遗传学教案
遗传学教案
第一章绪论遗传学（genetics）是一门新兴的、发展非常迅速的学科，它已成为生物科学领域中一门十分重要的基础学科。1概念、研究对象、研究内容1.1概念早在中国古代，人们就发现了子代和亲代相似的遗传现象。俗话说的“种瓜得瓜，种豆得豆。”就是对遗传现象的简单说明。任何生物都能通过各种生殖方式产生与自已相似的个体，保持世代间的连续，以绵延其种族。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性叫做“遗传”（heredity）。无论哪种生物，动物还是植物，高等还是低等，复杂还是简单，都表现出子代与亲代之间的相似性或类同。同时，子代与亲代之间，及子代个体之间总能觉察出不同程度的差异。后代只能和亲代相似，决不会完全和亲代相同，“一母生九子，子子各不同”这是普通的常识。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的差异叫做变异（variation）。遗传与变异现象在生物界普遍存在，是生命活动的基本特征之一。狭义定义「遗传：子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性。变异：子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。广义定义「遗传：同种个体之间的相似性。变异：同种个体之间的差异。遗传比较保守，变异要求变革、发展，矛盾的两方面是相互制约相互发展的。没有变异，生物界就失去进化的素材，遗传只能是简单的重复：没有遗传，变异不能累积，变异就失去意义，生物也不能进化。变异是在遗传的范围内进行变异，遗传也受变异的制约；只能使后代和上代之间相似而不相同。遗传是相对的，变异是绝对的，在遗传的过程中始终存在着变异，遗传和变异是伴随着生物的生殖而发生的（遗传学上的生殖多指有性生殖）。遗传变异对立统一的矛盾运动，共同推动生物向前发展进行。遗传和变异的关系：(1)遗传是相对的，变异是绝对的。(2)遗传是保守的，变异是变革的，发展的。(3)遗传和变异是相互制约又相互依存的。（4)遗传变异伴随着生物的生殖而发生。1.2研究对象一切生物都是遗传学研究的对象。1.3研究内容：生物的遗传变异(1)生物为什么会产生遗传和变异。（2)有没有控制遗传变异的物质，是否存在遗传物质，1
1 第一章 绪论 遗传学（genetics）是一门新兴的、发展非常迅速的学科，它已成为生物科学领域中一 门十分重要的基础学科。 1 概念、研究对象、研究内容 1.1 概念 早在中国古代，人们就发现了子代和亲代相似的遗传现象。俗话说的“种瓜得瓜，种豆 得豆。”就是对遗传现象的简单说明。任何生物都能通过各种生殖方式产生与自己相似的个 体，保持世代间的连续，以绵延其种族。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性叫 做“遗传”（heredity）。无论哪种生物，动物还是植物，高等还是低等，复杂还是简单，都 表现出子代与亲代之间的相似性或类同。同时，子代与亲代之间，及子代个体之间总能觉察 出不同程度的差异。后代只能和亲代相似，决不会完全和亲代相同，“一母生九子，子子各 不同”这是普通的常识。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的差异叫做变异（variation）。 遗传与变异现象在生物界普遍存在，是生命活动的基本特征之一。 狭义定义 遗传：子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性。 变异：子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。 广义定义 遗传：同种个体之间的相似性。 变异：同种个体之间的差异。 遗传比较保守，变异要求变革、发展，矛盾的两方面是相互制约相互发展的。没有变异， 生物界就失去进化的素材，遗传只能是简单的重复；没有遗传，变异不能累积，变异就失去 意义，生物也不能进化。变异是在遗传的范围内进行变异，遗传也受变异的制约；只能使后 代和上代之间相似而不相同。遗传是相对的，变异是绝对的，在遗传的过程中始终存在着变 异，遗传和变异是伴随着生物的生殖而发生的（遗传学上的生殖多指有性生殖）。遗传变异 对立统一的矛盾运动，共同推动生物向前发展进行。 遗传和变异的关系： (1)遗传是相对的，变异是绝对的。(2)遗传是保守的，变异是变革的，发展的。(3)遗传 和变异是相互制约又相互依存的。(4)遗传变异伴随着生物的生殖而发生。 1.2 研究对象 一切生物都是遗传学研究的对象。 1.3 研究内容：生物的遗传变异 (1)生物为什么会产生遗传和变异。(2)有没有控制遗传变异的物质，是否存在遗传物质
