目 目
3-1 染色體學說 1883 年比利時寄生蟲學家伯內登 (E. Van Beneden) 觀察馬蛔蟲 (Ascaris megalocephala) 的體細胞 (somatic cell) 與其配子 (gamete) 的染色體數 發現配子 中染色體的數目是其體細胞中的二分之一 即在配子生成的過程中染色體數有減半 的現象發生 染色體的數目在配子結合後 即受精之後 又會回復到原來的數目
減數分裂 一 減數分裂的內涵 有性生殖的過程中 親代會產生配子 (gamete) 精 子與卵子分別是雄性與雌性的配子 也就是生殖細 胞 配子形成的方式與其他身體上一般細胞 又稱 為體細胞 (somatic cell) 形成的方式最大不同處是 精子與卵子是透過一種細胞分裂的方式 減數分裂 (meiosis) 所形成 顧名思義 減數分裂後配子細胞 降為單倍體 (haploid) 其染色體數目為雙倍體 (diploid) 的體細胞的一半 我們常以 n 來表示單倍 體 雙倍體則以 2n 表示之
雄性配子會與雌性配子結合形成受精卵 此時兩個單倍體細胞就會再度成為雙倍體 (diploid) 進而發育成個體
二 減數分裂的過程
第一次減數分裂 (First Meiotic Division) 減數分裂與有絲分裂一樣 先進行染色體 的複製 各條染色體會具有二條染色分體 (chromatid) 染色分體彼此之間以著絲點 (centromere) 相連 接下來同源染色體會 兩兩配對 或稱之為聯會形成四分體
四分體聚集到細胞中央的赤道板 (equatorial plane) 上 並且出現紡綞體 染色體利用著絲點 (centromere) 與紡錘體 (spindle) 相連 便開始進入後期 I 原本 成對的同源染色體開始各自分開 藉由紡 綞絲 (spindle fiber) 的牽引下向兩極移動 進行胞質分離 形成兩個子細胞 (2n)
第二次減數分裂 (Second Meiotic Division) 在第一次減數分裂之後 成對的染色分體因 紡綞絲作用已排列好在赤道板上 著絲點會一分為二 伴隨紡綞絲的縮短 此 時成對的染色分體會分開往兩極移動 細胞會進行胞質分離 再度一分為二 形成 四個子細胞 每一個果蠅子細胞中只含有單 套染色體 (n=4)
3-2 孟德爾的遺傳定律 孟德爾的豌豆實驗 孟德爾從生長快速的豆科植物中選擇了自花 授粉的豌豆來作實驗 豌豆的優點包括 (1) 豌豆花 很適合用人工授粉的方式來達成異 花交配 (2) 豌豆具有許多明顯的性狀且通常 兩兩成對 (3) 每株豌豆又可以產生很多的 種子 利於統計分析 孟德爾利用豌豆進行了雜交實驗
一 遺傳因子理論 與顯性法則
1. 當純種交配時 F1 性狀一致 通常與親 代其中一個相同 表現出來的性狀為顯性 (dominant) 未能表現的性狀稱為隱性 (recessive) 2.F1 自交後產生的 F2 會表現出親代的二種 性狀 顯性和隱性 且此兩性狀表現的 比例約為 3 1
每一性狀的兩種型式都是由同一個基因的 兩種型式所造成的 如紫花與白花 常以 P 代表控制紫花基因 p 代表白花基因 因紫花基因的表現比白花基因來的顯著 故紫花基因 P 為顯性 白花基因 p 為隱 性 我們可稱這兩種控制豌豆花色的基因 為對偶基因 (alleles)
二 分離律 成對的遺傳因子 現稱為對偶基因 會發 生分離 分別進入不同的生殖細胞中 就 是所謂的 分離律
