普通遗传学-第3部分
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传递遗传学是最经典的研究领域，它研究遗传特征从亲代到子代的传递规律。我们可以将具有不同特征的个体进行交配，通过对几个连续世代的分析，研究性状从亲代传递给子代的一般规律。但在对人体进行研究时，则采用谱系分析，即通过对多个世代的调查，追踪某种遗传特征的传递方式，估测其遗传模式。由于这种研究方法首先是从孟德尔开始的，所以这一遗传学分支又称为经典遗传学（classical genetics）。
细胞遗传学是通过细胞学手段对遗传物质进行研究。在这一领域中使用最早的工具是光学显微镜。20世纪初，就是利用光学显微镜发现了细胞有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）过程中染色体及其行为的。染色体及其在细胞分裂过程中行为特征的发现不仅对孟德尔规律的再发现和被承认起到了重要作用，而且还奠定了遗传的染色体理论基础。染色体理论在20世纪上半叶遗传学研究中起着主导作用，它认为染色体是基因的载体，是传递遗传信息的功能单位。所以，有人把其中专门研究染色体变化与遗传变异的关系以及基因在染色体上定位等内容称为染色体遗传学（chromosomal genetics）。后来，随着电子显微镜的发明，我们已能够直接观察遗传物质的结构特征及其在基因表达过程中的行为，使细胞遗传学的研究视野扩大到分子水平。
分子遗传学是从分子的水平上对遗传信息进行研究。它研究遗传物质的结构特征、遗传信息的复制、基因的结构与功能、基因突变与重组及基因的调节表达等内容，是遗传学中最活跃、发展最迅速的一大分支。对遗传信息在分子水平上进行研究始于20世纪40年代。虽然开始的研究对象只是细菌和病毒，但现在我们已经知道了许多真核生物遗传信息的特征、复制和调节表达机制。到70年代，随着重组DNA（rebinant DNA）技术的发明与应用，我们可以在实验室内有目的地将任何生物的基因拼接到细菌或病毒DNA上，进行大量克隆（cloning）即在离体条件下扩增目的基因。DNA重组技术在分子遗传学研究方面是一种使用广泛的、非常重要的基本技术，它不仅使基因研究不断向理论的纵深发展，而且还对医学和农业具有重要的实用意义。
生统遗传学是一门用数理统计学方法来研究生物遗传变异现象的分支学科。根据研究的对象不同，又可分为数量遗传学（quantitative genetics）和群体遗传学（population genetics）。前者是研究生物体数量性状即由多基因控制的性状遗传规律的分支学科，后者是研究基因频率在群体中的变化、群体的遗传结构和物种进化的学科。生统遗传学传统上是依据群体中不同个体所表现出来的特征即表型来研究遗传和变异，但现在正在逐步向研究群体内分子水平变异的方向发展。
1。4 遗传学的重要性
遗传学不仅只是一门研究基因、探索生命奥秘的基础理论科学，它还与动物和植物育种、与医学等应用科学有着密切联系，对社会和法律也有重要影响。
1。4。1 遗传学与动植物育种
在农业方面，虽然人类社会栽培植物和驯养动物具有悠久历史，但直到孟德尔规律被发现以后，科学家才将遗传学的基本原理用于动、植物育种领域。在这一方面，采用系统选择和杂交育种技术培育的动、植物新品种为人类的食品生产和社会稳定做出了巨大贡献。
遗传学的基本原理在植物育种方面主要用于改进光合效率，提高农作物产量，增强植物抗病虫害的能力，培育综合性状优良的杂交种，改进农作物的品质。这些育种目标在水稻、小麦、玉米、大麦及棉花等作物中都不同程度地获得了实现，使产量和品质得到大幅度提高。例如在墨西哥，由波罗格（N。Borlaug）率领的研究小组收集了世界不同地区的小麦品种，并将其优良基因综合到一个小麦品种中，培育出了高产、优质、适应性强的超级墨西哥小麦品种。这种小麦品种不仅适合在墨西哥种植，也适于在其他许多国家栽培。这一成果导致了20世纪70年代世界上一场所谓的“绿色革命”，波罗格本人也因此获得了1970年的诺贝尔和平奖。
同样，遗传学应用研究在动物育种方面也产生了巨大的效应。动物育种学家通过对动物的遗传改良，也培育出了大量优良动物品种，使世界人均肉类供应量大幅提高。例如，通过系统选育培育出的速生鸡在肉的质量和年产蛋量方面都得到显著提高。在大牲畜如猪、牛等动物方面，采用人工授精的方法，可以将一头具有优良遗传性状的雄性动物的精液提供给数千头母畜并使之受孕，产生性状优良的超级子代群体。现在培育的优良奶牛品种每头年均产奶量都在5000kg以上。
