讲稿5连锁遗传分析与染色体作图.doc

第五章 连锁遗传分析5.1 性染色体与性别决定位于一对同源染色体上的非等位基因间的遗传关系以及性染色体上基因的遗传 一、性染色体的发现性染色体(sex chromosome)成对染色体中直接与性别决定有关的一个或一对染色体。成对性染色体往往是异型的：形态、结构、大小、功能上都有所不同。常染色体(autosome, A)同源染色体是同型的。例：果蝇(Drosophila melangaster, 2n=8)染色体组成与性染色体。 性染色体与性别决定.swf二、性染色体决定性别的几种类型1 雄杂合型(XY型)：两种性染色体分别为X、Y；雄性个体的性染色体组成为XY(异配子性别)，产生两种类型的配子，分别含X和Y染色体；雌性个体则为XX(同配子性别)，产生一种配子含X染色体。性比一般是1:1。XO型：与XY型相似，但只有一条性染色体X；雄性个体只有一条X染色体(XO，不成对)，它产生含X染色体和不含性染色体两种类型的配子；雌性个体性染色体为XX。如：蝗虫、蟋蟀。3雌杂合型(ZW型)：两种性染色体分别为Z、W染色体；雌性个体性染色体组成为ZW(异配子性别)，产生两种类型的配子，分别含Z和W染色体；雄性个体则为ZZ(同配子性别)，产生一种配子含Z染色体。性比一般是1:1。 三、性别决定畸变1 果蝇性别决定畸变果蝇的性别决定与Y染色体有无与数目无关，而是由X染色体与常染色体的组成比例决定。其中：X：A=1雌性 X:A=0.5雄性X：A大于1的个体将发育成超雌性，小于0.5时发育成超雄性，介于两者则为间性(inter sex)；并伴随着生活力、育性下降。2 人类性别决定畸变.人类也存在由于性染色体组成异常而产生的性别畸变现象，对这些畸变现象的研究表明：与果蝇不同，人类的性别主要取决于是否存在Y染色体。几种常见的人类性别畸变与症状表现：XO型(2n=45): 表现为女性，但出现唐纳氏(Turners)综合症；性别为女性，身材矮小(120-140cm)，蹼颈、肘外翻和幼稚型生殖器官；部分表现为智力低下；卵巢发育不全、无生育能力。XXY型(2n=47): 表现为男性，但出现克氏(Klinefelters)综合症；性别为男性，身材高大，第二性征类似女性，一般智力低下，睾丸发育不全、无生育能力。XYY型(2n=47)：性别为男性，智力稍差(也有智力高于一般人的)、较粗野、进攻性强，有生育能力。 四、其它类型的性别决定1 染色体倍数性决定蜜蜂等膜翅目的昆虫：性别取决于染色体的倍数性，并受到环境影响。雄蜂为单倍体，孤雌生殖产生，形成配子时不进行减数分裂；雌蜂(蜂王)为二倍体，受精卵发育而来，并在幼虫期得到足够的蜂王浆(5天)；如果幼虫期仅得到2-3天蜂王浆则发育为工蜂。2 植物性别决定对于植物而言，存在性染色体决定个体性别(如雌雄异株的蛇麻XY型性别决定)的类型；也可能是由少数几对等位基因控制的个体性别。例如：正常情况下玉米为雌雄同株异花。Ba基因突变会导致雌花序不能正常发育形成；Ts基因突变会导致雄花序不能正常发育(发育成顶端雌花序)。环境对性别的影响与决定（）环境对性别决定的作用主要表现在遗传作用的基础上的修饰性作用，例如：蜂王()与工蜂形成的差异； 牝鸡司晨现象； 雌雄同株异花植物的花芽分化；等。（）少数情况下，环境也会超越遗传作用而决定性别：有些蛙类性别决定是XY型：蝌蚪在20以下环境发育时性别由其性染色体决定；但在30条件下XX和XY个体均会发育成雄性个体。 恐龙的灭绝与此有关吗？5.2 性连锁遗传(sex linkage)性连锁：也称为伴性遗传 (sex-linked inheritance)，指位于性染色体上的基因所控制的某些性状总是伴随性别而遗传的现象；特指X或Z染色体上基因的遗传。 一、摩尔根关于果蝇伴性遗传的研究1910年摩尔根等在研究果蝇性状遗传时最先发现性连锁现象，研究结果同时还最终证明了基因位于染色体上。果蝇的眼色不仅受pr+/pr基因控制(红眼对紫眼显性)； 还受另一对基因W/w控制(红眼对白眼为显性)。解释：眼色基因(W, w)位于X染色体上，而Y染色体上没有决定眼色的基因，XwY的表现型为白眼。