遗传学

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January 17, 2022

遗传学是生物学的一个分支,研究生物的遗传学和遗传多样性。自史前时代以来,人类一直通过利用生物的特征从父母那里遗传给后代进行繁殖。然而,第一次对遗传的科学研究始于 19 世纪中叶,当时格雷戈尔·孟德尔发现了遗传定律。他把他现在所说的基因称为基因等位基因。现代遗传学的一个关键概念是基因。基因是构成整个基因组序列中某段DNA的核苷酸序列的排列。DNA 是双螺旋形式的核苷酸组合,通过 DNA 复制传递给下一代。此外,DNA在细胞中的作用是形成蛋白质,使生物能够生长和发挥功能。从DNA转录而来的信使RNA的每个密码子对应一个氨基酸,由转录的RNA结合的氨基酸形成蛋白质。蛋白质是构成生物最重要的元素,如酶、肌肉、细胞质等。综上所述,现代遗传学确定基因在生物体的发育、生长和进化中的作用,并通过DNA提供基因组和生物信息重组实验。这是一个广泛的科学领域,探索 因为它构成了一个非常广泛的研究领域,现代遗传学被细分为子学科,如种群遗传学、基因组学和进化遗传学。此外,遗传学的知识已扩展到许多学科,遗传学已成为医学和农业中必不可少的基础知识。基于遗传知识的基因工程正在通过基因操作进行药物开发和品种改良的研究。

历史

孟德尔的遗传定律发表于 19 世纪中叶,但很少受到关注。当时人们的继承观念是混合继承,即在后代中混合父母双方的特征。例如,一朵红花和一朵白花的孩子变成了粉红色的花。当然,在某些情况下,受精后代在实际的白色和红色花朵之间显示为粉红色的花朵。但是,如果后代只出现白色或红色的花朵,混合遗传学理论无法给出答案。孟德尔通过对显性和隐性因素组合的解释揭示了后代只出现一种颜色的原因,并通过实验证明了这一点,性状变化被认为是可遗传的。一个著名的例子是对长期奔跑的长颈鹿脖子的解释。由于长颈鹿为了吃高树枝上的树叶而不断地拔长脖子,结果长颈鹿的后代出生时脖子会更长。在发现孟德尔遗传定律之前,拉马克的理论被认为是最合适的进化理论之一。达尔文也没有比拉马克的理论更了解进化的遗传机制。和拉马克一样,他认为物种中出现的新特征是在个体活着的时候获得的。

孟德尔与经典遗传学

贝特森在 1905 年重新发现孟德尔遗传定律时首次使用遗传学一词。贝特森于 1906 年在伦敦举行的第 3 届国际植物杂交会议上提出了他重新发现的孟德尔遗传定律。此后,科学家们假设细胞内有一种影响遗传的物质。1910 年,摩根在一项使用表达白眼突变体的果蝇的实验中证明了生物的遗传物质存在于染色体中。1913年,Stutivant发现了孟德尔遗传第三定律即独立定律在某些情况下与现实不符的原因,这称为遗传连锁。基因连锁是一种现象,其中多个基因参与一个遗传性状的表达。

