第01章经典遗传学的诞生.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,*,遗 传 学,金红星 副教授,自我介绍,电话：,13820879887,E-mail：jinhx87,jinhx87,jinhx87,研究方向：乳酸细菌生理学,研究手段：分子生物学、基因工程,朝鲜族,母语：朝鲜语(韩国语),国语：中文,一外：日语,二外：英语,1987.91991.7：东北师大生物系,1991.71996.8：哈尔滨市中学,1996.91999.7：东北农业大学农学院作物遗传育种专业,1999.72001.2：黑龙江省科学院应用微生物研究所基因工程研究室,2001.22004.9：哈工大生命科学微生物,2004.11至今：河北工大,绪 论,Key word,遗传学 Genetics,遗 传 heredity,变 异 variation,1、什么是生命,2、为什么没有水就没有生命？,3、生男生女、种子,4、分裂：减数、有丝,现代分子生物学第二版,朱玉贤、李毅 编著 高等教育出版社,当你进入实验室时，要像脱去外衣那样放下你的想象力，因为实验操作中不能有一丁点儿的想象，否则，你对事物的观察就会受影响；而当你翻开书本的时候，你又必须尽可能展开想象的“翅膀”，否则，你就不可能走在别人前面。,一、学科的研究特点,动植物，微生物学：,研究生物个体的形态结构和生理功能,细胞生物学：,研究细胞结构、功能、信号传导,生物化学：,研究生物大分子结构、功能、代谢途径,遗传学：,研究生物的基因结构、传递、表达和调控,遗传学的研究特点,1.在生物的个体、细胞和基因层次上研究遗传信息的 结构、传递和表达,2.遗传信息的传递包括世代的传递和个体间的传递,3.通过个体杂交和人工的方式研究基因的功能,“遗传学”定义,Genetics,遗传学是研究生物的遗传与变异规律的一门生物学分支科学。,遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和调控的一门生物学分支科学,遗 传,heredity,生物性状或信息世代传递的现象。,同一物种只能繁育出同种的生物,同一家族的生物在性状上有类同现象,遗传：颗粒式、混合式,颗粒式遗传：代表一对相对性状的遗传因子在同一个体内分别存在，而不相感染不相混合,混合式遗传：父、母本遗传给子代的基因会彼此“沾染、混淆不清”,“混合式遗传学说”,子代个体是双亲血液混合的产物,我国“父精母血”，精乃是血液精华,希腊，亚里士多德，精液是高度纯化的有生命的血液,变异,variation,生物性状在世代传递过程中出现的差异现象。,生物的子代与亲代存在差别。,生物的子代之间存在差别。,遗传与变异的关系,1.遗传与变异是生物生存与进化的基本因素,遗传维持了生命的延续,没有遗传就没有生命的存在，没有遗传就没有相对稳定的物种,变异使得生物物种推陈出新，层出不穷,没有变异，就没有物种的形成，没有变异，就没有物种的进化,2.遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生物生生不息，造就了形形色色的生物界,二、遗传学的发展历史,1865年Mendel发现遗传学基本定律，建立了颗粒式遗传的机制,1910年Morgan建立基因在染色体上的关系,1944年Avery,证明DNA是遗传物质,1951年Watson和Crick的DNA构型,1961年Crick遗传密码的发现,1975年以后的基因工程的发展,三、遗传学的,研究分支,从遗传学的研究内容划分,进化遗传学；人类遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学,从遗传学的研究层次划分,群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学,从遗传学的研究对象划分,植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学,三、遗传学的,研究分支,1.