第八章染色体结构变

第八章 染色体结构变异 第一节 缺失 第二节 重复 第三节 倒位 第四节 易位 第五节 染色体结构变异的应用 前 言断裂 重接假说是由 stadler， L. J. 于 1931年提出的。该假说认为染色体结构变异的原发损伤是断裂，这种断裂可以自发地产生，也可以是诱变因子作用的结果，断裂的后果有以下 3种情况：（ 1）绝大多数（ 90 99%）通过修复过程在原处重新连接（愈合），以致在细胞学上无法辨认。（ 2）不同断裂处错误连接引起结构变异，常被发现。（ 3）断裂端依然游离着，成为结构变异的稳定状态。如末端缺失。染色体结构变异最早是布里奇斯（ Bridges， C. B.） 在果蝇中发现的：在 1917年发 现缺失（ deficiency）， 1919年发现重复（ duplication）， 1923年发现易位（translocation）。 Startevant， A. H. 1926年发现倒位（ inversion）。 第一节 缺失（ deficiency） 缺失：染色体少了自己的某一区段。 一、缺失的类型顶端缺失（ terminal deficiency）： 缺失的区段在染色体臂的外端。中间缺失（ interstitial deficiency）： 缺失的区段在染色体臂的内部。顶端缺失染色体外部有断头是不稳定的。中间缺失染色体没有断头外露，比较稳定。缺失杂合体（ deficiency heterozygote）： 体细胞内同源染色体一条正常，一条缺失的个体。 a b c fa b c d e f缺失纯合体（ deficiency homozygote）： 体细胞内两条同源染色体缺失相同区段的个体。 a b c fa b c f二、缺失的细胞学特征 1、 刚发生缺失的细胞，在分裂时，细胞质内出现断片（ fragment）， 但多次分裂后断片消失。2、 顶端缺失杂合体，当缺失段较长时，双线期同源染色体不等长。但缺失段短时，不易觉察。3、 中间缺失杂合体，如缺失段较长时，在减数分裂的偶线期和粗线期形成缺失圈。注意：缺失纯合体的联会与正常染色体相同三、缺失的遗传效应 1、缺失对生物体来说是有害的染色体的部分缺失，上边的基因也就跟着缺失，所以对生物体常是有害的，有害的程度与缺失段内基因数目的多少及上边载荷的基因的重要性有关。缺失纯合体是很难成活的，缺失杂合体生活力也很差。植物：缺失常常造成花粉败育或发育不良，结实性降低。人类：第 5染色体的短臂缺失（ 5p ） 的儿童出现一系列的症状，眼距较大，耳位低下，智力迟钝，生活力差等，患儿多在生命早期死亡。最明显的特征是哭声轻、音调高，象猫叫，所以称为 猫叫综合症 。2、缺失染色体是通过雌配子传递的含缺失染色体的配子一般是败育的，但相对来说，雌配子的忍受力比雄配子强，在授粉过程中，花粉即使不败育，也竞争不过正常配子；雌配子不存在竞争问题，所以缺失染色体主要是通过雌配子传递的。 3、缺失个体常具有假显性现象 假显性（ pseudodominance） 现象：由于染色体的部分缺失，丢失了上面的显性基因，同源染色体上的隐性基因的作用相应地表现出来。例：与玉米植株颜色有关的一对基因 Pl（ 紫色）和 pl（ 绿色）在第六染色体长臂的外端。麦克林托克（ McClintock， B.） 1931年用 X射线照射的紫株玉米的花粉给绿株玉米授粉， 734株 F1幼苗中意外的出现了 2株绿苗（见右图）。仅根据表现型判断，往往会想到可能是基因突变，但经过细胞学检查，发现 Pl的区段丢失了，而对应的 pl性状表现出来了。 第二节 重复（ duplication） 重复：染色体多了自己的某一区段。一、重复的类型顺接重复（ tandem duplication）： 重复的区段与原来的顺序相同，如abcdedef 反 接重复（ reverse duplication）： 重复的区段与原来的顺序相反，如abcdeedf重复一般是臂内的某一区段重复，不包含着丝点，如果重复区段含着丝点，则该染色体就是不稳定的（象顶端缺失一样不稳定）。重复杂合体（ duplication heterozygote）： 体细胞内两条同源染色体中一条正常，一条重复的个体。 a b c d e d e fa b c d e f重复纯合体（ duplication homozygote）： 体细胞内两条同源染色体重复相同的区段的个体。 a b c d e d e fa b c d e d e f二、重复的细胞学特征 重复杂合体在减数分裂的偶线期、粗线期产生重复圈。重复纯合体与正常染色体的联会一样。缺失和重复的区别 ：二者都形成环形突起，但有本质的区别，缺失圈是正常染色体形成的，而重复圈是重复染色体形成的。