如果有是什么，在生物的什么部位，如何控制遗传变异。(3)遗传和变异有哪些规律。(4)如何利用遗传规律为人类服务。2遗传学的产生和发展2.1遗传学的产生很早以前，我国人民在从事农业生产和饲养家畜中便注意到了遗传和变异的现象。春秋时代有“桂实生桂，桐实生桐”，战国未期又有“种麦得麦，种稷得稷”的记载。东汉主充曾写道“万物生于土，各似本种”，并进一步指出“嘉禾异种…常无本根”，认识到了变异的现象。此后古书中还有“桔逾淮而北为积”、“牡丹岁取其变者以为新”等，这说明古代人民对遗传和变异有了粗浅的认识，但由于种种原因没能形成一套遗传学理论。但直到19世纪才有人尝试把积累的材料加以归纳、整理和分类，并用理论加以解释，对遗传和变异进行系统研究。代表人：达尔文（Darwin，1809～1882）：进化论学者，英国的博物学家，为了解释生物的遗传现象，他提出了“泛生论”的假说（hypothesisof pangenesis）。他假设：生物的各种性状，都以微粒一一“泛因子”状态通过血液循环或导管运送到生殖系统，从而完成性状的遗传。限手当时的科学水平，对复杂的遗传变异现象，他还不能做出科学的回答。虽然如此，达尔文学说的产生促使人们重视对遗传学和育种学的深入研究，为遗传学的诞生起了积极的推动作用。魏斯曼（Weismann，1834～1914）：种质学说（germplasmtheory）。认为多细胞生物体内由种质和体质两部分组成，体质是由种质产生的，种质在世代中是连绵不断的。环境只能影响体质，而不能影响种质，后天获得性不能遗传。魏斯曼的种质论使人们对遗传和不遗传的变异有了深刻的认识，但是他对种质和体质的划分过于绝对化。孟德尔（Mendel，1822～1884)：奥地利。根据前人工作和8年豌豆试验，提出了遗传因子分离和重组的假设。认为生物的性状由体内的遗传“因子”（factor）决定，而遗传因子可从上代传给下代。他应用统计方法分析和验证这个假设，对遗传现象的研究从单纯的描述推进到正确的分析，为近代颗粒性遗传理论奠定了科学的基础。文章发表于1866年，但当时未能引起重视。1900年三位科学家（德国的Correns、荷兰的De.Vries和奥地利的Tschermak）分别用不同材料不同地点试验得出跟孟德尔相同的遗传规律，并重新发现了孟德尔被人忽视的重要论文，1906年who首先提出了遗传学。他将三位科学家重新发现孟德尔遗传规律的1900年定为遗传学的诞生年。2.2遗传学的发展1866年一一孟德尔遗传因子学说，揭示了分离和自由组合定律，后被人总结为孟德尔定律；1903年一一萨顿（Sutton）和博韦里（Boveri）首先发现了染色体的行为与遗传因子的2
2 如果有是什么，在生物的什么部位，如何控制遗传变异。(3)遗传和变异有哪些规律。(4)如 何利用遗传规律为人类服务。 2 遗传学的产生和发展 2.1 遗传学的产生 很早以前，我国人民在从事农业生产和饲养家畜中便注意到了遗传和变异的现象。春秋 时代有“桂实生桂，桐实生桐”，战国末期又有“种麦得麦，种稷得稷”的记载。东汉王充 曾写道“万物生于土，各似本种”，并进一步指出“嘉禾异种.常无本根”，认识到了变异 的现象。此后古书中还有“桔逾淮而北为枳”、“牡丹岁取其变者以为新”等，这说明古代人 民对遗传和变异有了粗浅的认识，但由于种种原因没能形成一套遗传学理论。 但直到 19 世纪才有人尝试把积累的材料加以归纳、整理和分类，并用理论加以解释， 对遗传和变异进行系统研究。代表人： 达尔文（Darwin，1809～1882）：进化论学者，英国的博物学家，为了解释生物的遗传 现象，他提出了“泛生论”的假说（hypothesis of pangenesis）。他假设：生物的各种性状， 都以微粒——“泛因子”状态通过血液循环或导管运送到生殖系统，从而完成性状的遗传。 限于当时的科学水平，对复杂的遗传变异现象，他还不能做出科学的回答。虽然如此，达尔 文学说的产生促使人们重视对遗传学和育种学的深入研究，为遗传学的诞生起了积极的推动 作用。 魏斯曼（Weismann，1834～1914）：种质学说（germplasm theory）。认为多细胞生物体 内由种质和体质两部分组成，体质是由种质产生的，种质在世代中是连绵不断的。环境只能 影响体质，而不能影响种质，后天获得性不能遗传。