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1、会计学1生命科学史生命科学史8遗传学与分子生物学遗传学与分子生物学第一页，共32页。生命科学史生命科学史遗传学起源于育种遗传学起源于育种(y zhng)(y zhng)实践：实践：人类人类 生产实践生产实践 遗传和变异遗传和变异(biny)(biny)选择选择 育成优良品种育成优良品种现代现代(xindi)(xindi)遗传学发展前遗传学发展前第1页/共32页第二页，共32页。生命科学史生命科学史遗传学：是研究生物遗传和变异的科学(kxu)：遗传学与生命起源和生物进化有关。是研究生物体遗传信息和表达规律的科学(kxu)：解决问题：物种 代代相传；性状 遗传。是研究和了解基因本质的科学(kxu)
2、：遗传物质是什么？遗传物质 性状？第2页/共32页第三页，共32页。生命科学史生命科学史遗传学是一门涉及生命起源和生物进化的理论科学，遗传学是一门涉及生命起源和生物进化的理论科学，同时也是一门密切联系生产实际的基础科学，直接指导同时也是一门密切联系生产实际的基础科学，直接指导医学研究和植物、动物医学研究和植物、动物(dngw)(dngw)、微生物育种。、微生物育种。第3页/共32页第四页，共32页。生命科学史生命科学史遗传遗传(heredity)(heredity)：亲子间的相似现象。：亲子间的相似现象。“种瓜得瓜、种豆得豆种瓜得瓜、种豆得豆”变异变异(variation)(variation
3、)：个体之间的差异。：个体之间的差异。“母生九子，九子各别母生九子，九子各别”遗传和变异是一对矛盾。遗传和变异是一对矛盾。遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的 三大因素：三大因素：遗传遗传+变异变异+自然选择自然选择 形成物种形成物种 遗传遗传+变异变异+人工选择人工选择 动、植物动、植物(zhw)(zhw)品种品种遗传和变异的表现与环境不可分割。遗传和变异的表现与环境不可分割。第4页/共32页第五页，共32页。第5页/共32页第六页，共32页。第6页/共32页第七页，共32页。生命科学史生命科学史为了获得豌豆品种(pnzhng)，而从事豌豆研究，开
4、展了豌豆杂交试验（1856-1864）：实验结果于1866年发表在植物杂交试验，提出了分离定律和自由组合定律；假定细胞中有“遗传因子”，认为遗传是受细胞里的遗传因子所控制的。孟德尔（孟德尔（Mendel，1822-1884）奥地利生物学家，神父）奥地利生物学家，神父(shn f)，遗传学的奠基人，被誉为现代遗传学之父。，遗传学的奠基人，被誉为现代遗传学之父。第7页/共32页第八页，共32页。生命科学史生命科学史孟德尔豌豆杂交试验成功因素：孟德尔豌豆杂交试验成功因素：正确选用实验材料。正确选用实验材料。豌豆是严格的自花授粉植物，在花开之前即完成授豌豆是严格的自花授粉植物，在花开之前即完成授粉过程
5、，避免了外来花粉的干扰。豌豆具有一些粉过程，避免了外来花粉的干扰。豌豆具有一些稳定的、容易区分的性状，所获实验结果可靠。稳定的、容易区分的性状，所获实验结果可靠。应用统计学方法分析实验结果。应用统计学方法分析实验结果。从单因子到多因子的研究从单因子到多因子的研究(ynji)方法。方法。对生物性状进行分析时，孟德尔开始只对一对性状对生物性状进行分析时，孟德尔开始只对一对性状的遗传情况进行研究的遗传情况进行研究(ynji)，暂时忽略其他性，暂时忽略其他性状，明确一对性状的遗传情况后再进行对状，明确一对性状的遗传情况后再进行对2对、对、3对甚至更多对性状的研究对甚至更多对性状的研究(ynji)。合理
6、设计实验程序。合理设计实验程序。如设计测交实验来验证对性状分离的推测。如设计测交实验来验证对性状分离的推测。第8页/共32页第九页，共32页。生命科学史生命科学史孟德尔孟德尔8年豌豆实验为什么没有得到科学界的年豌豆实验为什么没有得到科学界的重视？重视？达尔文的名著物种起源刚出版达尔文的名著物种起源刚出版7年，几乎年，几乎全部的生物学家转向生物进化的讨论。这全部的生物学家转向生物进化的讨论。这一点也许对孟德尔论文的命运起了决定性一点也许对孟德尔论文的命运起了决定性的作用。的作用。当时的科学界缺乏理解孟德尔定律的思想基当时的科学界缺乏理解孟德尔定律的思想基础，无法理解单个性状的研究规律础，无法理解
