遺傳部分課件

（一）基因概念的提出

孟德?tīng)枺∕endel）的遺傳因子：一個(gè)因子決定一個(gè)性狀(1865年)。約翰森（Johannsen）：首先提出基因一詞（1909年）。第1頁(yè)/共70頁(yè)1857年，奧地利的一名神父孟德?tīng)栐谒诘男薜涝汉笤洪_(kāi)始進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。1865年，孟德?tīng)柛鶕?jù)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文《植物雜交試驗(yàn)》，闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺傳現(xiàn)象和兩個(gè)重要遺傳學(xué)規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。JohannGregorMendel（1822～1884）第2頁(yè)/共70頁(yè)孟德?tīng)柕倪z傳因子孟德?tīng)柼岢觯骸裆锏倪z傳性狀是通過(guò)“遺傳因子”（hereditaryfactor）進(jìn)行傳遞的●遺傳因子是一些獨(dú)立的遺傳單位孟德?tīng)柊芽捎^察的性狀和控制它的內(nèi)在的遺傳因子區(qū)分開(kāi)來(lái)遺傳因子作為基因的雛形名詞誕生了第3頁(yè)/共70頁(yè)1900年，是遺傳學(xué)史乃至生物科學(xué)史上劃時(shí)代的一年，來(lái)自三個(gè)國(guó)家的三位學(xué)者獨(dú)立地“重新發(fā)現(xiàn)”了孟德?tīng)柕倪z傳規(guī)律，他們是荷蘭的德弗里斯(HugoDeVries，1848～1935)、德國(guó)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(xué)進(jìn)人了孟德?tīng)枙r(shí)代?！爸匦掳l(fā)現(xiàn)”孟德?tīng)柕?頁(yè)/共70頁(yè)HugoDeVries(1848～1935)CarlErichCorrens(1864～1933)

ErichvonTschermak（1871～1962）

重新發(fā)現(xiàn)孟德?tīng)柕纳飳W(xué)家第5頁(yè)/共70頁(yè)1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜在《精密遺傳學(xué)原理》一書中根據(jù)希臘語(yǔ)“給予生命”之義，創(chuàng)造“基因”（gene）一詞來(lái)代替孟德?tīng)柤俣ǖ摹斑z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(guò)此時(shí)的基因仍然是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的、僅靠邏輯推理得出的概念。

WilhelmLudwigJohannsen（1857～1927）第6頁(yè)/共70頁(yè)（二）基因結(jié)構(gòu)和功能的探索隨著遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)基因本性的認(rèn)識(shí)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(yè)/共70頁(yè)1、基因與染色體在孟德?tīng)柕某晒@得承認(rèn)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(xì)胞內(nèi)的什么地方？摩爾根以果蠅為試驗(yàn)對(duì)象回答了這一問(wèn)題，基因在染色體上。

第8頁(yè)/共70頁(yè)摩爾根和他的學(xué)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(shuō)。

ThomasHuntMorgan

（1866～1945）第9頁(yè)/共70頁(yè)摩爾根在《基因論》中繪制了果蠅基因位置圖，首次完成了當(dāng)時(shí)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(gè)突變單位和交換單位。至此，人們對(duì)基因概念的理解更加具體和豐富了。

第10頁(yè)/共70頁(yè)摩爾根果蠅遺傳實(shí)驗(yàn)具有劃時(shí)代意義

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

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

基因是何物?

基因的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成怎樣?

基因是如何決定遺傳性狀的?這些問(wèn)題在摩爾根時(shí)代仍然是謎。第13頁(yè)/共70頁(yè)2、基因與DNA摩爾根確定了染色體是基因的載體。基因研究發(fā)展到細(xì)胞學(xué)水平之后，急需解決兩個(gè)基本問(wèn)題：

（1）基因的化學(xué)本性是什么？（2）基因是如何工作的？

第14頁(yè)/共70頁(yè)在研究基因的化學(xué)本質(zhì)上，細(xì)胞化學(xué)起了重要作用。細(xì)胞化學(xué)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(dòng)的體現(xiàn)者，它不僅參與所有的生命過(guò)程，而且它的化學(xué)結(jié)構(gòu)也有多樣性和可塑性。第15頁(yè)/共70頁(yè)◆所以在相當(dāng)一段時(shí)間里，學(xué)術(shù)界認(rèn)為基因是蛋白質(zhì)，認(rèn)為只有像蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的大分子才能決定細(xì)胞的特征和遺傳第16頁(yè)/共70頁(yè)◆認(rèn)識(shí)到基因的化學(xué)本質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)，經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程。◆發(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(shí)驗(yàn)。

