《普通遗传学》大学笔记

《普通遗传学》大学笔记第1章：遗传学概论1.1遗传学的定义和发展历史遗传学是研究生物体如何将特征传递给后代的科学。它探讨了基因的功能、结构、行为，以及它们在群体中的变化规律。遗传学的历史可以追溯到19世纪中期，当时奥地利修道士格雷戈尔·孟德尔（GregorMendel）进行了豌豆植物的杂交实验，奠定了现代遗传学的基础。时间事件1865年孟德尔发表《植物杂交试验》论文，提出遗传定律1900年孟德尔的工作被重新发现，并得到认可1910年摩尔根通过果蝇实验确定染色体为基因载体1944年Avery等证明DNA是遗传物质1953年Watson和Crick揭示DNA双螺旋结构2003年人类基因组计划完成遗传学的发展经历了从经典遗传学到分子遗传学的转变，如今已经扩展到了包括表观遗传学、进化遗传学等多个领域。1.2遗传学在生物学中的地位和重要性遗传学作为生物学的一个分支，对理解生命的本质具有核心作用。它不仅帮助我们了解个体发育的过程，还解释了物种间的差异和相似之处。此外，遗传学对于医学、农业、生态学等领域也有着深远的影响。例如，通过遗传学的研究，科学家们能够开发出新的治疗方法来对抗疾病，培育抗病虫害的农作物品种，保护濒危物种。1.3遗传学的主要研究领域与分支经典遗传学：研究基因如何影响表型，以及这些特性如何通过生殖细胞传递给后代。分子遗传学：关注基因的化学性质及其在细胞内的运作机制，特别是DNA复制、转录和翻译过程。种群遗传学：分析基因频率在不同世代间的变化，探索自然选择和其他因素对种群遗传组成的影响。进化遗传学：结合遗传学原理和进化理论，探讨物种随时间演变的方式。数量遗传学：研究多基因控制的数量性状（如身高或体重），并评估环境与遗传因素之间的相互作用。表观遗传学：研究不涉及DNA序列改变但可遗传的基因表达调控模式。第2章：细胞结构与功能2.1细胞的基本结构细胞是生命的基本单位，所有活体组织均由细胞构成。根据细胞内部结构的复杂程度，可以分为真核细胞和原核细胞两大类。真核细胞拥有一个由核膜包裹的细胞核，其中含有遗传物质DNA；细胞质中存在多种细胞器，如线粒体、高尔基体、内质网等，每个细胞器都有其特定的功能。原核细胞则没有明确的细胞核分隔，遗传物质直接分布在细胞质中，通常只包含少量的细胞器，如核糖体。2.2细胞器的功能线粒体：负责细胞呼吸作用，提供能量ATP。内质网：参与蛋白质合成及脂质代谢。高尔基体：负责蛋白质的修饰和包装，准备向细胞外分泌。溶酶体：含有多种类酶，用于降解废物和外来物质。中心体：协助有丝分裂时纺锤体的形成。核糖体：是蛋白质合成的场所，存在于细胞质中或附着于内质网上。2.3核酸与蛋白质合成的基础知识核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。DNA携带遗传信息，而RNA参与蛋白质合成过程中遗传信息的传递。蛋白质是由氨基酸组成的长链分子，承担着几乎所有的细胞功能。蛋白质合成主要包括两个阶段：转录：DNA上的遗传信息被转录成mRNA（信使RNA），这一过程发生在细胞核内。翻译：mRNA离开细胞核进入细胞质，在核糖体的帮助下指导氨基酸按照特定顺序连接成蛋白质。第3章：染色体与基因3.1染色体的结构和组成染色体是细胞核中承载遗传信息的大型DNA分子。每个染色体都由一条非常长的DNA链缠绕在一个或多个蛋白质上形成。在细胞分裂期间，染色体会变得更加紧凑，使得它们可以在光学显微镜下清晰可见。人类正常体细胞中含有23对染色体，总共46条。3.2基因的概念、发现及特性基因是指一段具有特定功能的DNA序列，它可以编码一个或多个蛋白质，或是产生非编码RNA分子。基因位于染色体上，并且遵循一定的排列顺序。基因的发现始于孟德尔的豌豆实验，但他并未直接观察到基因的存在。直到20世纪初，随着摩尔根等人利用果蝇进行遗传学研究，才逐渐明确了基因的位置和作用。基因具有以下特性：稳定性：基因能够在细胞分裂过程中准确复制，保证遗传信息的一致性。突变性：尽管大多数情况下基因保持稳定，但在某些条件下会发生突变，导致新的变异出现。可表达性：基因可以通过转录和翻译过程生成相应的蛋白质或其他功能性产物，进而影响个体的表型特征。3.3DNA作为遗传物质的证据早期关于遗传物质的本质存在争议，有人认为是蛋白质，也有人支持DNA。最终，一系列关键性的实验确立了DNA作为遗传物质的地位。