遺傳部分課件

（一）基因概念的提出

孟德爾（Mendel）的遺傳因子：一個因子決定一個性狀(1865年)。約翰森（Johannsen）：首先提出基因一詞（1909年）。第1頁/共70頁1857年，奧地利的一名神父孟德爾在他所在的修道院后院開始進行長達8年的豌豆雜交實驗。1865年，孟德爾根據(jù)豌豆雜交實驗的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文《植物雜交試驗》，闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺傳現(xiàn)象和兩個重要遺傳學規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。JohannGregorMendel（1822～1884）第2頁/共70頁孟德爾的遺傳因子孟德爾提出：●生物的遺傳性狀是通過“遺傳因子”（hereditaryfactor）進行傳遞的●遺傳因子是一些獨立的遺傳單位孟德爾把可觀察的性狀和控制它的內(nèi)在的遺傳因子區(qū)分開來遺傳因子作為基因的雛形名詞誕生了第3頁/共70頁1900年，是遺傳學史乃至生物科學史上劃時代的一年，來自三個國家的三位學者獨立地“重新發(fā)現(xiàn)”了孟德爾的遺傳規(guī)律，他們是荷蘭的德弗里斯(HugoDeVries，1848～1935)、德國的柯靈斯(CarlErichCorrens，1864～1933)和澳大利亞的契馬克(ErichvonTschermak-Seysenegg，1871～1962)。從此，遺傳學進人了孟德爾時代。“重新發(fā)現(xiàn)”孟德爾第4頁/共70頁HugoDeVries(1848～1935)CarlErichCorrens(1864～1933)

ErichvonTschermak（1871～1962）

重新發(fā)現(xiàn)孟德爾的生物學家第5頁/共70頁1909年，丹麥遺傳學家約翰遜在《精密遺傳學原理》一書中根據(jù)希臘語“給予生命”之義，創(chuàng)造“基因”（gene）一詞來代替孟德爾假定的“遺傳因子”。從此基因便成為遺傳因子的代名詞一直沿用至今。

不過此時的基因仍然是一個未經(jīng)證實的、僅靠邏輯推理得出的概念。

WilhelmLudwigJohannsen（1857～1927）第6頁/共70頁（二）基因結(jié)構(gòu)和功能的探索隨著遺傳學、分子生物學、生物化學的發(fā)展，人們對基因本性的認識逐漸深入，基因的概念和涵義也不斷地發(fā)展和豐富。第7頁/共70頁1、基因與染色體在孟德爾的成果獲得承認后，生物界都知道是遺傳因子（即基因）決定了生物的遺傳。但是，基因究竟在細胞內(nèi)的什么地方？摩爾根以果蠅為試驗對象回答了這一問題，基因在染色體上。

第8頁/共70頁摩爾根和他的學生利用果蠅作了大量的研究。1926年出版《基因論》，建立了著名的基因?qū)W說。

ThomasHuntMorgan

（1866～1945）第9頁/共70頁摩爾根在《基因論》中繪制了果蠅基因位置圖，首次完成了當時最新的基因概念的描述：基因是在染色體上呈線性排列的遺傳單位，它不僅是決定性狀的功能單位，也是一個突變單位和交換單位。至此，人們對基因概念的理解更加具體和豐富了。

第10頁/共70頁摩爾根果蠅遺傳實驗具有劃時代意義

◆人類第一次把基因與染色體聯(lián)系起來，認為基因是一種物質(zhì)，是染色體上的一個特定的區(qū)段。

◆確立并發(fā)展了染色體的遺傳理論。第11頁/共70頁ThomanHuntMorgan（1866～1945）因發(fā)現(xiàn)染色體的遺傳機制，創(chuàng)立染色體遺傳理論而于1933年獲諾貝爾生理學醫(yī)學獎第12頁/共70頁

基因是何物?

基因的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學組成怎樣?

