《遗传学基础》课件

遗传学基础欢迎来到《遗传学基础》课程本课程旨在为学生提供遗传学领域的核心概念和基本原理的全面理解我们将从遗传学的基本定义和范围开始，逐步深入探讨基因、染色体、遗传变异、基因表达调控、群体遗传学、分子遗传学等关键主题通过本课程的学习，学生将能够掌握遗传学的基本知识，了解遗传学在生物学、医学和农业等领域的重要应用，并具备分析和解决遗传学相关问题的能力让我们一起开启探索遗传奥秘的旅程！课程介绍遗传学的定义与范围遗传学的定义遗传学的范围遗传学是研究生物遗传和变异规律的科学它探讨生物性状如何遗传学的研究范围广泛，涵盖分子遗传学、细胞遗传学、个体遗从亲代传递给子代，以及在传递过程中如何发生变化遗传学是传学、群体遗传学和进化遗传学等多个层次分子遗传学关注基生物学的重要分支，也是理解生命现象和进化过程的关键学科因的结构、功能和表达调控；细胞遗传学研究染色体的结构和行为；个体遗传学研究个体性状的遗传；群体遗传学研究群体中基因频率的变化；进化遗传学研究遗传变异在物种进化中的作用遗传学的发展简史前孟德尔时期1古代人们对遗传现象的认识主要基于观察和经验，缺乏科学的理论基础例如，人们观察到某些性状在家族中世代相传，但对其原因并不清楚孟德尔时期21865年，孟德尔通过豌豆杂交实验，提出了分离定律和自由组合定律，奠定了经典遗传学的基础他的研究成果被认为是遗传学诞生的标志经典遗传学时期320世纪初，孟德尔的遗传定律被重新发现，并得到广泛验证人们开始研究基因的本质、染色体的结构和行为，以及遗传变异的类型和机制分子遗传学时期420世纪50年代，DNA双螺旋结构的发现开启了分子遗传学时代人们开始研究基因的分子结构、复制、转录和翻译过程，以及基因表达的调控机制孟德尔遗传定律分离定律概念在生物的体细胞中，控制同一性状的遗传因子成对存在，不相融合；在形成配子时，成对的遗传因子分离，分别进入不同的配子中实验验证孟德尔通过豌豆的单性状杂交实验，验证了分离定律的正确性例如，在豌豆的种子颜色杂交实验中，亲代纯合的黄色种子和绿色种子杂交，子一代全部为黄色种子，子二代出现黄色种子和绿色种子的分离，比例接近3:1应用分离定律是遗传学的基础，它解释了生物性状在世代传递过程中如何保持不变，又如何发生变化分离定律在育种和遗传咨询中具有重要应用价值孟德尔遗传定律自由组合定律实验验证孟德尔通过豌豆的多性状杂交实验，验证了自由组合定律的正确性例如，在豌豆的种子颜色和种子形状杂交实验中2，亲代纯合的黄色圆粒种子和绿色皱粒概念种子杂交，子二代出现黄色圆粒、黄色1皱粒、绿色圆粒和绿色皱粒四种表现型控制不同性状的遗传因子可以自由组合，在形成配子时，每一对遗传因子彼此，比例接近9:3:3:1独立地分配到不同的配子中应用自由组合定律是遗传学的重要组成部分3，它解释了生物性状在世代传递过程中如何发生新的组合自由组合定律在育种和遗传咨询中具有重要应用价值基因的概念与性质基因的概念基因的性质12基因是具有遗传效应的DNA基因具有稳定性、变异性和重片段，是控制生物性状的基本组性基因的稳定性保证了生单位基因位于染色体上，通物性状在世代传递过程中保持过复制、转录和翻译过程，实不变；基因的变异性是生物进现其遗传功能化的基础；基因的重组性使生物能够产生新的性状组合基因的类型3基因可以分为结构基因和调控基因结构基因编码蛋白质，调控基因调控基因的表达基因还可以分为显性基因和隐性基因显性基因在杂合子中能够表达，隐性基因在杂合子中不能表达基因的结构的发现DNA的发现的结构DNA