遗传学复习纲要.pptx

1、第一章 绪论,遗传学是研究生物的遗传和变异及其规律的科学,基因是生命体的遗传与变异的物质基础,遗传学的主要研究内容,1) 基因和基因组的结构(包括突变)与异常性状之间的关系2) 基因在世代之间传递的方式与规律3) 基因转化为性状所需的各种内外条件，也就是基因表达调节的规律,遗传学的任务,阐明生物遗传、变异现象及其表现规律探索遗传、变异的原因及其物质基础(遗传的本质)，揭示遗传变异的内在规律指导动、植物和微生物遗传改良(育种)实践，提高医药研究水平，造福人类,第二章 孟德尔式遗传分析,单位性状与相对性状,生物体或其组成部分所表现的形态、生理或行为特征称为性状(character/trait)孟德

2、尔把植株性状总体区分为各个单位，称为单位性状(unit character)，即：生物某一方面的特征特性。不同生物个体在单位性状上存在不同的表现，这种同一单位性状的相对差异称为相对性状(contrasting character)。,基因型(genotype)和表现型(phenotype),根据遗传因子假说：生物世代间所传递的是遗传因子，而非性状本身；生物个体性状由细胞内遗传因子组成决定；因此，对生物个体而言就存在遗传因子组成和性状表现两方面特征。1909年约翰生提出用基因(gene)代替遗传因子，成对遗传因子互为等位基因(allele)。在此基础上形成了基因型和表现型两个概念。,基因型(ge

3、notype)指生物个体基因组合，表示生物个体的遗传组成，又称遗传型；表现型(phenotype)指生物个体的性状表现，简称表型。,纯合与杂合,具有一对相同基因的基因型称为纯合基因型(homozygous genotype)，如CC和cc；这类生物个体称为纯合体(homozygote)。显性纯合体(dominant homozygote), 如：CC.隐性纯合体(recessive homozygote), 如：cc.具有一对不同基因的基因型称为杂合基因型(heterozygous genotype)，如Cc；这类生物个体称为杂合体(heterozygote)。纯合体与杂合体的基因组成不同，所

4、产生的配子及自交后代的遗传稳定性均有所不同：(1).产生配子上的差异；(2).自交后代的遗传稳定性。,基因的分离定律,一对基因在杂合体中各自保持其独立性，在配子形成时，彼此分开，随机地进入不同的配子，在一般情况下：F1杂合体的配子分离比为1:1，F2表型分离比是3:1，F2基因型分离比为1:2:1,独立分配定律,支配两对（或两对以上）不同性状的基因，在杂合状态时保持其独立性。配子形成时，各等位基因彼此独立分离，不同对的基因自由组合。,第三章 孟德尔式遗传分析孟德尔定律的拓展,基因的作用与环境因素的相互关系,表型=内因+外因=基因+环境 表型的产生是一个复杂的过程，它的产生既受环境（内环境和外环

5、境）的影响，也受基因（等位基因和非等位基因）的影响,反应规范,遗传学上把某一基因型的个体，在各种不同的环境条件下所显示的表型变化范围称为反应规范。,玉米控制叶绿体形成的基因是一对等位基因，A对a是显性。AA、Aa的个体在光下可以形成叶绿体，aa个体光下不能形成叶绿体。AA在暗处也不能形成叶绿体。 说明基因型不是决定某一性状的必然实现，而是决定发育性状的可能性，即决定着个体的反应规范。AA和aa个体的反应规范不同。,基因表达的变异,外显率(penetrance)： 指在特定环境中，某一基因型(常指杂合子)个体显示出预期表型的频率(以百分比表示)。 就是说同样的基因型在一定的环境中有的个体表达了，

6、而有的个体可能没有表达，这样外显率就小于100不完全外显。 外显率为100完全外显表现度（expressivity）：是指具有相同基因型的个体之间基因表达的变化程度。,第四章 遗传的细胞学基础,减数分裂的遗传学意义,减数分裂是有性生殖生物产生性细胞所进行的细胞分裂方式；而两性性细胞受精结合(细胞融合)产生合子是后代个体的起始点。减数分裂不仅是生物有性繁殖必不可少的环节之一，也具有极为重要的遗传学意义。,保证了亲代与子代之间染色体数目的恒定性。双亲性母细胞(2n)经过减数分裂产生性细胞(n)，实现了染色体数目的减半；雌雄性细胞融合产生的合子(及其所发育形成的后代个体)就具有该物种固有的染色体数目

