第五章 生物的遗传和变异XXXX

第五章生物的遗传本章内容一．遗传学基本定律二．基因是一段DNA序列三．DNA的半保留复制四．DNA作为遗传物质的功能五．基因的表达与调控六．人类基因组计划七．基因工程的操作和应用一、遗传学基本定律孟德尔（Mendel,1822－1884），奥地利修道士，现代遗传学的奠基人。从1856年起开始豌豆试验。孟德尔的基本方法是杂交。他挑选了七对性状。花色、花着生位置、株高、果荚形状、果荚颜色、籽粒颜色、籽粒形状。经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告《植物杂交实验》。其内容可概括两个定律。为什么选择豌豆？1.豌豆是严格的自花受粉植物，市场出售的种子都是纯种。2.当时已有一些不同品系的豌豆种子，由不同品系种子培育出的植株具有明显易于比较的性状差别。3.豌豆的花比较大，便于人工除去原有的雄蕊，并利用另一植株的花粉做人工异花授粉，进行杂交实验。4.每次杂交后，产生的后代完全可育，可以追踪观察特定性状在杂交后代的分离情况，总结出遗传规律。1、孟德尔第一定律——分离律用一对性状杂交，子一代全为显性性状。子一代之间自交，子二代为：显性性状：隐性性状＝3：1对子二代显隐性的分离比孟得尔提出了一种模式予以解释：独立分配定律。孟德尔提出的四个假设1.生物体存在决定遗传性状的不同形式的基因。2.一个生物个体中每一遗传性状都对应着两个基因，分别来自两个亲本，称为等位基因。3.精子和卵子（配子）只带有决定性状的一个等位基因。配子在形成中，两个等位基因发生分离。4.两个不同形式的等位基因，当一个可以完全表达，另一个在生物体上不表现出明显的效应时，分别称为显性等位基因和隐性等位基因。孟德尔分离律成对的等位基因在配子形成时彼此分离，每个雌配子或雄配子只获得一个等位基因。配子受精时重新结合形成等位基因对。2、孟德尔第二定律——自由组合律用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比例为9：3：3：1。在配子形成时，一对遗传因子的分离独立于另一对遗传因子。或者说，非等位基因之间的重组是随机的。孟德尔自由组合律在配子形成时，每对等位基因都是自由分离的。非等位基因之间的重组是随机的。一种特性的遗传对别的特性的遗传没有影响。个体的基因型是可以预测和检测的。基因型、表型测交是一种对未知基因型个体进行遗传分析的方法。测交——基因型分析孟德尔定律的延伸1.不完全显性2.复等位基因3.多基因遗传4.基因多效性5.环境的作用基因在染色体上显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致。所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。遗传的染色体学说遗传因子及其独立分离与自由组合特性与染色体的行为特性有平行性。染色体和基因成对存在；形成配子时每对染色体每对基因分离；在配子中，只有每对染色体一个染色单体，也只有每对等位基因中一个基因。同源染色体和等位基因同源染色体分别带着控制同一性状的两个等位基因。等位基因可以是纯合的，也可以是杂合的。纯合等位基因的两个基因完全相同；杂和等位基因的两个基因则不同。3.遗传学第三定律——连锁和互换定律20世纪初，美国著名的实验胚胎学家摩尔根(Morgan)及其同事通过果蝇的杂交试验发现。同一染色体上的基因连在一起一同遗传的现象，叫连锁（linkage）。两个同源染色体上基因的相互交换的现象，叫互换（crossingover）。遗传学第三定律——连锁和互换定律结论1：Lg连锁（灰色与短翅连在一起）；lG连锁（黑色与长翅连在一起）。结论2：在配子形成过程中，基因可以发生重组。该实验中，重组的频率是。17%基因的连锁和交换基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。根据连锁图谱可以绘制出遗传图谱。伴性遗传试验野生果蝇眼睛为红色。偶然发现一只雄性白眼（突变）。