第一章 绪 论
关键词：
遗传学 Genetics 遗 传 heredity 变 异 variation
一．遗传学的研究特点
1. 在生物的个体，细胞，和基因层次上研究遗传信息的 结构，传递和表达。 2. 遗传信息的传递包括世代的传递和个体间的传递。 3. 通过个体杂交和人工的方式研究基因的功能。 “遗传学”定义
遗传学是研究生物的遗传与变异规律的一门生物学分支科学。
遗传学是研究基因结构，信息传递，表达和调控的一门生物学分支科学
遗 传 heredity
生物性状或信息世代传递的现象。 同一物种只能繁育出同种的生物
同一家族的生物在性状上有类同现象 变异variation
生物性状在世代传递过程中出现的差异现象。 生物的子代与亲代存在差别。 生物的子代之间存在差别。
遗传与变异的关系
遗传与变异是生物生存与进化的基本因素。遗传维持了生命的延续。没有遗传就没有生命的存在，没有遗传就没有相对稳定的物种。
变异使得生物物种推陈出新，层出不穷。没有变异，就没有物种的形成，没有变异，就没有物种的进化，遗传与变异相辅相成，共同作用，使得生物生生不息，造就了形形色色的生物界。
二. 遗传学的发展历史
1865年Mendel发现遗传学基本定律。建立了颗粒式遗传的机制。 1910年Morgan建立基因在染色体上的关系。 1944年Avery证明DNA是遗传物质。 1951年Watson和Crick的DNA构型。 1961年Crick遗传密码的发现。 1975年以后的基因工程的发展。
三. 遗传学的研究分支
1. 从遗传学研究的内容划分
进化遗传学 研究生物进化过程中遗传学机制与作用的遗传学分支科学 生物进化的机制 突变和选择 有害突变 淘汰和保留 有利突变 保留与丢失 中立突变 DNA多态性
发育遗传学 研究基因的时间，空间，剂量的表达在生物发育中的作用分支遗传学。 特征：基因的对细胞周期分裂和分化的作用。 应用重点 干细胞的基因作用。 转基因动物 克隆动物
免疫遗传学 研究基因在免疫系统中的作用的遗传学分支。 重点 不是研究免疫应答的过程， 而是研究基因在抗体和抗 原形成和改变中的作用。
2. 从遗传学研究的层次划分
群体遗传学 研究基因频率的改变的遗传学分支。
1
群体遗传学 基因结构和基因率的改变
例题 群体中存在一个隐性有害基因，基因频率是万分之一。如果实行优生政策，不准该个体结婚或生育。基因率降低到十万分之一时，需要多少代？
细胞遗传学 研究生物在细胞水平的遗传结构和功能的遗传学分支学科。 重点：染色体结构合数目的变化与生物表型的关系。
进展：细胞表面抗原的形成和改变，细胞信号传导过程中基因的作用。 目前的实验：细胞表达系统。 例如：无籽西瓜的染色体组成. 普通西瓜 2n＝22
诱变成功的4倍体作母本 X 2倍体父本杂交，获得3倍体西瓜，在形成生殖细胞时，不能正常减数分裂，所以成为无籽西瓜。
分子遗传学 研究生物基因组结构和功能的遗传学分支学科。 基因工程 生物制药
分子生物学技术
3. 从遗传学研究的对象划分
微生物遗传学 以微生物为研究对象的遗传学分支。
重点 研究病毒，细菌，真菌的基因结构，基因功能。基因工程的载体，受体等
人类遗传学 研究人类遗传和变异规律的分支科学。 人类性状的遗传分析 遗传病的分布和发生机理 遗传病的诊断
基因治疗
遗传学疾病人类3千多种，涉及上万个基因。
染色体疾病 基因突变疾病，线粒体疾病，孟德尔遗传病，多基因遗传病.
1930年色盲基因第一个定位，1974年kappa轻链缺乏症基因第一个克隆。目前已定位孟德尔遗传病基因1600多，克隆了其中的940多种 肿瘤抑制基因（antioncogene)
Rb del 13q14 27个exon, 12 个intron 视网膜母细胞瘤克隆的概念与类型 四．克隆
1．Clone源于希腊文klon，嫩枝的意思，是指从树上取下嫩枝，栽在地上以成另一棵树。 是细胞、植物、动物或人的精确的遗传复制。 名词，一群具有相同基因型的微生物。
2． 哺乳动物细胞克隆技术，又称哺乳动物的核移植或无性繁殖技术；它是通过特殊的人
工手段（显微操作，电融合等）对哺乳动物特定发育阶段的核供体（胚胎分裂球或体细胞核），及相应的核受体（去核的受精卵或成熟的卵母细胞）不经过有性繁殖过程，进行体外重构并通过重构胚的胚胎移植，从而达到扩繁同基因型哺乳动物种群的目的。 3．克隆技术存在的问题
动物克隆技术虽然取得了一定的进展，但该技术目前还很不完善。存活率低是当今核移植技术的最大缺陷。
克隆羊的端粒较同年羊短。可能会减少寿命。
基因组印记现象在哺乳动物的发育中普遍存在，基因组印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究。
核移植过程中产生的个体突变频率高。
第二章 基因的概念和结构
第一节 孟德尔遗传分析
关键词：
显性 dominant 隐性 recessive 基因型 genotype 表型 phenotype 分离定律 law of segragation
自由组合定律 law of independent assortment 复等位基因（multiple gene） 顺反子（cistron）
2
超基因（super gene） 假基因 (pseudo gene) 可动基因( mobile gene) 染色体外基因
复等位基因（multiple gene） 连锁 （linkage）
交换 （crossing over） 重组 （recombination）
•插入序列 inserted sequence,IS •转座子 transposon，Tn 一.分离定律
实验: P : 红花 X 白花 基因型 CC cc 配 子 C c F1代 红花 基因型 Cc 配子 C，c
F2代 红花 白花 基因型 CC，Cc cc 比例 3 ： 1
分离定律:
杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到雌雄配子中去的规律。 基础概念
杂合体（heterozygote）：基因座上两个不同的等位基因的个体。 纯合体(homozygote) ：基因座上两个相同的等位基因的个体。 回交(back cross) ：杂交的子一代与亲代的交配形式。
测交(test cross) ：杂合个体与纯合隐性个体的交配形式。 性状(character)：生物的形态，结构，生理功能过程的特征。 显性(dominant) ：杂合子生物表现出来的性状 隐性(recessive) ： 杂合子生物被掩盖的性状。
等位基因(allile)：同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因。 表型（phenotype） ：生物个体形成的性状表现。 基因型(genotype) ：生物个体的基因组成 孟德尔假设
1.遗传性状由遗传因子决定。 2.遗传因子是成对存在得。
3.生殖细胞中具有成对因子中的一个。 4.每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞。 5.形成生殖细胞时，成对因子相互分离。 6.生殖细胞的结合是随机的。 7.遗传因子有显隐性之分。
孟德尔分离比实现的条件
1.杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的。 2. 两种配子结合是随机的。
3.子二代基因型个体存活率是相等的。 4.显性是完全的。
二.孟德尔自由组合定律
实验： 黄，满 X 绿，皱 基因型 YYRR yyrr 配子 YR yr F1代 黄满 基因型 YyRr
配子 YR Yr yR yr F2代 黄满 黄皱 绿满 绿皱 基因型 Y_R_ Y_rr yyR_ yyrr
3
表型比： 9 ： 3 ： 3 ： 1
孟德尔自由组合定律:
两对非同源色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，形成四种基因型的配子。在杂交时四种配子随机结合，形成四种表型，9种基因型的群体。
多对非等位基因分析 例题：
•AABBCC X aabbcc 子一代自交，子二代中，表型为A-B-C-的比例是多少？
1.子一代自交，子二代中，基因型为AaBbCc的比例是多少？ 2.子一代自交，子二代中，杂合体的比例是多少？
一个基因决定了一个性状。一个性状并不一定由一个基因所决定。事实上，很多性状由一系列基因所决定。当考察性状的遗传方式时，是以在其它基因相同的条件下，仅仅列出了差别的基因。 例题
一对表型正常的夫妇生有一个有病的孩子和一个表型正常的孩子。 1.再生一个是有病孩子的机会是多少。
2.如果表型正常儿子与一个另一个同样类型的表型正常女子结婚，生有病子女的机会是多少。
如果一个表型正常，等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚，生有5个孩子，其中无病子女的机会是多少，3病2正常的机会是多少。 孟德尔分离定律的普遍性 适用于单基因遗传性状的分析 例如：人类的白化病；
RFLP (DNA限制性内切酶片段长度多态性。)