7、(2n)，保持了物种的相对稳定。子代的性状遗传和发育得以正常进行。,染色体数目的恒定,减数分裂的遗传学意义,为生物的变异提供了重要的物质基础。减数分裂中期 I，二价体的两个成员排列方向是随机的，所以后期 I 分别来自双亲的两条同源染色体随机分向两极，因而所产生的性细胞就可能会有2n种非同源染色体组合形式(染色体重组，recombination of chromosome)。另一方面，非姊妹染色单体间的交叉导致同源染色体间的片段交换(exchange of segment)，使子细胞的遗传组成更加多样化，为生物变异提供更为重要的物质基础(染色体片断重组，recombination of segm

8、ent)。这也是连锁遗传规律及基因连锁分析的基础。,遗传的染色体学说,孟德尔定律于1900年被重新发现后，大量研究的假设认为，基因位于染色体上。其中最强有力的证据就是孟德尔的分离定律和独立分配定律与减数分离过程中染色体行为的平行关系。,染色体和基因的行为是平行的：染色体和基因在杂交中都保持相对的完整性和独立性染色体和基因都是成对存在成对的染色体和基因在体细胞中都是分别来自于父母本不同对染色体和基因在形成配子时的分配都是独立的,基因和染色体行为的平行性,遗传的染色体学说1902 W. Sutton (美) & T. Boveri(德),1，每一个细胞包含每一染色体的两份拷贝以及每一基因的两份拷贝

9、。2，全套染色体如果孟德尔的全套基因一样，在从亲代传递给后代时并没有改变。3，减数分裂时，同源染色体配对，然后分配到不同的配子中，就如同一对等位基因分离到不同的配子中。4，每一对同源染色体的两个成员独立地分配到相反的两极，而不受其他同源染色体独立分配的干扰。各对不同的等位基因也是对立分配的。5，受精时，来自卵细胞的一套染色体随机与所遇到的一套来自精子的染色体结合，从一个亲本获得的所有基因也会随机地和从另一亲本获得的所有基因结合。6，从受精卵分裂得到的所有细胞，其染色体的一半和基因的一半起源于母本，另一半起源于父本。,基因在染色体上 显微镜技术与染色体技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是

10、减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以确定基因在细胞核中，在染色体上。,基因存在于染色体上，其本质是一段串联排列的DNA序列，基因随着细胞的减数分裂而分离（分离定律），又随着减数分裂形成的雌雄配子的结合而组合（自由组合定律），同时同源基因在减数分裂的偶线期非姐妹染色单体之间发生部分DNA片段的交换，造成遗传物质的重组（连锁交换定律）。,概念：某些细菌通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。二、接合（conjugation）：1.概念：是指原核生物的遗传物质从供体（donor）转移到受体（receptor）内的过程

11、。特点：需通过细胞的直接接触。,一、转化（transformation）：,并发性导(co-sexduction):是建立遗传图的另一手段，两个位点必须密切相连才能处在同一个F因子上。获得两个位点间重组率 每个片段的连锁群。性导作图法与转导作图法相同。,本章学习要点：1、真核生物的基因组2、真核生物基因组DNA序列的复杂度3、DNA序列的类别4、卫星DNA5、基因家族、基因簇和假基因的含义6、真核生物基因的丢失、扩增和重排,一、基因组与C值 基因组：一个物种单倍体的染色体的数目及其所携带的 全部基因称为该物种的基因组（genome）。 C值：一个物种单倍体基因组的DNA含量是相对恒定的， 它通

12、常称为该物种DNA的C值 。 不同物种之间C值相差极大。,C值悖论,高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。并不是高等生物的C值一定高于比它低等的生物的C值。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。,第二节 真核生物基因组DNA序列 的复杂度,遗传学,一、DNA序列的类别 （一）单拷贝序列：亦称非重复序列，在一个基因组中只有一个拷贝或2-3个拷贝。（二）中度重复序列：中度重复序列中的重复单位平均长度约300bp，重复次数为10102。,二、卫星DNA卫星DNA(satellite DNA)是一