从遗传学研究的内容划分,进化遗传学：研究生物进化过程中遗传学机制与作用的遗传学分支科学,生物进化的机制 突变和选择,有害突变 淘汰和保留,有利突变 保留与丢失,中立突变 DNA,多态性,三、遗传学的,研究分支,1.从遗传学研究的内容划分,发育遗传学：研究基因的时间、空间、剂量的表达在生物发育中的作用遗传学分支,特征：基因对细胞周期分裂和分化的作用,应用重点 干细胞的基因作用,转基因动物 克隆动物,三、遗传学的,研究分支,1.从遗传学研究的内容划分,免疫遗传学：研究基因在免疫系统中的作用的遗传学分支,重点 不是研究免疫应答的过程，,而是研究基因在抗体和抗原形成和改变中的作用,三、遗传学的,研究分支,2.从遗传学研究的层次划分,群体遗传学：研究基因频率改变的遗传学分支,例题 群体中存在一个隐性有害基因，基因频率是万分之一。如果实行优生政策，不准该个体结婚或生育。基因率降低到十万分之一时，需要多少代？,三、遗传学的,研究分支,2.从遗传学研究的层次划分,细胞遗传学：研究生物在细胞水平的遗传结构和功能的遗传学分支学科,重点：染色体结构和数目的变化与生物表型的关系,进展：细胞表面抗原的形成和改变，细胞信号传导过程中基因的作用,目前的实验：细胞表达系统,例如：无籽西瓜的染色体组成,普通西瓜 2n22,诱变成功的4倍体作母本 X 2倍体父本杂交，获得3倍体西瓜，在形成生殖细胞时，不能正常减数分裂，所以成为无籽西瓜,三、遗传学的,研究分支,2.从遗传学研究的层次划分,分子遗传学：研究生物基因组结构和功能的遗传学分支学科,基因工程,生物制药,分子生物学技术,三、遗传学的,研究分支,3.从遗传学研究的对象划分,微生物遗传学：以微生物为研究对象的遗传学分支,重点 研究病毒，细菌，真菌的基因结构，基因功能,基因工程的载体，受体等,三、遗传学的,研究分支,3.从遗传学研究的内容划分,人类遗传学：研究人类遗传和变异规律的分支科学,人类性状的遗传分析,遗传病的分布和发生机理,遗传病的诊断,基因治疗,三、遗传学的,研究分支情况,3.从遗传学研究的对象划分,人类遗传学,遗传学疾病人类3千多种，涉及上万个基因,染色体疾病 基因突变疾病，线粒体疾病，孟德尔遗传病，多基因遗传病,1930年色盲基因第一个定位，1974年kappa轻链缺乏症基因第一个克隆。目前已定位孟德尔遗传病基因1600多，克隆了其中的940多种,肿瘤抑制基因(antioncogene),Rb del 13q14 27个exon,12 个intron,视网膜母细胞瘤,寻找Rb基因采用消减杂交方法,正常个体DNA 有病个体DNA,寻找差别基因,克隆的概念与类型,Clone,源于希腊文klon，嫩枝的意思，是指从树上取下嫩枝，栽在地上以成另一棵树,美国生命伦理顾问委员会则认为，克隆一词指细胞、植物、动物或人的精确的遗传复制,欧洲委员会认为，克隆是生产遗传上等同的生物的方法,名词，一群具有相同基因型的微生物,哺乳动物细胞克隆技术，又称哺乳动物的核移植或无性繁殖技术；它是通过特殊的人工手段(显微操作，电融合等)对哺乳动物特定发育阶段的核供体(胚胎分裂球或体细胞核)，及相应的核受体(去核的受精卵或成熟的卵母细胞)不经过有性繁殖过程，进行体外重构并通过重构胚的胚胎移植，从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的,1981年Illmensee和Hoppe 报道采用移植技术得到了正常的小鼠，但其结果未被其他实验室重复出来,1983年McGrath和Solter 等利用显微操作技术与细胞融合技术，创造了全新的核移植方法,1986年Willadsen 通过实验提出了两个创新的观念：（1）作为核受体，卵母细胞较受精卵更佳；（2）羊桑椹胚细胞核具有全能性,以后绵羊（1986），牛（1987），兔（1988）和猪（1989）等胚胎细胞克隆动物也相继获得了成功,1997年2月，Wilmut等利用绵羊乳腺细胞成功的克隆出体细胞核移植后代，根本动摇了原有的传统结论，并使哺乳动物克隆技术进入了一个划时代的新阶段,Neti and