科普之窗
   
 

    1.遗 传 学
    2.分子遗传学
    3.微生物遗传学
    4.细胞遗传学
    5.孟德尔遗传学
    6.染色体学说
    7.DNA双螺旋结构
    8.基因工程
    9.克隆技术
    10.人类基因组计划

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  1.遗 传 学

  遗传学是研究生物的遗传和变异,即研究亲子间的异同的生物学分支学科。这一学科名称是英国遗传学家贝特森在1909年首先提出的。

  遗传学发展简史

  人类在新石器时代就已经驯养动物和栽培植物,而后人们逐渐学会了改良动植物品种的方法。西班牙学者科卢梅拉在公元60年左右所写的《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年间中国学者贾思勰在所著《齐民要术》一书中论述了各种农作物、蔬菜、果树、竹木的栽培和家畜的饲养,还特别记载了果树的嫁接,树苗的繁殖,家禽、家畜的阉割等技术。改良品种的活动从那时以后从未中断。

  许多人在这些活动的基础上,力图阐明亲代和杂交子代性状之间的遗传规律,但都未获成功。直到1866年,奥地利学者孟德尔根据他的豌豆杂交实验结果,发表了论文《植物杂交试验》,揭示了现在称为孟德尔定律的遗传规律,才奠定了遗传学的基础。

  孟德尔的工作结果直到20世纪初才受到重视。19世纪末叶在生物学中,关于细胞分裂、染色体行为和受精过程等方面的研究和对于遗传物质的认识,促进了遗传学的发展。

  从1875~1884的几年中,德国解剖学和细胞学家弗莱明在动物中,德国植物学和细胞学家施特拉斯布格在植物中分别发现了有丝分裂、减数分裂、染色体的纵向分裂,以及分裂后的趋向两极的行为;比利时动物学家贝内登还观察到马副蛔虫的每一个身体细胞中含有等数的染色体;德国动物学家赫特维希在动物中,施特拉斯布格在植物中分别发现受精现象。这些发现都为遗传的染色体学说奠定了基础。

  关于遗传的物质基础历来有所臆测。例如1864年英国哲学家斯宾塞称之为活粒;1868年英国生物学家达尔文称之为微芽;1884年瑞士植物学家内格利称之为异胞质;1889年荷兰学者德弗里斯称之为泛生子;1883年德国动物学家魏斯曼称之为种质。实际上魏斯曼所说的种质已经不再是单纯的臆测了,他已经指明生殖细胞的染色体便是种质,并且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,在理论上为遗传学的发展开辟了道路。

  孟德尔的工作于1900年为德弗里斯、德国植物遗传学家科伦斯和奥地利植物遗传学家切尔马克三位学者分别发现。1900~1910年,除证实了植物中的豌豆、玉米等和动物中的鸡、小鼠、豚鼠等的某些性状的遗传符合孟德尔定律以外,还确立了遗传学的一些基本概念;1909年丹麦植物生理学家和遗传学家约翰森称孟德尔式遗传中的遗传因子为基因,并且明确区别基因型和表型。同年贝特森还创造了等位基因、杂合体、纯合体等术语,并发表了代表性著作《孟德尔的遗传原理》。

  从1910年到现在,遗传学的发展大致可以分为三个时期:细胞遗传学时期、微生物遗传学时期和分子遗传学时期。

  细胞遗传学时期 大致是1910~1940年,可从美国遗传和发育生物学家摩尔根在1910年发表关于果蝇的性连锁遗传开始,到1941年,美国遗传学家比德尔和美国生物化学家塔特姆发表关于链孢霉的营养缺陷型方面的研究结果为止。

  这一时期通过对遗传学规律和染色体行为的研究确立了遗传的染色体学说。这一时期中虽然由美国遗传学家马勒和斯塔德勒分别在动植物中发现了 X射线的诱变作用,可是对于基因突变机制的研究并没有进展。基因作用机制研究的重要成果则几乎只限于动植物色素的遗传研究方面。

  微生物遗传学时期 大致是1940~1960年,从1941年比德尔和塔特姆发表关于脉孢霉属中的研究结果开始,到1960~1961年法国分子遗传学家雅各布和莫诺发表关于大肠杆菌的操纵子学说为止。

  在这一时期中,采用微生物作为材料研究基因的原初作用、精细结构、化学本质、突变机制以及细菌的基因重组、基因调控等,取得了已往在高等动植物研究中难以取得的成果,从而丰富了遗传学的基础理论。1900~1910年人们只认识到孟德尔定律广泛适用于高等动植物,微生物遗传学时期的工作成就,则使人们认识到遗传学的基本规律适用于包括人和噬菌体在内的一切生物。

  分子遗传学时期 从1963年美国分子生物学家沃森和英国分子生物学家克里克提出DNA的双螺,旋模型开始,但是50年代只在DNA分子结构和复制方面取得了一些成就,而遗传密码、mRNA、tRNA、核糖体的功能等则几乎都是60年代才得以初步阐明。

  分子遗传学是在微生物遗传学和生物化学的基础上发展起来的。分子遗传学的基础研究工作都以微生物、特别是以大肠杆菌和它的噬菌体作为研究材料;它的一些重要概念如基因和蛋白质的线性对应关系、基因调控等也都来自微生物遗传学的研究。分子遗传学在原核生物领域取得上述许多成就后,才逐渐在真核生物方面开展起来。

  正像细胞遗传学研究推动了群体遗传学和进化遗传学的发展一样,分子遗传学也推动了其他遗传学分支学科的发展。遗传工程是在细菌质粒和噬苗体以及限制性内切酶研究的基础上发展起来的,它不但可以应用于工、农、医各个方面,而且还进一步推进分子遗传学和其他遗传学分支学科的研究。

