1、同济大学遗传学课件总结遗传学总结第一章 绪论遗传（heredity, inheritance）指生物世代间相似的现象（名词）或指生物性状或基因（注意二者的不同）从上代向下代的传递过程（动词）变异（variation）生物个体间的差异（名词）生物的性状或基因从上代向下代传递时发生变化的过程(动词) （并非所有的变异都可以遗传!）简述遗传和变异的矛盾与统一遗传和变异现象是自然界普遍存在的生命活动的基本特征遗传决定了物种的基本特性，变异决定了种内个体间差异遗传（的稳定）是相对的，变异是绝对的 变异积累达到或超过一定“阈值”就可能成为新物种的来源变异给进化提供丰富素材，遗传使变异得以积累和传递。如果性
2、状不存在变异，遗传将只是简单的重复，如果变异不能遗传，也就失去其遗传学意义，生物同样不能够进化，都是生物的进化和发展不可缺少的因素第二章 孟德尔遗传定律实验设计：1.实验对象：豌豆2.对具有不同单一性状的纯系（true-breeding or pure-breeding strains）进行遗传杂交-单因子杂交（monohybrid cross)3.反复试验验证4.数学方法分析5.理论归纳显性定律（The Principle of Dominance): 在杂合子中，一个等位基因可能掩盖另一个等位基因的存在。 分离定律（The Principle of Segregation): 在杂合子中，
3、两个不同等位基因在配子形成时会彼此分离。6.定律验证-测交（Testcrosses）双因子杂交（dihybrid cross）自由组合（独立分离）定律（The Principle of Independent Assortment): 不同对基因在形成配子时，不同基因的等位基因自由组合（或称为彼此独立分离）限制条件：控制性状的两对或两对以上的非等位基因位于非同源染色体上或在同源染色体上但距离较远。7对基因位于7对不同染色体上的几率：1 x 6/7 x 5/7 x 4/7 x 3/7 x 2/7 x 1/7 = 0.0061种表型分析方法：1.棋盘法2.分枝法3.概率法二项式概率：第四节：孟德尔
4、定律的扩展 基因型与表型之间的关系绝不是简单的“一对一”的“决定”关系一、等位基因间的相互作用-显隐性关系表现的相对性完全显性（complete dominance)不完全显性（incomplete /partially dominance): 杂合子的表现型介于显性纯合子与隐性纯合子之间。例1：金鱼草花色的遗传例2：豌豆种子的“圆”和“皱”例3：豌豆的开花时间外显率 (penetrance)：指特定环境中某显性基因在杂合状态（或隐性基因在纯合状态）下显示预期表型的比率，一般用%表示。外显率为100%时，称完全外显；低于100%时属于不完全外显。表现度(expressivity)：具有相同基因
5、型的个体之间表达的变化程度。用于描述正常性状或疾病在个体间表现程度或症状的轻重程度的差异。并显性(codominance)：人类的MN血型，首先由Landsteiner发现，为继ABO血型后被检出的第二种与ABO血型独立遗传的血型。二、复等位基因(multiple aleles)一个基因座有多于2个的等位形式。例一：人血型 例2：家兔毛色的复等位基因决定在一个复等位基因系列中，可能出现的基因型的数目取决于复等位基因的数目。如果有n个复等位基因，就会有n+n(n-1)/2种可能的基因型，其中有n种纯合子、n(n-1)/2种杂合体 但对于一个个体而言，只能其中的两个基因，且分离原则与一对等位基因相
6、同 三、致死基因(lethal gene)：Recessive lethal gene: 杂合时不影响个体的生活力，但在纯合时有致死效应。四、非等位基因间的相互作用：基因互作、基因互补、抑制基因、上位效应、叠加效应基因互作：相对性状由多对基因共同控制基因互补：两对基因都存在时表现某性状两对基因控制同一对相对性状而非两对。抑制基因：基因I本身不能独立表现任何可见的表型效应，但可以完全抑制其他非等位基因的作用。上位效应：封闭基因作用。没有有功能的酶，阻断了从白色底物向中间产物的转变，不能合成任何有颜色的产物。1）隐性上位；2）显性上位两对基因共同控制一对表型；上位基因的作用类似于抑制基因，但同时还