13、类高度重复序列 DNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，离心速度可以高达每分钟几万转；此时DNA分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。,遗传学,第三节 基因家族,一、基因家族的类型和Alu家族、含义：真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一组基因称为一个基因家族（gene family）。 、分布可在分布在一条染色体上，也可以分布在不同染色体上。,遗传学,、分类简单的多基因家族；复杂的多基因家族；不同场合表达的复杂多基因家族（图7-7）。,遗传学,本章重点,1. 细胞质遗传

14、与核遗传的差异。2. 细胞质遗传的特点。3. 质核基因间的关系。,细胞质遗传：由胞质遗传物质引起的遗传现象(又称非染色体遗传、非孟德尔遗传、染色体外遗传、核外遗传、母性遗传)。细胞质基因组：所有细胞器和细胞质颗粒中遗传物质的统称。,二、细胞质遗传的特点：,1特点：.正交和反交的遗传表现不同。核遗传：表现相同，其遗传物质由雌核和雄核共同提供；质遗传：表现不同，某些性状表现于母本时才能遗传给子代，故又称母性遗传。,.连续回交，母本核基因可被全部置换掉，但由母本细胞质基因所控制的性状仍不会消失；.由细胞质中的附加体或共生体决定的性状，其表现往往类似病毒的转导或感染，即可传递给其它细胞。.基因定位困难

15、：遗传方式是非孟德尔遗传，杂交后代不表现有比例的分离。带有胞质基因的细胞器在细胞分裂时分配是不均匀的。,第二节母性影响,一、母性影响的概念：母性影响：由核基因的产物积累在卵细胞中的物质所引起的一种遗传现象。母性影响不属于胞质遗传的范畴。二、母性影响的特点：下一代表现型受上一代母体基因的影响。,第五节共生体和质粒决定的染色体外遗传,一、共生体的遗传：、共生体（symbionts）：不是细胞生存所必需的组成部分，仅以某种共生的形式存在于细胞之中。能够自我复制，或者在核基因组作用下进行复制；对寄主表现产生影响，类似细胞质遗传的效应。,1.结构：草履虫(Paramecium aurelia)是一种常见

16、的原生动物，种类很多。大核(1个)，是多倍体，主要负责营养；小核(12个)，是二倍体、主要负责遗传。2.繁殖：.无性生殖：一个个体经有丝分裂成两个个体。,、草履虫放毒型的遗传:,放毒型的遗传基础：细胞质中的卡巴粒和核内K基因，同时存在时才能保证放毒型的稳定。K 基因本身不产生卡巴粒，也不合成草履毒虫素，仅能保证卡巴粒在细胞质内持续存在。杂交试验：放毒型（KK卡巴粒）与敏感型（kk，无卡巴粒）的杂交。,杂交时间短：仅交换两个小核中的一个，未交换细胞质内的卡巴粒，F1其表型不变。自体受精后基因分离纯合，仅胞质中有卡巴粒和基因型为KK的草履虫为放毒型，其余为敏感型。,放毒型,敏感型,放毒型,敏感型,

17、杂交时间长：同时交换小核与胞质中的卡巴粒，F1均表现为放毒型。自体受精后基因纯合；无性繁殖，kk基因型中的卡巴粒渐渐丢失而成为敏感型。,本章小结1. 细胞质遗传的特点：. 正、反交遗传表现不同：性状通过母本传递给后代。. 连续回交，可置换母本全部核基因，但母本胞质基因 及其控制的性状不消失。. 基因定位困难，有时表现出类似于病毒的传导或感染。. 细胞质中由附加体或共生体决定的性状，其表现类似于病毒的传导或感染，即能传递给其它细胞。,2. 母性影响：母性影响所表现的遗传现象与胞质遗传相似，但其本质不同，因为母性影响不是细胞质遗传，而是F1受母本基因的影响，以后还要分离。3. 胞质遗传的表现：.

