1、中科院遗传学考试内容完整版中科院水生所遗传学考试内容（1）基因和基因组 1熟练掌握孟德尔定律和连锁互换规律，了解基因概念的历史变迁，准确理解基因在现代遗传学中的定义。 1）基因分离定律：在第一次减数分裂时 ，由于同源染色体的分离 ，使位于同源染色体上的等位基因分离 ，从而导致性状的分离 。 由于决定不同性状的两对非等位基因分别位于两对非同源染色体上 ，形成配子时同源染色体上的等位基因分离 ，非同源染色体上的非等位基因以同等的机会在配子内自由组合 ，从而实现性状的自由组合。2）自由组合定律：支配两对（或两对以上）不同性状的等位基因 ，在杂合状态保持其独立性 。 配子形成时 ，各等位基因彼此独立分
2、离 ，不同对的基因自由组合 。 在一般情况下 ，F1 配子分离比为 1：1：1：1；F2 基因型分离比率为（ 1：2：1）2，即（1/42 /4 1/4）2三项式展开式的各项系数 ；F2 表型比率为（3 /41/4）2二项式展开式的各项系数 。3）连锁定律（law o f linkage） ，是指位于同一染色体上的基因联合在一起伴同遗传的频率大于重新组合的频率 ，重组体或重组子（recomb inant）的产生是由于在配子形成过程中同源染色体的非姊妹染色单体间发生了局部交换 。以上合称为遗传学的三大定律 。基因概念的历史变迁： 1866，年Mendel在他的豌豆杂交实验论文中首次提出遗传性状是
3、由遗传因子控制的假说； 1909年，丹麦学者Johannson第一次提出“基因（gene）”这一术语，泛指那些控制任何性状，又依孟德尔规律的遗传因子； 1911，Morgan通过对果蝇的研究，证明基因在染色体上呈直线排列，至此经典遗传学把基因看作是不可分割的结构单位和功能单位，是决定遗传性状的功能单位和突变、重组 “三位一体”的最小单位； 1941年美国生物学家比德尔和塔特姆证明酶有控制基因的作用，认为一个基因的功能相当于一个特定的蛋白质（酶），基因和酶的特性是同一序列的，每一基因突变都影响着酶的活性，于是在1946年提出了“一个基因一个酶”的假说，奠定了基因和酶之间控制关系的概念，开创了现代
4、生物化学遗传学。 1944年，O.T.Avery通过肺炎球菌的转化试验，证明基因的化学成分为DNA,基因是DNA分子上的功能单位； 1951年，M cC lintock提出了生物的基因组中存在转座因子学说 。 这些转座因子既可以沿染色体移动 ，也可以在不同染色体之间跳跃 。这是遗传学发展史中划时代的重大发现 ，将基因概念向前推进了一大步 。 1955年，S.Benzer根据侵染大肠杆菌的T4噬菌体基因结构的分析，证明了基因的可分性，提出了突变子、重组子和顺反子的概念，认为顺反子是遗传的功能单位，相当于传统意义上的基因，它包括许许多多突变子或交换子。突变子或交换子经后来证明就是一个核苷酸对。否定
5、了决定遗传性状的功能单位和突变、重组 “三位一体”的最小单位。一个顺反子就是一个基因，是指携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本遗传单位，这个基因或者编码蛋白质，或者编码RNA分子（tRNA、rRNA）。基因在现代遗传学中的定义：基因：是指携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。现代基因的概念将基因的结构和基因的功能联系起来了 ，特别强调基因是合成一条有功能的多肽或 RNA分子所必需的完整的 DNA序列 。 这里 ，完整的 DNA序列提示我们不能忽略 RNA编码区两端的转录调控区 。 在基因组研
6、究中 ，往往利用被起始密码与终止密码所界定的一串密码子的可读框 ，作为鉴别和寻找编码蛋白质的基因的依据。严格地讲 ，根据现代基因的概念 ，这只是找到为蛋白质编码的 RNA编码区 ，还不能认为找到了一个完整的基因 。2理解基因型和环境因素对于生物表型的作用，掌握等位基因间和非等位基因间相互作用的不同表现形式(笔P17)。 生物体能有序地生长、发育和繁殖，这是基因表达调控的结果，各种性状的出现，则是基因型和环境相互作用的产物。Eg玉米中的隐性基因a使叶内不能形成叶绿体，造成白化苗，显性等位基因A是叶绿体形成的必要条件。在有光照时，AA、Aa个体都表现绿色，aa个体表现白色；而在无光照条件下，无论A
