细胞遗传学第1章.ppt

2010.9,Cytogenetics细胞遗传学,王秀娥（金陵研究院301）E-mail:84395308(office）,王海燕（金陵研究院309）E-mail:84395344(office）,Grading,Attendance and classroom performance(10%)2 quiz(20%)Mid-term(20%)Final(50%),第一章 绪 论Introduction,第一节 细胞遗传学的研究对象与任务第二节 细胞遗传学的发展简史,第一节 细胞遗传学的研究对象与任务细胞遗传学=细胞学+遗传学 Cytogenetics=Cytology+Genetics细胞遗传学是遗传学与细胞学相结合的一个遗传学分支学科。,细胞遗传学是遗传学与细胞学相结合的一个遗传学分支学科。研究对象主要是真核生物，特别是包括人类在内的高等动植物。着重研究分离、重组、连锁、交换等遗传现象的染色体基础，以及染色体畸变和倍性变化等染色体行为的遗传学效应。,“细胞遗传学的建立是以这样一个事实为基础的，即任何一种生物有机体的遗传物质，无论它是病毒、细菌还是哺乳类都被组织进一条或多条染色体中。利用各种各样物理学、化学和生物学技术都有可能去检验这些细胞器（即染色体）的结构与功能，并把染色体的特征去和遗传功能以及表型遗传与分布模式联系起来”-C.P.S.Swanson(1981),The study of chromosomes,the visible carriers of DNA,the hereditary material.Cytogenetics is a fusion science due to joining of cytology(the study of cells)with genetics(the study of inherited variation).,Cytogenetics,The study of the structure,function and evolution of chromosomeschromosome behaviour during somatic and germline division,植物性状,显微镜,染色体,细胞遗传学的主要研究对象 染 色 体,1879年,德国生物学家Flemming（18431905年）发现。1888年，正式被命名为染色体。,能用碱性染料染色、有结构的线状体，是遗传物质基因的载体。在生物的细胞核中，有一种易被碱性染料染上颜色的物质，叫做染色质。染色体只是染色质的另外一种形态。它们的组成 成分是一样的，但是由于构型不一样，所以还是有一定的差别。,Chromosomes are complex structures located in the cell nucleus,they are composed of DNA,histone and non-histone proteins,RNA,and polysaccharides.They are basically the packages that contain the DNA.Normally chromosomes cant be seen with a light microscope but during cell division they become condensed enough to be easily analyzed at 1000X.,Chromosomes(meaning coloured body),Cytogenetics is the study of chromosomes and chromosome abnormalities.This includes:examination of chromosome structure,learning and describing the relationships between chromosome structure and phenotype,seeking out the causes of chromosomal abnormalities.,细胞遗传学的任务：研究染色体的数目、形态、结构、功能与运动，以及这些特征的各类变异对遗传传递、重组、表达与调控的作用与影响。,第二节 细胞遗传学的发展简史 细胞遗传学形成前时期(1665-1899)经典细胞遗传学时期(1900-1968)分子细胞遗传学时期(1969-至今),细胞遗传学形成前时期(细胞学、遗传学),17世纪：显微镜发明和细胞的发现世界上第一架组合显微镜是在17世纪由荷兰人J.Sachariassen和Z.Janssen制造的;第一个使用“细胞”这一术语的则是英国人R.Hooke，他于1665年用极原始的显微镜对木栓进行了观察。,细胞遗传学形成前时期(细胞学、遗传学)17世纪：显微镜发明和细胞的发现,19世纪：细胞的结构、功能和运动1828年苏格兰植物学家R.Brown在显花植物中发现了细胞核，并于1831年指出细胞核是细胞的主要成分。18311839年德国学着M.J.Schleiden和T.Schwann正式提出“细胞学说”，明确指出细胞是一切生命有机体结构与功能的基本单位。,遗传学的形成19世纪后期，有许多学者对动植物的性别与受精作用等进行过研究。其中特别是18761877年和1884年E.Strasburger分别在动植物上发现受精是卵子与精子（细胞核）的融合。1882年W.Flemming提出“有丝分裂”（Mitosis）与“染色质”(chromatin)这两个术语，并证明染色体在核分裂时纵向分开。1883年Edoward Van Beneden证明配子染色体数是体细胞的一半，而受精又使合子染色体数恢复到和体细胞相等，从而保证了物种染色体数的相对恒定。1890年T.Boveri和Q.Hertwig一起发现了减数分裂（Meiosis）。,Hertwig and Strasburger:性别和受精理论（1877 and 1884）Flemming:有丝分裂（1882）Boveri and Hertwig:减数分裂（1890）,细胞学和胚胎学发展，对于细胞结构、有丝分裂、减数分裂、受精及细胞分裂过程中染色体动态都已比较了解。,孟德尔（Mendel G.J.,18221884）,系统地研究了生物的遗传和变异。豌豆杂交试验（18561864）：1866年发表植物杂交试验，提出分离规律和独立分配规律；假定细胞中有“遗传因子”，认为遗传是受细胞里的遗传因子所控制的。,1900年，三位植物学家：狄弗里斯（De Vris H.）科伦斯（Correns C.）冯切尔迈克（Von Tschermak E.）在不同国家用多种植物进行杂交试验,获得与孟德尔相似的解释,证实孟德尔遗传规律,确认重大意义。1900年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的建立和开始发展,孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。