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歷史

  遺傳學(xué)的奠基者格里哥·孟德爾

雖然遺傳科學(xué)開始于格里哥·孟德爾在19世紀(jì)中期的工作（包括實驗和理論），但其他一些關(guān)于遺傳的理論研究則早于孟德爾。在孟德爾時期，一種比較流行的理論——“混合遺傳”（blending inheritance）提出：個體的遺傳特征是來自于其父母的特征的混合平均值。孟德爾的工作則否定了這一理論，他的結(jié)果顯示遺傳特征是由不同基因綜合表現(xiàn)的結(jié)果而不是連續(xù)的混合。當(dāng)時的另一種得到人們支持的理論——“用進(jìn)廢退說”（又稱為“獲得性遺傳”）提出生物經(jīng)常使用的器官逐漸發(fā)達(dá)，不使用的器官逐漸退化，并且這種后天獲得的性狀是可以遺傳的。這一由拉馬克所提出的理論后來被證明是錯誤的，因為通常個體的經(jīng)歷并不影響它們的基因，也就不會遺傳給下一代。 （注：但近年來對于表觀遺傳現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，由于不同的經(jīng)歷而引起的不同的性狀在一些情況下是可以被遺傳的，雖然這些發(fā)現(xiàn)并不能證明拉馬克的理論。 ）

古典遺傳學(xué)

 摩爾根對果蠅的白眼突變的性相關(guān)遺傳的觀察結(jié)果示意圖。摩爾根根據(jù)這一結(jié)果提出了基因是位于染色體上的假說。

現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基者是格里哥·孟德爾，一個奧地利修道士和科學(xué)家。他致力于研究植物的遺傳現(xiàn)象。1865年，他的論文《Versuche über Pflanzenhybriden》（《植物雜交實驗》）發(fā)表在布爾諾的自然研究學(xué)會（ Naturforschender Verein ）上。在論文中，他展示了豌豆在雜交實驗中所表現(xiàn)的遺傳規(guī)律并以數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述。 雖然這種遺傳規(guī)律只能在表現(xiàn)類型數(shù)量很少的情況下才能被觀察到，但是孟德爾的工作顯示遺傳是顆粒性的（顆粒遺傳，與混合遺傳相對，所謂的顆粒相當(dāng)于現(xiàn)在為人們所知的基因），而不是混合性或獲得性的，并且許多性狀的遺傳規(guī)律可以通過簡單的規(guī)則和比率來解釋。

孟德爾工作的重要性并沒有得到廣泛的理解，直到他逝世之后的1890年代，當(dāng)雨果·德弗里斯遇到相同的情況時才重新發(fā)掘出他的研究結(jié)果。作為孟德爾理論的支持者，威廉·貝特森（William Bateson）提出了 genetics （“遺傳學(xué)”）這一名詞。 1906年，倫敦召開的第三次國際植物雜交大會上，在貝特森的提議下， genetics 這一單詞得以廣泛使用于描述關(guān)于遺傳的研究。

在重新評價孟德爾的工作后，科學(xué)家們試圖確定細(xì)胞中的哪一種分子是遺傳物質(zhì)。1910年，基于對果蠅的性連鎖白眼突變的觀察結(jié)果，托馬斯·亨特·摩爾根提出基因位于染色體上。 1913年，他的學(xué)生Alfred Sturtevant利用遺傳連鎖的現(xiàn)象顯示了基因是在染色體上呈線性排列的。

分子遺傳學(xué)

雖然摩爾根等人的工作使得人們認(rèn)識到基因是位于染色體上，但染色體是由蛋白質(zhì)和DNA共同組成的，研究者們依然不知道哪一種物質(zhì)才是遺傳物質(zhì)。1928年，弗雷德里克·格里菲斯發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（參見格里菲斯實驗）：死亡的細(xì)菌可以將遺傳物質(zhì)“轉(zhuǎn)化”到其他依然活著的細(xì)菌內(nèi)。16年后的1944年，奧斯瓦爾德·埃弗里、科林·馬克聊德（Colin McLeod）和馬克林·馬克卡提（Maclyn McCarty）鑒定出進(jìn)行轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。 1952年，赫希-蔡斯實驗再次顯示是DNA（而不是蛋白質(zhì)）才是感染細(xì)菌的病毒的遺傳物質(zhì)，從而進(jìn)一步證明了DNA是遺傳信息的攜帶者。

1953年，利用羅莎琳·富蘭克林對DNA進(jìn)行的X射線晶體學(xué)的研究成果，詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·克里克成功解析了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 他們所提出的雙螺旋模型包含有兩條DNA鏈，鏈之間通過核苷酸上的堿基配對，從而形成一個類似于旋轉(zhuǎn)梯子狀的結(jié)構(gòu)。 DNA結(jié)構(gòu)顯示了遺傳信息存在于每條DNA鏈的核苷酸序列中。這一結(jié)構(gòu)也提示了一種簡單的DNA復(fù)制方法：兩條配對的DNA鏈分開后，新的配對鏈可以根據(jù)舊鏈上的序列來搭建。

