遗传部分专业知识专家讲座

第二章遗传分子基础遗传部分专业知识专家讲座第1页一、基因概念及其发展（一）基因概念提出（二）基因结构与功效探索（三）当代分子遗传学关于基因概念遗传部分专业知识专家讲座第2页（一）基因概念提出

孟德尔（Mendel）遗传因子：一个因子决定一个性状(1865年)。约翰森（Johannsen）：首先提出基因一词（1909年）。遗传部分专业知识专家讲座第3页1857年，奥地利一名神父孟德尔在他所在修道院后院开始进行长达8年豌豆杂交试验。1865年，孟德尔依据豌豆杂交试验结果，发表了著名论文《植物杂交试验》，阐述了他所发觉显性、隐性遗传现象和两个主要遗传学规律——分离规律和自由组合规律。JohannGregorMendel（1822～1884）遗传部分专业知识专家讲座第4页孟德尔遗传因子孟德尔提出：●生物遗传性状是经过“遗传因子”（hereditaryfactor）进行传递●遗传因子是一些独立遗传单位孟德尔把可观察性状和控制它内在遗传因子区分开来遗传因子作为基因雏形名词诞生了遗传部分专业知识专家讲座第5页1900年，是遗传学史乃至生物科学史上划时代一年，来自三个国家三位学者独立地“重新发觉”了孟德尔遗传规律，他们是荷兰德弗里斯(HugoDeVries，1848～1935)、德国柯灵斯(CarlErichCorrens，1864～1933)和澳大利亚契马克(ErichvonTschermak-Seysenegg，1871～1962)。从此，遗传学进人了孟德尔时代。“重新发觉”孟德尔遗传部分专业知识专家讲座第6页HugoDeVries(1848～1935)CarlErichCorrens(1864～1933)

ErichvonTschermak（1871～1962）

重新发觉孟德尔生物学家遗传部分专业知识专家讲座第7页1909年，丹麦遗传学家约翰逊在《精密遗传学原理》一书中依据希腊语“给予生命”之义，创造“基因”（gene）一词来代替孟德尔假定“遗传因子”。从此基因便成为遗传因子代名词一直沿用至今。

不过此时基因依然是一个未经证实、仅靠逻辑推理得出概念。

WilhelmLudwigJohannsen（1857～1927）遗传部分专业知识专家讲座第8页（二）基因结构和功效探索伴随遗传学、分子生物学、生物化学发展，人们对基因本性认识逐步深入，基因概念和涵义也不停地发展和丰富。遗传部分专业知识专家讲座第9页1、基因与染色体在孟德尔结果取得认可后，生物界都知道是遗传因子（即基因）决定了生物遗传。不过，基因终究在细胞内什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题，基因在染色体上。

遗传部分专业知识专家讲座第10页摩尔根和他学生利用果蝇作了大量研究。1926年出版《基因论》，建立了著名基因学说。

ThomasHuntMorgan（1866～1945）遗传部分专业知识专家讲座第11页摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因位置图，首次完成了当初最新基因概念描述：基因是在染色体上呈线性排列遗传单位，它不但是决定性状功效单位，也是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念了解愈加详细和丰富了。

遗传部分专业知识专家讲座第12页摩尔根果蝇遗传试验含有划时代意义

◆人类第一次把基因与染色体联络起来，认为基因是一个物质，是染色体上一个特定区段。

◆确立并发展了染色体遗传理论。遗传部分专业知识专家讲座第13页ThomanHuntMorgan（1866～1945）因发觉染色体遗传机制，创建染色体遗传理论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖遗传部分专业知识专家讲座第14页基因是何物?基因物质结构和化学组成怎样?基因是怎样决定遗传性状?这些问题在摩尔根时代依然是谜。遗传部分专业知识专家讲座第15页2、基因与DNA摩尔根确定了染色体是基因载体。基因研究发展到细胞学水平之后，急需处理两个基本问题：

（1）基因化学本性是什么？（2）基因是怎样工作？

遗传部分专业知识专家讲座第16页在研究基因化学本质上，细胞化学起了主要作用。细胞化学研究表明，染色体主要成份是蛋白质和核酸。那么，基因终究是蛋白质还是核酸？蛋白质作为生命物质主要成份和生命活动表达者，它不但参加全部生命过程，而且它化学结构也有多样性和可塑性。遗传部分专业知识专家讲座第17页◆所以在相当一段时间里，学术界认为基因是蛋白质，认为只有像蛋白质这么复杂大分子才能决定细胞特征和遗传遗传部分专业知识专家讲座第18页◆认识到基因化学本质是核酸而不是蛋白质，经历了一段漫长历史过程。◆发觉DNA遗传功效，始于1928年格里菲斯（P．Griffith）所做用肺炎双球菌感染小鼠试验。

遗传部分专业知识专家讲座第19页1928年，英国科学家格里菲思在肺炎球菌试验中首次发觉了基因是一类特殊生物分子证据。

FredericGriffith1879—1941遗传部分专业知识专家讲座第20页肺炎双球菌有两种类型：S型菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑（smooth），有毒性，能够使人患肺炎或使小鼠患败血症R型不具荚膜，菌落粗糙（rough），无毒性，不致病

遗传部分专业知识专家讲座第21页格里菲斯用肺炎球菌做试验时发觉了一个令人惊异现象：加热杀死能致病S型菌＋不能致病R型菌→混合→注射到小鼠体内→小鼠病死→从死鼠体内分离出大量S型肺炎球菌莫非S型致病菌复活了吗？这就是著名“格里菲斯之谜”。

“死菌复活”之谜

遗传部分专业知识专家讲座第22页遗传部分专业知识专家讲座第23页●这是一个令人迷惑结果R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而二者混合注入却致病了。●解释：

加热杀死S型菌中存在某种造成细菌类型发生转化物质。这种物质终究是什么，人们尚不知道，暂时叫做“转化因子”（transformingprinciple）。

R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌现象，称为转化（transformation）

。

遗传部分专业知识专家讲座第24页造成R型细菌发生转化因子，其化学本质终究是什么？这个问题，与遗传学家提出“基因化学本质是什么？”实质上是同一个问题。

遗传部分专业知识专家讲座第25页格里菲斯发觉转化现象为以后认识到DNA是遗传物质奠定了基础。在美国纽约洛克菲勒研究所工作Avery立刻敏感地抓住了这一问题，并在此基础上继续研究，取得了重大突破。遗传部分专业知识专家讲座第26页在格里菲斯发觉肺炎球菌遗传转化现象之后不过多年（30年代初），加拿大生物化学家艾弗里领导一个研究小组便开始探寻转化因子。他们在试验中发觉：死去S型菌并未复活，而是S型菌DNA进入了R型菌，使其转化为新S型致病肺炎双球菌。艾弗里等人试验不但揭开了“格里菲斯之谜”，而且在世界上第一次证实基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery（1877～1955）遗传部分专业知识专家讲座第27页艾弗里等人试验证据：分离S型死菌提取液→分别检测各分离组分（蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA）转化活性→只有DNA含有转化因子活性遗传部分专业知识专家讲座第28页遗传部分专业知识专家讲座第29页

深入试验：

用化学法和酶法

↓去除S型死菌抽提物中蛋白质、类脂、多糖和RNA

↓抽提物剩下物质↓

R型→转化→S型

1944年，他们确认，“转化因子”就是DNA。

艾弗里等人试验和结论是对DNA认识史上一次重大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重传统观念。

遗传部分专业知识专家讲座第30页

但当初主流观点并不接收艾弗里DNA是遗传物质观念，认为提取DNA不论怎样纯净，依然可能有残余蛋白质，蛋白质才是有活性转化因子遗传部分专业知识专家讲座第31页针对学术界否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌细胞抽提物。

结果:（1）能够破坏、消化蛋白质胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性；（2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）RNA酶对转化活性无影响；（3）在加入分解、消化DNADNA酶后，转化活性丧失。

这些试验深入证实了DNA作为遗传信息载体功效。遗传部分专业知识专家讲座第32页发觉遗传物质化学本质是DNA，这是基因研究上一个主要里程碑。但在当初，这项主要发觉并未引发足够重视。艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖候选人，但当初评奖委员会认为“最好等到DNA转化机理更多地为人们所了解时候再说”。可是，当争议平息、诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时，他已经逝世了。遗传部分专业知识专家讲座第33页1951年，赫里奥特（R·Herriott）提出一个十分富有魅力和启发性假说：

“病毒作用可能像一个充满着转化因子注射针。这么病毒本身不会进入细胞，但它不但用尾部接触寄生细胞，并可能经过酶作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部DNA就钻入细胞。”

遗传部分专业知识专家讲座第34页当人们为艾弗里试验而激烈争论时，研究噬菌体美国微生物学家赫尔希等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA作用呢？他们受赫里奥特思绪启发设计了一个精巧噬菌体感染试验。赫尔希与德尔布吕克和卢里亚一起，获1969年诺贝尔生理学医学奖奖。

AlfredDayHershey（1908～1997）遗传部分专业知识专家讲座第35页遗传部分专业知识专家讲座第36页噬菌体感染试验35S标识蛋白质外壳噬菌体感染细菌细菌无放射性

32P标识DNA内芯噬菌体感染细菌细菌有放射性这一结果确凿无疑地证实，进入寄主细胞内是噬菌体DNA，而不是蛋白质外壳。噬菌体DNA不但包含噬菌体自我复制信息，而且包含合成噬菌体蛋白质所需要全部信息。遗传部分专业知识专家讲座第37页遗传部分专业知识专家讲座第38页

遗传部分专业知识专家讲座第39页

1952年，赫尔希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）证实了噬菌体DNA能携带遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接收了DNA是遗传信息载体理论。