  免疫学在医学上极为重要,已有相当长的历史。按照一个基因一种酶假设,一个生物为什么能产生无数种类的免疫球蛋白,这本身就是一个分子遗传学问题。自从澳大利亚免疫学家伯内特在 1959年提出了克隆选择学说以后,免疫机制便吸引了许多遗传学家的注意。目前免疫遗传学既是遗传学中比较活跃的领域之一,也是分子遗传学的活跃领域之一。

  在分子遗传学时代另外两个迅速发展的遗传学分支是人类遗传学和体细胞遗传学。自从采用了微生物遗传学研究的手段后,遗传学研究可以不通过生殖细胞而通过高体培养的体细胞进行,人类遗传学的研究才得以迅速发展。不论研究的对象是什么,凡是采用组织培养之类方法进行的遗传学研究都属于体细胞遗传学。人类遗传学的研究一方面广泛采用体细胞遗传学方法,另一方面也愈来愈多地应用分子遗传学方法,例如采用遗传工程的方法来建立人的基因文库并从中分离特定基因进行研究等。

  许多遗传学分支的研究都采用了分子遗传学手段,特别是重组DHA技术。即使是有关群体的遗传学研究也受分子遗传学的影响,进化遗传学研究中的分子进化领域便是一个例子。

  遗传学的基本内容

  遗传学的研究范围包括遗传物质的本质、遗传物质的传递和遗传信息的实现三个方面。遗传物质的本质包括它的化学本质、它所包含的遗传信息、它的结构、组织和变化等;遗传物质的传递包括遗传物质的复制、染色体的行为、遗传规律和基因在群体中的数量变迁等;遗传信息的实现包括基因的原初功能、基因的相互作用,基因作用的调控以及个体发育中的基因的作用机制等。

  遗传学中的亲子概念不限于父母子女或一个家族,还可以延伸到包括许多家族的群体,这是群体遗传学的研究对象。遗传学中的亲子概念还可以以细胞为单位,离体培养的细胞可以保持个体的一些遗传特性,如某些酶的有无等。对离体培养细胞的遗传学研究属于体细胞遗传学。遗传学中的亲子概念还可以扩充到DNA脱氧核糖核酸的复制甚至mRNA的转录,这些是分子遗传学研究的课题。

  一个受精卵通过有丝分裂而产生无数具有相同遗传组成的子细胞,它们怎样分化成为不同的组织是一个遗传学课题,有关这方面的研究属于发生遗传学。由一个受精卵产生的免疫恬性细胞能够分别产生各种不同的抗体球蛋白,这也是遗传学的一个课题,它的研究属于免疫遗传学。

  从噬菌体到人,生物界有基本一致的遗传和变异规律,所以遗传学原则上不以研究的生物对象划分学科分支。人类遗传学的划分是因为研究人的遗传学与人类的幸福密切相关,而系谱分析和双生儿法等又几乎只限于人类的遗传学研究。

  微生物遗传学的划分是因为微生物与高等动植物的体制很不相同,因而必须采用特殊方法进行研究。此外,还有因生产意义而出现的以某一类或某一种生物命名的分支学科,如家禽遗传学、棉花遗传学、水稻遗传学等。

  更多的遗传学分支学科是按照所研究的问题来划分的。例如,细胞遗传学是细胞学和遗传学的结合;发生遗传学所研究的是个体发育的遗传控制;行为遗传学研究的是行为的遗传基础;免疫遗传学研究的是免疫机制的遗传基础;辐射遗传学专门研究辐射的遗传学效应;药物遗传学则专门研究人对药物反应的遗传规律和物质基础,等等。

  从群体角度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、进化遗传学等。这些学科之间关系紧密,界线较难划分。群体遗传学常用数学方法研究群体中的基因的动态,研究基因突变、自然选择、群体大小、交配体制、迁移和漂变等因素对群体中的基因频率和基因平衡的影响;生态遗传学研究的是生物与生物,以及生物与环境相互适应或影响的遗传学基础,常把野外工作和实验室工作结合起来研究多态现象、拟态等,借以验证群体遗传学研究中得来的结论;进化遗传学的研究内容包括生命起源、遗传物质、遗传密码和遗传机构的演变以及物种形成的遗传基础等。物种形成的研究也和群体遗传学、生态遗传学有密切的关系。

  从应用角度看,医学遗传学是人类遗传学的分支学科,它研究遗传性疾病的遗传规律和本质;临床遗传学则研究遗传病的诊断和预防;优生学则是遗传学原理在改良人类遗传素质中的应用。生统遗传学或数量遗传学的主要研究对象是数量性状,而农作物和家畜的经济性状多半是数量性状,因此它们是动植物育种的理论基础。

  杂交是遗传学研究的最常用的手段之一,所以生活周期的长短和体形的大小是选择遗传学研究材料常要考虑的因素。昆虫中的果蝇、哺乳动物中的小鼠和种子植物中的拟南芥,便是由于生活周期短和体形小而常被用作遗传学研究的材料。大肠杆菌和它的噬菌体更是分子遗传学研究中的常用材料。