1910年起将孟德尔遗传规律,命名为孟德尔定律。,经典细胞遗传学时期(理论、材料、方法),德国实验胚胎学家Boveri(鲍维里，1902)and 美国细胞学家Sutton(萨顿，1903):各自在动植物生殖细胞的减数分裂过程中发现了染色体行为与遗传因子行为之间的平行关系，认为孟德尔所设想的遗传因子就在染色体上，这就是所谓的萨顿-博韦里假说或称遗传的染色体理论。,美国细胞学家McClung,Stevens and Wilson（1901-1911）先后发现在直翅目和半翅目昆虫中雌体比雄体多了一条染色体，即X染色体，从而揭示了性别和染色体之间的关系。染色体与性别决定(昆虫)-遗传的染色体理论提供实验证据，,高翼之,遗传,2002,24(4):459-462,Bateson W.(1906）：从香豌豆中发现性状连锁；创造“genetics”。Mendel定律的普遍性提供实验证据,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。确立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),摩尔根（Morgan T.H.,18661945）：.提出“性状连锁遗传规律”；.提出染色体遗传理论 细胞遗传学；.著“基因论”：认为基因在染色体上直线排列，创立基因学说。,从1910年到1940年，细胞遗传学发展迅猛。1910年美国发表“果蝇的性别遗传”。此后，他又和,等用果蝇为试验材料，根据大量试验结果，证明基因在染色体上呈直线排列，并提出以三点测验为基础的基因定位方法。1912年首先发表“果蝇的连锁图”。19171921年,先后用遗传试验识别缺失、重复、倒位与易位等染色体结构变异。1925年的重要著作基因论问世。1932年的细胞学最近进展第一版出版，被公认为当时细胞遗传学研究进展的总结性经典。,20世纪30年代至40年代经典细胞遗传学研究在许多动植物中广泛展开，其中特别是以果蝇和玉米为材料进行的研究对这门学科的影响最大。1931年C.Stern,和B.McClintock提出交换涉及同源染色体间染色质互换的证据。1933年将多线染色体应用于果蝇细胞遗传学研究。,1933年B.McClintock将粗线期染色体用于染色体畸变研究。接着她又于1934年分析玉米的核仁形成中心。40年代末至50年代初B.McClintock又在染色体单体断裂融合桥周期性变化研究基础上发现转座因子。1936年C.Stern发现有丝分裂染色体交换，同时发现果蝇染色体的优先分离。19421952年和也在玉米中发现类似的优先分离。,Tjio and Levans,19562n=46(Human),将人类染色体从2n48更正为2n46。50年代末发现人类一系列遗传综合症与染色体畸变有关。,（布莱克斯生）和于1937年发现用秋水仙碱可使植物染色体加倍。这一发现对人工合成多倍体植物起到了积极的推动作用。1917年和1928年（穆勒）和（斯特德勒）分别在果蝇和玉米上证明X射线可使基因突变频率大为提高。此后，许多学者又进一步发现另一些物理与化学因素也有大幅度提高突变频率的明显作用。基因的突变研究除了为育种工作开拓遗传变异提供了一个新 的手段，同时也将有关基因本质的研究进一步引向深入。,分子细胞遗传学时期(分子遗传学+细胞遗传学),真核生物的染色体研究与核酸研究的结合可以追溯到在细胞学制片上用染色反应去识别DNA的实验。这一实验最早是由于1924年报道的。于1968年和同事们又创立了染色体的荧光显带技术，为后来逐步发展起来的染色体分带技术奠定了基础。60年代末至70年代初和提出的直接在染色体上进行DNA原位杂交的技术又成为细胞遗传学与分子遗传学相互结合的一个重要里程碑。,分子细胞遗传学时期(分子遗传学+细胞遗传学)1924，Feulgen 染色反应1968,Carspersson,染色体分带技术1969,1970,Pardue and Gall,原位杂交技术遗传图谱和物理图谱构建,Feulgen 染色反应,Carspersson,染色体分带技术,40年代初用定量细胞化学方法证明DNA存在于细胞核中。,Chromosome Painting,普通小麦染色体1B缺失图谱,Johann Mendel:遗传，2003,25(1)Thomas Hunt Morgan:遗传，2003,25(2)James Watson and Francis Crick:遗传，2003,25(3)Babara McClintock:遗传，2003,25(4),细胞遗传学衍生的分支学科:体细胞遗传学-主要研究体细胞，特别是离体培养的高等生物体细胞的遗传规律；分子细胞遗传学-主要研究染色体的亚显微结构和基因活动的关系；进化细胞遗传学-主要研究染色体结构和倍性改变与物种形成之间的关系；细胞器遗传学-主要研究细胞器如叶绿体、线粒体等的遗传结构；医学细胞遗传学-这是细胞遗传学的基础理论与临床医学紧密结合的新兴边缘科学，研究染色体畸变与遗传病的关系等，对于遗传咨询和产前诊断具有重要意义。,The value of Chromosome Research:The central features of chromosome structure and function are defined at the molecular level.,The way in which genes are organized with chromosomes,The relation between structure and function,The effects of gene organization on function,The mechanisms that control gene activity.,Many aspects of chromosome behavior in cell division have been clarified.,The processes of cell division,including mitosis and meiosis,have been studied in organisms as diverse as humans,frogs,hrasshoppers,flies,maize,wheat and yeast.,Whole-chromosome studies as a part of cytogenetics are having a major impact on genome-mapping projects.,The identification of chromosome regions provided a framework for sequencing the whole genome of an organism;Cytogenetics studies of chromosomes are the major impetus for the molecular analysis