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[转载]遗传学发展史
fqng1008 2019-12-4 21:37
各种 考古学 资料表明, 人类 在 远古时代 就已经知道优良动植物能够产生与之相似的优良 后代 的现象,并通过选择和培育有用的动植物以用于各种生活目的。 公元前 8000年到 1000年 , 古埃及人 就开始通过饲养瞪羚作为食物,以后又用 绵羊和山羊 代替瞪羚并用来生产羊奶。在古非洲的 尼罗河流域 ,公元前4000年就有记载人类通过选择和饲养蜜蜂来生产蜂蜜的活动。在 植物 的选育方面,在 我国 湖北地区 新石器时代 末期的 遗址 中还保存有阔卵圆形的粳稻谷壳,说明人类对植物品种的选育具有更悠久历史。公元前4000年左右, 古埃及 的 石刻 上还记载了人们进行植物杂交授粉的情况。但是,这些都仅仅是 史前时期 的人类对 遗传变异 现象的观察,或是在生产实践中利用一些遗传、 变异 性状 对动植物进行选择,或许是一种无意识的行为,并没有对 生物 遗传和变异的机制进行严肃的研究。 公元前 5世纪到4世纪, 古希腊 医师 希波克拉底 (Hippocrates)及其追随者在生殖和 遗传现象 以及 人类的起源 方面作了大量探索,使 古希腊人 对 生命现象 的认识逐步从 宗教 的神秘色彩转向 哲学 的和原始 科学 的 思维 方面来。希波克拉底 学派 认为,雄性 精液 首先在身体的各个 器官 中形成,然后再通过血管运输到 睾丸 中。这种所谓的具有活性的 体液 (humor)是遗传 特征 的 载体 ,是从身体的各个器官采集而来的。如果体液带有疾病, 新生儿 就表现出先天性缺陷。这种 早期 的思想就产生了后来由 达尔文 (C.Darwin,1809-1882)正式提出的 泛生 说 (hypothesis of pangenesis)。 希波克拉底学派的第二种 观点 认为,双亲的各种生理活动和智理活动都可以传递给 子代 ,使子代具有与 亲代 相似的能力和特征。体液在亲代体内可以发生变化,所以子代可以遗传其双亲从环境中获得的某些特征。这一观点与 19世纪 法国 学者 拉马克 (J.B.Larmarck,1744-1829)提出的获得性遗传(inheritance of acquired characteristics) 假说 的形成很有关。 古希腊 哲学家 和 自然科学家 亚里士多德 (Aristotle,公元前384年-322年)对 人类起源 和人体遗传作了比希波克拉底学派更广泛的分析,他是泛生说形成的 重要人物 之一。他认为雄性的精液是从血液形成的,而不是从各个器官形成的。精液含有很高能量,这种能量作用于 母体 的月经,使其形成子代 个体 。 古希腊的希波克拉底学派和亚里士多德的观点今天看起来似乎很天真、幼稚,但由于在当时并未发现精、 卵细胞 ,直到 1827年卵细胞才被发现,因此这种对遗传现象的解释在当时乃至以后几个 世纪 都产生了重要影响。由于他们都认为遗传是通过双亲进行的,并受到位于不同单位中 遗传信息 的控制,这些观点在 遗传学 系统理论 的形成和发展过程中占有突出 地位 。因为任何一个 学科 的形成都不是偶然的,都离不开 前人 为这一学科产生所做出的大量 先驱 性工作。 从 17世纪 开始直到 19世纪,人们对生命现象的探索便进入了 实验生物学 的时代。 18世纪 瑞典 分类学 家林奈 (C.Linnaeus,1707-1778)建立了 动物和植物 的 系统分类学 ,并创立了 双名法 ,这对于后来进行动、植物育种和杂交试验提供了选择 亲本 的重要依据,起到了积极作用。但是,他认为 物种 是神 创造的即所谓 特创论 (special creation),物种是固定不变的(fixity of species)。这对于遗传学的形成和发展又起了消极作用,使一些从事杂交工作的 研究者 不能正确认识他们的试验结果和从中发现 遗传规律 。 18世纪的德国 植物育种学 家 柯尔 络特 (J.G.Kolreuter,1733-1806)就是受林奈思想影响很深的人之一。柯尔络特被认为 世界上 第一个通过杂交育种、成功地培育出植物品种的人。他首先将两组不同烟草 植株 杂交,然后再将 杂交种 反复与其亲本之一进行回交,培育出新的烟草品种。在另一组石竹属植物的育种试验中,他清楚地观察到了性状的 分离现象 ,但由于他相信特创论和物种不变论的思想,致使对自己的研究结果产生了矛盾 心理 ,而不能正确认识其在科学上的重要意义。 法国学者拉马克总结了 古希腊哲学家 的思想,在 1809年 发表的《 动物 的哲学》 (Philosophie Zoologique)一书中提出了与林奈物种不变论相反的观点,认为动物器官的进化取决于用与不用即 用进废退 理论 (doctrine of use and disuse)。拉马克还认为每一 世代 中由于用和不用而加强或削弱的性状是可以遗传的即获得性遗传。如 鼹鼠 没有 视力 是由于其 祖先 长期生活在 黑暗洞穴 ,无须使用眼睛。这样,它们的眼睛逐代退化并遗传下去,最后鼹鼠就完全丧失了视力。 英国生物学家达尔文曾随 “贝格尔”号战舰进行了5年的环球旅行和 生物学 考查,广泛研究了生物遗传、变异和进化的 关系 ,于 1859年 发表了《 物种起源 》 (The Origin of Species)的 著作 ,提出了生物通过 生存斗争 (struggle for existence)以及自然选择的进化理论。他认为生物在长时间内累积微小的 有利变异 ,当发生生殖隔离后,就形成了一个 新物种 ,然后新物种又继续发生进化变异。达尔文的 进化论 是 19世纪自然科学中最伟大的 成就 之一,它不仅否定了物种不变的谬论,而且有力地论证了生物由简单到复杂、由低级到高级的进化过程。 