第01章经典遗传学的诞生.ppt

遗 传 学,金红星 副教授,自我介绍,电话：13820879887E-mail：研究方向：乳酸细菌生理学研究手段：分子生物学、基因工程,朝鲜族母语：朝鲜语(韩国语)国语：中文一外：日语二外：英语,1987.91991.7：东北师大生物系1991.71996.8：哈尔滨市中学1996.91999.7：东北农业大学农学院作物遗传育种专业1999.72001.2：黑龙江省科学院应用微生物研究所基因工程研究室2001.22004.9：哈工大生命科学微生物2004.11至今：河北工大,绪 论,Key word遗传学 Genetics遗 传 heredity变 异 variation,1、什么是生命2、为什么没有水就没有生命？3、生男生女、种子4、分裂：减数、有丝,遗传学家和模特儿,参考书,1.遗传学(第二版)刘祖洞 高等教育出版社 2.现代遗传学原理(第三版)徐晋麟等 科学出版社 3.Gene X Benjamin Lewin4.分子生物学(第五版)Robert F.Weaver 5.微生物遗传学(第三版)盛祖嘉,现代分子生物学第二版,朱玉贤、李毅 编著 高等教育出版社当你进入实验室时，要像脱去外衣那样放下你的想象力，因为实验操作中不能有一丁点儿的想象，否则，你对事物的观察就会受影响；而当你翻开书本的时候，你又必须尽可能展开想象的“翅膀”，否则，你就不可能走在别人前面。,一、学科的研究特点,动植物，微生物学：研究生物个体的形态结构和生理功能细胞生物学：研究细胞结构、功能、信号传导生物化学：研究生物大分子结构、功能、代谢途径遗传学：研究生物的基因结构、传递、表达和调控,遗传学的研究特点,1.在生物的个体、细胞和基因层次上研究遗传信息的 结构、传递和表达2.遗传信息的传递包括世代的传递和个体间的传递3.通过个体杂交和人工的方式研究基因的功能,“遗传学”定义 Genetics,遗传学是研究生物的遗传与变异规律的一门生物学分支科学。遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和调控的一门生物学分支科学,遗 传 heredity,生物性状或信息世代传递的现象。同一物种只能繁育出同种的生物同一家族的生物在性状上有类同现象,遗传：颗粒式、混合式,颗粒式遗传：代表一对相对性状的遗传因子在同一个体内分别存在，而不相感染不相混合混合式遗传：父、母本遗传给子代的基因会彼此“沾染、混淆不清”,“混合式遗传学说”子代个体是双亲血液混合的产物我国“父精母血”，精乃是血液精华希腊，亚里士多德，精液是高度纯化的有生命的血液,变异variation,生物性状在世代传递过程中出现的差异现象。生物的子代与亲代存在差别。生物的子代之间存在差别。,遗传与变异的关系,1.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，没有遗传就没有相对稳定的物种 变异使得生物物种推陈出新，层出不穷 没有变异，就没有物种的形成，没有变异，就没有物种的进化2.遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生物生生不息，造就了形形色色的生物界,二、遗传学的发展历史,1865年Mendel发现遗传学基本定律，建立了颗粒式遗传的机制1910年Morgan建立基因在染色体上的关系1944年Avery证明DNA是遗传物质1951年Watson和Crick的DNA构型1961年Crick遗传密码的发现1975年以后的基因工程的发展,三、遗传学的研究分支,从遗传学的研究内容划分 进化遗传学；人类遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学从遗传学的研究层次划分 群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学从遗传学的研究对象划分 植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学,三、遗传学的研究分支,1.从遗传学研究的内容划分进化遗传学：研究生物进化过程中遗传学机制与作用的遗传学分支科学 生物进化的机制 突变和选择 有害突变 淘汰和保留 有利突变 保留与丢失 中立突变 DNA多态性,三、遗传学的研究分支,1.从遗传学研究的内容划分发育遗传学：研究基因的时间、空间、剂量的表达在生物发育中的作用遗传学分支 特征：基因对细胞周期分裂和分化的作用 应用重点 干细胞的基因作用 转基因动物 克隆动物,三、遗传学的研究分支,1.从遗传学研究的内容划分免疫遗传学：研究基因在免疫系统中的作用的遗传学分支重点 不是研究免疫应答的过程，而是研究基因在抗体和抗原形成和改变中的作用,三、遗传学的研究分支,2.从遗传学研究的层次划分群体遗传学：研究基因频率改变的遗传学分支例题 群体中存在一个隐性有害基因，基因频率是万分之一。