  生物化学方法几乎为任何遗传学分支学科的研究所普遍采用,更为分子遗传学所必需。分子遗传学中的重组DNA技术或遗传工程技术已逐渐成为遗传学研究中的有力工具。

  遗传学与其它学科的关系及其应用

  遗传学与生物化学的关系最为密切,和其他许多生物学分支学科之间也有密切关系。例如发生遗传学和发育生物学之间的关系;行为遗传学同行为生物学之间的关系;生态遗传学同生态学之间的关系等。此外,遗传学和分类学之间也有着密切的关系,这不仅因为在分类学中应用了DNA碱基成分和染色体等作为指标,而且还因为物种的实质也必须从遗传学的角度去认识。

  各个生物学分支学科所研究的是生物的各个层次上的结构和功能,这些结构和功能无一不是遗传和环境相互作用的结果,所以许多学科在概念和方法上都难于离开遗传学。例如激素的作用机制和免疫反应机制一向被看作是和遗传学没有直接关系的生理学问题,可是现在知道前者和基因的激活有关,后者和身体中不同免疫活性细胞克隆的选择有关。

  遗传学是在育种实践基础上发展起来的。在人们进行遗传规律和机制的理论性探讨以前,育种工作只限于选种和杂交。遗传学的理论研究开展以后,育种的手段便随着对遗传和变异的本质的深入了解而增加。

  美国在20年代中应用杂种优势这一遗传学原理于玉米育种而取得显著的增产效果;中国在70年代把此原理成功地推广应用于水稻生产。多倍体的生长优势同样在中国得到了应用,小黑麦异源多倍体的培育成功便是一例。人工诱变也是广泛应用的育种方法之一。数量遗传学和生物统计遗传学的研究结果,被应用到动、植物选种工作中而使育种效率得以提高。这些主要是细胞遗传学时期研究成果的应用。

  40年代初,抗菌素工业的兴起推动了微生物遗传学的发展,微生物遗传学的发展又推动了抗菌素工业以及其他新兴的发酵工业的进步。随着微生物遗传学研究的深入,基因调控作用的原理被成功地应用到氨基酸等发酵工业中。此外杂交转导、转化等技术的采用也增加了育种的手段。

  70年代体细胞遗传学的发展进一步增加了育种的手段,包括所谓单倍体育种以及通过体细胞诱变和细胞融合的育种等。这些手段的应用将有可能大大地加速育种工作的进程。

  遗传学研究同人类本身密切相关。由于人类遗传学研究的开展,特别是应用体细胞遗传学和生化遗传学方法所取得的进展,对于遗传性疾病的种类和原因已经有很多了解;产前诊断和婴儿的遗传性疾病诊断已经逐渐推广;对于某些遗传性疾病的药物治疗也在研究中。免疫遗传学是组织移植和输血等医学实践的理论基础;药物遗传学和药物学有密切的关系;毒理遗传学关系到药物的安全使用和环境保护。用遗传工程技术对遗传性疾病进行基因治疗也正在进行探索。人类遗传学研究也是优生学的基础。

  遗传学研究为致癌物质的检测提供了一系列的方法。虽然目前治疗癌症还没有十分有效的方法,但在环境污染日益严重的今天能够有效地检测环境中的致癌物质,便是一个重大的进展。癌症患病的倾向性是遗传的,癌症的起因又同DNA损伤修复有关,近年来癌基因的发现进一步说明癌症和遗传的密切关系,所以从长远观点来看,遗传学研究必将为全面控制癌症作出贡献。

  2.分子遗传学

  分子遗传学是在分子水平上研究生物遗传和变异机制的遗传学分支学科。

  经典遗传学的研究课题主要是基因在亲代和子代之间的传递问题;分子遗传学则主要研究基因的本质、基因的功能以及基因的变化等问题。分子遗传学的早期研究都用微生物为材料,它的形成和发展与微生物遗传学和生物化学有密切关系。

  分子遗传学发展简史

  1944年,美国学者埃弗里等首先在肺炎双球菌中证实了转化因子是脱氧核糖核酸(DNA),从而阐明了遗传的物质基础。1953年,美国分子遗传学家沃森和英国分子生物学家克里克提出了DNA分子结构的双螺旋模型,这一发现常被认为是分子遗传学的真正开端。

  1955年,美国分子生物学家本泽用基因重组分析方法,研究大肠杆菌的T4噬菌体中的基因精细结构,其剖析重组的精细程度达到DNA多核苷酸链上相隔仅三个核苷酸的水平。这一工作在概念上沟通了分子遗传学和经典遗传学。

  关于基因突变方面,早在1927年马勒和1928年斯塔德勒就用 X射线等诱发了果蝇和玉米的基因突变,但是在此后一段时间中对基因突变机制的研究进展很慢,直到以微生物为材料广泛开展突变机制研究和提出DNA分子双螺旋模型以后才取得显著成果。例如碱基置换理论便是在T4噬菌体的诱变研究中提出的,它的根据便是DNA复制中的碱基配对原理。

  美国遗传学家比德尔和美国生物化学家塔特姆根据对粗糙脉孢菌的营养缺陷型的研究,在40年代初提出了一个基因一种酶假设,它沟通了遗传学中对基因的功能的研究和生物化学中对蛋白质生物合成的研究。

  按照一个基因一种酶假设,蛋白质生物合成的中心问题是蛋白质分子中氨基酸排列顺序的信息究竟以什么形式储存在DNA分子结构中,这些信息又通过什么过程从DNA向蛋白质分子转移。前一问题是遗传密码问题,后—问题是蛋白质生物合成问题,这又涉及转录和翻译、信使核糖核酸(mRNA)、转移核糖核酸(tRNA)和核糖体的结构与功能的研究。这些分子遗传学的基本概念都是在20世纪50年代后期和60年代前期形成的。