达尔文的进化理论没有对生物遗传和变异的 遗传学基础 进行论述,他在 1868年 发表的第二部著作《在驯养下动物和植物的变异》 (Variations of Animals and Plants under Domestication)中试图对这一不足作出明确解释,但他重提了“泛生说”和“获得性遗传”的观点。达尔文认为在动物的每一个器官里都存在称为 胚芽 (gemule)的单位,它们通过血液循环或体液流动聚集到 生殖细胞 中。当 受精卵 发育成为成体时,胚芽又进入各器官发生作用,因而表现出遗传现象。胚芽还可对 环境条件 作出反应而发生变异,表现出获得性遗传。达尔文的这些观点也完全是一些没有 事实依据 的 假设 。 德国生物学家 魏斯曼 (A.Weisman,1834-1914)支持达尔文有关进化的选择论,但反对获得性遗传。他于 1892年 提出了 种质 连续论 (theory of continuity of germplasm),把 生物体 分成体质 (somatoplasm)和种质(germplasm)。种质是独立的、连续的,能产生后代的种质和体质,而体质则不能产生种质。环境只影响体质,故由环境引起的变异是不遗传的即获得性不能遗传。遗传的是种质而不是体质。 种质论 在生物科学中产生了广泛影响,直到今天的遗传学研究和动、植物育种仍沿用了种质论的某些观点。但是,魏斯曼将生物体绝对地划分为种质和体质是片面的,而且今天的大量遗传学研究和 分子生物学 研究证明,某些获得性也是可以遗传的。 真正科学地、有分析地研究 遗传与变异 是从 孟德尔 (G.J.Mendel,1822-1884)开始的。孟德尔是奥地利布隆(Brünn)的一位天主教修道士,同时也是一所中学的代课教师。他于1856-1864年在他所在修道院的小花园内对豌豆(Pisum sativum)进行了杂交实验,于 1865年 在当地召开的自然科学学会上宣读了试验结果。他认为生物性状的遗传是受 遗传因子 控制的,并提出了遗传因子分离和自由组合的基本遗传规律。他从试验中得到的 结论 是形成今天科学遗传学的 基石 ,所以他被公认为是遗传学的创始人。 已如前述,孟德尔并不是第一个从事植物杂交试验的人,但他是第一位从生物体的单个性状出发,分析其试验结果的人。孟德尔采用科学的方法设计实验,对杂交结果进行计数和分类,并采用 数学 模式对各种比例进行 比较分析 ,然后针对各种 差异 提出假说。接着,他根据初步试验结果和假设,准确预测有关 遗传单位 的传递方式,最后再根据后来的杂交结果证明他所作假设的正确性。孟德尔的 研究方法 和提出的 学说 是比较先进的和科学的,特别是他的 思维方法 至今仍然是科学工作者学习的榜样。 但是,孟德尔的理论在当时并未受到重视,直到 1900年 ,他的 论文 才得到 3个不同国家的3位 植物学家 的注意。他们分别是荷兰的迪 ·弗里斯(H.de Vries),他研究 月见草 和玉米;德国的柯伦斯 (C.Correns),他研究玉米、豌豆和菜豆;奥地利的切尔马克(E.von S.Tschermak),他研究豌豆等数种植物。他们3人都从自己独立的研究中获得了孟德尔 原理 的 证据 。当他们在收集资料、引用 文献 时都发现了孟德尔的论文。从此,孟德尔的成就才得到广泛重视。从这以后,许多学者都按照孟德尔的理论和研究方法对动、植物的遗传现象进行了广泛深入的研究,使遗传学研究得到迅速发展。因此,人们把 1900年孟德尔论文被重新发现 之时 定为遗传学形成和建立的 开端 。 1905年英国人贝特逊(W.Bateson)依据希腊“生殖”(generate) 一词 给遗传学正式定名 (genetics)。贝特逊除了给遗传学进行科学定名外,还将孟德尔最初提出的控制一对 相对性状 的遗传因子定名为 等位基因 (allelomorph,后缩写为allele)。 1903年 萨顿 (W.S.Sutton)发现 染色体 行为与遗传因子的行为一致,于是提出了染色体是遗传因子的载体的观点。 1909年 丹麦 遗传学家 约翰逊 (W.L.Johannson)提出用 基因 (gene)一词代替孟德尔的遗传因子。基因一词由达尔文的 泛子 (pangen)的最后一个音节衍生而来。至今,遗传学中广泛使用等位基因和基因这两个 名词 。等位基因是指控制一对有相对差异的两种特征的遗传单位,而基因则是指控制某一特征发育的遗传单位。 1910年左右,美国遗传学家 摩尔根 (T.H.Morgan)及其同事根据对普通 果蝇 的研究,确定了基因是染色体上的分散单位,在染色体上呈直线排列,提出了基因的连锁交换 规律 ,并结合当时的 细胞学 成就,创立了以染色体遗传为核心的 细胞遗传学 (cytogenetics)。 就在孟德尔规律被重新发现的 1900年, 英国医生 、 生物化学家 加罗德 (A.E.Garrod)根据对人体的一种先天性代谢疾病 尿黑酸症 (alkaptonuria)的研究,认为这种疾病是由于单个基因发生突变后,产生一种不具功能的 产物 ,从而导致 代谢障碍 。加罗德的这种一个 突变基因 决定一种代谢障碍的观点在当时也并未受到广泛注意,直到 1941年,比德尔(G.W.Beadle)和他的老师泰特姆(E.L.Tatum)对红色 面包霉 (Neurospora)的 生化突变型 进行研究时,才发现了加罗德的工作,明确提出了 “一个基因一种酶”(one gene-one enzyme)的理论。后来“一个基因一种酶”又被修改成较准确的概念即“一个基因一种 多肽 (one gene-one polypeptide)。 基因究竟是由什么物质组成的呢?这是自孟德尔规律被发现以来人们一直探索的问题。