复旦现代生物科学导论课件-08遗传与变异

第八章生命延续的本质——遗传与变异第一节孟德尔与“基因”思想第二节遗传的染色体基础第三节遗传的分子基础第四节基因的结构与表达调控第五节突变与遗传疾病第六节基因工程第七节人类基因组计划遗传学之父——孟德尔第一节孟德尔与基因思想（一）遗传学的诞生与发展1.孟德尔之前的学说2.孟德尔定律的再次发现与认可——遗传学的诞生•Devries,Correns,Tschermak(1900)•Devries:突变•Sutton等：遗传的染色体学说•贝特森：遗传学、等位基因、纯合体、杂合体、上位基因等。•Johannsen:基因、基因型、表型。3.遗传学发展的三个阶段•细胞遗传学时期(1910-1940)•微生物遗传和生化遗传时期(1941-1960)•分子遗传学时期(1953–present)（二）遗传的基本法则1.孟德尔和他的实验（1857-1865)•分离定律•自由组合定律孟德尔所研究的豌豆的七个性状2.孟德尔的分离定律一些概念：•等位基因（allele)•纯合体（homozygote)•杂合体（heterozygote)•表型（phenotype)•基因型（genotype)测交实验（Testcross)分离和受精是一种几率事件3.孟德尔的自由组合定律双性状杂交分离的两种假说的比较鹦鹉羽毛颜色遗传中的自由组合(三)从基因型到表型的一些复杂情况1.中间性遗传—不完全显性2.复等位基因—共显性3.多效性4.表现度和外显率5.上位基因与下位基因6.性状的多基因决定1.中间性遗传又称不完全显性或半显性，其特点是杂合子表现为双亲的中间性状。2.复等位基因有些基因有两种以上的等位基因,称之为复等位基因.一个两倍体生物只可能具有其中一对等位基因，而在一种生物群体中某一个基因座位上的不同等位基因的总数常常是相当大的。ABO血型的复等位基因共显性杂合子的一对等位基因各有自己的表型效应3.基因的多效性一个基因有时会影响许多表型特性,单个基因具有多种效应的能力称之为多效性.例如：先天性成骨不全骨骼发育不良巩膜呈淡兰色成年后耳聋4.表现度和外显率•表现度某一特定基因在个体中表现其特性的程度果蝇lobe眼突变体变化的表现度（显性突变杂合子，复眼缺失￫近野生型）•外显率在特定环境中某一基因型（常指杂合子）显示出相应表型的频率人类的多指畸形症5.上位基因与下位基因指基因相互作用中,一对基因的表型表达取决于另一对非等位基因的基因型.两对非等位基因中起“显性”作用的称为上位基因，起“隐性”作用的称为下位基因.甜豌豆中的上位现象6.性状的多基因决定两个或两个以上基因影响于一个表型特征人肤色多基因遗传的三基因简化模型(四)人类中的孟德尔遗传矮人家族镰刀形细胞贫血症第二节遗传的染色体基础——摩尔根的重要贡献(一)基因与染色体的关系(二)染色体学说的直接证据(三)基因的连锁与交换定律(四)真核生物的染色体作图(五)性别的染色体基础摩尔根和他的学生们(一)基因与染色体的关系1.染色体在细胞分裂中的特性•染色体的特点：细胞核内，成对，数目稳定等•有丝分裂与减数分裂2.基因与染色体的平行关系－遗传的染色体理论•创立：美国WalterSutton&德国TheodorBoveri(1902)•依据等位基因—同源染色体形成配子时等位基因相互分离，同源染色体相互分开。不同基因自由组合进入配子,非同源染色体自由组合进入配子。孟德尔定律的染色体基础（二）染色体学说的直接证据果蝇的特点•多产且易于培养•生活周期短•染色体数目少且易于观察摩尔根的第一个突变体果蝇的性连锁遗传（三）基因的连锁与交换定律1.基因连锁的发现1905,BatesonWandPunnetRC--香豌豆1910,MorgenandBridges--果蝇杂交2.基因连锁—自由组合定律的特例同源染色体在减数分裂时发生交换位置相近的因子相互连锁3.交换是重组的染色体基础细胞在进行有丝分裂时,不同的基因依据一定的规律进行重组.•非连锁基因的重组—自由组合定律•连锁基因的重组—交换定律非连锁基因的重组(四)真核生物的染色体作图1.