遺傳學緒論ppt課件 (2).ppt

遺傳學Genetics 任課教師 1 主要參考書 朱軍遺傳學 第三版 中國農(nóng)業(yè)出版社2002劉祖洞遺傳學 第二版 高等教育出版社1991王亞馥等遺傳學高等教育出版社1999趙壽元喬守怡現(xiàn)代遺傳學高等教育出版社2001 2 課程大綱 第一章緒言第二章遺傳的細胞學基礎第三章遺傳物質的分子基礎第四章孟德爾遺傳第五章連鎖遺傳和性連鎖第六章染色體變異第七章細菌和病毒的遺傳 第八章基因表達與調(diào)控第九章基因工程與基因組學第十章基因突變第十一章細胞質遺傳第十二章遺傳與發(fā)育第十三章數(shù)量遺傳第十四章群體遺傳與進化 3 第一章緒言 4 第一節(jié)遺傳學的定義 研究內(nèi)容和任務 5 一 定義遺傳學 Genetics 經(jīng)典定義 研究生物體遺傳和變異規(guī)律的一門科學 現(xiàn)代定義 研究基因的結構 傳遞和表達規(guī)律的一門科學 又稱為基因學 遺傳 Heredity 同類生物世代間相似的現(xiàn)象 變異 Variation 生物個體間的差異 6 遺傳 變異和進化的關系 遺傳是相對的 保守的 變異是絕對的 發(fā)展的 沒有遺傳 就沒有物種的相對穩(wěn)定性 沒有變異 不會產(chǎn)生新的性狀 也就不可能有物種的進化和新品種的選育遺傳和變異的表現(xiàn)都與環(huán)境具有不可分割的關系 7 具體地說 遺傳學的內(nèi)容應包括五個方面 基因和基因組的結構分析 及其與生物學功能之間的關系 包括突變與異常性狀之間的關系 基因 Gene 基因組或染色體組 Genome 人類基因組計劃 HGP 生物信息學 Bioinformatics 1 遺傳學的研究內(nèi)容 8 2 基因在世代之間傳遞的方式與規(guī)律 孟德爾遺傳規(guī)律摩爾根連鎖交換定律非孟德爾遺傳規(guī)律 細胞質遺傳 母性影響群體遺傳的Hardy Weinberg定律 9 3 基因轉化為性狀時所需的各種內(nèi)外環(huán)境條件 即基因表達的規(guī)律 中心法則 10 4 根據(jù)以上三方面的知識 能動地改造生物使之符合于人類的利益和要求 5 遺傳學研究與倫理 社會 法律的關系 11 2 遺傳學研究的對象 以微生物 細菌 真菌 病毒 植物和動物以及人類為對象 研究其遺傳變異規(guī)律 生物種類極其繁多 目前有科學記載的約170萬種 12 3 遺傳學研究的任務 1 闡明 生物遺傳和變異現(xiàn)象 表現(xiàn)規(guī)律 2 探索 遺傳和變異原因 物質基礎 內(nèi)在規(guī)律 3 指導 動植物和微生物育種 提高醫(yī)學水平 13 第二節(jié)遺傳學的發(fā)展 14 一 現(xiàn)代遺傳學發(fā)展前 15 1 遺傳學起源于育種實踐 人類在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和飼養(yǎng)家畜過程中 早已認識到遺傳和變異現(xiàn)象 并且通過選擇 育成大量的優(yōu)良品種 16 2 18世紀下半葉和19世紀上半葉期間 拉馬克和達爾文對生物界遺傳和變異進行了系統(tǒng)的研究 1 拉馬克 LamarckJ B 1744 1829 環(huán)境條件改變是生物變異的根本原因 用進廢退學說和獲得性狀遺傳學說如長頸鹿 家雞翅膀 17 2 達爾文 DarwinC 1809 1882 廣泛研究遺傳變異與生物進化關系 1859年發(fā)表 物種起源 著作 提出了自然選擇和人工選擇的進化學說 認為生物是由簡單 復雜 低級 高級逐漸進化而來的 承認獲得性狀遺傳的一些論點 提出 泛生論 假說 18 泛生假說 hypothesisofpangenesis 認為動物每個器官里都普遍存在微小的泛生粒 它們能夠分裂繁殖 并能在體內(nèi)流動 聚集到生殖器官里 