遗传学

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  遗传学汉语拼音:Yichuangxue;英语:Genetics),生物学中研究遗传变异即研究亲子间性状异同的学科。也就是研究控制遗传和变异的基因的学科。遗传学的名称是英国遗传学家W.贝特森在1906年提出的。

  中外古人都有有关改良动植物品种的著作,如公元60年左右西班牙人科卢梅拉的《论农作物》一书中,描述了嫁接技术,还记载了几个小麦品种。533~544年中国学者贾思勰在《齐民要术》中论述了各种农作物和果蔬竹木的栽培,果树的嫁接和树苗繁育,禽畜的饲养和阉割等改良品种的活动。长期以来,有不少学者力图揭示亲代和子代之间性状遗传的规律,但都未获成功。直到1866年奥地利神父G.孟德尔发表《植物杂交试验》的论文,才揭示了现在被称为孟德尔定律的遗传规律,即分离定律和独立分配定律,从而把遗传学奠定在科学的基础上。

  19世纪末细胞学研究和对决定性状的遗传因子的认识取得了进展。细胞学家发现了细胞有丝分裂、减数分裂、染色体纵向分裂和分裂后趋向两极、生物体每一个体细胞里有等数的染色体以及受精现象,这些都把染色体同遗传联系起来,为遗传的染色体学说作了理论准备。至于对遗传因子的认识,历来有许多臆测,其中影响较大的有英国生物学家和C.R.达尔文提出的“微芽”,荷兰学者H.德·弗里斯的“泛生子”和德国学者A.魏斯曼的“种质”。魏斯曼明确地区分“种质”和“体质”,认为种质可以影响体质,而体质不能影响种质,这对遗传学的发展有积极的作用。

  孟德尔遗传规律直到1900年才受到重视。荷兰的H.德·弗里斯、C.E.利伦斯和奥地利的E.玛·切尔马克3位学者分别根据自己的研究结果证实了孟德尔所揭示的遗传规律。他们的论文先后发表在1900年出版的第18卷《德国植物学会杂志》上。这就是遗传学史上著名的孟德尔遗传定律被重新发现的重大事件。

  遗传学研究从遗传学诞生到现在大体可分为3个发展时期。即经典遗传学研究、分子遗传学研究和基因组研究。

  经典遗传学研究时期 从1900年孟德尔遗传规律的重新发现到1953年DNA双螺旋模型的提出。这个时期的研究主要是通过杂交实验,分析杂种子代的基因型和表型及其数量变化,并同细胞学紧密结合,揭示了遗传传递的规律。T.H.摩尔根在1910年发表关于果蝇性连锁遗传的论文,确立了遗传学的第三定律即连锁定律。他于1926年发表了《基因论》。C.D.达林顿于1932年发表《细胞学的最新成就》,在此基础上确立了遗传的染色体学说。1927年H.J.穆勒和1928年L.J.斯塔特勒分别发现X射线对基因的诱变作用,由此引发了对基因突变机制的研究,并提示基因与其他物质一样也会受到X射线的损伤,由此推断基因不只是代表性状的抽象符号而应是一种物质。1944年O.T.艾弗雷、C.M.克劳德和M.麦卡蒂根据肺炎球菌的转化试验证明了基因是一种化学分子,即DNA,从而揭示了遗传物质的化学本质。

  在此期间,由群体遗传学、进化遗传学、古生物学等学科相互交叉渗透形成的遗传的综合理论也有很大发展,出版了一批代表性的经典著作,如R.A.费希尔的《自然选择中的遗传理论》,S.赖特的《孟德尔群体的进化》、J.B.S.霍尔丹的《进化的原因》、T.杜布赞斯基等的《遗传学与物种起源》等。

  分子遗传学研究时期 分子遗传学研究的全盛时期是从1953年到美国开始实施人类基因组计划的1990年。这一时期内,主要是通过发现和运用生化及体外重组DNA等新技术,识别、分离和克隆基因,在分子层面上研究分析基因的精细结构、突变机制和遗传信息转化为生物性状的条件及调控的机制。操纵子结构,基因复制、转录,遗传密码,tRNA,mRNA,核糖体的功能以及中心法则等几乎都在20世纪50~60年代中得到初步阐明。这些研究工作很多是以微生物特别是大肠杆菌和噬菌体为研究材料,一些重要的遗传学概念,如基因同蛋白质的线性对应关系,基因表达的调控等,也都来自微生物遗传学的研究。研究原核生物所采用的实验技术和所取得的结论,推动了对真核生物的遗传学研究。由于动植物的体细胞都可以像细菌一样在离体条件下培养,使人们可以不通过生殖细胞而用体外培养的大量的体细胞来进行遗传学研究,这对人类遗传学的发展起到很大的推动作用。

