创时期(1900-1910),(1).,1900年， 狄弗里斯,、,柴马克和柯伦斯分别重新发现孟德尔规律，是遗传学学科建立的标志。1906,年,，,贝特生提出以,Genetics,作为该学科的学科名,(2).,1901-1903年，狄弗里斯发表“突变学说”,(3).,1903年，,Sutton,和,Boveri,分别提出染色体遗传理论，认为,：,遗传因子位于细胞核内染色体上,，从而将孟德尔遗传规律与细胞学研究结合起来,(4).,1909年，约翰生发表“纯系学说”，,并,提出“,gene,”,的概念,，,以代替孟德尔所谓的“遗传因子”,(5).,1908年，哈德和温伯格分别推导出群体遗传平衡定律,16,2. 全面发展时期(1910-1952),形成,了,近代遗传学,的,主要内容,与研究,领域,，,也是,本,课程,的,主要内容,(pp:24),(1). 细胞遗传学,/,经典遗传学,(1910-1940),1910，,摩尔,根等：性状,连锁遗传规律,(2).,数量遗传学,与,群体,遗传学,基础,(1920-),费希尔等：数理,统计,方法在,遗传分析中的应用,17,2. 全面发展时期(1910-1952),(3). 微生物遗传学及生化遗传学 (1940-1953),1941，比德尔等：,一个基因一个,酶1944，阿委瑞：,肺炎双球菌转化,1952，赫尔歇和蔡斯：,噬菌体,重组,(,4,).,其,它研究,方向,1927，穆勒等：,人工,诱变1937，布莱克斯里等：植物,多倍体诱导,杂种,优势,的,遗传理论,18,3. 分子遗传学时期(1953-),1953,年,Watson,和,Crick,提出,DNA,分子双螺旋,(,double helix),模型，是,分子遗传学,及以之为核心的,分子生物学,建立的标志；,20,世纪,70,年代以来，分子遗传学、分子生物学及其实验技术得到飞速发展。,19,分子遗传学时期(1953-),建立了以,DNA,重组技术,为核心的,遗传工程,，为生物遗传,定向操作,奠定了基础；,取得了人类、多种农业和实验生物基因组的,DNA,序列信息,(,结构基因组学,),；,开创了,功能基因组学,研究,(,后基因组学,),。,*新研究领域开创与分支学科形成的要素：,代表性人物；,新的研究技术与方法体系：物理学、化学、数学等学科的新理论与技术；,开创性的研究成果,(,代表性的试验,),。,20,遗传学发展重要里程碑,1.1866,年，孟德尔（,G.Mendel,）,发现遗传因子，提出分离定律和独立分配定律。,2. 1900,年，弗里斯、柴马克、柯伦斯三人同时发现孟德尔的理论。这一年作为遗传学建立和开始发展的一年。,3,、,1910,年以后，摩尔根（,Morgan),提出连锁遗传定律，创立“基因理论”。,4,、,1944,年，阿委瑞（,Avery),等证明,DNA,是遗传物质。,5,、,1953,年，瓦特森（,Watson),和克里克,(,Crick),阐明,DNA,分子双螺旋结构,6,、,1966,Nirenberg,破译全部遗传密码。,7,、,1973,Boyer,Cohen,建立,DNA,重组技术。,8,、,1981,Palmiter,Brinster,获得转基因小鼠。,9,、,1988,Mullis,发明,PCR,技术。,10,、,1989,Collis,主持实施人类基因组计划。,11,、,1997,克隆羊“多莉”在英国诞生。,12,、,2001.2.12,完成人类基因组图谱,21,三、遗传学研究的领域 遗传、发育、进化在基因水平上的统一,1,、遗传、发育、进化的共同基础是基因；,2,、生物个体发育过程是细胞内基因按特定的时间空间程序精确表达的过程；,3,、发育的核心是细胞分化，细胞分化的关键是相同基因组中各个基因在时间,空间上的选择性表达的结果；,4,、从基因到性状也是胚胎发育过程；,5,、生命长链是自然选择下不断出现突变的基因流；,6,、基因信息的传递与变化统一了遗传与进化；,7,、基因工程学和生物信息学将更加统一生命学科。