  分子遗传学的另一重要概念——基因调控在1960~1961年由法国遗传学家莫诺和雅各布提出。他们根据在大肠杆菌和噬菌体中的研究结果提出乳糖操纵子模型。接着在1964年,又由美国微生物和分子遗传学家亚诺夫斯基和英国分子遗传学家布伦纳等,分别证实了基因的核苷酸顺序和它所编码的蛋白质分子的氨基酸顺序之间存在着排列上的线性对应关系,从而充分证实了一个基因一种酶假设。此后真核生物的分子遗传学研究逐渐开展起来。

  分子遗传学的内容

  用遗传学方法可以得到一系列使某一种生命活动不能完成的突变型,例如不能合成某一种氨基酸的突变型、不能进行DNA复制的突变型、不能进行细胞分裂的突变型、不能完成某些发育过程的突变型、不能表现某种趋化行为的突变型等。不过许多这类突变型常是致死的,所以各种条件致死突变型,特别是温度敏感突变型常是分子遗传学研究的重要材料。

  在得到一系列突变型以后,就可以对它们进行遗传学分析,了解这些突变型代表几个基因,各个基因在染色体上的位置,这就需要应用互补测验,包括基因精细结构分析等手段。

  抽提、分离、纯化和测定等都是分子遗传学中的常用方法。在对生物大分子和细胞的超微结构的研究中还经常应用电子显微镜技术。对于分子遗传学研究特别有用的技术是顺序分析、分子杂交和重组DNA技术。

  核酸和蛋白质是具有特异性结构的生物大分子,它们的生物学活性决定于它们的结构单元的排列顺序,因此常需要了解它们的这些顺序。如果没有这些顺序分析,则基因DNA和它所编码的蛋白质的线性对应关系便无从确证;没有核酸的顺序分析,则插入顺序或转座子两端的反向重复序列的结构和意义便无从认识,重叠基因也难以发现。

  分子遗传学是从微生物遗传学发展起来的。虽然分子遗传学研究已逐渐转向真核生物方面,但是以原核生物为材料的分子遗传学研究还占很大的比重。此外,由于微生物便于培养,所以在分子遗传学和重组DNA技术中,微生物遗传学的研究仍将占有重要的位置。

  分子遗传学方法还可以用来研究蛋白质的结构和功能。例如可以筛选得到一系列使某一蛋白质失去某一活性的突变型。应用基因精细结构分析可以测定这些突变位点在基因中的位置;另外通过顺序分析可以测定各个突变型中氨基酸的替代,从而判断蛋白质的哪一部分和特定的功能有关,以及什么氨基酸的替代影响这一功能等等。

  生物进化的研究过去着眼于形态方面的演化,以后又逐渐注意到代谢功能方面的演变。自从分子遗传学发展以来又注意到DNA的演变、蛋白质的演变、遗传密码的演变以及遗传机构包括核糖体和tRNA等的演变。通过这些方面的研究,对于生物进化过程将会有更加本质性的了解。

  分子遗传学也已经渗入到以个体为对象的生理学研究领域中去,特别是对免疫机制和激素的作用机制的研究。随着克隆选择学说的提出,目前已经确认动物体的每一个产生抗体的细胞只能产生一种或者少数几种抗体,而且已经证明这些细胞具有不同的基因型。这些基因型的鉴定和来源的探讨,以及免疫反应过程中特定克隆的选择和扩增机制等既是免疫遗传学也是分子遗传学研究的课题。

  将雌性激素注射雄鸡,可以促使雄鸡的肝脏细胞合成卵黄蛋白。这一事实说明雄鸡和雌鸡一样,在肝脏细胞中具有卵黄蛋白的结构基因,激素的作用只在于激活这些结构基因。

  激素作用机制的研究也属于分子遗传学范畴,属于基因调控的研究。个体发生过程中一般并没有基因型的变化,所以发生问题主要是基因调控问题,也属于分子遗传学研究范畴。

  分子遗传学研究的方法,特别是重组DNA技术已经成为许多遗传学分支学科的重要研究方法。分子遗传学也已经渗入到许多生物学分支学科中,以分子遗传学为基础的遗传工程则正在发展成为一个新兴的工业生产领域。

  3.微生物遗传学

  微生物遗传学是以病毒、细菌、小型真菌以及单细胞动植物等微生物为研究对象的遗传学分支学科。微生物有个体小、生活周期短、能在简单的合成培养基上迅速繁殖等特点,并且可以在相同条件下处理大量个体,所以是进行遗传学研究的良好材料。

  微生物遗传学在20世纪40~50年代的发展,促进了遗传学中一些基本理论的阐明;50~60年代推动了分子遗传学的发展。

  20世纪30年代中期已经开始对酵母菌、脉孢菌和草履虫的遗传学研究,不过那时研究的对象限于能进行有性生殖的微生物,研究的课题大多限于基因的分离、连锁和重组等。

  开始认识和利用微生物的优越性,并进行遗传学研究的是美国遗传学家比德尔和生物化学家塔特姆。他们原来企图通过果蝇复眼色素遗传的研究来阐明基因的功能,虽然取得了一些进展,但并不理想,于是便改用脉孢菌作为研究材料,另行研究基因在氨基酸等的生物合成中所起的作用。

  四十年代初比德尔和塔特姆用射线处理脉孢菌得到了多种营养缺陷型,这些突变型只有在培养基中添加了它们所不能合成的物质才能生长。研究营养缺陷型为生物合成代谢途径的研究提供了有效的手段。

