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遺傳學,金紅星副教授,自我介紹,電話：13820879887E-mail：jinhx87@jinhx87@jinhx87@研究方向：乳酸細菌生理學研究手段：分子生物學、基因工程,,朝鮮族母語：朝鮮語(韓國語)國語：中文一外：日語二外：英語,,1987.9~1991.7：東北師大生物系1991.7~1996.8：哈爾濱市中學1996.9~1999.7：東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院作物遺傳育種專業(yè)1999.7~2001.2：黑龍江省科學院應用微生物研究所基因工程研究室2001.2~2004.9：哈工大生命科學微生物2004.11至今：河北工大,緒論,Keyword遺傳學Genetics遺傳heredity變異variation,,1、什么是生命2、為什么沒有水就沒有生命？3、生男生女、種子4、分裂：減數(shù)、有絲,遺傳學家和模特兒,,參考書,1.遺傳學(第二版)劉祖洞高等教育出版社2.現(xiàn)代遺傳學原理(第三版)徐晉麟等科學出版社3.GeneXBenjaminLewin4.分子生物學(第五版)RobertF.Weaver5.微生物遺傳學(第三版)盛祖嘉,《現(xiàn)代分子生物學》第二版,朱玉賢、李毅編著高等教育出版社當你進入實驗室時，要像脫去外衣那樣放下你的想象力，因為實驗操作中不能有一丁點兒的想象，否則，你對事物的觀察就會受影響；而當你翻開書本的時候，你又必須盡可能展開想象的“翅膀”，否則，你就不可能走在別人前面。,一、學科的研究特點,動植物，微生物學：研究生物個體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能細胞生物學：研究細胞結(jié)構(gòu)、功能、信號傳導生物化學：研究生物大分子結(jié)構(gòu)、功能、代謝途徑遺傳學：研究生物的基因結(jié)構(gòu)、傳遞、表達和調(diào)控,遺傳學的研究特點,1.在生物的個體、細胞和基因?qū)哟紊涎芯窟z傳信息的結(jié)構(gòu)、傳遞和表達2.遺傳信息的傳遞包括世代的傳遞和個體間的傳遞3.通過個體雜交和人工的方式研究基因的功能,“遺傳學”定義Genetics,遺傳學是研究生物的遺傳與變異規(guī)律的一門生物學分支科學。遺傳學是研究基因結(jié)構(gòu)，信息傳遞，表達和調(diào)控的一門生物學分支科學,遺傳heredity,生物性狀或信息世代傳遞的現(xiàn)象。同一物種只能繁育出同種的生物同一家族的生物在性狀上有類同現(xiàn)象,遺傳：顆粒式、混合式,顆粒式遺傳：代表一對相對性狀的遺傳因子在同一個體內(nèi)分別存在，而不相感染不相混合混合式遺傳：父、母本遺傳給子代的基因會彼此“沾染、混淆不清”,,“混合式遺傳學說”子代個體是雙親血液混合的產(chǎn)物我國“父精母血”，精乃是血液精華希臘，亞里士多德，精液是高度純化的有生命的血液,變異variation,生物性狀在世代傳遞過程中出現(xiàn)的差異現(xiàn)象。生物的子代與親代存在差別。生物的子代之間存在差別。,遺傳與變異的關(guān)系,1.遺傳與變異是生物生存與進化的基本因素①遺傳維持了生命的延續(xù)沒有遺傳就沒有生命的存在，沒有遺傳就沒有相對穩(wěn)定的物種②變異使得生物物種推陳出新，層出不窮沒有變異，就沒有物種的形成，沒有變異，就沒有物種的進化2.遺傳與變異相輔相成，共同作用，使得生物生生不息，造就了形形色色的生物界,二、遺傳學的發(fā)展歷史,1865年Mendel發(fā)現(xiàn)遺傳學基本定律，建立了顆粒式遺傳的機制1910年Morgan建立基因在染色體上的關(guān)系1944年Avery證明DNA是遺傳物質(zhì)1951年Watson和Crick的DNA構(gòu)型1961年Crick遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)1975年以后的基因工程的發(fā)展,三、遺傳學的研究分支,從遺傳學的研究內(nèi)容劃分進化遺傳學；人類遺傳學；免疫遺傳學；腫瘤遺傳學從遺傳學的研究層次劃分群體遺傳學；細胞遺傳學；分子遺傳學從遺傳學的研究對象劃分植物遺傳學；動物遺傳學；微生物遺傳學,三、遺傳學的研究分支,1.