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1 4.3 剂量补偿效应及其分子机制 性染色质体 性染色质体 (sex-chromatin body) 又名巴氏小体 (Barr body) 巴氏小体是一种惰性的异染色质化的小体 1949 年,M.L.Barr 发现雌猫神经元间期核中有一个染色很深的染色质小体, 而雄猫中没有 此后在人类大部分正常女性表皮 口腔颊膜 羊水等细胞的间期核中也找到一个特征性的 浓缩的染色质小体 由于其与性别及 X 染色体数目有关, 所以称为性染色质体

2 4.3.2 剂量补偿效应与 Lyon 假说 哺乳动物 性染色体异常 ( 数目 ) 成活 常染色体数目异常往往 死亡 哺乳动物 X 染色体上的基因 : 在纯合的雌性细胞中有相同的两份拷贝, 而雄性体细胞中只有一份, 可是在表型上雌体与雄体却看不出任何显著的差别 哺乳动物有一种剂量补偿机制, 对超数的性染色体进行补偿, 对额外的常染色体不存在这种机制 剂量补偿效应 (dosage compensation effect): 在 XY 性别决定的生物中, 使 X 连锁基因在两种性别中有相等或近乎相等的有效剂量的遗传效应

3 剂量补偿效应有 3 种不同的机制 : 1 在哺乳类 ( 包括人类 ) 中雌性 XX 中的随机的一条 X 染色体失活, 在雄性 XY 中单条 X 染色体保持活性 在有袋动物中, 总是从父本遗传下来的 X 染色体被失活 ; 2 在果蝇中, 雌性中的两条 X 染色体都有活性, 而在雄性 XY 或 XO 中唯一的一条 X 染色体超活 ; 3 线虫的剂量补偿机制是在 XX 个体为雌雄同体, 两条 X 染色的连锁基因的转录活性同时减弱, 使 之处于低活性状态, 即每条 X 染色体基因的表达 水平是单条 X 染色体 ( 雄性中 ) 的表达水平的一 半, 以便实现与雄性 (XO) 个体的, 只具一条 X 染色体上连锁基因活性的剂量补偿

4 莱昂假说 (Lyon hypothesis) 1962 年英国学者 Mary Lyon 提出莱昂假说 (Lyon hypothesis), 也称为有活性的单个 X 染色体的剂量补偿 ( dosage compensation) 和形成性染色质体的 X 染色体失活假说, 其主要内容是 : 1 正常雌性哺乳动物的体细胞中, 两条 X 染色体中只有一条在遗传上有活性, 另一条无活性 由于 X 连锁基因得到剂量补偿, 雌性 XX 和雄性 XY 具有相同的有效基因产物 2 X 染色体失活是随机的 受精卵发育到胚胎早期, 女性的两条 X 染色体在分化的各类细胞中, 其中的一条 X 染色体随机失活 在某些细胞中父源的 X 染色体失活 ; 而另一些细胞是母源的 X 染色体失活

5 3 失活发生在胚胎发育的早期, 如人类 X 染色体随机失活发生在胚胎发育第 16 天, 合子细胞增殖到 5 000~6 000 个细胞时期 在小鼠中 4~6 天的胚胎中 X 染色体随机失活 某一个细胞的一条 X 染色体一旦失活, 由这个祖先细胞分裂的所有后代细胞中的该 X 染色体均处于失活状态 4 杂合体雌性在伴性基因的作用上是嵌合体 (mosaic), 即某些细胞中来自父方的伴性基因表达, 某些细胞中来自母方的伴性基因表达, 这两类细胞随机地相嵌存在于某些组织中, 毛皮颜色的随机嵌合性特别引人注目

6 Lyon 假说的证据之一是雌性杂合体玳瑁猫 (calico cat) 的毛皮上有黑色和黄色随机嵌合的斑块 图 4-6 玳瑁猫及其 X 染色体失活模式 ( 引自 G riffiths 等,2005) (a) 玳瑁猫 (b)x 染色体失活模式

