课程学习笔记——［大一秋］遗传学

第一章 遗传学导论

正向遗传学和反向遗传学

正向遗传学

正向遗传学（Forward Genetics）是由表型到基因，也即执果索因。发现了一个感兴趣的表型变化，而希望找到导致它发生的基因，就是正向遗传学的路线。

• 路线：

  • 起点：一个未知的、有趣的生物体表型变化（例如：果蝇的眼睛颜色从红色变成了白色，小鼠的体型异常肥胖，植物长得特别矮小等）；
  • 过程：不知道是哪个基因导致了这种变化，需要通过遗传学实验方法“定位”并“克隆”出这个负责的基因；
  • 终点：找到导致该表型的特定基因及其 DNA 序列。

• 主要用途：发现新基因、新通路。

• 经典研究方法：

  • 诱变：产生大量具有随机突变的个体；
  • 筛选：从这些突变个体中筛选出感兴趣的表型突变体（比如，专门挑出所有白眼的果蝇）；
  • 基因定位：通过遗传杂交、连锁分析等方法，将这个表型与基因组上的特定位置联系起来，最终像地图测绘一样，找到对应的基因。

• 优缺点：

  • 优点：没有预先假设，能发现全新的、意料之外的重要基因（无偏见的，unbiased）。是发现生物学通路的强大工具；
  • 缺点：过程耗时费力，尤其是在没有参考基因组的生物中，基因定位和克隆非常困难。

反向遗传学

反向遗传学（Reversed Genetics）是由基因到表型，也即由因导果。发现了一个功能未知的特定基因，而希望了解它的功能，就是反向遗传学的路线。

• 路线：

  • 起点：一个已知的基因序列（例如通过基因组测序得到某基因 DNA 序列，但尚不知道其功能）；
  • 过程：主动地、有针对性地破坏（敲除）或改变这个特定基因；
  • 终点：观察生物体会出现什么表型变化，从而推断出该基因的功能。

• 主要用途：验证基因功能；研究已知基因的机制。

• 现代研究方法：

  • 基因敲除：利用同源重组、CRISPR/Cas9 等基因编辑技术，精确地让目标基因失活；
  • 基因敲低（Knockdown）：利用 RNAi 等技术，降低目标基因的表达水平；
  • 转基因/过表达：将目标基因额外导入生物体，观察其过度表达的效果。

• 优缺点：

  • 优点：目标明确，效率高，随着 CRISPR 等技术的成熟，反向遗传学变得非常快捷和精准，是研究基因功能的主力方法；
  • 缺点：需要有已知的基因序列作为起点；可能会错过基因功能冗余（一个基因失效，另一个基因补偿其功能，导致没有明显表型）的情况。

二者在科学研究中的关系

正向遗传学和反向遗传学相辅相成，并可以形成一个完整的研究闭环：

1. 发现阶段：通常先用正向遗传学方法，从一个重要的生物学现象（如疾病、发育缺陷）出发，筛选并找到一个或多个关键基因；
2. 验证与深化阶段：找到这些候选基因后，再用反向遗传学的方法（如 CRISPR 敲除），在另一种生物或细胞模型中验证该基因是否真的能导致相同的表型，并深入研究其分子机制。

全基因组关联研究

全基因组关联研究（Genome-Wide Association Study, GWAS）是一种用于解析基因组变异与生物表型关联的分析方法，在人类疾病机制、微生物表型研究中广泛应用。该方法不预先假设特定基因，通过大规模样本测序（通常使用基因分型芯片）获取基因组单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）数据，结合统计学手段筛选与目标表型显著关联的遗传位点。

GWAS 是现代大规模、高通量的正向遗传学分析方法的一个典型代表。

GWAS 本身属于正向生物学的方法，同时 GWAS 也可以为后续反向生物学研究提供大量的素材和关注点。先 GWAS 然后再进行反向生物学研究是一种有效的研究模式。

模式生物

“Living things, though infinitely varied when viewed from the outside, are fundamentally similar inside.”