,主要研究领域及分支学科,1,、传递遗传学：性状传递，经典遗传学,2,、细胞遗传学：研究染色体为主，,3,、分子遗传学：研究基因为主，,4,、生统遗传学：数量遗传、群体遗传学,23,四,、 遗传学的应用,1.,对,生命本质的探索,生命现象,的,遗传统一性,生命科学,在,分子水平,上的,统一,2.生物进化,理论,的,基础,遗传学,研究生物在,少数几个世代繁育过程,中,表现出来,的,遗传,、,变异现象,与,规律,生物,进化,研究生物在,长期历史过程中的遗传,与,变异规律,及,发展方向,24,3、动,植物育种,指导动植物、微生物遗传改良,工作,提高育种工作,的,预见性,创造,新的,遗传变异,提高选择可靠性,与效率,定向创造,和重组,遗传变异,等,25,4、,遗传学,与,医疗保健,提高医疗卫生水平,遗传,病的,遗传规律,研究、,诊断,与治疗(,基因制剂,与,基因,疗法),细胞,组织癌变,机制,、,诊断,与,防治,病原,物(,细菌,、病毒),致病,的,遗传,机理,及其防治,生物,工程药物生产,等,26,5,、遗传工程,遗传工程（,genetic engineering,）,是七十年代发展起来的一门新技术，它是综合分子生物学与微生物学、分子遗传学等理论和技术建立起来的。,广义：基因工程、细胞工程、染色体工程和细胞器工程。,狭义：基因工程,基因工程：是一种操作，它不是通过一般传统的有性杂交方法，而是采取类似于工程建设的方式，按照预先设计的蓝图，借助于实验室的技术，将某种生物的基因或基因组转移到另一种生物中去，使后者定向地获得新的遗传性状，成为新的类型。这实际上就是目前讲的转基因技术。,27,传统杂交只能进行亲缘关系较近的交配（远缘交配失败），无法进行远缘交配（即遗传物质交流），遗传物质交流开始是全方位的，通过人为选择，可以达到目的性状，但工作量大，且容易改变原来的其他优良性状。但基因工程就不同的，它不但可以进行种间、属间科间遗传物质交流，还可以进行高等、低等，动物与植物间遗传物质交流，同时可以定向而不改变原来的优良性状，所以十分诱人！目前基因工程主要在以下几方面应用：,a.,生物制药,b.,遗传病治疗,c.,农业新品种选育,d.,发酵工程,e.,治理环境污染,(,创新微生物类型,),f.,其他 等,28,基因制药与治疗,利用转基因动物来生产基因药物是一种全新的生产模式，与传统的制药技术相比具有无可比拟的优越性。目前已有,500,个基因用于药物开发，到人类基因组计划完成时，这一数目将增加,6,到,20,倍，达到,3000,10000,个,.,例如：,1996,年,1,月，以色列科学家成功地培育出一头名叫“吉蒂” 的山羊，羊身上带有人类的血清白蛋白基因。这种白蛋白可用以治疗烧伤、休克，或者在外科手术后用来补偿血液损失。,基因治疗：指利用遗传学的原理治疗人类的疾病。目前人类基因治疗主要集中在遗传性疾病、肿瘤及某些传染性疾病。至,1997,年初，全世界共记录了,2103,例基因治疗病例（美国,1700,例）。其中,68%,是治疗肿瘤的，,19%,是治疗遗传病的，,12%,治疗传染性疾病等。,29,基因工程与农林业,利用基因工程改造作物可达到,4,个目的：改变物种的性状；增加作物抗病虫害能力；提高作物的产量；改善食品的营养成分。 