7 Lyon 假说最有力的证据是对不同个体葡萄糖 6 磷酸脱氢 酶 (G6PD) 基因型电泳的研究结果 取自基因型 Gd A Gd B 杂合妇女的皮肤细胞原始培养物, 测定 G6PD 酶活性, 电泳图谱上出现 A B 两种条带 进一步检测单个细胞的培养物时 ( 克隆培养 ), 它们或者完全表现为 A 型条带, 或者完全为 B 型条带

8 细胞学的研究发现, 性染色质体的数目正好是 X 染色体数目 (n) 减 1, 即 n-1 这是因为正常雌性细胞中的 2 个 X 染色体中的 1 个在遗传上是失活的, 并在间期形成 Barr 小体 所以 : 巴氏小体的数目 =X 染色体数 -1 在女性中,1 个 X 染色体的浓缩过程称为 X 失活 (Xinactivation) 因为这种 X 染色体在代谢上是失活的, 所以不能产生 mrna; 而其 DNA 的复制也较其他染色体为迟

9

10 4.3.3 X 染色体随机失活的分子机制 X 染色体失活是个体发育过程中一种独特的调节机制 (1) 大多数的 X 连锁基因在胚胎早期发育过程中表现为稳定的转录失活, 但并非整条 X 染色体上的所有基因全失活 人类 X 染色体上可能有 1/3 的基因逃避完全失活 表达的基因 ( 逃避失活 ) 与失活的基因在 X 染色体上是穿插排列的 意味着失活基因转录的关闭不是由它们在 X 染色体上所在区域决定, 而是与某些位点的特殊作用有关

11 (2) 在哺乳动物 X 染色体上存在一个特异性失活位点, 即 X 失活中心 (X inactivation center,xic) 在 Xq13, 大约在一个 450 kb 的克隆区域中包含了所有的 XIC, 在 XIC 内鉴定出了一个新的基因 XIST(X inactive specific transcript, X 染色体失活特异转录物 ) 一般认为在 X- 失活中心开始, 朝两个方向扩展 研究表明, 当使一条 X 染色体失活时, 有一专一表达的独特形式, 而一条有活性的 X 染色体没被表达 XIST 的表达产物是一顺式作用的核 RNA, 而不编码生成蛋白质

12 X 染色体失活始于 X 染色体上的 XIC 基因座的启动 在 X 失活中, 两个非编码基因,Xist 和它的反义转录产物 Tsix 扮演了重要角色 Tsix 在保留活性的染色体上表达, 而表达 Xist 的 X 染色体则失活 Xist 基因的产物是一个从 X 失活中心转录出来的 17Kb 的未翻译的核 RNA Xist RNA 顺式包裹表达它的染色体并引发快速基因沉默 该发育过程导致了位于该染色体上的多达 1000 个基因沉默, 使雄性和雌性性别连锁基因的表达量平衡

13 被 XIST RNA 覆盖的 X 染色体上的大多数基因的活性被抑制, 成为失活的 X 染色体 但是,XIST 表达的沉默对活性 X 染色体非常必要, 这是哺乳动物剂量补偿的重要特征

14 4.4 连锁交换与重组 果蝇的完全连锁与不完全连锁 (1) 基本概念 : 连锁 (Linkage): 某些基因由于它们位于相同的染色体上, 在一起遗传 这些在相同染色体上的基因表现为连锁 决定不同性状的基因位于相同的染色体上称为连锁基因 (Linked Genes) 连锁群 (Linkage group): 位于同一对染色体上的全部基因称作一个连锁群 对于某一生物而言, 连锁群的数目应该等于染色体的对数 连锁基因属于同一个连锁群 亲代组合 (parental combination): 表现为亲本等位基因组合的子代

15 重组子 ( 合 )/ 重组型 (recombinant /recombinant type): 表现为非亲本等位基因组合的子代 例 :AB 和 ab 亲本杂交, 亲本型的子代是 :AB 和 ab 重组合的子代是 :Ab 和 ab 产生重组子 ( 重组合 ) 的过程叫做 : 遗传重组 (Genetic recombination) 当做遗传分析时, 两个基因的重组值 <50% 时, 这两个基因就被认为是连锁的 在 F 2 中 : 亲组合 >> 重组合 基因在染色体上成直线排列, 并在遗传上表现连锁与交 换的现象 连锁法则 ( 遗传学第三定律 )