7、A、Aa还是aa都表现白色。这也说明，在同一环境条件下，基因型不同可产生不同的表型；另一方面，同一基因型个体在不同条件下也可以发育成不同的表型。这也正反映了外因是变化的条件，内因是变化的根本，外因通过内因而起作用的唯物辩证的观点。3熟悉基因在原核生物和真核生物中不同的结构和组织方式。 参考下题4熟悉真核生物、原核生物和病毒基因组的结构特点、真核生物染色体的包装模型、原核生物和真核生物基因组序列的基本差异。 2）真核生物染色体的包装模型：染色体包装的模型有：多级螺旋模型、骨架-放射环模型。染色质包装的多级螺旋模型：1.由DNA与组蛋白包装成核小体，在组蛋白H1的介导下核小体彼此连接形成直径约10
8、nm的核小体串珠结构，这是染色质包装的一级结构。2.在有组蛋白H1存在的情况下，由直径10nm的核小体串珠结构螺旋盘绕，每圈6个核小体，形成外径为30nm，内径10nm，螺距11nm的螺线管，这是染色质包装的二级结构。3.由螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4m的圆筒状结构，称为超螺线管，这是染色质包装的三级结构。4.这种超螺线管进一步螺旋折叠，形成长2-10m的染色单体，即染色质包装的四级结构。？3）原核生物和真核生物基因组序列的基本差异真核生物基因组特点1.基因组较大。真核生物的基因组由多条线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的DNA分子，每个DNA分子有多个复制起点。 2.不存在操纵子结
9、构。真核生物的同一个基因簇的基因，不会像原核生物的操纵子结构那样，转录到同一个mRNA上。 3.存在大量的重复序列。真核生物的基因组里存在大量重复序列，通过其重复程度可将其分成高度重复序列、中度重复序列、低度重复序列和单一序列。 4.有断裂基因。大多数真核生物为蛋白质编码的基因都含有“居间序列”，即不为多肽编码，其转录产物在mRNA前体的加工过程中被切除的成分。 原核生物基因组特点1.基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子。 2.基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短。 3.功能相关的序列常串连在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多种蛋白
10、质的合成，这种结构称操纵子。原核生物基因组和真核生物基因组的区别：1、真核生物基因组指一个物种的单倍体染色体组(1n)所含有的一整套基因。还包括叶绿体、线粒体的基因组。原核生物一般只有一个环状的DNA分子，其上所含有的基因为一个基因组。2、原核生物的染色体分子量较小，基因组含有大量单一顺序（unique-sequences），DNA仅有少量的重复顺序和基因。真核生物基因组存在大量的非编码序列。包括：.内含子和外显子、.基因家族和假基因、重复DNA序列。真核生物的基因组的重复顺序不但大量，而且存在复杂谱系。3、原核生物的细胞中除了主染色体以外，还含有各种质粒和转座因子。质粒常为双链环状DNA，可
11、独立复制，有的既可以游离于细胞质中，也可以整合到染色体上。转座因子一般都是整合在基因组中。真核生物除了核染色体以外，还存在细胞器DNA，如线粒体和叶绿体的DNA，为双链环状，可自主复制。有的真核细胞中也存在质粒，如酵母和植物。4、原核生物的DNA位于细胞的中央，称为类核（nucleoid）。真核生物有细胞核，DNA序列压缩为染色体存在于细胞核中。5、真核基因组都是由DNA序列组成，原核基因组还有可能由RNA组成，如RNA病毒。5了解真核生物线粒体、叶绿体和细菌质粒的遗传及分子基础（笔P39），掌握核外遗传的性质和特点，理解母性影响和植物雄性不育。 1. 线粒体遗传的分子基础线粒体中含有DNA，
12、简称mtDNA，多为闭合环状结构，也有线状的。mtDNA与核DNA的区别： mtDNA 与原核生物DNA一样，没有重复序列。 mtDNA的浮力密度比较低。 mtDNA中G/C含量高。 mtDNA的两条单链的密度不同，一条为重链，一条为轻链。 mtDNA的分子量小。 单倍体酵母细胞内可以有145个线粒体，每个线粒体内可以有50150个线粒体DNA分子。 线粒体不仅含有DNA，亦含有核糖体（74s）和各种RNA（tRNA、 rRNA和mRNA）。这些RNA均转录于mtDNA。线粒体中有100种蛋白质，其中10种左右是线粒体自身合成的，其中包括三种细胞色素氧化酶亚基，四种ATP酶亚基和一种细胞色素b