染色体的遗传图谱依据连锁基因的交换值作图1917,AlfredH.Sturtevant•有丝分裂时同源染色体间发生交换重组，且两个连锁基因之间的距离决定了它们之间的交换频率，即交换值（重组值）.•利用连锁基因间的重组可估算基因间的距离.1%重组值为1个图距单位，又称1cM.果蝇的遗传图谱AlfredH.Sturtevant2.染色体的细胞学图谱依据突变表型及其在染色体上缺失的位置或其它可在显微镜下观察的特征而绘制的图谱。1920s,HermannJosephMuller用X-ray增加果蝇突变，并利用突变体作了一系列出色的研究工作.果蝇唾液腺的多线染色体果蝇多线染色体上的缺失遗传图谱和细胞学图谱的比较（五）性别的染色体基础1.性别决定系统•X-Y系统人，哺乳动物，果蝇等•X-O系统蝗虫，蟋蟀等直翅目昆虫•Z-W系统鸟，两栖，爬行，蝶，蛾等•单-双倍体系统蜂，蚁•植物的性别决定*雌雄异株枣椰树、菠菜、大麻(XY)、野草莓(ZW）性染色体差别极小(singlegene)雌雄同体雌雄同花（豌豆）雌雄异花（玉米）无性别决定系统2.伴性遗传欧洲皇室家族的血友病俄国NicholasII家庭英国维多利亚女王3.基因剂量的补偿Lyon假说在人类和哺乳动物中，大多数双倍体细胞中只有一条Ｘ染色体完全有活性.在雌性中，两条染色体中的一条在胚胎发育早期失活，浓缩成一个致密的小体，叫巴尔小体(BarrBody).巴尔小体XYXX雌性动物Ｘ染色体失活引起的毛色镶嵌猫的毛色4.性别限制和性别影响特性•性别限制性特性（限制遗传）某些特性由两性中均有的常染色体决定,但却专性地在一个性别中表达.例如：人的胡子、牛的产奶量、鸡的生蛋量.•性别影响性特性（从性遗传）某些特性的表现和外显率受性别影响，在不同性别中表现有所不同.例如：秃顶男性中杂合体引起秃顶女性中纯合体才会引起脱发第三节遗传的分子基础（一）遗传物质是DNA（二）DNA的分子结构与复制（三）DNA与蛋白质合成（一）遗传物质是DNA1.FrederickGriffith的实验(1928年)肺炎双球菌粗糙无夹膜(不致病,R)转化光滑有夹膜(致病,S)2.Avery等的实验(1944-1950年代)遗传物质是DNA或RNA,而不是蛋白质.Griffith发现在肺炎双球菌中的转化1928Avery证明转化的物质是DNA1944Hershey和Chase证明噬菌体T2的遗传物质是它的DNA1952烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质是RAN1957(二)DNA分子的结构和复制1.DNA的分子结构•1953年,JamesWatson和FrancisCrick建立DNA双螺旋结构模型。•依据DNA碱基组成及碱基等比规律A+G=T+C嘌呤=嘧啶A=TC=GDNA纤维的X-ray衍射图WatsonandCrick19531990’sDNA的双螺旋结构小沟大沟Z-DNA和B-DNA结构的比较左旋DNA右旋DNA2.DNA的复制ACCCTGGSSPSSPSSPPSSSPSPSSPSSSSSSSSTTTAAPPPSPSPPPPPSSPPSS3'HydrogenbondsCovalentbondsBeginningofunwindingNewdoublestrands;replicationiscomplete.5'3'5'3'5'3'5'SPPPPPPSSSSSS朠朠朠S朠朠朠S朠朠朠S朠朠朠P朠朠朣P朠朠朣P朠朠朣P朠朠朣SCCCCCAGGGGSPSSPPPSSSPSSPPPSSTTAACCGGTTTATAACGCGCGCGGTACGGTACGTAPPSSPSPPSSPSPSSPSSPSSSSSPPPPPPSPSPSSPSSSPSSPSSSSSPPPSPSSSSPPPSPTTAACCGGGCopyright?1997,byJohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.