第17頁(yè)/共70頁(yè)1928年，英國(guó)科學(xué)家格里菲思在肺炎球菌實(shí)驗(yàn)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(yè)/共70頁(yè)

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(wú)毒性，不致病

第19頁(yè)/共70頁(yè)格里菲斯用肺炎球菌做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(fù)活了嗎？這就是著名的“格里菲斯之謎”。

“死菌復(fù)活”之謎

第20頁(yè)/共70頁(yè)第21頁(yè)/共70頁(yè)●這是一個(gè)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(huì)致病，而兩者混合注入?yún)s致病了。●解釋：

加熱殺死的S型菌中存在某種導(dǎo)致細(xì)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(shí)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(yè)/共70頁(yè)導(dǎo)致R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的因子，其化學(xué)本質(zhì)究竟是什么？這個(gè)問(wèn)題，與遺傳學(xué)家提出的“基因的化學(xué)本質(zhì)是什么？”實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)問(wèn)題。

第23頁(yè)/共70頁(yè)格里菲斯發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象為以后認(rèn)識(shí)到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。在美國(guó)紐約洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了這一問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，取得了重大突破。第24頁(yè)/共70頁(yè)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(guò)數(shù)年（30年代初），加拿大生物化學(xué)家艾弗里領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組便開(kāi)始探尋轉(zhuǎn)化因子。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：死去的S型菌并未復(fù)活，而是S型菌的DNA進(jìn)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(shí)驗(yàn)不僅揭開(kāi)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(yè)/共70頁(yè)艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：分離S型死菌的提取液→分別檢測(cè)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(yè)/共70頁(yè)第27頁(yè)/共70頁(yè)

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)：

用化學(xué)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(rèn)，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。

艾弗里等人的試驗(yàn)和結(jié)論是對(duì)DNA認(rèn)識(shí)史上的一次重大突破，徹底改變了DNA在生物體內(nèi)無(wú)足輕重的傳統(tǒng)觀念。

第28頁(yè)/共70頁(yè)

但當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)并不接受艾弗里DNA是遺傳物質(zhì)的觀念，認(rèn)為提取的DNA無(wú)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(yè)/共70頁(yè)針對(duì)學(xué)術(shù)界的否定意見(jiàn)，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(xì)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(duì)轉(zhuǎn)化活性無(wú)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了DNA作為遺傳信息載體的功能。第30頁(yè)/共70頁(yè)發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA，這是基因研究上一個(gè)重要的里程碑。但在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)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(jiǎng)的候選人，但當(dāng)時(shí)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為“最好等到DNA的轉(zhuǎn)化機(jī)理更多地為人們所了解的時(shí)候再說(shuō)”。可是，當(dāng)爭(zhēng)議平息、諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)準(zhǔn)備授獎(jiǎng)之時(shí)，他已經(jīng)去世了。第31頁(yè)/共70頁(yè)1951年，赫里奧特（R·Herriott）提出一個(gè)十分富有魅力和啟發(fā)性的假說(shuō)：

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

第32頁(yè)/共70頁(yè)當(dāng)人們?yōu)榘ダ锏膶?shí)驗(yàn)而激烈爭(zhēng)論時(shí)，研究噬菌體的美國(guó)微生物學(xué)家赫爾希等人在考慮，能否將蛋白質(zhì)和DNA完全分開(kāi)，單獨(dú)觀察DNA的作用呢？他們受赫里奧特思路的啟發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)。赫爾希與德?tīng)柌紖慰撕捅R里亞一起，獲1969年的諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。

AlfredDayHershey（1908～1997）第33頁(yè)/共70頁(yè)第34頁(yè)/共70頁(yè)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)35S標(biāo)記蛋白質(zhì)外殼的噬菌體

感染

細(xì)菌

細(xì)菌無(wú)放射性

32P標(biāo)記DNA內(nèi)芯的噬菌體

感染

細(xì)菌

細(xì)菌有放射性這一結(jié)果確鑿無(wú)疑地證明，進(jìn)入寄主細(xì)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(fù)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(yè)/共70頁(yè)第36頁(yè)/共70頁(yè)

