乔守怡 卢大儒 林 娟 吴燕华 皮 妍 2011.08.01 银川

1. 乔守怡 卢大儒 林 娟 吴燕华皮 妍 2011.08.01 银川

2. 遗传学教学的困惑 • 最具遗传学特色的内容: 孟德尔遗传；连锁与交换；染色体畸变； 数量性状遗传；性别分化与伴性遗传。。。 • 学科交叉的教学内容 基因组；表达调控；基因工程；表观遗传 • 需要整合优化的内容: 突变；发育；进化，微生物遗传 • 可以合并或省略的内容: DNA复制，转录，与蛋白质合成；细胞周期调控与染色体行为；细胞质遗传

3. 一 遗传学教学思想 • 遗传学教学应使学生知道什么？ • 遗传学教学应使学生思考什么？ • 遗传学教学会使学生感兴趣吗？ • 遗传学教学能使学生具有哲学思维吗？ • 经过遗传学课程的教育，学生具有传播遗传学知识的愿望和能力吗？

4. 1694年 Camerarius 植物杂交实验 1798年 Jenner 接种牛痘预防天花 1809年 Lamarck 获得性状遗传 1820年 Nasse 血友病伴性遗传 1822年 Knight 豌豆杂交实验 1839年 Schleiden 细胞结构 1859年 达尔文 物种起源 1865年 孟德尔发现遗传定律 1869年 米歇尔分离出核酸 (核素) 1879年 弗莱明发现染色体 20AD前的经典遗传学

5. 马歇尔•尼伦伯格，罗伯特•霍利和哈尔•科拉纳阐明遗传密码马歇尔•尼伦伯格，罗伯特•霍利和哈尔•科拉纳阐明遗传密码 沃尔特•吉尔伯特，弗雷德里克•桑格和艾伦•马克希姆开发出DNA测序技术 保罗•伯格创造出第一个重组DNA分子 杰罗姆·勒琼发现唐氏综合征是由于人体的第21对染色体变异造成的 1956 1959 1960 1966 1969 1972 1975 1977 1978 玛丽克莱尔•金和艾伦•威尔逊发现，人类和猩猩的基因相似度达到99% mRNA的发现； 第一个蛋白质晶体结构被解析 美国开始了人工胰岛素的生产 阿瑟·科恩伯格—— DNA聚合酶的发现 乔纳森•贝克韦斯分离出第一个细菌基因

6. 诺贝尔奖授予发现细胞周期和调控机制的三位科学家诺贝尔奖授予发现细胞周期和调控机制的三位科学家 1.DNA芯片进入商业化应用 2.酵母基因组测序完成 1. 美国正式启动基因组计划 2. 第一例基因治疗进入临床实验 PCR技术发明 抑癌基因Rb的克隆 完成人的22号染色体的测序 GeneBank数据库的建立 人类基因组组织的成立（HUGO） 第一个显性遗传病（亨廷顿氏病）的疾病基因克隆 • 1985 1988 1990 1993 1996 1999 2001 2005 • 1984 1986 1989 1991 1994 1997 2000 2003 2006 果蝇、河豚鱼和拟南芥的全基因组测序 诺贝尔奖授予提出癌基因概念的毕晓普和瓦默斯 DNA指纹技术的发现 诺贝尔奖授予发现RNA干扰的安德鲁•法尔和克雷格•梅洛 第一罐转基因西红柿出产 第一只克隆动物多利羊诞生 p53基因抑癌机制 人类基因组序列图绘制结束 DNA自动测序仪的发明

8. 孟德尔定律的巧合 为什么孟德尔没有看到多基因调控的性状？ 为什么孟德尔没有看到连锁的性状？ 孟德尔只做了7对性状的研究吗？

9. 孟德尔研究的7对性状分布在豌豆的五条染色体上，且分布在同一条染色体上的基因之间的距离很远。因此，从这些基因的研究中看不到连锁现象。孟德尔研究的7对性状分布在豌豆的五条染色体上，且分布在同一条染色体上的基因之间的距离很远。因此，从这些基因的研究中看不到连锁现象。