遗传部分专业知识专家讲座第40页人们彻底摒弃蛋白质是基因化学本质概念，是在1953年沃森和克里克提出著名DNA双螺旋分子结构模型之后。1953年4月25日英国《Nature》登载了沃森和克立克DNA双螺旋结构模型，这一天是分子生物学诞生日。

遗传部分专业知识专家讲座第41页JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick（1916～）

1953年，DNA双螺旋结构模型被提出来了，两位创建者是美国生物化学家沃森（JamesDeweyWatson，1928～）和英国生物物理学家克里克（FrancisHarryComptonCrick，1916～）。获1962年诺贝尔生理学医学奖。

遗传部分专业知识专家讲座第42页富兰克林拍摄DNA晶体X射线衍射照片，这张照片正是发觉DNA结构关键

遗传部分专业知识专家讲座第43页DNA双螺旋模型遗传部分专业知识专家讲座第44页遗传部分专业知识专家讲座第45页遗传部分专业知识专家讲座第46页DNA分子双螺旋结构模型发觉，是生物学史上一座里程碑：●为DNA复制提供了构型上解释，使人们对DNA作为基因物质基础不再怀疑●奠定了分子遗传学基础。DNA双螺旋模型在科学上影响是深远遗传部分专业知识专家讲座第47页遗传部分专业知识专家讲座第48页从1857年孟德尔进行豌豆杂交试验算起，经过无数科学家近百年探索，蒙在生命遗传奥秘上面纱正在一层层地剥去。科学探索道路是螺旋式，科学家们在阶梯上不停攀登，一个新螺旋展现在他们眼前，而这将引发一场生命科学革命。遗传部分专业知识专家讲座第49页最初由孟德尔提出遗传因子概念，经过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克等几代科学家研究，已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA基础之上。遗传部分专业知识专家讲座第50页DNA怎样储存并表示遗传信息？这个问题引发了很多物理学家兴趣，1945年，薛定谔在《生命是什么》一书中提出了遗传密码概念。1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码概念。1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成多肽长链。到1966年，64种遗传密码含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。遗传部分专业知识专家讲座第51页MarshallWarrenNirenberg（1927～）美国生物学家尼伦伯格等人在1961～1966年期间成功破译了遗传密码，以无可反驳科学依据证实了DNA双螺旋结构正确性。人们对遗传机制有了更深刻认识。1968年取得诺贝尔生理学医学奖奖。

遗传部分专业知识专家讲座第52页遗传部分专业知识专家讲座第53页DNA只存在于细胞核中，蛋白质合成在细胞质中进行，细胞核中遗传信息怎样转到达细胞质中呢？信息RNA和转运RNA发觉给这个问题提供了答案，1958年克立克提出“中心法则”很快得到了证实。

遗传部分专业知识专家讲座第54页中心法则遗传部分专业知识专家讲座第55页中心法则及其发展中心法则阐述基因两大基本属性：复制：DNA→DNA；表示：从DNA→mRNA→蛋白质；中心法则补充：RNA反转录RNA自我复制DNA指导蛋白质合成遗传部分专业知识专家讲座第56页遗传部分专业知识专家讲座第57页遗传部分专业知识专家讲座第58页（三）当代分子遗传学关于基因概念1、当代基因概念DNA分子中含有特定遗传信息核苷酸序列，是遗传物质最小功效单位。合成有功效蛋白质或RNA所必需全部DNA序列（除部分病毒RNA）,即一个基因不但包含编码蛋白质或RNA核苷酸序列，还包含为确保转录所必需调控序列。基因组：携带生物体全部遗传信息核酸量。遗传部分专业知识专家讲座第59页遗传部分专业知识专家讲座第60页从分子水平来说，基因有3个基本特征:（1）基因可自体复制（2）基因决定性状（3）基因突变遗传部分专业知识专家讲座第61页遗传部分专业知识专家讲座第62页2、基因功效类别（1）蛋白质基因：其最终产物为蛋白质结构基因（structuregene）：编码酶和结构蛋白基因。结构基因突变可造成特定蛋白质（或酶）一级结构改变或影响蛋白质（或酶）量改变。调整基因（regulatorgene）：指一些可调整控制结构基因表示基因。调控基因突变能够影响一个或多个结构基因功效，或造成一个或多个蛋白质（或酶）量改变。遗传部分专业知识专家讲座第63页（2）RNA基因：其最终产物是tRNA和rRNA（3）不转录基因：不产生任何产物，对基因表示起调整控制作用开启基因（开启子，开启区）：转录时RNA多聚酶与DNA结合部位。

操纵基因：位于结构基因（一个或多个）前端，与阻遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动DNA区段。是操纵结构基因基因。

遗传部分专业知识专家讲座第64页3、基因几个特殊形式（1）重复基因：指在基因组中有多份拷贝基因，往往