分子遗传学

染色体是由DNA和蛋白质组成的结构。即使在发现与遗传有关的物质存在于染色体中之后,科学家们也无法准确确定染色体的哪些成分与遗传有关。 1928年,格里菲斯通过格里菲斯实验发现了细菌的转化。在他的实验中观察到,当有毒的肺炎球菌(S型)被加热破坏时,毒性就会消失,但是当将无害的肺炎球菌(R型)放入无害的肺炎球菌(R型)中时,毒性已经消失。经热处理失去毒性,全部变为有毒。 Griffiths 知道 S 菌株的某个成分影响了 R 菌株并导致了转化,但无法弄清楚是什么导致了转化。 1944年,艾弗里更精确地控制格里菲斯的实验,将经过热处理的S型细菌分为碳水化合物、蛋白质和DNA,分别注射到R型细菌中,结果发现DNA是转化的原因. 1952 年,Hershey 和 Chase 通过使用噬菌体的 Hershey-Chase 实验揭示了 DNA 是遗传物质。Hershey 因这项实验于 1969 年获得了诺贝尔生理学或医学奖。他们揭示的 DNA 结构是两条核苷酸链扭曲成双螺旋。 DNA的这种结构表明核苷酸序列与遗传密切相关,DNA复制与遗传性状的传递有关。 Watson 和 Crick 因这项工作于 1962 年获得诺贝尔生理学或医学奖,Sanger 为分子生物学的发展做出了重大贡献。为此,他一生获得了两次诺贝尔奖。 1955年桑格完整分析了胰岛素的氨基酸序列。由于这项工作,他于 1958 年获得诺贝尔化学奖。之后,桑格发展了他的研究技能,找到了一种对 DNA 碱基进行测序的方法,从而对基因组进行测序。桑格因这项工作获得了 1980 年的诺贝尔化学奖。在这个过程中,桑格发现DNA的三个碱基对形成一个密码子,这个密码子转录信使RNA并制造氨基酸。1983年,美国生物化学家穆利斯开发了聚合酶链反应,使序列鉴定的速度大大提高。这种方法是快速复制 DNA 的特定部分并对其进行扩增,以便在实验中可以轻松确认相同 DNA 的数量。随着这种方法的 DNA 测序变得更加容易,它立即被用于犯罪嫌疑人的 DNA 识别等领域。穆利斯因这项工作获得了 1993 年的诺贝尔化学奖。随着这项DNA测序技术的发展,2003年完成了人类基因组计划,完成了一张人类全基因组图谱。随着这种方法的 DNA 测序变得更加容易,它立即被用于犯罪嫌疑人的 DNA 识别等领域。穆利斯因这项工作获得了 1993 年的诺贝尔化学奖。随着这项DNA测序技术的发展,2003年完成了人类基因组计划,完成了一张人类全基因组图谱。随着这种方法的 DNA 测序变得更加容易,它立即被用于犯罪嫌疑人的 DNA 识别等领域。穆利斯因这项工作获得了 1993 年的诺贝尔化学奖。随着这项DNA测序技术的发展,2003年完成了人类基因组计划,完成了一张人类全基因组图谱。