早在 1869年 ,一位瑞士医生 米切尔 (F.Miescher)就宣称自己从脓细胞中分离到了 核酸 。时隔 30 多年以后 ,美国的 细胞 生物学家威尔逊 (E.B.Wilson)又发现了核酸,证明它是染色体的重要组成 成分 ,并指出它可能是 遗传物质 。 1944年, 埃弗里 (O.T.Avery)等从肺炎双球菌(Diplococcuspneumoniae)的转化试验中又直接证明了 脱氧核糖核酸 (DNA)是遗传物质。直到1953年, 沃森 (J.D.Watson)和克里克(F.H.C.Crick)提出了 DNA的双螺旋 结构模型,这一成就才为进一步阐明 DNA的 结构 、复制和遗传物质如何保持世代连续的问题奠定了 基础 。埃弗里及沃森 等人 的研究开创了 分子遗传学 这一新的学科领域,不仅使遗传学,而且使整个生物学跨入了一个 新纪元 。 今天,遗传学已是一门成熟的、非常有活力的学科,被认为是 现代生物学 的核心。它是自孟德尔奠基以来,人类对 生命本质 认识的 集体智慧 的 结晶 ,世界上许多 科学家 都对遗传学的发展做出了杰出贡献。 现代遗传学 的发展非常迅速,特别是在高等 真核生物 包括人体的发育、细胞分化、 记忆 、衰老及 信号转导 等分子机制的研究,以及结构 基因组 和 功能基因组 研究方面,几乎每年都有突破。 遗传学简史 一、成立基础 孟德尔 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的性状之间的遗传规律都未获成功。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《植物杂交试验》的论文,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,这两个方面的成就促进了遗传学的发展。 从 1875 ~ 1884的几年中德国解剖学家和细胞学家弗莱明在动物中,德国植物学家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。美国动物学家和细胞学家威尔逊在 1896年发表的《发育和遗传中的细胞》一书总结了这一时期的发现。 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从事植物杂交试验工作的学者所分别发现。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。 孟德尔三大定律 二、细胞遗传 大致是 1910 ~ 1940年,可从美国遗传学家和 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。 遗传学 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。摩尔根在 1926年发表的《 基因论 》和英国细胞遗传学家达林顿在 1932年发表的《细胞学的最新成就》两书是这一时期的代表性著作。这一时期中虽然在1927年由美国遗传学家米勒和1928年 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。 三、微生物遗传 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。 遗传学 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。 四、分子遗传 从 1953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。 遗传学 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完成的 ; 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离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。
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斯坦福大学《从生物学看人类行为》学习笔记5——分子遗传学2
monica0569 2012-8-23 10:30
如果 剪切酶工作异常 ,会造成巨大变化,会得到完全不同的蛋白质。 如果 启动子发生变异 ,整个网络就会改变。 在某基因的上游 启动子与抗利尿激素作用,启动子有不同的形式,研究发现多配性个体与单配性个体的差异就在这个基因。利用基因治疗的手段,改变这个启动子,会将多配性雄性个体转变成单配性个体。另一个例子,有段基因编码某种激素,一种神经递质,强啡肽,与痛觉有关,研究表明鼠类体内该基因启动子的数量决定了他们对药物的依赖性。 另外一个产生巨大差异的是 转录因子的基因发生变异 。 人与黑猩猩的差异基因表现在编码转录因子的基因,进化上这种不同比例的差异决定了人类与黑猩猩的差异。 在Berkeley有两位科学家Kin和Wilson,他们首先提出人类与黑猩猩98%共同基因的关系,他们认为进化中最重要的差异发生在DNA的控制段,而不是编码蛋白质部分,之后的研究都支持这一观点。如果你将人类与黑猩猩的共同祖先变成与黑猩猩完全不同的生物,更像人类,你只需改变基因的控制段,改变转录因子或者启动子。 基因组另外一个有趣的地方时,将大约100种不同生物的基因组排序观察你会发现,基因越多,编码转录因子的基因比例就越高。 Barbara mcclintock ,女科学家,研究植物遗传,首次提出转位基因的概念时受到人们的嘲讽,直到20世纪80年代分子技术的出现证明她的观点完全正确。