  分子遗传学研究时期的亮点之一是基因工程的兴起。这是在细菌质粒和噬菌体以及限制性内切酶研究的基础上形成的遗传学分支学科。1973年S.N.科恩等运用体外重组DNA技术构建了第一个有生物学活性的杂合质粒,由此开辟了人工操纵基因的新天地,对促进遗传学基础理论研究以及医疗保健和工农业生产都产生了极其重大而深远的影响。

  基因组研究时期 基因组研究是分子遗传学研究的延续和发展,其开始的标志性事件是1990年美国启动人类基因组计划。此时期主要是创建和应用大规模、高通量的实验技术,运用生物信息学的概念和方法,获取大量数据并进行分析,从中发掘和提取有用的信息来阐明基因和基因组的功能。这个时期研究工作的主要特点是在基因组的框架中逐个弄清基因的结构和功能,认识每个基因如何在其他基因和DNA序列、基因产物以及各种生物分子间的相互作用过程中实现其生物学功能。换句话说,基因与性状之间不是一个简单的直接对应关系。遗传信息须通过一系列转化传递过程,在各个环节上受到严格而精确的时空调控;而性状的出现是这种基因表达调控网络的终端产物。

  自1990年启动人类基因组计划以来,已先后完成了细菌(嗜血流感菌,1995)、单细胞真核生物(酿酒酵母,1996)、多细胞真核生物(秀丽隐杆线虫,1998)和人类基因组序列图(2003),中国科学家承担了其中1%的测序任务。许多种病原微生物、粮食作物、家禽家畜和模式生物的全基因组测序已经完成(如水稻、果蝇、小鼠等)或正在进行之中。人基因组测序结果使人惊奇地看到,编码蛋白质的序列只占全基因组的2%左右,另有一些基因编码mRNA以外的非编码RNA,而更大量的是非编码序列。人基因组内约有3万个基因,数目之少远远出乎人们的意料。在研究基因组功能的过程中,所揭示的由基因组编码产生的全部蛋白质称为蛋白质组,由基因组转录产生的全部RNA称为转录物组;遗传信息转化为各种性状时经历了由一系列信号转导组成的调控网络;一系列能量和物质转换的全部代谢反应则称为代谢组。

  表观基因组为基因组研究时期的一个重要新领域,遗传上等同的基因可以产生不同的性状,表观遗传修饰可以作用于DNA本身,如甲基化;也可作用于把DNA包装成染色质的蛋白质,如组蛋白的甲基化或乙酰化。同一个体不同类型细胞有着不同的甲基化修饰,因此一个个体有很多种表观基因组。基因表达沉默则是小RNA作用的结果。所有这些都涉及正确的基因在正确的时间和正确的细胞中表达的机制。

  1996年英国I.威尔穆特等用绵羊乳腺细胞克隆出多莉羊。这是世界上第一只用哺乳动物的体细胞克隆出的羊。由此引发出对体细胞基因组重新编程以及干细胞的研究,发育遗传学也随之成为迅速发展的一门学科。脑是生物体最复杂的器官,脑科学同基因研究相结合,正在努力阐明基因在包括刺激反应、学习、记忆、认知和行为等在内的神经活动中所起的作用,乃至人类意识思维的遗传学基础。基因组研究在DNA水平上一举打破了物种之间的壁垒,进化地位相差悬殊的生物有着同源的基因,人的基因序列40%与线虫相似,60%与果蝇相似,90%与小鼠相似,与黑猩猩相比基因组序列只相差20%左右;即使同细菌相比,也有200多个基因是相同的。同源基因、共线性(systeny)序列比对等为绘制出的种系发生树能更真实地反映生物间亲缘关系,进化遗传学研究也因此有了更广阔的发展空间。

研究内容与分支学科

  遗传学研究内容包括三个方面,即遗传物质的本质、遗传物质的传递和遗传物质所包含遗传信息的实现。遗传物质的本质包括它的化学本质、携带的遗传信息、结构和变化等。遗传物质的传递包括遗传物质的复制、染色体的行为、亲子间传递规律以及基因在群体中的数量变迁等。遗传信息的实现包括基因在精确的调控条件下,支配形成生理生化和形态结构等不同层次上的遗传性状的机制。

  基因组包含了一个生物体全部基因中所含的整套遗传信息及实现这些信息所需的遗传指令,基因组由基因和非基因两部分遗传物质组成。基因可编码蛋白质或RNA(核糖核酸);而非基因的遗传物质或调控基因功能的实现,或在进化过程中演变成新基因而起作用。总之,非基因的遗传物质如果有生物学功能,则一定要通过基因方能实现。所以,研究基因组是遗传学研究的重要组成部分。

  遗传学中的亲子概念除指个体水平上的父母子女或一个家族外,还可延伸到包括许多个家族的群体;也可以扩展到以细胞为单位,如活体内的细胞和离体培养的细胞,通过细胞分裂把亲代细胞的特征传递给子细胞。显然在分子水平上,DNA通过复制使两个子分子各得一份与亲代分子相同的遗传信息,这都属于遗传学的范畴。

  生物界从噬菌体到人有着同样的遗传物质和遗传密码,遵循着相同的遗传和变异规律,所以遗传学分支学科一般不按所研究的生物物种来划分,只是由于对人类自身遗传规律的关切,以及微生物与高等动植物的体制迥异需用一些特殊方法进行研究,所以才形成了人类遗传学、微生物遗传学和植物遗传学等不同分支学科。

  遗传学更多的是按照所研究的科学问题而形成学科分支。如研究遗传现象与染色体行为之间的关系、染色体畸变以及染色体倍性的遗传学效应等,由遗传学与细胞学交叉形成了细胞遗传学。研究生物体内物质和能量代谢过程中的遗传控制,这是生化遗传学的主题。发育遗传学研究个体发育形态建成过程中的遗传控制,近年来,干细胞的分化和体细胞基因组的重新编程,恢复细胞全能性潜力的规律和机制,正成为该学科研究的热点。行为遗传学则研究如细菌的趋性、动物求偶和筑巢以及人的性格等的遗传基础。

  研究免疫球蛋白多样化产生的原因,以及免疫反应的遗传机制则是免疫遗传学。辐射遗传学研究射线对生物体的遗传效应。药物遗传学则在于阐明人体对药物产生不同反应的遗传基础。

  从群体的层面上进行遗传学研究的学科有群体遗传学、生态遗传学、数量遗传学和进化遗传学等。但这些学科之间交叉渗透,界线不是十分明确。群体遗传学常用数学方法研究群体中的基因突变、自然选择、群体大小、交配体制,迁移和漂变等因素对群体中基因频率和基因平衡的影响。生态遗传学研究生物与其生存环境之间相互适应或影响,以及拟态、多态现象等的遗传基础。数量遗传学主要研究控制数量性状,也就是多基因性状的基因及其遗传规律。进化遗传学研究包括生命起源、基因和基因组的演化、物种形成和物种间亲缘关系等的遗传基础。

  在应用层面上,医学遗传学是人类遗传学的分支,主要研究疾病发生的遗传本质及其规律。临床遗传学则研究从遗传学角度对疾病的诊断和防治。生物统计遗传学和数量遗传学是在研究数量性状遗传规律的基础上,应用于改良作物和畜禽经济性状的两个相关学科。运用体外DNA重组技术进行分子育种以及生产生物活性蛋白质则是基因工程学的主要研究内容。

  当基因的核苷酸组成、数目和排列等都未改变的情况下,由于核苷酸发生了化学修饰(如甲基化),或是基因表达受到外界因子(如RNA)的干扰致使基因信息的实现发生可遗传的变化,研究这种变化的规律及机制的是表观遗传学。至于分子遗传学则不受确定的研究对象和科学问题的限制,凡是研究DNA、RNA、蛋白质等生物大分子对遗传的作用,以及运用分子生物学实验技术研究遗传学问题的都可归属于分子遗传学。

研究方法和材料

  遗传学的研究方法基本上分两大类。一是杂交分析。选定杂交亲代的基因型和表型设计杂交组合,观察、统计和分析子代的基因型和表型。二是克隆分析。运用体外重组DNA等分子生物学技术,识别、分离和克隆特定的基因或DNA序列,在可控条件下,研究基因的结构、功能及其表达的规律。