16 (2) 完全连锁与不完全连锁 Morgan 在黑腹果蝇中发现 : B( 灰体 ) 对 b( 黑体 ) 是显性, Vg ( 长翅 ) 对 vg( 残翅 ) 为显性, 它们位于常染色体上 BBVgVg bbvgvg F 1 BbVgvg( 灰体长翅 )

17 取 F 1 的杂合体进行下列两种方式的测交, 所得到的结果却完全不同 (1) 当 F 1 的雄蝇和黑体残翅的雌蝇测交 时, 按两对基因的自由组合定律来预测, 应产生 : 灰体长翅 (BbVgvg) 灰体残翅 (Bbvgvg) 黑体长翅 (bbvgvg) 黑体残翅 (bbvgvg) 4 种表型的后代, 且比率应为 1:1:1:1 可是实验的结果并非如此, 而是只有数目 相同的灰体长翅 (BbVgvg) 和黑体残翅 (bbvgvg) 两种表型 (a) 测交 1 雄果蝇的完全连锁

18 对于这个结果, 摩尔根假定基因 B 和 Vg 同处于一条染色体上, 基因 b 和 vg 同处于同源染色体的另一成员上 他将这种处于同一染色体上的基因遗传时较多地联系在一起的现象称为连锁 (linkage) 对于上述第一种测交结果摩尔根称其为完全连锁 (complete linkage) 完全连锁 : 是指杂种个体在形成配子时没有发生非姊妹染色 单体之间交换的连锁遗传

19 (2) 当 F 1 雌蝇和黑体残翅的雄蝇测交时, 后代出现了 灰体长翅 灰体残翅 黑体长翅和黑体残翅 4 种类型, 但 比例却是 : 雌果蝇的不完全连锁

20 第二种方式的测交, 后代出现数目不等的 4 种表 型, 其中亲本的类型远远多于新类型 摩尔根称这 种连锁方式为不完全连锁 (incomplete linkage) 不完全连锁 (incomplete Linkage): 是指某种个体的连锁基因, 在配子形成过程中同源染色体非姊妹染色单体间发生了互换的连锁遗传

21 4.4.3 遗传的第三定律 (1) 交换的细胞学证据 (2) 连锁定律

22 (1) 交换的细胞学证据 在同一染色体上连锁的基因, 为什么会在其测交后代中出现一定频率的重组? 即 : 形成新组合的机制是什么? 1909 年 Janssens 提出了交叉型假说 (chiasma type hypothesis); 1931 年 Reighton 和 McClintock 用玉米的具有特殊结构的第 9 号染色体, 设计了著名的实验为 Janssens 的假说提供了强有力的细胞遗传学证据

23 第一个证据 : 玉米实验 1931 年 B.Creighton 和 B. McClintock 用玉米材料的实验, 证实了交换的发生 品系间的杂交实验, 用两条带有标记的染色体进行观察 分析 No.chromosome 9 两个等位基因 决定种子颜色 : 有色 C 和无色 c 决定植物的淀粉合成 : 标准植株 Wx 支链淀粉直链淀粉蜡质植株 wx(waxy) 支链淀粉

24 一条染色体形态正常 : 基因型 cwx 其同源染色体基因型 Cwx,C 基因末端有一大而染色深的染色纽 (Knob)(5.6) 且在上一代时, 第 8 染色体断裂后易位接到了第 9 条染色体靠 wx 的末端 象这些在细胞学上能够区别的特性叫做细胞学标记 (cytological markers), 而这些染色体上所带的基因称为 遗传标记 (genetic markers) 或基因标记 (gene markers) 以上这种个体在减数分裂形成配子时 在两个座位间出现交换 两种类型的重组子 : CWx, cwx 在 F 2 代出现 Creighton 和 Mcclintok 发现 : 一旦基因发生重组, 其细胞学特征 ( 染色组和额外延长的染色体部分 ) 也已经重组, 而且子代中属亲本类型的子代没有观察到细胞学标记的染色体物理交换的发生 5.6