DNA1869年，米歇尔从脓细胞中分离出一种富含磷的物质，命名为DNA是由两条脱氧核苷酸链组成的双螺旋结构每条链由脱氧核酸20世纪50年代，沃森和克里克在富兰克林和威尔金斯的核糖、磷酸基团和四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧研究基础上，提出了DNA双螺旋结构模型，揭示了DNA的分子啶）组成两条链通过碱基互补配对（A-T，G-C）连接在一起结构的复制过程DNA解旋DNA复制首先需要解旋酶的作用，将DNA双螺旋结构解开，形成复制叉引物合成DNA聚合酶只能从3端开始合成DNA，因此需要引物酶合成一段RNA引物，提供3端合成DNADNA聚合酶以解开的DNA链为模板，按照碱基互补配对原则，从3端开始合成新的DNA链连接DNA连接酶将新合成的DNA片段连接成一条完整的DNA链的转录过程DNA延伸2RNA聚合酶以DNA为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA分子起始1RNA聚合酶识别DNA上的启动子序列，并与之结合，开始转录过程终止RNA聚合酶识别DNA上的终止子序列，3转录过程结束，释放RNA分子的种类与功能RNAmRNA信使RNA，携带基因的遗传信息，作为蛋白质合成的模板tRNA转运RNA，转运氨基酸到核糖体，参与蛋白质合成rRNA核糖体RNA，构成核糖体的重要组成部分，参与蛋白质合成其他RNA还有一些非编码RNA，如miRNA、siRNA等，参与基因表达的调控蛋白质的翻译过程起始1核糖体小亚基与mRNA结合，找到起始密码子AUG，tRNA携带起始氨基酸甲硫氨酸进入核糖体延伸2tRNA按照mRNA上的密码子顺序，将相应的氨基酸带到核糖体，氨基酸之间形成肽键，肽链不断延伸终止3核糖体遇到终止密码子UAA、UAG或UGA，翻译过程结束，释放肽链遗传密码的特点通用性1大多数生物使用相同的遗传密码，说明所有生物都来源于共同的祖先简并性2一种氨基酸可以由多个密码子编码，有利于减少基因突变的影响无重叠性3一个密码子只能编码一个氨基酸，不能被其他密码子共享有方向性4密码子从5端到3端读取，决定了蛋白质合成的方向基因表达的调控基因表达调控的意义基因表达调控的层次基因表达调控使生物能够根据环境变化，适时地表达不同的基因基因表达调控可以发生在DNA复制、转录、翻译和翻译后修饰，从而适应环境变化，维持生命活动等多个层次转录调控是最重要的调控方式原核生物的基因调控操纵子模型操纵子由启动子、操纵序列和结构基因组成启动子是RNA聚合酶结合的位点，操纵序列是阻遏蛋白结合的位点，结构基因编码蛋白质乳糖操纵子乳糖操纵子是研究最深入的原核生物基因调控系统当环境中没有乳糖时，阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止RNA聚合酶的结合，结构基因不表达当环境中存在乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活性，RNA聚合酶可以结合到启动子上，结构基因表达色氨酸操纵子色氨酸操纵子是另一种重要的原核生物基因调控系统当环境中色氨酸含量较高时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白具有活性，RNA聚合酶不能结合到启动子上，结构基因不表达当环境中色氨酸含量较低时，阻遏蛋白失去活性，RNA聚合酶可以结合到启动子上，结构基因表达真核生物的基因调控转录因子转录因子是与DNA结合的蛋白质，能够2激活或抑制基因的转录转录因子是真染色质结构核生物基因调控的重要组成部分真核生物的DNA与组蛋白结合，形成1染色质染色质的结构状态影响基因的转录活性松散的染色质有利于基因的加工RNA转录，紧密的染色质抑制基因的转录真核生物的RNA需要经过加工才能成为成熟的mRNARNA加工包括剪接、加3帽和加尾等过程RNA加工过程影响mRNA的稳定性和翻