第1章绪论
　　学习目标
　　学习本章后，你将可以掌握如下知识。
　　 描述现代遗传学的发展方式。
　　 列出参与基因表达的主要细胞成分。
　　 给出一些遗传学影响现代医学、农业和进化的例子。
　　 提出遗传学的发展对哲学、伦理学、法律以及社会发展等方面影响的见解。
　　科学无国界，科学家有袓国
　　中国有很多读语，如“种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”等，形象地描述了遗传的现象。但是，对于遗传的规律是什么，遗传的物质是什么并不清楚。1865年，奥地利的传教士孟德尔在布隆（现为捷克布尔诺）发表了有关豌豆的研究论文，他自己大概做梦也没有想到，他的这篇文章会影响整个生命科学[图1-1（a）]。孟德尔的发现在当时并没有引起很多人的注意。直到1900年，荷兰的德 弗里斯（deVries）、德国的科伦斯（Correns）和奥地利的契马克（Tschermak）几乎同时独立地“重新发现”了孟德尔的遗传定律，遗传学（genetics）才由此诞生。
　　遗传学诞生之后，人们就猜测，什么是遗传物质。尽管有种种假说，但公认的是：①遗传物质必须能够复制，这样就能够将遗传信息一代一代地准确传递下去；②遗传物质必须能够表达，这样遗传信息才能具有功能；③遗传信息必须能够改变，这样物种才可以进化。美国科学家奥斯瓦德 艾弗里（Oswald　Avery）在1944年通过肺炎双球菌的转化（transformation）实验证实遗传物质是DNA，而不是蛋白质。在这之后，有关DNA的研究风起云涌。美国青年詹姆斯 沃森（James　Watson）大学毕业后听了一场有关DNA的学术报告，立志研究DNA。他在美国没有找到合适的研究机构，就越过大西洋到英国求学，在剑桥大学遇到了弗朗西斯 克里克（Francis　Crick）。两个志同道合的年轻人，凭着对科学的热情，研究了大量已发表文献，并凭着丰富的想象力，*终提出了DNA右手双螺旋结构的理论，从根本上解释清楚了遗传的机制[图1-1（b）。从此遗传学的研究进入了分子遗传学时代。
　　20世纪80年代中期，美国科学家提出了人类基因组计划，包括中国在内的6个国家积极参与了这一计划，2001年完成了24条人类染色体的测序，并于2004年绘制出了草图。从此，遗传学进入了后基因组时代。
　　遗传学诞生的时候，中华民族正处于危难时期。很多仁人志士怀揣着“科学救国”的理想，远渡重洋，向西方学习先进的科学知识和技术。科学无国界，科学家有祖国。1936年，正在美国学习的谈家桢（师从遗传学大师摩尔根）才27岁，就应邀在国内的杂志上介绍遗传学，第一次将gene翻译成“基因”，基因这个词无论是读音还是含义都非常贴切，让人们听到以后很容易理解遗传的本质，谈家桢日后成为中国遗传学的领军人物。虽然当时中国处于艰难时期，很多如谈家桢一样学有所成的年轻科学家都返回了这片生养他们的土地，无论遇到什么样的困难，他们都义无反顾地运用他们所学到的知识改变着祖国面貌。
　　引言
　　遗传学（genetics）阐明了遗传物质如何影响生物体的发育、功能和行为。简言之，遗传学就是研究遗传物质如何影响生命的进程。在这门学科形成之前，人们曾主观地认为通过生殖的方式可以将某种物质从父母传递给子女，并且这些物质影响了子女的某些方面。通过假定的遗传物质，人们能够解释为什么父母和孩子可以有相似的鼻子或者相同的眼睛颜色，也可以解释为什么兄弟姐妹看上去那么相像！
　　遗传物质就是一种代与代之间的物质联系，子女从父母那里接受它，他们的子女又从他们那里接受它。然而，子女绝对不是父母的精确复制品，兄弟姐妹也不完全相像。遗传物质在传递途径和传递方式上影响了子女的特征，也导致了个体差异。遗传物质既可以解释个体间的相似性，也可以解释个体间的差异性。
　　在本书中，我们将研究遗传物质的化学结构、它在活组织中的位置，以及它的组成。