Ditto,克隆技术存在的问题,动物克隆技术虽然取得了一定的进展，但该技术目前还很不完善；存活率低是当今核移植技术的最大缺陷,最近发现，克隆羊的端粒较同年羊短；可能会减少寿命,基因组印记现象在哺乳动物的发育中普遍存在，基因组印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究,核移植过程中产生的个体突变频率高,第01章 经典遗传学的诞生,Key words,显性 dominant 隐性 recessive,基因型 genotype 表型 phenotype,分离定律 law of segregation,自由,组合定律 law of independent assortment,连锁与交换定律,一、泛生论pangenesis,内容：在雌雄个体的生殖液中所含的能够传递的粒子，可以形成胚胎的各个器官；由于这些粒子的相似性，能产生同一物种的个体；父母双方中哪一方的粒子较多，吸引力较大，则多半会产生类似那一方的特性；个体的同一个器官形成各自的粒子，汇集在血管里流动而后集中于生殖液,“暂定的泛生论”,达尔文：1868年提出,每一个能够各自独立变化的性状是由同一种物质载体-芽球-联结在一起的,高尔顿：芽球-“血统(stirps)”,1876年，动物输血实验,二、种质论germplasm theory,拉马克：“用进废退”观点,魏斯曼：种质论 明确区分种质(germplasm)和体质(somatoplasm),种质：性细胞和产生性细胞的细胞,体质：除种质以外的,切掉新生小鼠尾巴实验，连续19代,三、分离定律,实验:P:红花 X 白花,基因型 CC cc,配 子 C c,F1代 红花,基因型 Cc,配子 C，c,F2代 红花 白花,基因型 CC，Cc cc,比例 3 ：1,分离定律,杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到配子中去,名词,亲代Parent Generation,P,子一代First Filial Generation,F,1,正反交Reciprocal Cross,不完全显性Incomplete Dominance,共显性Codominance,分离Segregation,配子gamete和合子zygote,基础概念,杂合体(heterozygote)：,基因座上两个不同的等位基因的个体,纯合体(homozygote)：,基因座上两个相同的等位基因的个体,回交(back cross)：,杂交的后代与亲代的交配形式,测交(test cross)：,杂合个体与纯合隐性个体的交配形式,基础概念,性状(character)：,生物的形态，结构，生理功能过程的特征,显性(dominant)：,杂合子生物表现出来的性状,隐性(recessive)：,杂合子生物被掩盖的性状,等位基因(allele)：,同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因,表型(phenotype)：,生物个体形成的性状表现,基因型(genotype)：,生物个体的基因组成,孟德尔假设,1.遗传性状由遗传因子(hereditary determinant)决定,2.遗传因子是成对存在的,3.生殖细胞中具有成对因子中的一个,4.每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞,5.形成生殖细胞时，成对因子相互分离,6.生殖细胞的结合是随机的,7.遗传因子有显隐性之分,孟德尔分离比实现的条件,1.杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的,2.两种配子结合是随机的,3.子二代基因型个体存活率是相等的,4.显性是完全的,四、孟德尔自由组合定律,实验：黄，满 X,绿，皱,基因型 YYRR yyrr,配子 YR yr,F1代 黄满,基因型 YyRr,配子 YR Yr yR yr,F2代 黄满 黄皱 绿满 绿皱,基因型 Y_R_ Y_rr yyR_ yyrr,表型比：9 ：3 ：3 ：1,孟德尔自由组合定律,两对非同源色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，形成四种基因型的配子。