第37頁(yè)/共70頁(yè)

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(xué)界才終于接受了DNA是遺傳信息載體的理論。

第38頁(yè)/共70頁(yè)人們徹底摒棄蛋白質(zhì)是基因的化學(xué)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(guó)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(xué)的誕生日。

第39頁(yè)/共70頁(yè)JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick

（1916～）

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

第40頁(yè)/共70頁(yè)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(yè)/共70頁(yè)DNA雙螺旋模型第42頁(yè)/共70頁(yè)第43頁(yè)/共70頁(yè)第44頁(yè)/共70頁(yè)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)，是生物學(xué)史上的一座里程碑：●為DNA復(fù)制提供了構(gòu)型上的解釋，使人們對(duì)DNA作為基因的物質(zhì)基礎(chǔ)不再懷疑●奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。DNA雙螺旋模型在科學(xué)上的影響是深遠(yuǎn)的第45頁(yè)/共70頁(yè)第46頁(yè)/共70頁(yè)從1857年孟德?tīng)栠M(jìn)行豌豆雜交實(shí)驗(yàn)算起，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)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)ァ？茖W(xué)探索的道路是螺旋式的，科學(xué)家們?cè)陔A梯上不斷攀登，一個(gè)新的螺旋展現(xiàn)在他們的眼前，而這將引起一場(chǎng)生命科學(xué)的革命。第47頁(yè)/共70頁(yè)最初由孟德?tīng)柼岢龅倪z傳因子的概念，通過(guò)摩爾根、艾弗里、赫爾希和沃森、克里克等幾代科學(xué)家的研究，已經(jīng)使生物遺傳機(jī)制建立在遺傳物質(zhì)DNA的基礎(chǔ)之上。第48頁(yè)/共70頁(yè)DNA如何儲(chǔ)存并表達(dá)遺傳信息？這個(gè)問(wèn)題引起了很多物理學(xué)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(xué)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(zhǎng)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(yè)/共70頁(yè)MarshallWarrenNirenberg（1927～）美國(guó)生物學(xué)家尼倫伯格等人在1961～1966年期間成功破譯了遺傳密碼，以無(wú)可辯駁的科學(xué)依據(jù)證實(shí)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的正確性。人們對(duì)遺傳機(jī)制有了更深刻的認(rèn)識(shí)。1968年獲得諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。

第50頁(yè)/共70頁(yè)第51頁(yè)/共70頁(yè)DNA只存在于細(xì)胞核中，蛋白質(zhì)的合成在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，細(xì)胞核中的遺傳信息如何轉(zhuǎn)達(dá)到細(xì)胞質(zhì)中呢？信息RNA和轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的發(fā)現(xiàn)給這個(gè)問(wèn)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(shí)。

第52頁(yè)/共70頁(yè)中心法則第53頁(yè)/共70頁(yè)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(fù)制：DNA→DNA；表達(dá)：從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)；中心法則的補(bǔ)充：

RNA的反轉(zhuǎn)錄

RNA的自我復(fù)制

DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成第54頁(yè)/共70頁(yè)第55頁(yè)/共70頁(yè)第56頁(yè)/共70頁(yè)（三）現(xiàn)代分子遺傳學(xué)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(gè)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?；蚪M：攜帶生物體全部遺傳信息的核酸量。第57頁(yè)/共70頁(yè)第58頁(yè)/共70頁(yè)從分子水平來(lái)說(shuō)，基因有3個(gè)基本特性:（1）基因可自體復(fù)制（2）基因決定性狀（3）基因突變第59頁(yè)/共70頁(yè)第60頁(yè)/共70頁(yè)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(dǎo)致特定蛋白質(zhì)（或酶）一級(jí)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(dá)的基因。調(diào)控基因的突變可以影響一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)（或酶）量的改變。第61頁(yè)/共70頁(yè)（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(duì)基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用

啟動(dòng)基因（啟動(dòng)子，啟動(dòng)區(qū)）：轉(zhuǎn)錄時(shí)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(gè)或多個(gè)）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(dòng)的DNA區(qū)段。是操縱結(jié)構(gòu)基因的基因。

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