遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座

第二章遺傳分子基礎(chǔ)遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第1頁一、基因概念及其發(fā)展（一）基因概念提出（二）基因結(jié)構(gòu)與功效探索（三）當(dāng)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因概念遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第2頁（一）基因概念提出

孟德爾（Mendel）遺傳因子：一個(gè)因子決定一個(gè)性狀(1865年)。約翰森（Johannsen）：首先提出基因一詞（1909年）。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第3頁1857年，奧地利一名神父孟德爾在他所在修道院后院開始進(jìn)行長達(dá)8年豌豆雜交試驗(yàn)。1865年，孟德爾依據(jù)豌豆雜交試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)表了著名論文《植物雜交試驗(yàn)》，闡述了他所發(fā)覺顯性、隱性遺傳現(xiàn)象和兩個(gè)主要遺傳學(xué)規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。JohannGregorMendel（1822～1884）遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第4頁孟德爾遺傳因子孟德爾提出：●生物遺傳性狀是經(jīng)過“遺傳因子”（hereditaryfactor）進(jìn)行傳遞●遺傳因子是一些獨(dú)立遺傳單位孟德爾把可觀察性狀和控制它內(nèi)在遺傳因子區(qū)分開來遺傳因子作為基因雛形名詞誕生了遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第5頁1900年，是遺傳學(xué)史乃至生物科學(xué)史上劃時(shí)代一年，來自三個(gè)國家三位學(xué)者獨(dú)立地“重新發(fā)覺”了孟德爾遺傳規(guī)律，他們是荷蘭德弗里斯(HugoDeVries，1848～1935)、德國柯靈斯(CarlErichCorrens，1864～1933)和澳大利亞契馬克(ErichvonTschermak-Seysenegg，1871～1962)。從此，遺傳學(xué)進(jìn)人了孟德爾時(shí)代?！爸匦掳l(fā)覺”孟德爾遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第6頁HugoDeVries(1848～1935)CarlErichCorrens(1864～1933)

ErichvonTschermak（1871～1962）

重新發(fā)覺孟德爾生物學(xué)家遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第7頁1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜在《精密遺傳學(xué)原理》一書中依據(jù)希臘語“給予生命”之義，創(chuàng)造“基因”（gene）一詞來代替孟德爾假定“遺傳因子”。從此基因便成為遺傳因子代名詞一直沿用至今。

不過此時(shí)基因依然是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)、僅靠邏輯推理得出概念。

WilhelmLudwigJohannsen（1857～1927）遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第8頁（二）基因結(jié)構(gòu)和功效探索伴隨遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)發(fā)展，人們對(duì)基因本性認(rèn)識(shí)逐步深入，基因概念和涵義也不停地發(fā)展和豐富。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第9頁1、基因與染色體在孟德爾結(jié)果取得認(rèn)可后，生物界都知道是遺傳因子（即基因）決定了生物遺傳。不過，基因終究在細(xì)胞內(nèi)什么地方？摩爾根以果蠅為試驗(yàn)對(duì)象回答了這一問題，基因在染色體上。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第10頁摩爾根和他學(xué)生利用果蠅作了大量研究。1926年出版《基因論》，建立了著名基因?qū)W說。

ThomasHuntMorgan（1866～1945）遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第11頁摩爾根在《基因論》中繪制了果蠅基因位置圖，首次完成了當(dāng)初最新基因概念描述：基因是在染色體上呈線性排列遺傳單位，它不但是決定性狀功效單位，也是一個(gè)突變單位和交換單位。至此，人們對(duì)基因概念了解愈加詳細(xì)和豐富了。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第12頁摩爾根果蠅遺傳試驗(yàn)含有劃時(shí)代意義

◆人類第一次把基因與染色體聯(lián)絡(luò)起來，認(rèn)為基因是一個(gè)物質(zhì)，是染色體上一個(gè)特定區(qū)段。

◆確立并發(fā)展了染色體遺傳理論。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第13頁ThomanHuntMorgan（1866～1945）因發(fā)覺染色體遺傳機(jī)制，創(chuàng)建染色體遺傳理論而于1933年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第14頁基因是何物?基因物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成怎樣?基因是怎樣決定遺傳性狀?這些問題在摩爾根時(shí)代依然是謎。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第15頁2、基因與DNA摩爾根確定了染色體是基因載體?；蜓芯堪l(fā)展到細(xì)胞學(xué)水平之后，急需處理兩個(gè)基本問題：

