遺傳學

遺傳學是研究生物體的遺傳和變異的科學，是生物學的一個重要分支。史前時期，人們就已經利用生物體的遺傳特性透過選擇育種來提高穀物和牲畜的產量。而現代遺傳學，其目的是尋求瞭解遺傳的整個過程的機制，則是開始於19世紀中期孟德爾的研究工作。雖然孟德爾並不知道遺傳的物理基礎，但他觀察到了生物體的遺傳特性，某些遺傳單位遵守簡單的統計學規律，這些遺傳單位現在被稱為基因。基因位於DNA上，而DNA是由四類不同的核苷酸組成的鏈狀分子，DNA上的核苷酸序列就是生物體的遺傳資訊。天然DNA以雙鏈形式存在，兩條鏈上的核苷酸互補，而每一條鏈都能夠作為模板來合成新的互補鏈。這就是生成可以被遺傳的基因的複製方式。基因上的核苷酸序列可以被細胞翻譯以合成蛋白質，蛋白質上的氨基酸序列就對應著基因上的核苷酸序列。這種對應性被稱為遺傳密碼。蛋白質的氨基酸序列決定了它如何摺疊成為一個三維結構，而蛋白質結構則與它所發揮的功能密不可分。蛋白質執行細胞中幾乎所有的生物學程序來維持細胞的生存。DNA上的一個基因的改變可以改變其編碼的蛋白質的氨基酸，並可能改變此蛋白質的結構和功能，進而對細胞甚至整個生物體造成巨大的影響。雖然遺傳學在決定生物體外形和行為的過程中扮演著重要的角色，但此過程是遺傳學和生物體所經歷的環境共同作用的結果。 例如，雖然基因能夠在一定程度上決定一個人的體重，人在孩童時期的所經歷的營養和健康狀況也對他的體重有重大影響。歷史.雖然遺傳科學開始於格里哥·孟德爾在19世紀中期的工作古典遺傳學.現代遺傳學的奠基者是格里哥·孟德爾，一個奧地利修道士和科學家。他致力於研究植物的遺傳現象。1865年，他的論文《Versuche über Pflanzenhybriden》，而不是混合性或獲得性的，並且許多性狀的遺傳規律可以透過簡單的規則和比率來解釋。孟德爾工作的重要性並沒有得到廣泛的理解，直到他逝世之後的1890年代，當雨果·德弗里斯遇到相同的情況時才重新發掘出他的研究結果。作為孟德爾理論的支持者，威廉·貝特森這一名詞。 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於描述關於遺傳的研究。在重新評價孟德爾的工作後，科學家們試圖確定細胞中的哪一種分子是遺傳物質。1910年，基於對果蠅的性連鎖白眼突變的觀察結果，托馬斯·亨特·摩爾根提出基因位於染色體上。 1913年，他的學生阿爾弗雷德·斯特蒂文特利用遺傳連鎖的現象顯示了基因是在染色體上呈線性排列的。分子遺傳學.雖然摩爾根等人的工作使得人們認識到基因是位於染色體上，但染色體是由蛋白質和DNA共同組成的，研究者們依然不知道哪一種物質才是遺傳物質。1928年，弗雷德裡克·格里菲斯發現了轉化現象才是感染細菌的病毒的遺傳物質，從而進一步證明了DNA是遺傳資訊的攜帶者。1953年，利用羅莎琳·富蘭克林對DNA進行的X射線晶體學的研究成果，詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·克里克成功解析了DNA的雙螺旋結構。 他們所提出的雙螺旋模型包含有兩條DNA鏈，鏈之間透過核苷酸上的鹼基配對，從而形成一個類似於旋轉梯子狀的結構。 DNA結構顯示了遺傳資訊存在於每條DNA鏈的核苷酸序列中。這一結構也提示了一種簡單的DNA複製方法：兩條配對的DNA鏈分開後，新的配對鏈可以根據舊鏈上的序列來搭建。雖然DNA結構顯示了遺傳的進行方式，但人們依然不知道DNA是如何影響細胞行為的。隨後的多年時間中，科學家們試圖瞭解DNA是如何控制蛋白質的製造過程。科學家發現細胞利用DNA作為模板來生成配對的信使RNA。信使RNA上的核苷酸資訊就被用於生產蛋白質上的氨基酸序列；這種由核苷酸序列到氨基酸序列的翻譯是根據遺傳密碼的規則進行的。隨著遺傳的分子機制的揭示，大量的研究成果不斷湧現。其中，一個重要的發展是弗雷德裡克·桑格於1977年提出的鏈終止DNA測序法，這一方法使得科學家們可以閱讀DNA分子上的核苷酸序列。 1983年，凱利·穆利斯發展出了聚合酶鏈鎖反應技術，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。 經過人類基因組計劃和同時的競爭者塞雷拉基因組的努力，人類基因組的測序在2003年得以基本完成。遺傳的特點.不連續遺傳和孟德爾定律.在最基本的水平上，生物體中的遺傳表現為離散性狀，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。這些來自於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，並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，而對於這種組合所表現出來的性狀就是該生物體的表現型。當生物體是雜合體時，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”，其表現為一種中間狀態的表現型，或者兩個等位基因無顯隱性之分可以同時表現出對應性狀。當一對生物體繁殖後代時，它們的下一代隨機地繼承父母的兩個等位基因中的一個。這些對於離散遺傳和等位基因分離的觀察結果被總結為孟德爾第一定律。註釋和圖解.遺傳學家利用註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，並且用大寫字母表示顯性基因，小寫字母表示隱性基因。