1绪论
　　在科技迅猛发展的21世纪，生命科学代表着自然科学的前沿，正在成为发展*快、应用*广、潜力*大、竞争*激烈的领域之一，生物技术产业也已成为发达国家的支柱产业之一。作为生命科学的基础学科——遗传学，自从1900年诞生以来，经历了一个世纪的发展，成为21世纪生命科学中发展*为迅猛的学科。随着新技术、新方法的不断涌现，遗传学的研究领域不断拓展，研究内容不断深化，产生了各种分支学科，越来越成为生命科学的核心学科。
　　1.1遗传和遗传信息
　　1.1.1遗传和变异是生命的重要特征
　　遗传（heredity）和变异（variation）是生物界*普遍和*基本的特征。
　　遗传是指生物繁殖过程中，亲代与子代以及子代各个个体之间在各方面相似的现象。变异是指亲代与子代以及子代各个个体之间总是存在不同程度的差异的现象。遗传和变异是生物的一种属性，是生命世界的一种自然现象。遗传使生物体的特征得以延续，变异则形成形形色色的生物。遗传与变异构成了生物进化的基础。
　　1.1.2遗传的要素是信息的流动
　　遗传和变异是一种生命活动，是生命物质运动的一种基本形式。生命的基本特征是以遗传为纽带的个体发育与种群进化的世代递进，而支配和连接这些基本特征的要素则是遗传信息，它将漫长的进化过程完整地记录在DNA序列的信息文库之中，以后再通过信息中心法则在不同水平上调控与表达的交互作用中展开生命的历程。
　　现代生命科学的发展’使人们形成一个基本的共识%生命运动形态中信息与支撑信息运动的物质（即生物大分子）的生化过程与物理作用对理解生命的本质是极其重要的，这里集中了生命的基本奥秘。可以说，只要有生命，就涉及遗传学问题。
　　在一个多世纪以前，受科学发展的限制和宗教的影D向，人们彳艮自然地认为生命形式是的。
　　在达尔文时代，“创世论”观点受到了真正的质疑。以自然选择为基础的进化学说否定了物种不变的谬论，论证了生命是由简单到复杂、由低级向高级逐渐进化的，但并不知道遗传和变异的原因。
　　在前分子生物学时代，生物学家把生命视为具有特殊“活力”的有机体，遵循着无机界不存在的法则进行生命活动。从孟德尔开始，人们认识到减数分裂、配子形成、受精作用在有性生殖过程中控制世代间遗传发生的规律，亲代和子代之间的是配子，配子核内染色体DNA是负责传递亲代特征的遗传信息。DNA是遗传信息的载体的观念把遗传学带进了分子生物学时代。
　　在分子生物学时代，研究者们把生命视为一架精密的机器，由基因和蛋白质根据物理、化学的规律来运转，认为DNA是沟通上下代之间遗传信息的物质载体，雌雄双亲的配子结合成为合子，合子发育成个体，实现了亲代信息的遗传。遗传和变异是遗传信息决定的，研究者把注意力集中到了研究生物体遗传信息的组成、传递和表达规律的。
　　随着人类基因组计划的完成和大量物种基因组测序的迅速完成，对遗传本质的研究进入了后基因组时代，越来越多的科学家把生命视为信息的载体，认为一切特性都可以从信息的流动中得到实现。所有生命都具有指令其生长与发育、维持其结构与功能所必需的遗传信息，生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总称为基因组。生命是远离平衡态的开放系统，为了维持其有序性，生命系统必须不断地与外部环境交换能量，以抵消其熵增过程。构成生命系统的关键固然是其组成的物质，更重要的是组成部分的相互作用或部分之间的关系。这些相互作用或者关系，本质上就是信息，其核心表现为以下两大类型:第一类信息是指编码蛋白质的基因，是由特定的DNA序歹组成;第二类信息是指控制基因行为的调控网络，由一系列基因和基因产物构成。这些信息在生物系统的不同层次是有等级次序的，在分子水平、染色体水平、细胞水平、个体和群体水平有着不同的组织结构、存在形式和表现方式，而且沿着不同的层次流动。一般说来，生物信息以这样的方向进行流动：DNA—mRNA"蛋白质"蛋白质相互作用网络"细胞"器官"个体"群体。
　　生命的奥秘主要记录在DNA信息中，遗传是对高等生物双亲的信息档案作主相似混写，发育是根据混写好的档案作调控表达生成个体，而进化则是物种群信息档案的集合或系统在时间轴上有方向的变化和演进。遗传、发育、进化三者统一在信息与支撑信息运动的生物分子的生化过程水平上，来回答生命的基本规律。遗传信息存在于DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）上。各种生物都有由特异碱基序列构成的DNA或RNA。这些遗传物质有一定的化学结构和特殊的空间结构。每个DNA分子都由两条长链盘旋成为规则的双螺旋结构。这两条长链的外侧由脱氧核糖和磷酸组成，长链之间的每个横档由一对碱基组成。每对碱基通过氢键相连并相互对应，即腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对。这些碱基严格配对的规律以及它们在长链上的有序排列蕴藏了全部遗传信息。由于碱基对排列顺序不同，就构成了DNA分子的多样性。DNA通过复制转录合成互补的RNA，把遗传信息编码在mRNA的碱基序列中，进而通过细胞的蛋白质合成机构把mRNA翻译成特异的蛋白质。虽然每个多细胞生物所有的细胞都来自同一个细胞——受精卵，具有同样的遗传信息，却可以有肝细胞和神经细胞等的分化，这是由于在发育过程中遗传信息在转录和翻译上严密有序的调节控制形成的。同样也可由DNA、RNA的碱基序列的突变选择和积累演化出形形色色的生物种类。
　　因此，遗传学（genetics）是研究生物信息流动来揭示生物遗传和变异规律的一门。
　　1.2遗传学
　　1.2.1遗传学的发展
　　1.2.1.1遗传学的诞生
　　人类认识和利用遗传现象始于何时，已经无史可查。尽管很长时期里人们并不了解遗传的规律，但是已经在利用这种自然现象进行生产了。古代中国进行的动物驯养，古代巴比伦和古埃及进行的人工授粉杂交等，就是*初无意识地从遗传上进行繁育和栽培的*初成就。“桂实生桂，桐实生桐”，“种瓜得瓜，种豆得豆”，“万物生于土，各似本种”，便是对遗传的一种朴素认识。
　　对遗传和变异现象的解释，长期以来受希腊哲学家Aristotle（亚里士多德）的影响，人们认为遗传是通过血液进行的，小孩从父母亲那里接受了一部分血液而相似于父母，即所谓的血液传递说。
　　随着对有性生殖的认识和精子的发现，荷兰科学家Jan Swammerdam提出了“先成论'（preformation theory），认为每个精子中带一个小人，精子在雌性子宫的保护和培养下可以成长为婴JL，并认为精子或卵子里已存在有完整的小生物体，个体发育只不过是精f卩相互结合后，这个小生物体逐渐增大，*后发育为成体。
　　后来这个观点逐渐被“渐成论”取代，“渐成论”主张婴儿各种组织器官是在个体发育过程中逐渐形成的。这些论点重视了精子和卵子在遗传中的作用，比血液传递的思想进步了许多并为后来的进化论和孟德尔学说奠定了基础。这两个观点流行了近一个世纪，甚至影响到Darwin（达尔文）。Lamarck（拉马克）更进一步提出“用进废退”使身体各个部分发生了变化，并且这些变化可以通过形成的精液传给子代;通过许多世代，这种“获得性状”积累的结果就成为生物进化的机制。
　　这种观点*终遭到了A.Weismann（魏斯曼）的挑战，他提出了“种质（germplasm）学说。他把“种质”和“体质'（somatoplasm）加以区分，认为种质是指性细胞和产生性细胞的那些细胞，在世代繁衍过程中，“种质”自身永世长存，在世代之间连续相继;“体质”是保护和帮助“种质”繁殖自身的一种手段，是由“种质”产生的;种质细胞系完全独立于体质细胞系，体质细胞发生的变化（也就是获得的性状）不影响种质细胞，因而获得性状是不会遗传给子代的。他著名的、鼠尾巴实验证明了这一点，实验中把、鼠的尾巴切掉然后由它进行繁殖，连续19代，新生小鼠的尾巴仍像正常的一般长。这说明切掉由体质细胞形成的“尾巴'，并不影响到新生、鼠产生尾巴的“种质”细胞，所以生下的、鼠仍然有尾巴。尽管现在看来，魏斯曼的种质学说仍有缺点和错误，但在当时它对孟德尔遗传学的诞生确实起到了一定的前提性作用。