形成生殖細胞 當受精卵發(fā)育為成體時 各種泛生粒進入各器官發(fā)生作用 因而表現(xiàn)遺傳 如果親代的泛生粒發(fā)生改變 則子代表現(xiàn)變異 19 3 魏斯曼 WeismannA 1834 1914 種質連續(xù)論 種質是世代連續(xù)不絕的 支持選擇理論 否定后天獲得性遺傳 老鼠19代割尾巴試驗 20 種質連續(xù)論 theoryofcontinuityofgermplasm 認為多細胞的生物體是由體質和種質兩部分所組成 體質是由種質產(chǎn)生的 種質是世代連綿不絕的 環(huán)境只能影響體質 而不能影響種質 故獲得性狀不能遺傳 這一論點在后來生物科學中 特別是在遺傳學方面發(fā)生了重大而廣泛的影響 但是 這樣把生物體絕對化地劃分為種質和體質是片面的 21 二 現(xiàn)代遺傳學的發(fā)展階段 22 1 個體遺傳學向細胞遺傳學過渡時期 1910之前 23 孟德爾 MendelG J 1822 1884 系統(tǒng)地研究了生物的遺傳和變異 豌豆雜交試驗 1856 1864 1866年發(fā)表 植物雜交試驗 提出分離規(guī)律和獨立分配規(guī)律 假定細胞中有 遺傳因子 認為遺傳是受細胞里的遺傳因子所控制的 24 孟德爾為什么會取得成功 孟德爾之所以能發(fā)現(xiàn)分離規(guī)律和自由組合規(guī)律 其成功的原因有 1 選擇了適合的實驗材料 豌豆 具有好些易于區(qū)分的相對性狀 豌豆是自花授粉植物 而且是閉花授粉 能避免外來花粉混雜 豌豆能產(chǎn)生較多的種子 便于收集數(shù)據(jù)進行分析 豌豆易于栽培 生長期短 2 首先只研究一對性狀 盡可能使問題簡化 得到結果和結論后 再從簡單到復雜 研究兩對性狀到多對性狀 3 孟德爾把數(shù)學統(tǒng)計方法應用到遺傳分析中 觀察群體 將數(shù)學統(tǒng)計方法用于遺傳分析是孟德爾的首創(chuàng) 這也是數(shù)學在生物學領域里的第一次突破 數(shù)學統(tǒng)計方法的應用 使實驗結果能定量而準確地揭示本質 所以說 孟德爾對人類的貢獻 不僅僅局限于遺傳學領域 還表現(xiàn)在科學思想的方法論上 25 孟德爾遺傳規(guī)律的重新發(fā)現(xiàn)1900年 同時有三位著名學者發(fā)現(xiàn)了孟德爾及其創(chuàng)立的顆粒遺傳學說 他們是荷蘭的狄 弗里斯 DeVrisH 德國的科倫斯 CorrensC 和奧地利的馮 切爾邁克 VonTschermakE 在不同國家用多種植物進行與孟德爾早期研究相似的雜交試驗 獲得與孟德爾相似的解釋 德國植物學會雜志 證實孟德爾遺傳規(guī)律 確認重大意義 1900年孟德爾遺傳規(guī)律的重新發(fā)現(xiàn) 標志著遺傳學的建立和開始發(fā)展 孟德爾被公認為現(xiàn)代遺傳學的創(chuàng)始人 1910年起將孟德爾遺傳規(guī)律 孟德爾定律 26 紀念孟德爾先生 在其修道院建立了紀念館 27 3 狄 費里斯 deVriesH 1848 1935 提出 突變學說 1901 1903 認為自然界新種的產(chǎn)生不是長期選擇的結果 而是突然出現(xiàn)的 突變是生物進化的因素 28 2 細胞遺傳學時期 1910 1939 29 當時細胞學和胚胎學已有很大發(fā)展 對于細胞結構 有絲分裂 減數(shù)分裂 受精及細胞分裂過程中染色體動態(tài)都已比較了解 細胞學研究和孟德爾遺傳規(guī)律結合 研究工作的主要特征是從個體水平 細胞水平 建立染色體遺傳學說 30 1 約翰生 JohannsenW 1859 1927 1909年發(fā)表 純系學說 正確區(qū)分了生物體的可遺傳變異 純系間的粒重差異 與不遺傳變異 純系內(nèi)的粒重差異 并提出 純系內(nèi)選擇在基因型上不產(chǎn)生新的改變 