孪生子的行为DNA半保留复制的实验证明DNA的复制过程—复制叉前导链5’￫3’滞后链5’￫3’引发体解旋酶拓扑异构酶DNA聚合酶单链结合蛋白引物引物合成酶DNA聚合酶III的催化核心（复制前导链）（复制滞后链）解旋酶引物合成酶DNA聚合酶3.DNA复制与核小体组装4.染色体的形成染色体端粒与早老性侏儒症染色体端粒由端粒酶复制(三)DNA与蛋白质合成•1909,英国物理学家ArchibaldGarrod第一次提出基因是通过在细胞中催化化学反应的酶来决定它的表型.•1930s,GeorgeBeadleandBorisEphrussi推测影响果蝇眼睛颜色的各种突变体是由于催化相应步骤的酶被阻止的缘故.•几年后，BeedleandTatum通过研究脉孢菌突变体提出一个基因一个酶的假说.•1957，Crick提出中心法则.三种RNA的转录1.RNA的转录和转运细胞核2.核糖体与蛋白质合成3.遗传密码启始密码子终止密码子(四)中心法则及其补充从DNA到蛋白质转录翻译复制第四节基因的结构与表达调控(一)基因—生物的遗传因子(二)顺反子(三)操纵子(四)外显子与内含子(五)重叠基因(六)转座子(七)癌基因与抑癌基因(八)染色体以外的基因(九)不同水平上的基因表达调控(二)顺反子(Cistron)顺反子是一个遗传单位,相当于一个基因。1.多顺反子几个基因连在一起成为一个转录单位,一般存在于原核生物中。2.单顺反子一个基因为一个转录单位,一般存在于真核生物中。(一)基因—生物的遗传因子（三）操纵子(Operon)操纵子是细菌基因表达和调控的一个单位,包括结构基因和能被调节基因产物所识别的调控元件。1.结构基因编码蛋白质和RNA的基因2.调节基因编码调节蛋白的基因（调节蛋白调节其它基因表达）3.调控元件一段序列，不能转变成其它形式，但有影响下游基因的功能。大肠杆菌的乳糖操纵子-乳糖无乳糖加乳糖（四）外显子与内含子——断裂基因1.外显子（exson）断裂基因的片段,它存在于成熟的RNA产物中。2.内含子（intron)DNA片段，被转录后通过剪接从RNA中除去,不存在于成熟的RNA产物中。3.RNA剪接除去内含子内含子的发现mRNADNA真核基因的内含子Exon外显子Intron内含子mRNA前体成熟mRNA外显子连接转录剪除内含子剪接(五）重叠基因(Overlappinggene)X174噬菌体的环状基因组11种蛋白质,M.W262,0005386Nt,可编码1795氨基酸M.W197,000玉米粒颜色的变化BarbaraMcClintock(1983NobelPrice)1.跳跃基因的发现（六）转座子(Transposons)2.转座子的特征•转座子是一段DNA顺序,它能把自己插入到基因组的一个新位点上。•转座酶—在转座过程中催化DNA的切开与连接。•一对颠倒重复序列分别位于转座酶的两侧，是转座酶的识别位点。（七）癌基因与抑癌基因1.癌基因(Oncogene)基因产物具有使正常细胞转化为肿瘤细胞的能力.2.原癌基因(Proto-oncogene)未活化的细胞癌基因称为原癌基因,原癌基因突变形成癌基因.在正常细胞中原癌基因具有各种重要生物学功能。原癌基因编码多种重要蛋白质⑴生长因子⑵生长因子受体⑶蛋白激酶或激活激酶的蛋白⑷调控细胞周期的蛋白⑸影响细胞凋亡的蛋白⑹转录因子3.抑癌基因（TumorSuppressor)抑癌基因产物可以抑制原癌基因转化为癌基因。正常细胞中，原癌基因与肿瘤抑制基因产物协调作用避免细胞癌变。肿瘤抑制基因的突变抑制细胞增殖功能丧失(隐性突变)（八）染色体外基因不是所有的细胞基因都在细胞核内染色体上，在细胞核外，一些能自主复制细胞器内也含有基因.它们通过复制将基因传给子细胞，但不遵循孟德尔定律.1.DNA水平上的调控•DNA高度甲基化*甲基化使基因失去活性*甲基化与基因特异性表达•包装是高度凝缩DNA的包装与基因表达的调控相关如：Barr小体（九）不同水平上的基因表达调控果蝇多线期染色体的膨起结构2