7、控制其他表型。叠加效应：对同一性状的表型具有相同效应的非等位基因五、基因作用与环境的关系基因所控制的性状必须在一定环境下才能实现 环境条件不同也可使性状发生变异 某基因决定了某性状的反应规范第3章：连锁遗传分析与染色体作图v性染色体：两条染色体在雌、雄个体中形态不同，在做核型分析时无法象一般的染色体一样进行配对，把这两条染色体叫做性染色体，相对的可以配对的染色体叫做常染色体 v性别决定：对动植物的性别分化作出预定的方式或机制 v性别分化：动植物性别差别化发育的过程v性别转换：已经发育成某种性别的个体发生性别逆转的现象XO型性别决定（蚱蜢，蝗虫）：雌性为同配性别(XX)，雄性为X部分二倍体XO染
8、色体倍性决定（蜜蜂等膜翅目昆虫）：雄性单倍体，减数分裂特殊形式：单极纺锤体，无核的细胞质芽体基因型性别决定（玉米和葫芦科部分植物）环境条件与性别决定性别分化是胚胎发育或个体发育的结果。实质上和其他性状一样，也是基因有选择地顺序表达的结果。性别决定使得该个体具有发育成为某种性别的遗传组成或潜力，但能否发育成为该性别，还要受到许多因素的制约：环境条件与性别分化；激素与性别分化；性转换以XY型性别决定类型为例，基因位于X染色体上时为X-连锁的遗传，位于Y染色体上时称为限雄遗传 ；伴性遗传往往指X-连锁的遗传 X-伴性遗传特点：性状的遗传方式与性别有关X染色体连锁的隐性性状表现为交叉遗传发病率有明显的
9、性别差异，如果群体中致病基因频率为q，则男性发病率为q，女性发病率为q2致病基因难于淘汰。基因平衡理论的提出果蝇的性别决定于X染色体与常染色体倍数之比；果蝇的性别分化取决于X染色体上决定雌性的基因于常染色体上决定雄性的基因之间的平衡基因平衡理论的直接证据：雌雄嵌合体剂量补偿效应：指在XY性别决定机制的生物中，使性连锁基因在两种性别中有相等或相近的有效剂量的遗传效应。剂量补偿效应有两种机制：X染色体的转录速率不同-果蝇雌性中有一条X染色体失活-哺乳动物和人第四章 连锁分析重组合型配子的产生交叉假说：1.在减数分裂前期，尤其是双线期，配对中的同源染色体不是简单地平行，而是在非姊妹染色单体的某些位点
10、上显出交叉缠绕的图象，称为交叉，是同源染色体间对应片段发生交换的地方。2.相互连锁的两个基因位于染色体的不同位置，如果这两个位置之间发生染色体交换，就会导致这两个连锁基因的重组。 显然，染色体越长，显微镜下看到的交叉也就越多，表明发生交换的点就可能越多。 连锁群的概念：凡是伴性遗传的基因，相互之间都是连锁的。重组频率：重组型配子在所有类型配子中所占比例。重组值 重组频率RF 重组合个体数目/（重组合个体数目+亲组合个体数目）交换值和重组率表示两个不同的概念，当两个基因间没有双交换发生时，这两个概念的区别不明显；当有双交换发生时，它们的值可能不同 交换值等于交叉频率的一半。连锁和交换是遗传学的第
11、三条基本定律处于同一染色体上的两个或两个以上基因在形成配子时同时进入一个配子的概率大于分别进入两个配子的概率，重组类型配子的产生是由于非姊妹染色单体之间发生了局部交换的结果。特点：两侧基因之间的重组值低于其实际交换值。双交换频率明显低于单交换影响交换发生的因素：基因在染色体上的位置（内因）性别：小鼠的交换值雌性大于雄性，果蝇中雄性为完全连锁，无交换发生（雌蚕同），实际上，凡是由性染色体决定性别的生物中，异配性别的交换值都较小凡是较少发生交换的性别是异配性别霍尔丹定律联会复合体是形成交换的重要结构温度、射线、化学物质等两个基因距离越远，它们之间的重组率越大，反之越小。 三点测交确定3个基因之间的
12、距离，需要对两两基因之间的重组值分别测定。如果有合适的三隐性个体，就可以通过一次实验而获得上述实验数据：这就是三点测交 重组值计算的偏差也是由于双交换的的存在：对于两端的基因而言，在它们之间发生双交换的后果是：等于在该二基因之间没有发生交换。非顺序四分子分析RF 1/2T+NPD T+NPD+PD若RF50，说明该2基因不连锁遗传分析方法1.如果性状只出现在男性，可定位基因于Y染色体上2.如果性状出现的频率与性别有关，出现交叉遗传，可定位基因于X染色体3.外祖父法：对于X连锁的基因，确定2基因间距离 对于2个X连锁的基因，计算重组率需要知道母亲的基因型是否为双杂合体然后根据杂合体母亲所生的儿子
13、的表型计算该2基因的重组情况。母亲的基因型可以由外祖父的表型推出，故称为外祖父法。利用异常染色体定位法：基因剂量效应法：染色体缺失定位法DNA介导的基因定位克隆基因定位法原位杂交法人类染色体作图RFLP标记DNA指纹法（VNTR 标记）RFLP图谱STS图谱EST图谱 第六章 染色体变异将一个细胞内的染色体按照一定的顺序排列起来所构成的图象称为该细胞的核型(karyotype)，确定其是否与正常核型一致的过程，称为核型分析（karatype analysis）。用一些特定的染料和处理技术，来使染色体出现深浅或明暗带纹以鉴别染色体的技术称为染色体显带技术(chromosome banding)。