现在我们称做转位子,是能移动的基因成分。她成功的一个重要原因是选对了研究对象——植物,动物面临环境变化,可以逃走,但是植物不行,不管什么刺激出现,它们将基因打乱,以生成某种新物质来应对这个刺激,植物的基因是可诱导的,这样就可能诱导新的基因出现。 后来人们开始研究动物中是否存在这样的机制,令人惊讶的是,人类也有。人体可以将抗体的相关基因打破,打乱顺序,诱发基因的转位移动,希望产生新的抗体,然后通过免疫系统的大规模筛选,发现是否有新抗体发挥作用。其他一些事物也有这样的情况。比如锥虫。人们后来研究还发现,转位不仅可以发生在免疫系统,在其他情况也可以出现。有一种转位基因,在灵长类动物里非常常见,有种特定细胞在特定时间会有最大的活性,倾向于活动最为频繁剧烈,这就是当脑细胞将要制造新的神经元的时候,可以将基因打破,期望制造更多的神经元。 但是如果将DNA片段到处移动,可能造成极大影响。可能会创造新的因果关系。 另外,对部分基因转位也可以产生新的因果关系。比如,考察类固醇激素的工作原理,激素受体的一部分能辨认特定的激素,一部分能辨认对应的启动子。 糖皮质激素是能使人肾上腺功能亢进的压力激素,能抑制免疫系统。这是甾类化合物药物,当服用时,糖皮质激素不再抑制免疫系统,它被换成了孕酮来抑制免疫系统。这个发现可以用来解除孕妇对宝宝的排斥反应。从雄性那里得到的印记基因能造成对胎盘猛烈的攻击,这个时候是抑制免疫系统的最佳时期。但是生完宝宝后有一些潜在问题,就是免疫系统受到了太大的抑制,而妈妈又忙于照顾小孩睡不好,免疫系统可能回不到怀孕前的状态,可能会变得过分敏感,就会有自身免疫系统疾病。女人真不该怀孕啊(太爱这位“大胡子”老师了,说出了我们的心声^_^),因为很容易患狼疮病。 有时候基因复制,不止产生一个复制品,有两个或者更多份复制,形成大规模的爆发或者一整串基因的重复,这就产生了复制数量变异,可能是一份基因重叠,也可能是很多基因重叠,或者整条染色体重叠,越来越多的研究显示,精神分裂症就是由基因变异和复制数量变异造成的。有时候基因复制能成为后备,如果原始基因出问题,第二个能补上,有人认为这种情况会出现在一些老年痴呆症的病例中;情况也可能是基因复制品的数量,跟蛋白质的数量密切相关。最近的调查显示,对比日本人和西欧人群,日本人可复制的基因复制品数量多于西欧人,这就意味着有更多的基因来制作碳水化合物消化酶。第二份复制品的功能,打个形象的比方,就是用其中一个复制品做实验,因为第一份复制品是为了满足重要的后备功能,当基因出现复制,进化速度会加快,第二份复制品其实是被解放了,能够实现剧烈的运动。它可能无意间就创造了巨大的价值而不牺牲任何功能作用。 Univesity of Oregon的Joe Thornton关于类固醇激素受体的演讲研究显示,对于原始基因来说,负责两个不同类型的类固醇受体基因会同时复制,其中一个能挣脱出来,最终,至少在某些时候能够创造巨大价值,而另一个则坚守岗位。这一现象说明一个恼人、让人崩溃的问题,也就是攻击演化论的人们提出的问题,这些基因存在不可化约的复杂性,通过基因复制品的存在,就能有自由演化的复制品,而不必通过突然性的转变。 大多数的宏观突变都是坏消息,通过稳定的选择,宏观变异会被淘汰。在演化的历史中,出现了几次选择瓶颈,可能是因为冰川、彗星撞击或者别的什么,只有少数个体拥有一些那时看起来是中性,没用的特征,顺利通过了选择瓶颈。这怎么解释?发生变化时,变化是间断的,突然的 ,这种情况能够产生间断的平衡。所以宏观变异和DNA的结构有两个重要问题,第一是,大多数变异能够造成网络的整体变异,会造成悲剧,很多时候会是静止,其中内在的机制是制造宏观变异的能力,在选择瓶颈下,就会有间断平衡。所以Gould和Frends是绝对正确的这一说法并不成立。因为,同样,这种突然变异是对古生物学家来说的,对生物学家来说,千百年是一个漫长的过程。 那么如何解决微观演化中的渐进主义社会生物学的行为研究问题和宏观演化中的间断平衡理论?如何将这两个结合? 有很多方法。第一,微观变异是对已有蛋白质功能改变,宏观变异是关于创造新的蛋白质、新的网络、新的因果关系等等来完成不同功能。回到人类和黑猩猩基因组,比较微观和宏观变异的不同,比如在免疫系统中,人类与黑猩猩的基因差别跟微观演化差别有关,这也就归结到大家看到的医学概念,人类对结核的抵抗力要比黑猩猩好,而黑猩猩对疟疾的抵抗力较强,但是关键问题是,都是免疫系统,一个好一点,一个差一点,这是渐进主义的范畴。解释这种现象的机制是微观差别,那么宏观方面人与黑猩猩的差别在哪里呢?这就跟发育( development,网易翻译是发展,个人觉得应该是发育 )有关了,并且会在很大程度加大差距。一点小的差异就能制造两个物种的不同器官。 这两个理论的最大争议是,很多时候渐进是不可能出现的,因为逐渐的情况不容易辨认,但是现在人们能够观察器官的演化,有一些是非常迅速的。 第一个例子,芝加哥的人,保留着19世纪80年代被杀死的老鼠尸体,这些老鼠与现在芝加哥的老鼠基因组相比,发生了很多改变。 另一个很有趣的情况是,对糖尿病抵抗力的演化。糖尿病有两种,青少年发病的糖尿病和成年发病的糖尿病,现在有很多关于人口饮食结构的研究表明很多地方的人的饮食从传统形式向西方饮食转变,导致糖尿病的发病率提高,很多人都英年早逝。2000年的一项研究显示,很多太平洋周边岛屿居民,糖尿病患病率开始下降,也就是说,很可能西欧人经历了一次演化选择——选择的结果是拥有不怎么样的新陈代谢的人能够存活。 另一个例子,是最伟大的基因故事之一,一项大约50年前西伯利亚的银狐驯化的研究。由于银狐的皮毛做衣服很值钱,人们决定捕捉野生银狐进行哺育,经过大约35代繁殖后,它们像狗一样听话了。只根据一种性状进行选择,一种行为性状——驯化程度,35代以后它们居然变成了超级可爱的狐狸狗狗,有了大耳朵,短而可爱的鼻子,人类出现时还摇尾巴。但讽刺的是,它们的皮毛也改变了,出现了杂色现象,没有人愿意穿这样的皮毛做的衣服。 这些现象都是那些相信间断突然性改变的古生物学家不会发现的。 我们的结论是,对于这两个不同学派的理论,两者都肯定在发生。