经典遗传学的主要理论

孟德尔遗传定律

孟德尔发现豌豆独立基因的等位基因分为显性和隐性的遗传规律。如右图所示,当只有隐性因子从亲本遗传时表现出隐性白花,而在双亲都有显性因子和隐性因子的杂种情况下,显性因子的比例为隐性表达为3:1。孟德尔多年的实验证明,这实际上具有统计学意义。孟德尔并不是第一个测试豌豆杂交品种的人。大约 200 年前,也就是 1790 年左右,英国农民 TA Knight 用孟德尔进行了同样的实验,得到了同样的结果。但是,他没有正确记录结果,也没有解释原因。孟德尔通过将科学方法引入奈特的实验,发现了遗传定律。孟德尔遗传定律通过区分实际“表型”和导致其出现在右侧示例中的花朵颜色的“基因型”为科学遗传学奠定了基础。纯种(P 代)与一个获得基因型。在此基础上,通过将红花纯种与白花纯种杂交获得第一代杂种(F1)。 Mendel等研究了第一代杂种的表达性状,将第一代杂种再次杂交得到2代(F2)和3代(F3),并记录了表达性状。所有的 F1 都是红色的花朵。而在F2中,红白花的比例为3:1,而在F3中,只有隐性纯种的白花又变白了,其余的都是红花。结果,他确认了以下三个定律:如果红色花的基因是B,白色花的基因是b,优势法则——当两个纯种杂交时,只表达等位基因的优势。 (Bb) 分离定律 - 当 F1 自花授粉时,显性和隐性以 3:1 的比例出现。当表示为遗传因素的比率时,它变为 BB:Bb:bb 1:2:1。独立定律——孟德尔选择观察花色、豆皮皱纹等7个遗传因素,发现它们相互独立地表达,这被称为“第一定律”。当孟德尔的实验为人所知时,科学家们试图找出原因,并发现基因,DNA 序列,参与其中。孟德尔遗传定律存在于所有生物中,也可以在人类家谱中找到。在具有特定遗传疾病的谱系的情况下,可以区分显性遗传或隐性遗传。人为遗传学家研究孤立生活的群体中的隐性遗传,例如出于宗教原因居住在美国宾夕法尼亚州某个地区的Amanpas。在粉红色中,F2有时会以红色、粉红色和白色的比例为1出现:2:1。这种双方都没有表现出完全优势的情况称为不完全优势。不完全支配也遵守孟德尔的遗传定律。选择观察大豆皮皱等7个遗传因子,发现它们相互独立表达,上述豌豆显性和隐性的表达被称为“孟德尔第一定律”。当孟德尔的实验为人所知时,科学家们试图找出原因,并发现基因,DNA 序列,参与其中。孟德尔遗传定律存在于所有生物中,也可以在人类家谱中找到。在具有特定遗传疾病的谱系的情况下,可以区分显性遗传或隐性遗传。人为遗传学家研究孤立生活的群体中的隐性遗传,例如出于宗教原因居住在美国宾夕法尼亚州某个地区的Amanpas。在粉红色中,F2有时会以红色、粉红色和白色的比例为1出现:2:1。这种双方都没有表现出完全优势的情况称为不完全优势。不完全支配也遵守孟德尔的遗传定律。选择观察大豆皮皱等7个遗传因子,发现它们相互独立表达,上述豌豆显性和隐性的表达被称为“孟德尔第一定律”。当孟德尔的实验为人所知时,科学家们试图找出原因,并发现基因,DNA 序列,参与其中。孟德尔遗传定律存在于所有生物中,也可以在人类家谱中找到。在具有特定遗传疾病的谱系的情况下,可以区分显性遗传或隐性遗传。人为遗传学家研究孤立生活的群体中的隐性遗传,例如出于宗教原因居住在美国宾夕法尼亚州某个地区的Amanpas。在粉红色中,F2有时会以红色、粉红色和白色的比例为1出现:2:1。这种双方都没有表现出完全优势的情况称为不完全优势。不完全支配也遵守孟德尔的遗传定律。在一些花中,当白色和红色交叉时,F1为粉红色和F2为红色、粉红色和白色的比例为1:2:1。这种双方都没有表现出完全优势的情况称为不完全优势。不完全支配也遵守孟德尔的遗传定律。在一些花中,当白色和红色交叉时,F1为粉红色和F2为红色、粉红色和白色的比例为1:2:1。这种双方都没有表现出完全优势的情况称为不完全优势。不完全支配也遵守孟德尔的遗传定律。

基因间的相互作用

根据孟德尔遗传定律,花的颜色和豌豆果实的颜色是由独立的基因决定的。也就是说,花的颜色和果实的颜色没有关系,所以有单独的优劣关系。生物体有数以千计的基因,其中大部分都遵守这个“独立法则”。然而,一些遗传性状不遵守独立性规律。第一个这样的例子是在皮肤癣菌的 Omphalodes verna(英文)的花色中观察到的。决定这朵花颜色的基因有3个,其中,花的颜色是由占优势的白色和对立的占优势的蓝色和洋红色的因素组合而成的。当洋红色或蓝色因子与白色因子配对时,花朵会呈现这两个主要因子之一,而当仅与隐性白色因子配对时,花朵会变成白色。这样,当存在多个显性因素时,所表达的性状就称为上位性。今天,人们发现,遵循独立性规律的等位基因和遗传性状一样多是相互关联的。遗传特征,例如身高和肤色,是许多基因相互作用的结果。这种现象称为数量性状位置。