13、亚基。编码这些蛋白质的基因都已经定位在mtDNA上。线粒体上的其它蛋白质都是由核基因编码的。2. 细菌质粒遗传的分子基础1）DNA特性：半保留复制，分为严紧型和松弛型，严紧型随宿主染色体复制而复制，松弛型则不受宿主的影响；不相容性，指一个不相容质粒中成员不能在相同细胞内同时存在的现象；转移性，自然条件下，许多质粒都可通过细菌接合作用将复制子转移到新的宿主细胞内，在接合期间，宿主DNA不能复制，只有质粒基因才能复制。5.质粒中含选择标记基因。3.核外遗传的性质和特点由细胞质基因组所决定的遗传现象和遗传规律统称为细胞质遗传（cytoplasmic inheritance）。细胞质遗传又统称为非染色
14、体遗传、非孟德尔遗传、核外遗传、染色体体外遗传、母体遗传等。性质：非孟德尔遗传 细胞质遗传的特点 1、正交和反交的遗传表现不同； 2、杂交后代的表型现分离不符合Mendel比例； 3、通过连续回交，能把母体的核基因全部置换掉，但母体的细胞质基因及其控制的性状仍不消失； 4、由附加体或共生体决定的性状，其表现类似于病毒的转导和感染。4.母性影响和植物雄性不育由于母体中核基因的某些产物积累在卵母细胞的细胞质中，使子代表型不由自身的基因型所决定而出现与母体表型相同的遗传现象，则称为母体影响（maternal effect）。母体影响有两种：一种是短暂的，只影响子代个体的幼龄期；另一种是持久的，影响子
15、代个体终生。母性影响的遗传现象并不是细胞质所决定的，而是由核基因的产物积累在卵细胞中所决定的。所以，就其实质而言，它不属于细胞质遗传的范畴。一。植物花粉败育的现象称为雄性不育（ma le sterility）。根据其遗传机制植物的雄性不育性可分为：核不育性，质核互作不育性。1、核不育性 由核内基因所决定的雄性不育类型，简称核不育性。多数核不育性均受一对隐性基因（ms）所控制，纯合体（msms）表现为雄性不育，这种不育性能为相对显性基因（Ms）所恢复。杂合体（Msms）后代呈简单的孟德尔式分离。因此，用普通的遗传学方法不能使整个群体均保持这种不育性。这是核不育性的一个重要特征，也是人们利用核不育
16、性的最大障遏。 核不育性的花粉败育过程发生在花粉母细胞减数分裂期间，不能形成正常的小孢子，败育十分彻底。因此可育株与不育株有明显的界限。 亦有显性基因控制的雄性不育。2、质核互作不育类型 由细胞质基因和核基因相互作用共同控制的雄性不育类型，简称为质核互作型雄性不育性。质核互作型不育性的表型特征比核不育性复杂。花粉的败育多发生在减数分裂以后的雄配子形成期，也有少数植物发生在减数分裂过程中或在此以前。 质核型不育性由不育的细胞质基因和与其相对应的核基因所决定。质核型不育系的遗传特点： 1、孢子体不育和配子体不育 2、胞质不育基因的多样性与核育性基因的对应性 3、单基因育性和多基因育性二、雄性不育的
17、发生机理 1、 胞质不育基因的载体 有许多证据支持线粒体基因组是雄性胞质不育基因的载体。也有人认为，有一种决定育性的游离因子，这种因子既可以整合到核内染色体上，又可以进入细胞质中。当它进入S型细胞质中时，使个体正常能育，当它进入细胞核中时，则使个体变成恢复系。如果个体中没有这种游离因子，则导致雄性不育。 2、 关于质核不育型的假说 质核互补控制假说 这个假说认为，细胞质不育基因存在于线粒体上。在正常情况下（N）mtDNA携带能育的遗传信息，正常转录为mRNA，并在线粒体内的核糖体上合成蛋白质，从而保证雄蕊发育过程中的全部代谢活动的正常进行，最终形成结构、功能正常的花粉。当mtDNA上的某个或某
18、些区段发生变异，使可育的胞质基因N变为S时，破坏了花粉形成过程中的正常代谢，导致花粉败育。mtDNA发生变异以后，是否一定导致花粉败育，还要看核基因的作用。当核基因为R时，携带可育的遗传信息，通过mRNA，在细胞质核糖体上翻译成蛋白质，使花粉正常可育。当核基因为r时，不能形成正常花粉。 只要核质双方有一方携带可育遗传信息，无论是N还是R，花粉都可育。R可以补偿S的不足，N可以补偿r的不足。只有S与r同时存在时，相互不能补偿，才表现不育。6了解重复序列、基因和基因组演化的途径和基本原理。1. 真核生物基因组序列大致可分为 3种类型：（1） 单拷贝序列（unique sequence）亦称非重复序
19、列（nonrepetitive sequence）：真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。不同生物基因组中单拷贝序列所占的比例是不同的。（2） 中度重复序列（moderately repetitive sequence）：如珠Pr基因、假基因和一些回文序列等。（3） 高度重复序列（highly repetitive sequence）：，如卫星 DNA。 这些重复序列大部分集中在染色体的异染色质区 ，特别是在着丝粒和端粒附近。高度重复序列中常有一些AT含量很高的简单串联重复序列 。 2. 染色体的结构变异，重复、倒位和易位等，可导致重复序列的产生，egB-珠蛋白家庭基因，又经基因突变产生