18、叶绿体遗传；. 线粒体遗传；. 质粒遗传；. 共生体遗传。,4. 胞质遗传与核遗传的异同* 共同点* 不同点5. 胞质基因与核基因的关系：核基因可引起质基因突变，质基因的存在决定于核基因，但质基因具有一定的独立性，能够决定遗传性状的表现。,第十章 原核生物基因表达与调控,本章重点,1基因概念及其发展2原核生物基因表达调控水平：转录3原核生物基因调控：操纵元模型,、分子遗传学对基因概念的新发展,结构基因(structural gene)：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。调控基因(regulator gene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。重叠基因(overlapping ge

19、ne)：指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。,隔裂基因(split gene)：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。跳跃基因(jumping gene)：即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够转移位置的DNA片断。功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）通过表现型变异得到鉴别。遗传工程：转座子标签法。,. 假基因(pseudogene): 同

20、已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。,一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。基因调控主要在三个水平上进行：. DNA水平；. 转录水平；. 翻译水平。,基因表达调控,一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点。基因转录主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、 RNA合成起始和终止信号。,第二节原核生物基因的转录和翻译,二、转录的终止,（

21、一）、终止子终止子：DNA上提供转录终止信号的一段DNA序列。（二）、分类：1、Rho蛋白非依赖型：强终止子2、Rho蛋白依赖型：弱终止子,概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应就称为基因表达的极性现象。,（五）、基因表达极性现象,一、操纵子学说/操纵子模型：F.Jacob 和 J.Mond（1960）提出E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生理学奖)。操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P）组成。,第三节大肠杆菌乳糖操纵子调控,结合RNA聚合酶 结合调节蛋白 转录

22、、翻译、合成蛋白,操纵子(operon)模型,乳糖操纵子半乳糖操纵子色氨酸操纵子和色氨酸衰减作用,小结,1基因概念及其发展 功能单位2原核生物基因表达调控水平：转录 转录起始，转录终止 转录和翻译的耦联3原核生物基因调控：操纵元模型 调控基因 操纵子启动子结构基因,第十一章 真核生物基因表达与调控,本章重点,1真核生物基因表达调控水平： DNA水平的调控 转录水平的调控(transcriptional regulation) 转录后水平的调控(post transcriptional regulation) 翻译水平的调控(translational regulation) 翻译后水平的调控(

23、protein maturation)2真核与原核生物基因表达调控的区别,真核生物结构特点,1、有核膜包被，转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行，RNA需进行转录后加工；2、真核生物基因数多，且多含内含子，同时真核生物还有很多非编码区；3、真核生物DNA与组蛋白形成核小体，另外还有非组蛋白，都会影响基因活性；4、真核生物为多细胞复杂有机体，不同发育阶段、不同组织和器官中基因受到不同调节,真核生物基因表达的调控,DNA水平的调控转录水平的调控(transcriptional regulation)转录后水平的调控(post transcriptional regulation)翻译水平的调控(t

24、ranslational regulation)翻译后水平的调控(protein maturation),第一节 DNA水平的调控,基因删除通过丢失染色体，丢失某些基因因而删除这些基因的活性的现象称为基因删除。核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因如马蛔虫的受精卵细胞中只有一对染色体，但是这对染色体上有若干个着丝粒（1）受精卵发育成成体的早期阶段：1个起作用（2）即将分化为体细胞的细胞中：染色体破碎,基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体,rRNA基因通常集中

25、成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA，如染色体的核仁组织区即为rDNA区。18S和28SrRNA基因构成一个转录单位。,在卵子形成的过程中rDNA大量扩增的目的，就是为了产生大量的rRNA，组装成核糖体，用于合成大量的蛋白质，以满足受精后发育的需要。,基因重排(gene rearrangement) 将一个基因从远离启动子的地方移到距离它很近的位点，从而启动转录的调控方式。典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。 如免疫球蛋白基因重排，多样性,编码完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基因经选择、组合、变化、与恒定区基因一起构成稳定的、为特定

26、的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。这种基因重排使细胞可能利用几百 个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表达调控机理。,DNA甲基化(DNA methylation)：mCpG，即“CpG岛(CpG-rich islands)”甲基化(methylated)程度高，基因表达降低； 去甲基化(undermethylated)：基因表达增加,第二节 转录水平的调控,最重要RNA聚合酶顺式作用元件(cis-acting element)反式作用因子(trans-acting factor)转录起始的调控,顺式作用元件(cis-acting element)

27、,影响自身基因表达活性的DNA序列非编码序列分启动子、增强子、沉默子,反式作用因子(trans-acting factor),概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）通用或基本转录因子(general transcription factors)RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。TFA、 TFB、 TFD、 TFE等 特异转录因子( special transcription factors)个别基因转录所必需的转录因子.OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。,真核基因转录的结果保证了遗传信息从DNA传递给RNA，因而转