如果实行优生政策，不准该个体结婚或生育。基因率降低到十万分之一时，需要多少代？,三、遗传学的研究分支,2.从遗传学研究的层次划分细胞遗传学：研究生物在细胞水平的遗传结构和功能的遗传学分支学科重点：染色体结构和数目的变化与生物表型的关系进展：细胞表面抗原的形成和改变，细胞信号传导过程中基因的作用目前的实验：细胞表达系统,例如：无籽西瓜的染色体组成 普通西瓜 2n22 诱变成功的4倍体作母本 X 2倍体父本杂交，获得3倍体西瓜，在形成生殖细胞时，不能正常减数分裂，所以成为无籽西瓜,三、遗传学的研究分支,2.从遗传学研究的层次划分分子遗传学：研究生物基因组结构和功能的遗传学分支学科 基因工程 生物制药 分子生物学技术,三、遗传学的研究分支,3.从遗传学研究的对象划分 微生物遗传学：以微生物为研究对象的遗传学分支重点 研究病毒，细菌，真菌的基因结构，基因功能 基因工程的载体，受体等,三、遗传学的研究分支,3.从遗传学研究的内容划分人类遗传学：研究人类遗传和变异规律的分支科学 人类性状的遗传分析 遗传病的分布和发生机理 遗传病的诊断 基因治疗,三、遗传学的研究分支情况,3.从遗传学研究的对象划分 人类遗传学 遗传学疾病人类3千多种，涉及上万个基因 染色体疾病 基因突变疾病，线粒体疾病，孟德尔遗传病，多基因遗传病1930年色盲基因第一个定位，1974年kappa轻链缺乏症基因第一个克隆。目前已定位孟德尔遗传病基因1600多，克隆了其中的940多种,肿瘤抑制基因(antioncogene)Rb del 13q14 27个exon,12 个intron 视网膜母细胞瘤寻找Rb基因采用消减杂交方法 正常个体DNA 有病个体DNA 寻找差别基因,克隆的概念与类型,Clone源于希腊文klon，嫩枝的意思，是指从树上取下嫩枝，栽在地上以成另一棵树美国生命伦理顾问委员会则认为，克隆一词指细胞、植物、动物或人的精确的遗传复制欧洲委员会认为，克隆是生产遗传上等同的生物的方法名词，一群具有相同基因型的微生物,哺乳动物细胞克隆技术，又称哺乳动物的核移植或无性繁殖技术；它是通过特殊的人工手段(显微操作，电融合等)对哺乳动物特定发育阶段的核供体(胚胎分裂球或体细胞核)，及相应的核受体(去核的受精卵或成熟的卵母细胞)不经过有性繁殖过程，进行体外重构并通过重构胚的胚胎移植，从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的,1981年Illmensee和Hoppe 报道采用移植技术得到了正常的小鼠，但其结果未被其他实验室重复出来1983年McGrath和Solter 等利用显微操作技术与细胞融合技术，创造了全新的核移植方法1986年Willadsen 通过实验提出了两个创新的观念：（1）作为核受体，卵母细胞较受精卵更佳；（2）羊桑椹胚细胞核具有全能性,以后绵羊（1986），牛（1987），兔（1988）和猪（1989）等胚胎细胞克隆动物也相继获得了成功1997年2月，Wilmut等利用绵羊乳腺细胞成功的克隆出体细胞核移植后代，根本动摇了原有的传统结论，并使哺乳动物克隆技术进入了一个划时代的新阶段,Neti and Ditto,克隆技术存在的问题,动物克隆技术虽然取得了一定的进展，但该技术目前还很不完善；存活率低是当今核移植技术的最大缺陷最近发现，克隆羊的端粒较同年羊短；可能会减少寿命基因组印记现象在哺乳动物的发育中普遍存在，基因组印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究核移植过程中产生的个体突变频率高,第01章 经典遗传学的诞生,Key words 显性 dominant 隐性 recessive 基因型 genotype 表型 phenotype 分离定律 law of segregation 自由组合定律 law of independent assortment 连锁与交换定律,一、泛生论pangenesis,内容：在雌雄个体的生殖液中所含的能够传递的粒子，可以形成胚胎的各个器官；由于这些粒子的相似性，能产生同一物种的个体；父母双方中哪一方的粒子较多，吸引力较大，则多半会产生类似那一方的特性；个体的同一个器官形成各自的粒子，汇集在血管里流动而后集中于生殖液,“暂定的泛生论”,达尔文：1868年提出每一个能够各自独立变化的性状是由同一种物质载体-芽球-联结在一起的高尔顿：芽球-“血统(stirps)”1876年，动物输血实验,二、种质论germplasm theory,拉马克：“用进废退”观点魏斯曼：种质论 明确区分种质(germplasm)和体质(somatoplasm)种质：性细胞和产生性细胞的细胞体质：除种质以外的切掉新生小鼠尾巴实验，连续19代,三、分离定律,实验:P:红花 X 白花 基因型 CC cc 配 子 C c F1代 红花 基因型 Cc 配子 C，c F2代 红花 白花 基因型 CC，Cc cc 