7、单个性状的研究规律(gul)与数学方法。与数学方法。有的权威出于偏见或不理解，把孟德尔的研有的权威出于偏见或不理解，把孟德尔的研究视为一般的杂交实验，和别人做的没有究视为一般的杂交实验，和别人做的没有多大差别。多大差别。第9页/共32页第十页，共32页。生命科学史生命科学史20世纪初：世纪初：狄狄弗里斯（弗里斯（De Vrise H.1848-1935）以罂粟、）以罂粟、月见草、报春花等为对象月见草、报春花等为对象科伦斯（科伦斯（Correns C.1864-1936）以玉米和豌）以玉米和豌豆为对象豆为对象冯冯切尔迈克（切尔迈克（Von Tschermak E.）以豌豆为对）以豌豆为对象象在不
8、同国家在不同国家(guji)用多种植物进行了与孟用多种植物进行了与孟德尔早期研究相类似的杂交育种试验，并获德尔早期研究相类似的杂交育种试验，并获得与孟德尔相似的解释，证实孟德尔遗传规得与孟德尔相似的解释，证实孟德尔遗传规律并确认其重大意义。律并确认其重大意义。1900年孟德尔遗传规律的重新发现标志着年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的正式建立，孟德尔被公认为现代遗遗传学的正式建立，孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。传学的创始人。狄弗里斯科伦斯冯切尔迈克第10页/共32页第十一页，共32页。生命科学史生命科学史狄狄弗里斯（弗里斯（De Vrise H.1848-1935）在对月见草进行）在对
9、月见草进行(jnxng)遗传与突变实验研究的基础上，提出了突变理论。遗传与突变实验研究的基础上，提出了突变理论。弗里斯认为：突变是不经过中间过渡而突然出现的，而且突变一旦产生，便可能(knng)一代代遗传下去。突变学说的提出对进化论，尤其对进化动因(dn yn)的研究有重大影响，弥补了进化论学说的不足。突变学说突变学说第11页/共32页第十二页，共32页。生命科学史生命科学史贝特森（贝特森（Bateson W.1861Bateson W.186119261926），英国生物学），英国生物学家，坚定的达尔文主义者。家，坚定的达尔文主义者。从香豌豆中发现性状连锁；从香豌豆中发现性状连锁；创造创造“
10、genetics”“genetics”，并确立，并确立(qul)(qul)了现代遗传学了现代遗传学的许多基本概念的许多基本概念性状性状(xngzhung)连锁连锁第12页/共32页第十三页，共32页。生命科学史生命科学史约翰生（约翰生（Johannsen W.,18591927Johannsen W.,18591927）：）：19091909年发表年发表(fbio)“(fbio)“纯系学说纯系学说”：明确区别基因型和表现型；明确区别基因型和表现型；最先提出最先提出“基因基因”一词：一词：采采“给予生命给予生命”之义，创造了基因之义，创造了基因（genegene）一词，替代遗传因子概念。）一词，
11、替代遗传因子概念。第13页/共32页第十四页，共32页。生命科学史生命科学史摩尔根（摩尔根（Morgan T.H.,18661945Morgan T.H.,18661945）：美国）：美国进化生物学家，遗传学家和胚胎学家。进化生物学家，遗传学家和胚胎学家。发现了染色体的遗传机制，创立染色体发现了染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论遗传理论(lln)(lln)，是现代实验生物学是现代实验生物学奠基人奠基人提出提出“性状连锁遗传规律性状连锁遗传规律”；提出染色体遗传理论提出染色体遗传理论(lln)(lln)细胞遗传细胞遗传学；学；著著“基因论基因论”：认为基因在染色体上直线排：认为基因在染色体上直