　　在第一章，我们将简要回顾遗传学的发展历史，包括过去100多年发现的遗传学的一些基本概念，并会列举一些例子，说明基因分析如何应用于生物学、农业和人类健康。我们还会讲述现代遗传学研究是如何在*新的技术进步下，重新定义几十年前发现的概念的。你还将看到，今天的遗传学是一个动态的研究领域，在这个领域里，新的分支正在不断增进我们对生物世界的理解。
　　1.1遗传学的诞生
　　遗传学是研究遗传信息传递方式的一种科学。遗传学家试图在三个层次了解遗传信息的传递规律：在家族内部从父母到后代、在细胞内部和细胞之间的基因表达（gene　expression）及基因的活动规律、在生物种群中许多代之间的传递。这三种遗传学分别被称为经典（传递）遗传学、分子遗传学和群体遗传学。本书将分三个部分分别介绍遗传学的这三个领域。
　　遗传学规律的发现应该归功于奥地利的传教士孟德尔于1865年发表的文章《植物杂交实验》（图1-2）。但是，大家都认为遗传学的诞生应该是在1900年，那一年孟德尔的文章被重新发现。从那以后，遗传学深刻地改变了我们对生命的理解，无论是单细胞水平还是经历了数百万年进化的生物体水平。1900年，英国著名生物学家威廉 贝特森（William　Bateson）有先见之明地写道：“对遗传规律的精确确定，可能比任何其他可以预见的自然知识的进步，更能改变人类对世界的看法。”纵览本书，你将能看到贝特森的预言成真。
　　1.1.1人类认识遗传学的过程
　　纵观人类历史，人们很早就知道了“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”。《东周列国志》在评论春秋韩原之战时写道：“种瓜得瓜，种豆得豆”，这些一直流传于民间的口头语，其实就是古人对生物遗传现象的具体描述。王充在《论衡 奇怪篇》中写道：“万物生于土，各似本种”，在《论衡 讲瑞篇》中则写道：“龟生龟，龙生龙。形、色、大小不异于前者也，见之父，察其子孙，何为不可知？”这些叙述表明，生物亲代的遗传特性（如颜色、形状、大小等）都能稳定传给子代，得知某种生物，就可知道该生物的后代是什么样的。人们还知道，从树上结出的香甜可口的果实，种到地里又会长成一棵结满了相同美味果实的大树。《齐民要术 养牛马驴骡》则描述了“母长则受驹，父大则子壮”，我们在动物的种群中也能看到这些现象，如不同种类的鸡个体间也极尽相似（图1-3）。尽管人们观察到了这些遗传现象，但是遗传的机制是什么？则一直没有得到很好的回答，甚至有了一些借助神灵的解释。例如，美国西南部的美洲原住民霍皮族人（Hopi　tribe）认为，如果他们在田地里撒下红色玉米粒，就会长出一种也会产生红色玉米粒的植物，同样，他们撒下蓝色、白色或黄色玉米粒也会收获相同颜色的玉米。他们由此认为玉米种子是霍皮族农民向地球的众神传达了希望收获的玉米类型的信息，众神收到这个消息后，会忠实地还给他们一个产生所需颜色的植物。
　　在对生物遗传现象有所认识的基础上，中国古代的学者还进一步对遗传机制做了初步的理论探讨。王充在《论衡 物势篇》中指出，万物“因气而生，万物生天地之间皆一实也”，在《论衡 初禀篇》中进一步指出：“草木生于实核，出土为栽蘖稍生茎叶，成为长、短、巨、细，皆由核实。”在19世纪的欧洲，园艺家、动物育种家和生物学家也试图解释父母和后代之间的相似性。他们普遍的观点是遗传的融合理论（blending　theory），或者认为遗传的原理就像是混合不同颜料一样，红色和白色颜料混合后，会变成粉红色；所以父母一个高一个矮，孩子可能会长到中等高度。虽然融合理论似乎有时起作用，但也很明显有例外，如父母也可以生出高于自身平均身高的孩子。
　　1.1.2教堂花园里的传教士孟德尔