Avery等人的肺炎链球菌转化实验：证明了加热杀死的S型细菌中存在某种“转化因子”，可以使R型细菌转变为S型，这种因子后来被确认为DNA。Hershey-Chase噬菌体感染实验：使用放射性同位素标记技术，证实了噬菌体注入宿主细胞的是DNA而非蛋白质，进一步巩固了DNA作为遗传物质的观点。第4章：DNA复制与遗传信息传递4.1DNA复制的过程及其机制DNA复制是细胞分裂前的关键步骤，确保每个新细胞都能获得一套完整的基因组。这个过程发生在S期（合成期），是细胞周期的一部分。起始点识别：特定的蛋白质复合物识别并结合到DNA上的原点（oriC），这是复制开始的地方。双链分离：由解旋酶解开双螺旋结构，形成两个单链模板。引物合成：RNA引物由引发酶合成，为后续的DNA合成提供起点。新链延伸：DNA聚合酶沿着模板链添加互补核苷酸，合成新的DNA链。5'至3'方向的连续合成称为前导链；而滞后链则以多个短片段（Okazaki片段）形式合成，随后连接成完整链。终止与校对：当两条新链完全合成后，DNA聚合酶会进行自我校对，移除任何错误配对的核苷酸，并用正确的替换。4.2复制的准确性与修复机制为了保证遗传信息的忠实传递，细胞发展出了多种机制来提高DNA复制的准确性。错配修复：如果在复制过程中出现了碱基错配，错配修复系统能够识别并修正这些错误。核苷酸切除修复：用于修复紫外线或其他因素造成的DNA损伤，如嘧啶二聚体。直接修复：某些类型的损伤可以直接被修复蛋白逆转，例如O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶可以去除甲基化修饰。修复类型作用机制错配修复识别并修正碱基错配核苷酸切除修复移除受损的核苷酸序列，再填补空缺直接修复通过化学反应直接恢复正常的DNA结构4.3半保留复制理论Watson和Crick提出DNA的半保留复制模型，即新合成的DNA分子中一条链来自亲代，另一条是由新生核苷酸组成的。这一理论得到了Meselson-Stahl实验的支持，他们利用同位素标记技术证明了新旧链的组合方式确实符合半保留复制的预测。第5章：基因表达与调控5.1转录过程概述转录是从DNA到RNA的信息流动的第一步，它决定了哪些基因会被激活以及何时何地表达。转录的基本单位是一个或一组相邻的基因，通常包括启动子、编码区和终止子。启动子识别：RNA聚合酶II等转录因子结合到启动子区域，准备开始转录。转录起始：RNA聚合酶沿模板链移动，根据碱基配对规则将核糖核苷三磷酸（NTPs）加入到正在生长的RNA链上。延长：随着RNA链的增长，它逐渐从DNA模板脱离，最终形成成熟的mRNA。终止：当RNA聚合酶到达终止子时，转录停止，mRNA释放出来。5.2RNA加工与剪接初级转录产物——pre-mRNA需要经过一系列加工步骤才能成为功能性mRNA。5'端加帽：在转录初期，给mRNA加上一个特殊的帽子结构（m7GpppN），这有助于保护mRNA免受降解，并促进翻译。3'端多聚腺苷酸化：在mRNA的3'端添加一段poly(A)尾巴，增强其稳定性并参与核输出。内含子剪接：去除非编码区域（内含子），将编码外显子连接起来，形成连续的阅读框。5.3翻译过程与蛋白质合成翻译是指mRNA指导下的氨基酸顺序排列成蛋白质的过程。这个过程主要发生在细胞质中的核糖体上。起始：小亚基首先结合到mRNA的起始密码子AUG附近，然后大亚基加入形成完整的核糖体。延伸：tRNA携带特定氨基酸进入核糖体，按照mRNA上的密码子顺序逐一拼接，形成肽链。终止：当遇到终止密码子UAA、UAG或UGA时，翻译结束，新生蛋白质被释放出来。5.4基因表达调控的层次基因表达调控可以在多个层次发生，以适应不同环境条件或发育阶段的需求。转录水平调控：通过改变转录因子活性或染色质状态，影响基因是否转录。转录后调控：如RNA编辑、选择性剪接等方式调节mRNA的数量和种类。翻译水平调控：控制mRNA翻译效率，比如通过miRNA抑制特定mRNA的翻译。翻译后修饰：蛋白质合成后还可以经历磷酸化、乙酰化等多种修饰，进一步调整其功能。第6章：突变与基因变化6.1突变的类型和原因突变是指基因组中发生的永久性改变，它可以发生在单个碱基对或更大规模的染色体区域。点突变：指单个碱基对的替换、插入或删除，可能导致无义突变、错义突变或同义突变。