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遗传与遗传工程,第五章,学习内容,基因的概念及其发展基因的改变和生物的遗传变异遗传与优生人类基因组计划基因工程,1基因的概念及其发展,1、孟德尔和遗传因子,孟德尔（Mendel G.J.18221884）,基因是怎么发现的？,孟德尔豌豆杂交实验（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。,1、孟德尔和遗传因子,2、基因（gene）,1909年丹麦人约翰生（Johannsen W.，18591927）最先提出“gene（基因）”一词：替代遗传因子概念，被广为接受。,大麦纯系,基因在什么地方？,鲍维里（Boveri T.，1902）和萨顿（Sutton W.，1903）发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系 提出“基因存在于染色体上”的设想。,摩尔根,摩尔根（Morgan T.H.，18661945）创立基因学说：认为基因在染色体上直线排列,基因的化学本质？,蛋白质约占66 脱氧核糖核酸（DNA）约占27 核酸 核糖核酸（RNA）约占6 其它：如拟脂和无机物质少量,染色体,间期染色质分散于细胞核；在分裂期，染色质通过盘旋折叠压缩近万倍，包装成大小不等、形态各异的短棒状染色体。中期染色体由于形态比较稳定是观察染色体形态和计数的最佳时期。,染色体中遗传物质的主要化学成分是：DNA,在核小体中，DNA是绕在组蛋白上,组成元素：C、H、O、N、P基本单位：核苷酸 1分子含氮碱基 1分子磷酸 1分子五碳糖种类：核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）,核酸-DNA与RNA,DNA的双螺旋结构,DNA的双螺旋结构,3.DNA的复制,1）利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下解旋 2）以一条母链为模板，按碱基互补配对原则，合成与母链 互补的子链 3）子链不断延伸，与对应的母链盘绕成螺旋结构，形成一 个新的DNA 分子 作用：1）传递遗传信息 2）表达性状,DNA的复制：边解旋边复制,1）转录：以DNA的一条链为模板，按碱基互补原则，合成 RNA的过程。,转录：以DNA的一条链为模板，按碱 基互补原则，合成RNA的过程,按DNA片段产生RNA分子的过程称为转录,转录：以DNA的一条链为模板，按碱基互补原则，合成 RNA的过程,翻译：以mRNA为模板，合成具有一定氨 基酸顺序的蛋白质的过程,1遗传物质可以转化：1928 年格里菲斯（FGriffith）,三个经典实验,DNA是遗传的分子基础,外源遗传物质进入细胞转化,2DNA是遗传信息的载体：赫尔歇（Hershey A.）,结论：进入菌内的是DNA；DNA进入细胞内才能产生完整的噬菌体。,三个经典实验,3.病毒重建试验：佛兰科尔-康拉特-辛格尔（Framkel-Conrat-Singer）,结论：提供RNA的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。,三个经典实验,经典遗传学关于基因的概念：,回顾：基因的概念及其发展,孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。如豌豆红花（C）、白花（c）、植株高（H）、矮（h）。约翰生：提出基因（gene）取代遗传因子。摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为 主体的经典遗传学。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。,一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传 信息转录成RNA翻译成多肽链，或对其它基因的 活动起调控作用（如调节基因、启动基因、操纵基因）。