辨认缺失和重复的最好材料是果蝇的唾液腺染色体（右图），因为唾液腺染色体特别大，而且是体细胞联会（ somatic synapsis）的， 上边有明显的横带条纹，易于辨认，根据带纹的位置、多少等可以确定是缺失还是重复。 三、重复的遗传效应 1、剂量效应 （ dosage effect） ： 表现型的变化与基因的数目有关例 1：果蝇眼睛颜色：红色（ V+显性）朱红色（ V隐性）， V+V的表现型为红色，但 V+VV的重复杂合体，表现型为朱红色。例 2：糊粉层颜色玉米的第九染色体靠近着丝点处有一个控制糊粉层颜色的显性基因 C， 正常情况下，有一定的色泽，随着 C区段重复的增多，颜色也会相应加深。2、位置效应 （ position effect）位置效应：重复区段所在的位置不同，表现型的效应也不同。例 1931年 Bridges发现，控制果蝇眼睛大小的基因是在第 1染色体（ X） 上的 16区 A段。小眼数： 780 358 68 45 25表现型： 正常 杂合棒眼 纯合棒眼 位置效应说明 ：基因在染色体上不是孤立存在的，相邻基因之间存在着相互联系、相互影响。总之，重复的区段较小时，表现的效应没有缺失那样严重，但重复部分过大时也会影响个体的生活力和发育。 第三节 倒位（ inversion） 倒位：染色体某一区段的正常顺序发生了颠倒。一、倒位的类型臂内倒位（ paracentric inversion）： 染色体一个臂内某一区段的直线顺序发生了颠倒。abc dfeg臂间倒位（ pericentric inversion）： 倒位区段包括着丝点，就是倒位涉及两个臂 （图 6 7）。abed cfg倒 位杂合体（杂倒位）：体细胞内同源染色体的两个成员一个正常、一个倒位的个体。倒位纯合体（纯倒位）：体细胞内同源染色体的两个成员发生相同的倒位的个体。 二、倒位的细胞学特征 1、倒位杂合体在减数分裂的偶线期和粗线期形成倒位圈。臂内杂倒位和臂间杂倒位都具有本特征。倒位圈不同于缺失圈和重复圈，前者是两条染色体形成的，而后者是一条染色体形成的圈。2、当倒位段很长时，倒位杂合体的两条同源染色体可能以相反方向配对 即倒位区段配对，两端正常的部分分离开来，似桥状（右图）。3、臂内倒位杂合体在减数分裂的后期 形成染色体桥和断片。 后期 桥和断片是鉴定 臂内 杂倒位的典型特征非姊妹染色单体之间总是要发生交换的，对倒位杂合体来说，如果在圈外发生非姊妹染色体单体的交换，则不形成后期 桥；臂间倒位杂合体在圈内发生一次非姊妹染色单体的交换也不形成后期 桥，只有臂内倒位杂合体在倒位圈内发生一次非姊妹染色体单体的交换，才形成后期 桥。所以后期 桥和断片是鉴定臂内杂倒位的典型特征（右图）。 三、倒位的遗传效应 1、杂倒位具有部分不育性杂倒位产生的雌、雄配子均为部分不育性，即配子的不育率 50。在倒位圈内发生一次交换：对臂间杂倒位来说，产生的 4个配子是一个配子含正常染色体，一个配子是倒位染色体，另两个是重复缺失染色体。 对臂内杂倒位而言，产生的配子是一个含正常染色体，一个含倒位染色体，另两个为缺失染色体。缺失染色体的配子和重复缺失染色体的配子都是不育的，所以，在倒位圈内发生一次非姊妹染色单体交换的孢母细胞产生的配子一半是不育的 即半不育，然而有些孢母细胞在倒位圈内不发生非姊妹染色单体交换而在圈外交换，它们产生的配子则全是可育的，这两种情况综合起来，杂倒位具有部分不育性。不育程度的高低与倒位区段的长短有关，倒位段越长，倒位圈内交换的机会越多，不育的程度就越高，反之，则不育的程度就越低。 2、杂倒位连锁基因的重组率降低 （倒位圈内及其附近的基因交换值降低）原因有二：（ 1）倒位断点附近基因之间的配对不严密，交换值降低。（ 2）在倒位区段内发生一次非姊妹染色单体的交换后，产生的交换配子都是不育的，只有在倒位段外交换和倒位段内发生一次双交换，产生的配子才是成活的，而双交换的机会是很少的，对不育的配子是测定不出来的，所以重组率（交换值）大大降低。这是重组率下降的主要原因。例如：玉米第 5染色体的 5a倒位（下图为正常基因顺序）断点 断点pr bt1 bm1 a25L 5S0.67 0.0正常交换值 倒位后交换值bt1 pr 24 0.4bt1 bm1 1 0bt1 a2 8 4.53、杂倒位体自交和测交后代的分离类似于一对等位基因的分离 测交： in in（ 正常个体） In in（ 杂倒位体）In in in in杂倒位体 正常个体自交： In in 1 4 In In : 2 4 In in : 1 4 in in纯倒位 杂倒位 正常个体4、纯倒位体由于基因的顺序发生了变化，某些基因之间的交换值与正常个体不同。 