雖然DNA結(jié)構(gòu)顯示了遺傳的進(jìn)行方式，但人們依然不知道DNA是如何影響細(xì)胞行為的。隨后的多年時間中，科學(xué)家們試圖了解DNA是如何控制蛋白質(zhì)的制造過程?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞利用DNA作為模板來生成配對的信使RNA（RNA是一種類似于DNA的分子）。信使RNA上的核苷酸信息就被用于生產(chǎn)蛋白質(zhì)上的氨基酸序列；這種由核苷酸序列到氨基酸序列的翻譯是根據(jù)遺傳密碼的規(guī)則進(jìn)行的。

隨著遺傳的分子機制的揭示，大量的研究成果不斷涌現(xiàn)。其中，一個重要的發(fā)展是弗雷德里克·桑格于1977年提出的鏈終止DNA測序法，這一方法使得科學(xué)家們可以閱讀DNA分子上的核苷酸序列。 1983年，凱利·穆利斯發(fā)展出了聚合酶鏈鎖反應(yīng)技術(shù)，從而為從混合物中分離和擴增特定的DNA提供了一個快捷而靈敏的方法。 經(jīng)過人類基因組計劃和同時的競爭者塞雷拉基因組（一個私人贊助的基因組計劃）的努力，人類基因組的測序在2003年得以基本完成。

遺傳的特點

不連續(xù)遺傳和孟德爾定律

  一個旁氏表（Punnett square），顯示了帶有兩種花色基因(紫花B和白花b)的豌豆雜交后的結(jié)果。

在最基本的水平上，生物體中的遺傳表現(xiàn)為離散性狀，即基因型。 這種特點是由孟德爾首次觀察到，他研究了豌豆中遺傳性狀的分離現(xiàn)象。 在研究花色的實驗中，孟德爾觀察到豌豆花的顏色只有兩種：紫色和白色，卻沒有任何一朵顯示出兩種顏色的中間色。這些來自于同一基因卻不同且離散的版本被稱為等位基因。

在豌豆的例子中，每一顆豌豆都含有一個基因中的兩個等位基因，并且子代可以從父母分別繼承其中的一個等位基因。 許多生物，包括人類，都有這樣的遺傳規(guī)律。具有相同的兩個等位基因的生物體被稱為純合體，而具有不同等位基因的生物體則被稱為雜合體。

一個給定的生物體的等位基因的組合形式就是該生物體的基因型，而對于這種組合所表現(xiàn)出來的性狀就是該生物體的表現(xiàn)型。當(dāng)生物體是雜合體時，常常有一個等位基因是顯性基因，顯性基因決定了生物體的表現(xiàn)型，而另一個基因就被稱為隱性基因，其性狀在顯性基因存在時不會被表現(xiàn)出來。有一些等位基因沒有完全的顯性，即“非完全顯性”，其表現(xiàn)為一種中間狀態(tài)的表現(xiàn)型，或者兩個等位基因無顯隱性之分可以同時表現(xiàn)出對應(yīng)性狀。

當(dāng)一對生物體繁殖后代時，它們的下一代隨機地繼承父母的兩個等位基因中的一個。這些對于離散遺傳和等位基因分離的觀察結(jié)果被總結(jié)為孟德爾第一定律（分離定律）。

注釋和圖解

  遺傳系譜圖，可以幫助追蹤性狀的遺傳規(guī)律。

遺傳學(xué)家利用注釋和圖解來描述遺傳。一個基因可以用一個或幾個字母來表示，并且用大寫字母表示顯性基因，小寫字母表示隱性基因。 “+”常常被用于標(biāo)識一個基因的正常非突變的等位基因。

在雜交實驗中（特別是在討論孟德爾定律時），父母代被標(biāo)示為“P”代，其下一代標(biāo)示為“F1”（第一代）。F1代的子代就被稱為“F2”（第二代）?？梢杂糜陬A(yù)測雜交結(jié)果的常用圖解是龐氏表（Punnett square，又稱為“棋盤法”）。

在研究人類遺傳疾病時，遺傳學(xué)家常常利用系譜圖來展示遺傳性狀。 這些圖表將一個性狀的遺傳關(guān)系以家族譜（family tree）的形式表現(xiàn)出來。

多基因的相互作用

  人類的高度是一個復(fù)雜的遺傳性狀。來自法蘭西斯·高爾頓的1889年的數(shù)據(jù)顯示后代高度之間的關(guān)系是一個父母平均高度的方程。而從中計算的后代高度與真實值之間依然存在偏差，表明環(huán)境對這一性狀也有重要影響。