模式生物的要求

1. Well known genetic background;
2. Relatively short life cycle: for data collection over generations;
3. One mating produces large number of offspring: to get much genetic information;
4. The organism is easy to handle: mouse vs. elephant;
5. There must be genetic variation among the individuals among the population: for the study of traits inheritance.

经典模式生物和非经典/新兴模式生物

模式生物可以按照研究历史、普及程度和特性等方面划分为“经典模式生物”和“非经典/新兴模式生物”。

经典模式生物

• 通常具有以下共同特点：

  • 研究历史长：已被科学家使用了数十年甚至上百年，有极其深厚的知识积累；
  • 研究工具成熟：拥有完善的遗传操作工具（如基因敲除、转基因技术）、丰富的突变体库和详细的基因组注释；
  • 生物学特性突出：通常生命周期短、易于实验室培养、遗传背景清晰、繁殖能力强；
  • 解决过重大科学问题：许多诺贝尔奖的成果都源于对这些生物的研究。

• 常见经典模式生物：

  • 大肠杆菌 与 λ 噬菌体

    • 特点：原核生物与病毒的代表；
    • 贡献：奠定分子生物学基石，帮助我们理解了 DNA 复制、转录、翻译、基因调控等基本生命过程。

  • 酿酒酵母

    • 特点：单细胞真核生物；
    • 贡献：揭示了真核细胞周期调控、细胞衰老、蛋白分泌等机制，是研究真核细胞基本功能的理想模型。

  • 秀丽隐杆线虫

    • 特点：多细胞真核生物，身体透明，细胞数量固定（雌雄同体成虫 \(959\) 个，雄成虫 \(1031\) 个），发育过程完全清楚；
    • 贡献：首个完成全基因组测序的多细胞生物，在细胞凋亡、发育生物学和神经生物学领域贡献巨大。

  • 黑腹果蝇

    • 特点：繁殖快，染色体巨大；
    • 贡献：建立了现代遗传学的基础，揭示了早期胚胎发育的基因调控机制（如 Hox 基因），并在行为学、免疫学等领域广泛应用。

  • 非洲爪蟾

    • 特点：是发育生物学中最经典的模型之一，卵子体积大、数量多，且在体外受精和发育，便于进行胚胎操作和显微注射；
    • 贡献：作为发育生物学的“活化石”模型，帮助我们理解了受精、细胞分裂、胚胎诱导和体轴建立、背腹轴决定等最基本的发育生物学事件，许多调控早期发育的关键信号通路都是在爪蟾中首次被阐明的。

  • 小家鼠

    • 特点：在遗传学、解剖学、生理学上与人类高度相似；
    • 贡献：是研究人类疾病（如癌症、糖尿病、神经退行性疾病）和药物测试最主要的哺乳动物模型，基因编辑技术（如 CRISPR）使其应用更加广泛。

  • 拟南芥

    • 特点：生命周期短，基因组小；
    • 贡献：作为植物分子生物学和遗传学的核心模型，揭示了植物开花、抗病、激素信号传导等机制。

  • 斑马鱼

    • 特点：胚胎透明，体外受精和发育，便于实时观察；
    • 贡献：在脊椎动物发育、遗传学、毒理学和疾病模型研究中具有独特优势，尤其适合大规模遗传筛选。

  • 海胆

    • 特点：是海洋无脊椎动物的代表，也是发育生物学中历史最悠久的模型之一，配子容易大量获取，胚胎透明且同步发育；
    • 贡献：是揭示受精机制的先驱模型，人类通过海胆实验首次发现了精卵识别过程；对研究细胞周期调控、早期胚胎分裂和细胞命运决定做出了奠基性的贡献。

  • 水稻

    • 特点：粮食作物的模式代表，基因组相对较小，遗传转化技术成熟，拥有丰富的遗传资源；
    • 贡献：不仅是植物基础生物学（如光合作用、开花机制、激素信号）的研究模型，更是作物遗传育种和农业科学的直接研究对象，其基因组研究成果直接服务于全球粮食安全。