12、线排列，创立基因学说。列，创立基因学说。第14页/共32页第十五页，共32页。生命科学史生命科学史诱变(yu bin)：穆勒（穆勒（Muller H.T.Muller H.T.）：）：19271927年对果蝇用年对果蝇用X X 射线射线(shxin)(shxin)诱发突变。诱发突变。斯特德勒（斯特德勒（Stadler L.T.Stadler L.T.）：）：19271927年在玉米用年在玉米用X X射线射线(shxin)(shxin)诱发突变。诱发突变。两人证实了基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生，且用两人证实了基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生，且用X X射线射线(shxin)(sh
13、xin)处理也会产生大量突变。处理也会产生大量突变。这种用人工产生遗传变异的方法，使遗传学发展到一个新的阶段。这种用人工产生遗传变异的方法，使遗传学发展到一个新的阶段。太空(tikng)育种第15页/共32页第十六页，共32页。生命科学史生命科学史赫尔希（赫尔希（Hershey A.D.,1952Hershey A.D.,1952）等用同位素示踪法在研究等用同位素示踪法在研究(ynji)(ynji)噬菌体感染细菌的实验中，再次确噬菌体感染细菌的实验中，再次确认了认了DNADNA是遗传物质。为遗传物质是遗传物质。为遗传物质的化学本质以及基因功能定了初步的化学本质以及基因功能定了初步的理论基础。的
14、理论基础。艾弗里（艾弗里（Avery O.T.,1944Avery O.T.,1944）等用）等用纯化因子研究肺炎纯化因子研究肺炎(fiyn)(fiyn)双球菌的双球菌的转化实验，证明了遗传物质是转化实验，证明了遗传物质是DNADNA而而不是蛋白质。不是蛋白质。DNA的作用的作用(zuyng)发现发现第16页/共32页第十七页，共32页。生命科学史生命科学史沃森（沃森（Watson J.D.Watson J.D.）和克里克（）和克里克（Crick F.H.C.Crick F.H.C.）根据根据(gnj)(gnj)对对DNADNA化学分析和化学分析和X X射线晶体学结果射线晶体学结果DNADNA
15、分子结分子结构模式理论（双螺旋结构，构模式理论（双螺旋结构，19531953）。）。DNA双螺旋结构双螺旋结构(jigu)意义：意义：为为DNADNA分子结构、自我复制、相对稳定性和变性分子结构、自我复制、相对稳定性和变性提出合理解释；提出合理解释；DNADNA是贮存是贮存(zhcn)(zhcn)和传递遗传信息的物质；和传递遗传信息的物质；基因是基因是DNADNA分子上的一个片段；分子上的一个片段；分子生物学诞生分子生物学诞生 将生物学各分支学科及相关的将生物学各分支学科及相关的农学、医学研究推进到分子水平农学、医学研究推进到分子水平 是遗传学是遗传学发展到分子遗传学的重要转折点。发展到分子遗
16、传学的重要转折点。第17页/共32页第十八页，共32页。生命科学史生命科学史“中心法则”是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些(mu xi)病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些(mu xi)病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些(mu xi)致癌病毒）是对中心法则的补充。克里克，于克里克，于1957年提出年提出(t ch)“中心法则中心法则”第18页/共32页第十九页，共32页。生命科学史生命科学史遗传学仍在发展：遗传学仍
17、在发展：理论上和实践上仍有许多需要解决的问题；理论上和实践上仍有许多需要解决的问题；广泛广泛(gungfn)利用丰富的生物资源，提高育种效果。利用丰富的生物资源，提高育种效果。遗传学是一门处于发展巅峰时期的学科。遗传学是一门处于发展巅峰时期的学科。目前遗传学前沿已从对原核生物的研究转向高等目前遗传学前沿已从对原核生物的研究转向高等真核生物，从对性状传递规律研究深入到基因的表达真核生物，从对性状传递规律研究深入到基因的表达(biod)(biod)及其调控的研究。及其调控的研究。第19页/共32页第二十页，共32页。生命科学史生命科学史狭义分子生物学定义：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要狭义分