缺失/重复：大片段DNA的丢失或增加，可能涉及一个或多个基因。倒位/易位：染色体内部或之间发生重排，改变基因的相对位置或数量。诱变剂：物理因素（如紫外线、X射线）、化学物质（如烷化剂、碱基类似物）或生物因素（如病毒）都可以诱导突变。6.2点突变、插入、缺失等对基因的影响不同类型的突变对基因功能有着不同程度的影响。无义突变：引入提前终止密码子，导致蛋白质截短，通常具有严重后果。错义突变：改变一个氨基酸残基，有时会影响蛋白质的功能，但并非总是有害。同义突变：不改变氨基酸序列，因此对蛋白质没有直接影响，但在某些情况下仍可能影响mRNA的稳定性或翻译效率。插入/缺失：如果不在三个碱基的倍数处发生，则会造成移码突变，使整个下游序列失去意义。6.3突变的检测方法科学家们开发了多种技术来检测基因组中的突变。PCR扩增与测序：使用特异性引物扩增目标区域，然后进行Sanger测序或下一代测序（NGS）分析。Southern/Northern印迹：通过杂交探针检测特定DNA/RNA片段的存在与否及其大小变化。荧光原位杂交（FISH）：利用荧光标记的DNA探针直接可视化染色体上的特定序列，适用于检测大范围结构变异。微阵列芯片：同时筛查大量基因的表达水平或拷贝数变异，广泛应用于临床诊断和研究领域。第7章：孟德尔遗传规律7.1孟德尔实验与分离定律格雷戈尔·孟德尔（GregorMendel）通过豌豆植物的杂交实验揭示了遗传的基本原理。他的工作奠定了现代遗传学的基础。纯合体与杂合体：孟德尔使用了两种类型的豌豆——纯合显性（AA）和纯合隐性（aa），以及杂合体（Aa）。他观察到，当纯合显性和隐性个体杂交时，F1代只表现出显性特征。分离定律：在形成配子的过程中，每个个体贡献一个等位基因给后代。因此，在F2代中，显性和隐性特征的比例为3:1。这一现象后来被称为孟德尔第一定律或分离定律。亲本组合F1代表型F2代表型比例AA×aa全部显性(Aa)显性:隐性=3:1Aa×Aa显性(Aa),隐性(aa)显性:隐性=3:17.2自由组合定律除了分离定律外，孟德尔还发现了另一条重要规律——自由组合定律。该定律描述了不同基因之间如何独立分配到配子中。双因子杂交实验：孟德尔选择了两对相对性状进行研究，如种子形状（圆形vs.皱缩）和花色（紫色vs.白色）。他发现，这些性状在F2代中的组合方式遵循9:3:3:1的比例。独立分配原则：每个基因座上的等位基因在形成配子时是相互独立的，不受其他基因座的影响。这就是所谓的孟德尔第二定律或自由组合定律。7.3例外情况与非孟德尔遗传现象尽管孟德尔的定律适用于许多简单的遗传模式，但在自然界中也存在一些不符合这些规则的情况。连锁遗传：某些基因位于同一染色体上，它们倾向于一起遗传，而不是随机分配。这种现象称为基因连锁。不完全显性：有时杂合体会表现出介于两个纯合体之间的中间表型，而非完全显性或隐性。共显性：两个等位基因都可以在杂合状态下表达出来，例如ABO血型系统。环境影响：外部条件可以显著改变基因表达的结果，导致表型变异。多基因遗传：复杂性状通常由多个基因共同决定，并且受到环境因素的影响。第8章：连锁与交换8.1连锁遗传的概念连锁遗传是指位于同一条染色体上的基因倾向于一起遗传的现象。这是由于染色体作为一个整体参与减数分裂过程中的配对和分离。紧密连锁：如果两个基因距离非常近，则它们几乎总是同时传递给后代。松散连锁：当基因之间的距离较远时，虽然仍然存在一定的连锁关系，但发生重组的机会更大。8.2交换值与连锁图谱为了量化连锁程度，科学家们引入了交换值（RecombinationFrequency,RF），它表示两个基因之间发生交叉互换的概率。RF通常以百分比形式表示，范围从0%到50%。构建连锁图谱：通过分析大量家系数据，研究人员可以确定各个基因间的相对位置，并绘制出详细的连锁图谱。这有助于理解基因组结构并辅助育种计划。干涉现象：在某些情况下，一次交叉事件会降低附近区域再次发生交叉的可能性，这种现象称为干涉。8.3性别决定与伴性遗传性别决定机制因物种而异，但在人类和其他哺乳动物中，主要依赖于X和Y染色体的存在与否。XY系统：雄性拥有XY染色体组合，而雌性则为XX。Y染色体携带SRY基因，它是男性发育的关键启动子。伴性遗传：位于性染色体上的基因表现出特殊的遗传模式，如红绿色盲等疾病就是典型的X连锁隐性疾病。