魏斯曼的种质论使人们对遗传和不遗传 的变异有了深刻的认识，但是他对种质和体质的划分过于绝对化。 孟德尔（Mendel，1822～1884）：奥地利。根据前人工作和 8 年豌豆试验，提出了遗传 因子分离和重组的假设。认为生物的性状由体内的遗传“因子”（factor）决定，而遗传因子 可从上代传给下代。他应用统计方法分析和验证这个假设，对遗传现象的研究从单纯的描述 推进到正确的分析，为近代颗粒性遗传理论奠定了科学的基础。文章发表于 1866 年，但当 时未能引起重视。1900 年三位科学家（德国的 Correns、荷兰的 De. Vries 和奥地利的 Tschermak）分别用不同材料不同地点试验得出跟孟德尔相同的遗传规律，并重新发现了孟 德尔被人忽视的重要论文，1906 年 who 首先提出了遗传学。他将三位科学家重新发现孟德 尔遗传规律的 1900 年定为遗传学的诞生年。 2.2 遗传学的发展 1866 年——孟德尔遗传因子学说，揭示了分离和自由组合定律，后被人总结为孟德尔 定律； 1903 年——萨顿（Sutton）和博韦里（Boveri）首先发现了染色体的行为与遗传因子的
行为很相似，提出了染色体是遗传物质的载体的假设，即染色体学说：1909年一一约翰逊（Johannsen）称遗传因子为基因（gene），此外他还创立了基因型（genotype）和表现型（phenotype）的概念，把遗传基础和表现性状科学地区别开来；1910年一一摩尔根（Morgan）和他的学生用果蝇为材料，研究性状的遗传方式，进一步证实了孟德尔定律，并把孟德尔所假设的遗传因子（后称为基因）具体落实在细胞核内的染色体上，从而建立了著名的基因学说（genetheory）。他们还得出连锁互换定律，确定基因直线排列在染色体上。摩尔根所确立的连锁互换定律与孟德尔的分离和自由组合定律共称为遗传学三大基本定律。此后的遗传学就以基因学说为理论基础，进一步深入到各个领域进行研究，建立了众多的分支和完整的体系，并日趋复杂和精密。由于原子能的发现和利用发展了辐射遗传学。1927年，缪勒（Muller）在果蝇中，斯塔德勒（Stadler）在玉米中各自用X射线成功地诱导基因突变，使遗传学的研究从研究遗传的规律转到研究变异的起源，开始了人工诱变的工作，进一步丰富了遗传学的内容，为育种实践提供了更多的依据。此外由于统计学的发展，建立了群体遗传学。20世纪40年代以后，遗传学开始了一个新的转折点，这表现在两方面：一是理化诱变，二是普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动植物，由细胞遗传学时期进入微生物遗传学时期。1940年以后，比德尔（Beadler）与其同事在红色面包霉上进行了大量工作，系统地研究了生化合成与基因的关系，提出了“一个基因一个酶”的理论，证明基因通过它所控制的酶决定着生物代谢中的生化反应步骤，进而决定着遗传性状。1944年一一埃弗里（Avery）等人的细菌转化试验有力地证明了遗传物质为去氧核糖核酸（DNA);1957年一一法国遗传学家本兹尔（Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子结构的水平上，分析研究了基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）学说。顺反子的概念打破了过去经典遗传学关于基因是突变、重组、决定遗传性状差别的“三位一体”的概念，把基因具体化为DNA分子上的一段核替酸顺序，它负责遗传信息的传递，是决定一条多肽链的完整的功能单位。但它又是可分的，它内部的核苷酸组成或排列，可以独自发生突变或重组，而且基因同基因之间还有相互作用，且排列位置不同，会产生不同的效应。所有这些均是基因概念的重大发展。1953年一一美国分子生物学家沃森（Watson）和英国分子生物学家克里克（Crick）根据X射线衍射分析提出了著名的DNA右手双螺旋结构模型，更清楚地说明了基因组成成分就是DNA分子，它控制着蛋白质的合成过程。基因的化学本质的确定，标志着遗传学义进入了一个新阶段一一分子遗传学发展的新时代；1961年一一法国分子遗传学家雅各布（Jacob）和莫诺（Monod）在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中还发现有结构基因和调节基因的差别，发现原核生物“开”和“关”的机3