25 交换的细胞学证据 : 交叉及其产物的模式图可表示如下 研究也证明 : 染色体交换是重组的物质基础

26 (2) 连锁定律 连锁定律即基因的连锁和交换定律 (law of linkage and crossingover ), 也称遗传的第三定律, 是指位于同一对染色体上的基因联合在一起伴同遗传的频率大于重新组合的频率, 重组体 (recombinant) 的产生是由于在配子形成过程中同源染色体的非姐妹染色单体间发生了局部交换 1 重组率的测定判断某两对特定的基因是否连锁, 是通过对其杂交 F 1 进行测交来确定, 如果测交后代表型比率为 1:1:1:1, 或近乎这个比率, 则是不连锁的 ; 如果亲本组合类型高于预期比率, 而重组型比率显著地低于预期的孟德尔第二定律的比率, 则说明它们是连锁的

27 1 重组率 (recombination frequency,rf) 测交后代中重组型或交换型数目占测交后代总数目 ( 亲本型数目 + 重组型数目 ) 的百分率定义为重组率, 其计算公式为 :

28 2 交换率 ( 值 ) 与重组率 ( 值 ) 的关系交换是指遗传物质的局部互换, 而重组则是交换后形成基因的重新组合 交换的遗传学效应体现在重组体中, 但无法检测其实际大小, 只能用重组率来估计, 只有紧密连锁的基因间的重组率才是可靠的交换值, 因为两个连锁基因间的相对距离越大, 发生双交换或其他偶数次交换的可能性越多, 在这种情况下, 重组率会低估交换率 遗传学校正的方法将在后续的内容中讲述

29 3 重组率的测定 以玉米的测交实验为例 : 已知, 支配玉米籽粒的两对基因是连锁的, 其糊粉层有色 (C) 对无色 (c) 为显性, 籽粒饱满 (Sh) 对凹陷 (sh) 为显性 取亲本植株互引相(coupling phase)c Sh/C Sh 与 c sh/c sh 杂交, 其 F 1 与双隐性亲本测交时, 有如下结果 : 重组率 (RF)=( )/( )=301/8 368=3.6%

30 如果杂交在互斥相 (repulsion phase) c Sh/c Sh C sh/c sh 间进行, 测交后得到 : 重组率 (RF)=1 310/44 595=2.94% 可见, 无论哪种基因组合 ( 互引相或互斥相 ) 的交配方式, 测交的结果都是亲本型的频率很高, 占 97% 左右, 而重组型的频率很低, 仅占 3% 左右 显然, 测得的两个特定基因座的 RF 值越大, 例如接近 50% 时, 基因间的连锁关系越难以判断, 因为与基因的自由组合时的测交比 1:1:1:1 很接近, 在这种情况下, 必须利用大量的测交后代的数据方可鉴别 如 RF 值越小, 基因间的连锁关系越易鉴别, 因为测交比率与 1:1:1:1 相差甚远

31 4.6 染色体作图 基因直线排列原理及其相关概念 1 基因定位 (gene mapping,gene localization): 确定基因在染色体上的相对位置和排列顺序 2 染色体图 (chromosome map): 又称连锁图 (linkage map) 或遗传图 (genetic map) 依据测交实验所得重组值及其他方法确定连锁基因或遗传标记在染色体上相对位置的线性图 图 1 14 号染色体遗传图谱上家系定位示意图 SD- Z01 ( 耳聋巨大家系 ) 家系致病基因位点 3 图距 (map distance) 两个连锁基因在染色体图上相对距离的数量单位称为图距 1% 重组率去掉其百分率的数值定义为一个图距单位 (map unit,mu) 为纪念现代遗传学的奠基人 T.H.Morgom, 将图距单位称为厘摩 (centimorgan, cm),1 cm=1% 重组率去掉 % 的数值

32 4.6.2 基因定位的方法 (1) 两点测交与三点测交 摩尔根 (1911) 曾提出设想, 重组值可能是 由两个基因在染色体上的距离决定的 研究重组值问题, 最容易想到的方法就是研究几个相互连锁的基因间的重组值之间的关系 例如 : a b c 连锁 a-b b-c a-c 要确定三个重组值, 要做三次杂交试验

33 但摩尔根和他的学生 sturtevant 利用 三点测交 (three-point test cross) 即三点试验 : 用三杂合体 abc/+++ 或 ab+/++c 跟三隐性个体 abc/abc 测交 : abc/+++ abc/abc 或 ab+/++c abc/abc 这样可以把 3 个基因包括在同一次交配中, 一次试验就等于三次 两点 试验