  早在二十世纪30年代就有人提出细菌是否有基因重组的问题,并且试图进行验证,但因所用的检测遗传重组的形态和糖发酵性状不很稳定,并且没有采用排除亲本而选择重组体的方法,所以没有取得可信的结果。1946年美国微生物遗传学家莱德伯格和塔特姆在大肠杆菌中以营养缺陷型为选择标记,发现了细菌的基因重组现象。这一发现既说明了生物界遗传规律的普遍性;又开辟了应用大肠杆菌等为材料的遗传学研究的广阔领域。

  目前大肠杆菌已是遗传学方面研究得最为详尽的生物,通过大肠杆菌和它的噬菌体的遗传学研究又开创了分子遗传学。大肠杆菌基因重组的发现还导致了大肠杆菌的转导、真菌的准性生殖和放线菌的基因重组等现象的发现,并为微生物遗传学理论应用于生产实践开辟了前景。

  肺炎双球菌的转化现象在1928年就已发现,可是转化因子的化学本质直到1944年才为美国化学家埃弗里鉴定为DNA。此后DNA的重要意义才逐渐被认识,分子遗传学的发展才有可能。

  细菌的抗药性来自基因突变还是对环境的适应性变异,是一个长期争论不休的问题。 1943年原来当医生的卢里亚和由物理学转向噬菌体遗传学研究的遗传学家德尔布吕克,用波动实验证明了抗药性的出现可以在细菌接触药物以前发生,表明抗药性是基因突变的结果。

  关于细菌的变异在19世纪就已经有许多报道,可是通过严密的实验设计和结果分析而得出关于变异的实质方面的明确结论是从这一实验开始的。这一工作在方法论方面给微生物遗传学带来深远的影响,它的结论加深了人们对于生物变异规律的普遍性的认识。

  除了一般的微生物学研究方法以外,在微生物遗传研究中最突出的方法是突变型的筛选和选择性培养方法的应用。突变型一方面可作为染色体的标记,另一方面可用来剖析各种生命活动的遗传控制。在高等动植物中,虽然也有一些筛选特定类型的突变型的例子,但是多数突变型是由于偶然出现而长期积累起来的。微生物遗传学的迅速发展和便于取得所需要的突变型有着密切的关系。

  某些微生物的一些生物学特性对于遗传学中的特殊问题的研究具有重要意义。例如子囊菌中一次减数分裂所产生的四分体分布在一个子囊里面,这一特性有助于对基因转变现象的研究。

  微生物遗传学除推进了人们对遗传规律的认识以外,也推进了对微生物的代谢、生长发育、免疫机制以及致病性等方面的认识。例如通过营养缺陷型和糖发酵缺陷型的研究,阐明了某些微生物的氨基酸、核苷酸等物质的合成途径以及一些糖的代谢机制等;用不能形成成熟芽孢的突变型进行细菌芽孢形成机制的研究;用遗传学方法揭示了沙门氏菌中鞭毛抗原相转变的分子机制;对于一些致病菌的致病因素进行分析等。

  微生物遗传学的研究一方面要依靠生物化学的知识和方法,另一方面也对生物化学有许多贡献。氨基酸、核苷酸及蛋白质和核酸等大分子的生物合成的研究多采用微生物为材料,而且常用微生物遗传学方法。

  分子遗传学是在微生物遗传学的基础上发展起来的一个遗传学分支。遗传密码、转录、翻译、信使核糖核酸、转移核糖核酸等都是在微生物中被发现或证实的。

  由于不能用人作为实验材料,人类遗传学的研究进展很缓慢。20世纪60年代以来,人类遗传学的飞速发展主要是由于对人的离体培养细胞应用微生物遗传学研究方法的结果。它的主要环节是:离体培养细胞的集落生长;合成培养基的应用;突变型细胞株的建立;细胞融合。它们也同样适用于高等动植物的遗传学研究,并成为体细胞遗传学的重要研究方法。

  微生物遗传学还推动了生产的发展。20世纪40年代微生物育种工作仅限于诱变处理。随着微生物遗传学的开展,杂交、转导和转化等技术也应用到育种工作中去。细菌的氨基酸合成代谢中的基因调控机制被阐明以后,通过消除阻遏作用而提高最终产物的原理被应用于氨基酸和核苷酸的发酵生产中,并取得了显著的增产效果。

  重组DNA技术在工业、农业和医学上的应用前景更难以估量,而重组DNA技术也是微生物遗传学研究的产物。微生物遗传学研究对于医疗卫生事业也作出了重要的贡献,在致癌物质的检测方面尤为突出。

  4.细胞遗传学

  细胞遗传学是遗传学与细胞学相结合的一个遗传学分支学科。研究对象主要是真核生物,特别是包括人类在内的高等动植物。

  早期的细胞遗传学着重研究分离、重组、连锁、交换等遗传现象的染色体基础以及染色体畸变和倍性变化等染色体行为的遗传学效应,并涉及各种生殖方式如无融合生殖、单性生殖以及减数分裂驱动等方面的遗传学和细胞学基础。以后又衍生出一些分支学科,研究内容进一步扩大。

  18世纪末,孟德尔定律被重新发现后不久,美国细胞学家萨顿和德国实验胚胎学家博韦里各自在动植物生殖细胞的减数分裂过程中发现了染色体行为与遗传因子行为之间的平行关系,认为孟德尔所设想的遗传因子就在染色体上,这就是所谓的萨顿—博韦里假说或称遗传的染色体学说。

  在1901~1911年间美国细胞学家麦克朗、史蒂文斯和威尔逊等先后发现在直翅目和半翅目昆虫中雌体比雄体多了一条染色体,即 X染色体,从而揭示了性别和染色体之间的关系。

