第五章 遗传与变异 (一)基因与基因工程

一、

孟德尔学说奠定了遗传学基础二、

基因是一段DNA序列

三、

基因工程的操作和应用第一节从基因到基因工程第五章遗传与变异生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代——遗传。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。一、孟德尔学说奠定了遗传学基础

（本节见参考书第101-107页）

在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。

孟德尔（1822－1884）从1856年起开始豌豆试验。

孟德尔的基本方法是杂交。他挑选了七对性状。

经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。

返回孟德尔(1822-1884)返回豌豆杂交操作孟德尔研究的七对性状1、孟德尔第一定律－－分离律

他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为：

显性性状：隐性性状＝3：1

返回孟德尔分离律2、孟德尔第二定律－－自由组合律他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比例为9：3：3：1

返回孟德尔自由组合律黄圆绿圆黄皱绿皱3、孟德尔学说的要点

一对等位基因决定一种性状；等位基因有显性和隐性之分；3）配子形成时等位基因彼此分离，独立随机地组合到不同的生殖细胞中；4）分离定律3：1，自由组合定律9：3：3：1当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，包括一对遗传因子均为显性，或一个显性一个隐性，均表现出显性性状（如紫花或黄色豆粒）。这一点在分离律实验中看的很清楚。

当两对性状一起加以研究时,显性和隐性的基本规律仍与上面相同,但要加上一条,控制不同性状的遗传因子,在传代中各自独立,互不干扰,出现自由组合现象。

返回孟德尔自由组合律黄圆绿圆黄皱绿皱4、孟德尔学说的重要意义

（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念,并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律：

大多数生物体通常由

一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。



遗传因子可以区分为显性和隐性。



控制不同性状的遗传因子是各自独立的。

（2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到1950s，才被分子遗传学方法取代。

思考题

已知：控制鹦鹉羽毛颜色的有四个等位基因（即两对基因）：B、b、C、c。

B－使羽毛颜色呈黄色

C－使羽毛颜色呈蓝色

b和c是隐性基因，不产生色素下图返回问：

（1）写出图中四个鹦鹉的基因型。

（2）基因型为BbCc的鹦鹉应为什么颜色？

（3）两只基因型为BbCc的鹦鹉所产生的后代是什么情况？二、基因是一段DNA序列

（本节见书第109-113页）

“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索

基因在哪里？基因是什么？

1、基因在染色体上

显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，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。返回同源染色体分别带着控制同一性状的两个等位基因显性等位基因纯合子隐性等位基因纯合子杂合子

摩根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律。圖下图果蝇有4对染色体下图图5-4果蝇染色体上依据重组频率作出的基因定位下图减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。返回g－身体c－

眼睛l－翅灰/黑红/紫长/短基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。重组频率

随着生物化学的发展，蛋白质、核酸等生物大分子逐渐分离、纯化出来。各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是DNA。格里菲斯的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

2、遗传物质是DNA

圖下图A.用有毒S型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠得病死亡；B.用无毒性的R型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠不得病；C.用加热杀死的有毒S型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠也不得病；D.加热杀死的有毒S型肺炎链球菌加上活的无毒性的R型肺炎链球感染小鼠，小鼠得病死亡。图5-6肺炎链球菌转化实验（P112）下图直到1952-53年间，美国科学家赫歇（A.Hershey）和切斯(M.Chase)年分别用放射性同位素所做的噬菌体侵染实验，明确地证明了，是DNA，而不是蛋白质携带着噬菌体的遗传信息。35S－标记蛋白质32P－标记DNA返回A.35S标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞B.32P标记DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞，

3、华生和克里克提出DNA双螺旋模型。

DNA双螺旋模型说明DNA分子能

够充当遗传的物质基础。

按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是“半保留复制”的模式。DNA双螺旋模型返回下图半保留复制返回1958年，用15N标记DNA分子，用密度梯度离心技术，证明DNA大分子在生物合成中半保留复制的特点。细菌培养在含15N的培养基中细菌培养在含14N的培养基中一代两代

4、DNA作为遗传物质的功能

（1）贮藏遗传信息的功能

（2）传递遗传信息的功能

（3）表达遗传信息的功能

由此，1958年克里克提出中心法则,确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。遗传信息的自我复制是从DNA到DNA，遗传信息的表达是从DNA到RNA，再到蛋白质。返回图5-8中心法则5、基因的结构与重叠基因（P114）图5-9真核细胞基因结构图重叠基因：两个或两个以上的基因共用同一段DNA区域，称为基因重叠。这样，使有限的碱基得以编码更多的遗传信息。

一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与(复等位基因，P110)。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上,环境常常会影响表型。

图5-13水毛茛叶片在水面上下的形态不同表5-1人类ABO系统血型表等位基因（黄绿Yy、圆皱Rr）和复等位基因（P110）如突变有两种以上的形式，就称为复等位基因，例如人类血型ABO系统中，此系统由3个复等位基因控制：控制A型血的是IA基因,控制B型血的是IB基因,控制O型血的是i基因。返回人的肤色至少由三个基因控制返回图5-14喜马拉雅兔的毛色与温度的关系喜马拉雅兔的毛色是受基因控制的，但也受外界温度的影响：A.30℃以上长的毛全都是白色B.25℃左右时四肢和头部的尖端、尾巴和耳部体温较低的部分是黑色，其余部分为白色；C.

