遗传分析概述

我们的性状取决于从父母那里遗传的基因变异。为了理解一个人为何具有特定的性状组合或“表型”，研究人员会研究单个基因及其等位基因的功能，以及基因之间和基因与环境之间的相互作用。

在本视频中，我们将简要介绍遗传学的发展历史、该领域的主要科学问题、遗传学家使用的工具以及一些当前的研究进展。

让我们首先回顾遗传学领域的一些基础性发现。

19世纪50至60年代，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）在豌豆植物中进行了杂交实验，观察到性状的遗传遵循可预测的规律，并依赖于亲本的“因子”。

在同一时期，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）提出了自然选择进化理论，该理论依赖于种群中可遗传的性状变异，从而导致生存差异。然而，孟德尔与达尔文的研究之间的联系直到70多年后才被真正理解。

尽管孟德尔的研究在很长一段时间内被忽视，但其成果于1900年重新被发现，并由威廉·贝特森（William Bateson）推广，他同时也创造了“遗传学”（genetics）这一术语。1909年，威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen）首次使用“基因”（gene）一词来指代孟德尔的遗传因子。在20世纪初，贝特森与R. C. 庞尼特（R. C. Punnett）和伊迪丝·桑德斯（Edith Saunders）共同描述了上位性（epistasis），即不同基因相互作用影响表型的现象；以及连锁（linkage），即不同性状倾向于一起遗传的现象。

1911年，托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）及其同事通过研究果蝇Drosophila，提出了连锁的机制：基因位于染色体上，同一染色体上的基因倾向于一起遗传。两年后，摩尔根的学生阿尔弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）利用这种“连锁”关系绘制出第一张遗传图谱，展示了基因在染色体上的相对位置。

尽管摩尔根等人的研究取得了成功，但人们仍对孟德尔遗传学是否适用于解释许多表现出连续变异的性状（如人类身高）的遗传机制存有疑问。1918年，R. A. 费希尔（R. A. Fisher）成功填补了这一空白，他证明连续变异的性状可以通过大量基因的累加效应来解释。

在随后的二十年中，费希尔与休厄尔·赖特（Sewall Wright）和J. B. S. 霍尔丹（J. B. S. Haldane）进一步提供了数学和实验证据，用以解释种群中等位基因频率如何受到自然选择以及遗传漂变（即随机事件的影响）等因素的塑造。到20世纪50年代，这些群体遗传学家成功将孟德尔与达尔文的研究整合，形成了“现代生物学综合理论”（Modern Synthesis of Biology）。

回顾了遗传学的发展历史后，让我们来探讨该领域中的一些关键问题。

尽管某些表型是单基因控制的，由单个基因决定，但大多数表型属于多基因性状，由多个基因共同作用产生。许多科学家正在研究基因如何在通路或网络中协同发挥作用，从而产生特定性状。

其他研究人员则致力于解析基因与环境因素在产生不同性状中的各自作用。实现这一目标的一种方法是评估某一基因型的“反应规范”（reaction norm），即该基因型在不同环境中所表现出的表型范围。遗传学家还会比较在同一环境条件下不同基因型个体的表型特征，从而估算某一性状的“遗传力”（heritability），即群体中表型变异有多少可归因于遗传变异。遗传力受到基因型变异和环境变异的共同影响，同一性状的遗传力在不同环境条件下可能有所不同。

最后，科学家还试图理解为何某些等位基因——即使会导致有害性状，如镰状细胞贫血——仍能在群体中持续存在。为此，他们研究迁移和自然选择等因素如何影响群体中等位基因和性状的频率变化。

了解了遗传学家提出的问题之后，让我们来看看用于回答这些问题的工具。

一种常用的方法是遗传杂交，即将具有不同基因型或表型的生物体进行交配，并观察其后代的性状。遗传杂交可帮助研究人员评估决定某一特定性状的基因数量、基因及其等位基因之间的相互作用方式，以及基因在染色体上的位置。

另一种用于鉴定与表型相关新基因的工具是遗传筛选。筛选可以是“正向遗传学”方法，即研究人员随机产生突变体，并鉴定导致感兴趣表型的突变基因；也可以是“反向遗传学”方法，即研究人员在特定基因中诱导突变，并观察哪些性状受到影响。筛选还可以包括将具有相同基因型的生物体在不同环境中培养，或将突变体与一系列基因缺失突变体进行杂交，以鉴定新的基因-环境或基因-基因相互作用。

最后，为了理解等位基因频率在群体中的变化，可以开展进化实验。这类实验需要将一组生物体在若干代内置于选择压力下培养，例如单一的食物来源。随后，研究人员可评估有益突变是否及何时出现，以及这些突变是否在群体中固定下来及其固定方式。

现在，让我们探讨这些遗传工具的一些当前应用。

一些研究人员正在将筛选方法应用于尚未建立分子遗传工具的生物体，例如致病性细菌Chlamydia。在此研究中，首先用这些细菌感染灵长类细胞，随后暴露于诱变剂。然后对突变的Chlamydia细菌进行基因组测序，以鉴定特定的核苷酸变化。利用该技术，研究人员发现了一些突变，这些突变导致细菌在哺乳动物细胞培养中形成形态异常的“噬斑”，可能反映了感染过程中的缺陷。

其他科学家则结合遗传筛选与杂交实验来研究基因间的相互作用。在此实验中，遗传学家将一种感兴趣的突变酵母菌株与一组缺失突变体文库进行杂交。通过在相同条件下培养所产生的双突变体，并评估其生长速率，从而量化突变体的适应性。根据这些数据，研究人员发现，在双突变体中，一个突变的存在有时会增强或抑制另一个突变的作用效果。

最后，科学家正在开发实验工具，以研究塑造群体遗传学的驱动力。在此研究中，使用一种称为恒化器（chemostat）的装置，使微生物（如酵母）能够在恒定条件下培养。研究人员进行竞争实验，证明某种突变使酵母在特定生长条件下具有适应性优势。此外，还开展了一项进化实验，让酵母适应低氮环境，并通过全基因组分析鉴定出氮代谢通路中的突变，这些突变可能赋予了更高的适应性。

您刚刚观看了 JoVE 关于个体与群体遗传学的简介。在本视频中，我们回顾了遗传学领域的历史重要进展和关键科学问题、重要的遗传学工具，以及这些技术的一些当前应用。一如既往，感谢您的观看！