EcoR V 酶切 人体基因组DNA，与苯丙氨酸羟化酶基因探针杂交，获得3Okb和25kb的两种类型，父母是正常表型，两个孩子一个是表型正常30kb/25kb杂合体一个是有病个体，25kb/25kb纯合体，推测，25kb可能与有病基因连锁。
孟德尔定律数据的统计处理 适合度测验(goodness of fit)
实验实际比数与理论比数适合的程度。 卡平方测验适合度 孟德尔定律的适用范围
•并显性：当一对等位基因杂合时，两个基因所控制的性状同时表达的现象。 •外显率－带有显性基因个体表现出所控制的性状的实际数与理论数之比。
第二节 连锁遗传分析
F1杂合子形成配子时，两对基因有保持亲代原来组合的倾向，并且这种倾向与显隐性无关。
摩尔根的试验
摩尔根根据大量实验结果， 提出连锁交换定律，即遗传的第三定律： 处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率
连锁 （linkage）： 同一亲本的基因趋向于联合 交换 （crossing over）： 同一亲本的基因相互分开，重新组合 重组 （recombination）：由于同源染色体上的不同等位基因间的重新组合，产生不同于亲本的类型
重组频率 recombination frequency, RF 重组频率的计算： 重组频率（RF）：重组型数目/(亲本型数目＋重组型数目) 1%重组值为一个单位，称一个厘摩，记作1个CM。
基因在染色体上的距离以重组值为根据，画出的基因距离图称遗传学图（genetic map）。 三点测交(three point tess cross) 关于连锁和交换的几个实例
用RFLP做Arabidopsis遗传图：
两个亲本分别用不同限制性内切酶做酶切，并分别用探针A（蓝色）和探针B（绿色）
4
做Southern杂交。
若两种RFLP自由分离，F2代中亲本型和重组型出现频率相同（Case I）；否则，若二者紧密连锁，重组型出现频率将大大小于亲本型出现频率(Case II) 根据重组频率可以计算遗传标记RFLP间的图距。
应用连锁遗传分析做疾病 的产前基因诊断
β地中海贫血是一种常见的遗传疾病，重症型往往造成死亡。可通过产前诊断预防患儿的出生。利用几种限制酶对几个地中海贫血家系的患者及其父母进行RFLP分析。根据所得结果，可选用特定的探针和限制性内切酶对胎儿做产前基因分析。 家系分析
用限制性内切酶AvaII和探针βIVS以及限制性内切酶HindIII和探针pRK28进行分析
第三节 血型遗传学
复等位基因：一个群体中，存在着2个以上的等位基因。 •ABO血型系统遗传方式
AAA
A 血型： I I ; Ii
BBB
B 血型： I I ; Ii
AB
AB 血型： II O 血型： ii 例题
• 一对分别都是AB 血型的夫妻，所生的子女 A 型， AB 型 B 型 ¼ ½ ¼
• 某一 人群B 血型占0.45 ，O 血型占0.36 ，计算该群体中A 和AB 血型的比例。 孟买血型和类孟买血型
特例： 临床中发现有一位病人在验血中确定为B 血型，在接受O 型血的输血后，引起凝血反应。
在对供血者血液重新检测时发现，其血细胞在与抗A 血清反应时，初时无反应，2 个小时后呈凝集反应。所以确定供血者为A 型，而不是O 型。
有一犯罪嫌疑人在犯罪现场留下的唾液鉴定血型是O 型，但是在重点检查某一嫌疑人时，检测出该人的血型是B 型，在其它举证都确凿的情况下，已经确认该人是犯罪人，为什么会出现体液与血液血型不一致的现象？
有一AB 血型男子与O 血型女子结婚，生了一个O 型孩子，分析其原因。 CIS AB 。 9q34 同源染色体不等交换。 二． Rh血型系统遗传分析
恒河猴红细胞（Rhesus monkeys抗原） 免疫家兔 兔抗猴血清 检测人红细胞。 85％ 产生凝集反应 15％ 无凝集反应
定名恒河猴红细胞抗原为Rh抗原。
Rh阳性血型的红细胞带有Rh抗原，无抗体。 Rh阴性血型的红细胞没有Rh抗原，有抗体 Rh血型新生儿溶血症
Rh阴性血型的母亲怀有Rh阳性血型的胎儿，在母亲胎盘异常情况下，临产时会出现母亲的抗体进入新生儿血液中，与婴儿的抗原产生免疫反应，造成婴儿溶血。 Rh血型的遗传机制
Rh抗原受控与3个紧密连锁的基因座： Cc ； Dd； Ee。以单倍型方式传递。
当D基因存在时，为Rh阳性。d基因没有相应的抗原，是Rh阴性血型。 单倍型：一条染色体上的基因组成。
CDE；CDe；CdE；Cde; cDE；cDe; cdE; cde;
三．人类白细胞抗原（hunman lecucocy antigen，HLA） 抗宿主反应：受体抗原－供体抗体 排斥反应： 受体抗体－供体抗原
5
主要组织相容性抗原系统
（major histocompatibility antigen system） 主要组织相容性复合体基因
（major histocompatibility complex gene , MHC） HLA的遗传机制
主要组织相容性抗原按免疫性分为三类：
第一类：移植抗原（transplantation antigen）, 位于T淋巴细胞上，
编码基因为：HLA——A，B，Ｃ 第二类：免疫反应的信息传递抗原。
编码基因为：HLA——DR，DQ，DP 第三类： 补体蛋白，与抗原－抗体复合物作用。 编码基因为：HLA——C2，C4，Bf 同一条染色体上的基因组成被称为单倍型（haplotype） 白细胞抗原的单倍型分析
父抗原： A2 ， A 11 ， B13 ， Bw46 母抗原： A3 ， A 9 ， B5 ， B7 子1抗原： A2 A3 B7 Bw46 子2抗原： A11 A9 B5 B13 子3抗原： A2 A9 B5 Bw46 子4抗原： A3 A11 B7 B13 子5抗原： A3 A11 B7 Bw46
四．MN血型的遗传分析
人群中存在着MN血型系统，受M和N两个基因控制，并显性。 M N M MM MN N MN NN MN血型的遗传分析
MNSs是紧密连锁的血型基因
单倍型是： MS ; NS; Ms；Ns 基因型有10种：MS ; NS; Ms；Ns MS ／ ＭS; Ms／ Ｍs ＮS ／ NS; Ｎs／ Ns MS ／ NS; ＭＳ／Ｍs MＳ／Ｎｓ; Ms／ Ns ＮＳ／Ｍｓ； ＮＳ／Ｎｓ
例题：用M和N血清检查一个家庭，确定父亲基因型是NN,母亲是MM，儿子是MM。 结论：儿子不是该夫妻的亲生孩子。
但是其它血型和方法证明孩子的确是亲生的。
发现了Mg抗原亚型。 M g抗体不能与M抗原反应。
检测结果，父亲表型是具有Mg和N抗原，基因型是MgN。
五．伴性血型遗传 Xg血型的遗传分析
Xg抗原是目前发现的第一个与性别有关的抗原
a
基因:Xg有Xg抗原
Xg 无Xg抗原
a
Xg对 Xg显性
第四节基因组中的转座成分
一．转座因子
玉米粒颜色的遗传。
正常： 有色 有色
异常： 有色 无色，色斑 玉米的转座子
•玉米色粒调控元件
Ac-Ds 系统 第9 染色体
6
C 基因， 色素合成基因。
Ac 基因，自主移动的调节因子。4.5 kb, 5 个exon, 编码转座酶。
Ds 基因， 非自主移动的受体因子。 0.5---4.0 kb, 与Ac 有同源序列。 插入引起色素不能合成。
•插入序列(insertion sequence, IS)
仅含有转座酶基因的简单转移序列。长度多在700－1500bp左右。 由末端反向重复序列(IR)，转座酶基因组成。
插入基因组中时，在靶位上生成正向重复序列(DR) 常见的IS结构
IS 长度 末端IR 靶位DR 插入选择 IS1 768 23 9 随机 IS2 1327 41 95 热点
IS4 1428 18 11（12） AAAN20TTT IS5 1195 16 4 热点
IS10 1329 22 9 TNAGCN IS50 1531 9 9 热点 转座子(transposon, Tn)
•带有转座酶基因等必需基因及抗药性等与转座无关基因的转座因子。
结构特征： 两端具有同向或反向插入序列，同时，两端的IS可能相同或不同。 常见的转座子：
转座子 长度 标记 末端 取向
R
Tn 5 5700 KanIS50 反向
R
Tn10 9300 Tet IS10 反向
R
Tn 9 2500 CamIS 1 正向 反转录转座子（retrotransposon）
通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。
病毒超家族（viral super family）,可编码反转录酶或整和酶，自主转录。呈DNA时，具有LTR序列。
非病毒超家族（nonviral super family）,不可编码反转录酶或整和酶，不能自主转录。呈DNA时，无LTR序列。
果蝇的转座子 P (P Element)
开放阅读框 ORF 0…ORF1…ORF2…ORF3 内含子 1 2 3 P因子表达差异：
ORF 0，1，2 66 KD ， 转座阻遏物 ORF 0 ，1 ，2 ，3 87KD ， 转座酶 P 型细胞质：含66 KD ， 阻遏转座 酵母的转座子
Ty （Transposon yeast） 转座引起的遗传效应 •插入突变 •插入失活