现代遗传学的主要理论

遗传学以现代分子生物学为基础,解释了从 DNA 到个体发育的遗传机制。正如前面遗传学史上所描述的那样,格里菲斯的实验和艾弗里的证实揭示了生物的遗传信息存在于 DNA 中。遗传过程最终被解释为从 DNA 复制到新个体出现的机制。

DNA复制

DNA是像链一样连接在一起的核苷酸的聚合物。遗传信息的传递是通过复制这种 DNA 来实现的。DNA的双螺旋结构依赖于氢键,因此分离和键合投入的能量相对较少。一种特定的酶负责DNA链的分离,分离的DNA链成为制造彼此DNA链的模板。当四种游离存在的三磷酸脱氧核苷酸,即dATP、dGTP、dCTP和dTTP以DNA链为模板接近并形成互补键时,形成新的双螺旋(见图)。DNA复制非常稳定回复,但不完整。突变是指 DNA 复制的异常导致产生与先前 DNA 不同的 DNA。自发突变发生在大约百万分之一的 DNA 复制中,并且在接受放射或药物治疗时发生的频率更高。作为使用果蝇黄色的人工突变实验的结果,大约 70% 的突变朝着对个体有害的方向进行,其余的突变显示出中性或有利的趋势。

基因与繁殖

生物从父代到下一代的繁殖称为繁殖。在个体分裂等无性繁殖中,遗传机制仅通过DNA复制来完成。然而,区分雄性和雌性的有性繁殖经历了更复杂的机制。在有性生殖中,雄性和雌性的每个亲本首先通过减数分裂产生卵子和精子,并使其受精产生后代,在减数分裂过程中发生基因重组。这是一对基因在几个部分相互混合的现象。通过这种方式,生物体确保了遗传多样性。此外,如上所述,一个遗传性状可以涉及多个基因,但在这种情况下,孟德尔遗传定律中的独立定律没有得到遵守。这是因为在基因重组过程中被替换的基因改变了遗传性状。这种现象称为遗传连锁。基因等位基因的表达纯粹是统计的,等位基因表达的实际频率是随机的。这称为基因漂移。遗传漂移以及自然选择是进化的一个原因。

基因表达

从分子生物学的角度来看,基因表达是通过基因信息形成蛋白质的过程。基因信息由信使 RNA 的密码子转录,然后由转运 RNA 的反密码子翻译以指定氨基酸,核糖体将它们连接起来形成蛋白质。另一方面,在发育生物学中,基因表达是胚胎发育导致新个体的形成。操纵子在微生物基因的表达中起重要作用。一个操纵子,其中与特定功能相关的基因并排排列在染色体上,在染色体中形成簇,形成基因岛。医院微生物学研究病原菌的基因岛,以表征疾病并开发治疗方法。

密码子

基因通常通过产生蛋白质来表达其特征。蛋白质是20种氨基酸错综复杂地交织在一起的大分子。基因通过指定每个氨基酸的连接顺序来控制蛋白质的产生。从 DNA 到蛋白质形成的逐步过程如下。一段 DNA 打开并开始转录。转录的遗传信息称为密码子,构成信使 RNA,一种 RNA。信使 RNA,一串转录密码子,与携带反密码子的载体 RNA 酶促配对,反密码子是相应密码子的互补组合。相应的氨基酸连接到载体 RNA 的末端。与氨基酸载体 RNA 链接的信使 RNA 被转运到核糖体。核糖体连接氨基酸并输出信使 RNA 和转运 RNA。核糖体继续连接氨基酸,直到密码子进入以结束任务,从而形成蛋白质。细胞有许多核糖体,因此信使 RNA 多次进入核糖体以指导蛋白质形成。