從遺傳學研究的內(nèi)容劃分進化遺傳學：研究生物進化過程中遺傳學機制與作用的遺傳學分支科學生物進化的機制突變和選擇有害突變淘汰和保留有利突變保留與丟失中立突變DNA多態(tài)性,三、遺傳學的研究分支,1.從遺傳學研究的內(nèi)容劃分發(fā)育遺傳學：研究基因的時間、空間、劑量的表達在生物發(fā)育中的作用遺傳學分支特征：基因?qū)毎芷诜至押头只淖饔脩弥攸c干細胞的基因作用轉(zhuǎn)基因動物克隆動物,三、遺傳學的研究分支,1.從遺傳學研究的內(nèi)容劃分免疫遺傳學：研究基因在免疫系統(tǒng)中的作用的遺傳學分支重點不是研究免疫應答的過程，而是研究基因在抗體和抗原形成和改變中的作用,三、遺傳學的研究分支,2.從遺傳學研究的層次劃分群體遺傳學：研究基因頻率改變的遺傳學分支例題群體中存在一個隱性有害基因，基因頻率是萬分之一。如果實行優(yōu)生政策，不準該個體結(jié)婚或生育。基因率降低到十萬分之一時，需要多少代？,三、遺傳學的研究分支,2.從遺傳學研究的層次劃分細胞遺傳學：研究生物在細胞水平的遺傳結(jié)構(gòu)和功能的遺傳學分支學科重點：染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的變化與生物表型的關(guān)系進展：細胞表面抗原的形成和改變，細胞信號傳導過程中基因的作用目前的實驗：細胞表達系統(tǒng),,例如：無籽西瓜的染色體組成普通西瓜2n＝22誘變成功的4倍體作母本X2倍體父本雜交，獲得3倍體西瓜，在形成生殖細胞時，不能正常減數(shù)分裂，所以成為無籽西瓜,三、遺傳學的研究分支,2.從遺傳學研究的層次劃分分子遺傳學：研究生物基因組結(jié)構(gòu)和功能的遺傳學分支學科基因工程生物制藥分子生物學技術(shù),三、遺傳學的研究分支,3.從遺傳學研究的對象劃分微生物遺傳學：以微生物為研究對象的遺傳學分支重點研究病毒，細菌，真菌的基因結(jié)構(gòu)，基因功能基因工程的載體，受體等,三、遺傳學的研究分支,3.從遺傳學研究的內(nèi)容劃分人類遺傳學：研究人類遺傳和變異規(guī)律的分支科學人類性狀的遺傳分析遺傳病的分布和發(fā)生機理遺傳病的診斷基因治療,三、遺傳學的研究分支情況,3.從遺傳學研究的對象劃分人類遺傳學遺傳學疾病人類3千多種，涉及上萬個基因染色體疾病基因突變疾病，線粒體疾病，孟德爾遺傳病，多基因遺傳病1930年色盲基因第一個定位，1974年kappa輕鏈缺乏癥基因第一個克隆。目前已定位孟德爾遺傳病基因1600多，克隆了其中的940多種,,腫瘤抑制基因(antioncogene)Rbdel13q1427個exon,12個intron視網(wǎng)膜母細胞瘤尋找Rb基因采用消減雜交方法正常個體DNA有病個體DNA尋找差別基因,克隆的概念與類型,Clone源于希臘文klon，嫩枝的意思，是指從樹上取下嫩枝，栽在地上以成另一棵樹美國生命倫理顧問委員會則認為，克隆一詞指細胞、植物、動物或人的精確的遺傳復制歐洲委員會認為，克隆是生產(chǎn)遺傳上等同的生物的方法名詞，一群具有相同基因型的微生物,,哺乳動物細胞克隆技術(shù)，又稱哺乳動物的核移植或無性繁殖技術(shù)；它是通過特殊的人工手段(顯微操作，電融合等)對哺乳動物特定發(fā)育階段的核供體(胚胎分裂球或體細胞核)，及相應的核受體(去核的受精卵或成熟的卵母細胞)不經(jīng)過有性繁殖過程，進行體外重構(gòu)并通過重構(gòu)胚的胚胎移植，從而達到擴繁同基因型哺乳動物種群的目的,1981年Illmensee和Hoppe報道采用移植技術(shù)得到了正常的小鼠，但其結(jié)果未被其他實驗室重復出來1983年McGrath和Solter等利用顯微操作技術(shù)與細胞融合技術(shù)，創(