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斯坦福大学《从生物学看人类行为》学习笔记4——分子遗传学1
monica0569 2012-8-22 21:29
这部分讲的是分子生物学,由于之前学过,所以笔记会相对简洁。 基因能够决定行为是因为有蛋白质作为中介。蛋白质是细胞生物的劳动力,有数不清的功能。那么蛋白质如何编码?答案是基因编码。蛋白质有20中氨基酸组成,每种氨基酸由不同的DNA序列即密码子编码。这里有中间一步就是DNA先生成RNA。RNA有构成蛋白质的信息。这个过程的运作可以由Frank-crick central dogma中心法则来描述:DNA--RNA--amino acid sequence--protein:shape,function。 首次对中心法则的抨击是1970病毒中发现RNA,RNA酶反转录为DNA 再到蛋白质,这里遗传信息从RNA开始。但绝大部分情况遗传信息从DNA开始。 遗传学中几种经典突变: 点突变:一个碱基改变,一般贸易影响,称中性突变;如果编码不同氨基酸,影响也很小,因为有些氨基酸性质、功能相似。 缺失 插入 后两者影响大。这就是进化中得微观突变:蛋白质形态发生变化以致功能变化或者丧失,比如,有些氨基酸会让人体发生问题,苯丙氨酸,有毒性,会伤害脑细胞和神经元,有一种将其转为更为安全的物质;如果发生突变让苯丙氨酸转化酶丧失功能,结果苯丙氨酸在体内浓度积聚增加,伤害神经系统,这就是苯丙酮尿症的病理,它是一种非常常见的遗传紊乱。 还有一个例子是,睾丸女性化综合征,在染色体水平上,这些病人有睾丸,睾丸在腹腔里,没有下降到阴囊中。原因是体内发生了一个典型的变异,改变看雄激素受体也就是睾丸酮受体的形态。历史上对这些病人的治疗方法非常骇人听闻。 另一种疾病,是酶的功能并没有被消除,只是功能受到了抑制,这是一种在两类人群中发现的疾病。Dominican Republic居民与New Guinea居民,这两群独立的近亲交配种群中,酶的突变使生成睾丸酮的效率降低,青春期后雄性激素突然开始发挥作用。变异发生在一种关键的生物合成酶上,这种病人一生下来有女性的所有特征,青春期突然转变为男性。 另外一个经典微小突变的例子,这个例子突变并没有导致疾病,人的大脑内有一整套化学信号系统影响着焦虑情绪,有一种能减轻焦虑,叫苯二氮,有些人工合成的苯二氮类镇静药,比如安定,利眠宁,它是一种有特定形态的蛋白质,相应有苯二氮受体,有了微小的变异,导致受体形态改变,决定人们焦虑的程度分为易焦虑和不易焦虑。 这些疾病都是由单个碱基变化引起的,分子生物学的理论可以很好地解释渐进理论:由于变异,我们有了多样性,我们的适应性不同,就产生了微小优势,这优势是由于蛋白质的微小形态差异造成的。自然选择在长时间内改变形状分布,那个微小的优势性状,在种群中就会变得越来越显著。这就说明,变化是一点一点发生的。这个理论出现在很多领域,并且非常有用。 Foxp2是一个与语言相关的基因。它发现于一个家庭成员都有不同程度语言障碍的家庭。于是动物界有不同版本的Foxp2.它与鸟类唱歌有关,与鼠类的超声波交流有关等,并且不同物种能找到不同变异。当观察人类在短期发生的一些变异时,就能看出人体生产与其他生物不同版本的Foxp2是因为使用了不同的基因。人们去除人体的Foxp2基因,敲除鼠类体内的Foxp2基因,将人体内的Foxp2基因连接进去,非常有趣的是这些老鼠的超声波交流变得更加复杂。 平均来讲, 你与亲兄弟姐妹有50%的相同基因,然而你与黑猩猩有98%的相同基因。这是为什么 ?其实这两句话并不矛盾,通过蛋白质进行基因识别来研究相应的性状,因此你能得到两个物种间的一些基因相似度,比如两个物种都有编码dorsal fins,你考虑的是两个不同种类的鲸类。人类就没有编码dorsal fins的基因,但是我们有编码特定形状骨盆的基因,当你考察人类与黑猩猩的基因组,98%的基因编码相似的性状类型,对其中每个基因,它可以以不同形式出现,因此不要问你和你的亲兄弟姐妹编码对生拇指的基因是否相同,要问你和你的亲兄弟姐妹有没有同样编码对生拇指的一类基因,这里指的是特定基因的不同表现。 渐进模型盛行了很久,20世纪80年代新的模型突然出现, Stephen Jay Gould Niles Eldredge提出 :Graduaism is nosense.变化不是渐进增加的,大部分时间不发生变化,一旦发生变化,以极快的速度进行,接着平静期。他们称为 断续性平衡 。由于Gould是马克思主义,这个理论与马克思主义原理非常契合。怎么会有这个理论呢?主要是因为Gould不是生物学家,也不是进化生物学家,他是古生物学家。他研究化石,大多数时候,通过化石记录判断没有什么事情发生,长时间的静止,这种情况的原因是,一些化石具有非常细致的进化记录,你可以依据这些作图,图像显示出断续性平衡的趋势。这个理论的提出造成的结果是微小的基因变化没有意义,这个观点腹背受敌。 首先,第一种抨击是针对一个简单的缺陷——混淆了两个学科,古生物学家和进化生物学家,他们的工作风马牛不相及,古生物学家认为什么叫快?他们认为发生在几千万年的跨度变化很快,生物学家只是用了不同的时间标度。 另一种批判观点,应该考虑大脑的进化,或皮肤、颜色等其他不会在古生物学记录中留下任何痕迹的性状进化,因为古生物研究的形态,是化石,化石不会告诉说你那株蕨类体内发生了什么。