  1902~1910年英国遗传学家贝特森等把孟德尔定律扩充到鸡兔等动物和香豌豆等植物中,并且创造了一系列遗传学名词:遗传学、同质结合、异质结台、等位基因、相引和相斥等,奠定了孟德尔遗传学的基础。

  从1910年到20年代中期,美国遗传学家摩尔根、布里奇斯和斯特蒂文特等用果蝇作为研究材料,用更为明确的连锁和交换的概念代替了相引和相斥,发展了以三点测验为基础的基因定位方法,证实了基因在染色体工作线性排列,从而使遗传的染色体学说得以确立。细胞遗传学便在这一基础上迅速发展。

  从细胞遗传学衍生的分支学科主要有体细胞遗传学——主要研究体细胞,特别是离体培养的高等生物体细胞的遗传规律;分子细胞遗传学——主要研究染色体的亚显微结构和基因活动的关系;进化细胞遗传学——主要研究染色体结构和倍性改变与物种形成之间的关系;细胞器遗传学——主要研究细胞器如叶绿体、线粒体等的遗传结构;医学细胞遗传学,这是细胞遗传学的基础理论与临床医学紧密结合的新兴边缘科学,研究染色体畸变与遗传病的关系等,对于遗传咨询和产前诊断具有重要意义。

  孟德尔定律揭示了以有性生殖为基础的遗传学规律。但是生物界中还存在着各种不同的生殖方式,例如无融合生殖、孤雌生殖、孤雄生殖。在通过这些生殖方式得到的子代中,性状比例不符合孟德尔比例。此外在一般有性生殖过程中也可能出现不符合孟德尔定律的现象,例如减数分裂驱动这些现象的研究同样属于细胞遗传学范畴。

  细胞遗传学是遗传学中最早发展起来的学科,也是最基本的学科。其他遗传学分支学科都是从它发展出来的,细胞遗传学中所阐明的基本规律适用于包括分子遗传学在内的一切分支学科。

  5.孟德尔遗传学

  孟德尔遗传学的重新发现,拉开了二十世纪人类解开遗传之谜的序幕。在二十世纪,遗传学的发展经历了三个阶段:首先,是摩尔根小组代表的经典遗传学阶段,此时主要以动植物为研究对象,从细胞的角度来探索生物遗传的规律,解释遗传的本质;此后是以噬菌体小组等为代表的过渡阶段,主要以微生物为研究对象,从生物化学的角度探讨遗传的机理,引入了遗传信息的概念;最后一个阶段以双螺旋的发现为代表,深入到了分子的层面,发现了遗传信息传递的机理。

  19世纪50-60年代,奥地利牧师、业余科学家孟德尔在捷克的一所修道院里,对于豌豆观察研究了8年,从而发现了生物遗传的规律。后来,人们尊称他为“遗传学之父”。但是,他的这一发现并不能被当时的人所理解,直到20世纪,人们才能理解他的发现的意义。根据豌豆各种各样的生长变化,孟德尔向人们展示了什么是遗传的显性定律、分离定律和独立分配定律。

  孟德尔遗传定律的重新发现者,荷兰的德弗里斯(H. De Vries )、德国的科伦斯(C. Correns)和奥地利的契马克(E. Seysenegg-Tschermak)。

  6.染色体学说

  美国科学家摩尔根和他的学生一起用果蝇作材料,证明了遗传变异与细胞中染色体的变化是密切相关的,创立了遗传的染色体学说。他因此而获得了1933年诺贝尔奖。1946年,摩尔根的学生穆勒(H. J. Muller)也因 为发现X射线可以引起生物变异而获得诺贝尔奖。玉米夫人麦克林托克,她在30年代发现基因可以跳跃,与孟德尔一样,她的这一发现也长期得不到人们的理解。但是,她终于在有生之年得到了承认,1982年,麦克林托克如愿获得了诺贝尔奖。

  他们的发现为分子生物学的诞生铺垫了道路,比德尔和塔特姆的研究将遗传学推进到生物化学的层次,他们发现基因通过控制酶的作用来控制生命过程,为此,他们获得1958年诺贝尔奖。德尔布吕克是一位于杰出的物理学家,他的杰出之处是将现代物理学与现代生物学相结合,将信息的概念和定量的方法引入到遗传的研究当中。1969年,他和卢利亚因在40年代通过噬菌体的研究而发现基因的作用,荣获诺贝尔奖。

  7.DNA双螺旋结构

  1953年,沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构,开启了分子生物学时代。分子生物学使生物大分子的研究进入一个新的阶段,使遗传的研究深入到分子层次,“生命之谜”被打开,人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的近50年里,分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现,一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明,DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。

  1953年,发现了DNA双螺旋的沃森只是个刚刚离开校门的大学生,克里克是个不得志的物理学家,说到学识造诣,他们并不是诺贝尔奖桂冠最合适的人选,但是他们独一无二的开阔眼界和敏捷思维,使沃森和克里克当之无愧地获得了1962年诺贝尔奖。

  就是这一双链构造的发现,引发了一场科学革命,然而,其中所蕴含的更伟大的意义还要等到21世纪才能充分显现出来。

  克里克是位对知识的狂热永远难以满足的科学家。二战时期,他痴迷于雷达的研究与改进;1953年,他发现了DNA双螺旋;1957年,他提出了分子生物学中的重要定理——“中心法则”,说明了遗传信息传递的途径,是生命信息从基因单方向传递到蛋白质;60年代末,他将目光转向宇宙中的生命起源问题;进入80年代,他又突然跳到了神经科学领域。 1961年,雅可布和莫诺发现,即使是构造简单的大肠杆菌,其基因的调节过程也很复杂,他们因此获得了1965年的诺贝尔奖。然而,生物基因调节的复杂过程究竟是什么样子的,至今还没有被彻底搞清楚。莫诺还是一名哲学家,他从新的生物学成果得到了启发,对于偶然性与必然性这一古老的问题提出了新的见解。

