包邮现代遗传学原理

**章 绪论 **节 什么是遗传学 遗传学是生命科学领域中一门新兴的学科，主要研究遗传信息（geneticinformation）的化学结构、纵向和横向的传递规律及其变异、重组和进化。 这一学科的名称是由英国遗传学家W.Bateson于1909年首先提出的。经典遗传学主要是研究遗传物质纵向传递的规律以及表型和基因的关系，研究的对象是个体。分子遗传学却偏重研究基因的结构、功能和横向传递的规律，研究的对象是细胞。群体遗传学是研究群体中基因频率和基因型频率以及影响其平衡的各种因素，研究的对象是群体。 20世纪80年代表观遗传学的逐渐兴起，不仅揭秘了一些经典遗传学无法解释的现象，如副突变（paramutation）、亲本印记（parental imprinting）、核仁显性（nucleolar dominance）、转录后沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）等，而且使人们了解到遗传信息不仅由DNA 序列所编码，还可以通过DNA和组蛋白的化学修饰而构成。 遗传学与生命科学中其他学科不同，有着鲜明的特点。①遗传学是一门推理性的学科，而不是描述性的。研究遗传学的方法很像物理学，是根据自然现象或实验的数据推理出一种假说，然后再通过实验来加以验证。②多学科的交叉和融合。遗传学主要是建立在生物化学、细胞生物学和统计学三门学科上，但又涉及生命学科的各个领域，如动物学、植物学、微生物学、医学、农学、免疫学、系统分类学、生理生态学等，甚至还涉及一些社会科学，如心理学、社会学、犯罪学等。③发展快。遗传学的发展非常快，可以说是“月新年异”，新理论、新技术、新成果层出不穷。特别是近年来基因组学有了突飞猛进的发展，多种生物的基因组全序列相继发表，使人们感到应接不暇。④应用性强，转化为生产力的周期短。1953 年J.D.Watson 和F.H.C.Crick提出DNA 双螺旋模型时，人们并不知它有什么实际应用价值，但到了20世纪70年代就出现了体外重组技术，现在基因工程已成为世界各国的支柱产业之一，而没有双螺旋模型就不可能有重组技术。以遗传学为理论基础，又不断派生出许多应用学科，如动植物及工业微生物育种学、优生学、生物工程等。 第二节 遗传学的发展史 一、在孟德尔以前及同时代的一些遗传学说 公元前5世纪，西方医学之父——希腊的希波克拉底（Hippocrates）提出了**个遗传理论，他认为子代具有亲代的特性是因为在精液或胚胎里集中了来自身体各部分的微小代表元素。按照这一观点，他相信后天获得的性状是可以遗传的。100年后，古希腊的著名科学家和哲学家亚里士多德（Aristotle）认为亲代残缺，下一代并不残缺，因而提出：精液不是提供胚胎组成的元素，而是提供后代的蓝图，生物的遗传不是通过身体各部分“样本”的传递，而是个体胚胎发育所需的“信息”传递。可惜的是这一精辟而深刻的见解未能引起人们的重视，而一些荒诞的推测却使人们产生了兴趣，如长颈鹿是骆驼和豹子的杂种后代等。 1809年伟大的法国生物学家拉马克（J.B.La-marck）提出了“用进废退”的进化论观点，由此而得出获得性状（acquired characteristics）是可以遗传的。这一错误的观点是他一生中*大的一次失误，可悲的是，此观点一直延续到20世纪60年代。但瑕不掩瑜，拉马克在生命科学中的丰功伟绩，仍使人们公认他是世界上*伟大的科学家之一。 1868年英国的达尔文（C.Darwin）提出了泛生论（hypothesis of pangenesis），认为身体各部分细胞里都存在一种胚芽或“泛子”（pangens），它决定所在细胞的分化和发育。各种泛子随着血液循环汇集到生殖细胞中。受精卵发育过程中，泛子又不断地流到不同的细胞中，控制所在细胞的分化，产生各种组织器官。显然这一观点受到Hippocrates理论的影响，似乎言之有理，但在血液中根本就找不到所谓的“泛子”，所以这一理论是不成立的。 