　　为了寻找一种具有普遍性的能把遗传、变异和进化三者都包括在内的理论结构，许多科学家都做了勇敢的尝试，其中*直接导致孟德尔遗传学形成的是关于植物杂交的研究，而第一个系统地进行植物杂交工作并进行检验的是KoeleuteK科尔罗伊德）。为了避免由于自花授粉带来的错误，他发展了人工去雄技术，用手工方法去掉花药，然后把花罩起来，防止外源花粉搞乱结果，他还注意到#巴亲本的两个种雌雄对换一下仍将得到同样的结果。由于Koel'uter关心的只是大自然是如何防止杂交的，所以当他发现第一代杂交种的性状相当均一±也介于两个亲本之间，而下一代的性状则极其多样化时，错误地采用了某种程度上的“神学和炼丹术”的方式来解释他的发现。他认为子二代特有的多样性是它自己干涉自然的结果，即是由于在两个种之间强行进行了交配，而这种交配上帝原来是没有打算让其发生的。Gaertner同样也发现了类似的结果，但是他在用子二代植物同子一代植物比较时，片面地强调了子二代的巨大变异性，同时把所有子代作为一个有机整体来集体处理，而不是分析他在杂交种中发现的各种个别性状。许多植物学家如Naudin等在杂交种中观察到了我们现在所认识到的显性现象和性状分离现象，但由于他们习惯于把植物作为一个整体进行考察，因此这些先驱者没有一个人能做到像孟德尔那样清晰地洞察遗传规律。
　　遗传的基本原理是由GegorMendeK孟德尔）揭示的。他所做的遗传学的奠基性的实验研究（具体见下章）向人们展示了遗传两大基本规律，即杂种后代性状分离和自由组合的遗传规律。然而，此研究当时并没有得到当时学术界的重视，在被埋没了35年后才被荷兰植物学家deVries（德弗里斯）、德国植物学家Correns（科伦斯）和奥地利植物学家Tschermak重新发现，他们几乎同时取得了与孟德尔实验相同的结果，由此确认孟德尔是先驱者。孟德尔是遗传学的奠基人，后人把重新发现孟德尔定律的这一年即1900年定为遗传学的诞生年。
　　1.2.1.2遗传学的发展
　　在孟德尔定律被重新发现后的*初时间里，科学界似乎并没有引起多大的震动。孟德尔论文受到科学界重视及遗传学的真正崛起，主要归功于英国遗传学家Bateson（贝特森）的积极倡导和不懈努力。他是第一个使用“genetics”一词来描述遗传和变异规律的人，并将孟德尔的思想通俗化。Bateson率先把孟德尔的论文“植物杂交试验”由德文译成英文，并加以评注发表在英国皇家园艺学会杂志上。正是这篇译文，使孟德尔的重大发现首先引起了英语国家的注意，进而在世界各地产生了巨大的反P向。
　　1900年5月初，Bateson从de Vries寄给他的论文中了解到孟德尔的工作和发现。作为一个长期致力于生物进化、变异和遗传研究的科学家，Bateson比前三位再发现者更加深刻地认识到孟德尔工作的重要意义。他立即修改了已拟定的讲演稿，在5月8日的英国皇家园艺学会大会开幕日寸，作了题为《作为园艺学研究课题中的遗传问题》的演讲，结合孟德尔论文，报告了证实孟德尔定律的有关试验，包括他自己的家鸡杂交试验结果。演讲中提到“孟德尔对杂交试验结果的解释是精确而又完备的。他从试验中推导出来的定律，对于我们今后探讨生物进化的问题，显然有着极其重要的意义。”由于Bateson的演讲，出席这次会议的学者们才第一次知道了孟德尔的豌豆杂交试验及其所揭示的遗传定律。Bateson的建议被出席大会的学者们顺利接受。在此同时，为了使人们易于理解和接受孟德尔的遗传理论，Bateson和他的学生Punnett将孟德尔原始所使用的文字和数学公式加以图式化，并给予了固定符号，如杂种第一代用“FZ表示、杂种第二代用“F2”表示、将遗传图用简明的棋盘式图解（即人们后来称为的庞尼特方格）表示。1909年丹麦遗传学家Johannsen提出“基因”的概念，以此来替代孟德尔

目录
前言
1　绪论　1
1.1　遗传和遗传信息　1
1.1.1　遗传和变异是生命的重要特征　1
1.1.2　遗传的要素是信息的流动　1
1.2　遗传学　3
1.2.1　遗传学的发展　3
1.2.2　遗传学的研究内容　7
1.2.3　遗传学的应用　7
2　世代间遗传信息的传递规律：分离与组合　8
2.1　孟德尔分离定律　8
2.1.1　孟德尔的豌豆杂交试验　8
2.1.2　孟德尔的分析　9
2.2　孟德尔自由组合定律　11
2.2.1　自由组合定律　11
2.2.2　孟德尔定律的重新发现　14
2.3　等位基因之间的相互作用与表型效应　15
2.3.1　基因型决定表型的显隐性　15
2.3.2　显隐性的相对性　15
2.3.3　复等位基因　17
2.4　非等位基因之间的相互作用与表型效应　19
2.4.1　非等位基因之间的相互作用　19
2.4.2　简单性状与复杂性状　25
2.4.3　质量性状与数量性状　26
2.4.4　遗传力及其估算　31
2.5　环境对表型的效应　34
小结　35
思考题　35
3　世代间遗传信息的传递规律：连锁与重组　37
3.1　遗传的染色体学说　37
3.1.1　性连锁现象的发现　37
3.1.2　遗传的染色体学说　37
3.2　遗传的基因学说　39
3.2.1　Morgan的果蝇杂交试验　39
3.2.2　Morgan的推理　40
3.2.3　交换与重组　40
3.2.4　连锁定律与基因学说　44
3.3　基因的染色体定位与遗传作图　44
3.3.1　两点测交与三点测交　44
3.3.2　细菌的遗传作图　46
3.3.3　真菌的遗传作图　52
3.3.4　噬菌体的遗传作图　56
3.4　性别决定和性相关遗传　59
3.4.1　性别决定　59
3.4.2　性别分化　59
3.4.3　性相关遗传　60
小结　62
思考题　62
4　遗传信息的物质基础：DNA与RNA　65
4.1　核酸携带遗传信息　65
4.1.1　肺炎双球菌转化实验　65
4.1.2　噬菌体感染实验　67
4.1.3　烟草花叶病毒重建实验　69
4.1.4　遗传物质的特性　70
4.2　遗传物质的结构和性质　70
4.2.1　DNA和RNA的化学组成　70
4.2.2　核酸的一级结构及遗传学意义　72
4.2.3　DNA的二级结构及遗传学意义　72
4.3　遗传物质的功目：基因与蛋白质的关系　76
4.3.1　一基因一酶学说　77
4.3.2　人类酶缺陷的遗传基础　78
4.3.3　基因编码蛋白质　80
4.3.4　中心法则　81
4.4　基因概念的发展　82
4.4.1　遗传因子　82
4.4.2　三位一体学说　83
4.4.3　基因内部的精细结构与顺反子　83
4.4.4　重叠基因　85
4.4.5　可动基因　86
4.4.6　断裂基因　88
4.4.7　基因概念的现代含义　89
小结　89
思考题　90
5　遗传物质的组织方式：染色体与基因组　91
5.1　DNA组织成染色体　91
5.1.1　染色体与染色质　91
5.1.2　染色体包装　93
5.1.3　染色质结构的调控与DNA复制和转录的关系　95
5.2　内遗传质组基因组　95
5.2.1　真核生物的基因组　96
5.2.2　细胞器基因组与非孟德尔遗传　100
5.2.3　原核生物的基因组　107
5.3　基因组研究　109
5.3.1　基因组测序　109
5.3.2　基因组与组学　112
小结　113
思考题　114
6　遗传信息的稳定性：改变与修复　115
6.1　染色体变异　115
6.1.1　断裂愈合和交换假说　115
6.1.2　染色体结构的改变　115
6.1.3　染色体数目的改变　123
6.2　基因突变　131
6.2.1　基因突变的类型　131
6.2.2　突变的分子机制　132
6.2.3　DNA的修复机制　134
6.3　重组　135
6.3.1　重组机制　135
6.3.2　Holliday模型　137
6.3.3　同源重组和位点特异重组　138
6.4　转座　140
6.4.1　原核生物中的转座子　140
6.4.2　真核生物的转座子　141
小结　144
思考题　144
7　细胞内遗传信息的流动：复制与表达　145
7.1　遗传信息的复制　145
7.1.1　DNA的半保留复制　145
7.1.2　复制起点、方向和终点　146
7.1.3　DNA的半不连续复制　147
7.1.4　DNA复制体系　147
7.1.5　复制方式　150
7.1.6　真核生物染色体末端复制　152
7.2　转录：遗传信息DNA到RNA　153
7.2.1　RNA聚合酶　153
7.2.2　启动子与增强子　154
7.2.3　转录过程　156
7.2.4　转录后加工　161
7.3　翻译：遗传信息从RNA到蛋白质　164
7.3.1遗传密码　164
7.3.2　tRNA　165
7.3.3　核糖体　166
7.3.4　翻译过程　167
7.3.5　翻译后的加工　171
7.4　中心法则的补充与修正　172
小结　
思考题　173
8　遗传信息的表达调控：激活与抑制、开启与关闭　175
8.1　真核生物与原核生物基因表达调控的异同　175
8.2　原核生物基因表达调控　176
8.2.1　转录起始阶段的控制　176
8.2.2　转的　181
8.2.3　翻译水平调控　184
8.3　生基因表　188
8.3.1　DNA水平的调控　188
8.3.2　表观修饰与染色质活性　190
8.3.3　转录激活　193