3 行为很相似，提出了染色体是遗传物质的载体的假设，即染色体学说； 1909 年——约翰逊（Johannsen）称遗传因子为基因（gene），此外他还创立了基因型 （genotype）和表现型（phenotype）的概念，把遗传基础和表现性状科学地区别开来； 1910 年——摩尔根（Morgan）和他的学生用果蝇为材料，研究性状的遗传方式，进一 步证实了孟德尔定律，并把孟德尔所假设的遗传因子（后称为基因）具体落实在细胞核内的 染色体上，从而建立了著名的基因学说（gene theory）。他们还得出连锁互换定律，确定基 因直线排列在染色体上。摩尔根所确立的连锁互换定律与孟德尔的分离和自由组合定律共称 为遗传学三大基本定律。此后的遗传学就以基因学说为理论基础，进一步深入到各个领域进 行研究，建立了众多的分支和完整的体系，并日趋复杂和精密。 由于原子能的发现和利用发展了辐射遗传学。1927 年，缪勒（Muller）在果蝇中，斯塔 德勒（Stadler）在玉米中各自用 X 射线成功地诱导基因突变，使遗传学的研究从研究遗传 的规律转到研究变异的起源，开始了人工诱变的工作，进一步丰富了遗传学的内容，为育种 实践提供了更多的依据。此外由于统计学的发展，建立了群体遗传学。 20 世纪 40 年代以后，遗传学开始了一个新的转折点，这表现在两方面：一是理化诱变， 二是普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动植物，由细胞遗传学时期进入微生物遗 传学时期。 1940 年以后，比德尔（Beadler）与其同事在红色面包霉上进行了大量工作，系统地研 究了生化合成与基因的关系，提出了“一个基因一个酶”的理论，证明基因通过它所控制的 酶决定着生物代谢中的生化反应步骤，进而决定着遗传性状。 1944 年——埃弗里（Avery）等人的细菌转化试验有力地证明了遗传物质为去氧核糖核 酸（DNA）； 1957 年——法国遗传学家本兹尔（Benzer）以 T4 噬菌体为材料，在 DNA 分子结构的 水平上，分析研究了基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）学说。顺反子的概念打 破了过去经典遗传学关于基因是突变、重组、决定遗传性状差别的“三位一体”的概念，把 基因具体化为 DNA 分子上的一段核苷酸顺序，它负责遗传信息的传递，是决定一条多肽链 的完整的功能单位。但它又是可分的，它内部的核苷酸组成或排列，可以独自发生突变或重 组，而且基因同基因之间还有相互作用，且排列位置不同，会产生不同的效应。所有这些均 是基因概念的重大发展。 1953 年——美国分子生物学家沃森（Watson）和英国分子生物学家克里克（Crick）根 据 X 射线衍射分析提出了著名的 DNA 右手双螺旋结构模型，更清楚地说明了基因组成成分 就是 DNA 分子，它控制着蛋白质的合成过程。基因的化学本质的确定，标志着遗传学又进 入了一个新阶段——分子遗传学发展的新时代； 1961 年——法国分子遗传学家雅各布（Jacob）和莫诺（Monod）在研究大肠杆菌乳糖 代谢的调节机制中还发现有结构基因和调节基因的差别，发现原核生物“开”和“关”的机
制，提出了操纵子（operon）学说从而更深刻地揭露了基因的活动，生物就是通过一整套相互制约的基因，便生物在不同的环境下，表现出不同的遗传特性，适应各种复杂的环境条件：1961年开始美国生化学家尼伦伯格（Nirenberg）和印度血统的美国生化学家科拉纳（Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并于1967年完成了全部64个遗传密码的破译工作。遗传密码的发现，把生物界统一起来，遗传信息的概念把基因的核酸密码和蛋白质的合成联系起来。从而提出了遗传信息传递的中心法则（centraldogma），揭示了生命活动的基本特征。1968年一一史密斯（）、阿伯（）和内森（）等人发现并提出能切割DNA分子的限制性内切酶（restrictionenzyme），为基因拼接工作铺平了道路。1970年一一美国病毒学家特明在劳斯肉瘤病毒体内发现一种能以RNA为模板合成DNA的酶叫“反转录酶”（reversetranscriptase），这一发现不仅对研究人类癌症具有重要意义，而且进一步发展和完善了“中心法则”。1973年一一美国遗传学家伯格（Berg）第一次把两种不同生物的DNA（SV40和入噬菌体的DNA）人工地重组在一起，首次获得了杂种分子，建立了DNA重组技术。以后，美国的科恩（）又把大肠杆菌的两种不同质粒重组在一起，并把杂种质粒引入到大肠杆菌中去，结果发现在那里能复制出双亲质粒的遗传信息。