1883年法国动物学家W.Roux提出“染色体可能组成了遗传物质”，同时他还假定了“遗传单位”沿着染色体丝作直线排列，当时他并不知道孟德尔已证实了这种“遗传单位”的存在。 德国的生物学家A.Weismann做了连续22代剪断小鼠尾巴的实验，方法虽然简单，但有力地否定了泛生论。1883年和1885年他将Roux理论发展成为完整的遗传的理论——种质论（germplasm theo-ry）。他认为多细胞生物可分为种质（germ plasm）和体质（somatoplasm）两部分。种质是独立的、连续的。种质能产生后代的种质和体质。体质是不连续的，不能产生种质。种质的变异将导致遗传的变异，而环境引起的体质的变异是不遗传的。他还假设遗传物质在生殖细胞中数量减半，受精时得到恢复。个体的遗传物质一半来自父本，一半来自母本，这一推理是何等的正确！遗憾的是由于历史的局限，Weismann误认为细胞核中的每一条染色体都带有个体的全部遗传因子。 1869年达尔文的表弟F.Galton用数理统计的方法研究人类智力的遗传，发表了“天才遗传”（he-reditary genius）学说。他认为变异是连续的，亲代的遗传性在子女中各占一半，并彻底混合，即“融合遗传论”（blending theory）。由于他所选择的研究性状是数量性状，所以他的结论只适合数量性状，而不能作为遗传的普遍规律。 二、遗传学的诞生 在孟德尔之前已经有一些植物学家做了植物杂交实验，并取得了显著的成绩。例如，1797年英国的T.Knight将灰色和白色的豌豆进行杂交，结果F1 全部是灰色的，F2 却产生灰色和白色两种，但Knight并未进一步统计分析，只发现了杂种后代性状“分离”这一现象。就在孟德尔理论发表的前两年（1863年），法国的C.Naudin发表了植物杂交的论文并获法国政府的奖励。他认为：①植物杂交的正交和反交结果是相同的；②在杂种植物的生殖细胞形成时“负责遗传性状的要素互相分开，进入不同的性细胞中，否则就无法解释F2 所得到的结果”。这一结论和孟德尔定律已经非常接近，说明孟德尔的发现并非偶然，也是在前人辛勤工作的基础上建立起来的。大部分重大的科学发现都是这样通过几代人的研究、充实、修正、发展而*终得以完善。 1856年，当时属奥地利的布隆（Brunn）镇基督教修道院的修士格里高 孟德尔（Gregor Johann Mendel）从维也纳大学回到布鲁恩不久就开始了长达8年的豌豆（Pisum sativum ）实验。孟德尔首先从许多种子商那里买来了34个品种的豌豆，从中挑选出22个品种用于实验。8年实验的结果是产生了《植物杂交实验》那篇不朽之作，并在1865年“布尔诺自然科学研究学会”上宣读，1866年正式发表在该协会的会刊上，并将论文分寄给当时一些国际著名的生物科学家，其中也包括达尔文，希望能得到他们的支持，但事与愿违，所有的信几乎是泥牛入海。**回信的是慕尼黑的著名植物学家Carl Nageli，但Nageli对孟德尔谈及的问题不予理会，只写了一些简短的评语，就把原件退还给孟德尔。 这一伟大的发现一直被埋没在故纸堆中近半个世纪，直到1900年孟德尔定律第二次被发现以后，才使孟德尔学说从故纸堆中被发掘出来，并成为遗传学的奠基之作。孟德尔的学说被埋没并非偶然。据说达尔文虽然接到了孟德尔的信和论文的单行本，但并未拆开。即使达尔文当时阅读了孟德尔的论文也未必能接受孟德尔的观点。 由于孟德尔所研究的性状是质量性状，属于非连续变异，这作为研究遗传规律的切入点是非常合适的。但正因如此，也可能成为孟德尔遗传理论被埋没的重要原因。1859年达尔文出版巨著《物种起源》，建立了举世瞩目、震惊世界的“进化论”。达尔文认为进化是一个缓慢的渐变过程。而孟德尔遗传理论是适合“非连续变异”的质量性状，与进化论“渐变”的观点相悖，因此孟德尔遗传理论是不可能被当时学术界所接受的。