34 两个优点 : (1) 一次三点试验中得到的三个重组值是在同一基因型背景, 同一环境条件下得到的 ; 而三次 两点试验 就不一定这样 重组值既受基因背景的影响, 也受各种环境条件的影响 所以只有从三点试验得到的三个重组值才是严格地可以相互比较的 (2) 通过三点试验还可得到三次两点试验得不能得到的关于双交换的资料 例 : 黑腹果蝇的三点试验三个突变基因 X 连锁 ec (echinus, 棘眼 ) sc(scute, 缺少某些胸部刚毛 ) cv(crossveinless, 翅上横脉缺失 ) 三杂合体 三隐性雄蝇 ec ++ /+ sc cv ec sc cv /Y ( 其上基因次序未知 )

35 表 型 实 得 数 ec sc cv 828 ec sc cv 88 + sc + 89 ec + cv 103 合计 1980 返回 1

36 重组值计算 (1)ec-sc 的重组值 在这里我们暂不考虑 +/cv 将它放在括弧中, 只考虑 ec-sc 这两个基因亲组合 : =1830 重组合 :62+88=150 RFec-sc= 重组合 /( 亲组合 + 重组合 ) 100% =150/( ) 100%=7.6% ec sc cv 828 ec sc cv 88 + sc + 89 ec + cv 103 表

37 Rec-sc=7.6% 根据图距的概念, 去掉 % 后, 就 可以作为两基因在遗传学图上的图距

38 (2)ec-cv 的重组值 这里暂不考虑 sc/+ 的存在 : 亲组合 : =1788 重组合 :89+103=192 ec sc cv 828 ec sc cv 88 + sc + 89 ec + cv RF ec-cv=192/( )=9.7%

39 ec 与 cv 在遗传图上的图距是 : ec-sc 间的图距是 7.6,ec-cv 间的图距是 9.7 这时对于 ec sc cv 这三个基因间的关系有两种画法 : 或

40 (3) 最后看 sc-cv 间的重组值 亲组合 : =1638 重组合 : =342 RFsc-cv=342/1980=17.3% ec sc cv 828 ec sc cv 88 + sc + 89 ec + cv 图距是 17.3, 三个基因的线性关系我们可以画为 :

41 三个重组值间的关系十分明确即 sc-cv 的重组值等于 sc-ec 重组值与 ec-cv 重组值之和 :7.6%+9.7%=17.3% 直线关系本试验三个基因的直线顺序是 sc-ec-cv 根据摩尔根的假设, 就是 : 基因在染色体上按该次序作直线排列 现按照 sc-ec-cv 的顺序, 将最初的资料重新排列, 算出百分数, 并注明重组发生在哪两个基因之间, 这样重组值的计算就显得方便

42 表 : 三点试验中, 重组值的计算 + ec + / sc + cv sc ec cv /Y 表型实得数比例 重组发生在 sc-ec ec-cv sc-cv + ec + sc + cv sc ec cv sc ec cv % 7.6% 9.7% 合计 % 7.6% 9.7% 17.3%

43 上面的测交后代中只有 6 种表现, 因此重组值之间的 关系比较简单 在多数三点试验中, 回交后代可以有 8 种表 型, 请见下例 : 三个基因是 :ec ( 棘眼 ) ct (cut, 截翅 ) cv( 横 脉缺失 ) 把棘眼截翅个体与横脉缺失个体交配, 得到三杂合体 :ec ct + / + + cv 然后进行 :ec ct + / + + cv ec ct cv /Y