生物體具有成千上萬個基因，并且在有性繁殖的生物中，這些基因的分類是互相獨立的。這就意味著對應(yīng)豌豆的黃色或綠色的色彩等位基因的遺傳與紫色或白色的花色等位基因的遺傳是不相關(guān)的。這種現(xiàn)象被稱為孟德爾第二定律（又稱為“獨立分配定律”），即來自父母的不同基因的等位基因被隨機抽取來組成具有多種組合結(jié)果的子代。有一些基因不是獨立歸類的，這也就解釋了遺傳中的遺傳連鎖現(xiàn)象（具體內(nèi)容見后）。

不同的基因常常能夠通過某種方式來影響同一種性狀。例如，在藍(lán)眼瑪莉（Blue-eyed Mary，一種植物）中存在一種能夠決定花色為藍(lán)色或洋紅色的基因以及一種能夠決定花是否有顏色（即白色或有色）的基因；當(dāng)一株該種植物含有兩個白色等位基因（決定花色的第二種基因的兩個等位基因），則無論第一種基因所帶的顏色基因的等位基因為何，它的花色都為白色。這種基因之間的作用關(guān)系被稱為上位性或異位顯性（epistasis），即第二種基因位于第一種基因的上位。

許多性狀沒有明顯的可區(qū)分的特點（例如不同的花色），而表現(xiàn)為連續(xù)性的特點（如人類的身高和膚色）。這些復(fù)雜的性狀是來自于許多基因共同作用的結(jié)果。 這些基因的影響作用在不同程度上是由一個生物體所經(jīng)歷的環(huán)境所介導(dǎo)的。生物體的一個基因?qū)τ谝环N復(fù)雜性狀產(chǎn)生的影響的程度被稱為遺傳力。 對一種復(fù)雜性狀的遺傳力的測量是相對的：環(huán)境的變化性越大，環(huán)境對于性狀變化的影響力也就增強，而基因?qū)τ谛誀钭兓挠绊懥σ簿驮叫。ū憩F(xiàn)為遺傳力降低）。例如，作為一種復(fù)雜性狀，美國人身高的遺傳力為89%；而在尼日利亞，由于人們所獲得的食物和醫(yī)療保健的差異性較大（即較大的環(huán)境變化性），其身高的遺傳力僅為62%。

遺傳的分子基礎(chǔ)

DNA和染色體

  DNA分子結(jié)構(gòu)，雙鏈之間通過氫鍵排列形成堿基配對。

  細(xì)胞中染色體的結(jié)構(gòu)。

基因的分子基礎(chǔ)是脫氧核糖核酸（DNA）。DNA由核苷酸相互連接而形成的鏈分子，其中的核苷酸有四類：腺苷酸（A）、胞嘧啶（C）、鳥苷酸（G）和胸腺嘧啶（T）。遺傳信息就儲存在這些核苷酸序列中，而基因則以連續(xù)的核苷酸序列存在于DNA鏈中。 病毒是唯一的例外，有一些病毒利用核糖核酸（RNA）分子來代替DNA作為它們的遺傳物質(zhì)。

DNA通常以雙鏈分子的形式存在，并卷曲形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA中的每一個核苷酸都有自己的配對核苷酸在相反鏈（對應(yīng)另一條鏈）上，其配對規(guī)則為：A與T配對，C與G配對。因此，雙鏈中的每一條鏈都包含了所有必要的遺傳信息。這種DNA結(jié)構(gòu)就是遺傳的物理基礎(chǔ)：DNA復(fù)制通過將互補配對的雙鏈分開并利用每條鏈作為模板來合成新的互補鏈，從而達(dá)到復(fù)制遺傳信息的目的。

不同基因沿著DNA鏈線性排列形成了染色體。在細(xì)菌中，每一個細(xì)胞都有一個單一的環(huán)狀染色體；而真核生物（包括動物和植物）則具有多個線形染色體。這些染色體中的DNA鏈常常會非常長；例如，人類最長的染色體的長度大約為247百萬個堿基對。 染色體DNA上結(jié)合有能夠組織和壓縮DNA并控制DNA可接觸性的結(jié)構(gòu)蛋白，從而形成染色質(zhì)；在真核生物中，染色質(zhì)通常是以核小體為單位組成，每一個核小體由DNA環(huán)繞一個組蛋白核心而形成。 一個生物體中的全套遺傳物質(zhì)（通常包括所有染色體中DNA的序列）被稱為基因組。

僅含有一套染色體的生物被稱為單倍體生物；大多數(shù)的動物和許多植物為雙倍體生物，它們含有兩套染色體（姐妹染色體），即含有每個基因的兩個拷貝。 一個基因的兩個等位基因分別位于姐妹染色體上的等同的基因座，每一個等位基因遺傳自不同親本。