20、有功能的新基因，在染色体上成簇排列。3. 遗传物质的改变主要包括基因突变 、遗传重组和染色体畸变 ，是进化的基础 。 遗传物质改变所发生的分子事件是基因组进化的分子基础。基因组随时间而进化 ，由突变引起小规模序列改变 ，而重组则使其产生 DNA序列大规模重排 。重组和突变是遗传变异的两种截然不同的机制 ，重组是已经存在的信息重排 ，而突变是在基因组中导入新的信息 。 在真核生物中重组涉及真核细胞减数分裂时同源染色体之间的交换 。 随后又在分子水平观测到细菌的接合 、转导和转化等都与外源 DNA的重组有关 。 重组可直接改变基因组的遗传组成。重组主要包括同源重组、位点专一重组、转座和异常重组这四
21、种方式 ，其分子机制是互不相同的基因组的进化表现为编码区组分 DNA与非编码区组分 DNA的进化 。 编码区组分 DNA的进化主要表现在新基因的获得 。（1） 基因组大小的进化：主要反映在基因组 DNA含量 、基因组的结构以及基因组所含基因的数量多少等几个方面 。（2） 基因组的分子进化：DNA序列的进化：基因的不同区域 ，其进化速率不同 。 内含子中的碱基对趋异进化速率大于外显子 ；在有功能的基因中 ，编码序列涉及同义突变的进化速率快于非同义突变的速率 ，因为这种改变不会影响到蛋白质的功能 。 编码序列中的非同义突变的进化速率最低 ，这些核苷酸发生突变会改变蛋白质中氨基酸的序列 ，因此这种突
22、变大部分会被自然选择所淘汰 。没有功能的假基因进化速率最高。多基因家族的进化 ：基因的进化机制主要是通过基因扩增和不均等交换形成多拷贝基因 ，再通过突变积累 、基因重排和自然选择等因素形成多成员的基因家族或形成新的基因 。此外，外显子混编、基因水平转移（gene latera l transfer）等现象都可以产生新的基因，促进基因组的进化。这些通过水平转移产生的外源基因在选择的作用下，经过突变积累，功能分化，可能形成新的基因。（二）遗传信息的复制和变异1了解DNA复制的基本方式和过程、参与复制的酶和蛋白。 1DNA复制的过程：方式 半保留半不连续复制1 。DNA双螺旋的解除：DNA的解旋过程
23、由DNA解旋酶（helicase）催化解开后，单链DNA 结合蛋白（single-strand DNA-binding protein，SSB protein）马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。2 DNA合成的开始：以DNA 为模板，根据碱基配对原则，在一种特殊的RNA聚合酶-DNA引物酶（DNA primase）的催化下，先合成一段长560个核苷酸的RNA引物，提供3端自由-OH。然后，在DNA聚合酶的作用下进行DNA的合成。DNA两条新链的合成从一个复制叉（replicating fork）向着同一方向延伸的。而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从35，而另一条从53
24、，为反向平行。3 DNA合成的延伸：在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶就可以开始进行DNA的合成。而在后随链上， 每个冈崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶才能进行DNA的合成。随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所代替。在大肠杆菌中，此过程是在DNA聚合酶的催化下完成的。因为DNA聚合酶有5 3聚合酶功能，以临近冈崎片段的3端自由-OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。最后由连接酶（DNA ligase）将冈崎片段连接起来，形成一条完整的新链。4 DNA合成的终止：复制叉行进到一定部位就停止前进，最后前导链与随从链
25、分别与各自的模板形成两个子代DNA分子，至此复制过程就完成了。2DNA参与复制的酶和蛋白：1. 螺旋的构象变化与解链包括超螺旋的构象变化及双螺旋的解链，参与者主要为拓朴异构酶、解链酶及单链结合蛋白等。（1）拓扑异构酶拓扑异构酶（topoisomerase）是一类可改变DNA拓扑性质的酶。DNA拓扑酶有多种，主要有型及型。I型不需ATP，II型则需ATP参加。此两型酶还都有DNA连接酶的活性。（2）解链酶DNA复制进行时，首先要在复制起点处解开双链，反应是在一类解链酶（helicase）的催化下进行的。解链酶要通过ATP的分解获得能量，以解开双链，以便DNA结合蛋白与其结合。（3）单链结合蛋白（