P:红眼（雌）白眼（雄）↓F1:全部红眼↓（自交）F2:红眼:白眼（3:1）［雌：全红；雄：红眼/白眼（1/1）］结论：控制眼色的基因位于染色体X上，红眼基因是显性的，白眼基因是隐性的，而在染色体Y上没有等位的基因。（雌：XX雄：XY）性别的决定性染色体决定性别单倍体决定性别环境决定性别基因决定性别性染色体决定性别XY型：人类，哺乳动物，果蝇等；雄性有两个异型性染色体。雌性：XX；雄性：XY。ZW型：鸟类，蝴蝶等；雌性有两个异型性染色体。雌性：ZW；雄性：ZZ。XO型：蝗虫等；雄性比雌性少一条性染色体。雌性：16＋XX；雄性：16＋X。人类的一些单基因遗传病类型常染色体隐性常染色体显性X-染色体隐性特征父母均携带缺陷基因，子女才可能发病。父母一方有病症，子女发病的机率为50%。母、女常是基因携带者，病症更多出现在儿子身上。病例苯丙酮尿症镰刀状贫血症亨廷顿氏症家族性高胆固醇血症血友病红绿色盲常染色体显性基因遗传病患者一般携带一个致病基因；子代的患病概率为1:1；传代过程中与性别无关，男女患病率一致。常染色体隐性基因遗传病患者的一对等位基因都是致病基因；若患者双亲健康，则均为携带者杂合子；患者的兄弟姐妹中的患病概率为1:3；患病概率和传代过程与性别无关，男女患病率一致。性染色体上基因的遗传伴性遗传：决定性状的基因位于性染色体上。Ｘ连锁的遗传Ｘ连锁的显性遗传Ｘ连锁的隐性遗传Y连锁的遗传(限雄遗传)X连锁的隐性遗传——色盲控制某形状的基因位于染色体X上，且为隐性。女性在纯合下表现症状XaXa；男性在XaY时表现症状；病症的人大都是男性；男性患者的子女都正常，但是其外孙可能发病。多基因遗传病有的病受几对基因控制，这类遗传病发病与否，不但取决遗传，也在很大程度上受环境影响。相当一部分常见病或多发病，如：糖尿病、高血压、神经分裂症、支气管哮喘等，都属多基因遗传病。因为有环境因素的影响，包括：饮食、妊娠、创伤、情绪等，于是，遗传的影响程度不一，被称为“遗传易感性”。人类一些性状与疾病的遗传率性状遗传率（%）疾病遗传率（%）身高81唇裂+腭裂76体重78糖尿病75智商80精神分裂症80语言能力68哮喘80计算能力12高血压62二、基因是一段DNA序列1928年英国，Griffith的肺炎双球菌转化实验。结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。这种生物分子或遗传物质是什么呢？纽约洛克非勒研究所Avery从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中。结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年结论：DNA是生命的遗传物质更有说服力的噬菌体实验1952年，Hershey和Chase病毒（噬菌体）放射性同位素35S标记病毒的蛋白质外壳，32P标记病毒的DNA内核，感染细菌。新复制的病毒，检测到了32P标记的DNA，没有检测到35S标记的蛋白质。结论：DNA在病毒和其它生物体复制或繁殖中起到关键作用。证实半保留复制的实验1958，Meselson和Stahl大肠杆菌15NH4Cl为唯一氮源的培养液中生长若干代；被15N标记的大肠杆菌转入14NH4Cl为唯一氮源的培养液；完成第一代和第二代繁殖时，分离DNA进行密度梯度离心；被15N标记的亲代双链DNA（记作15N/15N）密度大，在下部；14N/14N密度小，在上部；15N/14N在中间。DNA的复制是以亲代的一条DNA为模板，按照碱基互补的原则，合成另一条具有互补碱基的新链。因此，细胞中DNA的复制被称为半保留复制。三、DNA的半保留复制DNA的半保留复制DNA的复制发生在细胞周期的S期，在解旋酶的作用下，首先双螺旋的DNA可以同时在许多DNA复制的起始位点局部解螺旋并拆开为两条单链，如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为“复制叉”。DNA复制的特点1.