 華爾瑟·弗萊明1882年的著作《細(xì)胞底物、細(xì)胞核以及細(xì)胞分裂》中描述真核細(xì)胞分裂的插圖。染色體被復(fù)制、聚集和組織。隨后，當(dāng)細(xì)胞分裂開始時，復(fù)制后的染色體分別被分離進(jìn)入兩個子細(xì)胞中。

性染色體是雙倍體生物中染色體的一個例外，它是許多動物中的一種特異化的染色體，決定了一個生物體的性別。 在人類和其他一些哺乳動物中，性染色體分為X和Y兩類。Y染色體只含有很少量的基因，能夠觸發(fā)雄性特征的發(fā)育；而X染色體與其他染色體類似，也含有大量與性別決定無關(guān)的基因。雌性具有兩個X染色體，而雄性具有一個Y染色體和一個X染色體。這種X染色體拷貝數(shù)的差別是性連鎖的遺傳病具有特殊遺傳規(guī)律的原因。

繁殖

當(dāng)細(xì)胞分裂時，它們的基因組被復(fù)制產(chǎn)生兩份拷貝，每個子細(xì)胞繼承其中的一份。這一過程被稱為有絲分裂，它是繁殖的最簡單形式，也是無性繁殖的基礎(chǔ)。無性繁殖也能夠發(fā)生在多細(xì)胞生物體中，子代從單一親本處繼承其基因組，即子代與親本具有等同的基因組。這種子代與親本在遺傳上等同的現(xiàn)象被稱為克隆。

真核生物常常利用有性繁殖來產(chǎn)生后代，其后代含有分別遺傳自不同親本的混合的遺傳物質(zhì)。有性繁殖的過程是一個介于基因組單拷貝（單倍體）和雙拷貝（雙倍體）之間的一個轉(zhuǎn)換過程。 雙倍體生物通過不復(fù)制DNA的分裂來形成單倍體，所生成的單倍體子細(xì)胞含有每對姐妹染色體中的任意一個。兩個單倍體細(xì)胞融合并將各自的遺傳物質(zhì)組合在一起來重新生成一個含配對染色體的雙倍體細(xì)胞。多數(shù)動物和許多植物在它們的生命周期的多數(shù)時間內(nèi)是雙倍體，只有生殖細(xì)胞為單倍體形式。

雖然細(xì)菌沒有單倍體/雙倍體的有性繁殖方式，它們也有許多獲得新的遺傳信息的手段。一些細(xì)菌能夠發(fā)生接合，將一小段環(huán)狀DNA傳遞到另一個細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)。 細(xì)菌還能夠從環(huán)境中攝入DNA片斷，并將之整合到自己的基因組中，這種現(xiàn)象被稱為轉(zhuǎn)化。 這些進(jìn)程導(dǎo)致了基因的水平轉(zhuǎn)移，即無親緣關(guān)系的生物體之間進(jìn)行遺傳信息的傳輸。

重組與連接

  染色體之間的互換和雙互換。

染色體的雙倍體使得位于不同染色體的基因在有性繁殖期間能夠獨立地分配（參見獨立分配定律），并通過重組形成新的基因組合。在同一條染色體上的基因理論上不會發(fā)生重組，但通過染色體互換則可以達(dá)到。在互換過程中，染色體交換DNA片斷，有效地將染色體之間的等位基因重新分配。 染色體互換通常發(fā)生在減數(shù)分裂期間（旨在生成單倍體細(xì)胞的一系列的細(xì)胞分裂過程）。

染色體上兩個給定位點之間發(fā)生染色體互換的可能性與這兩個位點之間的距離相關(guān)。對一個任意長的距離，由于互換的可能性足夠高，使得相隔該距離的兩個基因的遺傳無相關(guān)性。對于兩個接近的基因，由于互換的可能性較小，則基因之間會發(fā)生遺傳連鎖，即這兩個基因的等位基因趨向于被一起遺傳。一系列基因之間的連鎖數(shù)量可以被組合在一起構(gòu)成一個線性的連鎖圖譜來描述染色體上基因的排列順序。

基因表達(dá)

遺傳密碼

 遺傳密碼：DNA通過信使RNA作為中間載體編碼蛋白質(zhì)。

基因通常是通過生成所編碼的蛋白質(zhì)（執(zhí)行細(xì)胞中大多數(shù)功能的復(fù)雜的生物大分子）來表現(xiàn)它們的功能性影響。蛋白質(zhì)是由氨基酸所組成的線性鏈，而基因的DNA序列（通過RNA作為信息的中間載體）被用于產(chǎn)生特定的蛋白質(zhì)的氨基酸序列。這一過程的第一步是由基因的DNA序列來生成一個序列互補的RNA分子，即基因的轉(zhuǎn)錄。

通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA分子（信使RNA）被用于生產(chǎn)相應(yīng)的氨基酸序列，這一轉(zhuǎn)換過程被稱為翻譯。核酸序列中的每一組三個核苷酸組成一個密碼子，可以被翻譯為20種出現(xiàn)于蛋白質(zhì)中的氨基酸中的一個，這種對應(yīng)性被稱為遺傳密碼。 這種信息的傳遞是單一方向性的，即信息只能從核苷酸序列傳遞到氨基酸序列，而不能從氨基酸序列傳遞回核苷酸序列，這一現(xiàn)象被弗朗西斯·克里克稱為分子生物學(xué)中心法則。

特定的氨基酸序列決定了對應(yīng)蛋白質(zhì)的獨特的三維結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)則與它們的功能緊密相連。 一些蛋白質(zhì)是簡單的結(jié)構(gòu)分子，如形成纖維的膠原蛋白。蛋白質(zhì)可以與其他蛋白質(zhì)或小分子結(jié)合；例如，作為酶的蛋白質(zhì)通過與底物分子結(jié)合來執(zhí)行催化其化學(xué)反應(yīng)的功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是動態(tài)的；例如，血紅蛋白在哺乳動物血液中捕捉、運輸和釋放氧氣分子的過程中能夠發(fā)生微小的結(jié)構(gòu)變化。

基因序列上的單個核苷酸變化（密碼子改變）可能會導(dǎo)致所編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列相應(yīng)改變。由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列所決定的，一個氨基酸的變化就有可能通過使結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性或改變蛋白質(zhì)表面而影響與該蛋白質(zhì)其他蛋白質(zhì)和分子的相互作用，而引起蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生劇烈的改變。例如，鐮刀型細(xì)胞貧血癥是一種人類遺傳性疾病，是由編碼血紅蛋白中的β-球蛋白亞基的基因中的一個核苷酸突變所引起的，這一突變導(dǎo)致一個氨基酸發(fā)生改變從而改變了血紅蛋白的物理性質(zhì)； 在這一疾病中，突變的血紅蛋白互相結(jié)合在一起，堆積而形成纖維，從而扭曲了攜帶血紅蛋白的紅血細(xì)胞的形狀。這些扭曲的鐮刀狀細(xì)胞無法在血管中通暢地流動，容易堆積而阻塞血管或者被降解，從而引起貧血疾病。

也有一些基因被轉(zhuǎn)錄為RNA分子后卻不被翻譯成蛋白質(zhì)，這些RNA分子就被稱為非編碼RNA。在一些例子中，這些非編碼RNA分子（如核糖體RNA和轉(zhuǎn)運RNA）折疊形成結(jié)構(gòu)并參與部分關(guān)鍵性細(xì)胞功能。還有的RNA（如microRNA）還能夠通過與其他RNA分子雜交結(jié)合而發(fā)揮調(diào)控作用。

先天與后天

 暹羅貓具有溫度敏感型突變，從而引起毛色的不同。

雖然基因含有生物體所需功能的所有信息，環(huán)境依然在確定生物體最終的表現(xiàn)型中發(fā)揮著重要作用；這種兩面性被稱為“先天與后天”，也可以說，一個生物體的表現(xiàn)型依賴于遺傳與環(huán)境的相互作用。這種相互作用的一個例子就是溫度敏感型突變：蛋白質(zhì)序列中的單個氨基酸突變通常不會改變該蛋白質(zhì)的行為和與其他分子的相互作用關(guān)系，但卻能夠使該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。在一個高溫環(huán)境中，分子的運動加快，分子間的碰撞也加強，這就使得這一蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被破壞從而無法發(fā)揮它的功能；而在一個低溫環(huán)境中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)卻可以保持穩(wěn)定并能夠發(fā)揮正常的功能。這類突變所引起的改變在暹羅貓毛色的變化中可以被觀察到。這種貓體內(nèi)一種負(fù)責(zé)生產(chǎn)色素的酶含有一個突變，這個突變能夠?qū)е逻@種酶在高溫時變得不穩(wěn)定并失去其功能。 因此，在貓皮膚溫度較低處（如四肢、尾部、面部等）的毛色為深色，而較高處為淺色。

在人類遺傳疾病苯丙酮尿癥中，環(huán)境因素也具有重大的影響。 導(dǎo)致苯丙酮尿癥的突變破壞了機體降解苯丙氨酸的能力，導(dǎo)致具有毒性的中間產(chǎn)物分子在體內(nèi)堆積，從而引起嚴(yán)重的進(jìn)行性智能發(fā)育不全和癲癇。帶有苯丙酮尿癥突變的病人需要遵守嚴(yán)格的飲食，以避免攝入含苯丙氨酸的食品，才能保持正常的和健康的生活。

基因調(diào)控

 轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合，影響了所結(jié)合基因的轉(zhuǎn)錄。

一個生物體的基因組含有數(shù)千個基因，但并不是所有的基因都需要保持激活狀態(tài)?；虻谋磉_(dá)表現(xiàn)為被轉(zhuǎn)錄為mRNA，然后再被翻譯成蛋白質(zhì)；而細(xì)胞中存在許多方式可以來控制基因的表達(dá)，以便使蛋白質(zhì)的產(chǎn)生符合細(xì)胞的需求。而控制基因表達(dá)“開關(guān)”的主要調(diào)控因子之一就是轉(zhuǎn)錄因子；它們是一類結(jié)合在基因的起始位點上的調(diào)控蛋白，可以激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄。 例如，在大腸桿菌細(xì)菌基因組內(nèi)存在著一系列合成色氨酸所需的基因。然而，當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞可以從環(huán)境中獲得色氨酸時，這些基因就不被細(xì)胞所需要。色氨酸的存在直接影響了這些基因的活性，這是因為色氨酸分子會與色氨酸操縱子（一種轉(zhuǎn)錄因子）結(jié)合，引起操縱子結(jié)構(gòu)變化，使得操縱子能夠結(jié)合到合成色氨酸所需基因上。色氨酸操縱子阻斷了這些基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，因而對色氨酸的合成進(jìn)程產(chǎn)生了負(fù)反饋調(diào)控作用。

多細(xì)胞生物中的基因表達(dá)的差異性非常明顯：雖然各類細(xì)胞都含有相同的基因組，卻由于不同的基因表達(dá)而具有不同的結(jié)構(gòu)和行為。多細(xì)胞生物中的所有細(xì)胞都來源于一個單一細(xì)胞，通過響應(yīng)外部或細(xì)胞之間的信號而不斷分化并逐漸建立不同的基因表達(dá)規(guī)律來產(chǎn)生不同的行為。因為沒有一個單一基因能夠負(fù)責(zé)多細(xì)胞生物中的各個組織的發(fā)育，因此這些規(guī)律應(yīng)來自于許多細(xì)胞之間的復(fù)雜的相互作用。這些過程都要通過基因調(diào)控來完成。

真核生物體內(nèi)的染色質(zhì)中存在著能影響基因轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)特點，常常表現(xiàn)為DNA和染色質(zhì)的修飾形式（如DNA的甲基化），而且能夠穩(wěn)定遺傳給子細(xì)胞。 這些特點是“附加性”的，因為它們存在于DNA序列的“頂端”并且可以從一個細(xì)胞遺傳給它的下一代。由于這些附加性特點，在相同培養(yǎng)基中生長的不同的細(xì)胞類型依然保持其不同的特性。雖然附加性特點在整個發(fā)育過程中通常是動態(tài)的，但是有一些，例如副突變（paramutation）現(xiàn)象可以被多代遺傳，也是DNA是遺傳的分子基礎(chǔ)這一通用法則的極少數(shù)例外。

遺傳變化

突變

  通過提供冗余，基因復(fù)制允許發(fā)生變異：即使一個基因在復(fù)制過程中發(fā)生突變而失去原先的功能也不會對生物體造成傷害。

在DNA復(fù)制的過程中，第二鏈的聚合中偶爾會產(chǎn)生復(fù)制錯誤。這些錯誤被稱為突變，它們能夠?qū)τ谝粋€生物體的表現(xiàn)型產(chǎn)生影響，特別是當(dāng)它們位于一個基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)中時。錯誤率通常非常低：每0.1 - 1億個堿基才會出現(xiàn)1個錯誤；這是由于DNA聚合酶具有“校對”能力。 沒有校對機制則錯誤率會增加1000倍，例如許多病毒所依賴的DNA或RNA聚合酶缺乏校對能力，這使得病毒復(fù)制過程具有很高的突變率。能夠增加DNA發(fā)生改變的幾率的因素被稱為突變原：一些化學(xué)品常常可以通過影響正常的堿基對結(jié)構(gòu)來提高DNA復(fù)制中的錯誤率，而紫外線能通過破壞DNA結(jié)構(gòu)來誘發(fā)突變。 由于對DNA的傷害在自然界中隨時都會發(fā)生，細(xì)胞則利用DNA修復(fù)機制來修復(fù)DNA中存在的錯誤配對和斷裂，但有時也無法將受破壞的DNA還原到破壞前的序列。

在利用染色體互換來交換DNA和重組基因的生物體中，減數(shù)分裂過程中所出現(xiàn)的配對錯誤也會導(dǎo)致突變。 當(dāng)相似序列導(dǎo)致姐妹染色體產(chǎn)生錯誤配對時，這種染色體互換出現(xiàn)錯誤的可能性非常大；這使得基因組中一些區(qū)域更趨向于以這一方式發(fā)生突變。這些錯誤能夠?qū)NA序列產(chǎn)生很大的結(jié)構(gòu)變化：整個區(qū)域的重復(fù)、倒位或刪除，或者不同染色體之間發(fā)生意外性的交換（被稱為染色體易位）。