“+”常常被用於標識一個基因的正常非突變的等位基因。在雜交實驗中。在研究人類遺傳疾病時，遺傳學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係以家族譜的形式表現出來。多基因的相互作用.生物體具有成千上萬個基因，並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的。這種現象被稱為孟德爾第二定律。不同的基因常常能夠透過某種方式來影響同一種性狀，例如春錦龍花，即第二種基因位於第一種基因的上位。許多性狀沒有明顯的可區分的特點，其身高的遺傳力僅為62%。遺傳的分子基礎.DNA和染色體.}-突變會使生物體具有不同的基因型，並可能導致不同的表現型。許多突變對於生物體的表現型、健康和繁殖適應性基本沒有影響。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現，如果一個突變改變了基因所編碼的蛋白質，那這一突變很可能是有害的。群體遺傳學是研究基因變異在生物群體中的分佈和這一分佈的時間變化性。 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在該群體中。 此外，遺傳漂變能夠引發等位基因出現頻率的隨機變化而不受自然選擇的影響。在經過多個世代的傳承後，生物體的基因組會發生改變，引起被稱為進化的現象。突變和對於有益突變的選擇使得一個物種不斷地進化到能夠更好地在所處的環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於地理分離而造成的，地理上的分離使得不同種群能夠在遺傳學上獨立發展而產生分化。 遺傳學定律在群體生物學和進化研究中的應用被總結為現代綜合理論。由於進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”。研究與技術.模式生物與遺傳學.一開始遺傳學家們的研究物件很廣泛，但逐漸地集中到一些特定物種的遺傳學上。這是由於新的研究者更趨向於選擇一些已經獲得廣泛研究的生物體作為研究目標，使得模式生物成為多數遺傳學研究的基礎。 模式生物的遺傳學研究包括基因調控以及發育和癌症相關基因的研究。模式生物具有傳代時間短、易於基因操縱等優點，使得它們成為流行的遺傳學研究工具。目前廣泛使用的模式生物包括：大腸桿菌。醫學相關的遺傳學研究.醫學遺傳學的目的是瞭解基因變異與人類健康和疾病的關係。 當尋找一個可能與某種疾病相關的未知基因時，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的區域。在群體水平上，研究者會採用孟德爾隨機法來尋找基因組上與該疾病相關的區域，這一方法也特別適用於不能被單個基因所定義的多基因性狀。 一旦候選基因被發現，就需要對模式生物中的對應基因進行更多的研究。對於遺傳疾病的研究，越來越多發展起來的研究基因型的技術也被引入到藥物遺傳學中，來研究基因型如何影響藥物反應。癌症雖然不是傳統意義上的遺傳病，但被認為是一種遺傳性疾病。 癌症在機體內的產生過程是一個綜合性事件。機體內的細胞在分裂過程中有一定機率會發生突變。這些突變雖然不會遺傳給下一代，但會影響細胞的行為，在一些情況下會導致細胞更頻繁地分裂。有許多生物學機制能夠阻止這種情況的發生：訊號被傳遞給這些不正常分裂的細胞並引發其凋亡；但有時更多的突變使得細胞忽略這些訊號。這時機體內的自然選擇和逐漸積累起來的突變使得這些細胞開始無限制生長，從而成為癌症性腫瘤，並侵染機體的各個器官。相關研究技術.可以在實驗室中對DNA進行操縱。限制性內切酶是一種常用的剪下特異性序列的酶，用於製造預定的DNA片斷。 然後利用DNA連線酶將這些片斷重新連線，透過將不同DNA片斷連線到一起，就可以獲得重組DNA。重組DNA技術通常被用於在質粒。DNA還能夠透過一個被稱為聚合酶鏈鎖反應。DNA測序與基因組.DNA測序技術是遺傳學研究中發展起來的一個最基本的技術，它使得研究者可以確定DNA片段的核苷酸序列。由弗雷德裡克·桑格和他的同事於1977年發展出來的鏈終止測序法現在已經是DNA測序的常規手段。 在這一技術的幫助下，研究者們能夠對與人類疾病相關的DNA序列進行研究。由於測序已經變得相對廉價，而且在計算機技術的輔助下，可以將大量不同片斷的序列資訊連線起來的基因組測序已經完成。 這些技術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的發展，DNA測序的費用被大大降低，許多研究者希望能夠將測定一個人的基因組資訊的價格降到一千美元以內，從而使大眾測序成為可能。大量測定的基因組序列資訊催生了一個新的研究領域——基因組學，研究者利用計算機軟體查詢和研究生物的全基因組中存在的規律。基因組學也能夠被歸類為生物資訊學下的一個領域。合成生物技術.系統遺傳學，後基因組時代，合成生物技術採用計算機輔助設計、全基因與基因組合成等技術，進行細胞的訊號傳導與基因調控網路的人工設計的基因工程技術，繼遺傳育種、細胞雜交、轉基因生物等生物技術之後，將成為21世紀遺傳工程發展的新趨勢，系統遺傳學揭示基因組的結構、功能與演化的生物系統進化機理，涉及醫學遺傳學、醫學心理學等基因系統調控、訊號傳導網路等研究，為腫瘤、遺傳病、精神病、衰老等疾病發生的診斷與藥物篩選、製藥產業等開拓了新的途徑。