  遗传学研究的模式材料除了要求易于饲养管理、费用低廉外,还必须满足一些特定的条件。如遗传背景比较清楚,子代数目众多,生活周期短,突变性状易于观察等。在遗传学发展过程中,噬菌体、大肠杆菌、粗糙脉孢菌、酵母菌、果蝇、隐杆秀丽线虫、斑马鱼、小鼠和拟南芥等分别代表原核生物、单细胞真核生物、无脊椎动物、脊椎动物、哺乳动物和显花植物,都是常用的模式生物。

  从基因组和蛋白质组等的数据库中发掘出有关基因、DNA序列和基因产物的结构和功能的信息,构建数学模型,然后用实验验证假设的结果,也已成为遗传学研究的一个重要手段。

与其他学科的关系

  遗传学与生命科学的各个学科关系都很密切。基因是遗传信息的载体,传递着支配生命活动的指令;基因是构建生命体蓝图中的一页,也是可以人工操作用于改变生命属性和性状的元件。所有生物的所有生命活动无不直接或间接地受控于基因。因此,凡是以生物体某一特定生命现象或生命属性为研究对象的学科,在穷究这些生命现象的底蕴和机制时,都会涉及基因,都可在基因层次上寻找其原因,基因融入了生命科学的各个学科,各个学科的发展又加深和推进了对基因的认识。在这样的发展背景下,各门学科都可同遗传学形成交叉学科。

  在与其他自然科学的关系中,首先应提到的是数学,在早期数学参与了群体遗传学和数量遗传学的建立。在基因组研究时期,数学、计算科学和生物信息学对获取的大量数据进行储存分析、建模、分配和使用中起到重大作用。

  遗传学研究很多是依靠化学的概念、原理和方法来完成的。如DNA和蛋白质的合成和测序,蛋白质分子的结构分析,多聚酶链式反应(PCR)等。21世纪初,利用小分子化合物与靶基因相互作用来筛选药物先导物,并由此形成了化学基因组学或化学遗传学。

  物理学也深刻地影响着遗传学的发展。遗传是一种生命活动,生命活动是一种物质运动形式,所以遗传也是一种物质运动形式。这样,包括遗传学在内的生命科学便同物理学联系起来。M.德尔布吕克是最早进入生物学界的物理学家,他研究只有蛋白质和核酸分子却具有精确复制自身生命基本属性的噬菌体。1943年,E.薛定谔发表了“生命是什么?”的著名演说,用热力学和量子力学理论阐述生命的本质,促使更多的物理学家关注生命本质和遗传学研究。DNA双螺旋结构的发现正是生物学与物理学结合产生的巨大成果。

  遗传学还同社会人文科学有关。人类疾病的产生都在不同程度上离不开基因的作用。当得知一个人带有某种疾病的致病基因而尽管还没有出现疾病症状时,这种遗传资料应该作为个人隐私受到法律保护,否则这个人可能会在求职、择偶、保险等方面受到歧视。遗传性疾病的彻底治愈也许要改变生殖细胞里的缺陷基因,但如果趁机对人的基因组进行增删置换而去创造“超级人种”时又该如何应对?人的医疗性克隆同人的生殖性克隆只差一步之遥。如何对待人的体细胞克隆也是一个与人文科学有关的问题。用胚胎干细胞研究致病基因和编码药用蛋白质的基因有着巨大的商业开发价值,防止非法采集和保护人类遗传资源并赋予被采集者知情同意权等,是一个必须严肃面对的问题。转基因食品的安全性也是公众关注的一个热点。所有这些都有待社会学、法学、伦理学、商业管理和新闻传媒进行研究提出符合国情和世情的应对方案。

应用

  遗传学是在多种实践基础上建立的,并由于同疾病的发生、诊断和防治以及动植物育种的密切结合而得到迅速的发展。工农业生产和医疗保健的需求是遗传学不断前进的动力。

  农业 培育新的品种是提高大农业(包括农、林、牧、渔等)产量和品质的核心问题,遗传改良是使粮食生产与人口保持同步增长的最有效的途径。杂种优势这一遗传学原理应用于玉米和水稻育种取得了显著的增产效应。多倍体的生长优势也在中国得到应用,小黑麦异源多倍体就是一个成功例子。以基因和基因组为基础的分子育种系统正在迅速发展。巨大的遗传增产潜力蕴涵在种质资源库中,与高产、优质、抗逆等性状相关的基因还有待识别、分离和利用。良种家畜的胚胎分割,动植物的转基因技术,植物的体细胞育种等都是遗传学对发展农业作出的贡献。