化石不能体现内脏、行为的信息。 最好抨击,是渐进理论支持者说:告诉我其中的分子原理,告诉我能够获得快速突变以及长期平衡的原因,用分子生物学的观点解释。 $DNA的结构 基因被割裂成独立的编码区域——外显子,中间有内含子。RNA剪切酶将内含子剪切,另一种酶将剪断的部分连接成有功能的基因。David Balthmore 第一个理解DNA这样的结构可以蕴含非常多得信息。传统理论认为,一种基因仅仅决定一种蛋白质,一种蛋白质只能由一种基因编码,现在我们知道,一种基因在不同条件不同背景下会有不同蛋白质。为什么会这样?因为人体不同部位的剪切酶工作方式有区别。 那么有多少DNA来编码蛋白质呢?95%的DNA不编码,负责限制基因行为,是基因的开关。这里就出现了很重要的概念: 基因上游的调控序列:基因上游的序列叫 启动子 或抑制子序列 转录因子 :启动开关的物种 当基因上游有不同启动子或不同时期共用同一启动子,可用不同转录因子来启动整个网络中得基因表达。这里就有环境对基因的影响,可以是细胞内环境,或细胞外环境(大部分激素的作用机制),也可以是生物体外环境(外界刺激,嗅觉)。 另一层次的调节是,染色质的调控,可以永久改变转录因子的透过性,使基因沉默。例子,鼠类的不同养育行为会造成子代染色质的永久改变。
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“夏娃”是如何被找到的
cherrylu1960 2010-6-6 00:03
来到科学网,说科学,想起什么说什么,毫无章法可言。今天路过周口店,又想过寻老祖宗的事,故贴一篇,再写点嘛,与大家分享。 在我们的地球大家族中,生活着各种各样类型的人。按肤色分,有黄种人、白种人、黑种人和棕色人种;按地域分有亚洲人,非洲人,高加索人,澳大利亚人等。居住在世界不同地方的人们不仅外观形态存在差异,而且在生理特征、性格、生活习惯等方面都有所不同。如果说人类是由猿进化而来的,那么,最初的女人和男人,又在哪里呢? 按照西方的说法,上帝造了天地,又按照自己的形象造了人类共同的父亲亚当。然后,从亚当身上取下一根肋骨,造了女人,给亚当做配偶。于是,人类共同的母亲 夏娃来到了世界。 但是,亚当和夏娃毕竟是宗教传说中的人物。在人类的进化史上,有没有类似亚当、夏娃的角色存在呢? 在考古学上,科学家采用了很多手段研究人类的起源和进化。随着分子生物学的进展,考古学家们也把目光转向了DNA科学,试图通过寻找人类DNA进化长河的源头解开人类起源之谜。 然而,人们发现,细胞核中的DNA遗传背景太复杂了,对于有性生殖的生物,在精卵结合的过程中,DNA要进行重组,使DNA的遗传出现许多花样,这令人们研究起来有些无从下手。 科学研究过程中有时往往改变思路,转移目光,才能获得新的突破。 科学家逐渐注意到,与核DNA不同,线粒体DNA完全独立于细胞核外,它不参与任何性的混合,也不与躯体的核DNA发生交流。受精时,精子的头部被卵子吸收,而线粒体们则同精子尾一道被抛弃了,个头巨大的卵子体内充满了液体,包含着丰富的线粒体。而因父方只有核DNA被送入母方的卵细胞中,受精卵中的所有线粒体都是母方的遗产,因此,线粒体DNA是通过母系传递的。无论你是女性还是男性,你的所有线粒体都来自母体。 线粒体成了科学家们研究的一个热点,它虽然不受沾染,但却避免不了变异,而且线粒体的变异频率要高于核DNA。通过比较线粒体DNA,科学家们可以研究各种生物的亲缘关系。 科学家们在研究了许多种类妇女,包括非洲人、亚洲人、北美土著人和新几内亚人的线粒体DNA后发现,所有女人的线粒体DNA图谱在某一段或某一点上都很相似或者完全相同。这说明,世界上所有种类的妇女都存在着亲缘关系,很可能他们的线粒体DNA出自同一女人,而这个女人很可能就是《圣经》中记载的夏娃。 最早提出人类起源于非洲的还得追溯到1987年 卡恩和威尔逊两位科学家的研究,他们将所有婴儿的线粒体 DNA 向前追踪,最后会追到大约 20 万年前生活在非洲的一个妇女,即现今全世界人的祖先。大约在 13 万年前,她的一群后裔离开了其生活的非洲家乡,分散到了世界各地,代替了当地的土著居民,最后在全球定居下来,演化成了现代的不同人种。于是有人把这种理论叫做 夏娃理论 。认为现代人类是单一起源并来自非洲。 所以,我们才有了上面的寻找夏娃之说。后来,复旦大学的金力教授等的研究进一步确认卡恩和威尔逊的说法。尽管这个结论有点让中国人失望,但毕竟科学结论要用事实说话。 科学家们的这项研究得到了越来越多人的认同,有人结合骨骼测试得出结论,人类共同的母亲很可能生活在100万年前的非洲。
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分子遗传学阅读文献:基因与密码
热度 1 Bobby 2008-8-26 21:34
Genetics: what is a gene? Nature . 2006 May 25;441(7092):469-74. The idea of genes as beads on a DNA string is fast fading. Protein-coding sequences have no clear beginning or end and RNAi is a key part of information package, reports Helen Pearson Genetics: what is a gene? - Genetic information: codes and enigmas. Nature . 