生命科学与健康-第03章-遗传.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节,孟德尔遗传学说,孟德尔豌豆杂交试验,基因独立分配定律,两对相对性状的遗传,种子形状：圆和皱，,种皮颜色：黄和绿,独立分配定律,杂种中不同的等位基因，在形成配子时，其分离是彼此独立的，它们可以进行自由组合。,独立分配定律的验证,第二节,染色体遗传学说,一,.,连锁与交换定律,连锁与交换遗传现象,遗传连锁现象,测交实验双隐性纯合子用雌性,遗传交换现象,连锁与交换遗传定律,当处于同一染色体上邻近位置的不同基因表现出相伴随而遗传的现象，称作基因的连锁（,linkage,）,；,同源染色体上一对等位基因发生相互交换的现象称作基因的交换（,crossing over,）。,3.,交换率与遗传图,性染色体和伴性遗传,常染色体,性染色体,XY ZW Z0,伴性遗传,是指性染色体上的基因所表现的特殊遗传现象。,伴性遗传举例,染色体畸变与遗传变异,染色体畸变是指染色体结构和染色体数量发生了变化，从而导致生物个体发生了遗传变异的现象。,染色体结构变异,缺失,所谓染色体的缺失是指一条染色体断裂而失去一段，在联会时，同源染色体就可能出现环状折叠的现象。,重复,所谓染色体的重复是指一条染色体的断裂片段连到同源染色体的相应部位，结果后者就有一段重复基因。,倒位,所谓染色体的倒位是指一条染色体的断裂片段，位置倒过来后再接 上去的现象。,易位,所谓染色体的易位是指染色体的断裂片段连接到非同源染色体上的现象。,染色体畸变与遗传变异,染色体数目变异,染色体整倍性变异,二倍体生物的每一正常配子（正常精子或正常卵子）的全部染色体，称作一个染色体组（,chromosome set,）。如果体细胞中染色体数目的变异是以染色体组为单位进行增减时，称作整倍体变异。,一倍体变异,指单倍体。很少发生，不育,多倍体变异,三个或三个以上的染色体组的变异,染色体数目变异,染色体非整倍性变异,如果体细胞中染色体数目的变异结果不是整倍数，称作染色体数目非整倍体变异。,缺体,指丢失一对同源染色体的变异，,2n-2,单体,指丢失单条染色体，,2n-1,三体,指增加单条染色体，,2n+1,四体,指增加两条染色体，,2n+2,第三节,基因的相互作用,等位基因的相互作用,完全显性（,complete dominance,）,完全显性是指纯合子（,AA,）和杂合子（,Aa,）在表型上无差别的现象，即显性基因对性状起决定作用，隐性基因不起作用的现象,半显性或不完全显性,半显性,（,semidominance,）,或不完全显性,（,incomplete dominance,）,是指杂合子（,Aa,）的表型介于纯合子（,AA,）和纯合子（,aa,）之间的现象，即等位基因中的显性基因和隐性基因对杂合子的性状表现都起作用的现象。,共显性（,codominance,）,共显性是指一对等位基因（,alleles,），即同一座位上的不同形式的基因，彼此之间没有显隐性关系，杂合时，两种基因分别表达其基因产物，形成相应的表型的现象。,镶嵌显性,杂合子中，两个等位基因分别在生物个体身体的不同部位得到了表达的现象,。,非等位基因的相互作用,互补作用,如果只有在若干个等位基因同时存在时才能使,个体,的某个性状得到表现，这些非等位基因的相互作用称之为互补作用，这些非等位基因称作互补基因,（,complementary genes,）,。,上位作用,一对等位基因的作用受到另一对等位基因作用的制约，并随后者的不同而不同，这一现象，称作上位效应（,epistasis,），则称后者为上位基因,（,epistatic gene,）,。,抑制作用,一个基因抑制其非等位基因的作用，使后者的作用不能显示出来的现象称作抑制作用，这个基因称为抑制基因,（,inhibiting gene,）,。,三 微效基因的累加作用,数量性状常常不是由一对等位基因所决定，而是由多对等位基因所决定，每对等位基因对该性状只有微小的贡献，称作微效基因（,minor gene,），数量性状是多个微效基因的效应累加的结果，这种现象称之为微效基因的累加作用。,四 性状的多基因决定和基因的多效性,一个性状可以受多个基因影响的现象称作性状的多基因决定，一个基因也可以影响多个性状，这种现象称作基因的多效性（,pleiotropy,）。,第四节,细胞质遗传,细胞质遗传特点和表现,细胞质遗传的物质,细胞质基因与细胞核基因的关系,第五节,基因的本质,一,.,遗传物质是,DNA,或,RNA,的实验证明,DNA,作为主要遗传物质的间接证据,DNA,作为主要遗传物质的直接证据,1944,年，,Avery,肺炎球菌转化实验,1952,年,，,Hershey,和,Chase T,2,噬菌体感染细菌实验,1956,年,，,Fraenkel,和,Conrat,烟草花叶病病毒拆分重建实验,（,tobacco mosaic virus,，,TMV,）,二 基因的化学本质,DNA,和,RNA,都是核酸（,nucleic acids,）。,核酸是一种生物大分子，由核苷酸（,nucleotide,）组成。,每一核苷酸由三部分组成，一个是磷酸分子、一个是糖,分子、一个是碱基，碱基有两类，分别为嘌呤和嘧啶。,常见的嘌呤有两种：腺嘌呤（,A,）和鸟嘌呤（,G,）；常,见的嘧啶也有两种：胞嘧啶（,C,）和胸腺嘧啶（,T,）。,在,DNA,分子中，腺嘌呤（,A,）和胸腺嘧啶（,T,）是等量,的，鸟嘌呤（,G,）和胞嘧啶（,C,）也是等量的。在细胞,中,DNA,分子是成对存在的，两条,DNA,分子链相互键以,氢键缔合，并呈双螺旋结构，这种氢键实质上是碱基之,间的氢键，即,AT,和,GC,，因此，在,DNA,分子中，,A,和,T,等量，,G,和,C,等量。,三,.,基因的复制,-,半保留机制,（,semi-conservative,）,DNA,双螺旋结构在某些蛋白质的作用下解螺旋，两条链中间的碱基对分开，成为两条单链；,每一条单链上所暴露出来的碱基各自与一个游离于细胞核中的互补核苷酸碱基相连，即链上的,A,、,G,、,T,、,C,分别和游离的,T,、,C,、,A,、,G,相连。连接上去的各种核苷酸都是脱氧核苷三磷酸；,在,DNA,聚合酶的催化作用下，这些新连接上去的核苷酸丢去,2,个磷酸，释放出能量，变为核苷一磷酸，并一一顺序连接而成一新链，它们释放出的能量用于这一多聚反应。新链与旧链再形成双螺旋结构。这样，一个双链的,DNA,就复制成各含一个旧链和一个新链的两个双链,DNA,分子了。,中心法则,（,central dogma,）,DNA,分子储存遗传信息。,DNA,分子的遗传信息可以由于自我复制而传给新一代的,DNA,分子，也可转录成,mRNA,，,mRNA,再将信息转译成蛋白质，这就是生物学的中心法则。这一法则表示遗传信息流是：,DNA,RNA,蛋白质的。,五 遗传物质在细胞中存在的形式,个体水平,细胞水平、染色体水平,分子水平：一个基因决定一个酶,密码子水平,核苷酸水平（碱基水平）,六 基因表达调控,乳糖操纵子模型,色氨酸操纵子模型,真核基因的表达,碱基替换（,substitution,）,所谓的碱基替换是指一种碱基为另一种碱基所替换，从而使单个密码子发生了改变。,转换,一种嘌呤（或嘧啶）碱基转换为另一种嘌呤（或嘧啶）碱基,颠换,一种嘌呤（或嘧啶）碱基转变为一种嘧啶（或嘌呤）碱基,第六节,基因突变,移码突变（,frameshift mutation,）,在,DNA,链的碱基序列中插入一个或几个碱基，或者失去一个或几个碱基，从而使全部密码都发生了变化。,插入,在,DNA,链中插入一个碱基或多个碱基,丢失,DNA,链上丢失一个碱基或多个碱基,一 基因突变的类型,基因突变的类型多种多样，如果按突变体（,mutant,）表型特征的不同，可将突变分为以下几种类型：,形态突变型,生化突变型,营养缺陷型,抗性突变型,抗药性,抗紫外线,抗噬菌体,抗原突变型,致死突变型,条件致死突变型,指在某一个条件,称限制性条件或非允许条件（,non-permissive condition,）,下呈现致死效应，而在另一条件下,即允许条件（,permissive condition,）,却不表现致死效应的突变型。例如：温度敏感突变型（,T,s,mutant,）。,其他突变型,二 基因突变的特点,不对应性,即突变的性状与引起突变的原因之间无直接的对应关系。,自发性,稀有性,自发突变虽然可随时发生，但突变的频率较低和稳定，一般在,10,-6,10,-9,之间。,突变频率，又称作突变率，一般是指每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，也有用每单位群体在繁殖一代过程中所形成突变体的数目来表示。例如，突变率为,1*10,-8,，即为,1*10,8,个细胞群体分裂成,2*10,8,个细胞时，平均会形成一个突变体。,独立性,突变对细胞是独立的，对基因也是独立的。,诱变性,诱变剂可提高突变率，一般为,10-10,5,倍。,稳定性,由突变产生的新性状，是稳定的、可遗传的。,可逆性,由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，称作正向突变（,forward mutation,）；相反的过程称作回复突变或回变（,back mutation or reverse mutation,）。,三 基因突变的自发性和不对应性的实验证明,变量试验或波动或彷徨试验（,fluctuation test,）,1943,年，,Luria and Delbr,ck,根据统计学原理，设计如下实验：,实验材料：肉汤培养集中对数期的大肠杆菌，,10,3,/ml,；甲乙两试管,诱变因子：,T,1,噬菌体,突变率指标：抗噬菌体,实验过程：,甲,10ml,取,0.2ml,分装,50,支试管,保温,24-36h,分别倒在,50,个含,T,1,的培养皿中,50,个培养皿中抗噬菌体,突变型菌落数差异极大,乙,10ml,保温,24-36h,取,0.2ml,分别倒在,50,个含,T,1,的培养皿中,50,个培养皿中抗噬菌体,突变型菌落数基本相同,结论：,大肠杆菌抗噬菌体性状的突变，不是由于环境因素,噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体之前，在某一次细胞分裂过程中随机自发产生的。,影印试验（,replica plating,）,1952,年，,Lederberg,夫妇,四 突变机制,突变,自发突变,诱发突变,染色体畸变,缺失,重复,倒位,易位,点突变,碱基置换,转换,颠换,移码突变,缺失,添加,五 损伤基因的修复,联合国呼吁暂停人类基因“编辑”警惕定制婴儿（全文）,biologist,）等，是为了防止出现技术被,少数,专业人士所掌握而形成的,垄断操纵,而产生的一群团体。他们主要是通过网络及其他手段来普及现代生物学知识。生物黑客的目标是把生物技术带出实验室，打破常规实验室的限制，在不同环境下创新发展生物技术。,生物黑客们在网上教人们如何从菠萝里提取基因,还教人们如何以低廉价格从水、酒精中提取基因,甚至告诉人们如何网购低价的实验仪器,并利用这些仪器进行从简单到复杂的基因工程。他们除了像电脑黑客一样的反叛精神外,还反映出生物科学的神秘性日益被打破,生物科学的普及也日渐广泛。生物黑客虽然是业余爱好者,但他们中可能有许多都毕业于,哈佛,之类的名校,甚至还可能是某些,知名的科学人士,。平时他们可能以智库成员的身份出现在自己的工作单位,业余时间则按自己的理想或幻想搞生物实验。,虽然没有经过系统正规的科学研究训练，,Johan Sosa,仍然十年如一日地热衷于各种最强大的分子生物学技术。他是一个典型的生物黑客，现在他已经开始使用最新最潮的基因编辑工具,CRISPR,，这个工具面世才,3,年，能对目标,DNA,进行编辑。他现在已经掌握到体外编辑基因的程度，下周，他希望用这个技术对酵母基因进行编辑，成功后对,模式植物,拟南芥进行基因改造。