达尔文是位出类拔萃的科学家，但他的研究方法和思维方式仍属于宏观的观察、描述和归纳的模式，而孟德尔却采用了先进的统计分析和演绎推理的模式，其结论是不能直接观察到的。这也是推崇“眼见为实”的传统生物学家所难以接受的。更何况孟德尔只是一位小小的传教士，人微言轻，加上他以前也从未发表过学术论文，很难得到学术权威的认同。 孟德尔临终前说：“等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”。果然这一天终于来临，1900年荷兰的H.de Vries、德国的植物学家C.Correns和奥地利的E.Tschermak，分别同时发现了这篇论文和他的价值，终使孟德尔的学说重见天日，并建立了遗传学这门学科，这就是孟德尔定律的二次发现。 de Vries进行了见月草杂交试验，发现F2 的分离比为3∶1。1900年3月26日其论文《杂种分离法则》发表在《德国植物学会杂志》[（18）83-90]和法国科学院的《纪事录》[（130）845-847]上。de Vries曾从《植物育种》中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。 Correns于1900年4月21日阅读de Vries法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但Correns已从老师Nageli处知道了孟德尔的工作，于是他旗帜鲜明地撰写了《杂种后代表现方式的孟德尔法则》一文，1900年4月24日发表在《德国植物学会杂志》[（18）158-168]上。这对重新发现孟德尔法则起到了重要的作用。 Tschermak也进行了豌豆杂交试验，发现了分离现象，撰写了《关于豌豆的人工杂交》的讲师就职论文，清样出来后他读到了de Vries和Correns的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900年6月24日也发表在《德国植物学会杂志》[（18）232-239]上。他们3个人的工作都发表在《德国植物学会杂志》上，都证实了孟德尔法则，这就是著名的孟德尔法则的重新发现。 接踵而来的就是一场激烈的论战，一方是以牛津大学动物学教授W.F.R.Weldon为首，推崇高尔顿学说，贬低孟德尔学说。由于他的影响极大，Nature 等杂志都不发表支持孟德尔观点的文章。另一方的主将是剑桥大学的遗传学教授W.Bateson，但由于他势单力薄，只得靠私人印发自己的论文来应战。直到1904年Bateson才在论战中获得胜利，孟德尔理论才摆脱了冷遇。1901 年de Vries提出突变（mutation）这一名词，1902 年萨顿（W.S.Sutton）等提出了遗传的染色体学说，1902~1909年Bate-son先后创用遗传学（genetics）、等位基因（allele）、纯合体（homozygous）、杂合体（heterozygous）、上位基因（epistaticgene）等名词。1909年丹麦的科学家W.Johannsen 创用了基因（gene）、基因型（genotype）和表型（phenotype）等名词。此时遗传学的雏形已形成，“独立分配”和“自由组合”两大定律已建立，其广泛的适用性已得到了承认，作为一门新的学科终于诞生了。 三、遗传学的发展 人们一般将遗传学的发展分为三个时期。 **个时期是经典遗传学时期（1900~1940年）。此期以1900年孟德尔定律第二次发现为标志。在这段时期里主要是确立了遗传的染色体学说。较为突出的工作是1910年摩尔根（T.H.Morgan）带领着他的三位弟子A.H.Sturtevant、C.B.Bridges和H.J.Muller创立了连锁定律，通过实验证实了基因位于染色体上，并以直线排列，建立了基因的念珠模型（beads-on-a-string）。此期认为遗传的基本单位——基因是一个不可再分割的抽象的概念，即基因既是遗传的功能单位，