果蝇眼色基因W/w的遗传果蝇眼色：红眼(W)对白眼(w)为显性；P： 红眼() 白眼() F1： 红眼() F2：红眼（/） ： 白眼()红：白=3：1，：=1：1，隐性的白眼性状只在雄蝇中出现为了证明F1中雌果蝇从父本得到的是带w基因的X染色体(Xw)；摩尔根等进行了下述测交试验：以F1中的雌性果蝇为母本；表型为白眼的雄果蝇为父本。测交结果(Ft表现)： 红眼()(XWXw) 红眼()(XWY) 白眼()(XwXw) 白眼()(XwY)交叉遗传(criss-cross inheritance)：母亲把性状传给儿子，父亲把性状传给女儿。二、人类的伴性遗传携带者（Carrier）半合子（hemizygote）第一性比 男胎儿:女胎儿120 : 100第二性比 男婴:女婴 （103105）: 100第三性比 男青年:女青年 1 : 1（一夫一妻制）老翁: 老妪 62:100（男性仅有一条X染色体的缘故？） (85岁)1 伴X显性遗传： e.g. Vitamin D resistant rickets(1)患者女性多于男性； (2)每代都有患者； (3)男性患者的女儿都为患者； (4)女性患者的子女患病的机会为1/2。2 伴X隐性遗传：例如红绿色盲、A型血友病（Haemophilia A）等。InheritanceSex-linkedIncidence1:5000 malesClinical featuresJoint bleeding, Muscle bleeding, Cerebral haemorrhageInvestigationFactor VIII low or absentMolecular geneticsMutations at factor VIII locus Xq28X连锁隐性遗传病的遗传特点：人群中男性患者远较女性患者多，系谱中往往只有男性患者；双亲无病时，儿子可能发病，女儿则不会发病；儿子如果发病，母亲肯定是一个携带者，女儿也有1/2的可能性为携带者；男性患者的兄弟、外祖父、舅父、姨表兄弟、外甥、外孙等也有可能是患者；如果女性是一患者，其父亲一定也是患者，母亲一定是携带者。3 Y连锁遗传 例如：毛耳缘遗传姓氏基因：中国人的姓氏与遗传基因之间有着密切的关系，姓氏的传递方式与代表人类男性的Y染色体的遗传方式相同，姓氏以其特殊的血缘文化，记录了中国人五千年父系社会的进化史。中国人姓氏几乎都以父传子的垂直方式世代相传，故姓氏形成了Y染色体上的一个特殊遗传位点，每个姓氏相当于这个位点上的一种等位基因。三、鸡的伴性遗传ZW性别决定型的Z染色体性连锁遗传。 与X染色体上基因的遗传非常相似； 只是在与性别关系上是相反的。 例：鸡的芦花条纹遗传。 四、从性遗传从性遗传(sex-controlled inheritance)，也称为性影响遗传(sex-influenced inheritance)：控制性状的基因位于常染色体上，但其性状表现受个体性别影响的现象。从性遗传的实质是常染色体上基因所控制的性状受到性染色体遗传背景和生理环境(内分泌等因素)的影响。例：绵羊角的从性遗传。H/h基因位于常染色体上。基因型雄性雌性H/H有角有角H/h有角无角h/h无角无角人的秃头性状也表现为类似的遗传现象。5.3 剂量补偿效应（dosage compensation effect）一、Barr小体1949年，Barr等人发现：sex-chromatin body 二、剂量补偿效应1 剂量补偿效应指在XY性别决定机制的生物中，使性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。也就是说，在雌性和雄性细胞里，由X染色体编码产生的酶或其他蛋白质产物在数量上相等或近乎相等。2 两种情况：（1）X染色体的转录速度不同（2）雌性细胞中有一条染色体是失活的。（哺乳类和人类）。 三、Lyon假说（X染色体失活假说）英国遗传学家Mary Lyon 在1961年首先提出了X染色体失活假说，即Lyon假说，其要点是：雌性哺乳动物细胞内只有一条X染色体有活性，另一条失活并固缩，后者在间期细胞表现为性染色质；失活发生在胚胎的早期；失活是随机的，即失活的X染色体既可来自父亲也可来自母亲，但一个细胞某条X旦失活，由该细胞繁衍而来的子细胞都具有同一条失活的X染色体。后知，X染色体失活发生在囊胚期，约在妊娠16天左右。四、X染色体失活的分子机制现在知道，失活的一条XX染色体上的基因并非全都失活，如已知Xg血型基因、寻常牛皮癣基因等是不失活的。X失活中心五、应用：当怀疑有X染色体异常时，可以通过用性染色质检查作出初步诊断。例如，X染色质在XO时为0，正常女性为1，XXY患者为1，XXX患者为2。5.4 连锁基因的交换和重组（linkage gene）孟德尔定律的例外位于一对同源染色体上的非等位基因间的遗传关系 一、连锁现象的发现根据遗传的染色体学说与独立分配规律：位于非同源染色体上的非等位基因遗传时独立分配；如果有一些基因位于同一染色体上，必然会出现非独立分配的现象，否则各种性状的数目(基因对数)就不能超过细胞内染色体对数。在1906年，科学家贝特生等在研究香豌豆的两对相对性状时，发现同一亲本的两种性状，在杂交后代中，比较多地连在一起出现，并不按照孟德尔自由组合规律的比例发生分离，这使他们感到非常困惑，甚至对孟德尔的遗传规律产生怀疑。美国的遗传学家摩尔根(T. H. Morgan，1866-1945) 和他的同事(1910)用果蝇做实验材料，进行了大量的遗传学研究，终于解开了人们心中的疑团，这不仅证实了孟德尔的遗传规律的正确性，并且丰富发展了关于两对(或两对以上)基因的遗传理论，提出了遗传的第三个规律-基因的连锁互换规律，并创立基因论(theory of the gene)。摩尔根等的果蝇(Drosophila melanogaster)遗传试验雄果蝇的完全连锁 眼色与翅长的连锁遗传：眼色：灰身(b+)对黑身(b)为显性；翅长：长翅(vg+)对残翅(vg)为显性。结果：1：1雌果蝇的不完全连锁F1形成四种类型的配子；0.42：0.08：0.42：0.08但比例显然不符合1:1:1:1，且亲本类型配子明显多于重组型配子；两种亲本型配子数大致相等，两种重组型配子数也大致相等。连锁遗传现象的解释连锁遗传规律：连锁遗传的相对性状是由位于同一对染色体上的非等位基因间控制，具有连锁关系，在形成配子时倾向于连在一起传递；交换型配子是由于非姊妹染色单体间交换形成的。控制果蝇眼色和翅长的两对非等位基因位于同一同源染色体上。二、完全连锁和不完全连锁 1 完全连锁 (complete linkage)： 如果连锁基因的杂种F1(双杂合体)只产生两种亲本类型的配子，而不产生非亲本类型的配子，就称为完全连锁。2 不完全连锁 (incomplete linkage)： 指连锁基因的杂种F1不仅产生亲本类型的配子，还会产生重组型配子。3 交换(crossover)与不完全连锁的形成重组合配子的产生是由于：减数分裂前期 I 同源染色体的非姊妹染色单体间发生了节段互换。(基因论的核心内容)(1)同一染色体上的各个非等位基因在染色体上各有一定的位置，呈线性排列；(2)染色体在间期进行复制后，每条染色体含两条姊妹染色单体，基因也随之复制；(3)同源染色体联会、非姊妹染色单体节段互换，导致基因交换，产生交换型染色单体；(4)发生交换的性母细胞中四种染色单体分配到四个子细胞中，发育成四种配子(两种亲本型、两种重组合型/交换型)。(5)相邻两基因间发生断裂与交换的机会与基因间距离有关：基因间距离越大，断裂和交换的机会也越大。(6)重组型配子的比例 尽管在发生交换的性母细胞所产生的配子中，亲本型和重组型配子各占一半，但是双杂合体所产生的四种配子的比例并不相等，因为并不是所有的性母细胞都发生两对基因间的交换。 重组型配子比例是发生交换的性母细胞比例的一半，并且两种重组型配子的比例相等，两种亲本型配子的比例相等。 连锁交换定律连锁：处在同一染色体上的两个或两个以上基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率。交换：重组类型的产生是由于配子形成过程中，同源染色体的非姐妹染色单间发生了局部交换的结果。连锁群(linkage group)：存在于同一染色体上的基因，组成一个连锁群。连锁群的数目：一种生物连锁群的数目与染色体的对数是一致的。即有n对染色体就有n个连锁群，如水稻有12对染色体，就有12个连锁群。人类: 24个（22 autosome+X+Y）Linkage and cross-overLinkage is the tendency for alleles of different genes to be passed together from one generation to the next. Only genes situated on the same chromosome can show linkage. Genes on non-homologous chromosomes are, by definition, unlinked and always show 50% recombination. Parental gametes carry the same set of alleles as were inherited together from one parent. Recombinant gametes carry alleles derived from both parents.The degree of linkage between two genes depends on the frequency of cross-overs that occur between them during meiosis. The closer they are together the less likely a cross-over will occur between them. Groups of genes that are linked are called linkage groups.5.5 遗传的第三定律一、交换的细胞学证据二、遗传的第三定律重组频率（recombiantion frequency, RF）的计算：RF=重组型数目/总数目重组频率，又称交换值(cross-over value)或，重组值，是指重组型配子占总配子的百分率。即： 重组频率（玉米为例）。 多线交换与最大交换值双交换（Double crossingover）fig 5-15 双交换分析，双交换的特点（1）双交换概率显著低于单交换的概率。如果两次同时发生的交换互不干扰，各自独立，则双交换发生的概率是两个单交换概率的乘积。（2）3个连锁基因发生双交换的结果，旁侧基因无重组。最大交换值0.5三大定律的关系分离律是自由组合定律和连锁定律的基础，而后两者又是生物体遗传的性状发生变异的主流。自由组合的基因是由不同源的染色体所传递，重组类型是由染色体间重组（interchromosomal recombination）造成。连锁交换则是由同源染色体所传递，是染色体内重组(intrachromosomal recombination)产生。自由组合受到生物染色体对数的限制，连锁交换则受到染色体本身长度的限制。染色体上的突变越多，由交换而产生的重组类型的数量也越大。自由组合是有限的，连锁交换限度较小。5.6 染色体作图1 基因直线排列原理和相关概念基因定位(gene mapping/ localization / location)：根据重组值确定不同基因在染色体上的相对位置和排列顺序的过程。 广义的基因定位有三个层次：染色体定位(单体、缺体、三体定位法)；染色体臂定位(端体分析法)；连锁分析(linkage analysis)。 染色体图（chromosome map)：基因连锁图(linkage map)或遗传图(genetic map)。根据基因之间的交换值（或重组值），确定连锁基因在染色体上的相对位置而绘制的简单线性示意图。 图距：centimorgan，cM，1cM=1%重组值（map unit）去掉%的数值。 交换值与遗传距离 1.非姊妹染色单体间交换数目及位置是随机的； 2.两个连锁基因间交换值的变化范围是0,50%，其变化反映基因间的连锁强度、基因间的相对距离；两基因间的距离越远，基因间的连锁强度越小，交换值就越大；反之，基因间的距离越近，基因间的连锁强度越大，交换值就越小。