44 ec ct + / + + cv ec ct cv /Y 三点试验中, 测交后代有 8 种表型, 重组值的计算, 见下表 返回

45 根据上表 : RF ec-cv 的重组值 :10.1%+0.1%=10.2% RF ct-cv:8.3%+0.1%=8.4% RF ec-ct:18.4% RF ec-cv + RF ct-cv RF ec-ct 10.2% + 8.4%=18.6% >18.4% 我们应该注意到, 有 8 只果蝇 (+++ 和 ec cv ct), 计算时用过两次, 计算 RFec-cv 用到它, 计算 RFct-cv 又用到它, 但计算 RFec-ct 时却没有把它计算在内, 虽然这些染色体在 ecct 间已进行过两次交换 如下图, 对 ec-ct 来讲, 双交换的结果, 对它们来说等于不交换 只有当基因对 cv/+ 存在时, 我们才能认识出交换 这样 RF ec-ct 值在计算时, 就会偏低, 所以如有双交换存在时, 在计算 ec-ct 间的距离时, 一定要加上两倍的双交换值 (2 0.1%), 即 : 18.4%+2 0.1%=18.6%

46 t t t t 因为每个双交换包括 ec-ct 间发生过两次单交换, 而这两次单交换是计算 ec-ct 间的重组值时所没有估计在内的

47 从以上可知双交换有两个重要特点 : 1 双交换的概率明显低于单交换的概率 如果两次同时发生的交换它们互不干扰, 各自独立, 那么按概率定律, 双交换发生的概率就是两个单交换概率的乘积, 例本例 : 10.1% 8.3%=0.84%, 而实际仅为 0.1% 2 双交换的结果, 三个基因仅中间一个位置变动, 两边两个相对位置不变, 但却同时发生了两次交换 图距实际上是按交换值决定的, 所以在计算两边两个基因的图距时, 一定要对重组值作校正, 使其反映实际的交换值 校正的方法是把双交换类型加进去 (2 倍双交换类型的频率 )

48 三点试验中, 两边两个基因对间的重组值一定等于另外两个重组值之和减去两倍的双交换值 在我们这个例子中,ec-ct 间的重组值是 : 10.2%+8.4%-2 0.1%=18.4%, 这个法则叫基因直线排列定律, 是 sturtevent 在 1913 年最初确定的 在任何三点试验中, 在测交后代的 8 种可能的表型中, 个体数最少 ( 甚至完全没有 ) 的两种表型是双交换的产物 根据这一点, 不必计算重组值, 一眼就能正确无误地断定这三个基因的次序

49 本例 ec ct cv % 亲本型 两边不变中间变 最少的类型 ec ct cv 3 0.1% 双交换型 将最多的亲本型基因型与最少的双交换型相比较, 两 者基因型相同的两个基因在两边, 留下的一个不相同的基 因则在中间, 这里 cv 一定位于中间, 而三基因的相对顺序 是 ec cv ct, 交配型 [ec ct +/+ + cv] [ec ct cv /Y] ( 括号表示基因次序未 确定 ) 可以改写成 ec + ct / + cv + ec cv ct /Y

50 4.6.3 遗传干涉与并发系数 ( interference and coincidence ) 在发生交换的时候, 一个单交换的发生可能会影响邻近另一个单交换的发生, 或者说, 邻近也发生一次交换的机会要减少一些, 这种现象叫做干涉 ( inteference) 上面我们曾说过 : 如果两个单交换的发生是互不干扰的, 从理论上讲, 两个单交换同时发生的概率可用它们各自概率的乘积来表示

51 例 : 在 ec-cv-ct 试验中单交换 : 10.2%(RF ec-cv), 8.3%(RF cv-ct) 三点之间发生双交换的理论概率 : 10.2% 8.4%=0.86% 但实验所得的双交换只有 : (5+3)/5318=0.15% 又例如 : 在 sc-ec-cv 试验中, 预期双交换 :7.6% 9.7% =0.74%, 但实验中一个双交换个体也没有, 干涉 是完全的 一般用并发率 (Coincidence) 来表示干涉 ( 干扰 ) 的大小

52 并发系数 (coefficidence of coincidence or coincidence)c C =γ/(α)(β) 交叉干涉 (chiasma interference) Ⅰ Ⅰ =1-C

53 当 C =1,Ⅰ = 0 时, 表示无干涉 C = 0,Ⅰ = 1 时, 表示存在完全干涉 1 > C > 0 时表示存在正干涉 ( positive interference) C >1,Ⅰ < 0 时, 表示存在负干涉 (negative interference) 负干涉仅在微生物中发生基因转变时才出现