14、显带染色体模式图和命名原则界标(landmark) ：确认每一条染色体上具有的稳定和有显著形态学特征的指标，包括染色体两臂顶端、着丝粒和明显的带。区(region) ：位于相邻两界标之间的染色体区域。带(band) ：指显带处理后染色体呈现深浅或明暗的部分，是连续的，没有非显带区。FISH(fluorescence in situ hybridization)技术： 荧光标记的原位杂交技术染色体组：一种生物的配子中所含有的染色体数目称为该物种的单倍染色体数，用n表示。 单倍体（haploid,n）：细胞核中含有一个完整染色体组的生物体或细胞。 双倍体（diploid,2n） 单倍体（haplo
15、id) 单倍体在减数分裂时，染色体为单价体（没有可以配对的同源染色体进行联会），从而随机地分向两极，形成的配子是高度不育的。形成可育配子的概率只有(1/2)n 育种优势：可通过染色体加倍获得双单倍体，遗传稳定且表型正常，被广泛应用于植物的花药培养。目的是为了在很短的时间内获得纯系，缩短育种周期。 多倍体(polyploid)：具有三个或三个以上染色体组的整倍体。同源多倍体(autopolyploid) 同源多倍体是指增加的染色体组来自同一物种，一般是由二倍体的染色体直接加倍得到异源多倍体(allopolyploid) 异源多倍体是指增加的染色体组来自不同物种，一般是由不同种、属间的杂交种染色体
16、加倍形成的。 细胞与细胞核体积增大； 组织器官(叶片、花朵等)巨大化，生物个体更高大粗壮； 成熟期延迟、生育期延多倍体的形成途径1.未减数配子结合2.体细胞染色体数加倍最常用的方法：秋水仙素处理分生组织1）不育的多倍体（倍性为奇数）特征：配子育性降低甚至完全不育。1）同源染色体配对;2）配子中的染色体总数变化从0到3n不等；3）非整倍性配子因染色体不平衡，受精后死亡；4）不育性通过无性繁殖来克服，如插枝、嫁接等。2）可育的多倍体育性的重要条件：配子中具有完整的染色体组。来自不同种的染色体很少会干扰彼此在减数分裂中的分离。因此，异源多倍体体细胞内的染色体组成对存在，同源染色体能正常配对形成二价体
17、，并分配到配子中去，因而其遗传表现与二倍体相似3）组织特异性多倍体和多线性在某些生物中，某些特定组织在发育到一定阶段会成为多倍体。这种多倍化可能是因为对染色体及其所携带的基因多拷贝的需要的一种反应。比如：人体中的肝、肾组织（四倍体细胞）；果蝇的唾液腺；多线染色体（polytene chromosome):指线缆状的巨大染色体，见于某些生物的特定细胞中。由核内DNA复制产生的多股染色单体平行排列而成。该结构光镜下可见。体细胞联会（Somatic synapsis）:体细胞在有丝分裂过程中出现的同源染色体配对现象。染色中心(Chromocenter)：由多线染色体的着丝粒凝聚成的结构，主要由异染色
18、质构成。果蝇唾液腺染色体的特点a.巨大而伸展: 大、长，易于观察b. 体细胞联会;染色中心c. 有深浅相间的横纹结构：有利于染色体识别、基因定位d. 易见Puff结构（染色体疏松）：转录活性区非整倍体 (aneuploid）指体细胞核内的染色体不是染色体组的完整倍数，与该物种正常合子(2n)多或少一个以至若干个的现象超倍体(hyperploid):染色体数多于2n；亚倍体(hypoploid):染色体数少于2n。1) 单体（2n-1)同源染色体处于半合子状态，可产生假显性效应；1.动物：某些物种的种性特征，XO型性别决定;2.植物：不同植物的单体表现有所不同二倍体的单体：一般生活力极低而且不育
19、异源多倍体的单体：具有一定的生活力和育性2) 缺体（2n-2)源于单体（2n-1) 的自交；由于缺失一对染色体，对生物个体的性状表现的影响更大，生活力更差普通烟草的缺体在幼胚阶段即死亡普通小麦21种缺体都能够生存在异源多倍体生物中可以存在3) 三体（2n+1)不同物种，不同染色体的三体的变异性状及程度不同直果曼陀罗(2n=24)的果型变异玉米(2n=20)有10个不同的三体普通小麦(2n=42)具有21个三体，但性状变异较小 （三）染色体数量异常与人类疾病：21三体综合征特殊面容;智力低下;50%有先天性心脏畸形;通贯手（猿线）;男患者无生育力、50%隐睾；女患者偶有生育力、后代1/2发病，寿
20、命短18三体综合征手呈特殊握拳状，摇椅型足;智力和发育迟缓，多脏器畸型;90%在6个月内死亡Turner 综合征（女性先天性卵巢发育不全）核型：45, XKlinefelter 综合征 （先天性睾丸发育不全）核型：47，XXY 48，XXYY 48, XXXYX三体综合征（Trisomy X syndrome)核型： 47, XXXXYY综合征（XYY Syndrome）核型： 47, XYY检测人类胎儿非整倍体的方法：羊膜腔穿刺术及胎儿核型鉴定二、染色体结构变异-畸变染色体结构变异的机制：染色体断裂后的异常重接1. 缺失：缺失的类型：1）末端缺失；2）中间缺失；环状染色体 (ring chr
21、omosome,r )：当一条染色体的长臂和短臂同时各发生一次断裂后，含有着丝粒节段的染色体长、短臂断端相接，即形成环状染色体。在肿瘤细胞中较常见。细胞学效应： 1）缺失环 (deletion loop) 2）染色体长度的改变遗传学效应：1)致死效应：如果缺失的染色体片段较大，个体往往因缺乏正常的生活能力而引起死亡。X染色体的缺失则半合子（XY个体)一般也会致死。 2) 假显性（pseudodominance）：由于一条染色体上显性基因的缺失，使得其同源染色体上的隐性基因的效应表现出来。2. 重复：类型：串联重复；反向串联重复细胞学效应：重复环/染色体长度的变化遗传学效应：1）生活力下降甚至致
22、死2）剂量效应和位置效应3.倒位：类型：臂内倒位 臂间倒位细胞学效应：倒位环（inversion loop)遗传学效应： 交换抑制:指倒位染色体中由于倒位环内非姐妹染色单体间发生了一次单交换，而交换的产物都带有缺失或重复，不能形成有功能的配子，表现出交换被抑制的现象平衡致死系（balanced lethal system)：永远以杂合状态同时保存两个隐性致死基因的品系。平衡致死的先决条件：两个非等位的隐性致死基因永远保持于一对同源染色体的不同成员上。4.易位：类型： 1）相互易位：最常见形式。两条非同源染色体各产生一个断裂，并相互交换断裂片段。 2）整臂易位：两条非同源杂色体的断裂点发生在着丝
23、粒附近，导致相互间整个臂的转移或交换。 3）罗伯逊易位：为整臂易位的特殊形式。只发生在两条近端着丝粒的非同源染色体之间，各自的着丝粒区发生断裂，两者的长臂重组形成一条大的亚中着丝粒色体；而重组的短臂染色体很微小，一般在细胞分裂的过程中消失。细胞学效应：易位环/十字架结构 遗传学效应：配子的半不育易位的结果会在杂合体中造成部分不育，而能育的配子绝大部分是由相间分离产生的。染色体结构异常与人类疾病：5P-综合征（猫叫综合征）46, XX/XY, del(5p)脆性X染色体综合征 46, fra(X)Y易位型21三体综合征嵌合型：46/47，XX或XY，+21正常的受精卵在胚胎发育早期的卵裂过程中，
24、21号染色体发生不分离染色体畸变的描述方法染色体总数，性染色体组成，增加/缺失的染色体号，重排染色体类型（染色体号）（臂区带） 转座因子与染色体变异转座子（transponson）：是指存在于染色体DNA上可以自主复制和位移的一段DNA顺序。细菌中的转座子：1. IS元件(insertion sequence or IS element):反向末端重复(inverted repeats,IR)：9-40 bp, 是大多数但不是全部种类的转座子的特征；转座酶(transposase)：切割DNA双链、催化IS的转座，由IS编码；靶位点倍增(target site duplication): 2-
25、13bp的正向重复序列(direct repeats, DR)；转座酶交错切开宿主靶位点，然后IS插入，与宿主的单链末端相连接，余下的缺口由DNA聚合酶和连接酶加以填补，最终插入的IS两端形成了DR或靶重复。 结构紧凑；一般小于2500bp； 靶向选择各有不同； 一个细菌的染色体可能包括一种特定类型的IS元件的几个拷贝；2.复合转座子（composite transposon, 用Tn表示） 两端的组件由IS元件组成，中间夹着一个或多个结构基因复合转座子的转座是可调节的；3. Tn3元件：两端没有IS元件，只有40bp左右的简单反向重复序列；真核生物中的转座子：1. 玉米中的Ac-Ds系统Ds