•插入带来新的基因
•非精确解离形成突变(缺失，重复，到位) •插入激活
第五节 其它基因结构
一． 顺反子（cistron）
•早期的基因概念：基因是一个功能单位，重组单位，突变单位。 •发展的基因概念:基因是一个功能单位，基因内部可突变和重组。一个基因就是一个顺反子。 基因的顺式和反式排列
•1977年 Sanger X 174 基因转录起始点不同，但是共用同一段DNA 序列或几个核苷酸的不同基因。
二．染色体外基因 •线粒体基因组
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•线粒体是真核细胞中的细胞器。每个细胞中含有几十至数千个线粒体。每个线粒体有多个
线粒体基因组拷贝。线粒体是非孟德尔式遗传方式，在高等生物中具有母性遗传的特征。 mt DNA的遗传特征
•母性遗传：mtDNA全部来自母亲，线粒体随机分配到子细胞。 •mtDNA无内含子，无修复系统。
•mtDNA复制，转录，翻译所需的酶由核基因组提供。 •mtDNA一般没有蛋白质保护。 •mtDNA合成存在与细胞整个周期。 •具有突变和缺失热点。
mtDNA致病的遗传机制 •线粒体基因组本身突变
•线粒体基因组突变可以引起视觉神经和心肌性疾病。
点突变：由于mtDNA裸露，易受损伤，且无修复机制。所以突变频率较高。11778密码突变，arg-----his 视觉神经性疾病。
缺失：常见5kb, 8470bp---13447bp
7.4kb, 8637bp---16073bp
mtDNA插入核基因组
溶酶体途径：核酸水解酶下降，mtDNA不能完全消化，片段游离在细胞质中。 直接游离：mtDNA复制中同源重组，产生mtDNA断片。
线粒体崩解：由于理，化，病等因素，线粒体肿胀破裂，释放出mtDNA. 以上DNA片段插入核基因组，造成突变。 基因的相互作用
•互补基因（conplementary genes）修饰基因 •修饰基因（modifiers） •上位效应（epistasis）
第三章 肿瘤的遗传学
关键词:
细胞周期
癌基因(oncogene)
病毒癌基因 V-oncogene 细胞癌基因 C-oncogene
抑癌基因(antioncogene，tumor suppressor gene) 肿瘤转移抑制基因（metastasis suppressor gene） 一. 肿瘤的生物学特征与流行病学
肿瘤是基因的疾病，凡是肿瘤，都与基因组的变异有关。但是，与基因组有关的疾病并不一定都是遗传的。肿瘤有遗传性的，也有非遗传性的(散发性的)。 •单克隆起源（monoclonal theory） 一个肿瘤的细胞群体源于一个转化单细胞 的不断增殖而成。
对细胞群的遗传标记分析，具有高度一致性。 例如： 多灶性细支气管肺泡癌（BAC），原发灶，卫星灶，转移灶中的不同区域的癌细胞k-ras具有相同的突变。 肿瘤家族集聚
癌家族：具有较多成员发生肿瘤的家族。
G家族 1895年－1976年842名成员中95名患癌。
特征： 发病率高；发病高峰40－50岁；男女比例相等；男多是胃癌，肠腺癌；女多是子宫癌。
垂直传递，72％患者双亲之一患癌。 符合常染色体显性遗传方式。
家族性癌：在一个家族内多个成员出现的同一种癌。 例如：结肠癌，12－15％有家族史。
特征：患者一级亲属发病风险比一般高3倍。若发病年龄早和双侧性肿瘤，发病风险高30倍。
常见的遗传性肿瘤 肿瘤易感基因
• • • •
•
•
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在相同环境下发生肿瘤可能性比一般基因组具有更多机会的基因。
肺癌易感基因CYP 1A1酶在肺中表达，参与烟草中多环芳烃类物质代谢。该基因具有Msp I 多态， m2m2 基因型具有肺癌易感性。 染色体畸变的原因 二.肿瘤的遗传机制 •癌基因的异常表达 癌基因突变 癌基因低甲基化 癌基因扩增
染色体易位(基因重排，融合基因) •抑癌基因失活 癌基因
能在体外引起细胞转化，在体内诱发肿瘤的基因。
细胞内的原癌基因高度保留，从酵母到人都存在，这些基因与细胞生长，增殖，分化有关，并受到精细和严格的控制。 原癌基因具有的生物学功能：
生长因子；生长因子受体；参与信号传导的蛋白激酶；核内蛋白等。 细胞周期 抑癌基因高甲基化 调节基因
细胞G1期 S期
癌基因发现
1911年 Rous发现鸡肉瘤病毒（RSV）能使鸡胚成纤维细胞转化，也能使鸡诱发肿瘤。 1976年从RVS病毒中发现了src癌基因。 克隆了该基因，是第一个V－onc 1982年从人膀胱癌细胞中分离出了细胞癌基因ras基因。是第一个 C-onc
细胞癌基因(c-onc)
1976年，Bishop从Rous病毒中分离出癌基因src,并在动物正常细胞中发现有同源序列。以后在许多病毒癌基因都在细胞中都发现了它的同源序列，这些序列被称为细胞癌基因。 病毒癌基因源于细胞癌基因。 癌基因致癌机制 癌基因突变
原癌基因ras 编码189个氨基酸的蛋白是一个细胞信号传导中起着开关作用的蛋白，当ras gene 突变时，ras 蛋白一直处于开的状态，细胞生长。 ras proto-oncogene
1 12 61 189 gly gln
arg ( G C), k-ras oncogene •ras 附近插入了启动子，启动癌基因表达。
•ras的CCGG甲基化程度降低，癌基因异常高表达。
DNA的CpG岛的甲基化，干扰了转录因子与启动子识别位点的结合，降低了基因的表达。 癌基因去甲基化，引起高表达致癌。 抑癌基因高甲甲基化，引起低表达致癌。 肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene）
一类与细胞周期调控有关的基因，当这些基因正常表达时，具有抑制细胞分裂的功能。这些基因的失活或缺失，会导致细胞非正常的分裂，正常细胞有可能转化为肿瘤细胞。
首先发现的肿瘤抑制基因 视网膜母细胞瘤
发现Rb基因缺失呈杂合体时，细胞是正常的，缺失纯合体时细胞转化。显示该基因是纯合隐性致癌。Rb纯合缺失后致癌表明Rb基因存在时对肿瘤细胞有抑制作用，因此Rb是肿瘤抑制基因。del(13) (q14)
肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene) 抑癌基因 (anti-oncogene)
以参与细胞周期调控的形式，对正常细胞的增殖起负调控作用，抑制细胞的恶性转化。
癌基因与抑癌基因比较
• •
• • •
9
特点 oncogene anti-oncogene
基因属性 cell增殖基因 组织分化基因 致癌方式 激活，异常表达 基因丢失或失活 诱发机理 突变或易位 突变或缺失 致癌机理 显性 隐性
三.肿瘤细胞转移
肿瘤细胞从原发肿瘤脱落，进入细胞外基质与脉管内，输送至远端适宜的组织中克隆生长。浸润转移是恶性肿瘤的重要特征，也是肿瘤病人死亡的主要原因。
用myc等癌基因染小鼠，可以使小鼠产生癌细胞，但是不转移。说明转化与转移不是同一类基因。 肿瘤浸润机制 整合素基因（integrins gene）---细胞表面粘合受体----细胞基质粘附蛋白---锚定细胞。 肿瘤细胞表达金属蛋白酶---降解粘附蛋白，使得细胞失去固着作用。
正常细胞含有金属蛋白酶抑制因子基因（TIMP gene ）,表达的蛋白能与蛋白酶结合，抑制它的水解功能，从而锚定细胞。肿瘤细胞该基因表达受阻。
Metastatic gene and metastatic suppressor gene 转移和抑制转移基因
浸润转移：肿瘤细胞从原发肿瘤中脱落，进入细胞外基质和血管或淋巴管中，迁移到远处其它组织生长的现象。 肿瘤转移抑制基因
实验：小鼠黑色素瘤k-1735细胞系中发现，去转染正常小鼠，有高转移和低转移之分。 消减杂交法寻找转移相关基因－nm23
nm23高表达，肿瘤低转移，反之，高转移。 应用：可作转移预测；肿瘤转移抑制。 肿瘤基因诊断与治疗
Mic mRNA
gene knockout oncogene 转基因(antioncogene) 免疫法(淋巴因子基因转入) 自杀基因
自杀基因(suicide gene)
能够编码产生将非活性或无毒性前体药物转化成活性活毒性药物的酶的基因。
HSK-tk/GCV(胸腺激酶－丙氧鸟苷)系统：细胞中存在着胸腺激酶(HSV-tk), GCV是临床上治疗疱疹病毒的药物。将HSK-tk基因转入癌细胞后给GCV药，使得GCV在胸腺激酶作用下生成三磷酸GCV，能阻断细胞DNA合成产生细胞毒作用。
第四章 基因和染色体
关键词：
重复duplication 缺失deletion 倒位inversion 易位translocation
一．.染色体结构的畸变
染色体基因组结构大片段的改变。 重复：染色体区段增加。 缺失：染色体片段丢失。 倒位：染色体位置颠倒。
易位：非同源染色体片段位置互换。
重复 duplication
重复的细胞学和遗传学效应
细胞学效应：减数分裂时，同源染色体配对出现弧状结构。弧状结构是重复的部分。 遗传学效应：出现突变，严重时死亡。 基因剂量不平衡造成发育异常.