1。4。2 遗传学与医疗保健
遗传学研究的进展也同样给医学带来巨大进步。现在知道，人类大量疾病都有某些遗传基础，基中有许多都是由于单个碱基的突变或某种特殊的染色体畸变所造成的。如镰状细胞贪血症、胎儿成红细胞瘤、囊性纤维化、血友病、肌肉萎缩症、泰一萨二氏病及唐氏综合征（唐氏先天愚症）等都是一些遗传疾病。
了解这些疾病的遗传学基础就可为诊断和治疗提供理论依据。例如，唐氏综合征已被确定是人的第21号染色体多了一条所造成的，35岁以上年龄的妇女随年龄增加，所孕胎儿患这种疾病的概率也明显增加。有这方面家族病史的孕妇和大龄孕妇可到医院作产前检查，如果胎儿染色体有上述特征，就可预期未来新生儿将是先天愚型患者。因此孕妇可以通过遗传学咨询（genetic counseling）了解到胎儿患遗传疾病的情况，然后再作出合理决定，如实行堕胎等。据估计，每一对生育孩子的夫妇都要冒3％的危险性生下一个有先天遗传障碍的婴儿。现在已知的遗传疾病有近千种。
癌症是威胁生命的一种严重疾病，彻底治疗癌症在很大程度上依赖于应用遗传学的研究进展。已知在动物中，某些病毒如反转录病毒（retrovirus）能够传播某些癌症，所有反转录病毒都有一组控制宿主细胞分裂的癌基因（oncogene）。虽然目前尚未发现反转录病毒与传播人体癌症有关，但已知人体的正常细胞都含有原癌基因（proto…oncogene），其结构与反转录病毒癌基因的结构非常相似。有证据表明，病毒的癌基因可能起源于正常细胞的原癌基因。特别重要的是，现在已经知道了正常细胞的原癌基因可以突变成细胞癌基因（cellular oncogene），当原癌基因发生突变以后，含有细胞癌基因的细胞便失去控制，进行无控制的细胞分裂，从而导致癌症。现在许多科学家正在对原癌基因及由其衍生的细胞癌基因进行广泛研究，相信在不久的将来，癌症是完全可以征服的。
艾滋病即获得性免疫缺损综合征（acquired immunodeficiency syndrome；AIDS）是另一种致命性疾病。同癌症不同的是，它是由一组称为人体免疫缺损病毒（human immunodeficiencyvirus，HIV）的反转录病毒引起的。艾滋病毒只侵染人体的两种白细胞。一种是称为TH细胞的淋巴细胞（lymphocyte）；病毒侵入TH淋巴细胞并将其杀死，从而使患者部分丧失免疫功能。另一种受侵染的细胞是巨噬细胞（macrophage），艾滋病毒只在其内繁殖，但不破坏这种宿主细胞。艾滋病难以治疗的一个主要原因是艾滋病毒将其遗传信息插入到宿主细胞的染色体上，形成原病毒（provirus）；作为宿主细胞染色体的一部分随细胞染色体进行复制和被传递到子细胞之中。原病毒还有一个重要特征是在受感染细胞内合成病毒基因产物和产生子代病毒粒子。随着对艾滋病毒的侵染和致病机制的遗传学基础研究的深入发展，我们相信，在艾滋病的预防和治疗方面不久将会有重大突破。
遗传学在医学上应用的另一个重要方面是免疫遗传学（immunogenetics）。在由病原微生物引起的疾病的防治、输血以及器官移植中都要应用这方面的知识。在这方面应用最成功的例子之一是通过接种牛痘病毒疫苗，预防人体天花病毒的传播，现在人类已经根绝了天花病的发生。在器官移植方面，通过使用免疫抑制药物，移植包括心脏、肝、肾和肺等器官成功的实例越来越多。
1。4。3 遗传工程
今天，科学家可以从任何生物中分离到感兴趣的基因，能够将分离到的基因插入到一种小的、能够自动复制的染色体外遗传结构如细菌质粒（plasmid）或病毒DNA上并将这种人工重组的DNA导入宿主细胞如细菌、酵母等细胞内，也能够对这类含有重组DNA的生物进行大容量培养，最后分离和纯化所需要的基因。科学家还能够将基因连接到某种特殊调节信号上，使基因在细菌、植物或动物中正确表达。在某些情况下，还可将基因限制在高等植物和动物的某些特殊组织或细胞中表达。简言之，科学家可以按照自己的意愿将基因切割下来和将其同任何来源的DNA分子连接在一起，最后再将其导入细胞中，并使之按照要求进行表达。像这样一种基因操作程序就是遗传工程（genetic engineering）。
遗传工程自20世纪80年代以来得到了迅速发展，特别是在高等植物和动物方面以及商业和
医疗方面，应用研究非常活跃。