  8.基因工程

  70年代,内森和史密斯、阿尔伯发现了限制内切酶的在分子遗传中的作用,为基因工程奠定了基础。伯格在70年代初发现了人工重组DNA技术,开创了基因工程的时代。桑格于70年代发明了DNA碱基测序方法,这项技术的深远影响在20世纪末人体基因组计划中得到了充分的体现。

  基因工程是一种按人们的构思和设计,在试管内操作遗传物质,并最终实现改造生物的新技术。基因工程对生物的改造,可以使生物像工厂似的为人类生产特殊产品,也可以使现有的动植物更符合人类的要求。

  基因工程在医药业中的应用。利用基因工程生产蛋白类药物,可提高产量,降低成本。如干扰素是一种蛋白质,能抑制癌细胞增殖,增强身体的防御功能。前田进[日]博士采用基因工程技术,使蚕生产人干扰素获得成功。他发现,附在蚕体内的NPV(核多角体病毒)增殖效果好,在蚕的一个细胞核中可以增至100万个。他把带有干扰素基因的重组体NPV接种到蚕体内,蚕便在体液中分泌出干扰素。

  基因疗法是基因工程的又一重大应用。遗传病是长期困扰人类的一类不治之症,迄今已发现的有3000多种。其根源于遗传基因存在缺陷,主要特征是可随生育而传代。基因疗法就是通过向人体细胞的基因组置换"坏了的"基因,或引入外源的正常基因治疗疾病的方法。如血友病的病根在于血液中缺乏凝血因子VIII 。它是一种化学结构不很稳定的蛋白质。如今,可用人工的方法将产生凝血因子VIII 的基因提取出来,然后将其转移到患者的细胞基因组中,弥补遗传缺损,从而能够产生正常的凝血因子VIII ,使体内血液循环正常。

  基因工程在农业上的应用。1991年初,美国DNA植物技术公司的科研人员同时栽种了三批烟草植株。数月之后,其中一批由于遭受土壤中真菌的感染而严重损害;另一批由于使用了市售的化学杀菌剂而生长良好。而在第三批烟草植株上,它们没有使用任何杀真菌剂,却生长得特别旺盛,收获产量比前两批的都高。这是因为这批烟草并非普通烟草,而是基因重组的产物。

  真菌的细胞壁中有一种重要成分叫几丁质,几丁质如果受到破坏,真菌就无法肆虐。自然界有一细菌天然含有能产生几丁质酶的基因,产生的几丁质酶是破坏几丁质的最有效催化剂。美国DNA植物技术公司的科研人员从一种细菌中发现了这种基因,并且运用基因工程技术把它插进了烟草植株中,于是诞生了具有抗真菌能力的新型烟草。

  除了应用基因工程使作物获得抗真菌、细菌和线虫的能力外,目前还正在试图利用基因工程手段提高作物的抗逆性和营养价值。

  科学家们预言,若能用基因工程将固氮基因插入各种非豆科植物染色体组内,则可将空气中的氮直接转化为植物生长所需的氮,那将是农业生产的一次大的飞跃。

  基因工程在工业方面的应用。有一种超级细菌,能快速分解石油,可用于清除被石油污染的海域。这种超级菌是美国科学家用基因工程方法,把降解不同石油化合物的基因移植到一个菌株内而产生的。

  氢气在燃烧过程中,除释放能量外,产生的废物只有水,不会造成环境污染,被称为理想、清洁的燃料。一些水中生长的微生物在光照下,会不断地将水分解,放出氢气,然后可用容器将氢气收集起来。日本一研究所以提高光合作用微生物生产氢的效率为目标,正在利用基因重组技术,改良微生物,以大幅度地提高生产氢气的能力,为利用微生物生产氢气尽早投入实际生产和应用创造条件。

  总之,基因工程的发展将会给人类社会带来巨大的变化。

  9.克隆技术

  在90年代,一只名叫多利的羊成为家喻户晓的明星,它是一种利用人工克隆技术创造出的奇迹,它和它的母亲长的一模一样。

  克隆技术,是由同一个祖先细胞分裂繁殖而形成的纯细胞系,该细胞系中每个细胞的基因彼此相同!克隆羊多莉克隆的英文“clone”源于希腊语的“klōn”(嫩枝)。在园艺学中,“clon”一词一直沿用到20世纪。后来有时在词尾加上“e”成为“clone”,以表明“o”的发音是长元音。近来随着这个概念及单字在大众生活中广泛使用,拼法已经局限使用“clone”。该词的中文译名在中国大陆音译为“克隆”,而在港台则多意译为“转殖”或“复制”。前者“克隆”如同copy的音译“拷贝”,有不能望文生义的缺点;而后者“复制”虽能大概表达clone的意义,却有不能精确并易生误解之憾。

  克隆通常是一种人工诱导的无性生殖方式或者自然的无性生殖方式(如植物)。一个克隆就是一个多细胞生物在遗传上与另外一种生物完全一样。克隆可以是自然克隆,例如由无性生殖或是由于偶然的原因产生两个遗传上完全一样的个体(就像同卵双生一样)。但是我们通常所说的克隆是指通过有意识的设计来产生的完全一样的复制。

