遗传学

【遗传学奥秘：解码生命的蓝图】 遗传学探索生物遗传与变异的规律，核心在于DNA和RNA的分子机制。DNA是主要遗传物质，其双螺旋结构、复制特点及RNA的化学构成揭示了遗传信息的传递本质。细胞学基础涵盖染色体结构、减数分裂与有丝分裂，以及配子形成等关键过程。从原核生物到真核生物，DNA合成方式多样，病毒则依赖RNA复制。遗传学的研究对象包括细胞周期、核型分析及生殖方式，串联起从分子到个体的生命周期。

遗传学

• 序言
  • 遗传学研究的对象和任务
    • 遗传、变异和选择是物种进化和新品种选育的三大因素
      • 遗传：亲代与子代之间相似的现象，能保证物种和性状的相对稳定性
      • 变异：亲代与子代之间、子代个体之间存在的差异，能够促进物种的进化，能够培育成新的品种
      • 选择：1.通过自然选择能够形成世界上多种多样的物种 2.通过人工选择能够选择出各种各样新品种的动物、植物和微生物
    • 主要内容
      • 遗传信息的传递：细胞→细胞 亲代→子代 世代→世代 染色体→DNA/RNA→基因→性状物质 突变/重组→性状变异
    • 任务
      • 研究遗传和变异的现象，根据这些现象总结规律。找寻这个规律产生的原因和物质基础，以便进一步指导育种实践，治疗人类的遗传疾病。
    • 作用
      • 1.研究生命的本质 2.提供生物进化的理论基础 3.指导新品种选育 4.治疗遗传疾病
  • 遗传学的发展简史
    • 遗传学的建立
      • 18世纪下半叶和19世纪上半叶：巴蒂斯特·拉马克认为环境条件的改变是生物变异的根本原因，提出器官的用进废退和获得性状遗传等学说。 查尔斯·罗伯特·达尔文在1859年发表了《物种起源》，提出自然选择和人工选择的进化学说。 孟德尔真正科学系统的进行遗传学实验，他在1856至1864年从事豌豆杂交实验1866年发表《植物杂交实验》论文，提出分离和独立分配两个遗传基本规律。但由于当时的社会背景，他的论文没有引起科学界的重视。 1900年，弗里斯、柯伦斯和柴马克同时重新发现孟德尔遗传规律，所以1900年被公认为是遗传学建立和开始发展的一年，把孟德尔誉为遗传学之父。
    • 现代遗传学的发展阶段
      • 细胞遗传学时期（1900-1939）摩尔根的染色体——基因遗传理论
        • 贝特生在1905年首先提出以genetics命名遗传学在1901至1903年弗里斯发表“突变学说”。在1903年，萨顿提出染色体遗传理论。在1905年，法国的两位科学家哈迪和卫伯格提出随机交配群体中基因频率和基因型频率的计算公式和遗传平衡定律（哈迪·魏伯格定律）。在1906年贝特生在香豌豆杂交实验中发现性状连锁，发现了和孟德尔两大定律不符合的遗传现象。1909年，约翰生发表了“纯系学说”，提出"gene"一词代替遗传因子。1910年摩尔根用果蝇为材料发现性状连锁现象创立了基因理论、连锁遗传规律、细胞遗传学1927年，穆勒和斯特德勒采用X-射线分别诱发果蝇和玉米突变成功。
      • 从细胞水平向分子水平过渡时期（1940-1952）
        • 1941年比得尔、泰特姆用红色面包煤为材料提出“一个基因一个酶”的假说，发展了微生物遗传学和生化遗传学。 1944年，美国细胞学家阿伟瑞在研究肺炎双球菌。转化实验中证明了遗传物质是DNA（脱氧核糖核酸）而不是蛋白质。 1952年赫尔希用同位素示踪法确定DNA是T₂噬菌体的遗传物质。
      • 分子遗传学时期（1953-现在）
        • 1953年，沃森和克里克根据对DNA的化学分析和X-射线衍射结果，提出了DNA分子双螺旋结构模型。 1955年本泽尔首次提出T4噬菌体的rⅡ座位精细结构图。 1957年弗南克尔——柯拉特发现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。 1958年梅希尔逊和史泰尔证明DNA的半保留复制，同年康布尔从大肠杆菌中分离得到DNA聚合酶Ⅰ。 1958年以胡萝卜素细胞证明植物细胞具有全能性。 1959年奥桥分离得到第一种RNA聚合酶。 1961年，雅各布和莫诺根提出调节基因表达的操纵元员模型。 1961年布伦勒牙各布和梅西尔逊发现了mRNA。 1965年获利首次分析出酵母丙氨酸tRNA的全部核苷酸序列。 1966年，莱文伯格和克拉拉建立了完整的遗传密码。 20世纪70年代初，分子遗传学已成功的进行人工分离基因和人工合成基因，开始建立了基因工程。 1970年史密斯首次分离到限制性内切核酸酶。 同年波尔蒂莫等分离到RNA肿瘤病毒的反转录酶 1972年，贝格在离体条件下首次合成重组DNA。 1977年，吉尔伯特桑格和马克山姆发明了DNA序列分析法。 1982年经美国食品及药物管理局批准，采用基因工程方法在细菌中表达生产的人的胰岛素进入市场，成为基因工程产品直接造福于人类的首例。 1983年扎布瑞斯克等用根癌农杆菌转化烟草在世界上获得首例转基因植物。 20世纪90年代初，“人类基因组计划”（human genome project）开始了。旨在测定人类基因组全部约32亿个核苷酸对的排列次序，构建控制人类生长发育的约3.5万个基因遗传。和物理图谱确定人类基因组DNA编码的遗传信息。 1997年克隆羊“多莉”的诞生证明了动物细胞具有全能性。 截止2014年12月，6649种生物完成全基因组测序。 21世纪“后基因组时代”将阐明蛋白质的功能，弄清DNA序列所包含遗传信息的生物学功能。