　　虽然遗传学的融合理论可以解释一部分遗传现象，但是遗传的本质人们还不是很清楚。奥地利的传教士孟德尔（图1-4）在布隆（现位于捷克）的修道院后花园里，用豌豆努力寻找性状从亲本传递到后代的规律。1856～1863年，孟德尔对豌豆植物的不同品种进行了杂交授粉，他将紫色花朵的豌豆品种与白色花朵的豌豆品种进行杂交。孟德尔发现，第一代杂交的后代都开紫色花，就像它们的父母一样，没有混合。然后，孟德尔又将第一代杂交豌豆进行了自花授粉，并培育出第二代。在第二代中，除了开紫色花的豌豆，还有开白色花的豌豆。在他记录的929个植株中，有705个植物开紫色花，另外224个植物开白色花。他第一次用数学的方法计算出，每出现1株白花植物，大约伴随3株紫花植物。
　　根据自己的实验结果，孟德尔提出了花的颜色是由一种颗粒（我们今天将这个颗粒称为基因）控制的，在每个豌豆细胞（体细胞，somatic　cell）中具有两个控制花色的颗粒。当植物形成性细胞或配子（gamete，卵子和精子）时，只有一个颗粒的拷贝进入这些生殖细胞中。然后，当配子（卵子和精子）形成合子后，它们又具有了控制花色的两个颗粒的拷贝。由于在第一代植物中没有浅紫色的花，因此，用融合理论显然是解释不了的。因为用融合理论预测，第一代的杂交植物应该是浅紫色的花。对此，孟德尔又进一步解释道：由于控制花色的基因有不同的形式[现在称为等位基因（allele）]，一种让花成为紫色，另一种对花的颜色不产生影响，所以花呈白色。他认为，紫色等位基因对白色等位基因具有显性（dominant），因此只要有一个紫色的等位基因，花的颜色就会是紫色的。只有两个都是白色等位基因，花才会呈现白色（图1-5）。孟德尔由此得出了两个结论：①自由组合定律，在杂合子中，两个等位基因可以不一样，它们可以分别进入不同配子中；②显性定律，在杂合子中，一个等位基因可以屏蔽掉另一个等位基因的作

目录
第1章　绪论　1
科学无酣，科学家有祖国　1
引言　2
1.1　遗传学的诞生　3
1.1.1　人类认识遗传学的过程　4
1.1.2　教堂花园里的传教士孟德尔　5
1.1.3　孟德尔理论的重新发现　7
1.1.4　分子生物学的中心法则　12
1.2　遗传学的发展　13
1.2.1　模式生物　13
1.2.2　遗传分析工具　14
1.3　遗传学的今天　16
1.3.1　从经典遗传学到医学基因组学　16
1.3.2　突变研究和疾病风险　20
1.3.3　现代遗传学在农业生产中的应用　23
1.3.4　现代人类的进化　29
1.4　社会遗传学　31
总结　32
练习题　32
第2章　孟德尔遗传　35
揭秘百年遗传之谜　35
引言　36
2.1　单基因遗传模式　38
2.1.1　孟德尔的开创性实验　38
2.1.2　孟德尔分离定律　42
2.2　单基因遗传模式的染色体基础　44
2.2.1　二倍体中的单基因遗传　44
2.2.2　单倍体中的单基因遗传　47
2.3　孟德尔遗传模式的分子基础　49
2.3.1　等位基因之间分子结构的不同　49
2.3.2　基因传递的分子基础　50
现代遗传学一前沿与启迪
2.3.3　分子水平的有丝分裂和减数分裂　50
2.3.4　染色体在分子水平的分离证明　52
2.3.5　染色体水平的等位基因　53
2.3.6　显性与隐性　55
2.4　一些由观察分离率异常而发现的基因　55
2.4.1　花颜色形成中的基因活性　56
2.4.2　与果蝇翅膀形成有关的基因　57
2.4.3　与真菌菌丝分支形成有关的基因　58
2.4.4　通过应用单基因遗传的原理来推测后代占比或亲本基因型　59
2.5　与性别有关的单基因遗传规律　59
2.5.1　性染色体　59
2.5.2　性连锁的遗传模式　60
2.5.3　X连锁遗传　62
2.6　人类家系分析　65
2.6.1　常染色体隐性疾病　65
2.6.2　常染色体显性疾病　69
2.6.3　常染色体多态性基因　72
2.6.4　X连锁的隐性疾病　73
2.6.5　X连锁的显性疾病　74
2.6.6　Y连锁遗传　75
2.6.7　家系分析中计算患病风险　76
总结　77
练习题　79
第3章　基因的自由组合　95