  克隆技术,已经历了三个发展时期:第一个时期是微生物克隆,即用一个细菌很快复制出成千上万个和它一模一样的细菌,而变成一个细菌群;第二个时期是生物技术克隆,比如用遗传基因――DNA克隆;第三个时期是动物克隆,即由一个细胞克隆成一个动物。克隆绵羊“多利”由一头母羊的体细胞克隆而来,使用的便是动物克隆技术。

  新时期中国克隆技术硕果累累,作为新世纪的尖端科学,克隆技术从它诞生的那一刻起就吸引了众多世人的目光。作为世界最大的发展中国家,中国一直在致力于前沿科学的研究。据目前的状况来看,克隆作为新兴的技术在中国得到前所未有的关注而且硕果累累:

    1、2000年6月16日,由西北农林科技大学动物胚胎工程专家张涌教授培育的世界首例成年体细胞克隆山羊“元元”在该校种羊场顺利诞生。“元元”由于肺部发育缺陷,只存活了36小时。同年6月22日,第二只体细胞山羊“阳阳”又在西北农林科技大学出生。2001年8月8日,“阳阳”在西北农林科技大学产下一对“龙凤胎”,表明第一代克隆羊有正常的繁育能力。   据介绍,2003年2月26日,克隆羊“阳阳”的女儿“庆庆”产下千金“甜甜”,2004年2月6日“甜甜”顺利产下女儿“笑笑”。“阳阳”家族实现四代同堂。这不仅表明第一代克隆羊具有生育能力,其后代仍具有正常的生育能力。 目前,“阳阳”与她的女儿“庆庆”、外孙女“甜甜”和曾孙女“庆庆”无忧无虑地生活在一起。据介绍,截止2004年5月底,前来参观的各人士已超过100万人次

  2、不久前,在河北农业大学与山东农业科学院生物技术研究中心联合攻关下,中国的科技人员通过名为“家畜原始生殖细胞胚胎干细胞分离与克隆的研究”实验课题,成功克隆出两只小白兔——“鲁星”和“鲁月”。这项实验表明中国已经成功地掌握了胚胎克隆,虽然在技术上还没有达到体细胞克隆羊“多利”的水平,但它为中国的克隆技术进步奠定了基础。   之后,中国广西大学动物繁殖研究所成功繁殖体形比普通的兔子大的克隆兔。因为兔子与人类的生理更加接近,克隆兔的成功诞生,有助于人类医学研究。

  3、2002年5月27日,中国农业大学与北京基因达科技有限公司和河北芦台农场合作,通过体细胞克隆技术,成功克隆了国内第一头优质黄牛——红系冀南牛。这头名为“波娃”的体细胞克隆黄牛经权威部门鉴定,部分克隆技术指标达到国际水平。冀南牛是我国特有的优良地方黄牛品种,分布在我国河北,主要特点是耐寒、肉多脂少。但目前数量急剧减少,已濒临灭绝。此次成功克隆,对保护我国濒危物种具有深远影响。

  10.人类基因组计划

  能与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相以比拟的美国人类基因组计划,预期耗资30亿美元,历时15年。该计划从动议到实施经历了漫长的岁月(1984~1989)其主要内容是:基因组作图和顺序、信息和材料的管理、实施和管理的战略。

  (1)基因组作图 有两大类人类基因组图谱:遗传连锁图谱和物理图谱。遗传连锁图谱主要通过家谱分析和测量不同性状一起遗传(即连锁)的频率而建立的。物理图谱是通过对 构成人类基因组的脱氧核糖核酸分子的化学测度而绘制的。它包括限制酶切图谱、排序的脱氧核糖核酸克隆库以及对表达基因或无特征(功能不清)的脱氧核糖核酸片段的低分辨图谱。所有图谱的目标都是把有关基因的遗传信息,按其在每条染色体上相对位置线性地系统地排列出来。了解基因的位置及其相应的遗传性状,使我们能提示人类基因组结构模式的功能意义,并将其与其它哺乳类动物加以比较,以了解生物是如何进化的。

  (2)基因组测序 基因组的核苷酸顺序是分辨率最高的物理图谱,它含有构成一个个体遗传装置的整套信息。就人而言,意味着要排出30亿个核苷酸的顺序。同时,为了更好地利用人类基因组的顺序,还应对其它生物的基因组顺序进行测序,以便人类基因组进行比较研究。

  (3)信息和材料管理 作图和测序计划进行中会产生大量数据。这些数据只有被有效地收集、储存和分析,并对全世界的研究人员开放,才有价值。为此,需设立两类中心:收集及分发作图和测序数据的信息中心,收集和分发像脱氧核糖核酸DNA克隆及人继胞系这类材料的中心。

  (4)实施战略 由于人类基因组作图和测序工作比现已进行作图和测序的生物基因组大好几个数量级,因而由美国国家研究委员会的生物科学学部的基础科学委员会成立的人类基因组的作图与测序委员会提出了该计划的实施战略:在该计划实施初期,虽大部分资金用于技术完善,但应加强业已开始的基因组的遗传连锁和物理作图工作;大规模的测序应在技术发展到合适时再开始;等等。

  (5)管理战略 为使此计划的价值得以充分体现,人类基因组测序与作图委员会认为需要良好的组织和协调。为有效实施这一计划,应由国家卫生研究院、能源部或国家科学基金会中的一个部门负责这一计划的管理。这一领导机构接受专项拨款和依据同行评议而支付基金,并负责材料中心和信息中心的运行,协调该计划的众多实验室工作和起到情报交流媒介的作用,还应负责具体行政管理事务。

 

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