,分子遗传学关于基因的概念：,基因结构和基因表达调控,真核细胞基因结构,真核生物的基因包含编码（外显子）和不编码（内含子）两部分,“种瓜得瓜、种豆得豆”,2.基因的改变和生物的遗传变异,变异（variation）：个体之间的差异。“母生九子，各子有别”,遗传（heredity）：亲子间的相似现象。“种瓜得瓜、种豆得豆”,突变,例：人的镰形红血球贫血症,染色体结构变异,染色体数量变异例：无籽西瓜,三倍体（3n）,（有性生殖需要经减数分裂、配子产生和受精过程）,3遗传与优生,遗传病：是由于人的生殖细胞或受精卵遗传 物质发生改变而引起的疾病。,单基因遗传病,遗传病一般分为基因病与染色体病 基因病又分为:单基因病和多基因病 染色体病可分:常染色体和性染色体异常两大类,突变基因位于2号染色体长臂上患者除手指畸形外，其思维、反应及语言表达能力与正常人没有明显的区别，身体各部分的发育也完全正常。,并指、多指,常染色体显性遗传病,白化病,患儿皮肤呈浅的粉红色。双眼常有内斜或外斜视与水平震颤，视力减退，常失明。日光照射部位的皮肤易出现灼伤，久之可出现癌变。部分患儿伴有智能低下。,常染色体隐性遗传病,先天性聋哑,常染色体隐性遗传严重听力减退，由于听力差，无法学习语言，因而造成继发性语言障碍。与正常人结婚后子女一般不发病。,常染色体隐性遗传病,抗维生素D佝偻病,X染色体上的显性致病基因对磷、钙吸收不良而导致骨发育障碍。患者常常表现为X型（O型）腿、骨骼发育畸形（如鸡胸）、生长缓慢等症状。,X连锁的显性遗传病,X连锁的隐性遗传女：XCXc杂合时非色盲，只有XcXc纯合时才是色盲；男：Y染色体上不携带对应基因，XCY正常、XcY色盲。,色 盲,X连锁的隐性遗传病,（人类和哺乳动物的雄性个体有两个异型性染色体，为XY型）,多基因病（polygenic disease）,多基因遗传病：指某种疾病的发生受两对以上等位基因的控制。多基因遗传病除了决定于遗传因素之外，还受着环境等多种复杂因素的影响（由多个基因与环境因子共同作用所引起的遗传性疾病）。常见的多基因遗传病有高血压、冠心病、糖尿病以及先天畸形(唇腭裂、脊柱裂、无脑儿等)。,唇 裂,染色体异常遗传病,如：猫叫综合征、21三体综合征等,如：性腺发育不良等,（45+XX或45+XY）,（44+X、44+XXY）,Down氏综合症（21三体）,先天性愚型,病因：比正常人多了一条21号常染色体 症状：智力低下，身体发育缓慢。常表现为特殊的面容,染色体病,性腺发育不良,病因：缺少一条X染色体症状：比较矮小，肘常外翻。性腺发育不良，乳房 不发育，因而没有生育能力。,染色体病,一个病残儿平均寿命为50年，50年国家和家庭需为孩子承担40万人民币的基本生活费用每年出生:120万人40万元=4800亿元,经济负担,精神负担,什么是优生学？,预防性优生学：研究降低产生不利表现型的不利基因的途径 A.开展婚前检查 B.禁止近亲结婚 C.提倡适龄生育 D.开展遗传咨询 E.开展产前诊断 F.妊娠早期避免接触致畸剂,遗传病如何诊断？,移植胚胎前诊断,8细胞,遗传病如何诊断？,胎儿产前诊断,图示：羊膜腔穿刺术取出胎儿细胞进行染色体分析,图示：经皮脐血管穿刺术,遗传病如何治疗？,干细胞与基因治疗,遗传病如何治疗？,第一例获得成功的基因疗法：1990年，ADA(腺苷脱 氨酶)缺乏症,The Human Genome Project:Sequencing DNA and Cataloguing Genes,4人类基因组计划,20世纪人类科学史上三大工程,人类基因组计划,曼哈顿原子弹计划,阿波罗登月计划,人类可以征服地球环境最险恶的南北极以及第三极珠峰；可以遨游太空、登上月球；但是对自已身体又了解多少呢？,为什么要启动人类基因组计划？,有数据表明，在我国：11的人患有高血压症；4.2%的人有不同程度的残疾；2.5的人智力低下；在全球约有2050的人每天备受各种慢性疾病的折磨；肿瘤、心血管疾病等主要死因已成为驱除不掉的幽灵；艾滋病，疯牛病等新的传染病使人们对未知灾难又有了新的恐惧。,而以上所述病症均与人类的基因密切相关,事实上，人类基因组计划的产生与“肿瘤计划”的搁浅是分不开的。