三 基因型與表現型 表現型 (phenotype) 亦稱表型 為生 物體基因體合所呈現之可被觀察的生物特 性或特徵 表現型是由基因型所決定滿當 有一個顯性表型的個體未知其基因型時 可利用與另一表型為隱性基因結合的個體 作交配 觀測其子代特性的方式推敲得知 其基因型 這個方法稱為試交 (test cross)
四 獨立分配律 首先 他選定能產生光滑的黃色種子植株 (RRYY) 與產生皺皮的綠色種子植株 (rryy) 作為親代 發現兩者產生的 F1 皆為黃色光 滑的種子 再利用 F1 自交產生 F2 他觀 察到 F2 中有光滑的黃色種子 皺皮的綠色 種子 光滑的綠色種子及皺皮的黃色種子 其比例約為 9 3 3 1
證實了兩種遺傳因子分離時不會互相干擾 單一對遺傳因子依然會遵從分離律 且 成對的因子在分離後會進行自由配對 也 就是第二定律 獨立分配律 圖 3.7
孟德爾發現與染色體學說的結合 元 1903 年被薩頓 (Walter Sutton) 與博韋 里 (Theodor Boveri) 提出染色體遺傳學假 說 遺傳因子位於染色體上 且一條染 色體上會帶有許多不同的遺傳因子 1909 年開始以基因一詞取代遺傳因子
孟德爾遺傳理論的例外 一 完全顯性 (Aa) 所表現出來的表型與顯性純系合子 (AA) 相同 二 不完全顯性 又稱為半顯性或中間顯性 其雜交過後的 異基因型合子性狀介於顯性親代與隱性親 代之間 如金魚草
三 部分顯性 其異型結合合子 (Aa) 顯性基因的作用未能 得到表現 有時候是受到個體體內因素或 外部環境因素的影響 因此有可能在家譜 中出現隔代遺傳 我們稱之為部分顯性或 不規則顯性 如多指 趾 症
四 延遲顯性 杭丁頓舞蹈症 (Huntington disease) 即 為延遲顯性的一種 大多數帶有此基因者 於 30 40 歲之後才發病 雖然他們從受 孕的那瞬間即帶有此種顯性致病基因 但 都是發育到一定階段才會出現症狀
五 共顯性 共顯性的出現 代表一對對偶基因 各自 可以表現自己的表現型 人類的 ABO 血型 即為共顯性的例子
表 3.3 顯示出不同血型組合的父母 其基 因型與子女可能血型的關係
六 複對偶基因 兔子的毛色是受到 C Cch Ch c 四 種對偶基因所控制 其表現型態如圖 3.9 中 的表格所示 依顯性相對於隱性的表現程 度不同 依序為 C Cch Ch c 而使 兔子呈現不一樣的毛色 圖 3.9 七 環境及其他因素
3-3 性聯遺傳 圖 3.10 為世界有名的英國維多利亞女皇 (Queen Victoria) 的家譜分析 從家譜中發現 有好幾位男性都得了血友 病 可以由外祖父傳給外孫 這種遺傳型 式似乎與性別特別有關 這種現象即為性 聯遺傳 (sex-linked inheritance)
性染色體與性別決定 性染色體 (sex chromosome) 為決定個體 雌雄性別的染色體 而其餘的染色體通常 稱為體染色體 (autosome) 或常染色體
遺傳研究的好材料 果蠅 具備 生活史短 繁殖力強 容易飼養及 許多遺傳標記因子等條件 圖 3.11 為雌雄 果蠅在外型上以及染色體上的比較圖 果 蠅的性別視其精子所攜帶的性染色體而定 若提供的為 X 染色體 則受精卵會成長 為雌性果蠅 反之 Y 染色體會使受精卵 成長為雄性果蠅
摩根的大發現 白眼果蠅 果蠅突變 雄性的白眼果蠅與一隻雌性的純種紅眼果 蠅交配 孕育下一代 其所生的 F1 全為紅 眼果蠅 其雌雄比例約為 1 1 再使 F1 自交生下的 F2 發現有 3/4 為紅眼 果蠅 剩下的 1/4 為白眼果蠅 這些白眼 果蠅皆為雄性 F2 中有一半的雄性果蠅具 白眼
以 W 代表紅眼的對偶基因 w 代表白眼的 對偶基因 當控制隱性的白眼基因位於 X 染色體 即為 Xw 而顯性的紅眼基因為 在 X 染色體上時 即為 XW Y 染色體上 並無控制眼睛顏色的對偶基因
XW Xw 兩染色體結合 因紅眼相對於白眼 為顯性基因 此一果蠅仍為雌性的紅眼果 蠅
3-4 人類遺傳學 人類是由 23 對染色體所組成的完整基因體 合 一共擁有 46 條染色體 一個正常的個 體有 22 對同源的體染色體及 1 對性染色體 男性的性染色體為 XY 女性則為 XX 家譜分析 (pedigree analysis) 是發現人類 遺傳特性的最佳方法
家譜分析 家譜 (pedigree) 分析的第一步是先確立家族中的親 緣關係 通常以 或 代表男性 或 代表女性 親代中以 連結 和 以表示其婚姻關係 其子代以 連結而成 並由 連結子代以 表示為同一對父母所生 在譜系中如果沒有標示數 字 通常以左到右為其出生順序 若某一個體性狀 為其研究對象 則將含此性狀的個體的代表符號 以黑色或其他顏色將 塗滿 或在 點一圓點 未 塗色的符號代表此個體不具此一特殊欲研究之性狀 如圖 3.15 所示
染色體分析 由於每種生物具有一定的核型 (karyotype) 觀察核型可檢視異常染色 體是否存在 稱之為核型分析 (karyotype analysis)
遺傳疾病和優生保健遺傳鑑定上可透過核 型分析來預防 如 染色體數目的異常增 加和形狀發生異常變化 用來尋找染色體 異變的特定疾病 人類的血液 骨髓細胞 或是孕婦的羊水細胞等都可以用來進行 染色體的分析
3-5 單基因遺傳疾病 因體染色體異常所導致的單基因遺傳 (single gene inheritance) 疾病 根據基因 的表現型式 可以分為體染色體顯性遺傳 (autosomal dominant inheritance) 和體染 色體隱性遺傳 (autosomal recessive inheritance) 體染色體顯性遺傳疾病 由第 1~22 對的非性染色體異常造成的體染 色體顯性遺傳疾病
一 杭丁頓舞蹈症 屬於體染色體顯性遺傳神經疾病 此症的 致病基因位於第 4 對染色體上 不論男女 只要一對染色體上的一個對等基因有誤就 能造成 二 脊髓性小腦萎縮症 小腦失調 脊髓機能及自律神經出現障礙 產生退化性萎縮
三 玻璃娃娃 成骨不全症 玻璃娃娃的學名為成骨不全症 (osteogenesis imperfecta) 是一種先天 性遺傳缺陷所造成 有四型 其第一 四 型已確認與體染色體顯性遺傳變異有關 患者體內構成結締組織的纖維基因發生突 變 骨骼耐受力差 導致骨頭脆弱 很容 易折斷
四 多指 趾 症 是以顯性遺傳的方式表現出來 患者會多 出指頭 其位置與數目不定 常見的是多 出一根手指頭或腳趾頭 如圖 3.19 所示
五 軟骨發育不全症 軟骨發育不全症 (achondroplasia) 屬於不 完全顯性的體染色體顯性遺傳疾病 會導 致骨骼異常而使個體生長矮小 致病的原 因是因為第 4 對染色體上的 纖維芽細胞 生長因子接受器 (fibroblast growth factor receptor-3, FGFR-3) 基因發生缺陷
體染色體隱性遺傳疾病 一 先天性甲狀腺低功能症 由於甲狀腺生長不正常 包括無甲狀腺 發育不全或異位 以及部分甲狀腺合成異 常 會導致無法正常合成甲狀腺激素 產 生先天性甲狀腺低功能症
二 月亮的小孩 白化症 第一型是由於第 11 對染色體的酪胺酸 基 因有缺陷造成的 第二型是第 15 對染色體 基因病變所致 由於兩個隱性基因的結合 導致身體缺乏製造黑色素 (melanin) 的 酵素 酪胺酸酶 (tyrosinase)
