二、遗传学的发展历史
1) 遗传学的萌芽(?-1900)
2) 遗传学的诞生(1900)
3) 细胞遗传学时期 (1900-1939年)
4) 从细胞水平向分子水平过渡时期(1940-1952年)
5) 分子遗传学时期 (1953-现在)
1) 遗传学的萌芽
远古时代人类祖先建立了驯养和栽培方法,,实质上就是萌芽状态的对遗传和变异规律的认识和应用。后来人们对遗传和变异的本质提出过种种假说。
泛生论(theory of pangenesis):雌雄个体的精液中有能够传递特性的粒子,精液在全身各个部分形成,汇集后在血管中流动流动进入睾丸,将身体各部分的特征传递给下一代。
种质学论(魏斯曼August Weisman,1834-1914):
种质germplasm:性细胞和产生性细胞的细胞
体质somatoplasm:身体除种质以外的所有其余部分的细胞
种质负责传递保持物种种性的全部遗传因子,其自身永世长存,在世代之间连续相续;体质保护和帮助种质自身繁衍
2) 遗传学的诞生(1900)
(1) 孟德尔(Johann Gregor Mendel,1822-1884)是奥地利的一个修道士,他从1856年开始进行了8年的豌豆杂交试验,提出了遗传因子的分离定律和自由组合定律的假设,并应用统计学方法分析和验证了这些假设。但是他的发现并未引起重视,而是被埋没了35年之后才被3位科学家重新发现。
(2) 重新发现孟德尔定律
荷兰阿姆斯特丹大学的教授德弗里斯(Hugo de Vires,1848-1935), 月见草
德国士宾根大学教授柯伦斯(Carl Correns, 1864-1933),玉米
奥地利维也纳农业大学的年轻讲师丘歇马克(Erich Von Tschermak Seysenegg, 1871-1962), 豌豆
三人的论文都刊登在1900年出版的《德国植物学会杂志》18卷上,都证实了孟德尔定律。这就是遗传学历史上孟德尔定律的重新发现,标志着遗传学的诞生。
(3) 贝特森 (W.Bateson)于1906年给遗传学定名为“Genetics”(第三届国际遗传学大会),在1909年由丹麦遗传学家约翰逊(W.Johannsen)创造了“基因”(gene)一词,表示孟德尔遗传因子;1910年起将孟德尔遗传规律改称为孟德尔定律,公认孟德尔是遗传学的奠基人。
3) 细胞遗传学时期(1900-1939年)
20世纪头10年,科学家们验证了孟德尔遗传规律普遍意义,确立了一些遗传学的基本概念。这一历史时期,研究工作的主要特征是从个体水平进展到细胞水平,并建立了染色体遗传学说。
1902年,鲍维丰(T.Boveri)和1903年萨顿(W.Sutton)在研究减数分裂时,发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系,提出染色体是遗传因子载体,可说是染色体遗传学说的初步论证。
1909年的约翰逊(W.Johannsen)称孟德尔假定的“遗传因子”为“基因”,并明确区别基因型和表型。
1909年,詹森斯 (F.A.Janssen)观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象,为解释基因连锁现象提供了基础。
1909年,摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果蝇迸行实验遗传学研究,发现了伴性遗传的规律。他和他的学生还发现了连锁、交换和不分离规律等。并进一步证明基因在染色体上呈直线排列,从而发展了染色体遗传学说。
1926年摩尔根提出基因学说,发表《基因论》。主要内容有:种质(基因)是连续的遗传物质;染色体上的遗传单位,有很高的稳定性,能自我复制和发生变异;在个体发育中,一定的基因在一定的条件下,控制着一定的代谢过程,从而体现在一定的遗传特性和特征的表现上;生物进化的材料主要是基因及其突变等论点。这是对孟德尔遗传学说的重大发展。也是这一历史时期的巨大成就。
这一时期的另一重大成就是1927穆勒(H·T·Mulle)和1928年斯塔德勒(L.J.Stadler)分别在果蝇及玉米的试验中,证实了基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生,且用X射线处理也会产生大量突变。这种用人工产生遗传变异的方法,使遗传学发展到一个新的阶段。
4) 从细胞向分子水平过渡时期(1940-1952年)
这一时期,由于微生物遗传学和生化遗传学研究的广泛开展,使遗传学研究工作进入微观层次,其主要特征是以微生物为研究对象,采用生化方法探索遗传物质的本质及其功能。
20世纪40年代初卡斯佩森(T·O·Caspersson)用定量细胞化学的方法证明DNA存在于细胞核中。以后又有人证明DNA是构成染色体的主要物质;同种生物的不同细胞中DNA的质与量恒定,在性细胞中DNA的含量为体细胞的一半。
1944年艾弗里(O.T.Avery)等在用纯化因子研究肺炎双球菌的转化实验中,证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。
1952年赫尔希(A·D·Hershey)等用同位素示踪法于噬菌体感染细菌的实验中,再次确认了DNA是遗传物质。
1940年比德尔(W.Beadle)等在对链孢霉的生化遗传的经典研究中,分析了许多生化突变体后,认为一个基因的功能相当于一个特定的蛋白质(酶),并于翌年提出“一个基因一个酶”的假说。以后的研究表明,基因决定着蛋白质 (包括酶)的合成,故改为“一个基因一个蛋白质或多肽”。至此,已为遗传物质的化学本质及基因的功能奠定了初步的理论基础.