译效率染色体的结构与组成染色体的结构染色体的组成染色体是细胞核内遗传物质的主要载体染色体由DNA和蛋白染色体的主要成分是DNA和组蛋白DNA携带遗传信息，组蛋质组成在细胞分裂时，染色体呈现高度凝缩的状态，便于分离白参与染色质的结构形成染色体还包含一些非组蛋白，如和分配在细胞非分裂时，染色体呈现相对松散的状态，便于基RNA聚合酶、转录因子等，参与基因的表达调控因的表达染色体的类型与形态常染色体性染色体存在于所有个体中，与性别决定与性别决定有关的染色体人类无关的染色体的性染色体为X染色体和Y染色体女性为XX，男性为XY染色体的形态染色体的形态在细胞分裂时最为明显根据着丝点的位置，染色体可以分为端着丝粒染色体、亚端着丝粒染色体、近端着丝粒染色体和中间着丝粒染色体细胞周期与细胞分裂有丝分裂前期染色质凝缩成染色体，核膜解体，纺锤丝形成中期染色体的着丝点排列在细胞中央的赤道板上后期着丝点分裂，姐妹染色单体分离，分别向细胞两极移动末期染色体解旋，核膜重新形成，细胞质分裂，形成两个子细胞细胞周期与细胞分裂减数分裂减数第一次分裂减数第二次分裂1同源染色体联会，发生交换，然后分离类似于有丝分裂，姐妹染色单体分离，2，分别进入不同的子细胞分别进入不同的子细胞减数分裂是形成配子的过程经过减数分裂，一个二倍体细胞可以形成四个单倍体细胞减数分裂保证了有性生殖的生物在世代传递过程中染色体数目的稳定遗传变异的类型基因突变基因突变的概念基因突变的类型12基因突变是指基因的DNA序基因突变可以分为点突变和移列发生改变基因突变是遗传码突变点突变是指单个碱基变异的重要来源的改变，移码突变是指DNA序列中插入或缺失碱基，导致阅读框发生改变基因突变的原因3基因突变可以是自发的，也可以是诱发的自发突变是由于DNA复制过程中的错误引起的诱发突变是由于物理、化学或生物因素的作用引起的遗传变异的类型染色体变异染色体结构变异染色体数目变异染色体结构变异是指染色体的结构发生改变染色体结构变异包染色体数目变异是指染色体的数目发生改变染色体数目变异包括缺失、重复、倒位和易位等类型括非整倍体和多倍体等类型非整倍体是指染色体的数目增加或减少，但不是染色体组的整数倍多倍体是指染色体的数目是染色体组的整数倍基因突变的分子机制碱基错配DNA复制过程中，由于碱基之间的氢键不稳定，可能发生碱基错配碱基错配会导致点突变损伤DNA物理、化学或生物因素的作用可能导致DNA损伤DNA损伤如果不及时修复，可能导致基因突变转座子转座子是可以在基因组中移动的DNA片段转座子的插入可能导致基因突变染色体结构变异缺失染色体上丢失一段DNA序列重复染色体上增加一段DNA序列倒位染色体上的一段DNA序列颠倒过来易位染色体上的一段DNA序列转移到另一条染色体上染色体数目变异非整倍体1染色体的数目增加或减少，但不是染色体组的整数倍例如，唐氏综合征是由于21号染色体多了一条引起的多倍体2染色体的数目是染色体组的整数倍多倍体在植物中比较常见，可以导致植物的性状发生改变基因重组的意义增加遗传多样性修复损伤DNA基因重组可以产生新的基因组合，增加遗传多样性，为生物进化基因重组可以修复DNA损伤，维持基因组的稳定性提供素材遗传图谱的构建连锁分析利用连锁分析可以确定基因之间的相对位置连锁是指位于同一染色体上的基因倾向于一起遗传的现象重组频率基因之间的距离越远，重组频率越高利用重组频率可以构建遗传图谱细菌的遗传转导2噬菌体可以将一个细菌的DNA片段转移到另一个细菌中转化1细菌可以直接摄取环境中游离的DNA片段，并将其整合到自己的基因组中接合两个细菌通过性菌毛连接，一个细菌将3自己的DNA片段转移到另一个细菌中噬菌体的遗传裂解周期溶原周期噬菌体感染细菌后，利用细菌的资源复制自己的DNA和蛋白质噬菌体感染细菌后，