10. 问题：假如我们用人来进行自由组合定律的研究……在一条染色体上我们挑选到两个基因连锁的概率会有多大？在全基因组中呢？ 1）人1号染色体250Mb，含3380个基因。 2）遗传学距离1cM约等于1Mb。 假设：基因在染色体上平均且连续地分布。且不考虑着丝点的位置。在1号染色体上随机挑选两个基因，它们存在连锁关系的概率是多少？

11. Chromosome 1: 250Mb, 3380genes; Chromosome 2: 234Mb, 2204genes Chromosome 3: 198Mb, 1760genes; Chromosome 4: 191Mb, 1361genes Chromosome 5: 181Mb, 1536genes; Chromosome 6: 171Mb, 1959genes Chromosome 7: 159Mb, 1764genes; Chromosome 8: 146Mb, 1247genes Chromosome 9: 141Mb, 1435genes; Chromosome 10: 136Mb, 1305genes Chromosome 11: 135Mb, 2051genes; Chromosome 12: 134Mb, 1629genes Chromosome 13: 115Mb, 649genes; Chromosome 14: 107Mb, 1453genes Chromosome 15: 103Mb, 1202genes; Chromosome 16: 90Mb, 1318genes Chromosome 17: 81Mb, 1714genes; Chromosome 18: 78Mb, 517genes Chromosome 19: 59Mb, 1992genes; Chromosome 20: 63Mb, 857genes Chromosome 21: 48Mb, 425genes; Chromosome 22: 51Mb, 835genes Chromosome X: 155Mb, 1606genes; Chromosome Y: 59Mb, 397genes 如果是在全基因组中挑选呢？

12. 如图所示,假设随机选择的两个连锁基因的位置为x和y。那么两者满足如下关系：如图所示,假设随机选择的两个连锁基因的位置为x和y。那么两者满足如下关系： x∈（0，250Mb） y = x ± 50 且 y∈（0，250Mb） 因此，连锁的两个基因（红点区域）占全部基因组合（大正方形区域）的比例为9/25。

13. 为纪念《科学》杂志创刊125周年，科学杂志总结了125个人类迄今为止不能回答的科学问题。在重中之重的25个问题中，生物学占了13席，其中涉及到了大量的遗传问题。 1 意识的生物学基础是什么？ 2 为什么人类的基因如此之少？ 3 遗传差异和个体健康程度之间的关联性？ 4 人类寿命可以延长至多少？ 5 器官再生的机制？ 6 皮肤细胞是如何成为神经细胞的？ 7 一个体细胞如何发育成为整棵植株 ？ 8 地球上的生命是 如何 ，又是在哪里起源的？ 9 什么决定了生物多样性？ 10 怎样的遗传差异使我们成为了人类？ 11 协作行为是如何进化的？ 12 如何选择性地关闭一些免疫应答？ 13 是否存在有效的HIV疫苗？

14. 基因与性状的复杂关系 凡是遗传的性状都与基因有关。 与基因有关的性状并非都是可遗传的。 性状的改变不一定都与基因有关。 基因组序列不改变也会形成性状的改变。 基因组序列不改变形成的性状的改变可以是遗传的，也可以是不遗传的。

15. 基因与遗传的关系 一卵同胞的个体的遗传结构，基因表达都相同吗？ 兄弟姐妹之间常染色体基因组的相同概率是1/4吗？ 同一条染色体上的基因在遗传传递过程中，连锁与分离哪种形式机会更多？ 大样本中筛选出的疾病易感基因（或特异性基因）的生物学效应评价可信度是多少？ 基因组中非编码序列的生物学功能数据挖掘可以从哪些角度去研究？ 多基因性状的遗传分析理论缺陷是什么？ 转基因对生物个体的生物学功能影响是什么？ 基因组学，转录组学，代谢组学，蛋白质组学之外，还有那些重要因素与个体的生物学效应相关？ 基因在发育过程中时间，空间，数量，质量的程序调控涉及了哪些影响生物学功能的内在以及外在的代谢途径因素？ 表观遗传学是对传统遗传学的挑战吗？ 新一代的基因组二次测序还有哪些生物学问题没有解决？ 计划生育，食品安全，生存环境改变等能够或者如何影响人类群体的基因结构？ 在遗传学现代技术发展之外，今后最有可能在遗传学理论上发展的领域是什么？