自然選擇與進(jìn)化

  基于對多個同源基因序列的比較結(jié)果所構(gòu)建的進(jìn)化樹。

突變會使生物體具有不同的基因型，并可能導(dǎo)致不同的表現(xiàn)型。許多突變對于生物體的表現(xiàn)型、健康和繁殖適應(yīng)性基本沒有影響。有影響的突變則往往是有害的，但也有少量是有益的。在對果蠅的研究中發(fā)現(xiàn)，如果一個突變改變了基因所編碼的蛋白質(zhì)，那這一突變很可能是有害的（大約有70%的此類突變具有破壞性影響，而剩余的突變則是中性的或微弱有益的）。

群體遺傳學(xué)是研究基因變異在生物群體中的分布和這一分布的時間變化性。 一個群體中的一個等位基因的變化頻率會受到自然選擇的影響，具有更高的存活率和繁殖率的等位基因能夠隨著時間而越來越頻繁地出現(xiàn)在該群體中。 此外，遺傳漂變能夠引發(fā)等位基因出現(xiàn)頻率的隨機變化而不受自然選擇的影響。

在經(jīng)過多個世代的傳承后，生物體的基因組會發(fā)生改變，引起被稱為進(jìn)化的現(xiàn)象。突變和對于有益突變的選擇使得一個物種不斷地進(jìn)化到能夠更好地在所處的環(huán)境中生存下來的形式，這一過程被稱為適者生存。 新的物種的形成常常是由于地理分離而造成的，地理上的分離使得不同種群能夠在遺傳學(xué)上獨立發(fā)展而產(chǎn)生分化。 遺傳學(xué)定律在群體生物學(xué)和進(jìn)化研究中的應(yīng)用被總結(jié)為現(xiàn)代綜合理論。

由于進(jìn)化過程中的序列分化和變化，物種的DNA序列之間的差異可以用作“分子時鐘”（molecular clock）來計算物種之間的進(jìn)化距離。 遺傳比較被普遍認(rèn)為是鑒定物種之間親緣關(guān)系的最準(zhǔn)確的方法，過去常用的方法則是比較物種之間的表現(xiàn)型的特征。物種之間的進(jìn)化距離可以用進(jìn)化樹來綜合表示，進(jìn)化樹可以表示由共同祖先隨時間分化而來的物種之間的親緣關(guān)系，但不能表示無親緣關(guān)系的物種之間的遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移（被稱為基因水平轉(zhuǎn)移，在細(xì)菌中非常普遍）。

研究與技術(shù)

模式生物與遺傳學(xué)

 黑腹果蠅（ Drosophila melanogaster ）是一種流行于遺傳學(xué)研究中的模式生物。

一開始遺傳學(xué)家們的研究對象很廣泛，但逐漸地集中到一些特定物種（模式生物）的遺傳學(xué)上。這是由于新的研究者更趨向于選擇一些已經(jīng)獲得廣泛研究的生物體作為研究目標(biāo)，使得模式生物成為多數(shù)遺傳學(xué)研究的基礎(chǔ)。 模式生物的遺傳學(xué)研究包括基因調(diào)控以及發(fā)育和癌癥相關(guān)基因的研究。

模式生物具有傳代時間短、易于基因操縱等優(yōu)點，使得它們成為流行的遺傳學(xué)研究工具。目前廣泛使用的模式生物包括：大腸桿菌（ Escherichia coli ）、釀酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae ）、擬南芥（ Arabidopsis thaliana ）、線蟲（ Caenorhabditis elegans ）、果蠅（ Drosophila melanogaster ）以及小鼠（ Mus musculus ）。

醫(yī)學(xué)相關(guān)的遺傳學(xué)研究

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的目的是了解基因變異與人類健康和疾病的關(guān)系。 當(dāng)尋找一個可能與某種疾病相關(guān)的未知基因時，研究者通常會用遺傳連鎖和遺傳系譜來定位基因組上與該疾病相關(guān)的區(qū)域。在群體水平上，研究者會采用孟德爾隨機法來尋找基因組上與該疾病相關(guān)的區(qū)域，這一方法也特別適用于不能被單個基因所定義的多基因性狀。 一旦候選基因被發(fā)現(xiàn)，就需要對模式生物中的對應(yīng)基因（直系同源基因）進(jìn)行更多的研究。對于遺傳疾病的研究，越來越多發(fā)展起來的研究基因型的技術(shù)也被引入到藥物遺傳學(xué)中，來研究基因型如何影響藥物反應(yīng)。