的論點 為自花授粉植物的純系育種建立了理論基礎 明確區(qū)別基因型和表現(xiàn)型 最先提出 基因 一詞 替代遺傳因子概念 31 鮑維里 BoveriT 1902 和薩頓 SuttonW 1903 發(fā)現(xiàn)遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關系 兩者在體細胞中都成對存在 而在生殖細胞中則是成單的 成對的染色體或遺傳因子在細胞減數(shù)分裂時彼此分離 進入不同的子細胞中 不同對的染色體或遺傳因子可以自由組合 染色體很可能是遺傳因子的載體 染色體遺傳學說的初步論證 32 3 貝特生 BatesonW 1906 從香豌豆中發(fā)現(xiàn)性狀連鎖 創(chuàng)造 genetics 1899年 倫敦 植物雜交工作國際會議 1902年 紐約 植物雜交工作國際會議 1906年 倫敦 雜交和植物育種國際會議 33 詹森斯 JanssensF A 1909 觀察到染色體在減數(shù)分裂時呈交叉現(xiàn)象 為解釋基因連鎖現(xiàn)象提供了基礎 34 5 摩爾根 MorganT H 1866 1945 提出 性狀連鎖遺傳規(guī)律 提出染色體遺傳理論 細胞遺傳學 著 基因論 認為基因在染色體上直線排列 創(chuàng)立基因學說 35 基因學說主要內(nèi)容 種質 基因 是連續(xù)的遺傳物質 基因是染色體上的遺傳單位 有很高穩(wěn)定性 能自我復制和發(fā)生變異 在個體發(fā)育中 基因在一定條件下 控制著一定的代謝過程 表現(xiàn)相應的遺傳特性和特征 生物進化 主要是基因及其突變等 這是對孟德爾遺傳學說的重大發(fā)展 也是這一歷史時期的巨大成就 36 6 斯特蒂文特 Sturtevant A H 1913提出以交換值作為染色體上基因相對距離的想法 在此基礎上 繪制了第一張遺傳連鎖圖譜 標明基因在染色體上的線性排列 37 7 誘變 穆勒 MullerH T 1927年對果蠅用X射線誘發(fā)突變 斯特德勒 StadlerL T 1927年在玉米用X射線誘發(fā)突變 證實基因和染色體的突變不僅在自然情況下產(chǎn)生 用X射線處理也會產(chǎn)生大量突變 人工產(chǎn)生遺傳變異的方法 使遺傳學發(fā)展到一個新的階段 布萊克斯生 BlakesleeA F 利用秋水仙素誘導多倍體 38 3 數(shù)量遺傳學和群體遺傳學的誕生 1930 1932年 39 費希爾 FisherR A 1918年 發(fā)表了重要文獻 根據(jù)孟德爾遺傳假設的親屬間相關的研究 成功運用多基因假設分析資料 首次將數(shù)量變異劃分為各個分量 開創(chuàng)了數(shù)量性狀遺傳研究的思想方法 1925年 首次提出了方差分析 ANOVA 方法 為數(shù)量遺傳學的發(fā)展奠定了基礎 40 4 從細胞水平向分子水平過渡時期 1940 1952年 41 摩爾根及其弟子們將基因定位在染色體上 基因研究發(fā)展到細胞學水平之后 遺傳學面臨的歷史任務便是解決 基因究竟是什么 的問題了 摩爾根及其弟子尤其是繆勒 H J Muller 相信 基因是某種化學分子 基因是通過化學過程而起作用的 他們進而認為 經(jīng)典的物理學和化學方法最終能說明生命現(xiàn)象 研究基因的化學本質 單靠遺傳學的力量已經(jīng)不夠 需要有生物化學家與物理學家的加盟 不同領域的科學家從不同方向朝基因的分子水平進軍 在分子遺傳學的醞釀時期形成了三大學派 信息學派 生化學派和結構學派 42 由于微生物遺傳學和生化遺傳學研究的廣泛開展 使工作進入微觀層次 其主要特征是以微生物為研究對象 采用生化方法探索遺傳物質的本質及其功能 43 1 比德爾 BeadleG W 1941 在紅色面包霉的生化遺傳研究中 分析了許多生化突變體 