5) 现代分子遗传学时期 (1953-现在)
许多物理学家和化学家投身于生命的分子基础和基因的自我复制这两个生物学中心问题的研究,将现代物理学和化学的最新成果、理论和方法带入了生物学研究中。如丹麦的尼尔斯.波尔(Niels Bohr)、德国的马克斯.德布吕克(Max Delbruck)、奥地利的量子力学家欧文.薛定谔(Erwin Schrodinger),他们想了解传统的物理定律是否可以阐明遗传学问题,以及在生物学中能否发现新的物理定律,这些想法促使了分子遗传学和分子生物学的诞生。
(1) 1953年4月25日出版的Nature杂志上,沃森(Watson)和物理学家克里克(Crick)提出了DNA双螺旋结构模型,标志着遗传学以及整个生物学进入分子水平的新时代。
(2) 1961年克里克等证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码的推测,1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。
(3) 60年代,阐明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程、 “中心法则”等。
(4) 50年代初,Barbara Mclintock 在玉米中发现可动遗传因子即转座因子,但是这个过于超时代的发现当时并未得到承认,甚至受到讥笑。(5) 1961年F.Jacob和J.Monod 提出了大肠杆菌的操纵子学说,阐明了原核生物基因表达调节的问题。
(6) 后来发现真核生物的断裂基因(split gene)和病毒的重叠基因(overlapping gene), 并开始研究真核生物的基因表达调控。
(7) 70年代,发现限制性核酸内切酶、人工分离和合成基因取得进展,1972年P.Berg 成功实现了DNA体外重组,1973年S.N.Cohen 通过DNA的体外重组成功地构建了第一个有生物学功能的细菌杂交质粒,从而兴起以DNA重组技术为核心的基因工程研究。
(8) 80年代,基因工程技术飞速发展,基因工程药物和疫苗投入临床使用,转基因动植物产品上市销售,转基因动植物生物反应器研究成为热点并实现商品化。
(9) 90年代,1992年“人类基因组计划”开始实施,投资30亿美元旨在测定人类基因组全部30亿个核苷酸对的碱基序列,是在破译生物体全部遗传密码的征途上迈出的第一步,将为揭开人类和生物体生长、发育、疾病、衰老和死亡的奥秘奠定基础,其意义与原子弹研究曼哈顿计划和载人登月阿波罗计划相比有过之而无不及。 克隆羊“多莉” (Dolly) 诞生之后,克隆牛、羊、小鼠等动物纷纷获得成功。
(10) 21世纪初人类基因组计划提前完成,遗传学面临新的挑战和使命,即进入了“基因组后研究”时代,在搞清楚基因组的全部序列的基础上,还要彻底阐明基因组所包含的全部遗传信息的生物学功能,及其所编码的蛋白质的结构和功能,所以又称为“蛋白质组”研究。同时,还要应用基因工程和蛋白质工程技术,改造蛋白质,使人类对生命活动的认识和支配由必然王国进入自由王国。