of significant regions of chromosomes.,Detailed molecular-cytogenetic maps provide the basis for the design of DNA probes that can be used to analyze individuals,families,and population.,Especially when complete genome-sequence data are not available.,Understanding chromosome structure provides the means to analyze the secondary changes that occur during the processes of chromosome engineering and transformation.,Introduce new DNA may cause secondary changes in chromosome structure.Whole-chromosome studies are essential to understand these changes and to help in eliminating unwanted abnormalities.,Molecular biology can now provide the technology for the construction of simple chromosomes.,Synthesize chromosomes opens up a new era for analyzing chromosome behavior and for determining the function of large section of DNA.,参考资料：Apples/Morris/Gill/May,1999.Chromosome Biology,Kluwer Academic publisher.Swanson et al,1981,Cytogenetics-The chromosome in division,inheritance and evolution.New jersey:Prentice Hall Inc Shultze-Schaffer，1980，Cytogenetics-Plants,animals,humans.New York:Springer-Verlag New York Ltd.Redei,1982,Genetics.New York:Macmillan Publishing Co.Ltd.Rieger,et al,1976,Glossary of Genetics and Cytogenetics-classical and molecular.New York:Springer-Verlag,Berlin,刘大钧，1999，细胞遗传学，农业出版社李国珍，染色体及其研究法。科学出版社，1987。罗鹏等，植物细胞遗传学。高等教育出版社，1989。,Glossary-Cytogenetics terms,遗传学报,Flemming was unaware of Gregor Mendels(1822-1884)work on heredity,so he did not make the connection between his observations and genetic inheritance.Two decades would pass before the significance of Flemmings work was truly realized with the rediscovery of Mendels rules.His discovery of mitosis and chromosomes is considered one of the 100 most important scientific discoveries of all times,and one of the 10 most important discoveries in cell biology(together with August Weismanns(1834-1914)discovery of meiosis,Theodor Schwann(1810-1882)and Matthias Schleidens(1804-1881)cell theory and Thomas Hunt Morgans(1866-1945)first genetic maps).,What can we see under the microscope?,Microscope analysisDigital photographyKaryotype analysis,What is a Chromosome?,chromosomes=colored bodiesthreadlike structures located in the cell nucleuscomposed of DNA and chromatin,Chromosomes are tightly coiled microscopic rod-like structures of DNA and protein that are found in the nuclei of eukaryotic cells.Each chromosome contains a single molecule of DNA.Each strand of the DNA double helix is a linear arrangement of repeating similar units called nucleotides,which are each composed of one sugar,one phosphate,and a nitrogenous base.A DNA nucleotide contains one of four different nitrogenous bases:adenine(A),thymine(T),cytosine(C),and guanine(G).The order of bases along a strand of DNA is what determines the genome sequence.,What do Chromosomes do?,Carry genetic information in a defined structuresomatic cell division(mitosis)complete genetic complementgamete formation(meiosis)unique set of parental genes,