将自己的DNA整合到细菌的基因组中，与，然后组装成新的噬菌体，最终裂解细菌，释放噬菌体细菌一起复制，但不裂解细菌当环境条件发生变化时，噬菌体的DNA可能从细菌的基因组中分离出来，进入裂解周期数量遗传学数量性状的遗传数量性状的概念数量性状的遗传特点12数量性状是指受到多个基因共数量性状的遗传具有连续性，同控制，并且受到环境因素影没有明显的界限数量性状的响的性状例如，身高、体重表型受到基因和环境的共同影、产量等响数量性状的育种3数量性状的育种需要利用统计学方法，分析遗传力和选择效应，选择优良个体进行繁殖数量性状的分析方法方差分析分析不同来源的变异对表型的影响回归分析分析基因型和环境因素对表型的影响相关分析分析不同性状之间的关系群体遗传学基因频率的计算基因型频率的概念基因型频率是指群体中某个基因型占所2有基因型的比例基因频率的概念1基因频率的计算基因频率是指群体中某个基因占所有基因的比例基因频率可以通过基因型频率计算得到例如，如果群体中有AA、Aa和aa三种基因型，基因型频率分别为P、Q和R3，则A基因的频率为P+Q/2，a基因的频率为R+Q/2哈迪温伯格定律-定律内容定律应用在一个无限大的、随机交配的、没有选择、突变和迁移的群体中哈迪-温伯格定律是群体遗传学的基础，可以用来判断群体是否，基因频率和基因型频率在世代传递过程中保持不变处于平衡状态，也可以用来估计群体中隐性基因的频率影响基因频率的因素突变突变会改变基因频率选择选择会使有利基因的频率增加，不利基因的频率降低迁移迁移会改变群体中基因的组成遗传漂变遗传漂变是指由于随机因素引起的基因频率的波动基因漂变概念瓶颈效应12由于群体较小，基因频率会受当群体经历一次剧烈的数量下到随机因素的影响而发生波动降后，幸存个体的基因频率可，这种现象称为基因漂变能与原始群体差异很大，这种现象称为瓶颈效应创始人效应3当少数个体从一个大群体中分离出来，建立一个新的群体时，新群体的基因频率可能与原始群体差异很大，这种现象称为创始人效应基因流概念不同群体之间的个体迁移，会导致基因在群体间流动，这种现象称为基因流影响基因流可以增加群体内的遗传多样性，也可以使不同群体之间的基因频率趋于一致自然选择概念作用1在生存斗争中，适应环境的个体更容易自然选择可以使生物适应环境，也可以生存和繁殖，不适应环境的个体容易被2导致物种的进化淘汰，这种现象称为自然选择人工选择概念应用人类根据自己的需要，选择具有特定性状的个体进行繁殖，这种人工选择可以培育出具有特定性状的动植物新品种现象称为人工选择近亲繁殖与杂交近亲繁殖近亲繁殖是指亲缘关系较近的个体之间进行交配近亲繁殖会导致隐性有害基因的纯合概率增加，降低后代的适应性杂交杂交是指亲缘关系较远的个体之间进行交配杂交可以增加后代的遗传多样性，提高后代的适应性分子遗传学基因克隆目的步骤将目的基因扩增到足够数量，以便进行后续的研究或应用首先将目的基因插入到载体中，然后将载体导入宿主细胞，利用宿主细胞的复制机制扩增目的基因测序技术DNA测序新一代测序Sanger1利用ddNTP终止DNA合成反应，然后可以同时对数百万个DNA片段进行测通过电泳分离不同长度的DNA片段，序，大大提高了测序效率和降低了测序2从而确定DNA序列成本基因工程的应用医药1生产重组蛋白药物，如胰岛素、生长激素等农业2培育转基因作物，如抗虫棉、抗除草剂大豆等工业3利用微生物生产工业原料，如酶、氨基酸等环境4利用微生物降解污染物，修复环境基因治疗概念方法将正常基因导入患者体内，以替代或修复缺陷基因，从而治疗疾基因治疗可以分为体细胞基因治疗和生殖细胞基因治疗体细胞病基因治疗是指将正常基因导入患者的体细胞，只对患者本人有效生殖细胞基因治疗是指将正常基因导入患者的生殖细胞，可以遗传给后代转基因生物概念通