复旦遗传学课件00绪论：遗传与变异

第一章绪论遗传与变异第一节遗传学的基本概念与发展历史第二节遗传的分子机制（概论）第三节遗传学的研究内容与方法第四节遗传学研究对其他学科的影响第一节遗传学的基本概念和发展历史zz遗传学遗传学(genetics)(genetics)是研究生物遗传与变异规律的科学，它是是研究生物遗传与变异规律的科学，它是生物学领域中重要的分支科学。生物学领域中重要的分支科学。zz遗传遗传(heredity)(heredity)是生物性状或信息世代传递的现象；因为遗是生物性状或信息世代传递的现象；因为遗传的作用，一物种只能繁育出同种生物。传的作用，一物种只能繁育出同种生物。遗传遗传——““种瓜得瓜，种豆得豆种瓜得瓜，种豆得豆””zz变异变异(variation)(variation)是生物性状在世代传递过程中出现的差异是生物性状在世代传递过程中出现的差异现象；由于存在变异，生物的子代与亲代，子代与子代之现象；由于存在变异，生物的子代与亲代，子代与子代之间存在一定的差别。间存在一定的差别。变异变异——““一母生九子，母子十个样一母生九子，母子十个样””遗传与变异的关系zz遗传与变异是生物生存与进化的基本因素。遗传维持了生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。相对稳定的物种。zz变异使得生物物种不断推陈出新。没有变异，就没有物种变异使得生物物种不断推陈出新。没有变异，就没有物种的进化；没有变异，就没有新物种的形成。的进化；没有变异，就没有新物种的形成。zz遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生命世界生生不遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生命世界生生不息，多彩多样。息，多彩多样。z1694年Camerarius植物杂交实验z1798年Jenner接种牛痘预防天花z1809年Lamarck获得性状遗传z1820年Nasse血友病伴性遗传z1822年Knight豌豆杂交实验z1839年Schleiden细胞结构z1859年达尔文物种起源z1865年孟德尔发现遗传定律„1869年米歇尔分离出核酸(核素)„1879年弗莱明发现染色体20AD前的经典遗传学遗传物质“泛生论”与“颗粒论”的争论„1866年达尔文（Darwin）提出了泛生论（hypothesisofpangenesis），认为身体各部分里都细胞存在一种胚芽或“泛子（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，泛子又不断地流到不同的细胞中，控制所在细胞的分化，产生一定的组织器官。„德国的生物学家魏斯曼（WeismannA）1885年提出遗传和发育的理论——种质论（germplasmtheory），认为仅存于性细胞的遗传物质－种质，才会传递给后代决定生物的性状。„1909年加洛德(ArchibaldEdwardGarrod,1857–1936)发表人类先天代谢疾病的论著，提出了“onemutantgene-onemetabolicblock”的概念。„人类发现的第一例遗传疾病——尿黑酸症(alkaptonuria)„1.该病在家族中的遗传遵循孟德尔遗传规律，是由遗传因素造成的代谢疾病。„2.尿黑酸是酪氨酸的代谢中间产物，由于生化代谢途径中分解尿黑酸的酶发生突变，造成尿黑酸的积累。20AD--现代遗传学开端酪氨酸--A--4-羟苯丙酮酸--B--尿黑酸--C--延胡索酸，乙酰乙酸--D--乙酰辅酶A„1911年，美国遗传学家摩尔根（ThomasHuntMorgan,1866-1945）以果蝇为材料进行遗传学研究，提出了基因学说，指出基因是确切存在的物质，呈直线状排列在染色体上。„伴性遗传（红白眼）„连锁和交换（黑灰体，长残翅）„1928年，英国病理学家格里菲斯(FrederickGriffith,1879-1941)利用肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae)转化实验发现了可遗传因子。