杂交水稻之父——袁隆平　95
引言　97
3.1　孟德尔的自由组合定律　98
3.2　基因的分离和自由组合的普适性　100
3.3　自由组合定律的应用　103
3.3.1　预测后代表型比例　103
3.3.2　用卡方检验分析单因子杂交和双因子杂交的比值　105
3.3.3　合成纯系　108
3.3.4　杂种优势　110
3.4　自由组合的染色体基础　111
3.4.1　二倍体生物中的自由组合　112
3.4.2　单倍体生物中的自由组合　112
3.4.3　常染色体与性连锁相结合的自由组合　116
3.4.4　重组　116
3.5　多基因遗传　120
3.6　细胞器基因：独立于核基因的遗传模式　123
3.6.1　细胞器遗传模式　125
3.6.2　细胞质的分离　126
3.6.3　人类的细胞质突变　129
3.6.4　mtDNA进化研究　129
总结　131
练习题　132
第4章　真核生物染色体重组与作图　147
中国现代遗传学教育的奠基人一谈家桢　147
引言　148
4.1　连锁分析　149
4.1.1　利用重组率识别连锁　149
4.1.2　连锁的基因如何交换产生重组　151
4.1.3　连锁的符号和术语　152
4.1.4　交换是断裂-重接过程的证据　153
4.1.5　在4条染色单体阶段发生交换的证据　153
4.1.6　多重交换可以发生在两条以上的染色单体之间　154
4.2　重组率作图　155
4.2.1　图距单位　156
4.2.2　三点测交　158
4.2.3　通过检验推断基因顺序　161
4.2.4　干涉　161
4.2.5　利用比例进行分析　162
4.3　分子标记作图　164
4.3.1　单核苷酸多态性　164
4.3.2　简单序列长度多态性　165
4.3.3　利用分子标记进行重组分析　166
4.4　线性四分子的着丝粒作图　169
4.5　利用卡方检验推断连锁　171
4.6　解释不可见的多重交换　172
4.6.1　作图函数　172
4.6.2　珀金斯公式　174
4.7　重组图谱与物理图谱的结合　175
4.8　交换的分子机制　177
总结　179
练习题　180
第5章 细菌及病毒的遗传学　204
汤飞凡：两次以身试毒，率先分离出沙眼衣原体　204
引言　205
5.1　细菌操作方法　207
5.2　细菌的接合　209
5.2.1　接合现象的发现　209
5.2.2　F因子的发现　211
5.2.3　Hfr菌株　213
5.2.4　Hfr基因从某一定点开始的线性转移　216
5.2.5　推断F因子的整合位点和染色体的环形状态　217
5.2.6　细菌染色体图绘制　219
5.2.7　F质粒携带基因组片段　223
5.2.8　R质粒　223
5.3　细菌的转化　226
5.3.1　转化的本质　226
5.3.2　利用转化绘制染色体图　227
5.4　噬菌体遗传学　227
5.4.1　噬菌体对细菌的感染　228
5.4.2　利用噬菌体杂交绘制遗传图　229
5.5　转导　233
5.5.1　普遍性转导　234
5.5.2　特异性转导　236
5.6　物理图谱和遗传图谱的比对　239
总结　241
练习题　242
第6章 基因相互作用　256
鱼类的孟德尔遗传　256
引言　257
6.1　单基因中等位基因间的相互作用：不同类型的显性　258
6.1.1　完全显性和完全隐性　258
6.1.2　等位基因变异和其影响的基因功能　259
6.1.3　不完全显性和共显性　260
6.1.4　复等位基因　262
6.1.5　等位基因系列　263
6.1.6　隐性致死等位基因　264
6.2　外显率和表现度　267
6.3　信号通路中的基因相互作用　269
6.3.1　脉孢菌生物合成途径中的基因相互作用　269
6.3.2　其他途径中的基因相互作用　270
6.4　基因间互相作用的检测　271
6.4.1　互补测验确定突变体　272