26、DNA结合蛋白）单链结合蛋白（single strand binding proteins ，SSB）又称DNA结合蛋白（DNA binding protein，DBP）。它可以与单链DNA紧密结合，可稳定此单链以利于其发挥模板作用。SSB也与复制新生的DNA单链相结合，以保护其免于被核酸酶所水解。综上所述，在DNA复制的第一阶段中，在拓扑酶的作用下，DNA的拓扑构象有所变化；在解链酶的作用下，DNA的双链解开为两条单链，SSB结合在单链模板上保护其免于被核酸酶水解，复制才能开始进行。复制过程开始时，要经过引发阶段，然后才能进入DNA链的合成。2. 引发DNA复制开始时，先要有引发阶段，即有引
27、物RNA的合成。前导链的引发较简单，在引发酶催化下，有一个短的RNA引物（1060核苷酸）合成，继而从RNA引物的 3末端开始连续地进行DNA链的合成。随从链的合成是不连续的，引发阶段也比较复杂，有多种蛋白及酶参与，主要的是引发酶（primase）及引发前体（preprimosome）。（1）引发酶 引发酶又称引物酶，它是一种特殊的RNA聚合酶，可催化RNA短片段的合成。RNA合成反应是以DNA为模板，按碱基互补规律，核苷酸从53方向合成RNA片段，称为RNA引物。引发酶发挥其作用还需有其它蛋白因子的促进，即需要有引发前体的存在。（2）引发前体 引发前体包含有多种蛋白质因子。引发前体在引发酶的
28、作用下，两者联合装配成引发体（primosome），继而两者又可解离。引发前体沿随从链的模板顺复制叉的行进方向移动，它连续地与引发酶联合并解离，从而在不同部位引导引发酶催化合成RNA引物。这也为随从链的不连续合成准备了条件。引发过程也是在复制起始点oriC开始进行的。引发过程中合成了随从链的RNA引物，在引物的3-OH末端进行DNA片段的合成。3. DNA链的延长DNA链的延长是在DNA聚合酶（DNA polymerase，DNA pol）催化下，以四种三磷酸脱氧核苷（dNTP）即dATP、dGTP、 dCTP、dTTP为原料，进行的聚合作用。反应体系中有DNA模板、引物及Mg2+的存在。聚合
29、作用是自引物的3-OH端上开始，以5 3方向逐个地加入脱氧核苷酸dNMP，而脱下焦磷酸PPi，使DNA链得以延长。DNA链的延长速度是很快的，在大肠杆菌中是以每秒500个脱氧核苷酸聚合速度进行的。在原核生物及真核生物中DNA聚合酶有几种类型，其作用方式基本相同，但也有些不同的特性及功能。DNA复制过程中，经过了链延长阶段后，合成出的前导链为一条连续的长链。随从链则是由合成出许多相邻的片段，在连接酶的催化下，连接成为一条长链。连接作用是在连接酶催化下进行的。连接酶（ligase）的作用是催化各相邻的DNA片段以3，5-磷酸二酯键相连接。通过连接酶的催化作用，随从链的各个DNA片段均可以3，5-磷
30、酸二酯键连接，生成一条DNA长链。4. 终止大肠杆菌DNA复制的终止发生在距离复制起始点oriC约270kb区的中心，称之为终止区（termination region，ter）。在此区中包含有5个ter序列，其核心序列为GTGTGGTGT，它们可以和Tus蛋白（terminator utilization substance）结合，阻止了解链酶发挥作用，促使复制的终止。DNA复制完成后，又可在拓扑酶作用下，将DNA分子引入超螺旋结构，进行进一步的装配。DNA复制是一个复杂的过程，有多种酶及蛋白质因子参与，它们各自起着不同的作用。三。原核生物与真核生物DNA复制的不同点 不同点原核生物真核生物 起始位点一个 多个（多至千个） 前导链合成DNA聚合酶DNA聚合酶 随后链合成DNA聚合酶DNA聚合酶 引物长短50100个核苷酸10个核苷酸 冈崎片段长短10002000个核苷酸100200个核苷酸 RNA引物水解 DNA聚合酶 核酸酶H 修补缺口DNA聚合酶DNA聚合酶 复制速度快 慢四。真核生物DNA合成的特点：1 DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期。真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成。2 原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则是多起点的3真核生物DNA合成所需的RNA引