在植物方面，自20世纪70年代初发现一种称为农杆菌（Agrobacterium tume faciens）的土壤细菌能够将其质粒（Ti质粒）上的DNA插入到植物染色体上，使植物产生根冠瘤（crown gall）以后，科学家将Ti质粒加以改造，以其作为基因载体（vector），现在可以将任何有用的基因导入植物基因组中，培育出转基因植物（transgenic plant）。例如，利用源于Ti质粒的载体将细菌的一种抗除草剂草甘膦（glyphosate）的基因转入植物基因组中，使转基因植物对草甘膦产生抗性而不被杀死。
目前，植物基因工程的一个重要目标是培育出既能抗生物逆境（抗虫、抗病）又能抗非生物逆境（抗旱、抗盐碱、抗寒等）的综合抗性强的转基因植物。在抗虫性转基因植物培育方面的成就比较突出。利用苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，BT）的内毒素基因转化植物，现已培育出一些对某些害虫有抗性的杀虫转基因植株。由于自然BT…内毒素种类不是很多（50多种），且一种毒素只能杀死某些害虫，而害虫的种类又很多，因此需人工构建一种具有广谱性杀虫效应的基因，然后再以此转化各种植物。关于抗非生物逆境的遗传工程也是方兴未艾，现已初显成效。但由于抗性机制复杂，且涉及的基因数目很多，距离生产应用还有一定距离。
转基因技术在动物方面的应用也日渐广泛。培育转基因动物有几种方法，采用较多的是向受精卵内微量注射某种特殊载体。由于受精卵含有外源DNA，当将其移植到代孕母亲子宫内后，发育成的个体就能表达外源基因。如果外源基因编码的蛋白质具很高的医疗效果，则可将其连接到只在乳房组织中才具活性的某种DNA调节序列之下，让转基因动物产生具有医药价值的乳汁。例如，血纤溶酶原激活物（plasminogen activator）具有溶解人体血块的作用，科学家将编码血纤溶酶原激活物的基因置于只在乳房组织中行使功能的启动子（promoter）控制之下，然后再将这种人工基因注射到绵羊的受精卵内，由代孕母体产下的转基因母羊就能分泌出血纤溶酶原激活物含量很高的羊奶。最后药物生产厂家就可从这种羊奶中分离和纯化出血纤溶酶原激活物，以用于临床治疗心脑血管血栓等疾病。
随着动物转基因技术的发明，接着就产生了用于治疗各种遗传疾病的基因疗法（gene therapy）。哺乳动物中第一例基因疗法是用来纠正小鼠的生长激素缺乏症。患有生长激素缺乏症的小鼠在体型上比正常小鼠矮小得多，当将一种人工构建的大鼠生长激素基因通过转基因技术转移到侏儒症小鼠基因组中以后，转基因小鼠在体重上是侏儒症小鼠的2~3倍。
转基因技术和基因疗法在人体上的应用具有更广阔的前景，因为通过引入外源野生型基因、纠正人体有缺陷的功能可以治疗和缓解人体的遗传疾病。虽然不能采用上述小鼠的生殖细胞基因疗法那样来治疗人体的遗传疾病，但可采用体细胞基因疗法（somatic gene therapy）治疗某些遗传疾病。1991年，W。P。Andeson等首次采用此法成功治疗了一例严重的综合免疫缺损病。这种疾病是由于一个编码血液中的腺苷脱氨酶的基因发生突变所造成的。在此基因疗法方案中，首先从患者骨髓中取出血液干细胞，然后加入转基因（transgene），最后再将转基因细胞送回到血液系统中去。
将转基因导入人体有缺陷的体细胞中去的载体都是病毒。较老的一类载体是载有转基因的卸甲的反转录病毒。由于反转录病毒的自然侵染循环过程需插入到宿主细胞的染色体上，因此可能会导致插入位点的基因发生突变，这是这类载体存在的主要问题。另一类用于人体基因疗法的载体为腺病毒（adenovirus）。腺病毒通常只侵染呼吸道的上皮细胞，病毒基因组并不插入到宿主染色体上，只是在细胞中以染色体外因子的形式存在，因此就不会出现上述由反转录病毒类载体造成插入突变的不良后果。采用腺病毒载体的基因疗法非常适合治疗囊性纤维化疾病，因为它是一种呼吸道上皮组织疾病，只需向鼻道喷雾，就可向病变部位的细胞引入载有野生型等位基因的病毒。
遗传工程在商业上也具有很重要的应用价值，现在业已取得了不少重大成就。可以预期，在将来必然还会有更多、更令人瞩目的成就问世。现在生产的商业产品主要是一些利用DNA重组技术、通过微生物合成的重要的医药和生化试剂。如人体干扰素（interferon）、人体生长素（growth hormone）和人体胰岛素（insulin）就是3种较知名的遗传工程产品。最早投放市场销售的是于1982年利用重�
