遗传现象及其物质基础

第一节　遗传现象及其物质基础

一、遗传现象与性状

生活中到处都可以看到遗传现象，比如：父母是双眼皮相貌，子女往往多为双眼皮；开白花的豌豆，后代一般还开白花；正常人结婚，有时可能生出白化儿等等。亲代与子代之间的相似性称为遗传，而亲代与子代之间以及子代个体之间的差异称为变异。研究遗传现象及其发生规律的科学我们称之为遗传学。

在遗传学研究中，我们把生物体在形态和生理方面可鉴别的特征称为性状，如人类耳垂的外形、血型等等。而生物同一性状的不同表现类型之间互称为相对性状，如人类“耳垂的外形”这一性状中“有耳垂”与“无耳垂”之间互为相对性状；在人类ABO血型系统中，“血型”这一性状中A型与B型、AB型和O型任意二者之间都互为相对性状。自然界中的绝大多数高等生物都是杂合体。在杂合体中，生物体表现出来的性状称为显性性状，未表现出来的性状称为隐性性状，如头发卷曲的亲代可以产生直发的小孩（因为亲代带有控制“直发”的遗传物质），亲代表现出来的“卷发”（性状类型）为显性性状，而没有表现出来的“直发”为隐性性状。参与杂交的雄性和雌性个体统称为亲本。

遗传学中，我们把控制生物性状的遗传功能单位称为基因，通常用拉丁字母或单词缩写表示。控制生物显性性状的基因称为显性基因，通常用大写拉丁字母（或单词缩写）表示；控制生物隐性性状的基因称为隐性基因，通常用小写拉丁字母（或单词缩写）表示。由于控制同一性状的显性基因和隐性基因通常位于一对同源染色体的相同位置，因此它们之间互称为等位基因。等位基因都相同的生物体为纯合体（纯种），等位基因不完全相同的生物体为杂合体（杂种）。

二、遗传物质的组成、结构与功能

研究表明：控制生物遗传现象的是一类被称为核酸的遗传物质。核酸是遗传信息的载体，可以通过控制蛋白质合成等途径主导生物的生长发育、繁殖、遗传和变异等生命活动。因此，现在所知道几乎所有的生物都含有核酸。

（一）核酸的组成与分类

核酸是复杂的大分子化合物，但它们都是由简单基本单元——单核苷酸按照一定方式聚合而成。单核苷酸主要由磷酸、戊糖（核糖和脱氧核糖）和含氮碱基三部分组成。其中，含氮碱基可简称碱基，包括嘌呤碱和嘧啶碱两类，具体为腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C和尿嘧啶U。单核苷酸分子组成见图1－1。

图1－1　单核苷酸组成与简单分类示意图

由单核苷酸缩合而成的核酸主要有脱氧核糖核酸（即DNA）和核糖核酸（即RNA）两大类。它们之间的区别见表1－1。

表1－1　DNA与RNA的主要区别

（二）DNA的结构与功能

1.DNA结构　高等生物的DNA在细胞内通常呈双链结构，其内部的碱基在排列上往往按照A＝T、C≡G进行互补配对（称为“碱基互补配对原则”），按照此方式，大量碱基在空间有序排列，不同的DNA内部形成了不同的碱基排列顺序，因此，DNA内部的碱基顺序蕴涵着遗传信息（图1－2）。

2.DNA的功能　DNA可以分别以自身的两条链为“模板”合成新的DNA，此过程称为复制。亲代的DNA可以通过复制将遗传信息传递给子代DNA。

DNA也可以分别以自身的一条链为“模板”合成信使RNA（mRNA），此过程称为转录。通过转录，遗传信息从DNA传递到RNA。

图1－2　DNA结构示意图

（三）RNA的结构与功能

1.RNA的结构　RNA在细胞内通常呈单链结构，其内部的碱基在排列上有时也可以局部进行互补配对，从而形成不同的空间结构。

2.RNA的功能　不同的RNA具有不同的功能，其中，mRNA可以控制蛋白质中多肽链的合成，此过程称为翻译。

根据RNA功能的不同，我们可以把RNA分类，如信使RNA、核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA）等，它们在蛋白质合成等过程中分别担任不同的“角色”。

（四）遗传信息的表达（中心法则）

储存于DNA中的遗传信息，通过转录形成mRNA等，再通过翻译形成蛋白质或酶分子，进而表现出生物体特定性状的过程称为遗传信息的表达。

遗传信息的传递所普遍遵循的规律我们也称为中心法则（图1－3）。

遗传物质核酸正是通过对遗传信息表达的调控来实现对生命活动的控制。

图1－3　中心法则示意图

小贴士

朊病毒是一种只含有蛋白质而不含核酸的分子生物，并且只能在寄生宿主细胞内生存，因此，合成朊病毒所需的信息，有可能是存在于寄主细胞之中。而朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。

朊病毒会引发传染性海绵状脑病（如羊瘙痒症、疯牛病等），经食源传播的朊病毒可导致人类患克雅氏病。

朊病毒是由正常的细胞蛋白发生错误折叠而形成的。一种学说认为朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息，这种假说与传统的“中心法则”是相违背的。1982年普鲁宰纳提出了朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说”对上述问题予以解释，以后魏斯曼等人对其逐步完善。

三、遗传物质存在形式

（一）遗传物质存在形式

真核生物的遗传物质在细胞中主要以染色质的形式存在。染色质存在于细胞核中，主要由DNA和蛋白质组成，由于它易于被碱性的染料所着色，因此被称为染色质。细胞分裂时，染色质往往高度螺旋成棍棒状的染色体。染色质和染色体是同一种物质在不同细胞时期的两种形态（图1－4）。

图1－4　染色体的形成示意图

由于DNA内部靠化学键以及分子间作用力等作用形成了比较稳定的结构，加之DNA在空间结构上的螺旋化以及与蛋白质（主要是组蛋白和少量非组蛋白）的结合，增强了DNA结构的稳定性，因此，遗传物质通常情况下是非常稳定的。

原核生物的遗传物质在细胞中不与蛋白质结合，加之没有细胞核的保护，因此，其遗传物质的稳定性相对较差些，容易发生变异。

（二）基因的本质

基因的本质是具有遗传效应的DNA片段（或称为DNA的功能区段），一个DNA分子往往有多个基因。

在真核细胞中，由于DNA和蛋白质通常组成染色质（或染色体），因此，我们常说基因位于染色体上。

（三）突变

真核生物的遗传物质在一定条件下是可以发生变化的。我们把遗传物质的改变以及由此引起的性状变化称为突变。如果是在自然环境中发生的突变称为自发突变；用人工处理的方法引起的突变称为诱发突变。突变可以分为基因突变和染色体畸变两种类型。

1.基因突变　基因突变是指基因内部的化学变化，其本质是DNA内部碱基对的变化（如组成上的变化、数量上的增减或者顺序上的改变等）。基因突变一般具有以下特征：

（1）多向性：同一个基因可以发生多次独立的突变，产生不同的等位基因，如基因i可以突变形成I^A、I^B等。

（2）有害性：突变破坏了遗传结构的均衡，降低了生物对环境的适应能力，从而使生物体受到伤害，因此，突变对生物一般来说是有害的。人类的单基因遗传病都是基因突变的结果。

（3）可逆性：自然状态下未发生的突变的基因称为野生型基因，突变后形成的基因称为突变型基因。野生型基因可以突变为突变型基因，突变型也可以突变成野生型（图1－5）。

图1－5　突变的可逆性示意图

（4）稀有性：基因的突变频率很低。一个基因在自然状态下发生突变的频率称自发突变率。人类的自发突变率为10^－6～10^－4生殖细胞/代，也就是每1万～100万个生殖细胞中才有一个可能发生突变。

2.染色体畸变　染色体在数量、结构等方面的改变称为染色体畸变，可以分为数目畸变和结构畸变两类。

3.突变的遗传效应　环境中各种因素可以影响遗传物质，引起遗传物质损伤或突变，如导致基因突变，基因表达异常，染色体断裂，染色体不分离或行动迟缓等“行为”异常等。突变的遗传物质往往可以产生遗传效应，使受累个体出现性状异常：如果突变发生在生殖细胞或者受精卵中，一般会导致个体性状异常而表现为遗传病；如突变发生在体细胞中，往往不会造成后代的遗传物质改变，但是，突变的体细胞通过有丝分裂可以形成异常细胞群（即克隆），它往往是癌变的基础。

4.遗传物质损伤的修复　断裂的染色体在酶的作用下可以进行重接而恢复正常功能；DNA损伤后，机体也可以利用修复体系修复它，以免引起基因突变。常见的修复方式有光修复、切除修复、重组修复等。

紫外线可以诱发细胞内DNA中的碱基形成胸腺嘧啶二聚体（TT），从而引起基因突变。利用这个原理，我们可以在医院使用紫外线灯进行表面消毒。但是，胸腺嘧啶二聚体可以在细胞内光解酶的作用下，利用可见光提供的能量，重新解聚为胸腺嘧啶单体，从而使DNA恢复正常。这也正是我们为什么要求不能在紫外线消毒后马上开窗的原因。

四、医学遗传学

遗传学是研究生物发育与功能的信息的储存、传递和实现规律的一门科学，遗传学有许多分支，如人类遗传学、群体遗传学等。它还与其他学科相结合，形成许多边缘学科，如免疫遗传学、药物遗传学等。

医学遗传学是主要研究人类疾病与遗传关系的学科，它是遗传学与医学相结合形成的一门边缘学科，通过研究人类疾病发生、发展与遗传关系，为疾病的诊断、治疗以及预防提供科学依据和手段，从而不断提高人类健康素质。医学遗传学研究的对象是人，属于人类遗传学的重要分支。

遗传病严重危害人类的健康，同时，环境污染也增加了致突、致癌、致畸因素，增加遗传病的发生。应用遗传学原理、知识和技术揭示各种遗传病的规律、发病机理、确立诊断、防治措施，以降低人群中遗传病的发生。因此，医学遗传学已成为医学教育中不可缺少的基础课程之一。