基因是如何決定遺傳性狀的?這些問題在摩爾根時代仍然是謎。第13頁/共70頁2、基因與DNA摩爾根確定了染色體是基因的載體?；蜓芯堪l(fā)展到細胞學水平之后，急需解決兩個基本問題：

（1）基因的化學本性是什么？（2）基因是如何工作的？

第14頁/共70頁在研究基因的化學本質(zhì)上，細胞化學起了重要作用。細胞化學研究表明，染色體的主要成分是蛋白質(zhì)和核酸。那么，基因究竟是蛋白質(zhì)還是核酸？蛋白質(zhì)作為生命物質(zhì)的主要成分和生命活動的體現(xiàn)者，它不僅參與所有的生命過程，而且它的化學結(jié)構(gòu)也有多樣性和可塑性。第15頁/共70頁◆所以在相當一段時間里，學術(shù)界認為基因是蛋白質(zhì)，認為只有像蛋白質(zhì)這樣復雜的大分子才能決定細胞的特征和遺傳第16頁/共70頁◆認識到基因的化學本質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)，經(jīng)歷了一段漫長的歷史過程?！舭l(fā)現(xiàn)DNA的遺傳功能，始于1928年格里菲斯（P．Griffith）所做的用肺炎雙球菌感染小鼠的實驗。

第17頁/共70頁1928年，英國科學家格里菲思在肺炎球菌實驗中首次發(fā)現(xiàn)了基因是一類特殊生物分子的證據(jù)。

FredericGriffith1879—1941第18頁/共70頁

肺炎雙球菌有兩種類型：S型菌體包有多糖類莢膜，菌落光滑（smooth），有毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患敗血癥R型不具莢膜，菌落粗糙（rough），無毒性，不致病

第19頁/共70頁格里菲斯用肺炎球菌做實驗時發(fā)現(xiàn)了一個令人驚異的現(xiàn)象：加熱殺死的能致病的S型菌＋不能致病的R型菌→混合→注射到小鼠體內(nèi)→小鼠病死→從死鼠體內(nèi)分離出大量的S型肺炎球菌難道S型致病菌復活了嗎？這就是著名的“格里菲斯之謎”。

“死菌復活”之謎

第20頁/共70頁第21頁/共70頁●這是一個令人困惑的結(jié)果R型活菌或S型死菌分別注入小鼠體內(nèi)，都不會致病，而兩者混合注入?yún)s致病了?！窠忉專?/p>

加熱殺死的S型菌中存在某種導致細菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么，人們尚不知道，暫時叫做“轉(zhuǎn)化因子”（transformingprinciple）。

R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為S型肺炎球菌的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化（transformation）

。

第22頁/共70頁導致R型細菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的因子，其化學本質(zhì)究竟是什么？這個問題，與遺傳學家提出的“基因的化學本質(zhì)是什么？”實質(zhì)上是同一個問題。

第23頁/共70頁格里菲斯發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象為以后認識到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。在美國紐約洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了這一問題，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，取得了重大突破。第24頁/共70頁在格里菲斯發(fā)現(xiàn)肺炎球菌的遺傳轉(zhuǎn)化現(xiàn)象之后不過數(shù)年（30年代初），加拿大生物化學家艾弗里領(lǐng)導的一個研究小組便開始探尋轉(zhuǎn)化因子。他們在實驗中發(fā)現(xiàn)：死去的S型菌并未復活，而是S型菌的DNA進入了R型菌，使其轉(zhuǎn)化為新的S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人的實驗不僅揭開了“格里菲斯之謎”，并且在世界上第一次證明基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery

（1877～1955）第25頁/共70頁艾弗里等人的實驗證據(jù)：分離S型死菌的提取液→分別檢測各分離組分（蛋白質(zhì)、類脂、多糖、RNA和DNA）的轉(zhuǎn)化活性→只有DNA具有轉(zhuǎn)化因子活性第26頁/共70頁第27頁/共70頁