（1）基因化學(xué)本性是什么？（2）基因是怎樣工作？

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第16頁在研究基因化學(xué)本質(zhì)上，細(xì)胞化學(xué)起了主要作用。細(xì)胞化學(xué)研究表明，染色體主要成份是蛋白質(zhì)和核酸。那么，基因終究是蛋白質(zhì)還是核酸？蛋白質(zhì)作為生命物質(zhì)主要成份和生命活動(dòng)表達(dá)者，它不但參加全部生命過程，而且它化學(xué)結(jié)構(gòu)也有多樣性和可塑性。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第17頁◆所以在相當(dāng)一段時(shí)間里，學(xué)術(shù)界認(rèn)為基因是蛋白質(zhì)，認(rèn)為只有像蛋白質(zhì)這么復(fù)雜大分子才能決定細(xì)胞特征和遺傳遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第18頁◆認(rèn)識(shí)到基因化學(xué)本質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)，經(jīng)歷了一段漫長歷史過程?！舭l(fā)覺DNA遺傳功效，始于1928年格里菲斯（P．Griffith）所做用肺炎雙球菌感染小鼠試驗(yàn)。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第19頁1928年，英國科學(xué)家格里菲思在肺炎球菌試驗(yàn)中首次發(fā)覺了基因是一類特殊生物分子證據(jù)。

FredericGriffith1879—1941遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第20頁肺炎雙球菌有兩種類型：S型菌體包有多糖類莢膜，菌落光滑（smooth），有毒性，能夠使人患肺炎或使小鼠患敗血癥R型不具莢膜，菌落粗糙（rough），無毒性，不致病

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第21頁格里菲斯用肺炎球菌做試驗(yàn)時(shí)發(fā)覺了一個(gè)令人驚異現(xiàn)象：加熱殺死能致病S型菌＋不能致病R型菌→混合→注射到小鼠體內(nèi)→小鼠病死→從死鼠體內(nèi)分離出大量S型肺炎球菌莫非S型致病菌復(fù)活了嗎？這就是著名“格里菲斯之謎”。

“死菌復(fù)活”之謎

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第22頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第23頁●這是一個(gè)令人迷惑結(jié)果R型活菌或S型死菌分別注入小鼠體內(nèi)，都不會(huì)致病，而二者混合注入?yún)s致病了。●解釋：

加熱殺死S型菌中存在某種造成細(xì)菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化物質(zhì)。這種物質(zhì)終究是什么，人們尚不知道，暫時(shí)叫做“轉(zhuǎn)化因子”（transformingprinciple）。

R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為S型肺炎球菌現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化（transformation）

。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第24頁造成R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化因子，其化學(xué)本質(zhì)終究是什么？這個(gè)問題，與遺傳學(xué)家提出“基因化學(xué)本質(zhì)是什么？”實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)問題。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第25頁格里菲斯發(fā)覺轉(zhuǎn)化現(xiàn)象為以后認(rèn)識(shí)到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。在美國紐約洛克菲勒研究所工作Avery立刻敏感地抓住了這一問題，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，取得了重大突破。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第26頁在格里菲斯發(fā)覺肺炎球菌遺傳轉(zhuǎn)化現(xiàn)象之后不過多年（30年代初），加拿大生物化學(xué)家艾弗里領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組便開始探尋轉(zhuǎn)化因子。他們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)覺：死去S型菌并未復(fù)活，而是S型菌DNA進(jìn)入了R型菌，使其轉(zhuǎn)化為新S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人試驗(yàn)不但揭開了“格里菲斯之謎”，而且在世界上第一次證實(shí)基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery（1877～1955）遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第27頁艾弗里等人試驗(yàn)證據(jù)：分離S型死菌提取液→分別檢測各分離組分（蛋白質(zhì)、類脂、多糖、RNA和DNA）轉(zhuǎn)化活性→只有DNA含有轉(zhuǎn)化因子活性遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第28頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第29頁

深入試驗(yàn)：

用化學(xué)法和酶法

↓去除S型死菌抽提物中蛋白質(zhì)、類脂、多糖和RNA

↓抽提物剩下物質(zhì)↓

R型→轉(zhuǎn)化→S型

1944年，他們確認(rèn)，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。

艾弗里等人試驗(yàn)和結(jié)論是對(duì)DNA認(rèn)識(shí)史上一次重大突破，徹底改變了DNA在生物體內(nèi)無足輕重傳統(tǒng)觀念。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第30頁