比例 3：1,分离定律,杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到配子中去,名词,亲代Parent Generation,P子一代First Filial Generation,F1正反交Reciprocal Cross 不完全显性Incomplete Dominance共显性Codominance分离Segregation配子gamete和合子zygote,基础概念,杂合体(heterozygote)：基因座上两个不同的等位基因的个体纯合体(homozygote)：基因座上两个相同的等位基因的个体回交(back cross)：杂交的后代与亲代的交配形式测交(test cross)：杂合个体与纯合隐性个体的交配形式,基础概念,性状(character)：生物的形态，结构，生理功能过程的特征显性(dominant)：杂合子生物表现出来的性状隐性(recessive)：杂合子生物被掩盖的性状等位基因(allele)：同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因表型(phenotype)：生物个体形成的性状表现基因型(genotype)：生物个体的基因组成,孟德尔假设,1.遗传性状由遗传因子(hereditary determinant)决定2.遗传因子是成对存在的3.生殖细胞中具有成对因子中的一个4.每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞5.形成生殖细胞时，成对因子相互分离6.生殖细胞的结合是随机的7.遗传因子有显隐性之分,孟德尔分离比实现的条件,1.杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的2.两种配子结合是随机的3.子二代基因型个体存活率是相等的4.显性是完全的,四、孟德尔自由组合定律,实验：黄，满 X 绿，皱 基因型 YYRR yyrr 配子 YR yr F1代 黄满 基因型 YyRr 配子 YR Yr yR yr F2代 黄满 黄皱 绿满 绿皱 基因型 Y_R_ Y_rr yyR_ yyrr 表型比：9：3：3：1,孟德尔自由组合定律,两对非同源色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，形成四种基因型的配子。在杂交时四种配子随机结合，形成四种表型，9种基因型的群体。亲组合、重组合Recombination颗粒式遗传particulate inheritance混合式遗传blending inheritance,多对非等位基因分析,杂合体AaBbCcDd自交，子代中1.杂合体概率是多少2.纯合体概率是多少,基因对数 表型 基因型 分离比 1 2 3(1+3)1 2 4 9(1+3)2 3 8 27(1+3)3 4 16 81(1+3)4。n 2 n 3n(13)n,多对基因的遗传估计,AABBCC X aabbcc 子一代自交，子二代中：1.表型为A-B-C-的比例是多少？2.子一代自交，子二代中，基因型为AaBbCc的比例是多少？3.子一代自交，子二代中杂合体的比例是多少？,一个基因决定了一个性状。一个性状并不一定由一个基因所决定。事实上，很多性状由一系列基因所决定。当考察性状的遗传方式时，是以在其它基因相同的条件下，仅仅列出了差别的基因。,思 考 题,日本有一种萝卜有两个纯系品种，一种是红色的，另一种是露出地面的部分呈红色，埋在地下的部分呈白色。有的学者希望利用这个材料，研究花色素形成的机制。研究内容：光对花色素基因表达的影响；寻找决定花色素形成的基因。提出研究方案。,苯丙氨酸代谢途径,苯丙氨酸 酪氨酸 3，4二羟苯丙氨酸 cc 苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸 黑色素 尿黑酸 aa CO2+水,例题,一对表型正常的夫妇生有一个有病的孩子和一个表型正常的孩子。1.再生一个是有病孩子的机会是多少？2.如果表型正常儿子与一个另一个同样类型的表型正常女子结婚，生有病子女的机会是多少？如果一个表型正常，等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚，生有5个孩子，其中无病子女的机会是多少，3病2正常的机会是多少？,孟德尔分离定律的普遍性,适用于单基因遗传性状的分析例如：人类的白化病；RFLP(DNA限制性内切酶片段长度多态性),EcoR V 酶切 人体基因组DNA，与苯丙氨酸羟化酶基因探针杂交，获得30kb和25kb的两种类型，父母是正常表型，两个孩子中一个是表型正常的30kb/25kb杂合体，另一个是有病个体，25kb/25kb纯合体，推测，25kb可能与有病基因连锁。,孟德尔定律数据的统计处理,适合度测验(goodness of fit)实验实际比数与理论比数适合的程度。