美国从70年代起启动了“肿瘤计划”，但是，不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。,1986年3月7日，最早提出HGP设想的美国生物学家、诺贝尔奖得主杜尔贝科在Science上发表了一篇题为“肿瘤研究的一个转折点：人类基因组的全序列分析”的短文。他提出：包括癌症在内的人类疾病的发生都与基因直接或间接有关，呼吁科学家们联合起来，从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序列。,杜尔贝科说：“这一计划可以与征服宇宙的计划相媲美，我们也应该以征服宇宙的气魄来进行这一工作。”,杜尔贝科（1914）Renato Dulbecco美国病毒学家伦敦帝国癌症研究基金实验室,人类有23对染色体，约30亿个碱基对（约3万个基因）所包含的信息，如果印成书，以每页3000个印刷符号计，会有100万页。就是这样一本“天书”，蕴藏着人的生、老、病、死的丰富信息，也是科学家们进一步探索生命奥秘的“地图”，其价值难以估量。因此，称其为生命科学领域的“阿波罗计划”一点都不为过！,1990年10月1日中国国庆日 HGP正式启动了！,总体计划：在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析,人类单倍体基因组 含30亿碱基对(bp)的DNA序列，包括约3万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。,1999 年 12 月英、日、美三国科学家联合完成首条人类染色体（22 号染色体）的测序任务,2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成,HGP1%测序中国实验室,2002年4月5日Science刊登中国独立完成的水稻基因组草图序列（总数4.6亿）2005年完成全基因组精细图,2007年10月11日首个完整中国人基因图公布（炎黄一号）,2008年10月深圳华大基因研究院宣布，大熊猫“晶晶”基因组框架图绘制完成。,大熊猫基因组约为30亿bp（23万个基因），与人的大小相似，与狗的基因组最为接近。该成果可为大熊猫这种濒危物种的保护、疾病的监控 和人工繁殖提供科学依据，为保护其它保护动物提供范例。,大熊猫“晶晶”,HGP基本内容,遗传图谱物理图谱序列图谱转录图谱,HGP对人类疾病基因研究的贡献（最重要）,寻找遗传疾病基因的常规流程,HGP将给人类带来的好处,1、将带动一场医学革命 用基因图谱看病 基因药物治病 基因检测预防隐患 基因治疗疾病,2、获取了操纵生命的工具 控制生命的孕育优生优育 延长人的寿命 选择最佳生活环境,3、得以进行精确的个体鉴定 基因身份证 生物考古,4、将带来巨大的商机 生物制药 器官培植,基因档案,好的方面：每个人可以了解自己的体质，使疾病的预防和治疗大为有效；每个人可以根据自己的基因特征，扬长避短，规划自己的发展前途和成长道路。问题：个人基因档案是否个人隐私？应如何得到保护？是否会产生“基因”歧视？,5、遗传工程（基因工程）,1）概念：是指将外源的核酸分子（目的基因）导入到原来 没有这类基因的宿主生物体内，并能持续稳定地 繁殖，从而使宿主生物产生新的性状。（即：转基因）2）核心技术：DNA的重组技术,3）三大理论基础和三大实践基础,理论基础：生物的遗传物质是DNA DNA的双螺旋结构和半保留复制机理 中心法则 实践基础：限制性内切酶 DNA连接酶 细菌质粒（载体）,4）产生,1973年，科恩重组大肠杆菌两种不同质粒成功1974年，科恩重组金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的质粒成功重组非洲爪蟾DNA和大肠杆菌质粒成功,5）基本步骤,1）目的基因的获得：限制性内切酶“分子剪刀”,DNA连接酶“分子针线”,（2）将目的基因与载体连接成重组DNA,载体质粒,（4）目的基因的表达,（3）将重组基因导入受体细胞,6）基因工程的应用,对绿色食品产业的影响,第一种市场化的基因食品西红柿与1993年在美国出现,医学,