26、：即解离因子（dissociator），插入到C基因（色素）中，使之突变，成无色素。另一个可移动的控制因子是Ac，称激活因子Ac能激活Ds转座进入C基因或其它基因，也能使Ds从基因中转出，使突变基因回复，这就是Ac-Ds系统。 Ac和Ds都能移动； Ac元件：4563bp, 结构中含5个外显子的单个基因，其产物是转座酶；末端11bp的IR和8bp的DR，DR是由靶位点重复而成。 Ds元件：内部序列缺失的Ac；但在Ac编码的转座酶作用下，仍可被激活。 Ac元件编码转座酶为一反式作用因子；2. 果蝇中的P因子和杂种不育P因子的细胞型调节： P细胞型：染色体上含有P因子，抑制P因子移动； M细胞型：
27、染色体上不含P因子，允许P因子移动；3. 酵母的Ty1转座子-反转录转座子转座（transposon)：从DNA到DNA的转移； 反转录转座（retrotransposon)：从DNA到RNA再到DNA的转移过程。可分为两大类：类反转录病毒元件（retroviruslike element):与反转录病毒结构类似：编码区位于中间，两侧有相同方向的长末端重复序列（long terminal repeats, LTR), 也被称为LTR反转录转座子。区别：但不能在细胞间迁移。非LTR反转座因子3.人类中的转座元件 第十章 基因突变与检测突变（mutation）：指个体遗传物质的改变或是改变发生的过
28、程。突变型（mutant):由于突变而表现出突变性状的细胞或个体。点突变（point mutation）：基因核苷酸序列特定位点所发生的改变。突变的结果是使基因从一种等位形式变为另一种等位形式。基因突变的基本特征可发生在个体的所有基因上，是进化必需的遗传变异来源为随机事件，而非对环境的适应性改变个体发育的任何阶段、任何细胞均可发生基因突变可自发，也可被诱导自发突变（spontaneous mutation):在无人工干预条件下，自然发生的基因突变。诱发突变（induced mutation):因个体暴露于物理或化学因素而引起的DNA突变。这种因素称为诱变剂（mutagen)。突变率（mutat
29、ion rate）：指在一个世代中或在规定的时间内，在特定条件下，一个细胞发生某一突变事件的概率。基因突变的可逆性正向突变(forward mutation)：第一次偏离正常的突变称为正向突变。（野生型变为突变型）反向突变(reverse mutation) ：与正突变逆向的突变称为反向突变，又称为回复突变(back mutation)。 （突变型变为野生型）突变的效应突变的分子效应1）同义突变（synonymous mutation): 突变使一个氨基酸的密码子突变为该氨基酸的另一个密码子；2）错义突变（missense mutation）：突变使编码某种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的
30、密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变;3）无义突变（nonsense mutation）：突变使编码某一氨基酸的三联体密码变成不编码任何氨基酸的终止密码UAA、UAG或UGA;4）移码突变（ frameshift mutation）： DNA序列中插入或缺失一个或几个碱基，从而使自插入或缺失点以下的三联体密码的组合发生改变，进而使编码的氨基酸种类和序列发生变化。突变发生在基因的非编码区： 1）调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发生改变； 2）内含子与外显子剪辑位点突变：GT-AG中的任一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能形成正确的mRNA分子。突变的个体效应功能丧失突变（loss of function)：编码蛋白的功能减弱或消除功能获得突变（gain of function)：赋予编码蛋白异常活性，多数突变发生在基因的非编码区突变的有害性有利性是相对的突变的分子基础核苷酸序列改变来分：碱基替换（base substitution):指一对碱基被另一对碱基所替换。转换（transition)：嘌呤间、嘧啶间颠换 (transversion)：嘌呤与嘧啶间碱基的增加或缺失诱发突变诱变剂 描述 化学诱变剂 脱氨基 诱导碱基脱氨的因子, 如亚硝酸（非专一性）,亚硫酸氢钠（专一性） 烷化剂 用烃链或其衍生物取代亲核中心，如EMS