16. 传统理论的挑战 • 孤立的基因不一定与生物学效应一一相关。很多性状是基因网络的协调参与。

17. 种类 Mb 大肠杆菌 4.64 啤酒酵母 12.1 线 虫 100 果 蝇 140 蝗 虫 5000 小 鼠 3300 豌 豆 4800 玉 米 5000 小 麦 17000 人 3000 • 科学悖论:生物的基因组在进化过程中越来越复杂，但是人的基因组却比有些低等生物的基因组还简单 —— C值悖论 • 在人类基因组中，全部基因序列只占基因组的2％左右。基因组内的非基因序列曾一度被研究者称为“垃圾DNA”（junk DNA）。

18. 基因组序列列给我们思考的空间 推测非编码序列的生物学作用： 1非编码序列是内含调控序列的仓库。 2非编码序列是古老基因的沉静之地和新生基因起源的源泉。 3非编码序列是物种分化与形成的标志。 4非编码序列是外来入侵物种DNA序列的藏身之地。

19. 理解生命 地球上所有的生命都是平等的，热爱生命，珍惜生命，是对生命的尊重。在形形色色的生物形式中，生存与繁殖是生物最基本的法则，在这个法则面前，所有的生物都有一致的诉求。而在这同一法则下的过程中，生物生存的基本代谢活动基本类同。鉴此，我们说，生物性状有简单和复杂之分，但生命没有高低等级之分，人类是生物进化的一个分支，而不是顶端。比人类具有更复杂性状的生物多不胜数，比人类更晚出现在地球上的生物物种还有很多，人类是进化并不完美的物种。与人类共同走过进化史的生物都是我们在进化史上同行的伙伴，也许我们认为对人类有害的生物，其实可能就是自然对物种实施的选择。当你能从遗传学角度解读这些问题的时候，你会更加尊重所有的生命。

20. 二 遗传学教学知识结构与内容 一 知识结构 1 基因遗传方式 简单性状遗传方式（孟德尔式单基因遗传） 复杂性状遗传方式（多基因遗传，非等效基因） 基因概念发展（复等位基因，转座基因 ，重叠基因，核外基因 …… ） 2 连锁，交换与变异 遗传标记与基因图谱 染色体所的遗传行为 原核与真核的遗传特征 3 基因组的结构与功能 多样性的基因组 基因组结构与功能 基因表达与调控 4 基因与个体和系统发育 基因在发育中的作用 基因在群体遗传结构 基因在进化中的作用

21. 遗传学教学知识结构与内容 二 知识内容 1 遗传方式 2 连锁分析 3 基因组数据挖掘 4 基因的生物学效应 三 遗传学研究方法 1 杂交 2 序列分析 3 细胞系统与模型生物实验

22. 遗传学系统知识框架 基 因 组 编码序列 非编码序列 基因组 结构与功能 DNA与进化 基因与发育 染色体遗传分析 基因互作 连锁交换 孟德尔式遗传分析 数量遗传分析 群体遗传分析

23. 基因概念（遗传学科学导论） 基因结构（遗传学基本机制） 基因效应 （个体与群体的生物学效应）

24. 基因组学 系统生物学 干实验 湿实验 转录组学 信息整合与加工 网络建模 蛋白组学 提出假设 代谢组学 诠释生命现象

25. 遗传学的研究内容与方法 遗传学关注所有生命的遗传变异规律。 • 从遗传学的研究对象划分 人类遗传学；植物遗传学；动物遗传学；微生物遗传学。 • 从遗传学的 研究层次划分 群体遗传学；细胞遗传学；分子遗传学。 • 从遗传学的研究具体内容划分 进化遗传学；免疫遗传学；肿瘤遗传学。