54 并发率愈大, 干涉愈小 ; 并发率 =1, 表示没有干涉, 干涉为 0, 在 ec-cv-ct 的试验中, 并发率 =0.15%/0.86%=0.17, 干涉 =1-0.17=0.83 或 83%, 干涉 =1- 并发率 从一般实验结果来看, 基因对间的距离缩短时, 并发率降低, 干涉值上升 所以三基因间起交换 的距离短时, 双交换的发生很少或没有 是否染色体有某种物理学上的韧性, 在某 一距离范围内妨碍 弯曲 或交换的重复发生

55 4.5.5 四分子分析与作图

56 (1) 系谱分析定位法 人类的基因定位 系谱法中最常用的方法是连锁遗传分析法 通过系谱法已将人类的红 绿色盲 G6PD 血友病 A 的基因定位在 X 染色体上 用系谱法定位人类的基因有下列 3 种情况 : (1) 如果某性状只出现在男性, 则可将决定该性状的基因定位在 Y 染色体上 (2)X 连锁基因的定位 伴性遗传原理, 男性的 X 染色体呈交叉遗传, 总是来自他的母亲, 又总是传给他的女儿 正常情况下,X 染色体上的基因是隔代交叉遗传 如果两个性状都表现为隔代交叉遗传, 则可以判定支配这两个性状的基因都在 X 染色体上, 是性连锁的 但这种方法不能确定其排列顺序和连锁强度

57 (3) 外祖父法 在确定两对基因在 X 染色体的连锁关系后, 再根据双亲的基因型判断子代中的重组体和亲本型, 计算重组率, 确定两个基因相对距离 位于 X 染色体上的基因, 只要知道作为母亲的基因型是否为双重杂合体, 即两对基因都处于杂合状态 根据双重杂合体的母亲所生儿子中有关性状的重组情况, 就可以估计重组率, 而母亲的 X 染色体上的基因组成, 可以由外祖父 ( 母亲的父亲 ) 的表型得知, 因此, 这种基因定位的方法称为外祖父法 (grandfather method) 就 Aa Bb 两对连锁基因而言, 母亲为双重杂合体时, 可能有两种连锁相 : 互引相 AB/ab( 又称顺式相,cis phase) 和互斥相 Ab/aB( 或称反式相,trans phase)

58 现以人类 X 连锁的色盲基因 (a) 和蚕豆病基因 (G 6 PD - )(g) 为例说明如下 : 1 若母亲的 X 染色体 A 与 G 基因间没有发生重组交换, 则不论作为母亲的是互引相 ( 顺式 ) 还是互斥相 ( 反式 ) 杂合体, 其儿子中的 X 染色体只有两种类型:

59 2 若母亲的 X 染色体的 A 与 G 基因间发生了交换, 则有下列 3 种情况 :

60 根据外祖父的表型确定作为母亲的双重杂合体的连锁相 ( 反式或顺式 ), 然后判断其儿子中的各种表型中哪种属于重组型, 统计其重组体所占的比例, 计算两个基因间的重组率, 继而确定连锁基因间的相对距离 根据这种外祖父法测得色盲基因与 G6PD 基因间的相对距离约为 5cM ( 平均每 20 个儿子中有一个重组体 ) 系谱分析法在原则上也可用于常染色体的基因定位 当已知某染色体的某种标记与某基因间的连锁关系后, 可用系谱分析法将该基因定位在这条染色体上 如决定 Duffy 血型的基因 (Fy) 就是用系谱分析法定位在人的 1 号染色体上的

61 4.5.7 基因剂量效应法 基因与其产物之间有一定的数量关系 如果某基因的数量发生了改变, 该基因产物的量也常常随之发生相应改变, 称为基因剂量效应 ( genetic dosage effect) 如果某一个基因产物的数量与某染色体上某一片段拷贝数目有明显的比例变化关系, 则可将该基因定位在这一染色体上或染色体的某一特定区段上 例如, 先天愚型患者 ( 核型为 21 三体 ) 的超氧化物歧化酶 1(SOD- 1) 的活性为正常人的 1.5 倍, 于是将编码 SOD-1 的基因定位在 21 号染色体上 又如编码红细胞酸性磷酚酶 1(ACP1) 的基因定位在 2p23 研究者发现一个 2 号染色体短臂缺失的患者的 ACP1 酶的活性明显降低, 结合体细胞杂交以及系谱分析的结果证实, 基因 ACP 1 定位在 2p23 是正确的