四、倒位在进化中的意义 1、倒位增加了遗传性状的变异性 2、有些物种的形成是倒位造成的倒位杂合体由于倒位圈内交换产生的配子是不育的，圈外附近基因的交换也受到抑制，使倒位段内的基因表现很强的连锁关系，倒位段象一个整体单位一代代传递下去，倒位段内发生的突变也不能发生重组，这样突变的基因多了，就发生了质变，和原来的物种就不能再进行有性杂交，造成了生殖隔离，于是就产生了新的物种。倒位起了隔离作用。例 1、头巾百合和竹叶百合（ L. hansonii）是两个不同的种，n =12，这 12个染色体中，两个大的以 M1和 M2代表， 10个小的以 S1， S2， .， S10表示，研究发现，两个种的差别就在于一个种的 M1， M2， S1， S2， S3， S4等 6个染色体是由第一个种的相同染色体发生臂内倒位形成的。例 2、普通果蝇（ D. melanogaster）的第 3染色体上有 3个基因按猩红眼 桃色眼 三角翅脉的顺序排列 St P Dl ； 同是这三个基因，在另一个近缘物种 D. Simulans中的顺序是 St Dl P， 仅只这一倒位的差异便构成了两个物种。 第四节 易位（ translocation） 易位：指非同源染色体之间的节段的转移（ shift） 或互换。一、易位的类型简单易位 （ simple translocation）： 又叫单向易位，某染色体的臂内嵌入了非同源染色体的一个臂内区段。 a b c e， w x y d z （ 右图）相互易位 （ reciprocal translocation）： 非同源染色体之间发生了片段互换。 a b c z ， w x y d e（ 右图）易位杂合体 ：发生易位的两对同源染色体都是一条正常、一条易位的个体。易位纯合体 ：发生易位的两对同源染色体每对的两条都是易位的个体。 易位不同于交换，易位发生在非同源染色体之间，而连锁基因的交换是发生在同源染色体之间。二、易位的细胞学特征 1、杂易位在减数分裂的偶线期、粗线期形成 “ ”字形联会。2、杂易位在终变期会形成四条染色体构成的环（四体环）或链（四体链，交叉提前解开）3、杂易位在中期 ，这四条染色体以环形或 “8”字形排列在赤道板上。 三、易位的遗传效应 1、杂易位具有半不育性中期 四价体在赤道板上有两种排列方式：环形和 “8”字形，每种在后期 的分离方式又有两种：（ 1）中期 环形排列时，后期 是相邻式分离。相邻 式分离：同源着丝点分向两极，产生的配子为 121 12 2 ，是不育的。相邻 式分离：同源着丝点走向同一极，产生的配子为 112 221，也是不育的。（ 2）中期 以 “8”字形排列时，后期 的分离为交替式分离产生的配子为 12 12 21，全是可育的。一般来说，环形和 “8”字形在赤道板上排列的机会大到相等，即 1:1，所以，杂易位具有半不育（ semi-sterility） 性。2、杂易位的自交和测交后代的分离类似于一对等位基因的分离 测交： t t （ 正常个体） T t（ 杂 易 位体）T t t t杂 易 位体 正常个体自交： T t 1 4 T T : 2 4 T t : 1 4 t t纯 易 位 杂 易 位 正常个体3、杂易位邻近断点的连锁基因交换值下降4、易位改变了基因之间的连锁关系 四、易位在进化中的意义易位有助于物种的进化与形成。例 1、直果曼陀罗（ Datura stramonium） 的许多变系就是不同染色体的易位纯合体。直果曼陀罗（ 2n=24） 各变系的特点是整臂易位。以数字代表两个臂，以某一系为原型一系，则染色体的组成为1 2， 3 4， 5 6， -， 23 24， “ ”代表着丝点对比发现：一次易位原型二系是 1 18和 2 17的易位纯合体；原型四系是 3 21和 4 22的易位纯合体；94变系是 1 14、 2 17和 13 18的易位纯合体；17变系是 9 13、 10 24和 14 23的易位纯合体。 现已查明，有近 100个变系是通过易位形成的易位纯合体，它们的外部形态都彼此不同。例 2、易位还可以造成染色体数目的变异，从而形成新的物种。罗伯逊 （ Robertson） 易位 ：罗伯逊（ Robertson） 易位的易位杂合体自交，就会出现染色体数目的多种变化。菊科植物的还阳参属（Crepis） 中某些 n=3， 4， 5，6， 7， 8等染色体数目不同的种，便是通过这种途径形成的。第五节 染色体结构变异的应用一、利用缺失进行基因定位 利用缺失造成的假显性现象，可以进行基因定位。 二、利用重复研究基因的剂量效应1965年美国人 Hagberg， A. 利用大麦易位创造了重复，重复区段是 淀粉酶基因，由于基因剂量的增加，使育成的大麦品种 淀