但當(dāng)初主流觀點(diǎn)并不接收艾弗里DNA是遺傳物質(zhì)觀念，認(rèn)為提取DNA不論怎樣純凈，依然可能有殘余蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)才是有活性轉(zhuǎn)化因子遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第31頁針對(duì)學(xué)術(shù)界否定意見，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分別處理肺炎球菌細(xì)胞抽提物。

結(jié)果:（1）能夠破壞、消化蛋白質(zhì)胰蛋白酶和糜蛋白酶不影響轉(zhuǎn)化活性；（2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）RNA酶對(duì)轉(zhuǎn)化活性無影響；（3）在加入分解、消化DNADNA酶后，轉(zhuǎn)化活性喪失。

這些試驗(yàn)深入證實(shí)了DNA作為遺傳信息載體功效。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第32頁發(fā)覺遺傳物質(zhì)化學(xué)本質(zhì)是DNA，這是基因研究上一個(gè)主要里程碑。但在當(dāng)初，這項(xiàng)主要發(fā)覺并未引發(fā)足夠重視。艾弗里雖曾被提名為諾貝爾獎(jiǎng)候選人，但當(dāng)初評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為“最好等到DNA轉(zhuǎn)化機(jī)理更多地為人們所了解時(shí)候再說”。可是，當(dāng)爭議平息、諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)準(zhǔn)備授獎(jiǎng)之時(shí)，他已經(jīng)逝世了。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第33頁1951年，赫里奧特（R·Herriott）提出一個(gè)十分富有魅力和啟發(fā)性假說：

“病毒作用可能像一個(gè)充滿著轉(zhuǎn)化因子注射針。這么病毒本身不會(huì)進(jìn)入細(xì)胞，但它不但用尾部接觸寄生細(xì)胞，并可能經(jīng)過酶作用在細(xì)胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部DNA就鉆入細(xì)胞?！?/p>

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第34頁當(dāng)人們?yōu)榘ダ镌囼?yàn)而激烈爭論時(shí)，研究噬菌體美國微生物學(xué)家赫爾希等人在考慮，能否將蛋白質(zhì)和DNA完全分開，單獨(dú)觀察DNA作用呢？他們受赫里奧特思緒啟發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧噬菌體感染試驗(yàn)。赫爾希與德爾布呂克和盧里亞一起，獲1969年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。

AlfredDayHershey（1908～1997）遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第35頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第36頁噬菌體感染試驗(yàn)35S標(biāo)識(shí)蛋白質(zhì)外殼噬菌體感染細(xì)菌細(xì)菌無放射性

32P標(biāo)識(shí)DNA內(nèi)芯噬菌體感染細(xì)菌細(xì)菌有放射性這一結(jié)果確鑿無疑地證實(shí)，進(jìn)入寄主細(xì)胞內(nèi)是噬菌體DNA，而不是蛋白質(zhì)外殼。噬菌體DNA不但包含噬菌體自我復(fù)制信息，而且包含合成噬菌體蛋白質(zhì)所需要全部信息。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第37頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第38頁

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第39頁

1952年，赫爾希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）證實(shí)了噬菌體DNA能攜帶遺傳信息到后代中去以后，科學(xué)界才終于接收了DNA是遺傳信息載體理論。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第40頁人們徹底摒棄蛋白質(zhì)是基因化學(xué)本質(zhì)概念，是在1953年沃森和克里克提出著名DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型之后。1953年4月25日英國《Nature》登載了沃森和克立克DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一天是分子生物學(xué)誕生日。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第41頁JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick（1916～）

1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型被提出來了，兩位創(chuàng)建者是美國生物化學(xué)家沃森（JamesDeweyWatson，1928～）和英國生物物理學(xué)家克里克（FrancisHarryComptonCrick，1916～）。獲1962年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第42頁富蘭克林拍攝DNA晶體X射線衍射照片，這張照片正是發(fā)覺DNA結(jié)構(gòu)關(guān)鍵