6.4.2　随机突变中的双突变体分析　275
6.4.3　抑制子　278
6.4.4　修饰基因　279
6.4.5　合成致死　280
总结　282
练习题　282
第7章 染色体数目和结构变异　294
染色体易位和白血病　294
引言　295
7.1　细胞学技术在染色体研究中的应用　296
7.1.1　有丝分裂染色体分析　296
7.1.2　人类核型　298
7.1.3　细胞遗传变异总结　299
7.2　多倍体　300
7.2.1　不育多倍体　301
7.2.2　可育多倍体　302
7.2.3　组织特异性多倍体和多线染色体　304
7.3　非整倍性　306
7.3.1　人类的三体　307
7.3.2　单体 　310
7.3.3　染色体片段的缺失和重复　311
7.4　染色体结构的重排　313
7.4.1　倒位　313
7.4.2　易位　315
7.4.3　复合染色体和罗伯逊易位　316
总结　318
练习题　319
第8章 DNA的结构和复制　322
DNA骨架的硫化修饰　322
引言　323
8.1　DNA：遗传物质　324
8.1.1　转化的发现　324
8.1.2　Hershey-Chase实验　326
8.2　DNA结构　327
8.2.1　早期DNA结构研究　327
8.2.2　DNA双螺旋　330
8.3　半保留复制　333
8.3.1　Meselson-Stahl实验　335
8.3.2　复制叉　337
8.3.3　DNA聚合酶　337
8.4　DNA复制概况　339
8.5　复制体：值得称道的复制机器　342
8.5.1　双螺旋的解旋过程　344
8.5.2　复制体的组装：复制起始　345
8.6　真核生物的DNA复制　346
8.6.1　真核生物的复制起始位点　346
8.6.2　酵母细胞的复制起始和细胞周期　346
8.6.3　高等真核生物的复制起始　349
8.7　端粒和端粒酶：复制终止　349
总结　353
练习题　354
第9章 RNA的转录和加工　359
精子中非编码RNA的多功能性　359
引言　360
9.1　RNA简介　361
9.1.1　早期的实验提示RNA作为中介物　361
9.1.2　RNA 的性质　362
9.1.3　RNA的种类　363
9.2　转录的一般过程　365
9.2.1　DNA是转录的模板　365
9.2.2　转录的步骤　367
9.2.3　原核生物的转录　367
9.3　真核生物的转录　370
9.3.1　真核生物的转录起始　372
9.3.2　真核生物转录的延伸、终止和pre-mRNA的加工　373
9.4　内含子的去除和外显子的连接　376
9.4.1　核内小RNA　376
9.4.2　内含子自体剪接　378
9.5　调节和保护真核基因组的小功能RNA分子　380
9.5.1　miRNA是基因表达重要的调控因子　380
9.5.2　siRNA保障基因组的稳定性　382
9.5.3　siRNA和miRNA具有类似的产生机制　384
总结　386
练习题　387
第10章 蛋白质及其合成　390
蛋白质的人工定向进化　390
引言　391
10.1　蛋白质的结构　393
10.2　遗传密码　396
10.2.1　重叠密码与不重叠密码　396
10.2.2　遗传密码中字母的数目　397
10.2.3　应用抑制子证明三联体密码　397
10.2.4　遗传密码的简并性　399
10.2.5　破解遗传密码　399
10.2.6　终止密码子　400
10.3　tRNA：适配器　401
10.3.1　tRNA翻译密码　401
10.3.2　重新审视遗传密码的简并性　403
10.4　核糖体　404
10.4.1　核糖体的性质　405
10.4.2　翻译的起始、延伸和终止　407
10.4.3　无义抑制突变　412
10.5　蛋白质组　413
10.5.1　可变剪接产生蛋白质同型异构体　413
现代遗传学一前沿与启迪