半保留复制——DNA的两条单链分别作为模板复制与之互补的单链；2.DNA的复制具有极性，只能从5’→3’；3.DNA的两条单链非对称性复制：3’链为连续复制，5’链为间断复制；4.DNA的复制必需先在复制起始点合成一段引物。四、DNA作为遗传物质的功能1.贮藏遗传信息的功能；2.传递遗传信息的功能；3.表达遗传信息的功能。由此，克里克提出中心法则，确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。中心法则DNADNARNA蛋白质遗传信息储存在核酸中；遗传信息由核酸流向蛋白质。1、基因的转录发生在细胞核中，以DNA分子为模板，按照碱基互补的原则，合成一条单链的RNA即mRNA，DNA分子携带的遗传信息被转移到RNA分子中。其过程与DNA的复制基本相同。从DNA到蛋白质由DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程：第一步，DNA的遗传信息转录到mRNA中，发生在细胞核中；第二步，将mRNA的信息翻译成蛋白质的氨基酸序列，在细胞质中进行。原核生物中遗传信息的转录和翻译则简单一些。真核生物细胞成熟mRNA的形成过程内含子：不能编码蛋白质的核苷酸片段；外显子：编码蛋白质的核苷酸片段；转录后新合成的mRNA是未成熟的mRNA，需要在特定部位剪接，最后形成较短的有功能的RNA。原核生物中，DNA链上不存在内含子。2、蛋白质的合成细胞中蛋白质的合成是一个严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为mRNA的翻译。mRNA的翻译需要有mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与。翻译过程(即多肽链的合成)包括起始、多肽链延长和翻译终止3个基本阶段。翻译过程翻译过程中，由于每一个氨基酸是严格按照mRNA模板的密码序列被逐个合成到肽链上，因此，mRNA上的遗传信息被准确地翻译成特定的氨基酸序列。原核生物中，DNA链上不存在内含子。细胞质中，翻译是一个快速过程，一段mRNA可以相继与多个核糖体相结合，同时连续进行多条同一种新肽链的合成。遗传信息流由DNARNA蛋白质流动。某些情况下，有RNA的自我复制或反转录。3、遗传密码的破译1966年，Nirenberg和Khorana确认全部遗传密码字典：总共64个密码子；61个负责20种氨基酸翻译；3个无义密码子。为此成果，两人获得1968年诺贝尔生理学或医学奖。遗传密码字典的特征1.通用：所有生物采用同一套密码字典。2.简并：数个密码子编码同一个氨基酸。3.摇摆：密码子的第3个碱基可选择不同碱基配对。4.偏爱：摇摆密码子的使用频率不同。5.偏离：在不同场合同一密码子含义不同。6.扩展：现已发现第21、第22个氨基酸的密码。五、基因表达和调控“gene”一词的出现：1905年，Johson首创“gene”一词，用以表示可在后代重复出现的遗传因子。基因的定义：经典遗传学：决定表型性状的独立的遗传单位。分子遗传学：组成一个完整转录单元的DNA顺序。基因的结构基因的上游区含有控制基因表达调控的顺序,通常将这些顺序称之为反式因子。基因的转录区包含：外显子：在转录加工后输出细胞核的顺序，即编码mRNA的顺序。内含子：在转录加工后被切除的顺序，非编码顺序。mRNA的顺序组成：5’非翻译区：可调控翻译起始。3’非翻译区：可调控翻译终止。多肽链编码区(密码子组成区，或称开放读框，openreadingframe,ORF)。转录时以负链(-)或无义链为模板，按碱基配对法则合成与编码链或正链(+)顺序相同的RNA。2、基因突变细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化。这种核酸序列的变化称为基因突变(mutation)。基因突变可以是DNA序列中单个核苷酸或碱基发生改变，也可以是一段核酸序列的改变。DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突变。在一个基因内