  医疗与制药 早在遗传学创立之初,人们就已认识到疾病与遗传学之间的关系。1903年W.C.法拉比报道了短指(趾)畸形的关系,这个“短指”基因被中国科学家贺林等于2003年克隆。1909年A.E.加洛德在《先天性代码差错》一书中总结了自1899年以来10年间对尿黑酸尿症所作的研究,提出某些疾病与支配某一代码途径的酶活性有关,并发现有些患者是近亲婚配的子女。这说明疾病也是以基因为基础的一种表型。基因引起的疾病有单基因遗传病和多基因遗传病两大类。前者是单个基因发生突变就满足了疾病发生的必要和充分条件;后者则涉及多个基因参与,它可以是多个单基因各自引起的症状相同的疾病,也可以是只有多个基因的共同作用才能引起疾病,当然这两者都离不开与环境的相互作用。

  单基因遗传病基因的识别和克隆远比多基因遗传病的基因识别和克隆来得容易。多基因遗传病研究还涉及人的行为异常的遗传基础,如精神分裂症和自闭症等。由于对遗传性疾病的种类和病因已有很多了解,有可能实施婚前遗传咨询和检查、产前和产后诊断、基因诊断和基因治疗,以及药物治疗等。随着科学的进步,遗传性疾病对人类的危害终将被有效遏制。

  研究表明,癌症也是癌基因和抑癌基因(肿瘤抑制基因)突变的结果。只有极少数癌是由于生殖细胞里发生基因突变而先天遗传的,绝大多数癌是体细胞突变的结果。也就是说,癌是不会直接传递给下一代的,但生癌的倾向或易感性,则是有遗传基础的。遗传学研究正在为控制癌症的发生作出努力和贡献。

  微生物遗传学研究通过菌株的诱变育种和应用基因表达调控原理,有力地推动了抗生素和氨基酸等发酵工业的发展。人体细胞里有许多种蛋白质分子可以有效地杀灭病原体或抑制其繁殖,具有药理活性。运用基因工程技术,克隆出编码这些蛋白质的基因,经载体转入宿主细胞(细菌、真菌、离体培养的细胞,动植物的组织和器官)后,使其大量扩增,分离纯化制成的生物药物可造福于人类。

  基因还与生物的衰老和寿限有关。衰老和寿限是遗传和环境共同作用决定的,环境因子的作用是随机的,而对环境因子作出反应的能力则是遗传的。揭示出与此相关的基因,尽可能地清除寿命的限制因子,使人类能长寿而健康地生活,应是遗传学家在21世纪追求的目标之一。

  生态环境保护 早在200多年前的产业革命初期,欧美等国就出现了大气和水质污染问题。随着全球工业和交通运输事业的迅速发展,污染成为社会一大公害,直接影响到生物的生存和人类的健康。基因突变及其发生频率是检测环境中有害物质的存在及其严重程度的灵敏而有效的指标。通过诱变育种,选育出能以分解污染物作为能量来源的菌种,则可用来清除水体中的石油、有机物等污染物,有的还可把人类生活产生的各种废物发酵变成能源、可再次利用的原材料和肥料等。培育特殊的菌种还可用来富集污染环境的汞、镉等重金属或用于开采贫矿。这是遗传学研究“化废为宝”的又一个应用领域。

  遗传学的知识对于挽救和保护濒危生物物种至关重要,保持种群内系统基因多态的频率是一个群体遗传学和生态遗传学的问题。生活在地球各个地区内的生物之间、生物与环境之间的相互关系是亿万年进化过程中在自然选择压力下形成的,应该是包括人类在内的各个物种的最适生存环境。可是,短短的百十年间,人为地急剧改变了这种相互依存关系,不仅对其他生物是个灾难,对人类自身的生存也将产生严重后果。因此,保护环境,保护生物,实际上是保护人类自身的生存。用个体克隆技术,挽救一些即将灭绝的动物物种,未尝不是一种应急的有效措施。