试验1：粗糙型菌株（R）试验2：光滑型菌株（S）试验3：高温处理致死的S试验4：高温处理致死的S和正常的R„1944年,艾弗里(OswardAvery,1877-1955)分离了肺炎链球菌的不同组分，证明遗传物质是DNA。„1952年，赫希(AlfedHershey,1908-1997)与蔡斯(MarthaChase,1927-2003)利用同位素标记的噬菌体侵染实验进一步证明了遗传物质是DNA。„1953年，沃森(JamesWatson,1928-)和克里克(FrancisCrick,1916-2004)发表DNA双螺旋结构。阿瑟·科恩伯格——DNA聚合酶的发现杰罗姆·勒琼发现唐氏综合征是由于人体的第21对染色体变异造成的马歇尔•尼伦伯格，罗伯特•霍利和哈尔•科拉纳阐明遗传密码保罗•伯格创造出第一个重组DNA分子美国开始了人工胰岛素的生产玛丽克莱尔•金和艾伦•威尔逊发现，人类和猩猩的基因相似度达到99%沃尔特•吉尔伯特，弗雷德里克•桑格和艾伦•马克希姆开发出DNA测序技术195619591960196619691972197519771978mRNA的发现；第一个蛋白质晶体结构被解析乔纳森•贝克韦斯分离出第一个细菌基因DNA自动测序仪的发明DNA指纹技术的发现诺贝尔奖授予提出癌基因概念的毕晓普和瓦默斯第一只克隆动物多利羊诞生第一罐转基因西红柿出产p53基因抑癌机制果蝇、河豚鱼和拟南芥的全基因组测序人类基因组序列图绘制结束诺贝尔奖授予发现RNA干扰的安德鲁•法尔和克雷格•梅洛GeneBank数据库的建立PCR技术发明抑癌基因Rb的克隆人类基因组组织的成立（HUGO）第一个显性遗传病（亨廷顿氏病）的疾病基因克隆1.美国正式启动基因组计划2.第一例基因治疗进入临床实验1982198519881990199319961999200120051984198619891991199419972000200320061.DNA芯片进入商业化应用2.酵母基因组测序完成完成人的22号染色体的测序诺贝尔奖授予发现细胞周期和调控机制的三位科学家现代遗传学的定义和研究内容现代遗传学的定义和研究内容zz从分子水平，遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和从分子水平，遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和调控的科学，这也是现代遗传学的研究重点。调控的科学，这也是现代遗传学的研究重点。zz现代遗传学关注现代遗传学关注基因组序列，基因网络关联以及基因的时空表达调控。z遗传学课程的内容是一个经典理论中展现现代进展，现代进展中隐含经典理论的水乳交融的知识体系，不能孤立地、割裂地学习和认识遗传学知识。„DNA的半保留复制是遗传信息准确传递的关键机制。第二节第二节遗传的分子机制（概论）遗传的分子机制（概论）„DNA的转录和翻译是遗传信息得以表达的关键机制。传统理论的挑战1„中心法则需要扩充；„DNA的转录产物不仅仅有编码蛋白质的mRNA；一些RNA转录产物可以以RNA形式发挥功能，如rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA，hnRNA，miRNA等；蛋白质对DNA复制、转录、RNA复制、反转录、翻译等环节都具有调控作用；以RNA为遗传物质的生物可以直接进行RNA复制和转录……1.先有鸡还是先有鸡蛋？2.先有DNA、RNA还是先有蛋白质？传统理论的挑战2„孤立的研究单个基因不能满足需求，要从基因组、转录组、蛋白组水平研究遗传的分子机制；种类种类MbMb大肠杆菌大肠杆菌4.644.64啤酒酵母啤酒酵母12.112.1线线虫虫100100果果蝇蝇140140蝗蝗虫虫50005000小小鼠鼠33003300豌豌豆豆48004800玉玉米米50005000小小麦麦1700017000人人30003000科学悖论:生物的基因组在进化过程中越来越复杂，但是人的基因组却比有些低等生物的基因组还简单——C值悖论在人类基因组中，全部基因序列只占基因组的2％左右。基因组内的非基因序列曾一度被研究者称为“垃圾DNA”（junkDNA）。基因与性状的复杂关系zz凡是遗传的性状都与基因有关。凡是遗传的性状都与基因有关。zz与基因有关的性状并非都是可遗传的。与基因有关的性状并非都是可遗传的。