血紅素分子由四條血紅蛋白鏈結合而成 分屬於 α 類及 β 類 合成 α 類的血紅蛋白 鏈的基因群位在第 16 對染色體上 當此基 因群發生缺失 就會產生種種的 α 型地中 海型貧血 嚴重的甚至會造成孕婦懷孕足 月仍致胎死腹中 而控制 β 類基因位在第 11 對染色體上 此 β 基因群喪失功能或有 所缺失 β 血紅蛋白鏈的製造就會發生問 題 形成 β 型海洋性貧血
性聯遺傳疾病 圖 3.21 列出目前已經知道的性聯遺傳疾病 以及其相關缺陷基因在 X 染色體上的位置 以下將介紹幾種常見的人類性聯遺傳疾病
一 血友病 血友病是由於缺乏凝血因子而引起 受傷時 出血的速度並不會比正常人快 但血液不易 凝固 即使只是小割傷 也有可能發血流不 止的情況 若是較深的傷口或是受傷面積範 圍大 就會嚴重地威脅到患者生命
性聯遺傳疾病的特點如下 (1) 男性患者遠多於女性患者 (2) 交叉的隔代遺傳 (3) 基因攜帶者的女性會透過交叉遺傳將異 ` 常的 X 染色體傳遞給後代 (4) 由於交叉遺傳 患者的直系與旁系血親 都有可能罹患該病
二 紅綠色盲 圖 3.23 的圖片 如果你看到的是 35 那表示你無法正確地分辨紅色與綠色 患有色盲
三 腎上腺腦白質退化症 因基因缺陷 細胞內代謝異常 此症患者 大約於 4~8 歲時發病 初期聽力與視力退 化 會狂叫 以及漸漸失去行動和語言能 力 隨著病情嚴重 最後進入植物人狀態 通常在發病後 6~33 個月內死亡 為一 種中樞神經退化性疾病
3-6 多基因遺傳疾病 當一性狀是由二對或二對以上的基因所共 同支配 不同對的基因之間不存在顯性與 隱性的關係 並各具有其影響力 這種就 叫作多基因遺傳 (polygenic inheritance) 多基因性狀遺傳是由西元 1909 年瑞典遺 傳學家尼爾遜埃爾 (Nilsson-Ehle H.) 從小 麥的籽粒顏色中觀察到 所以他推定必有 三對對偶基因控制小麥籽粒顏色
人體的身高與膚色也是屬於多基因遺傳 目前多種疾病也被認定受控於多種基因影 響 是影響世界上多數人生命健康和生活 品質的重要因素 常見的疾病有氣喘 唇 顎裂 精神分裂症 高血壓 先天性心臟 病 癲癇等
3-7 染色體異常遺傳疾病 體染色體異常疾病 一 唐氏症 唐氏症 (Down syndrome) 又稱為三染色 體 21 症 也就是第 21 對體染色體多了一 條染色體 高齡產婦生下患童的比例較低年齡產婦為 高
二 貓叫症 因第 5 號染色體缺失產生叫做貓叫症 (cridu-chat syndrome) 患者哭聲似貓叫 出 生時體重過輕 生長發育遲緩導致智能不 足 IQ 常不到 30 小頭圓臉 耳位低 或耳型異常 眼距過寬 臉型不對稱等 常會餵食困難或者呼吸道受感染 貓叫症 患者的壽命比唐氏症患者短
性染色體異常疾病 性染色體的異常是指個體可能多了或少了 X 染色體和 Y 染色體 大部分性染色體的異常是由於精卵細胞在 減數分裂的錯誤所造成 屬於突發性 所 以很少會再遺傳給後代 機率約為 1/1000 1/3000
一 三倍 X 染色體症候群 常簡稱為 3X 症 此症是由於患者的雙親 其中一位的生殖細胞於第一次減數細胞分 裂時 X 染色體發生不分離現象 90% 是 母親的卵細胞所致
二 透納氏症 缺乏一條 X 染色體會造成女性罹患透納氏 症的機率約為 1/3000 三 克萊費特氏症 學名為先天性睪丸發育不全症候群 又稱 原發性小睪丸症
四 47XYY 症候群 47XYY 症候群患者為男性 有可能是受精 卵早期細胞分裂過程 Y 染色體不分離造成的