遗传学

遗传与进化

第一章：遗传的细胞基础

第二章：孟德尔遗传及扩充

第三章：基因的连锁与互换规律

第四章：细菌与噬菌体的遗传

第五章：遗传的分子基础

第六章：变异

第七章：遗传重组

第八章：细胞质遗传

第九章：进化

遗传（heredity）是指生物繁殖过程中，亲代与子代在各方面的相似现象；而变异(variation)一般指亲代与子代之间，以及子代个体之间的性状差异。遗传与变异是生物界的共同特征，它们之间是辩证统一的。生物如果没有遗传，就是产生了变异也不能传递下去，变异不能积累，那么变异就失去了意义；没有变异，生物界就失去进化的素材，遗传只能简单地重复。所以说，遗传与变异是生物进化的内因，但遗传是相对的、保守的，而变异则是绝对的、发展的。

遗传学（Genetics）就是研究生物的遗传与变异的科学。

第一章遗传的细胞基础

孟德尔定律是经典遗传学的开端。在1990年被重新发现后，Sutton和Boveri 就注意到杂交试验中基因的行为跟配子形成和受精过程中染色体的行为完全平行，因而提出遗传因子在染色体上的假设。

一、真核细胞的染色体

1、单倍体与二倍体

每种生物的染色体数是恒定的。多数高等动植物是二倍体，也就是说，每一个体细胞中有两组同样的染色体（有与性别直接相关的染色体，称为性染色体，可以不成对）。亲本的每一个配子携带有一组染色体，叫做单倍体，用N来表示，这一组非同源染色体称为染色体组。两个配子结合后，具有两组染色体，就是二倍体，用2N表示。

多数微生物的营养体是单倍体，如链孢霉的单倍体染色体数是7。

2、染色体的化学组成

染色体主要由DNA和蛋白质这两类化学物质组成。每个染色单体的骨架是一个连续的DNA大分子。许多蛋白质结合在这个DNA骨架上，成为DNA-蛋白质纤丝。一般认为细胞分裂中期时看到的染色单体就是由一条DNA-蛋白质纤丝重复折叠而成。

（1）染色体蛋白质

染色体上的蛋白质可分为两类：一类成为碱性蛋白质即组蛋白。组蛋白的种类和含量很恒定，在DNA-蛋白质纤丝的形成上其重要作用，即组成核小体结构（染色质的一级结构）。另一类是酸性蛋白质，即非组蛋白。非组蛋白的种类和含量不十分恒定。

A 、组蛋白（histone ）

组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg 和Lys 等碱性氨基酸，等电点一般在10.0以上，属于碱性蛋白，可与酸性的DNA 紧密结合，而且一般不要求特殊的核苷酸序列。几乎所有的真核细胞都含有5种组蛋白：H 1、H 2A 、H 2B 、H 3、H 4。

5种组蛋白可分为两组：

①核小体组蛋白：包括H 2A 、H 2B 、H 3和H 4。这四种组蛋白有相互作用形成复合体的趋势，它们通过C 端的疏水氨基酸互相结合，而N 端带正电荷的氨基酸(Arg 、Lys)则向四面伸出以便与DNA 分子结合，形成核小体稳定结构。这四种蛋白质没有种属及组织特异性，在进化上十分保守，特别是H 3和H 4是所有已知蛋白质中最为保守的。

②H 1组蛋白：其分子较大。进化上不如核小体组蛋白保守。在构成核小体时起连接作用，赋予染色质极性。H 1组蛋白有种属和组织特异性。成熟的鱼类和鸟类的红细胞中，H 1被H 5代替。

B 、非组蛋白（nonhistone ）

主要是指与特异DNA 序列相结合的蛋白质，所以又称为序列特异性DNA 蛋白。非组蛋白具有以下几个特点：

①富含Asp 、Glu 和Trp 的酸性蛋白质。

②占染色体蛋白质的60—70%，在不同组织细胞中的种类和数量都不相同。在整个细胞周期中都有不同类型的非组蛋白合成。

③能识别并结合在特异的DNA 序列上，识别和结合靠氢键和离子键。

④非组蛋白在调节真核生物基因表达，染色体高级结构的形成等方面起着重要的作用。 C 、非组蛋白与DNA 序列的结合模式 ①α螺旋-β转角-α螺旋模式

在各种生物中发现的最简单、最普遍的DNA 结合蛋白的结构模式。这种蛋白质与DNA 结合时，形成α螺旋-转角-α螺旋结构，其中羧基端的α螺旋为识别螺旋，识别DNA 大沟的特异碱基信号。结合是靠蛋白质的氨基酸侧链和DNA 特定碱基对之间形成氢键。

②锌指模式

负责某些RNA 转录时必须的转录因子（transcription factor,TF ）多发现以这种模式结合。 Cys 2/His 2锌指单位：TF ⅢA 是首先发现的锌指蛋白，9个有规律的锌指重复单位中，每个单位30个氨基酸残基，其中一对Cys 和一对His 与Zn 2+形成配位键。每个锌指单位称为一个DNA 结合结构域，每个锌指的羧基端形成α螺旋负责与DNA 结合。其他序列的氨基酸侧链与特定碱基对形成氢键连接。

α螺旋

DNA

识别螺旋

转角

识别螺旋

锌指单位

锌原子

Cys2/ Cys2锌指单位：两对Cys与Zn2+形成配位键。

不同的锌指识别不同的序列，因为不同锌指的氨基酸组成不一样。

③Leu拉链模式

富含Leu残基的一段氨基酸序列所组成的二聚体结构。每条氨基酸链约35个氨基酸残基，形成α螺旋，每两圈（7个氨基酸残基）有一个Leu残基。这样在α螺旋一侧的Leu排成一排，两个蛋白质分子的α螺旋之间靠Leu残基之间的疏水作用力形成一条拉链状结构。

松开的盘曲

亮氨酸残基

盘曲的

氨基酸链

Leu

拉链区

识别螺旋

（2）DNA

3、染色体的形态结构

中期染色体具有比较稳定的形态。它由2条姐妹染色单体组成，彼此以着丝粒（centromere）相连。着丝粒在染色体上的位置是固定的。由于着丝粒位置的不同，把染色体分成大致相等或长短不等的两臂。

染色体各部的主要结构：

（1）着丝粒

着丝粒所在的地方往往表现为一个缢痕，所以着丝粒又称为初级缢痕或主缢痕（primary constriction）。着丝粒是一种高度有序的整合结构。至少包括三个不同的结构域：

A、动粒结构域

哺乳动物的动粒，又称着丝点，与着丝粒的动粒结构域相连。沿着着丝粒的外表面分布。

B、中央结构域

这是着丝粒的主体，由串联重复的DNA组成。这些重复序列大多数是物种专一的。

C、配对结构域

代表中期姐妹染色单体相互作用的位点。位于着丝粒内表面。

3种结构域共同作用，确保在有丝分裂中染色体与纺锤体整合，发生有序的染色体分离。