28、录水平的调控是决定细胞中RNA水平的一种重要方式。然而实验表明，RNA的数量、结构甚至种类在细胞核和细胞质中并非完全相同，而且在活跃生长的细胞与静止生长的细胞之间，RNA的情况也存在一些差异。这表明遗传信息在转录后还有着多样的选择性，即基因表达除DNA水平和转录水平的调控外，转录后还将在不同情况下进一步加工、剪切、修饰，以及改变基因表达的最终产物。,第三节 转录后水平的修饰,转录后修饰的几种方式,1、剪 接 (splice),2、剪 切 (clavage ),3、碱 基 修 饰,4、添 加,RNA前体加工内含子的剪接RNA编辑,转录后修饰的类型,三、交替剪接,RNA编辑,RNA编辑概念 是指转

29、录后的mRNA在编码区发生碱基插入、删除或转换的现象，是在RNA水平上的修饰。 例：原生动物锥虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基基因转录物，5出现非基因组编码的尿苷酸,1基因的概念、表达、调控和新发展：DNA是遗传物质；性状受制于基因；基因位于染色体上。经典遗传学的基因：“三位一体”，即是功能、突变、重组单位。分子遗传学的基因：保留了功能单位，发展了突变子和交换子的概念。新基因概念：重叠基因、跳跃基因、断裂基因、假基因。,本章小结,2原核生物在转录和翻译水平上的调控：操纵元模型：乳糖操纵元，色氨酸操纵元和阿拉伯糖操纵元模型。3真核生物的三个水平调控：DNA水平：基因扩增、DNA重排、DNA甲基化。转

30、录水平：启动子与转录因子的结合；转录强化子与激活子；选择性启动子；转录后水平：选择性mRNA切割；激素的调控作用。翻译水平：翻译起始的调控 翻译后水平：蛋白质的折叠、蛋白酶切割、化学修饰、蛋白质内含子的剪切。,第十二章 转座因子的遗传分析,转座因子,是基因组内一段相对独立的、可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。,（1） 基因组内移动； （2） 不依赖于供体与受体间的序列关系； （3） 一

31、般仅移动转座子序列本身。,转座子的转座特点,转座因子分类,DNA转座子 直接以DNA序列某些区段作为转座成分反转录转座子 以RNA介导转座,DNA转座,根据转座机制不同分为： 复制型转座 转座过程中，转座子被复制，一个拷贝保留在原位点，另一份拷贝插入到新的位点 非复制型转座 转座因子直接从一个位点移动到受体DNA一个靶位点 保守型转座 实质是一种非复制型转座，转座因子所有碱基均被保留插入到靶位点,第二节 原核生物中的转座因子,插入序列转座子转座噬菌体,一、插入序列,最简单的转座因子，不含任何宿主基因的可转座的DNA序列（insertion sequences, IS）。IS元件是独立的结构单位

32、，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质。IS元件的末端为短的反向末端重复序列（inverted terminal repeats）。,末端反向重复序列(Inverted repeats, IR),IR,IR,在插入部位，IS DNA总是和很短的正向重复序列（direct repeats, DR)相连。但在插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个。转座后在转座子的两侧各存在一个此序列的拷贝。转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。,第三节 真核生物中的转座因子,果蝇基因组中的转座子玉米基因组中的转座子,果蝇基因组中的转座子,“ 杂种劣育”（hybrid dysgenesis） 某些品系杂

33、交子代出现某些异常P品系：作为父方造成杂种劣育M品系：作为母方造成杂种劣育M（）P（） 后代不育原因：P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子称为P因子。全长2907 bp， 两端有31 bp的反向重复序列,玉米基因组中的转座子,Ac/DsSpm/dSpm （suppressor-promotor-mutonsysytem spm）MutatorHelitronsRetrotransposon,Ac/Ds,1983年 Fedoroff Ac全长4565 bp反向重复序列11bp一般认为Ds是由Ac序列缺失的衍生物Ac为自主性转座子，Ds为非自主性转座子,Ac基因组序列和转座酶的结构,Kunze and Weil, 2002,第四节 转座因子的遗传学效应及其应用,引起染色体结构的改变产生新的变异转座子标签调节基因表达,本章重点难点,重点：1、转座子的类型及代表性的转座子 2、转座的分子机制 3、转座子的遗传学效应难点：1、转座子引起的染色体结构的改变 2、转座子在基因克隆中的应用,