• 遗传的细胞学基础
  • 细胞的结构和功能
    • 细胞：生物有机体结构和生命活动的基本单位 原核细胞：染色体→DNA/RNA 真核细胞细胞核里有染色质或染色体内含DNA。细胞器中叶绿体和线粒体都有DNA，核糖体40%是蛋白质，剩下60%是rRNA。
  • 染色体
    • 染色质/染色体
      • 染色质：在细胞尚未分裂的核中（间期核中）可以看到许多用碱性染料染色较深的纤细网状物与主要由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成。 染色体：细胞分裂时由染色质聚缩而呈现为一定数目和形态的复合结构，可被碱性染料染色较深的结构是遗传物质的主要载体。 颜色较浅的区段，我们叫它长染色质，染色很深的区段，我们叫它异染色质。因为核酸的紧缩程度及含量不同，易染色质的复制时间总是迟于常染色质。 同源染色体：形态结构相同。 非同源染色体：形态结构不同。
      • 臂比：染色体长臂和短臂之比 1.中间着丝粒染色体(等臂)：V 2.近中着丝粒染色体：L 3.近端着丝粒染色体：近似棒状 4.端着丝粒染色体：棒状 5.颗粒状染色体：颗粒状
    • 核型分析（染色体组型分析）
      • 在细胞遗传学上，根据染色体长度着丝粒位置。随体有无等特点对各对同源染色体进行分类编号，这种对生物细胞核内全部染色体的形态特征进行分析，称为该核型分析。
    • 染色体的组成和分子结构
      • 原核生物染色体结构：与真核生物相比，原核生物的染色体要简单的多，其染色体通常只有一个核酸分子（DNA或RNA）。
      • 染色质组成：30%DNA、少量RNA、少量非组蛋白，组蛋白1H₁、2H₂A、2H₂B、2H₃、2H4
      • 染色质的基本结构单位是核小体（2H₂A、2H₃B、2H₃、2H4）和连接丝（串联两个核小体）（H₁结合于连接丝与核小体的结合部分）。一个核小体及连接丝约含200dp DNA，其中约146dp盘绕在合交体表面1.75圈，其余bp为连接丝，其长度变化较大，从短的8bp到长的114bp。染色体有两个染色单体组成，每一个染色单体有一个DNA分子，构成染色质单线。
    • 染色体数目
      • 就一物种染色体数目是恒定的：A染色体为正常染色体，B染色体为额外染色体、超数染色体和复染色体。
  • 细胞分裂和细胞周期
    • 细胞分裂过程
    • 细胞周期：从上一次分裂结束到下一次分裂结束的整个时期。
      • 细胞周期分为间期（G1，S，G2）和分裂期（M：核分裂、胞质分裂）。
      • 基因控制细胞周期：第一类基因主要控制细胞周期中关键蛋白质或酶的合成，第二类基因直接控制细胞进入各个时期控制点——失控→肿瘤。
    • 细胞无丝分裂与有丝分裂（纺锤丝）
      • 无丝分裂（直接分裂）
      • 有丝分裂：形成的二子细胞与母细胞的遗传组成，染色体数量与质量完全相同，保证物种的连续性和稳定性
      • 特殊有丝分裂
        • 多核细胞：核分裂、质不分裂 多倍染色体：染色体分裂、核不分裂（核内有丝分裂） 多线染色体：染色线连续复制，染色体不分裂
    • 减数分裂（成熟分裂）
      • 性母细胞成熟时，配子形成过程中所发生的实体细胞染色体数目减半的特殊有丝分裂。
      • 1.前期Ⅰ联会 2.两次分裂：第一次减数，第二次等数
      • 1.精子（n）+卵细胞（n）=2n 保证染色体数目恒定物种相对稳定性。 2.非姊妹染色单体间交换、后期Ⅰ同源染色体随机分离（2n自由组合方式）创造变异生物进化。
  • 配子形成和受精
    • 生殖方式
      • 1.无性生殖 2.有性生殖
    • 雌雄配子的形成
    • 植物授粉与受精
      • 同异花朵或同株异花进行自花授粉或不同植株间异花授粉。
      • 受惊：雄配子+雌配子→合子 双受精：精核（n）+卵细胞(n)→胚（2n） 精核（n）+2极核→胚乳（3n）
      • 直感现象：花粉（父本）对种子或果实产生影响的现象。分为花粉直感和果实直感 花粉直感（胚乳直感）：3n胚乳性状受精核的影响，直接表现父本的某些性状的现象。 果实直感：种皮/果皮（2n）（由母体发育而来）
    • 无融合生殖
      • 单倍配子体：孤雌生殖、孤雄生殖
      • 二倍配子体：未减数的卵细胞、胚囊细胞
      • 不定胚：自然、细胞组织培养
      • 单性结实：子房不经受精发育成果实（无籽果实）
      • 作用：创造单倍体、固定杂种优势
  • 生活周期
    • 生活周期：生物个体发育的全过程 世代交替：有性世代/无性世代 配子体世代/孢子体世代