在杂交时四种配子随机结合，形成四种表型，9种基因型的群体。,亲组合、重组合Recombination,颗粒式遗传particulate inheritance,混合式遗传blending inheritance,多对非等位基因分析,杂合体AaBbCcDd自交，子代中,1.杂合体概率是多少,2.纯合体概率是多少,基因对数 表型 基因型 分离比,1 2 3 (1+3),1,2 4 9 (1+3),2,3 8 27 (1+3),3,4 16 81 (1+3),4,。,n 2,n,3,n,(13),n,多对基因的遗传估计,AABBCC X aabbcc 子一代自交，子二代中：,1.表型为A-B-C-的比例是多少？,2.子一代自交，子二代中，基因型为AaBbCc的比例是多少？,3.子一代自交，子二代中杂合体的比例是多少？,一个基因决定了一个性状。一个性状并不一定由一个基因所决定。事实上，很多性状由一系列基因所决定。当考察性状的遗传方式时，是以在其它基因相同的条件下，仅仅列出了差别的基因。,思 考 题,日本有一种萝卜有两个纯系品种，一种是红色的，另一种是露出地面的部分呈红色，埋在地下的部分呈白色。有的学者希望利用这个材料，研究花色素形成的机制。研究内容：光对花色素基因表达的影响；寻找决定花色素形成的基因。,提出研究方案。,苯丙氨酸代谢途径,苯丙氨酸,酪氨酸 3，4二羟,苯丙氨酸,cc ,苯丙酮酸 对羟苯丙酮酸,黑色素,尿黑酸,aa,CO,2,+,水,例题,一对表型正常的夫妇生有一个有病的孩子和一个表型正常的孩子。,1.再生一个是有病孩子的机会是多少？,2.如果表型正常儿子与一个另一个同样类型的表型正常女子结婚，生有病子女的机会是多少？,如果一个表型正常，等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚，生有5个孩子，其中无病子女的机会是多少，3病2正常的机会是多少？,孟德尔分离定律的普遍性,适用于单基因遗传性状的分析,例如：人类的白化病；,RFLP (DNA,限制性内切酶片,段长度多态性),Eco,R V 酶切 人体基因组DNA，,与苯丙氨酸羟化酶基因探针杂交，获得30kb和25kb的两种类型，父母是正常表型，两个孩子中一个是表型正常的30kb/25kb杂合体，另一个是有病个体，25kb/25kb纯合体，推测，25kb可能与有病基因连锁。,孟德尔定律数据的统计处理,适合度测验(goodness of fit),实验实际比数与理论比数适合的程度。,卡平方测验适合度,孟德尔定律的适用范围,共显性：当一对等位基因杂合时，两个基因所控制的性状同时显现出来的现象,血型Blood group,复等位基因Multiple Alleles：群体中的不同个体，在同一基因座(locus)上有2种以上等位基因,外显率：带有显性基因的个体表现出所控制性状的实际数与理论数之比,概念,遗传学 Genetics,棋盘法Punnett Square,不完全显性Incomplete Dominance,黑缟蚕白蚕,淡黑缟,镶嵌显性Mosaic Dominance：指控制一对相对性状的基因，也就是一对等位基因可以各自在身体的不同部分分别表现出显性,黑缘型(前缘黑色)均色型(后缘黑色),五、连锁遗传分析,F1杂合子形成配子时，两对基因有保持亲代原来组合的倾向，并且这种倾向与显隐性无关,摩尔根根据大量实验结果，提出连锁交换定律，即遗传的第三定律,：,处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率,连锁(linkage)：同一亲本的基因趋向于联合,交换(crossing over)：同一亲本的基因相互分开，重新组合,重组(recombination,),：由于同源染色体上的不同等位基因间的重新组合，产生不同于亲本的类型,重组频率 recombination frequency,RF,重组频率的计算：,重组频率(RF)：重组型数目/(亲本型数目重组型数目),1%重组值为一个单位，称一个厘摩，记作,1个CM,基因在染色体上的距离以重组值为根据，画出的基因距离图称遗传学图(genetic