8.3.4　其他水平的调控　196
小结　202
思考题　202
9　遗传信息的表达调控：分化与发育　203
9.1　基因表达调控与发育　203
9.1.1　发育核心：细胞分化　203
9.1.2　发育模式：基因互作与时空表达　205
9.2　动物发育的遗传控制　206
9.2.1　早期胚胎发育　206
9.2.2　果蝇的早期胚胎发育　208
9.2.3　小鼠的早期胚胎发育　215
9.2.4　线虫发育的遗传控制　217
9.3　植物发育的遗传控制　220
9.3.1　植物的早期形态发生　220
9.3.2　植物的分生组织及营养生长　222
9.3.3　植物的生殖生长　224
9.3.4　模式植物一拟南芥花发育的ABC模型　225
小结　225
思考题　226
10　群体间遗传信息的流动：群体　与进化　227
10.1　群体与基因库　227
10.1.1　孟德尔群体　227
10.1.2　群体遗传结构组成　227
10.1.3　Hardy-Weinberg定律　229
10.1.4　Hardy-Weinberg定律的应用　231
10.1.5　伴性基因的遗传平衡　231
10.1.6　复等位基因的遗传平衡　232
10.2　影响群体遗传结构的因素　233
10.2.1　突变　233
10.2.2　选择　233
10.2.3　遗传漂变　237
10.2.4　非随机交配　238
10.2.5　迁移　241
10.3　生命与遗传系统的起源　242
10.3.1　生命的起源　242
10.3.2　遗传系统的起源　242
10.4　生物的进化　244
10.4.1　早期的进化论　244
10.4.2　现代达尔文主义的进化论学说　245
10.5　分子进化　246
10.5.1　编码序列（基因）的进化　246
10.5.2　非编码DNA的进化　249
10.5.3　分子种系发生遗传学　250
10.5.4　中性突变学说　251
小结　253
思考题　253
11　遗传信息的研究：模式与方法　255
11.1　遗传学问题与材料选择　255
11.1.1　模式生物　255
11.1.2　经典遗传学模式生物　256
11.1.3　新型遗传学模式生物　263
11.2　假说-演绎法　265
11.2.1　假说与演绎　265
11.2.2　孟德尔的假说-演绎　267
11.2.3　遗传学上其他的假说-演绎史例　268
11.3　模型法　270
11.3.1　模型与模型法　270
11.3.2　分子模型　271
11.3.3　生物模型　273
11.3.4　数学模型和数理统计法　273
11.4　系统论、信息论、控制论方法的引入　274
11.4.1　统论、统生学与统遗传学　274
11.4.2　信息论、生物信息学与反向遗传学　276
11.4.3　控制论与基因工程　278
小结　279
思考题　279
12　遗传信息的改造：遗传工程　280
12.1　工具酶　280
12.1.1　限制性内切核酸酶　280
12.1.2　DNA连接酶　282
12.1.3　其他工具酶类　283
12.2　目的基因的获得　285
12.2.1　化学合成法　285
12.2.2　PCR法　285
12.2.3　鸟枪法　285
12.2.4　cDNA合成法　286
12.3　克隆载体　286
12.3.1　质粒　286
12.3.2　λ噬菌体　289
12.3.3　M13　290
12.3.4　逆转录病毒　290
12.3.5　噬菌体-质粒杂合载体　290
12.3.6　穿梭载体　291
12.4　目的基因与载体的连接　292
12.4.1　连接方式　292　
12.4.2　影响DNA连接的因素　294
12.5　重组DNA分子导入受体细胞　295
12.5.1　受体的选择　295
12.5.2　转化方法　296
12.5.3　转化率的影响因素　297
12.5.4　转化细胞的扩增　298
12.6　重组DNA克隆的筛选与鉴定　298
12.6.1　抗药性筛选法　298
12.6.2　插入失活筛选法　299
12.6.3　营养缺陷型筛选法　299
12.6.4　β-半乳糖苷酶系统筛选　299
12.6.5　杂交筛选法　299
12.6.6　噬菌斑筛选法　300
12.6.7　PCR筛选法　300
12.6.8　限制性酶切图谱法　300
小结　300
思考题　301