从此，基因工程的研究便蓬勃发展起来。在理论方面，由于DNA重组、基因克隆、碱基序列的分析以及分子杂交等技术的建立和应用，为研究基因的结构和功能、表达和调控等方面提供了有力的手段，导致了70年代以来分子遗传学获得的一系列重大发现。总之，三联体密码的确定、中心法则的建立以及蛋白质和核酸的人工合成，基因内部精细结构的揭示，基因活动的调节和控制原理的发现，突变分子基础的阐明等，使遗传学的发展走在了生物科学的前列。同时，它的影响也渗透到生物学的每一学科中，成为生物科学和分子生物学的中心学科。2.3遗传学的发展趋势宏观一→微观：继续以原核生物为材料向纵深发展的同时，又重点向真核生物的分子遗传学、发育遗传学和遗传工程学三个方向发展。并在此基础上，义形成了体细胞遗传学、发育遗传学、行为遗传学和免疫遗传学等新的分支学科。从70年代开始，由于限制性内切酶的应用、核酸序列分析、DNA重组等新技术的应用，分子遗传学已进入人工合成基因和改造基因的新时期，朝着定向改造生物的遗传结构的新水平迈进。个体→群体：在群体遗传学的基础上，又诞生了生态遗传学、数理遗传学和进化遗传学等分支学科。2.4我国遗传学的发展解放前比较薄弱，没有明确的发展方向。仅在水稻、棉花、栗类、金鱼中做过少数性状的遗传分析。在我国，第一个把早期细胞遗传学介绍给中国的学者是著名遗传学家李汝祺教授。他是发育遗传学的开拓者之一，为我国细胞遗传学的发展奠定了基础。此外，我国著4
4 制，提出了操纵子（operon）学说从而更深刻地揭露了基因的活动，生物就是通过一整套相 互制约的基因，使生物在不同的环境下，表现出不同的遗传特性，适应各种复杂的环境条件； 1961 年开始美国生化学家尼伦伯格（Nirenberg）和印度血统的美国生化学家科拉纳 （Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并于 1967 年完成了全 部 64 个遗传密码的破译工作。遗传密码的发现，把生物界统一起来，遗传信息的概念把基 因的核酸密码和蛋白质的合成联系起来。从而提出了遗传信息传递的中心法则（central dogma），揭示了生命活动的基本特征。 1968 年——史密斯（）、阿伯（）和内森（）等人发现并提出能切割 DNA 分子的限制 性内切酶（restriction enzyme），为基因拼接工作铺平了道路。 1970 年——美国病毒学家特明在劳斯肉瘤病毒体内发现一种能以 RNA 为模板合成 DNA 的酶叫“反转录酶”（reverse transcriptase），这一发现不仅对研究人类癌症具有重要意 义，而且进一步发展和完善了“中心法则”。 1973 年——美国遗传学家伯格（Berg）第一次把两种不同生物的 DNA（SV40 和λ噬 菌体的 DNA）人工地重组在一起，首次获得了杂种分子，建立了 DNA 重组技术。 以后， 美国的科恩（）又把大肠杆菌的两种不同质粒重组在一起，并把杂种质粒引入到大肠杆菌中 去，结果发现在那里能复制出双亲质粒的遗传信息。从此，基因工程的研究便蓬勃发展起来。 在理论方面，由于 DNA 重组、基因克隆、碱基序列的分析以及分子杂交等技术的建立 和应用，为研究基因的结构和功能、表达和调控等方面提供了有力的手段，导致了 70 年代 以来分子遗传学获得的一系列重大发现。总之，三联体密码的确定、中心法则的建立以及蛋 白质和核酸的人工合成，基因内部精细结构的揭示，基因活动的调节和控制原理的发现，突 变分子基础的阐明等，使遗传学的发展走在了生物科学的前列。同时，它的影响也渗透到生 物学的每一学科中，成为生物科学和分子生物学的中心学科。 2.3 遗传学的发展趋势 宏观→微观：继续以原核生物为材料向纵深发展的同时，又重点向真核生物的分子遗 传学、发育遗传学和遗传工程学三个方向发展。并在此基础上，又形成了体细胞遗传学、发 育遗传学、行为遗传学和免疫遗传学等新的分支学科。从 70 年代开始，由于限制性内切酶 的应用、核苷酸序列分析、DNA 重组等新技术的应用，分子遗传学已进入人工合成基因和 改造基因的新时期，朝着定向改造生物的遗传结构的新水平迈进。 个体→群体：在群体遗传学的基础上，又诞生了生态遗传学、数理遗传学和进化遗传 学等分支学科。 2.4 我国遗传学的发展 解放前比较薄弱，没有明确的发展方向。仅在水稻、棉花、粟类、金鱼中做过少数性 状的遗传分析。在我国，第一个把早期细胞遗传学介绍给中国的学者是著名遗传学家李汝祺 教授。他是发育遗传学的开拓者之一，为我国细胞遗传学的发展奠定了基础。此外，我国著