18、子生物学定义：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要(zhyo)研究基因或者研究基因或者DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。分子生物学源于分子生物学源于遗传学（基因学说遗传学（基因学说(xu shu)(xu shu)）生物化学（生化手段和技术）生物化学（生化手段和技术）第20页/共32页第二十一页，共32页。生命科学史生命科学史桑格（桑格（Frederick Sanger，19182013），是一位英国生物化学家，曾经在），是一位英国生物化学家，曾经在1958
19、年及年及1980年两度获得年两度获得(hud)诺贝尔化学奖，是第四位两度获得诺贝尔化学奖，是第四位两度获得(hud)诺诺贝尔奖，以及唯一获得贝尔奖，以及唯一获得(hud)两次化学奖的人，被誉为两次化学奖的人，被誉为“基因组学之父基因组学之父”。在在1955年将胰岛素的氨基酸序列完整年将胰岛素的氨基酸序列完整(wnzhng)地定序出来，同时证明蛋白质地定序出来，同时证明蛋白质具有明确构造。具有明确构造。1975年时，桑格发展出一种称为年时，桑格发展出一种称为(chn wi)链终止法的技术来测定链终止法的技术来测定DNA序列，这序列，这种方法也称做种方法也称做“双去氧终止法双去氧终止法”或是或是“
20、桑格桑格法法”。两年之后，他利用此技术成功定序。两年之后，他利用此技术成功定序出噬菌体的基因组序列。出噬菌体的基因组序列。第21页/共32页第二十二页，共32页。生命科学史生命科学史梅塞尔森和斯塔尔将大肠杆菌置于梅塞尔森和斯塔尔将大肠杆菌置于含有同位素重氮（含有同位素重氮（15N）的培养基）的培养基中生长。中生长。15N比比14N多一个中子，多一个中子，质量质量(zhling)稍重。大肠杆菌繁稍重。大肠杆菌繁殖若干代，其殖若干代，其DNA中所含的氮均为中所含的氮均为15N。DNA半保留复制：半保留复制：DNA 在进行复制的时候链间氢键断裂，双链解旋分开，每条链作为模板在其上合成互补链，经过一系
21、列酶（在进行复制的时候链间氢键断裂，双链解旋分开，每条链作为模板在其上合成互补链，经过一系列酶（DNA聚合酶、解旋酶、链接酶等）的作用生成两个新的聚合酶、解旋酶、链接酶等）的作用生成两个新的DNA分子。分子。子代子代DNA分子其中分子其中(qzhng)的一条链来自亲代的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种方式称半保留复制。，另一条链是新合成的，这种方式称半保留复制。支持了DNA半保留复制的假说,否定(fudng)了全保留复制、弥散复制假说。第22页/共32页第二十三页，共32页。生命科学史生命科学史遗传密码遗传密码(m m)的发现的发现尼伦伯格（Nirenberg）等发现由三个核苷酸
22、构成的微mRNA能促进相应(xingyng)的氨基酸-tRNA和核糖体结合（1959年）科兰纳（Khorana,Har Gobind）用已知组成的两个、三个或四个一组的核苷酸顺序人工合成mRNA，在细胞外的转译系统(xtng)中加入放射性标记的氨基酸，确定三联码就为该氨基酸的遗传密码。尼伦伯格科兰纳第23页/共32页第二十四页，共32页。生命科学史生命科学史20世纪(shj)60-70年代，一系列酶的发现1967年，Gellert 发现(fxin)DNA连接酶1970年，Smith等分离得到(d do)第一个类型II限制性内切酶1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆
23、转录酶，进一步完善了中心法则第24页/共32页第二十五页，共32页。生命科学史生命科学史1972年，美国斯坦福大学的伯格（P.Berg）等人把一种猿猴病毒的DNA（SV40片段）与噬菌体DNA用同一种限制性内切酶切割后，再用DNA连接酶把这两种DNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNA分子，从此(cngc)产生了基因克隆技术。1973年，科恩（S.Cohen）等人把一段外源DNA片段与质粒DNA连接起来，构成了一个重组质粒，并将该重组质粒转入大肠杆菌，第一次完整(wnzhng)地建立起了基因克隆体系。第25页/共32页第二十六页，共32页。生命科学史生命科学史PCR技术的基本原理：该技术
24、是在模板DNA、引物和四种脱氧核糖核苷酸存在下，依赖于DNA聚合酶的酶促合成反应(fnyng)。DNA聚合酶以单链DNA为模板，借助一小段双链DNA来启动合成，通过一个或两个人工合成的寡核苷酸引物与单链DNA模板中的一段互补序列结合，形成部分双链。PCR的最大特点(tdin)，是能将微量的DNA大幅增加。聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）穆利斯（穆利斯（K.Mullis，1944）美国）美国(mi u)化学家，化学家，1993年诺贝尔年诺贝尔化学奖获得者。化学奖获得者。第26页/共32页第二十七页，共32页。生命科学史生命科学史在分子遗传学中已成功地：在
25、分子遗传学中已成功地：人工分离人工分离(fnl)(fnl)基因；基因；人工合成基因；人工合成基因；人工转移基因；人工转移基因；克隆技术应用。克隆技术应用。多莉：世界第一个人工(rngng)动物（1996-2003）第27页/共32页第二十八页，共32页。生命科学史生命科学史目前：基因工程目前：基因工程 定向改定向改变遗传性状。变遗传性状。更自由和有效地改变生物性更自由和有效地改变生物性状；状；打破物种界限，克服远缘杂打破物种界限，克服远缘杂交困难；交困难；培育优良动、植物新品种；培育优良动、植物新品种；治疗人类的一些遗传性疾病治疗人类的一些遗传性疾病。转蓝细菌CO2浓缩(nn su)机制基因第
26、28页/共32页第二十九页，共32页。生命科学史生命科学史19901990年美国正式开始实施的人类基因组作图及测序计划年美国正式开始实施的人类基因组作图及测序计划目的目的(md)(md)测定和分析人体基因组全部核苷酸排列次序测定和分析人体基因组全部核苷酸排列次序揭示携带的全部遗传信息揭示携带的全部遗传信息阐明遗传信息表达规律及其最终生物学效应。阐明遗传信息表达规律及其最终生物学效应。第29页/共32页第三十页，共32页。生命科学史生命科学史人类人类(rnli)(rnli)基因组基因组“工作框架图工作框架图”在在20002000年年6 6月月2626日宣布完成绘日宣布完成绘制（历时制（历时101
27、0年），年），20032003年年4 4月月1414日美英日法德中等国的科学家宣布日美英日法德中等国的科学家宣布完成人类完成人类(rnli)(rnli)基因组的测序工作。基因组的测序工作。我国参与研究的第我国参与研究的第3 3号染色体，共计号染色体，共计(n j)3000(n j)3000万个碱基对，约占人万个碱基对，约占人类基因组全部序列类基因组全部序列1%1%（中科院遗传所人类基因组中心杨焕明教授负责，（中科院遗传所人类基因组中心杨焕明教授负责，19991999年年9 9月加入这一研究计划）。月加入这一研究计划）。第30页/共32页第三十一页，共32页。生命科学史生命科学史 预计基因组的结
28、构及其功能预计基因组的结构及其功能(gngnng)(gngnng)研究，在相研究，在相当一段时间内都会是分子生物学、细胞生物学和分子遗当一段时间内都会是分子生物学、细胞生物学和分子遗传学共同注意的问题，并开始形成一门新的遗传学分支传学共同注意的问题，并开始形成一门新的遗传学分支基因组学（基因组学（genomicsgenomics）。）。基因组学将取得突破性进展，并带动生命科学其它基因组学将取得突破性进展，并带动生命科学其它学科的研究取得重大进展。遗传学与分子生物学仍会占学科的研究取得重大进展。遗传学与分子生物学仍会占据未来生物学的核心地位。据未来生物学的核心地位。第31页/共32页第三十二页，共32页。