chuàng)造了全新的核移植方法1986年Willadsen通過實驗提出了兩個創(chuàng)新的觀念：（1）作為核受體，卵母細胞較受精卵更佳；（2）羊桑椹胚細胞核具有全能性,以后綿羊（1986），牛（1987），兔（1988）和豬（1989）等胚胎細胞克隆動物也相繼獲得了成功1997年2月，Wilmut等利用綿羊乳腺細胞成功的克隆出體細胞核移植后代，根本動搖了原有的傳統(tǒng)結(jié)論，并使哺乳動物克隆技術(shù)進入了一個劃時代的新階段,NetiandDitto,克隆技術(shù)存在的問題,動物克隆技術(shù)雖然取得了一定的進展，但該技術(shù)目前還很不完善；存活率低是當今核移植技術(shù)的最大缺陷最近發(fā)現(xiàn)，克隆羊的端粒較同年羊短；可能會減少壽命基因組印記現(xiàn)象在哺乳動物的發(fā)育中普遍存在，基因組印記與動物克隆技術(shù)的成功及不足有何關(guān)系值得深入研究核移植過程中產(chǎn)生的個體突變頻率高,第01章經(jīng)典遺傳學的誕生,Keywords顯性dominant隱性recessive基因型genotype表型phenotype分離定律lawofsegregation自由組合定律lawofindependentassortment連鎖與交換定律,一、泛生論pangenesis,內(nèi)容：在雌雄個體的生殖液中所含的能夠傳遞的粒子，可以形成胚胎的各個器官；由于這些粒子的相似性，能產(chǎn)生同一物種的個體；父母雙方中哪一方的粒子較多，吸引力較大，則多半會產(chǎn)生類似那一方的特性；個體的同一個器官形成各自的粒子，匯集在血管里流動而后集中于生殖液,“暫定的泛生論”,達爾文：1868年提出每一個能夠各自獨立變化的性狀是由同一種物質(zhì)載體----芽球----聯(lián)結(jié)在一起的高爾頓：芽球----“血統(tǒng)(stirps)”1876年，動物輸血實驗,二、種質(zhì)論germplasmtheory,拉馬克：“用進廢退”觀點魏斯曼：種質(zhì)論明確區(qū)分種質(zhì)(germplasm)和體質(zhì)(somatoplasm)種質(zhì)：性細胞和產(chǎn)生性細胞的細胞體質(zhì)：除種質(zhì)以外的切掉新生小鼠尾巴實驗，連續(xù)19代,三、分離定律,實驗:P:紅花X白花基因型CCcc配子CcF1代紅花基因型Cc配子C，cF2代紅花白花基因型CC，Cccc比例3：1,分離定律,雜合體的一對等位基因在形成配子時互相不影響地分到配子中去,名詞,親代ParentGeneration,P子一代FirstFilialGeneration,F1正反交ReciprocalCross不完全顯性IncompleteDominance共顯性Codominance分離Segregation配子gamete和合子zygote,基礎(chǔ)概念,雜合體(heterozygote)：基因座上兩個不同的等位基因的個體純合體(homozygote)：基因座上兩個相同的等位基因的個體回交(backcross)：雜交的后代與親代的交配形式測交(testcross)：雜合個體與純合隱性個體的交配形式,基礎(chǔ)概念,性狀(character)：生物的形態(tài)，結(jié)構(gòu)，生理功能過程的特征顯性(dominant)：雜合子生物表現(xiàn)出來的性狀隱性(recessive)：雜合子生物被掩蓋的性狀等位基因(allele)：同源染色體上相對位置上的決定同種性狀的基因表型(phenotype)：生物個體形成的性狀表現(xiàn)基因型(genotype)：生物個體的基因組成,孟德爾假設(shè),1.遺傳性狀由遺傳因子(hereditarydeterminant)決定2.遺傳因子是成對存在的3.生殖細胞中具有成對因子中的一個4.每對因子分別來自雌雄親代的生殖細胞5.形成生殖細胞時，成對因子相互分離6.生殖細胞的結(jié)合是隨機的7.遺傳因子有顯隱性之分,孟德爾分離比實現(xiàn)的條件,1.雜合體的兩種配子在形成配子時數(shù)目是相等的2.