对环境造成的影响

生物体的基因包含所有遗传特征并传递给后代。然而,生物体在实际发育和生长过程中表现出的表达性状,除了遗传性状外,还受到环境的影响。一个例子是右侧照片中显示的暹罗猫的温度敏感突变体。在发育过程中,暹罗猫的胚胎暴露在高温下会导致毛发颜色基因发生突变,导致毛发颜色变黑,而不是正常暹罗猫的白色。与性别由性基因决定的哺乳动物不同,许多爬行动物具有独立的性别基因是由发生时的环境决定的。在大多数海龟中,温暖地方的卵变成雌性,阴凉处的卵变成雄性。另一方面,美洲鳄鱼在阴凉处发育雌性卵。因此,基因并不能决定生物的一切,环境也影响着生物的发育和生长。

基因调控

生物体的基因组包含数千个基因。然而,并非所有这些基因都作用于生物体的发育和生长。只有能够通过信使 RNA 形成蛋白质的基因参与这些重要活动,而其余基因保持不活动状态。为了产生特定的蛋白质,只需要激活一部分 DNA。是诸如转录因子之类的酶决定了转录的起点和终点。转录因子根据负反馈起作用。换句话说,一个转录因子有一个受体,可以检测特定蛋白质的浓度,当特定蛋白质的浓度低而没有检测到受体时,转录因子打开DNA并开始转录。基因有结构和调节作用地区。有。结构区包含用于指导产生形成生物体的蛋白质的信息,调节区包含产生负责调节作用的蛋白质的信息,例如上述转录因子和酶。真实生物体中蛋白质产生的调节是通过调控RNA间接实现的,它指导蛋白质的产生,而不是控制蛋白质的产生量本身。

基因改造

突变

DNA 复制是一个非常稳定的反应,但偶尔会发生错误。这样,由于DNA复制过程中发生错误而引起的基因型变化称为突变。DNA聚合酶复制错误的概率约为百万分之一,当受到外部诱变剂刺激时,突变率显着增加。常规紫外线也是一种诱变剂,过度的紫外线照射会破坏 DNA 的结构。一个例子是皮肤暴露在强烈的紫外线下会导致皮肤癌,在有性生殖过程中发生的基因重组之间的染色体交叉过程中也会发生突变。在染色体交叉的过程中,可能会出现一些染色体的添加或切割等错误,而这些突变与缺失部分DNA等简单突变相比,会给生物体带来巨大的变化。例如,存在基因重复、基因缺失、染色体倒位等染色体水平的突变。

自然选择和进化

由突变引起的遗传变化表现为遗传特征的变化并传递给后代。自然界中发生的突变通常只改变整个基因组的一小部分。在果蝇的人工突变实验中,70%的突变对个体是有害的,其余突变是中性或有益的,观察到只有一种性状存活并呈现固定现象。人口遗传学将这种固定的原因解释为查尔斯达尔文自然选择的进化压力。也就是说,在各种等位基因中,具有对环境更有利性状的个体会留下更多的后代,如果重复这种情况,最终在某个时刻,种群中将只剩下一个性状。当然,基因漂移、基因转移、人工选择等其他因素也会影响一个生物群中等位基因频率的变化。具有最适合环境特征的群体。适应发生 即使它们一开始是同一个物种,如果它们被隔离在不同的环境中并以不同的方式适应,它们最终也会分化成不同的物种。进化是生物体适应环境和分化的现象,最近,由于不同物种间遗传性状的转移而导致基因发生变化的水平基因转移也被确立为一个重要的概念。

研究方法和技术

模型生物

遗传学涉及各种各样的生物。进行新研究的研究人员主要使用适合其实验目的的模式生物。模式生物是科学界选择进行深入研究的物种。它起源于有可能揭示生命的基本过程的想法,表现为 细胞粘液杆菌、Dicthiostellium discoideum等是广泛使用的模式生物。Dictybase 中总结了对这种粘液真菌的研究成果,绰号为 Dicty。此外,果蝇黄色自20世纪初就被用作模式生物,大肠杆菌在基因工程中被广泛用作模式生物。