过基因工程技术，将外源基因导入生物体内，使其获得新的性状争议转基因生物的安全性和环境影响备受争议基因组学基因组的概念概念意义1基因组是指一个生物体所有遗传信息的基因组学研究基因组的结构、功能和进总和，包括编码基因和非编码基因化，为理解生命现象提供了新的视角2人类基因组计划目标意义测定人类基因组的全部DNA序列，鉴定所有人类基因，构建人人类基因组计划为理解人类疾病的遗传基础，开发新的诊断和治类基因组图谱疗方法提供了重要基础蛋白质组学概念蛋白质组是指一个细胞、组织或生物体所有蛋白质的总和研究内容蛋白质组学研究蛋白质的结构、功能、相互作用和修饰，以及蛋白质在生命活动中的作用代谢组学概念研究内容12代谢组是指一个细胞、组织或代谢组学研究代谢产物的种类生物体所有代谢产物的总和、含量和变化规律，以及代谢途径在生命活动中的作用应用3代谢组学可以用于疾病诊断、药物研发、营养评估等领域比较基因组学概念比较不同物种的基因组，从而了解物种之间的进化关系，以及基因组的结构和功能应用比较基因组学可以用于研究物种的起源和进化，鉴定与疾病相关的基因，开发新的药物和治疗方法进化遗传学物种形成的机制生殖隔离地理隔离1当不同群体之间的差异积累到一定程度不同群体由于地理隔离，无法进行基因，即使地理隔离消失，也无法进行正常2交流，导致基因频率发生差异交配，从而形成新的物种分子钟概念应用基因突变的速率在一定程度上是恒定的，可以用来推断物种之间分子钟可以用于研究物种的起源和进化，确定物种之间的亲缘关的进化时间系遗传与环境的相互作用基因型环境个体的遗传组成个体所处的外部条件表型个体的可观察特征表型是基因型和环境共同作用的结果表观遗传学概念意义12研究不改变DNA序列，但可表观遗传学为理解基因与环境以影响基因表达的遗传现象的相互作用，以及疾病的发生表观遗传修饰包括DNA甲基发展提供了新的视角化、组蛋白修饰等应用3表观遗传学可以用于疾病诊断、药物研发、营养评估等领域基因组印记概念某些基因的表达受到亲本来源的影响来自不同亲本的等位基因表达水平不同机制基因组印记是由DNA甲基化等表观遗传修饰引起的干扰RNA概念应用1利用小RNA分子（如siRNA、miRNA RNA干扰可以用于基因功能研究、药2）抑制基因表达的技术物研发和基因治疗等领域微生物遗传学耐药性的产生机制影响微生物通过突变、基因转移等方式获得耐药基因，从而对抗菌药微生物耐药性是全球公共卫生面临的重大挑战耐药菌感染难以物产生抵抗力治疗，导致患者死亡率升高，医疗费用增加病毒的遗传病毒的基因组病毒的变异病毒的基因组可以是DNA或RNA病毒的变异速率很高，容易产生，可以是单链或双链新的变异株病毒的遗传方式病毒可以通过基因重组、基因突变等方式进行遗传肿瘤的遗传肿瘤的发生肿瘤相关基因12肿瘤的发生是由于基因突变或肿瘤相关基因包括癌基因和抑表观遗传修饰导致细胞生长失癌基因癌基因的激活或抑癌控引起的基因的失活会导致肿瘤的发生遗传性肿瘤3少数肿瘤具有遗传性，是由于germline突变引起的例如，BRCA1/2基因突变会导致乳腺癌和卵巢癌的风险增加遗传咨询的意义目的为有遗传风险的个体或家庭提供遗传信息，帮助他们了解遗传疾病的风险、诊断、治疗和预防措施内容遗传咨询包括病史调查、家系分析、遗传检测、风险评估和咨询指导等内容遗传病的诊断与预防诊断预防1遗传病的诊断包括临床检查、影像学检遗传病的预防包括婚前检查、产前诊断2查、生化检测和基因检测等方法和新生儿筛查等措施伦理问题讨论基因编辑技术的应用基因编辑技术伦理讨论CRISPR-Cas9是一种可以精确编辑基因的技术基因编辑技术基因编辑技术的应用需要进行伦理审查，制定相关法律法规，保可以用于治疗遗传疾病，但也存在伦理问题，如脱靶效应、安全障公众利益和安全性问题和滥用风险。