62 (1) 克隆基因定位法 DNA 介导基因定位 采用已克隆基因的 cdna 探针与保留在杂种细胞内的人染色体 DNA 序列进行分子杂交, 确定克隆基因所在的染色体 (2) 原位杂交 (in situ hybridization) 法 这是一种应用比较广泛的直接的基因定位方法, 以标记 ( 同位素 生物素或荧光染料 ) 的探针直接与中期染色体进行原位杂交

63 本章结束 谢谢

64 (1) 摩尔根果蝇连锁实验 通常用遗传符号表示在相同染色体上的基因例 :ab/ab 代表基因 a 和基因 b 在相同的染色体上, 在雌蝇上 X- 连锁的基因可以用一根或二根线表示 : 例 wm/wm 或 wm//wm 雄蝇的 X- 连锁表示 :wm/, 而代表 Y 染色体摩尔根用白眼小翅雌蝇 (wm/wm) 与野生型雄蝇 (W + m + / ) 进行交配

65 5.4 所示 F 1 果蝇自交 得到 F 2 果蝇 2441 只,F 1 F 1 相当于做测交, 因为 F 1 雄蝇产生的带 X 配子具两个基因的隐性等位基因,Y 配子上没有带所研究基因的等位基因 F 2 在两种性别中, 出现频率最多的是 : 亲本型 : 祖母的突变性状白眼小翅或祖父的野生型红眼长翅 ; 也观察到很大数目的 : 非亲本型 ( 重组型 ): 白眼正常翅, 红眼小翅 在 2441 只果蝇中, 有 900 只 ( 或 36.9%) 为重组型

66 解释这些重组型 : 摩尔根提出在减数分裂中,F 1 雌蝇的两条染色体间出现基因交换 而雄蝇由于是半合子, 在非同源的 X 和 Y 染色体间不出现遗传交换 摩尔根进一步将他的研究推进到包括其他的性连锁的性状上去 例 : 突变型 野生型 白眼黄体 红眼灰体 F 1 野生型, 白眼黄体 ( 突变型 ) F 只果蝇中, 有 1.3% 的果蝇为重组表型

67 摩尔根推测, 控制眼色和体色性状的基因连锁得更紧密, 它们重组被分开的频率比眼色和翅形的频率小, 摩尔根小组做 了大量的杂交工作, 结论总是相同, 在每种情况下, 亲本型出 现的频率高而重组型出现的频率低 几乎所得到的两个亲本类 型的数目是相等的, 同样所得到的两重组类型间的数目也相等 摩尔根的一般结论是 : 在减数分裂期间, 一些基因的等位基因一起分配, 因为在相同的染色体上它们彼此靠得近, 在染色体上两个基因靠得越近, 在减数分裂时期, 它们更有可能保持在一起, 即 : 靠得越近的两个基因, 它们之间重组发生得越少

68 摩尔根也假设杂交 F 2 表型的产生与减数分裂期交叉形成 ( Chiasma formation ) 的联系, 早在 1909 年, F.Janssens 已经描述蝾螈减数分裂前期 I 染色体的交叉 ( 细胞学上可观察到的同源染色体间的相互交换 ),Janssens 认为 ( 但没有证明 ) 交叉可能是父本和母本同源染色体的物理交换位点 摩尔根假设 : 相同染色体上的两个基因出现部分连锁是由于减数分裂期交叉使它们彼此物理上的分开 5.5

69 Morgan 和 E.cattell (1912 年 ) 用 crossing-over( 交换 ) 这一术语来描述由于染色体相互交换的过程产生连锁基因间的重组合 Crossing-over 的基本概念 : 1 一个交叉是同源染色体对间正在发生物理互换的地方, 即 : 它是交换 (crossing-over) 的位点 (site) 2 交换(crossing-over) 是在同源染色体相应的染色体片段相互交换的实际过程, 该过程包括对称的断裂和重接 (5.5) 3 交换既是原核生物也是真核生物中导致连锁基因间遗传重组的产生的事情

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