26. 遗传学的基本概念与理论 what ? 课 程 安 排 • 遗传与变异（3学时） • 孟德尔遗传方式（3学时） • 数量遗传学基本理论（4学时） 基因与基因组 who and how ? • 基因概念的发展（6学时） • 基因的连锁分析（6学时） • 基因突变与染色体畸变（6学时） • 基因组与基因表达调控（6学时） 个体与系统发育遗传 why ? • 疾病的遗传分析（6学时） • 基因与发育（5学时） • 群体与进化遗传学（6学时）

27. 遗传学研究方法 家系分析— 性状变异，传递途径 生物信息— 寻找基因，基因定位 分子实验— 基因结构，表达调控 模型分析— 信号传导，功能预测

28. 遗传学研究的基本策略 2 反向遗传学”（reversegenetics） 改变某个特定的基因或蛋白质，然后再去寻找有关的表型变化。例如基因剔除技术或转基因研究。 挑选基因 –转基因/基因剔除 –表型研究 从基因型变异到表型变异的研究方法

29. 功能克隆 镰刀形细胞贫血症，血红蛋白突 变后形成棒状结构，失去携氧能力； 首先分离得到病变蛋白，测出肽链的氨基酸序列，反推DNA序列，制备探针从cDNA文库中筛选得到相应的编码基因，完成染色体定位得到全基因序列。 疾病 功能 性状 （疾病） 蛋白质产物 （生物学功能） 从氨基酸序列出发设计 DNA引物，从文库钓取基因 染色体定位 基因 得到基因序列

30. 遗传学研究的基本策略 1 正向遗传学（forwardgenetics） 通过生物个体或细胞的基因组的自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭示其功能。 随机诱变 –表型筛选 –基因定位 从表型变异到基因型变异的研究

31. 通过遗传连锁或细胞学定位技术分析找出与目的基因紧密连锁的遗传标记。再从候选的染色体区段内分离克隆所要的基因，并进一步研究其功能。通过遗传连锁或细胞学定位技术分析找出与目的基因紧密连锁的遗传标记。再从候选的染色体区段内分离克隆所要的基因，并进一步研究其功能。 Huntington舞蹈症是第一个通过连锁分析定位的遗传病。 随着基因组序列的测序完成，全基因组扫描已经成为流行的定位克隆方法。 定位克隆 疾病 疾病 遗传标记，染色体定位 基因 序列 基因 mRNA cDNA 蛋白质产物 生物学功能 功能

32. 三 案例分析 • 复等位基因（ABO血型分析） • 连锁分析（遗传病的诊断） • 特定基因家系分析（遗传病的研究） • 复杂性状遗传分析（行为，疾病等基因分析） • 基因群体结构分析（群体的迁移与基因结构）

33. 案例1 复等位基因 ---- ABO血型的遗传 • 有一犯罪嫌疑人在犯罪现场留下的唾液鉴定血型是O型，但是在重点检查某一嫌疑人时，检测出该人的血型是B型，在其它举证都确凿的情况下，已经确认该人是犯罪人，为什么会出现体液与血液血型不一致的现象？

34. H抗原与分泌型抗原的性质 • 除了红细胞表面有ABH抗原物质，精液，唾液，泪液，消化液，尿液等多种体液中也都有ABH抗原的分布。不同分泌液中血型物质的分泌量有明显差别，以唾液、精液为最多，其他含量较少。分泌型ABH抗原是糖蛋白，而不是糖脂分子。

35. H Z A抗原 A Z基因 B B抗原 （血液中） O 无AB抗原 A,B h 无抗原 （孟买型） 前体 H z 少抗原 （类孟买型） Se H A、B、H抗原 Se基因 （唾液中） se h 无抗原

36. 案例2：遗传连锁分析 • 假设有100万个妊娠事件，据统计，15%将发生先天流产；1.7%会发生出生死亡；在剩余的83.3%的新生儿中，约0.6%的新生儿有染色体疾病。

37. 案例：地中海贫血的基因诊断 β β+ β+ Ava II Hind III Ava II Hind III Ava II Hind III

38. 根据AvaII酶切位点多态性： 患儿得到父2.2与母2.0 或母2.2与父2.0胎儿亦 如此，所以胎儿为+/β+ （正常纯合体）或βT /βT （重症患者）。 母 父 母 父

39. 根据HindIII酶切位点多态性： 患儿从母亲得到的15.3染色体上有βT基因，所以胎儿不可能为正常纯合体，而必为重症患者βT /βT。

40. 单倍型分析方法 母 2.2 15.32.0 13.5 父 2.0 15.32.2 15.3 2.0 15.3 2.2 15.3 2.0 13.5 2.2 15.3

41. 单倍型分析方法 母 2.2 13.52.0 15.3 父 2.0 15.3 2.2 13.5 2.0 15.3 2.2 15.3 2.0 15.3 2.2 15.3

42. 思考：下图是某常染色体隐性遗传病的一个家系，在致病基因附近有两个紧密连锁的RFLP遗传标记（Hind III和Sph I）。 ？ ？ 1 2 3 Hind III 4.2kb ———— Hind III 4.0kb ————— Sph I 9.7kb —— Sph I 7.0kb ————— 判断2和3号子女是否会发病。

43. 肥胖基因克隆

44. ob基因候选区的选定 • 选定几个遗传标记（1、2、3、4） • 通过分析回交实验中重组个体表型、基因型(遗传标记)，选定ob基因的候选区(650kb)

46. 复杂疾病的关联研究

47. 病例对照研究 ——基于无关个体的关联分析 • 直接比较患者群体和正常群体两组群体中某遗传标记等位基因型频率，通过统计分析是否具有显著的差异。如果有，则认为此位点同疾病相关联。这种方法易于获得大量群体样本，能有效地进行基因分型，易于操作。且有较高的检出效能。但是，病例对照研究中由于混杂因素过多容易造成虚假联系，需要选择严格的对照组和统计分析方法。 家系分析 ——基于相关个体的关联分析 • 传递不平衡分析是分析某个等位基因从杂合子的父母传递给患病孩子的概率是否高于理论值（50%），如果是，则推断该等位基因与疾病基因之间存在关联。传递不平衡分析有些类似于连锁分析，会借助大量的核心家系样本，可以排除人群混杂对于关联分析造成的影响，但是它的弱点在于发现阳性关联结果的检出效能较低。

48. 基于候选基因的关联分析与全基因组关联分析 • 由于关联分析的分析对象大，计算量大，因此早期的关联分析通常是基于候选基因的，这些候选基因或是来自家系连锁分析的候选基因，或是在其他实验中提示的易感基因等，对这些特定基因进行群体内的基因分型和关联分析在许多复杂疾病中已得到了广泛和有效的应用。 • 但是基于候选基因的关联分析带有一定的盲目性和局限性，在基因组计划和单倍型计划完成之后，全基因组关联分析，Genome-wide association analysis (GWAS)得到了重视和推广。该方法将对群体进行全基因组测序和扫描，测定可能的疾病关联基因变异和单核苷酸多态性。但GWAS研究带来的成果仍然存在很多不稳定不可靠的问题，发现的很多易感性变异或多态并不是疾病发生的关键因素，还需要更科学更理性的发展。 • 第一项标志性GWAS成果：Complement factor H polymorphism in age-related macular degeneration. Science, 2005, 308(5720): 385-389.

49. II型糖尿病的全基因组关联分析图，覆盖23条染色体上的386731个基因标记。II型糖尿病的全基因组关联分析图，覆盖23条染色体上的386731个基因标记。