兩種配子結(jié)合是隨機的3.子二代基因型個體存活率是相等的4.顯性是完全的,四、孟德爾自由組合定律,實驗：黃，滿X綠，皺基因型YYRRyyrr配子YRyrF1代黃滿基因型YyRr配子YRYryRyrF2代黃滿黃皺綠滿綠皺基因型Y_R_Y_rryyR_yyrr表型比：9：3：3：1,孟德爾自由組合定律,兩對非同源色體上的非等位基因在形成配子時，各自獨立地分開和組合，形成四種基因型的配子。在雜交時四種配子隨機結(jié)合，形成四種表型，9種基因型的群體。親組合、重組合Recombination顆粒式遺傳particulateinheritance混合式遺傳blendinginheritance,多對非等位基因分析,雜合體AaBbCcDd自交，子代中1.雜合體概率是多少2.純合體概率是多少,,基因?qū)?shù)表型基因型分離比123(1+3)1249(1+3)23827(1+3)341681(1+3)4。n2n3n(1＋3)n,多對基因的遺傳估計,AABBCCXaabbcc子一代自交，子二代中：1.表型為A-B-C-的比例是多少？2.子一代自交，子二代中，基因型為AaBbCc的比例是多少？3.子一代自交，子二代中雜合體的比例是多少？,,一個基因決定了一個性狀。一個性狀并不一定由一個基因所決定。事實上，很多性狀由一系列基因所決定。當考察性狀的遺傳方式時，是以在其它基因相同的條件下，僅僅列出了差別的基因。,思考題,日本有一種蘿卜有兩個純系品種，一種是紅色的，另一種是露出地面的部分呈紅色，埋在地下的部分呈白色。有的學者希望利用這個材料，研究花色素形成的機制。研究內(nèi)容：光對花色素基因表達的影響；尋找決定花色素形成的基因。提出研究方案。,苯丙氨酸代謝途徑,苯丙氨酸?酪氨酸?3，4二羥苯丙氨酸?cc??苯丙酮酸對羥苯丙酮酸??黑色素尿黑酸?aa?CO2+水,例題,一對表型正常的夫婦生有一個有病的孩子和一個表型正常的孩子。1.再生一個是有病孩子的機會是多少？2.如果表型正常兒子與一個另一個同樣類型的表型正常女子結(jié)婚，生有病子女的機會是多少？如果一個表型正常，等位基因是雜合的男子與一個純合隱性基因的病女子結(jié)婚，生有5個孩子，其中無病子女的機會是多少，3病2正常的機會是多少？,孟德爾分離定律的普遍性,適用于單基因遺傳性狀的分析例如：人類的白化病；RFLP(DNA限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性),,EcoRV酶切人體基因組DNA，與苯丙氨酸羥化酶基因探針雜交，獲得30kb和25kb的兩種類型，父母是正常表型，兩個孩子中一個是表型正常的30kb/25kb雜合體，另一個是有病個體，25kb/25kb純合體，推測，25kb可能與有病基因連鎖。,孟德爾定律數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理,適合度測驗(goodnessoffit)實驗實際比數(shù)與理論比數(shù)適合的程度?？ㄆ椒綔y驗適合度,孟德爾定律的適用范圍,共顯性：當一對等位基因雜合時，兩個基因所控制的性狀同時顯現(xiàn)出來的現(xiàn)象血型Bloodgroup復等位基因MultipleAlleles：群體中的不同個體，在同一基因座(locus)上有2種以上等位基因外顯率：帶有顯性基因的個體表現(xiàn)出所控制性狀的實際數(shù)與理論數(shù)之比,概念,遺傳學Genetics棋盤法PunnettSquare不完全顯性IncompleteDominance黑縞蠶白蠶→淡黑縞鑲嵌顯性MosaicDominance：指控制一對相對性狀的基因，也就是一對等位基因可以各自在身體的不同部分分別表現(xiàn)出顯性黑緣型(前緣黑色)均色型(后緣黑色)→,,,五、連鎖遺傳分析,F1雜合子形成配子時，兩對基因有保持親代原來組合的傾向，并且這種傾向與顯隱性無關(guān),,,,,,,,,,,,摩爾根根據(jù)大量實驗結(jié)果，提出連鎖交換定律，即遺傳的第三定律：處在同一染色體上的兩個或兩個以上基因遺傳時，聯(lián