zz性状的改变不一定都与基因有关。性状的改变不一定都与基因有关。zz基因组序列不改变也会形成性状的改变。基因组序列不改变也会形成性状的改变。zz基因组序列不改变形成的性状的改变可以是遗传基因组序列不改变形成的性状的改变可以是遗传的，也可以是不遗传的。的，也可以是不遗传的。遗传学关注所有生命的遗传变异规律。遗传学关注所有生命的遗传变异规律。zz从遗传学的研究从遗传学的研究对象对象划分划分人类遗传学；植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学。人类遗传学；植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学。zz从遗传学的从遗传学的研究研究层次层次划分划分群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学。群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学。zz从遗传学的研究从遗传学的研究具体内容具体内容划分划分进化遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学。进化遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学。第三节遗传学的研究内容与方法基因组编码序列非编码序列孟德尔式遗传分析基因互作连锁交换数量遗传分析基因组结构与功能群体遗传分析染色体遗传分析基因与发育DNA与进化系统整合的研究方法z紫薇花色不同、萝卜的表皮颜色不同，你能从中提出什么样的遗传学问题？z你会如何设计课题来解决提出的问题？遗传学研究的基本策略1„正向遗传学（forwardgenetics）通过生物个体或细胞的基因组的自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭示其功能。随机诱变–表型筛选–基因定位从表型变异到基因型变异的研究功能克隆z镰刀形细胞贫血症，血红蛋白突变后形成棒状结构，失去携氧能力；z首先分离得到病变蛋白，测出肽链的氨基酸序列，反推DNA序列，制备探针从cDNA文库中筛选得到相应的编码基因，完成染色体定位得到全基因序列。性状（疾病）蛋白质产物（生物学功能）从氨基酸序列出发设计DNA引物，从文库钓取基因得到基因序列染色体定位功能基因疾病正向遗传学研究方法的缺点„遗传突变通常是不可逆的，尤其是多细胞生物的基因突变。„绝大部分突变是不可控的，它们的活性无法按照研究者的愿望进行转换；即使有一些条件型突变，如温度敏感型突变，对温度的改变不仅仅影响突变，而且会影响到有机体的整体变化。„遗传突变的生物学效应比较缓慢，对于细胞内一些快速化学反应如信号传递，很难及时检测。遗传突变通常是质的改变——蛋白质活性的增加或丧失，难以研究其动态变化或动力学过程。„由于哺乳动物具有繁殖缓慢、个体大、巨大的双倍体基因组等特性，遗传突变手段不现实。遗传学研究的基本策略2„反向遗传学”（reversegenetics）改变某个特定的基因或蛋白质，然后再去寻找有关的表型变化。例如基因剔除技术或转基因研究。挑选基因–转基因/基因剔除–表型研究从基因型变异到表型变异的研究方法疾病遗传标记，染色体定位基因序列mRNAcDNA蛋白质产物生物学功能疾病基因功能„通过遗传连锁或细胞学定位技术分析找出与目的基因紧密连锁的遗传标记。再从候选的染色体区段内分离克隆所要的基因，并进一步研究其功能。„Huntington舞蹈症是第一个通过连锁分析定位的遗传病。„随着基因组序列的测序完成，全基因组扫描已经成为流行的定位克隆方法。定位克隆基因组学转录组学代谢组学蛋白组学系统生物学干实验湿实验信息整合与加工网络建模提出假设诠释生命现象遗传学研究方法z家系分析—性状变异，传递途径z生物信息—寻找基因，基因定位z分子实验—基因结构，表达调控z模型分析—信号传导，功能预测第四节遗传学的研究价值及其影响„„遗传学对人类学、历史学的影响；遗传学对人类学、历史学的影响；„„遗传学对农林牧副渔业的影响；遗传学对农林牧副渔业的影响；„„遗传学对医学的影响；遗传学对医学的影响；„„遗传学对社会的影响；遗传学对社会的影