癌癥雖然不是傳統(tǒng)意義上的遺傳病，但被認(rèn)為是一種遺傳性疾病。 癌癥在機體內(nèi)的產(chǎn)生過程是一個綜合件。機體內(nèi)的細(xì)胞在分裂過程中有一定幾率會發(fā)生突變。這些突變雖然不會遺傳給下一代，但會影響細(xì)胞的行為，在一些情況下會導(dǎo)致細(xì)胞更頻繁地分裂。有許多生物學(xué)機制能夠阻止這種情況的發(fā)生：信號被傳遞給這些不正常分裂的細(xì)胞并引發(fā)其凋亡；但有時更多的突變使得細(xì)胞忽略這些信號。這時機體內(nèi)的自然選擇和逐漸積累起來的突變使得這些細(xì)胞開始無限制生長，從而成為癌癥性腫瘤（惡性腫瘤），并侵染機體的各個器官。

相關(guān)研究技術(shù)

 瓊脂平板上的大腸桿菌菌落，細(xì)胞克隆的一個例子，常用于分子克隆。

可以在實驗室中對DNA進(jìn)行操縱。限制性內(nèi)切酶是一種常用的剪切特異性序列的酶，用于制造預(yù)定的DNA片斷。 然后利用DNA連接酶將這些片斷重新連接，通過將不同來源地DNA片斷連接到一起，就可以獲得重組DNA。重組DNA技術(shù)通常被用于在質(zhì)粒（一種短的環(huán)形DNA片斷，含有少量基因）中，這常常與轉(zhuǎn)基因生物的制造有關(guān)。將質(zhì)粒轉(zhuǎn)入細(xì)菌中，再在瓊脂平板培養(yǎng)基上生長這些細(xì)菌（來分離菌落克?。?，然后研究者們就可以用克隆菌落來擴增插入的質(zhì)粒DNA片斷（這一過程被稱為分子克?。?。

DNA還能夠通過一個被稱為聚合酶鏈鎖反應(yīng)（又被稱為PCR）的技術(shù)來進(jìn)行擴增。 利用特定的短的DNA序列，PCR技術(shù)可以分離和擴增DNA上的靶區(qū)域。因為只需要極少量的DNA就可以進(jìn)行擴增，該技術(shù)也常常被用于DNA檢測（檢測特定DNA序列的存在與否）。

DNA測序與基因組

DNA測序技術(shù)是遺傳學(xué)研究中發(fā)展起來的一個最基本的技術(shù)，它使得研究者可以確定DNA片段的核苷酸序列。由弗雷德里克·桑格和他的同事于1977年發(fā)展出來的鏈終止測序法現(xiàn)在已經(jīng)是DNA測序的常規(guī)手段。 在這一技術(shù)的幫助下，研究者們能夠?qū)εc人類疾病相關(guān)的DNA序列進(jìn)行研究。

由于測序已經(jīng)變得相對廉價，而且在計算機技術(shù)的輔助下，可以將大量不同片斷的序列信息連接起來（這一過程被稱為“基因組組裝”），因此許多生物（包括人類）的基因組測序已經(jīng)完成。 這些技術(shù)也被用在測定人類基因組序列，使得人類基因組計劃得以在2003年完成。 隨著新的高通量測序技術(shù)的發(fā)展，DNA測序的費用被大大降低，許多研究者希望能夠?qū)y定一個人的基因組信息的價格降到一千美元以內(nèi)，從而使大眾測序成為可能。

大量測定的基因組序列信息催生了一個新的研究領(lǐng)域——基因組學(xué)，研究者利用計算機軟件查找和研究生物的全基因組中存在的規(guī)律?；蚪M學(xué)也能夠被歸類為生物信息學(xué)（利用計算的方法來分析生物學(xué)數(shù)據(jù)）下的一個領(lǐng)域。

合成生物技術(shù)

系統(tǒng)遺傳學(xué)（System Genetics）的應(yīng)用 -合成生物學(xué)（Synthetic Biology），后基因組時代，合成生物技術(shù)采用計算機輔助設(shè)計、全基因與基因組合成等技術(shù)，進(jìn)行細(xì)胞的信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的人工設(shè)計的基因工程技術(shù) ，繼遺傳育種、細(xì)胞雜交、轉(zhuǎn)基因生物等生物技術(shù)之后，將成為21世紀(jì)遺傳工程發(fā)展的新趨勢，系統(tǒng)遺傳學(xué)揭示基因組的結(jié)構(gòu)、功能與演化的生物系統(tǒng)進(jìn)化機理，涉及醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、醫(yī)學(xué)心理學(xué)等基因系統(tǒng)調(diào)控、信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)等研究，為腫瘤、遺傳病、精神病、衰老等疾病發(fā)生的診斷與藥物篩選、制藥產(chǎn)業(yè) 等開拓了新的途徑。

參見

遺傳學(xué)中心法則

基因

脫氧核糖核酸

群體遺傳學(xué)

表觀遺傳學(xué)

分子遺傳學(xué)

遺傳學(xué)家

參考文獻(xiàn)

來源

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延伸閱讀

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