2006 Nov 16;444(7117):259-61. Theres more than one way to read a stretch of DNA, finds Helen Pearson - and we need to understand them all. Genetic information: codes and enigmas. . Between the cross and the sword: the crisis of the gene concept Charbel Nio El-Hani.Between the cross and the sword: the crisis of the gene concept. Genet. Mol. Biol. 2007vol.30no.2 So Paulo Mar. Challenges to the gene concept have shown the difficulty of preserving the classical molecular concept, according to which a gene is a stretch of DNA encoding a functional product (polypeptide or RNA). The main difficulties are related to the overlaying of the Mendelian idea of the gene as a unit: the interpretation of genes as structural and/or functional units in the genome is challenged by evidence showing the complexity and diversity of genomic organization. This paper discusses the difficulties faced by the classical molecular concept and addresses alternatives to it. Among the alternatives, it considers distinctions between different gene concepts, such as that between the molecular and the evolutionary gene, or between gene-P (the gene as determinant of phenotypic differences) and gene-D (the gene as developmental resource). It also addresses the process molecular gene concept, according to which genes are understood as the whole molecular process underlying the capacity to express a particular product, rather than as entities in bare DNA; a treatment of genes as sets of domains (exons, introns, promoters, enhancers, etc.) in DNA; and a systemic understanding of genes as combinations of nucleic acid sequences corresponding to a product specified or demarcated by the cellular system. In all these cases, possible contributions to the advancement of our understanding of the architecture and dynamics of the genetic material are emphasized. Between the cross and the sword-the crisis of the . Origin of phenotypes: genes and transcripts. Gingeras TR. Origin of phenotypes: genes and transcripts. Genome Res., 2007 Jun;17(6):682-90. While the concept of a gene has been helpful in defining the relationship of a portion of a genome to a phenotype, this traditional term may not be as useful as it once was. Currently, gene has come to refer principally to a genomic region producing a polyadenylated mRNA that encodes a protein. However, the recent emergence of a large collection of unannotated transcripts with apparently little protein coding capacity, collectively