提出 一個基因一種酶 假說 發(fā)展了微生物遺傳學 生化遺傳學 以后研究表明 基因決定著蛋白質 包括酶 合成 改為 一個基因一個蛋白質或多肽 44 卡斯佩森 CasperssonT O 40年代初用定量細胞化學方法 證明DNA存在于細胞核中 以后又有人證明 DNA是構成染色體的主要物質 同種生物不同細胞中DNA的質與量恒定 在性細胞中DNA的含量為體細胞的一半 45 阿委瑞 AveryO T 1944 等用純化因子研究肺炎雙球菌的轉化實驗 證明了遺傳物質是DNA而不是蛋白質 赫爾歇 HersheyA D 1952 等用同位素示蹤法在研究噬菌體感染細菌的實驗中 再次確認了DNA是遺傳物質 至此 已為遺傳物質的化學本質和基因功能奠定了初步的理論基礎 赫爾歇與德爾布呂克和盧里亞一起 榮獲1969年的諾貝爾獎 46 德爾布呂克與盧里亞的重要貢獻是證明了噬菌體和細菌都有基因 以及選取了一種恰當?shù)纳飳W研究材料 從而為分子生物學的誕生奠定了堅實的基礎 47 5 分子遺傳學時期 1953 現(xiàn)在 48 40年代中細胞遺傳學 微生物遺傳學和生化遺傳學取得了巨大成就 使一些物理學家對研究生物學問題產(chǎn)生濃厚的興趣 在量子力學家薛定諤 生命是什么 1944 一書影響下 一些物理學家和化學家 研究遺傳的分子基礎和基因的自我復制這兩個當時生物學的中心問題 在生物研究中帶進了物理學理論 概念和方法 49 1 瓦特森 WatsonJ D 和克里克 CrickF H C 意識到生物學問題可用物理學和化學的概念進行思考 根據(jù)對DNA化學分析和X 射線晶體學結果 DNA分子結構模式 雙螺旋結構 1953 威爾金斯和富蘭克林為瓦特森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料 沃森 克里克和威爾金斯于1962年榮獲諾貝爾生理學醫(yī)學獎 沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型所依據(jù)的其實是1952年5月富蘭克林得到的DNA的X光衍射照片 從各專家處汲取所需 而得到新的綜合結果 而且這種綜合結果比其各部分更偉大 這是那些不能聚木為林的專家們無法領悟到的 50 意義 為DNA分子結構 自我復制 相對穩(wěn)定性和變異性提出合理解釋 DNA是貯存和傳遞遺傳信息的物質 基因是DNA分子上的一個片段 分子生物學誕生 將生物學各分支學科及相關的農(nóng)學 醫(yī)學研究推進到分子水平 是遺傳學發(fā)展到分子遺傳學的重要轉折點 51 1957年 泰勒 J H Taylor 等人應用放射性標記的胸腺嘧啶與放射自顯影技術 證明蠶豆根尖染色體的半保留復制 1958年 梅塞爾森 M Meselson 和斯塔爾 F W Stahl 應用重氮標記與密度離心技術 證明大腸桿菌DNA的半保留復制 1957年開始 尼倫伯格 NirenbergM W 等著手解譯遺傳密碼 經(jīng)多人努力至1969年全部解譯出64種遺傳密碼 遺傳密碼的破譯 是生物學史上一個重大的里程碑 尼倫伯格與霍拉納于1968年榮獲諾貝爾生理學醫(yī)學獎 60年代先后明確mRNA tRNA和核糖體功能 52 雅可布 JacobF 和莫諾 MonodJ 1961年發(fā)表 蛋白質合成中的遺傳調(diào)節(jié)機制 一文 提出了大腸桿菌的操縱子學說 闡明微生物基因表達的調(diào)節(jié)問題 四年后的1965年 莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學與醫(yī)學獎 53 由于上述成就 至60年代末已基本搞清楚蛋白質生物合成的過程 驗證了1958年克里克提出的 中心法則 1970年 巴爾的摩 D Baltimore 和梯明 H M Temin 在致癌的RNA病毒中 發(fā)現(xiàn)依賴RNA的DNA多聚酶 即逆轉錄酶 這就是說 遺傳信息流也可以反過來 從RNA DNA 這是一項重要的發(fā)現(xiàn) 巴爾的摩和梯明于1975年榮獲諾貝爾獎 1981年 切赫 T R Cech 等人在四膜蟲發(fā)現(xiàn)自催化剪切的tRNA 1983年阿爾特曼 S Altman 領導的一個研究小組發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的核糖核酸P的催化活性取決于RNA而不是蛋白質 這意味著RNA可以不通過蛋白質而直接表現(xiàn)出本身的某種遺傳信息 這是對中心法則的又一次補充和發(fā)展 切赫和阿爾特曼榮獲1989年的諾貝爾化學獎 54 遺傳密碼的破譯解決遺傳信息本身的物質基礎及含義的問題 中心法則 解決遺傳信息的傳遞途徑和流向問題 分子遺傳學的許多成就是來自對原核生物的研究 70年代開始在此基礎上開展對真核生物的研究 細菌質粒 噬菌體 限制性核酸內(nèi)切酶 人工分離和合成基因取得進展 1973年成功實現(xiàn)DNA的體外重組 人類開始進入按照需要設計并能動改造物種和創(chuàng)造新物種的新時代 56 在分子遺傳學中已成功 人工分離基因 人工合成基因 人工轉移基因 克隆技術應用 57 目前 基因工程 定向改變遺傳性狀 更自由和有效地改變生物性狀 打破物種界限 克服遠緣雜交困難 培育優(yōu)良動 植物新品種 治療人類的一些遺傳性疾病 58 遺傳學發(fā)展 整體水平 細胞水平 分子水平 宏觀 微觀 染色體 基因 逐步深入到研究遺傳物質結構和功能 59 田中 1967 將遺傳學的發(fā)展劃為8個階段 1900 1909形態(tài)遺傳morphogeneticsstage 1910 1919細胞遺傳cytogeneticsstage 1920 1929生理遺傳physiologicalgeneticsstage 1930 1939誘變遺傳inducedmutationstage 1940 1959生化遺傳biochemicalgeneticsstage 1950 1959群體遺傳populationgeneticsstage 1960 1969微生物遺傳microbialgeneticsstage 1970 分子遺傳moleculargeneticsstage與遺傳學有關的新學科 90s 分子數(shù)量遺傳學 生物信息學 基因組學 60 第三節(jié)遺傳學在科學和生產(chǎn)發(fā)展中的作用 61 1 科學發(fā)展上的作用 解釋生物進化原因 闡明生物進化的遺傳機理 遺傳學表明高等和低等生物所表現(xiàn)遺傳規(guī)律相同 分子遺傳學的發(fā)展 進而認識生命本質 DNA 蛋白質 62 2 在生產(chǎn)實踐上 對農(nóng)業(yè)科學起直接指導作用 豐富和更新動植物育種新技術 指導醫(yī)學研究 提高健康水平 63 3 遺傳學仍在發(fā)展 理論上和實踐上仍有許多需要解決的問題 廣泛利用豐富的生物資源 提高育種效果 64 4 當代遺傳學特點 理論扎實技術領先實用性強學科交叉 65 遺傳學是一門處于發(fā)展巔峰時期的學科 目前遺傳學前沿已從對原核生物的研究轉向高等真核生物 從對性狀傳遞規(guī)律研究深入到基因的表達及其調(diào)控的研究 66 1990年美國正式開始實施的 人類基因組作圖及測序計劃 測定和分析人體基因組全部核苷酸排列次序 揭示所攜帶的全部遺傳信息 闡明遺傳信息的表達規(guī)律及其最終生物學效應 對生物學和醫(yī)學產(chǎn)生革命性變革 是生物學中的最重大事件和遺傳學領域中一個跨世紀宏偉計劃 67 人類基因組 工作框架圖 在2000年6月26日宣布完成繪制 歷時10年 2003年4月14日美英日法德中等國的科學家宣布完成人類基因組的測序工作 我國參與研究的第3號染色體 共計3