如果把躯干部除去一部分毛，再将兔子放到25℃的环境中生长，新长出的毛是黑色的。三、基因工程技术和应用

（本节参考教材第126-133页）1、基因工程技术

基因工程是生物技术的核心部分。基因工程的操作可以简述如下：基因工程的操作流程返回基因工程（geneticengineering，P126）定义：就是人类根据一定的目的，对DNA分子进行体外加工操作后，再引入受体生物，通过改变遗传物质的结构来改变后者的遗传特性，这是一种分子水平的生物工程技术。目的：创造具有新的性状的新物种技术：体外DNA重组（基因重组）和转移

所以，基因工程的操作包含以下步骤：

1、获得目的基因

2、目的基因和载体在体外连接（重组）

3、将重组的DNA分子引入合适的宿主细胞内（转化或转染）

4、选择、筛选含目的基因的克隆

5、培养、观察目的基因的表达。

到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。

从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有3万个基因。如何从中把需要的基因找出来？

采取“钓”的办法。这个办法通常称为印迹法。

（1）获得目的基因

返回印迹法限制性内切酶切开DNA电泳印迹转移放射性探针杂交胶片显影印迹法的主要步骤：

（1）基因文库－DNA用限制性内切

酶处理。

（2）DNA片断混合物通过电泳分离。

（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰

纤维薄膜上，以便操作。

（4）用已知小片断DNA作为探针，

互补结合需要找的基因片断。

（5）探针DNA片断已用放射性元素

标记，使胶片感光后可看出。

印迹法的关键是“分子杂交”，利用碱基配对的原则，用一段小的已知的DNA片断去寻找（“钓”）大的未知的基因片断。

探针DNA片断从何而来？

根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端15－20个氨基酸序列，按三联密码转为40-60核苷酸序列，人工合成，即为探针DNA片断。

（2）目的基因的扩增

用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。克隆——生物分子，细胞，生物个体的无性增殖过程都称为克隆。返回

（3）PCR——把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

PCR法，又称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。PCR操作流程90

0C500C700C返回PCR反应分三步完成：

第一步——90

0C高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。

第二步——500C温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。

第三步——700C温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。

PCR的三个步骤为一次循环，约需5－10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍。经过20次循环，即可扩增106

倍，总共只需几个小时。

（4）构造重组DNA分子

首先要有基因工程载体（P127）。

载体有好几种，常用的有：

质粒－环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。

噬菌体DNA－线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。柯斯质粒病毒载体酵母人工染色体（YAC载体）返回图5-25pBR322质粒图谱返回用噬菌体DNA构建重组DNA分子

其次要把目的基因“装”到载体中去。“安装”的过程，需要好几种工具酶，其中关键的酶叫限制性内切酶。

此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。图一图二下图限制性内切酶识别特定的碱基序列(如回文序列)平末端粘性末端（有互补的尾端）返回限制性内切酶造成粘性末端有利于重组DNA分子的构建

（5）转化/转染—表达—蛋白质分离

把构造好的重组DNA分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌和酵母，通常称转化；若受体细胞是动/植物细胞，通常称转染（显微注射和电穿孔等方法）。

重组DNA分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。返回生产基因工程产品的生物反应器

2、基因工程的应用

基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。

（1）在医学上的应用-基因工程药物

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。胰岛素1000磅牛胰10克胰岛素200升发酵液10克胰岛素干扰素1200升人血1升发酵液2－3万美元/病人200－300美元/病人返回乙型肝炎(HB)是由乙型肝炎病毒(HBV)所致。实践证明,接种乙型肝炎疫苗(HB疫苗)是控制乙肝最科学、最有效、最经济的手段。自20世纪70年代以来,随着生物技术的发展,HB疫苗也不断更新换代,从第1代血源性乙肝疫苗(PDV),到第2代基因工程HB疫苗,目前已进入第3代HBsAg合成肽段HB疫苗的研制。由于PDV的血浆原料减少,难以大量生产,同时经3步灭活不足以将其中已知和未知的潜在致病因子全部杀灭,我国从2000年1月1日起停止使用PDV。目前广泛使用的是第3代HBsAg基因工程乙肝疫苗（啤酒酵母菌重组）

。这种乙肝表面抗原亚单位具有原料易得、产量大、安全、高效等特点。制备疫苗

（2）用于提高奶酪产量

生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。哺乳小牛凝乳酶基因胃转入啤酒酵母

凝乳酶凝乳酶

制造奶酪返回

1982年，转基因动物首先在小鼠获得成功。1984年，中科院水生所研制出世界上第一批转基因鱼。我国目前已获得了转基因鱼、兔、鸡等多种转基因动物。

（3）转基因动物把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。1982年获得转基因小鼠。转入大鼠的生长激素基因，使小鼠体重为正常个体的二倍，因而被称为“超级小鼠”。

带有草鱼生长激素基因的转基因鲤鱼

会发光的转基因观赏鱼将在美国上市

据《纽约时报》2003年11月22日报道，这种转基因斑马鱼体内携带有一个取自海洋珊瑚虫的基因，它在普通光线下呈现明亮的红色，在黑暗环境中接受紫外线照射时则会发出荧光。这种转基因鱼由新加坡国立大学培育成功，初衷是想让鱼在遇到特定污染物时发光以用于环境监测。美国得克萨斯州的约克镇技术公司已获得许可，准备从2004年1月5日开始将转基因斑马鱼作为宠物在美国销售，售价估计为每条5美元