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第43頁DNA雙螺旋模型遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第44頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第45頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第46頁DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)覺，是生物學(xué)史上一座里程碑：●為DNA復(fù)制提供了構(gòu)型上解釋，使人們對(duì)DNA作為基因物質(zhì)基礎(chǔ)不再懷疑●奠定了分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。DNA雙螺旋模型在科學(xué)上影響是深遠(yuǎn)遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第47頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第48頁從1857年孟德爾進(jìn)行豌豆雜交試驗(yàn)算起，經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家近百年探索，蒙在生命遺傳奧秘上面紗正在一層層地剝?nèi)?。科學(xué)探索道路是螺旋式，科學(xué)家們?cè)陔A梯上不停攀登，一個(gè)新螺旋展現(xiàn)在他們眼前，而這將引發(fā)一場生命科學(xué)革命。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第49頁最初由孟德爾提出遺傳因子概念，經(jīng)過摩爾根、艾弗里、赫爾希和沃森、克里克等幾代科學(xué)家研究，已經(jīng)使生物遺傳機(jī)制建立在遺傳物質(zhì)DNA基礎(chǔ)之上。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第50頁DNA怎樣儲(chǔ)存并表示遺傳信息？這個(gè)問題引發(fā)了很多物理學(xué)家興趣，1945年，薛定諤在《生命是什么》一書中提出了遺傳密碼概念。1954年，物理學(xué)家伽莫夫提出三聯(lián)體密碼概念。1961年，尼倫伯格和馬太利用三聯(lián)體密碼合成了由笨丙氨酸組成多肽長鏈。到1966年，64種遺傳密碼含義全部得到了解答，形成了一部密碼辭典。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第51頁MarshallWarrenNirenberg（1927～）美國生物學(xué)家尼倫伯格等人在1961～1966年期間成功破譯了遺傳密碼，以無可反駁科學(xué)依據(jù)證實(shí)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)正確性。人們對(duì)遺傳機(jī)制有了更深刻認(rèn)識(shí)。1968年取得諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第52頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第53頁DNA只存在于細(xì)胞核中，蛋白質(zhì)合成在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，細(xì)胞核中遺傳信息怎樣轉(zhuǎn)到達(dá)細(xì)胞質(zhì)中呢？信息RNA和轉(zhuǎn)運(yùn)RNA發(fā)覺給這個(gè)問題提供了答案，1958年克立克提出“中心法則”很快得到了證實(shí)。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第54頁中心法則遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第55頁中心法則及其發(fā)展中心法則闡述基因兩大基本屬性：復(fù)制：DNA→DNA；表示：從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)；中心法則補(bǔ)充：RNA反轉(zhuǎn)錄RNA自我復(fù)制DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第56頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第57頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第58頁（三）當(dāng)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因概念1、當(dāng)代基因概念DNA分子中含有特定遺傳信息核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)最小功效單位。合成有功效蛋白質(zhì)或RNA所必需全部DNA序列（除部分病毒RNA）,即一個(gè)基因不但包含編碼蛋白質(zhì)或RNA核苷酸序列，還包含為確保轉(zhuǎn)錄所必需調(diào)控序列?；蚪M：攜帶生物體全部遺傳信息核酸量。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第59頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第60頁從分子水平來說，基因有3個(gè)基本特征:（1）基因可自體復(fù)制（2）基因決定性狀（3）基因突變遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第61頁遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第62頁2、基因功效類別（1）蛋白質(zhì)基因：其最終產(chǎn)物為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因（structuregene）：編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白基因。結(jié)構(gòu)基因突變可造成特定蛋白質(zhì)（或酶）一級(jí)結(jié)構(gòu)改變或影響蛋白質(zhì)（或酶）量改變。調(diào)整基因（regulatorgene）：指一些可調(diào)整控制結(jié)構(gòu)基因表示基因。調(diào)控基因突變能夠影響一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)基因功效，或造成一個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)（或酶）量改變。遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第63頁（2）RNA基因：其最終產(chǎn)物是tRNA和rRNA（3）不轉(zhuǎn)錄基因：不產(chǎn)生任何產(chǎn)物，對(duì)基因表示起調(diào)整控制作用開啟基因（開啟子，開啟區(qū)）：轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA多聚酶與DNA結(jié)合部位。

操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因（一個(gè)或多個(gè)）前端，與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因活動(dòng)DNA區(qū)段。是操縱結(jié)構(gòu)基因基因。

遺傳部分專業(yè)知識(shí)專家講座第64頁3、基因幾個(gè)特殊形式（1）重復(fù)基因：指在基因組中有多份拷貝基因，往往