动态突变（dynamic mutation）:DNA序列中由于寡核苷酸拷贝数目的变化，引起生物表型改变的突变，称为动态突变。动态突变通常是由三联体密码子重复数目的增加而形成的。
• • • • •
• • • • • • •
10
X脆性染色体综合症是由于在X染色体P27.3位置上CGG拷贝数目增加到200以上，引起基因的改变，形成痕迹很重的染色体，突变的部分很容易被打断，所以被称为是脆性染色体。
脆性位点是染色体上在特殊条件下易断裂的位点，可能为收缩或缝隙。在人类染色体上已发现一系列的脆性位点。其中研究最详尽的位于
X 染色体上，目前发现其与智障有关。脆性X综合症为X连锁遗传，出现几率在男婴中为1/2500，主要成因可能是因为CGG三核苷片段重复数目的变化。
缺失 deletion: 缺失是指染色体部分片段的丢失。
缺失往往不会发生回复突变，从而使得未发生缺失的染色体上的隐性等位基因得以表现，也可能造成表达产物不平衡。 缺失的细胞学和遗传学效应:
细胞学效应：减数分裂时，同源染色体配对出现弧状结构。弧状结构是正常的染色体部分。
遗传学效应：出现突变，严重时死亡。有时会出现拟显性现象。
倒位： 是指染色体一个片段发生颠倒。倒位往往形成无效 的配子，从而使算出的重组频率偏低。 倒位的细胞学效应和遗传学效应:
细胞学效应：倒位杂合体在减数分裂同源染色体配对时，形成倒位环。 遗传学效应：倒位区内重组，形成不可育配子。被称为“抑制重组。” 平衡致死系
紧密连锁或中间具有到位片段的相邻基因由于生殖细胞的同源染色体不能交换，所以
可以非等位基因的双杂合子，保存非等位基因的纯合隐性致死基因，该品系被称为平衡致死系。
易位 translocation
易位是指染色体片段的转移，既可发生在非同源染色体间，亦可发生在同一条染色体的不同位置。
易位往往造成基因移位或断裂，影响基因功能。
易位的细胞学效应和遗传学效应
细胞学效应：易位杂合体在减数分裂同源染色体配对时，形成十字型结构。 遗传学效应：形成不可育和可育配子，各占1/2。被称为“半不育。”
二．染色体数目的改变 整倍数改变 单倍体 n 2倍体 2n 3倍体 3n 多倍体 4n，5n…. 同源多倍体（ABC）（ABC）（ABC） 异源多倍体（ABC）（A’B’C’）（A’’B’’C’’） 染色体数目的改变 非整倍数改变
单体 2n-1 缺体 2n-2 双单体 2n-1-1
表观遗传变异（epigenetic variation)）
基因的DNA序列不发生改变，但是由于DNA甲基化，RNA选择性剪接等作用，使得基因表达发生改变的现象，称为表观遗传变异。 基因组印记（genomic imprinting） 基因在世代传递过程中，由于DNA的甲基化作用，来源于父母本的等位基因会有不同的表现。个体表现出上代遗传下来的基因组印记的效应。就好像被打上了父母的印记一样。但是，被打上父母印记的基因在生殖细胞形成时，印记会被抹去，重新打上自己的印记。
第五章 细菌和染色体的遗传分析
关键词：
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• • • • • • • •
细菌的F因子 细菌的杂交
中断杂交（基因梯度顺序分析） 重组作图 转导 转化
顺序四分子分析 噬菌体基因重组
一．细菌的遗传分析
细菌染色体: 细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链，没有组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构。
（这种结构有利于外源DNA的插入。） E.coli基因组
E.coli的染色体为闭合双链环状DNA，长约1333um. 2001年10月15日完成了E.coli K12菌株的基因组全序列测定。总共4639221 bp，
4279个蛋白质编码基因，115个编码rRNA和tRNA的基因。 F因子
高频重组（high frequency of recombination）,Hfr 梯度转移作图
中断杂交实验：采用Hfr x F- ,根据染色体上基因进入F-细胞的时间和次序作图。
rrs
Hfr thr+ leu+ azi ton lac+ gal+ str X
-ssr
F thr- leu- azi ton lac- gal- str 重组作图（recombination mapping）
转导（transdution）由噬菌体作介导，将基因组DNA转入受体细胞的过程，称为转导。 转化（transformation)。没有噬菌体作介导，由DNA直接转入受体细胞的过程，称为转化 顺序四分子分析
单倍体营养体在营养或生长环境不利时，转入有性生殖。菌丝产生的单倍体分生孢子与另一个菌丝的原子囊果中的单倍体子囊孢子杂交。形成2倍体的杂合体，该2倍体经过第一次减数分裂，获得一个细胞内含有4个单倍体的产物，4个单倍体产物呈直线排列，称为：四分子，对四分子进行的遗传学研究，称为四分子分析（tetrad analysis） 着丝粒作图
根据四分子标记基因间的交换，计算着丝粒与标记基因的重组值，被称为：着丝粒作图。
DNA损伤修复
避免差错的修复 光复活修复 切除修复 重组修复 倾向差错的修复 应急修复（SOS）
光复活与切除修复
• 1949年发现紫外线的对DNA的损伤可以通过可见光照射而提高生存率。 • 1960年R.B.Setlow 发现紫外线的对DNA的损伤是形成T＝T二聚体。 •光复活酶修复：光复活酶基因表达，解开T＝T二聚体。
•切除修复：Uvr A,B,C基因编码的内切核酸酶切除T＝T两端12－13个bp，然后在DNA多聚酶和DNA连接酶的作用下，以正常的链为复制模板，合成正常的DNA链。
重组修复:1965年A.J.Clark发现uvr突变后，E.coli仍可对紫外线造成的损伤进行修复，发现了重组修复机制。参与基因rec A。 DNA复制突变
温度敏感型DNA复制突变型：
温度40度时，正常细菌还可以DNA复制，但是DNA复制突变型受到抑制。 把突变型从许可温度转入非许可温度中培养，一种突变型立刻停止DNA复制，称为DNA复制快停突变型。一种突变型慢慢停止DNA复制，称为DNA复制慢停突变型。
慢停突变型：
• •
• •
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DNA复制中的发动有关基因的突变，当温度达到突变的敏感温度时，该基因停止发动，但是已经复制的DNA将继续延长，停止在DNA复制终点。
快停突变型：
DNA复制中的延长链有关基因的突变，当温度达到突变的敏感温度时，该基因停止转录，表达的蛋白也立即失活，DNA复制不再延长。DNA复制停止在任意阶段。
快停突变型：
DNA复制中的启动好有关基因的突变，当温度达到突变的敏感温度时，该基因停止转录，但是已经表到的蛋白将继续发挥复制延长的功能，直到蛋白质用完或失活后，DNA链复制停止。 Aems法诱变
沙门式杆菌缺陷型，不能在基本培养基上生长，当培养皿的中间涂上待测的药物时，如果没有回复突变，就没有菌落出现，如果出现突变，在药物周围会有菌落生长。与对照相比，突变频率高，说明待测药物诱变强。 突变率: 生物群体中基因突变的比例。
显性基因的突变率计算
软骨发育不全症是常染色体显性遗传病。 如果在94075的婴儿中发现10例本病患者，其中有2例的亲体也患此病，计算该基因的突变率。
-5
（10－2）/ 2 (94075-2= 4.2 X 10
细菌突变的检测
细菌诱变后，是由于后来培养过程中出现的变异还是诱变时出现的变异？
链霉素抗性细菌在含有链霉素的培养基上可以生长，敏感型不能生长，突变型是诱变的，还是筛选的？ 营养依赖型突变筛选
第六章 基因组
关键词:
基因组（genomic） 定位克隆 功能克隆 定位候选克隆 遗传标记
一．基因组结构 C值悖论
•生物体单倍体DNA总量称为 C值。
高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。 DNA序列的分类
•基因序列和非基因序列 基因序列：以起始密码子开始，终止密码子结束的一段DNA序列，称为开放阅读框（open reading frame, ORF）
非基因序列：基因序列以外的DNA序列。 •编码序列和非编码序
编码序列：编码RNA和蛋白质的DNA序列。 非编码序：内含子和基因的间隔序列。 •单一序列和重复序列
单一序列： 基因组中只有一份的DNA序列。
重复序列：基因组中重复出现的序列。例如，STR，SNP，微卫星DNA等。
二．寻找基因的思路： 功能克隆
克隆（致病）基因的一种策略。
收集所要克隆的基因的蛋白质产物及其功能的信息，用以分离基因，并对基因进行定位。
• • •
13
定位克隆
利用遗传连锁或细胞学定位技术将致病基因定位于染色体的特定区带 主要方法： 家系调查法 体细胞杂交法 核酸杂交技术 用遗传标记进行基因定位
形态标记 morphological markers 细胞标记 cytological markers 生化标记 biochemical markers 分子标记 molecular markers 分子遗传标记
在核酸分子水平，对具有相对差异的等位基因DNA多态性的标记，广泛存在于高等生物编码区和非编码区，又称为DNA分子标记，是DNA水平上遗传变异的直接反映。
特点:
1. 直接以DNA形式表现，在生物体各发育阶段,各组织均可检测到。 2.数量多，遍及整个基因组。
3.多态性高，自然界存在许多等位突变，无需专门创造特殊的遗传材料 4. 中性，不影响目标性状的表达，与不良性状无必然连锁 5. 许多分子标记表现为共显性（codominance）, 能够鉴别出纯合基因型与杂 合基因型，提供完整的遗传信息 分子遗传标记发展
RFLP restrict fragment length polymorphism 限制性片段长度多态性。以DNA酶切
片段的长度的不同，形成的多态性。
SSLP simple sequence length polymorphism 简单序列长度多态性 ，又称为VNTR
variable number tandem repeat 数目可变的串联重复多态性
指重复单位相对较小,由重复单位的序列差异和数目变化,可形成丰富的多态性。 包括:
小卫星序列 minisatellite 微卫星序列 microsatellite ,
•小卫星DNA标记 minisatellite，核心序列为11－60bp ，主要存在于染色体靠近端粒处，由于其拷贝数变化，在不同个体间中存在串联数目的差异，若在重复序列两侧有限制性内切酶酶切位点，则切下来的片段会呈现出多态性。可用于DNA 指纹，DNA Finger。
•微卫星DNA标记 microsatellite，指以2－7个碱基为核心单位串联重复而成的一类序列（微卫星DNA microsatellite DNA，又称为STR short tandem repeat 短串联重复序列）,由于核心序列重复数目的变化而在群体中呈现出遗传多态性，但在同一家系内具有高度的遗传保守性，以孟德尔方式遗传。散布于整个基因组中。
SNP single nucleotide polymorphism 单核苷酸多态性，是指在基因组内特定核苷酸
位置上存在两种不同碱基，其中最少一种在群体中的频率不小于1％。
SNP分为两种形式：基因编码区的SNP，称为cSNP遍布于基因组内的大量单碱基变异 SNP分析的特点：
（1）SNP数量大，分步密集，平均每1000bp就有一个SNP （2）SNP比STR扩增更有效，不会产生假带
（3）由于SNP是二态的，易于自动化批量检测，易于用计算机分析结果 SNP与RFLP和STR等DNA标记的主要不同在于：
不再以“长度”的差异作为检测手段而是直接以序列的差异作为标记。但SNP单个基因座的多态性很差，只有二态，为此采用多个SNP基因座进行“单倍型”分析十分重要。 AFLP amplified fragment length polymorphism 扩增片段长度多态性 通过
DNA PCR扩增基因组DNA的模板，随后用电泳将扩增片段分离，通过DNA谱带鉴别多态性。
RAPD random amplified polymorphism DNA
随机扩增多态性 用于扩增多态性DNA的引物是随机的。在做多态性分析时，用一组
引物（20－40个）在基因组全序列上扫描可获得基因组多态性的丰富信息。
SSCP single strand conformation polymorphism 单链构象多态性 是基于PCR
扩增而新发展起来的DNA多态性分析，利用PCR特异的扩增出基因组的目的DNA片段，变性后形成的单链DNA在自然条件下能形成一定的空间构象，并且这种空间构象由DNA
14
链的碱基序列决定，若碱基发生变化，将在电泳图谱上表现出不同生物个体的特异性，即多态性。 定位候选克隆
•该方法是定位克隆的进一步发展
•将疾病相关基因定位于染色体相关区域 •该染色体区域得到若干候选基因 •进一步分析得到目的cDNA 差异表达
原理: 比较不同个体或不同细胞来源 ，即通常所指的样本 (tester，Ｔ) 和参照 (driver，Ｄ) 的蛋白质或ｍRNA两者之间的差异 ，如缺失或特异表达部分， 从而发现新基因
消减杂交（subtractive hybrization）
利用目的基因在两种组织或细胞中表达的差异，或者在不同发育阶段、不同状态下表达差异，通过其mRNA或单链cDNA进行杂交，除去两者之间相同的基因成分，使表达有差异的基因得到充分富集。它的实质是对两组基因转录本全面比较，去同存异，分离差异表达基因 Subtractive cloning 生物信息学方法: 通过序列的ORF预测 •建立cDNA文库
•差减杂交得到均质化文库 •cDNA序列测定
•生物信息学分析，ORF预测
同源性比较，功能预测生物信息学网页：NCBI界面 ORF预测软件：ORF Finder 读框预测实例 通过EST拼接
例如：已知小鼠某基因在人当中有高度同源序列 •用该小鼠cDNA比对人的EST数据库
•得到一簇EST后，将相邻的EST通过相互重叠部分进行拼接。
•得到人对应的完整cDNA的序列后，两端设计引物在cDNA文库中进行PCR，得到该cDNA的克隆。
•至此，与小鼠对应的人的该基因得以克隆出来。 EST拼接实例
基因芯片技术的应用
•使用传统方法寻找新基因，不仅需要投入大量的资金，而且针对性不强，效率低下，绝大部分工作都是繁琐重复劳动¡£
第七章 基因与发育
关键词:细胞分化,细胞凋亡,形态建成
一.什么是发育
•从生物学角度来说，发育是生物的细胞分裂，分化，形态建成，生长繁殖的一系列过程。 •从遗传学角度来说，发育是基因按照特定的时间，空间程序表达的过程。研究基因对发育的调控作用的学科就是发育遗传学（Developmental Genetics) 。 发育遗传学的研究特点 •发育是生物的共同属性
发育是贯穿每个生物体的整个生活史。对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
二. 发育遗传学的研究特点
•发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式（pattern），发育则是基因按严格的时间和空间顺序表达的结果，是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型的过程。 发育遗传学的研究特点 •发育调控基因具有保守性
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无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇和人类的发育途径基本相同，控制发育的基因在进化上是保守的，在结构和功能上有很高的同源性。 发育遗传学的研究特点 •发育中基因之间的作用
生物发育过程中的基因与基因的相互作用对执行了发育进程的调控。
个体发育的生物学功能 •细胞分化的多样性功能 细胞分化 形态建成 生长
•生命的延续性功能 性别分化 繁殖
细胞定向（commitment） •决定（determination）:
早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了这些细胞的分化命运。 例如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经定位，并确定了特定细胞的形态建成等命运。 •特化（specification）：
细胞或组织按照已经被决定的命运自主地进行分化，形成特异性组织或细胞地过程。 例如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成特定的组织，形成体节，器官等不同形态。
细胞分化的基因作用
基因的等价性（genome equivalence）
全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具有相同表达的能力。
细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的能力。植物的细胞全能性大于动物细胞。 双重开关（binary switch）：在不同发育途径的决定点上，具有多向分化功能起核心作
用的基因。
细胞编程性死亡（programmed cell death,PCD）
多细胞生物的一些细胞在发育中不再为生物体所需或受到损伤时，会激活遗传控制
的自杀机制死亡。这种自我毁灭的死亡称为细胞编程性死亡。
细胞凋亡（apoptosis）是编程性死亡的一种方式。
细胞编程性死亡在生物发育中具有重要作用，有关基因发生突变，就会引起发育异常。 细胞凋亡与线粒体: 线粒体在凋亡的表现
释放细胞色素 电子传递改变
细胞氧化还原作用改变
细胞凋亡基因
•ICE 基因：表达白介素转移酶，诱导细胞凋亡。 •bax基因抑制bcl-2，诱导细胞死亡。 •bcl-2人的原原癌基因，促使细胞生长。 •ced-9线虫中与人bcl-2的同源基因。
•把将要形成的内胚层器官的细胞拖入胚胎内部，外胚层细胞置于四周。 –母系基因在发育中的作用： 干细胞（stem cell）：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。
•全能干细胞（totipotent）:能够分化产生各种细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。
•多能干细胞（pluripotent stem cell）:具有多种分化能力的细胞。例如不同胚层的特异性细胞可以分化形成特定的组织何器官。 •多效干细胞（multipotent stem cell）：具有专一分化能力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞
•1998年11月，美国Wisconsin-Medison University的James.A.Thomson从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离了多能干细胞。
•同时美国John-Hopkins Bayview Hospital的John.D.Gearhart从终止妊娠的胎儿组织中原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞进行培养，得到多能干细胞。
16
特异组织中分离出干细胞
Vincent Tropepe(science vol 287.2000.3)从成年小鼠的眼睛中鉴定出一种干细胞。这些细胞的克隆可以分化出视网膜特异的细胞类型，包括视杆细胞，双极细胞，Miiller胶质细胞
细胞核的去分化
•高度分化的细胞核在一定的条件下，可能脱离原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全能干细胞能力。
例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去了核的卵中，发育成蝌蚪。 克隆羊多利等。人胚胎干细胞面临的技术难题。
•胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持它在体外扩增时不分化？ •如何定向诱导干细胞分化？
•由胚胎干细胞在体外发育成完整的器官尤其是象心、肝、肾、肺等大型精密复杂的器官还需要技术上的突破。
•如何克服免疫排斥反应?
•胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如何？ 模式形成（pattern formation）
•胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞有分别构成不同的组织、器官，并形成有序的空间结构的过程
•动物最初的模式形成主要涉及胚轴(embryonic axes)形成和相关细胞的分化 •胚轴：前－后轴(anterior-posterior acis) 背－腹轴(dorsal-ventral axis)
中－侧轴（或左－右轴）(mediolateral axis) 三．命运图
决定胚胎极性的基因
•母体效应基因(maternal effect gene) •裂隙基因（gap gene）
•成对规则基因（pair-rule gene ） •体节极性基因(segment polarity gene) •同源异形基因(homoeotic gene)
母性效应基因和分节基因相互作用决定体轴（A-P，D-V）的形成（11-24） ◆ A-P轴前端由bicoid mRNA及其表达产物的梯度决定（11-25） ◆ A-P轴的后端由nanos基因的作用决定（11-26）
◆ bicoid和nanos基因产物的协同作用生成早期胚胎A-P轴（11-27）
◆ D-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内的梯度形成，而背部结构的形成则取决于腹部基因蛋白dpp的梯度（11-28） 分节基因决定体节形成（11-29） ◆ 分节基因的突变效应
◆ gap基因的表达形成的体节
◆ pair-rule基因表达的条纹图式（stripe pattern） ◆ segment polarity基因的表达产生14条条纹 (homeotic)基因的表达决定每个体节的结构如触角、口、腿、翅、胸部和腹部等（本节第二部分） ◆ 体节形成中的遗传层次（genetic hierarchy）
母性效应基因（maternal-effect genes）
◇ 母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白，在卵子发生（oogenesis）中转录，产物储存在卵母细胞中，沿前-后轴呈梯度（gradient）分布。
◇ 母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约40个。
合子基因（zygotic genes），又称为分节基因（segmentation genes） ◇ 分节基因在受精后依赖于母性效应蛋白的分布转录。
◇ 根据突变分析，分节基因约有60个,可分为三类，即裂隙基因（gap genes）、成对规则基因（pair-rule genes）和体节极性基因（segment polarity genes） 裂隙基因
•受母体效应基因的调控，在胚胎一定区域内表达（2个体节），该基因突变，使得胚胎体节出现裂隙。
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例如：
Hunchback基因生成头胸，抑制腹部的基因。突变时，不生成口和胸。是受bcd基因调控的gap gene . 成对规则基因
•受裂隙基因调控，体节间隔的特定基因。突变时胚胎的体节有缺失的现象。
例如：ftz基因，转录1.8kbRNA,突变时，由于7个体节相关的细胞死亡，体节减少了一半。 体节极性基因
•受成对规则基因调控，保持体节中的重复结构的一致性。
例如：engrail基因，保持前后体节的分界，该基因突变时，缺失每一体节的后半部分。 ◆ 同源异形基因（homeotic genes）或选择者基因（selector genes）, 主要包括Antennapedia complex（ANT-C）和 Bithorax complex（BX-C）（11-19） ◇ 胚胎体节的划分确定后，同源异形基因负责确定每个体节的特征结构。若发生突变，会使一个体节上长出另一个体节的特征结构，如ANT-C基因的突变使触须变成腿（11-20）和四翅果蝇（11-21）
•◇ 同源异形基因受成对规则基因和裂隙基因调控：同源异形基因序列中有180个核苷酸的保守序列，称为同源异形框（homeo box），编码的60个氨基酸残基为同源异形基因编码的蛋白质的同源异形域（homeodomain），是与DNA结合的motif，起转录调控作用。 生物学功能是保持特定体节的结构特征。 同源异形基因家族
•◇ BX-C 约300kb, 仅含三个同源异形基因（ubx,abdA,abdB）, 但许多突变影响调控区（11-22）
•◇ 哺乳类中的同源异形基因复合体称为Hox基因簇，与果蝇中的同源异形基因有同源性（11-23）
第八章 基因表达与调控
关键词:基因表达（gene expression）,负调控（ Negative control ）,阻遏蛋白（repressor protein）,正调控（ Positive control ）
一．基因调控方式
。基因表达（gene expression):基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。
基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。
负调控（ Negative control ）：阻遏蛋白（repressor protein）结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。 正调控（ Positive control ）：基因表达的活化物（ activators ）结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。 •Cis－acting，顺式作用
与靶基因位于同一条染色体上的DNA序列发挥调控作用 •Trans-acting，反式作用
基因编码产物，RNA或protein调控另一簇基因的表达 二．基因表达与调控 •调节元件 •转录调控 •翻译调控
The Lactose Operon in E.coli 诱导系统负调控 乳糖操纵子
•在乳糖存在下，乳糖作为诱导物， 与调节基因产生的阻遏物结合，改变了阻遏物结构，不能再结合到操作基因上，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了分解乳糖的三个结构基因。
•当乳糖分解完以后，调节基因产生的阻遏物结合到操作基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分解乳糖的结构基因。 诱导系统负调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因不能转录。
在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产生的阻遏物结合，改变了阻遏物结构，不能再结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了分解底物的结
18
构基因。
当底物分解完以后，调节基因产生的阻遏物结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分解底物的结构基因。 诱导系统正调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因转录。
在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产生的活化物结合，改变了活化物结构，使得复合物能够结合到操纵基因上，RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了分解底物的结构基因。
调节基因的产物在没有底物存在下，不能与结合到操纵基因上，RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录分解底物的结构基因。 阻遏系统负调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因不能转录。
在底物存在下，调节基因产生的阻遏物不能与操纵基因结合，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了合成底物的结构基因。
当底物合成以后，调节基因产生的阻遏物与底物的复合物结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录合成底物的结构基因。 阻遏系统正调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构基因能转录。
•调节基因产生的活化物与操纵基因结合，使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了合成底物的结构基因。 •当底物合成以后，调节基因产生的活化物与底物的复合物不能结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启动。停止转录合成底物的结构基因。 诱导和阻遏系统主要区别
调控类型 有底物 无底物
诱导系统 ＋ － 阻遏系统 ＋ － 正负调控区别
调控类型 有阻遏物 无阻遏物 负调控 － ＋ 正调控 ＋ _
三．复制与转录
•DNA复制：DNA多聚酶
•ＲＮＡ转录：依赖于ＤＮＡ的RNA多聚酶 •反转录：依赖于RNA的DNA多聚酶 基因表达过程
THE PROCESS OF GENE EXPRESSION 原核与真核生物基因转录 调节水平 •ＤＮＡ转录 •mＲＮＡ加工 •翻译
•翻译后加工
环境因素诱导的转录调控 由于环境因子的改变，使得生物体特定基因的表达受到了相关基因的调控，这种调控形式称为环境因素诱导的转录调控。 温度诱导的转录调控元件
•热休克基因（Heat－Shock gene) ：编码热休克蛋白的基因。例如：hsp70 gene •热休克转录因子（heat-shock transcription factor,HSTF）：存在于细胞核中一种对温度敏感的多肽因子。
•热休克反应因子（heat shock response elements,HSEs）：在hsp70 gene上游40－90bp，被HSTF识别的DNA序列。
•热休克基因（Heat－Shock gene)
在原核和真核生物中都发现了这类基因，当生物体处于高温时，热休克转录因子（heat-shock transcription factor,HSTF）被激活，结合到热休克反应序列上，促使热休克基因转录，表达的蛋白为HSP70，对细胞在高温下起稳定作用。 生物因子诱导的转录调控
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•生物体在生物因子诱导下的转录调控。
这类因子的调控一般都需要通过细胞信号传导系统，将信息传递细胞核内的DNA上，诱导了转录进行。
其中有的因子直接进入细胞内参与诱导，有些因子通过细胞跨膜蛋白受体，间接进行诱导。
增强子（enhancer）