)合在一起的頻率大于重新組合的頻率,,連鎖(linkage)：同一親本的基因趨向于聯(lián)合交換(crossingover)：同一親本的基因相互分開，重新組合重組(recombination)：由于同源染色體上的不同等位基因間的重新組合，產(chǎn)生不同于親本的類型,,重組頻率recombinationfrequency,RF重組頻率的計算：重組頻率(RF)：重組型數(shù)目/(親本型數(shù)目＋重組型數(shù)目)1%重組值為一個單位，稱一個厘摩，記作1個CM基因在染色體上的距離以重組值為根據(jù)，畫出的基因距離圖稱遺傳學圖(geneticmap),三點測交(threepointtesscross),ABC/ABCXabc/abcABC/abcXabc/abcABCAbCabcaBcABcaBCabCAbc,,,果蠅：4對染色體,果蠅的三個突變基因：ec(echinus,棘眼)，sc(scute,胸部剛毛稀缺)，cv(crossveinless,翅上無橫脈)，都是X連鎖遺傳把ec果蠅同sc、cv果蠅雜交，得到三雜合體果蠅(ec++/+sccv)課本：第二版152頁，,三雜合雌蠅(ec++/+sccv)與三隱性雄蠅(ecsccv/Y)交配后得到的子代數(shù)據(jù),,ec-sc：親組合810+828+89+103=1830，重組合62+88=150，重組率=150/(1830+150)=7.6ec-cv：重組率為9.7%sc-cv：重組率為17.3%子代果蠅出現(xiàn)6種表型可以出現(xiàn)8種表型ct(cut截翅),(ecct+/++cv)(ecctcv/Y)子代的表型數(shù),,ec-ct：10.1+8.3=18.4ec-cv：10.1+0.1=10.2ct-cv：8.3+0.1=8.4,連鎖與交換,類型觀察數(shù)Sn3-mw-mSn3-wSn3wm372---+++285---+w+95-++Sn3+m97-++Sn3++4+-++wm4+-+++m91++-Sn3w+52++-合計1000151335200,三點測交(threepointtesscross),Sn3wm/Sn3wmX+++/Sn3wmm---sn3:151/1000=15.1%m---w:335/1000=33.5%w---sn3:200/1000=20.0%m15.1sn320w,,,校正值，并發(fā)率，干涉,校正值：被低估的雙交換頻率（4＋4）X2/1000=1.6%33.5+1.6=35.1并發(fā)率＝雙交換率/單交換率乘積0.8%/(15.1X20%)=0.26干涉＝1-并發(fā)率＝1-0.26=0.74,馬的二倍體染色休數(shù)是64，驢的二倍體染色體數(shù)是62。試說明馬驢雜種騾何以高度不育。,因為騾為驢、馬遠緣雜種，構(gòu)成騾之細胞中相對的兩個染色體組(n驢=31，n馬=32)對應各成員之間沒有同源關(guān)系。因此，騾的性母細胞在減數(shù)分裂時，染色體很少或沒有配對、可以認為，對細胞兩極63個染色體的取向是隨機的。不難看出，減數(shù)分裂必須滿足下列條件才能形成可育配子：,,①A、B兩極之染色體必須雖31：32分配；②31者全為驢的，32者全為馬的染色體。于是，問題歸結(jié)為估算上述特定方式減數(shù)分裂的發(fā)生頻率。設(shè)63個染色體在兩極呈31：32分配的概率為PA，則PA＝C3163(1/2)31(1/2)32+C3263(1/2)32(1/2)31(A31、B32與A32、B31之和事件)從數(shù)學上知：C3163＝C3263所以PA＝2C3163(1/2)63,,當染色體呈31：32分配時，必有一種，也只有一種31全驢，32全馬的情形。設(shè)31全驢、32全馬染色體時之條件概率為P(B1A)，則：P(B1A)=1/C3163（＝1/C3263）于是，可育配子的概率：P(AB)=PAP(B1A)=2C3163(1/2)631/C3163=2(1/2)63可見，驢馬雜種產(chǎn)生可育配子的概率是極低的，所以，經(jīng)驗認為騾通常是不育的。,