卡平方测验适合度,孟德尔定律的适用范围,共显性：当一对等位基因杂合时，两个基因所控制的性状同时显现出来的现象血型Blood group复等位基因Multiple Alleles：群体中的不同个体，在同一基因座(locus)上有2种以上等位基因外显率：带有显性基因的个体表现出所控制性状的实际数与理论数之比,概念,遗传学 Genetics棋盘法Punnett Square不完全显性Incomplete Dominance 黑缟蚕白蚕 淡黑缟镶嵌显性Mosaic Dominance：指控制一对相对性状的基因，也就是一对等位基因可以各自在身体的不同部分分别表现出显性 黑缘型(前缘黑色)均色型(后缘黑色),五、连锁遗传分析,F1杂合子形成配子时，两对基因有保持亲代原来组合的倾向，并且这种倾向与显隐性无关,摩尔根根据大量实验结果，提出连锁交换定律，即遗传的第三定律：处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率,连锁(linkage)：同一亲本的基因趋向于联合 交换(crossing over)：同一亲本的基因相互分开，重新组合 重组(recombination)：由于同源染色体上的不同等位基因间的重新组合，产生不同于亲本的类型,重组频率 recombination frequency,RF 重组频率的计算：重组频率(RF)：重组型数目/(亲本型数目重组型数目)1%重组值为一个单位，称一个厘摩，记作1个CM基因在染色体上的距离以重组值为根据，画出的基因距离图称遗传学图(genetic map),三点测交(three point tess cross),ABC/ABC X abc/abc ABC/abc X abc/abc ABC AbC abc aBc ABc aBC abC Abc,果蝇：4对染色体,果蝇的三个突变基因：ec(echinus,棘眼)，sc(scute,胸部刚毛稀缺)，cv(crossveinless,翅上无横脉)，都是X连锁遗传把ec果蝇同sc、cv果蝇杂交，得到三杂合体果蝇(ec+/+sc cv)课本：第二版152页，,三杂合雌蝇(ec+/+sc cv)与三隐性雄蝇(ec sc cv/Y)交配后得到的子代数据,ec-sc：亲组合810+828+89+103=1830，重组合62+88=150，重组率=150/(1830+150)=7.6ec-cv：重组率为9.7%sc-cv：重组率为17.3%子代果蝇出现6种表型可以出现8种表型ct(cut截翅),(ec ct+/+cv)(ec ct cv/Y)子代的表型数,ec-ct：10.1+8.3=18.4ec-cv：10.1+0.1=10.2ct-cv：8.3+0.1=8.4,连锁与交换,类型 观察数 Sn3-m w-m Sn3-wSn3 w m 372-+285-+w+95-+Sn 3+m 97-+Sn 3+4+-+w m 4+-+m 91+-Sn 3 w+52+-合 计 1000 151 335 200,三点测交(three point tess cross),Sn3 w m/Sn3 w m X+/Sn3 w m m-sn3:151/1000=15.1%m-w:335/1000=33.5%w-sn3:200/1000=20.0%m 15.1 sn3 20 w,校正值，并发率，干涉,校正值：被低估的双交换频率（44）X 2/1000=1.6%33.5+1.6=35.1并发率双交换率/单交换率乘积 0.8%/(15.1 X 20%)=0.26 干涉1-并发率 1-0.26=0.74,马的二倍体染色休数是64，驴的二倍体染色体数是62。试说明马驴杂种骡何以高度不育。,因为骡为驴、马远缘杂种，构成骡之细胞中相对的两个染色体组(n驴=31，n马=32)对应各成员之间没有同源关系。因此，骡的性母细胞在减数分裂时，染色体很少或没有配对、可以认为，对细胞两极63个染色体的取向是随机的。不难看出，减数分裂必须满足下列条件才能形成可育配子：,A、B两极之染色体必须虽31：32分配；31者全为驴的，32者全为马的染色体。于是，问题归结为估算上述特定方式减数分裂的发生频率。设63个染色体在两极呈31：32分配的概率为PA，则PAC31 63(1/2)31(1/2)32+C32 63(1/2)32(1/2)31(A31、B32与A32、B31之和事件)从数学上知：C31 63C32 63所以PA2C31 63(1/2)63,当染色体呈31：32分配时，必有一种，也只有一种31全驴，32全马的情形。设31全驴、32全马染色体时之条件概率为P(B1A)，则：P(B1A)=1/C31 63（1/C32 63）于是，可育配子的概率：P(AB)=PA P(B1A)=2C31 63(1/2)631/C31 63=2(1/2)63 可见，驴马杂种产生可育配子的概率是极低的，所以，经验认为骡通常是不育的。,