我国主要在以下三方面重点发展：,1,）微生物肥料,2,）微生物农药,3,）改造传统生物技术产业,转基因作物研究新进展,1,、转基因水稻,2,、转基因大豆,3,、转基因马铃薯,4,、转基因木薯,5,、较基因甘薯,6,、转基因棕榈,7,、转基因香蕉,植物基因在减少病虫草方面：,（一）抗病毒方面：（二）抗细菌及真菌方面：,（三）抗虫害方面： （四）抗杂草方面：,转基因树与林业,目标有三：,(1),加快树木的生长和早成材；,(2),提高树木或果树果品的质量，,(3),早收优质高产木材,30,转基因动物,动物体细胞克隆技术为生长蛋白类药物、器官移植、挽救珍惜濒危动物及培育优良品种奠定基础；,1997,年，,Wilmut,等用山羊胚胎的核转入去核未受精的卵母细胞，克隆了“,Dolly,羊”；,转基因动物成功引导了一种新型的制药工业，利用转基因山羊，绵羊和乳牛的乳汁生产治疗人类疾病的蛋白类药物；另外克隆经过修饰的猪，为人体器官移植提供外源器官。,我国上海转基因研究中心和陕西的中国杨凌克隆动物基地也成功克隆了山羊。,31,6,、遗传学与社会、法律和世界观,转基因生物的安全问题,一方面是环境安全性：,1),转基因植物演变成农田杂草的可能性。,2),基因漂流到近缘野生种的可能性。,3),对生物类群的影响。,另一方面是食品安全性：,1),毒性问题；,2),过敏反应问题；,3),营养问题；,4),对抗生素的抵抗作用；,5),对环境的威胁,32,DNA,亲子鉴定和身份测试问题,将分离开的目的基因放在尼龙薄膜上,使用特别的,DNA,探针去寻找基因,每一种探针用于寻找,DNA,的不同部位并影成独特的条码,用几组不同的探针,可得到超过,99,9%,的父系或然率或分辨率,.,DNA,指纹分析与罪证确定,33,伦理和社会学方面,（,）,如何解释遗传信息的医学意义,：,人类基因组作图和测序工作将提供大量有关人类疾病的遗传学基础的新知识。不谨慎地解释有关基因与疾病相关的信息，将对携带这些基因但不会生病的人带来灾难。,（,）,遗传学隐私权将是下一代人激烈争论的宪法问题,:,人们,最担心的问题是隐藏在人类基因组中的秘密被公开化，从而很可能对个人带来一系列的不利的后果。明显的例子是工厂或保险公司对可能提出对雇用的人或投保人进行遗传检验申请。,（,）,合理地使用研究成果,：,担心隐藏在人类基因组中的秘密有可能被用来对抗人类。一滴血或一绺头发中就包含了所有的遗传信息。雇主或承保人会根据这些信息去判断某人是否有许多种使其衰弱的疾病的危险。,34,商业与法律方面,人类基因组计划将会产生一些有潜在商业价值的新信息和材料。这些信息和材料就象编码那些尚未发现的激素、生长因子或免疫介质一样，它们的商业价值也存在保护参与者贡献的智力与知识产权和所有权的问题。是否有可能对人类基因组的序列实行版权法？由谁来执行？政策中某一中心机构是否享有计划所产生的克隆这样的新材料的专利？ 这些复杂问题应该由全世界的科学家、律师和政策决定者来共同研究。这些问题在前一段时间内，科学界进行了激烈的讨论，且基本上达成共识：人类基因组序列是全人类的共同财富，不应对它的使用进行限制。,35,*五、遗传学的特点与学习方法,试验研究材料：所有动植物和微生物,生物形态、生理、生态及农艺特征,(,性状,),通过生物体内的生理、生化过程表现,以生物细胞内遗传物质为基础，在特定环境下,采用一定的物理、化学与数学方法,综合性强,生物学,(,动植物、微生物学,),、细胞学、生理学、生物化学的基础,土壤学、农业气象学生态学等相关学科的基础知识,物理、化学和数学,(,包括生物统计,),方法,36,*遗传学的特点与学习方法,实践性与应用性,产生于生产与生活实践,直接指导人类科学研究与生产实践工作,理论性,普通遗传学,细胞遗传学,数量遗传学,群体遗传学,生化遗传学,分子遗传学等,37,*遗传学的特点与学习方法,学习方法,1,、广泛积累细胞学、生物化学等相关学科知识,2,、善于联系相关学科与实践，勤于思考、切忌死记硬背,3,、注重相互交流、讨论,4,、形成遗传的观念，从遗传与变异角度思考问题,38,本章要点,1.,遗传、变异的含义及其与环境的关系；,2.,生物进化与新品种选育的三大因素；,3.,拉马克、达尔文、魏斯曼、高尔顿及孟德尔的遗传观念及其在遗传学发展中的作用。,4.,遗传学发展历程中的主要里程碑有哪几个？,5,、遗传学的重要性表现在哪些方面？,39,