called transcripts of unknown function (TUFs), has begun to blur the physical boundaries and genomic organization of genic regions with noncoding transcripts often overlapping protein-coding genes on the same (sense) and opposite strand (antisense). Moreover, they are often located in intergenic regions, making the genic portions of the human genome an interleaved network of both annotated polyadenylated and nonpolyadenylated transcripts, including splice variants with novel 5' ends extending hundreds of kilobases. This complex transcriptional organization and other recently observed features of genomes argue for the reconsideration of the term gene and suggests that transcripts may be used to define the operational unit of a genome. Origin of phenotypes-genes and transcripts . What is a gene, post ENCODE? History and updated definition Gerstein MB, Bruce C, Rozowsky JS, Zheng D, Du J, Korbel JO, Emanuelsson O, Zhang ZD, Weissman S, Snyder M. What is a gene, post ENCODE? History and updated definition. Genome Res., 2007 Jun; 17 (6): 669-81. While sequencing of the human genome surprised us with how many protein-coding genes there are, it did not fundamentally change our perspective on what a gene is. In contrast, the complex patterns of dispersed regulation and pervasive transcription uncovered by the ENCODE project, together with non-genic conservation and the abundance of noncoding RNA genes, have challenged the notion of the gene. To illustrate this, we review the evolution of operational definitions of a gene over the past century--from the abstract elements of heredity of Mendel and Morgan to the present-day ORFs enumerated in the sequence databanks. We then summarize the current ENCODE findings and provide a computational metaphor for the complexity. Finally, we propose a tentative update to the definition of a gene: A gene is a union of genomic sequences encoding a coherent set of potentially overlapping functional products. Our definition side-steps the complexities of regulation and transcription by removing the former altogether from the definition and arguing that final, functional gene products (rather than intermediate transcripts) should be used to group together entities associated with a single gene. It also manifests how integral the concept of biological function is in defining genes. What is a gene, post ENCODE
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