看到,Sosa,的故事，我在想，生物医学技术和分子生物学技术没有什么可怕的，现在已经到了车库实验室阶段，我们没有任何值得抱怨的，实验室条件不是问题，问题是我们是否能克服困难，我们是否真的热爱科研工作。,CRISPR,属于傻瓜型基因编辑工具，不仅简单，而且通用。,让科学家第一次拥有随意编辑特定基因的流行工具。利用这种技术，三年来科学家已经成功对细菌到人类等不同类型的细胞进行基因编辑，甚至都引起了许多担心人类基因被编辑带来无法收拾后果的人的强烈担心，专门搞一些活动抵制这种编辑人类基因的活动。科学家利用这种技术，作为尝试进行消除遗传性贫血的基因治疗，治疗恶性肿瘤和生长人体器官的猪。甚至有人提出修改大象基因组，复原早已灭绝的猛犸象的设想。,CRISPR,的特征非常适合生物黑客要求技术能,DIY,的胃口，越来越多社区业余生物学家在自己家庭实验室开始进军,CRISPR,。天然的创新精神激发他们利用这种技术编辑酵母基因，寻找能改变啤酒味道的菌种，构建艺术品和更基础的科学问题。,都柏林生物黑客和企业家,Andreas St,rmer,说，,CRISPR,是有史以来最了不起的工具，可以在自己的家里玩。,Sosa,是加州,San Jose,的一个,IT,顾问，,3,年前一天他希望培养出一个器官，此后生物黑客成为他的业余爱好。开始他不知道如何实现自己的想法，只以为就是培养干细胞就可以办了。,操作细胞的挑战促使他开始认真阅读分子生物学教材（老人云：兴趣是最好的老师，此言不虚！），参加一些讲座，自学一些实验技术（简直就是生物医学研究生的路子！）。他参加了加州森尼维耳市的,BioCurious,社区实验室。,Sosa,开始不清楚用,CRISPR,能做什么用，他希望对酵母进行改造，让酵母能制作酪蛋白，这种蛋白在牛奶中大量存在，这样或许能用酵母直接制造出素食奶酪（思路似乎不错）。这一思路让他学习并掌握了酵母制造蛋白质需要进行化学修饰的过程。他现在已经掌握了一些大型著名实验室掌握的实验技术，每次想到这一点都让他十分兴奋。,东京大学生物数据可视化研究员,Artist Georg Tremmel,也是一名生物黑客，他有使用,CRISPR,技术的清晰计划。他和合作者计划利用这种技术把日本销售基因改造蓝色康乃馨恢复成天然的白色。康乃馨是所有女性的神圣之花，美好典雅的典范，康乃馨代表母爱，魅力和尊敬之情。康乃馨大都以粉色、枚红色、白色为主，蓝色康乃馨十分罕见。,Tremmel,说，这一改造基因计划中最复杂的技术不是,CRISPR,，而是康乃馨细胞培养技术。另外一个挑战是蓝色基因改造康乃馨在日本允许销售，那么这种脱基因改造白色康乃馨上市需要经过许可。,除了创造性，,CRISPR,也是潜在的恶作剧。美国联邦调查局生物恐怖主义小组过去几年潜入生物黑客社区，反复提醒大家留意是否存在可疑生物恐怖活动。华盛顿智库威尔逊中心科学政策研究人员,Todd Kuiken,说，这些担忧没有必要，大多数生物黑客有良性的目标，如创建五颜六色的细菌或自己酿造各种啤酒。另外，分子生物学实验需要的试剂和设备价格昂贵，典型的,DIY,生物学家难以承受其费用。,专业的分子生物学家进行的常规生物学研究，对这些生物黑客来说都是无法承受的负担。虽然大多数社区实验室坚持认为他们开展的研究都是生物安全最低要求的对象，他们不使用人体细胞和病原体。但是在欧洲，在非专业实验室外开展这种实验属于非法。,加利福尼亚州亨廷顿海滩,16,岁的生物黑客和科学展览冠军,Keoni Gandall,说，考虑到,DIY,实验室限制，很多爱好者只有需要在非常精确地改变基因组时才会考虑使用,CRISPR,，大约三年内他一直在家使用聚合酶链反应,PCR,机和离心机。目前为止，,Gandall,只在当地大学实验室做志愿者时使用过,CRISPR,技术。,关于,CRISPR,技术，最大的担忧之一是通过基因改造制造出致病能力更强的,超级病原体,。洛杉矶生物黑客，环境律师,Dan Wright,认为，目前这种技术还大大超过这些爱好者的能力。,