進一步的實驗：

用化學法和酶法

↓去除S型死菌抽提物中的蛋白質(zhì)、類脂、多糖和RNA

↓

抽提物的剩余物質(zhì)↓

R型→轉(zhuǎn)化→S型

1944年，他們確認，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。

艾弗里等人的試驗和結(jié)論是對DNA認識史上的一次重大突破，徹底改變了DNA在生物體內(nèi)無足輕重的傳統(tǒng)觀念。

第28頁/共70頁

但當時的主流觀點并不接受艾弗里DNA是遺傳物質(zhì)的觀念，認為提取的DNA無論如何純凈，仍然可能有殘余的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)才是有活性的轉(zhuǎn)化因子第29頁/共70頁針對學術(shù)界的否定意見，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分別處理肺炎球菌的細胞抽提物。

結(jié)果:（1）可以破壞、消化蛋白質(zhì)的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影響轉(zhuǎn)化活性；（2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶對轉(zhuǎn)化活性無影響；（3）在加入分解、消化DNA的DNA酶后，轉(zhuǎn)化活性喪失。

這些實驗進一步證明了DNA作為遺傳信息載體的功能。第30頁/共70頁發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)是DNA，這是基因研究上一個重要的里程碑。但在當時，這項重要的發(fā)現(xiàn)并未引起足夠的重視。艾弗里雖曾被提名為諾貝爾獎的候選人，但當時評獎委員會認為“最好等到DNA的轉(zhuǎn)化機理更多地為人們所了解的時候再說”。可是，當爭議平息、諾貝爾獎評選委員會準備授獎之時，他已經(jīng)去世了。第31頁/共70頁1951年，赫里奧特（R·Herriott）提出一個十分富有魅力和啟發(fā)性的假說：

“病毒的作用可能像一個充滿著轉(zhuǎn)化因子的注射針。這樣的病毒本身不會進入細胞，但它不僅用尾部接觸寄生細胞，并可能通過酶的作用在細胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部的DNA就鉆入細胞?！?/p>

第32頁/共70頁當人們?yōu)榘ダ锏膶嶒灦ち覡幷摃r，研究噬菌體的美國微生物學家赫爾希等人在考慮，能否將蛋白質(zhì)和DNA完全分開，單獨觀察DNA的作用呢？他們受赫里奧特思路的啟發(fā)設(shè)計了一個精巧的噬菌體感染實驗。赫爾希與德爾布呂克和盧里亞一起，獲1969年的諾貝爾生理學醫(yī)學獎獎。

AlfredDayHershey（1908～1997）第33頁/共70頁第34頁/共70頁噬菌體感染實驗35S標記蛋白質(zhì)外殼的噬菌體

感染

細菌

細菌無放射性

32P標記DNA內(nèi)芯的噬菌體

感染

細菌

細菌有放射性這一結(jié)果確鑿無疑地證明，進入寄主細胞內(nèi)的是噬菌體DNA，而不是蛋白質(zhì)外殼。噬菌體的DNA不但包括噬菌體自我復制的信息，而且包括合成噬菌體蛋白質(zhì)所需要的全部信息。第35頁/共70頁第36頁/共70頁

第37頁/共70頁

1952年，赫爾希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）證明了噬菌體DNA能攜帶遺傳信息到后代中去以后，科學界才終于接受了DNA是遺傳信息載體的理論。

第38頁/共70頁人們徹底摒棄蛋白質(zhì)是基因的化學本質(zhì)的概念，是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型之后。1953年4月25日英國的《Nature》刊登了沃森和克立克的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一天是分子生物學的誕生日。

第39頁/共70頁JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick

（1916～）

1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型被提出來了，兩位創(chuàng)立者是美國生物化學家沃森（JamesDeweyWatson，1928～）和英國生物物理學家克里克（FrancisHarryComptonCrick，1916～）。獲1962年的諾貝爾生理學醫(yī)學獎。

第40頁/共70頁富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片，這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵

第41頁/共70頁DNA雙螺旋模型第42頁/共70頁第43頁/共70頁第44頁/共70頁DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)，是生物學史上的一座里程碑：●為DNA復制提供了構(gòu)型上的解釋，使人們對DNA作為基因的物質(zhì)基礎(chǔ)不再懷疑●奠定了分子遺傳學的基礎(chǔ)。DNA雙螺旋模型在科學上的影響是深遠的第45頁/共70頁第46頁/共70頁從1857年孟德爾進行豌豆雜交實驗算起，經(jīng)過無數(shù)科學家近百年的探索，蒙在生命遺傳奧秘上的面紗正在一層層地剝?nèi)??？茖W探索的道路是螺旋式的，科學家們在階梯上不斷攀登，一個新的螺旋展現(xiàn)在他們的眼前，而這將引起一場生命科學的革命。第47頁/共70頁最初由孟德爾提出的遺傳因子的概念，通過摩爾根、艾弗里、赫爾希和沃森、克里克等幾代科學家的研究，已經(jīng)使生物遺傳機制建立在遺傳物質(zhì)DNA的基礎(chǔ)之上。第48頁/共70頁DNA如何儲存并表達遺傳信息？這個問題引起了很多物理學家的興趣，1945年，薛定諤在《生命是什么》一書中提出了遺傳密碼的概念。1954年，物理學家伽莫夫提出三聯(lián)體密碼的概念。1961年，尼倫伯格和馬太利用三聯(lián)體密碼合成了由笨丙氨酸組成的多肽長鏈。到1966年，64種遺傳密碼的含義全部得到了解答，形成了一部密碼辭典。第49頁/共70頁MarshallWarrenNirenberg（1927～）美國生物學家尼倫伯格等人在1961～1966年期間成功破譯了遺傳密碼，以無可辯駁的科學依據(jù)證實了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的正確性。人們對遺傳機制有了更深刻的認識。1968年獲得諾貝爾生理學醫(yī)學獎獎。

第50頁/共70頁第51頁/共70頁DNA只存在于細胞核中，蛋白質(zhì)的合成在細胞質(zhì)中進行，細胞核中的遺傳信息如何轉(zhuǎn)達到細胞質(zhì)中呢？信息RNA和轉(zhuǎn)運RNA的發(fā)現(xiàn)給這個問題提供了答案，1958年克立克提出的“中心法則”很快得到了證實。

第52頁/共70頁中心法則第53頁/共70頁中心法則及其發(fā)展中心法則闡述的基因兩大基本屬性：復制：DNA→DNA；表達：從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)；中心法則的補充：

RNA的反轉(zhuǎn)錄

RNA的自我復制

DNA指導的蛋白質(zhì)合成第54頁/共70頁第55頁/共70頁第56頁/共70頁（三）現(xiàn)代分子遺傳學關(guān)于基因的概念1、現(xiàn)代基因概念DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA）,即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核苷酸序列，還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列。基因組：攜帶生物體全部遺傳信息的核酸量。第57頁/共70頁第58頁/共70頁從分子水平來說，基因有3個基本特性:（1）基因可自體復制（2）基因決定性狀（3）基因突變第59頁/共70頁第60頁/共70頁2、基因的功能類別（1）蛋白質(zhì)基因：其最終產(chǎn)物為蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)基因（structuregene）：編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因。結(jié)構(gòu)基因的突變可導致特定蛋白質(zhì)（或酶）一級結(jié)構(gòu)的改變或影響蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。

調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達的基因。調(diào)控基因的突變可以影響一個或多個結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。第61頁/共70頁（2）RNA基因：其最終產(chǎn)物是tRNA和rRNA（3）不轉(zhuǎn)錄的基因：不產(chǎn)生任何產(chǎn)物，對基因表達起調(diào)節(jié)控制作用

啟動基因（啟動子，啟動區(qū)）：轉(zhuǎn)錄時RNA多聚酶與DNA結(jié)合的部位。

操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因（一個或多個）的前端，與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因活動的DNA區(qū)段。是操縱結(jié)構(gòu)基因的基因。

第62頁/共70頁3、基因的幾種特殊形式（1）重復基因：指在基因組中有多份拷貝的基因，往往是生命活動中最基本、最重要的基因。（2