  • 食蟹猴

    • 特点：属于非人灵长类，是与人类亲缘关系最近的经典实验动物之一，在遗传、生理、大脑结构和认知行为上与人类高度相似；
    • 贡献：在高级脑功能（如认知、决策）、神经精神疾病、传染病（如艾滋病）、生殖生理和药物开发等领域是不可替代的模型，填补了啮齿类模型与人类临床研究之间的鸿沟。

非经典/新兴模式生物

这类生物是相对“经典”而言的，它们之所以被选中，通常是为了解决经典模型无法回答的、与特殊生命现象相关的科学问题。。它们往往具有一些特殊或极端的生物学特性。

• 选择非经典模型生物的原因：

  • 研究特殊的生命现象：如长寿、再生、极端环境适应、特殊的社会行为等；
  • 填补进化树上的空白：为了更好地理解生命演化的全貌；
  • 技术进步的推动：基因组测序和基因编辑技术的普及，使得研究任何生物都成为可能。

• 代表性的非经典/新兴模式生物：

  • 水熊虫

    • 特殊能力：拥有惊人的抗逆性，能耐受极端干燥、高低温、高辐射和真空；
    • 研究问题：生命体的耐受极限是什么？其背后的分子机制能否应用于人类？

  • 涡虫

    • 特殊能力：具有强大的再生能力，被切成多段后，每一段都能再生为一个完整的个体；
    • 研究问题：再生的细胞和分子机制是什么？这对理解组织修复和再生医学有何启示？

  • 裸鼹鼠

    • 特殊能力：极其长寿（寿命是同等大小啮齿类的十倍以上），对癌症有极强的抵抗力，能耐受低氧环境，具有类似昆虫的社会结构；
    • 研究问题：其抗癌、抗衰老的机制是什么？能否为人类医学提供新策略？

  • 章鱼及其他头足类动物

    • 特殊能力：拥有高度发达的神经系统和惊人的学习、记忆和伪装能力；
    • 研究问题：复杂认知能力的演化路径是否唯一？其“分布式”的神经系统如何工作？

  • 三刺鱼

    • 特殊能力：生活在海水和淡水中的种群在短期内（如几十年内）就能演化出显著的形态和行为差异；
    • 研究问题：物种是如何快速形成的？自然选择的遗传基础是什么？

  • 树鼩

    • 特殊之处：是一种小型哺乳动物，系统发育地位介于灵长类和啮齿类之间；近年来基因组学研究表明它与人类的亲缘关系比小鼠更近；体型小，繁殖周期短，代谢率高；已在乙型肝炎、抑郁症、代谢性疾病等研究中显示出独特优势；
    • 研究方向：成为新一代的潜力生物医学模型，以更好地模拟人类疾病。

  • 蜥蜴

    • 特殊能力：许多蜥蜴能够断尾再生，壁虎可以飞檐走壁，安乐蜥进化与适应能力很强；
    • 研究方向：脊椎动物器官再生；适应性辐射和物种快速形成；生物粘附机制。

非经典/新兴模式生物拓展了生物学边界，提供了新的视角和解决方案，凭借其独特优势，为我们攻克再生医学、人类疾病机制和生命演化等前沿课题提供了独特的视角和利器。

育种

图示现代农业育种典型方法

• O. alta 即 Oryza alta，是异源四倍体高秆野生稻。

• O. rufipogon 即 Oryza rufipogon，中文名野生稻，是亚洲栽培稻（Oryza sativa L.）的近缘祖先。

• Marker-assisted selection，简称 MAS，即“分子标记辅助选择”，是基于分子遗传标记（可标记 DNA、RNA、蛋白质等）检测技术，对目标基因型进行直接筛选的现代育种手段。

• Genotyping 即基因分型，即对生物个体的基因型鉴定。

• Rational Design Breeding，即合理设计育种，是通过 MAS 筛选出与目标优良性状紧密关联的基因，并将优良基因聚合在一起，定向改良物种多种复杂性状的育种方法。该技术突破传统育种中多性状拮抗的瓶颈，可精准改良多个目标性状；但需依赖高密度分子标记和复杂遗传背景解析，对科研机构的技术积累要求较高。

• endogenous，内源的；calli，愈伤组织（callus 的复数）。

第二章 遗传的物质基础