研究技术

由于 DNA 可以在实验室中直接操作,因此正在使用各种实验技术。有一些技术,例如人工 DNA 生产、靶基因附着以及使用限制酶进行 DNA 切割、剪接和复制。这些技术广泛应用于医学等领域。

DNA操作

现代遗传学已经开发出多种用于实验的基因操作技术。DNA和RNA可以在实验室中人工合成。1961 年,Marshall Nirenberg 和 Heinrich Matahei 进行了第一次人工基因合成,以阐明密码子和氨基酸之间的关系。他们通过将作为人工密码子排列的尿嘧啶连续体(UUUU-...)等人工基因插入核糖体并检查结果,证明了密码子和氨基酸之间的关系。一个典型的例子是从水母和海葵中获得的荧光基因,通过将这个基因插入其他生物的基因之间,可以直观地识别出表达该基因的器官。使用这种荧光基因将数百个 DNA 放置在单个芯片上的 DNA 芯片可用于癌症诊断。

限制酶和 DNA 复制

使用限制酶切割 DNA 特定部分的能力使得在实验室中操作 DNA 成为可能。使用凝胶电泳,可以根据长度分别观察切割的 DNA 片段。DNA 连接酶允许重新连接切割的 DNA。这些拼接的DNA片段可以植入大肠杆菌等细菌中并大量复制。基因工程使用这些克隆技术来操纵基因。例如,大肠杆菌用于胰岛素的大规模复制。

药物

医学遗传学是研究基因与人类疾病之间关系的学科。对癌症等基因改造引起的疾病的研究就是一个典型的例子,血友病和唐氏综合症等遗传性疾病在19世纪就有报道,但直到20世纪遗传学发展起来才发现该疾病的病因是染色体异常。唐氏综合症于 1862 年由英国医生约翰·兰登·唐 (John Langdon Down) 首次发现,并于 1866 年向学术界报告。失传。此后,对各种遗传疾病的研究不断进行,通过将遗传学的成果和研究方法移植到医学中,建立了医学遗传学。近期,对基因重复、基因缺失、染色体倒位等突变引起的遗传性疾病的研究正在进行中,例如对基因重复引起的Charco Marie Tooth病的研究。Charcot-Marie Tooth 病是主要的神经系统疾病之一,发病率为每 100,000 人 36 人。

研究领域

今天的遗传学分为许多子学科,并进行各种跨学科和跨学科的研究。

研究趋势

自 2000 年以来一直备受关注的研究领域是与人类基因组计划相关的基因组研究和表观遗传学。人类基因组计划于 2003 年完成的人类基因组图谱揭示了所有人类基因的序列。此外,正在积极研究表观遗传学,它研究基因表达的调节和基因组中即使在遗传过程结束后也会发生的变化。表观遗传学研究由表观遗传基因引起的基因表达,如癌症表达。干细胞研究是包括胚胎遗传学在内的几个子学科的跨学科研究,有望确保各种遗传疾病的治疗方法。耶鲁大学2010年发表的一篇研究论文预测,利用子宫内膜的成体干细胞可用于治疗帕金森病,衰老研究也是近年来基因研究的一大趋势。2009 年,诺贝尔奖委员会将诺贝尔生理学或医学奖授予伊丽莎白·布莱克本 (Elizabeth Blackburn) 等人,以表彰他们发现了端粒,即参与衰老的细胞的生命周期时钟。由于进化现象本身是直接观察到的,它是一项研究进化的研究,这已被揭示为一个明显的事实,在每个基因组和基因中以不同的速度。

参考

外语文学

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韩国文学

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遗传学

SNUSTAD, SIMMONS, Kim Sang-goo, Seo Dong-sang, Seo Bong-bo, 遗传学原理, World Science, 2008, ISBN 89-5881-114-5

来源

外部链接

Journal Nature 网站 Science 网站 PNAS 网站 基因工程相关网站 Society Korean Society of Genetics