map),三点测交(three point tess cross),ABC/ABC X abc/abc,ABC/abc X abc/abc,ABC AbC,abc aBc,ABc aBC,abC Abc,果蝇：4对染色体,果蝇的三个突变基因：,ec,(echinus,棘眼)，,sc,(scute,胸部刚毛稀缺)，,cv,(crossveinless,翅上无横脉)，都是X连锁遗传,把,ec,果蝇同,sc,、,cv,果蝇杂交，得到三杂合体果蝇(,ec,+/+,sc,cv,),课本：第二版152页，,三杂合雌蝇(,ec,+/+,sc,cv,)与三隐性雄蝇(,ec,sc,cv,/Y)交配后得到的子代数据,表型,实得数,ec,+,810,+,sc,cv,828,ec,sc,+,62,+,cv,88,+,sc,+,89,ec,+,cv,103,合计,1980,ec,-,sc,：亲组合810+828+89+103=1830，重组合62+88=150，重组率=150/(1830+150)=7.6,ec,-,cv,：重组率为9.7%,sc,-,cv,：重组率为17.3%,子代果蝇出现6种表型,可以出现8种表型,ct,(cut截翅),(,ec,ct,+/+,cv,),(,ec,ct,cv,/Y)子代的表型数,表型,实得数,比例,ec ct+,2125,81.5%,+cv,2207,ec+cv,273,10.1%,+ct cv,265,ec+,217,8.3%,+ct cv,223,+,5,0.1%,ec ct cv,3,合计,5318,ec,-,ct,：10.1+8.3=18.4,ec,-,cv,：10.1+0.1=10.2,ct,-,cv,：8.3+0.1=8.4,连锁与交换,类型 观察数 Sn,3,-m w-m Sn,3,-w,Sn,3,w m 372 -,+285 -,+w +95 -+,Sn,3,+m 97 -+,Sn,3,+4 +-+,+w m 4 +-+,+m 91 +-,Sn,3,w +52 +-,合 计 1000 151 335 200,三点测交(three point tess cross),Sn,3,w m/Sn,3,w m X +/Sn,3,w m,m-sn,3,:151/1000=15.1%,m-w:335/1000=33.5%,w-sn,3,:200/1000=20.0%,m 15.1 sn,3,20 w,校正值，并发率，干涉,校正值：被低估的双交换频率,（44）X 2 /1000=1.6%,33.5+1.6=35.1,并发率双交换率/单交换率乘积,0.8%/(15.1 X 20%)=0.26,干涉1-并发率,1-0.26,=0.74,马的二倍体染色休数是64，驴的二倍体染色体数是62。试说明马驴杂种骡何以高度不育。,因为骡为驴、马远缘杂种，构成骡之细胞中相对的两个染色体组(n驴=31，n马=32)对应各成员之间没有同源关系。因此，骡的性母细胞在减数分裂时，染色体很少或没有配对、可以认为，对细胞两极63个染色体的取向是随机的。不难看出，减数分裂必须满足下列条件才能形成可育配子：,A、B两极之染色体必须虽31：32分配；31者全为驴的，32者全为马的染色体。于是，问题归结为估算上述特定方式减数分裂的发生频率。,设63个染色体在两极呈31：32分配的概率为,P,A,，则,P,A,C,31,63,(1/2),31,(1/2),32,+C,32,63,(1/2),32,(1/2),31,(A31、B32与A32、B31之和事件),从数学上知：C,31,63,C,32,63,所以,P,A,2C,31,63,(1/2),63,当染色体呈,31,：,32,分配时，必有一种，也只有一种,31,全驴，,32,全马的情形。,设,31,全驴、,32,全马染色体时之条件概率为,P,(B,1,A),，则：,P,(B,1,A)=1/C,31,63,（,1/C,32,63,）,于是，可育配子的概率：,P,(,AB,)=,P,A,P,(B,1,A)=2C,31,63,(1/2),63,1/C,31,63,=2,(1/2),63,可见，驴马杂种产生可育配子的概率是极低的，所以，经验认为骡通常是不育的。,