• 生物中能够增强基因表达的调控序列。 作用特征：
•可以相隔数千个碱基对远距离发生调控作用。 •不管正向或反向，均可以发挥调控作用。 •在结构基因的上游或下游都具有调控的作用。
•P/lacZ融合基因在果蝇染色体上受调控序 列增强子(enhancer)的调控。这一序列可 与P启动子相互作用，起始lacZ的转录。
•在三个品系中，P/lacZ融合基因插入位置 不同
品系一 插入位置靠近眼特异性增强子，只在眼睛细胞中调控转录 品系二 插入位置靠近肠特异性增强子，只在肠细胞中调控转录
品系三 插入位置靠近非特异性增强子，在不同组织的各种细胞中均调控转录 •Enhancer traps 增强子捕获：
假设不同组织特异性增强子在染色体上的位置靠近其所调控的基因。例如，在眼睛中，眼特异性增强子在对眼睛功能或发育重要的基因附近。用¡°随机插入¡±的融合基因P/lacZ可鉴别不同种类的增强子，以及其所控制的基因，因此称为增强子捕获
第九章 数量性状的遗传学
关键词:多基因效应,生物性状基本统计方法,遗传率,近交系数
一.质量性状与数量性状
质量性状：表型之间截然不同，具有质的差别，用文字描述的性状称质量性状。如水稻的糯与粳，豌豆的饱满与皱褶等性状。
数量性状：性状之间呈连续变异状态，界限不清楚，不易分类，用数字描述的性状。如作物的产量，奶牛的泌乳量，棉花的纤维长度等。
数量性状的遗传在本质上与孟德尔式的遗传完全一样，只是需用多基因理论来解释。 数量性状与质量性状的关系
•数量性状与质量性状由于以下原因有时很难确定： 区分的方法不同；粒小麦的籽粒颜色。 基因的对数不同；植株的高矮。 观察的层次不同；阈值性状，多胎。 数量性状的多基因遗传 阈值性状遗传
多基因假说（multiple factor hypothesis） •数量性状是许多对基因共同作用的结果
•每一对基因对性状表型的表现所产生的效应是微效的 •微效基因的效应是相等，而且相互累加 •微效基因显性不完全 •微效基因对环境敏感 数量性状基因数的估计 n
4 = F2代个体总/ F2代中极端个体数
例如:获得子二代22016个子代，其中极端子代86 个，计算所涉及的基因数。
n
4 = 22016/86 n=4
多基因效应的累加方式 •算术平均数累加
子一代表型是两个亲代的算术平均数。
累加效应＝ 纯合显性表型－纯和隐性表型 显型显性有效基因数 增效基因累加值：
••
•
20
74－2
4 每个增效基因是18cm； AAAA: 2+18 x 4=74 AAAa: 2+18 x 3=56 AAaa: 2+18 x 2=38 Aaaa: 2+18 x 1=20 aaaa: 2
多基因效应的累加方式 •几何平均数累加
子一代表型是两个亲代表型乘积的平方根。 累加效应＝F1表型/2的平方根。
例题： 杂交同上 F1 穗长： 74X2 ＝12.2 每个增效基因值：12.2/2=2.47cm
4
AAAA: 2 x 2.47=74.2
3
AAAa: 2 x 2.47=30.1
2
AAaa: 2 x 2.47=12.2
1
Aaaa: 2 x 2.47= 4.9 aaaa: 2
环境与基因型形成的变异
二.数量性状遗传分析的统计学基础 •平均数（average）：
•方差（variance）与标准差（standard eviation）: 例题：57个玉米穗
长度(cm， x ) 5 6 7 8 观察数(个 ) 4 21 24 8
平均数 5x4+6x21+7x24+8x8 57
=6.63
方差：变数与平均数的偏差的平均平方和。
22222
积加X=5x4+6x21+7x24+8x8 =2544 积加X＝5x4+6x21+7x24+8x8=378 n=57 2)2S= 2544－(378 57－1 ＝0.67
选择差异与遗传率
三.数量性状的遗传率
•表型方差 = 遗传（基因型）方差 + 环境方差 • VP = VG + VE •其中VG = VA + VD
•VA：加性方差, 由基因的相加效应所产生的方差
•VD：显性方差，基因在杂合状态时的显性效应所产生的方差2
广义遗传率h＝遗传方差/表型方差 ＝VG /VG+VE
2
狭义遗传率hN＝相加遗传方差/表型方差 ＝VA /VG+VE
2
•广义遗传率：H=VG/VP=(VF2-VE)/VF2
• =(1/2VA+1/4VD)/(1/2VA+1/4VD+VE)
•如果控制同一性状有n对基因：A,a;B,b;…N,n •: •则F2的遗传方差222 V…(VG=1/2 aa+1/2 ab+…+1/2 anA)• 222
+1/4 da+1/4 db+…+1/4 dn...(VD)
•设：VA为加性效应产生的方差
21
• V为显性效应产生的方差
D
） •则表型方差VF2=1/2 VA+1/4 VD+VE（表型方差可由观察值来计算。
•如果控制同一性状有n对基因：A,a;B,b;…N,n •: •则F2的遗传方差222 V…(VG=1/2 aa+1/2 ab+…+1/2 anA)• 222
+1/4 da+1/4 db+…+1/4 dn...(VD)•设：VA为加性效应产生的方差 • VD为显性效应产生的方差
） •则表型方差VF22=1/2 VA+1/4 VD+VE（表型方差可由观察值来计算。
广义遗传率：h=VG/VP=(VF2-VE)/VF2
2
狭义遗传率：h=VA/VP=(1/2 VA）/VF2
•要求出VA,需用F1个体回交两个亲本： •F1(Aa) X P1(AA)得B1; •F1(Aa) X P2(aa)得B2。
•B1,B2的表型方差分别计算如下 B1的平均数和遗传方差的计算 (AA X Aa)
B2的平均数和遗传方差的计算 Aa X aa
2222
B2的遗传方差：VB2=½ (a+d) –[½ (d-a)]=1/4* (a+d)
1/4 VA = V F2 – 1/2(VB1 + VB2)
由VB1,VB2可分离出加性方差VA •B1,B2遗传方差的平均值：
22
½ （VGB1+VGB2）=1/4 (a+d) ½ （VB1+VB2）= ¼ VA+ ¼ VD+VE
•而F2的表型方差 VF2= ½ VA+ ¼ VD+VE
VA,进而求出狭义遗传率。 •由上述二式即可求出2
狭义遗传率h＝VA /VG+VE 对遗传率的几点说明
•遗传率是一个统计学概念，是针对群体，而不是用于个体；
•遗传率反映了遗传变异和环境变异在表型变异中所占的比例，遗传率的数值会受环境变化的影响；
•一般来说，遗传率高的性状较容易选择，遗传率低的性状较难选择。
四．近亲繁殖和杂种优势 •近交和近交系数 •近交系数（F）：一个个体从其某一祖先得到一对纯合的、且遗传上等同的基因的频率。 •近交系数的计算 （利用家系图） 近交系数计算举例
•表兄妹结婚所生子女的近亲系数：
6
•F =4*（1/2）=1/16
伴性遗传基因近交系数计算举例 •表兄妹结婚所生子女的近亲系数： •F =（1/2)3 + 2( 1/2)5 =1/16
伴性遗传基因近交系数计算举例 •表兄妹结婚所生子女的近亲系数： F=0
平均近交系数
（mean coefficient of inbreeding ）
衡量群体中血缘关系程度或近交的流行程度。
近亲婚配的危害
如果近亲婚配中的祖先的有害基因是纯合隐性致病的基因，个体在群体中的携带有害基因的机会是概率事件，近亲婚配的子女的有病可能性是：Fq ＋（1－F）q2 说明：
•
22
•来源于同一祖先的等同基因的概率是1/16q •不同来源的纯合基因的概率是15/16q2 •总概率是：1/16q+15/16q2 =q2+ pq/16 •杂种优势
•1、显性说：杂合态中，隐性有害基因被显性有利基因的效应所掩盖，杂种显示出优势。
•P AAbbCCDDee...X aaBBccddEE… • F1 AaBbCcDdEe……….(出现杂种优势)
•2、超显性说：基因处于杂合态时比两个纯合态都好。
•P a1a1b1b1c1c1d1d1...X a2a2b2b22c2d2d2… •F1 a1a2b1b2c1c2d1d2…..(出现杂种优势)
第十章 群体遗传学
关键词: Hardy-Weinberg定律, 基因频率, 遗传漂变
一．群体遗传学基本概念
◆ 群体遗传学（population genetics）：研究群体中的基因组组成以及世代间基因组变化的学科。
◆ 群体（population）：指孟德尔群体，即在特定地区内一群能相互交配并繁育后代的个体。一个最大的孟德尔群体就是一个物种。 ◆ 等位基因频率（allele frequency）：一个群体中某一等位基因在该基因座上可能出现的等位基因总数中所占的比率。任一基因座的全部等位基因频率之和等于1。 例题：某一1000人群中MN血型的分布是 M MN N 250 500 250
M的频率：(250X2+500)/1000x2=0.5 N的频率：(250X2+500)/1000x2=0.5
◆ 基因型频率：一个群体中不同基因型所占的比率。全部基因型频率的总和等于1。 ◆ 群体遗传结构：群体中各种等位基因的频率以及由不同的交配体制所产生的各种基因型在数量上的分布。
◆ Hardy-Weinberg定律：在一个大的随机交配的群体内，基因型频率在没有迁移、突变和选择的理想条件下，世代相传保持不变。由英国数学家Hardy，G. H和德国医学家Weinberg，W于1908年提出。
平衡群体：在生物个体随机交配，且没有突变，选择情况下，群体的基因型频率世代保持不变这样的一个群体称为平衡群体。
随机交配一代，基因型频率发生改变的群体不是平衡群体。一个非平衡群体，随机交配一代以后，成为平衡群体。 平衡群体鉴定
AA Aa aa 是否平衡 1. 0.5 0.5 - 2. 0.4 0.2 0.4 - 3. 0.25 0.5 0.25 +
二．改变群体基因频率的因素
● 突变能产生新的等位基因，但改变基因频率的速率很慢 ● 自然选择是进化的潜在动力
● 突变与选择对常染色体上等位基因频率的联合效应 ● 遗传漂变对进化平衡的不可预测效应 ● 迁移造成群体间的基因流（gene flow） 选择的作用
协同进化：在突变和选择的作用下，对不同五中间具有趋同进化的趋势，这种现象称协同进化。
遗传负荷：如果一个群体的突变不断积累，并且这些突变是有害的，就会出现的适合度下降。这种现象被称为遗传负荷。用1－w/W来表示遗传负荷的度量。 软骨发育不全遗传病侏儒108人生27个子女，确定相对生育率，正常对照457人生582个子女，侏儒相对生育率是： 27/108 582/457
•
• • •
23
=0.20
代表适合度
● 突变能产生新的等位基因，但改变基因频率的速率很慢 ● 自然选择是进化的潜在动力
◆ 选择作用于基因型依赖的（genotype-dependent）适合度差异时，群体中等位基因和基因型频率的变化。
◆ 计算自然选择对基因型频率的影响
选择对纯合隐性个体不利时基因频率的改变 ◇ 适合度（fitness，w）：群体中一个个体相对于其他个体存活并传递其基因到下一代的能力。适合度具有两个基本成分：存活力（viability）和生殖成功（reproductive success）。
◇ 选择系数（selection coefficient，s）：在选择的作用下降低的适合度 。 ◇ 自然选择（natural selection）：自然界中逐渐淘汰适合度低的个体，选择适合度高的个体作为下一代亲本的过程.