      • 低等植物（红色面包霉）
      • 高等植物（种子植物）
      • 高等动物（果蝇）
• 遗传物质的分子基础
  • DNA是主要遗传物质
    • 分子遗传学的大量直接和间接的证据说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质。
      • 间接证据：DNA含量恒定、DNA代谢稳定，紫外线诱变最有效的波长与DNA吸收光谱一致，是260nm，染色体几乎为所有生物所共同有的。
      • 直接证据
        • 细菌的转化： 肺炎双球菌的两种类型 1.光滑型（S型）：SⅠ、SⅡ、SⅢ 1.粗糙型（R型）：RⅠ、RⅡ、RⅢ 1928年，Griffith首次将RⅡ→SⅢ实现了细菌遗传性状的定向转化 1944年，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质DNA
        • 噬菌体的侵染与繁殖：1952年，Hershey等用同位素³²P和³5S分别标记T₂噬菌体的DNA与蛋白质。
        • 烟草花叶病毒的感染和繁殖：1956年，Frankel-Conart和B.Singer用烟草花叶病毒TMV进行实验。发现用RNA接种到烟叶会发病，用RNA酶处理后的RNA不发病，用蛋白质接种后不能形成新的TMV。他们还将A型和B型的蛋白质混合到一起进行接种。发现接种后RNA和蛋白质都是A型的，说明在TMV中遗传物质是RNA。
  • DNA和RNA的化学结构
    • 核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体。
      • 每个核苷酸包括三个部分： 1.五碳糖 DNA：脱氧核糖 RNA：核糖 2.碱基 嘌呤：A，G 嘧啶：C，T（DNA）C，U（RNA） 3.磷酸基团 两个核苷酸之间由3’和5’位的磷酸二酯键相连
      • 两种核酸的主要区别
    • DNA的分子结构
      • 1949-1951年由Chargaff发现碱基A与T之间、G与C之间存在互补配对关系，称为查尔格佛法则（Chargaff's rule）。 1953年Washington和Crick根据查尔格夫法则和DNA分子的X射线衍射结果，提出了DNA分子双螺旋模型结构。
      • DNA分子模型最主要特点： 1.两条多核苷酸链反向平行5’-3’，3’-5’ 2.以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相互盘旋而成 3.两条单链间以碱基间氢键配对相连：A=T，C=G 4.每个螺旋3.4nm，含10bp，直径约为2nm 5.分子表面大沟和小沟交替出现
      • A-T和C-G两种核苷酸对在DNA分子链内排列的位置和方向只有四种形式： A-T C-G A-T G-C C-G A-T G-C A-T 假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段有4的1000次方种不同的排列组合形式，反映出是4的1000次方不同性质的基因。
    • RNA的化学结构
      • 绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对回上这个毒病毒。 一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。
  • DNA的复制
    • DNA复制的一般特点
      • 复制方式：半保留复制，新的DNA分子中一链来自于原来亲本DNA分子，一链来自于新合成的DNA分子。
      • 复制起点：原核生物一般只有一个复制起点，一个复制子。真核生物是多起点的多个复制子。
      • 复制方向：从复制起点开始，一般为双向复制。
    • 原核生物DNA合成
      • 酶系统：DNA聚合酶、连接酶、解旋酶、拓扑异构酶等
      • 半保留复制，双向复制
      • 有引物RNA的引导
      • 延伸方向为5’-3’
      • 一条链一直从5’向3’方向延伸，称前导链，连续合成。另一条先沿5’-3’合成冈崎片段，再由连接酶连起来链，后随链，不连续合成。
    • 真核生物DNA的合成
      • 真核生物DNA的复制与原核生物的主要不同点：1.DNA的合成只是在S期进行，原核生物则在整个细胞成长过程中都进行DNA合成。 2.有两种不同的DNA聚合酶分别控制前导链（δ）和后随链（α）的合成。在原核生物中由聚合酶Ⅲ同时控制两条链的合成。 3.原核生物DNA的复制是单起点的，真核生物染色体的复制则为多起点。 4.真核生物所需的RNA引物及合成的“冈崎片段”的长度比原核生物短。 5.核小体的复制。真核生物组蛋白八聚体则以全保留的方式传递给子代分子，原核生物没有核小体结构。而元和社会圆的题到时候是 6.真核生物染色体端粒的复制，原核生物的染色体大多为环状。
    • RNA病毒中RNA的自我复制