男性更容易受到影响，因为他们的单个X染色体无法补偿缺陷。第9章：数量性状遗传9.1数量性状的特点数量性状（QuantitativeTraits）是由多个基因共同作用并且容易受环境影响的一类特性。与质量性状不同，它们不能简单地归类为“有”或“无”，而是呈现出连续分布的状态。多基因效应：每个基因对表型的贡献相对较小，但累积起来会产生显著影响。例如，身高、体重、智力等都是典型的数量性状。环境因素：营养状况、气候条件等外部变量也会极大地影响数量性状的表现。因此，即使具有相同的基因型，不同个体也可能展现出不同的表型。9.2遗传力与环境影响遗传力（Heritability）用来衡量某一特定群体中，某一数量性状的变异性有多少是由遗传因素引起的。广义遗传力（Broad-senseHeritability,H²）：包括所有遗传成分（加性、显性和上位效应）对总方差的贡献。狭义遗传力（Narrow-senseHeritability,h²）：仅考虑加性遗传效应，对于预测选择响应尤为重要。环境因素：即使在一个高度遗传的性状中，环境依然扮演着不可或缺的角色。例如，良好的饮食和锻炼可以帮助人们实现其潜在的最大身高。9.3数量性状的选择与改良农业和畜牧业中广泛应用数量性状遗传理论来进行品种选育和改良。选择压力：通过对表现优异个体的选择繁殖，可以逐步提高整个种群的目标性状水平。杂交优势：将来自不同背景的优良性状结合起来，创造出更适应特定环境的新品种。分子标记辅助选择（MAS）：利用DNA标记技术直接筛选有利等位基因，加快育种进程。全基因组选择（GenomicSelection,GS）：基于全基因组范围内的SNP信息预测个体性能，进一步提高了选择效率和准确性。第10章：群体遗传学基础10.1Hardy-Weinberg平衡原理Hardy-Weinberg平衡是描述理想条件下种群中基因频率保持不变的理论模型。它假设在一个没有进化力量作用的无限大、随机交配的种群中，等位基因和基因型频率在世代之间不会发生变化。公式：p²+2pq+q²=1p和q分别代表两个等位基因的频率。p²是纯合显性个体的比例；q²是纯合隐性个体的比例；2pq是杂合体的比例。条件解释大规模种群避免了遗传漂变对基因频率的影响随机交配没有选择性配偶关系干扰基因传递没有突变基因组保持稳定，无新变异产生没有迁移种群内部基因流不受外来因素影响没有自然选择所有个体具有相同生存繁殖机会10.2种群中基因频率的变化实际种群往往不符合上述理想状态，因此基因频率会发生变化。这些变化主要受到以下几种进化力量的作用：突变：引入新的等位基因或改变现有等位基因的频率。迁移（基因流动）：不同种群间的个体交流导致基因库混合。遗传漂变：小规模种群中偶然事件引起的基因频率波动。自然选择：适应环境更好的基因型更有可能传递给后代。10.3自然选择的作用自然选择是推动物种适应环境变化的主要机制之一。根据达尔文的理论，那些能够更好地适应环境的个体更可能存活并繁殖后代，从而将其有利特征传递下去。定向选择：当环境条件持续变化时，某一极端表型逐渐成为主流。稳定选择：倾向于保留中间类型的表型，减少极端类型。分裂选择：促进两种或更多极端表型的发展，削弱中间类型。性选择：与繁殖成功率相关的选择压力，通常通过增强特定性别特征来实现。第11章：进化遗传学11.1微观进化与宏观进化进化可以分为微观和宏观两个层次，它们分别关注短时间尺度内的种群变化以及长时间尺度上的物种分化。微观进化：研究单个种群内基因频率随时间的变化，包括突变、迁移、遗传漂变和自然选择等因素。宏观进化：探讨新物种形成的过程，如物种起源、灭绝及生物多样性的演变。11.2物种形成机制新物种的形成通常涉及地理隔离、生态隔离或行为隔离等过程，使得原本属于同一物种的不同群体无法自由交配，最终导致生殖隔离。渐进式物种形成：通过逐步积累微小的遗传差异，逐渐实现生殖隔离。爆发式物种形成：某些情况下，重大突变或环境剧变可以在短时间内引发快速物种分化。多倍化：植物中常见的一种现象，染色体数目加倍可直接导致新物种的出现。11.3分子水平上的进化分子生物学技术的发展使我们能够深入理解基因组层面的进化规律。DNA序列分析揭示了不同物种之间的亲缘关系，并提供了关于进化历史的重要线索。分子钟假说：认为基因序列的分歧率相对恒定，可用于估算物种分化的年代。同源重组：不同基因座之间的交换促进了遗传多样性，有助