当纯合隐性个体致死或不能生育时，隐性基因a的频率q改变如下： q1=q/1+q0 q2=q/1+2q0 q3=q/1+3q0 …
•q4=q/1+nq0 n=1/qn－1/q0
突变与选择情况下基因频率的改变 •22
a频率的改变：q1-q0=-sq(1-q)/1-sq
2
当很小时，1-sq近似等于1。
2
当选择对纯合隐性个体不利时，a基因的频率q每代减少sq(1-q) 新产生的隐性突变基因(Aa)的频率 pu=u(1-q)
2
平衡时：sq=u
2
q=u/s 三．遗传漂变 ◆ 遗传漂变（genetic drift）：群体内由于抽样误差造成的等位基因频率的随机波动. ◆ 奠基者效应（founder effect）：遗传漂变的一种形式，指由带有亲代群体中部分等位基因的少数个体重新建立新的群体。
◆ 瓶颈效应 ：由于自然环境急剧的改变，使得群体中大部分个体死亡，仅存的少数个体侥幸逃生，繁衍成新的群体。
低频率基因由于遗传漂变，成为高频率。
东卡罗林群岛 Pringelap人群，先天性失明占10％。由于1780年飓风，原人群大量死亡，遗留下带有失明基因的个体比例很高，使得该群体的后代有病个体大幅度增加。基因频率改变。
AA Aa aa AA Aa aa 0.95 0.04 0.01 0.4 0.2 0.4 ● 迁移造成群体间的基因流（gene flow）
◆ 设有一个大群体A，每代有部分（m）个体从B迁入，某一等位基因在A群体中的
n
频率为qo，B群体中为qm，则混合后的群体基因频率为 (1-m)= qn-Q / q0 - Q体的比例。 四．基因组进化 RNA起源学说
原始RNA的三种作用:剪切，复制和编码，合成。 新基因的形成
突变，转座，重组，扩增。
编码序列的改变
人类中仅仅有1.5%的ＤＮＡ是编码序列。
染色体加倍，基因重组，外显子洗牌，滑序复制，转座以及突变等原因使得编码序列的基因发生改变，在选择压力下，基因组不断进化 ◆ DNA的变化是基因组进化的基础
◇ 真正中性的突变不受自然选择的影响，通过遗传漂变维持在群体中或被淘汰。 ◇ 负选择（negative selection）淘汰群体中有害的突变。
◇一些对生物有利的极稀有的突变通过正选择（positive selection）增加等位基因
• • • • •
24
频率，并固定在群体中。
功能域或外显子洗牌（exon suffling）
由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成全新编码顺序，称为外显子洗牌。 例如：组织纤维蛋白溶原酶（TPA），
作用是促使血液中凝血块的分解。
由组织纤维蛋白溶原酶原激活因子；血纤维蛋白酶原；生长因子等外显子组成。 冗余基因
具有功能但是通常不表达的重复基因。
新的重复基因
向新基因过渡的重复基因 保留部分功能的重复基因
细胞分裂，DNA复制，基础代谢等重要的基因少有重复的多余基因。与发育或涉及生物多样性的多功能域基因冗余。 非编码序列的改变
•人类中仅仅有98%的ＤＮＡ是非编码序列。没有选择压力，基因组积累了大量的变异。 •非编码序列有未知的功能
玉米中转座因子MITE序列，在225kb中有33个重复，在基因两侧。原来认为是没有生物功能的序列，现发现它与ＤＮＡ复制和调控有关。
•自私DNA:本身没有功能，进化中处于中性，只是伴随编码DNA复制并遗传。 •内含子起源：GT－AG真核中的内含子，细菌中没有。晚起源与早起源学说 基因岛与基因协同进化
基因组间基因的间隔相差很大，基因在基因组中的分布疏密不一，某些区段形成基因基因集中的基因岛。
啤酒酵母缺失了一部分裂殖酵母和其它酵母特有的基因。这些基因功能相近，相伴丢失。 ◆利用基因组间遗传差异构建分子种系发生树 ◇ 分子钟（molecular clock）：分子进化过程中，特定的分子（核苷酸或蛋白质）在所有谱系中的变化速率是恒定的。分子钟是构建分子种系发生树的理论基础。如流感病毒A血细胞凝集素（hemagglutinin）基因的分子树。 ◇ 分子种系发生树（molecular phylogenetic tree）：同源基因或蛋白质之间的关系的图解。如人的血红蛋白基因的种系发生树。 ◇ 分子种系发生树的构建
利用遗传学数据构建种系发生树的方法很多，如Maximum Parsimony法、Maximum likelihood法和UPGMA法等，均有相关软件。以 UPGMA（Unweighted pair group method using arithmetic averages）方法为例。从所比较的物种对间的最小遗传距离表开始.
第十一章 遗传工程
关键词：遗传工程,载体 一．什么是遗传工程？
体外DNA重组技术：利用工具酶将外源片段和载体连接，导入生物体并使其稳定复制和传代的技术 目的
研究工作
生物产品(生物反应器) 改良物种(提高品质) 基因治疗 工具酶 剪切酶类 连接酶类 其他工具酶
同切酶:识别相同的位点, 但生成不同的末端.
同粘酶:识别不同的位点, 但产生相同的粘性末端载体及其构成基本要素
• 能独立复制并稳定传代:复制起始点ori或自主复制序列ARS和着丝粒, 端粒 • 方便插入外源片段: 单酶切位点 • 选择标记: 药物抗性 • 报告基因: 插入筛选标记 • 易分离提取
• 高产率（多拷贝） • 强启动子
• • •
• •
• • • •
25
二．遗传工程载体
质粒(plasmid)，粘粒(cosmid)，噬菌体，噬粒(phagemid), 病毒，PAC，YAC，BAC •
多宿主
常用宿主:大肠杆菌,噬菌体,酵母 三．如何提高克隆效率•? •提高插入片段和载体的比例 •尽可能采用粘端连接 •载体脱磷以降低载体自连 •插入片段磷酸化 改进转化条件 例题:
有一外源片段用某种酶切,生成了5´ 突出粘性末端切位点只能生成下面这几种粘性末端: 5´-CTAG 5´-TCGA 5´-TTAA
应当采用怎样的策略来提高连接效率? 四．遗传工程技术及其应用• •PCR检测和诊断（高灵敏度）
•基因克隆（eg: 通过部分已知序列扩增未知目标片段 •丙烯酰氨凝胶电泳（PAGE） •脉冲电泳 •双向电泳
•Southern杂交 northern杂交 western杂交
26
´ -GATC, 但是载体上的单酶 5
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