3.通常用交换值/重组率来度量基因间的相对距离，也称为遗传距离(genetic distance)。通常以1%的重组率作为一个遗传距离单位/遗传单位。 centiMorgan (cM)两对基因间的排列次序 根据两个基因位点间的交换值能够确定两个基因间的相对距离，但并不能确定基因间的排列次序。一次基因定位工作常涉及三对或三对以上基因位置及相互关系。例：玉米糊粉层有色C/无色c基因、籽粒饱满Sh/凹陷sh基因均位于第九染色体上；且C-Sh基因间的交换值为3.6%。根据上述信息可知： C-Sh间遗传距离为3.6个遗传单位； 但不能确定它们在染色体上的排列次序，因而有两种可能的排列方向，如下图所示： 2 基因定位（连锁分析）的主要方法： （1）两点测交(two-point testcross) 通过三次测验，获得三对基因两两间交换值、估计其遗传距离；每次测验两对基因间交换值；根据三个遗传距离推断三对基因间的排列次序。例：三个连锁基因：a, b, c 通过三次亲本间两两杂交，杂种F1与双隐性亲本测交，考察测交子代的类型与比例。 计算三对基因两两间的交换值,估计基因间的遗传距离。a-b：X，b-c：Y，a-c：Z（=X+Y or X-Y？） 根据基因间的遗传距离确定基因间的排列次序并作连锁遗传图谱。C-Sh: 3.6 Wx-Sh: 20 Wx-C: ? (两种可能排列）两点测交的局限性工作量大，需要作三次杂交，三次测交； 不能排除双交换的影响，准确性不够高。当两基因位点间超过五个遗传单位时，两点测验的准确性就不够高。 （2）三点测交(three-point testcross)一次测验就考虑三对基因的差异，从而通过一次测验获得三对基因间的距离并确定其排列次序。将3个基因包括在同一次交配中例如，用3个基因的杂合体abc/+与3个基因的隐性纯合体做测交。一次3点测交=3次2点测交 三点测交的意义：比两点测交方便、准确，1次三点测交相当于3次两点测交；发现双交换；证实了基因在染色体上直线排列。三点测交试验举例（果蝇） 先只考虑两个基因对间的重组，而把第三个基因对暂时忘掉。三点测交结果总结 计算基因间的交换值，绘制连锁遗传图。 交换频率ec-cv: 10.2%, cv-ct: 8.4%, ec-ct: 18.4%，双交换：0.1% ec-cv-ct 三点测交基因顺序的简单确定 在任何三点测交试验中，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判断这三个基因的顺序。用两种双交换型配子与两种亲本型配子比较： 双交换配子与亲本型配子中不同的基因（改变了位置的基因）一定位于中间。双交换与校正 由于双交换实际上在两个区域均发生交换，所以在估算每个区域交换值时，都应加上双交换值，才能够正确地反映实际发生的交换频率。 用双倍双交换值来校正。 例：交换频率ec-cv: 10.3%, cv-ct: 8.4%, ec-ct: 18.4% 双交换：0.15% ec-cv: 18.4%+2*0.15% 3 干涉和并发1）理论双交换值连锁与互换的机理表明：染色体上除着丝粒外，任何一点均有可能发生非姊妹染色单体间的交换。但是相邻两个交换是否会发生相互影响呢？ 如果相邻两交换间互不影响，即交换独立发生，那么根据乘法定理，双交换发生的理论频率(理论双交换值)应该是两个区域交换频率(交换值)的乘积。 2）干涉(interference)： 实际双交换值低于理论双交换值，这是由于两个基因间一旦发生一次交换后就会影响另一个区域交换的发生，使双交换的频率下降。 这种现象称为干涉(interference)，或干扰：一个交换发生后，它往往会影响其邻近交换的发生。其结果是使实际双交换值不等于理论双交换值。 3）并发系数(coefficient of coincidence，C) 为了度量两次交换间相互影响的程度，提出了并发系数的概念。用以衡量两次交换间相互影响的性质和程度。 并发系数C=观察到的双交换率/两个单交换率的乘积 4）大图距的准确计算-作图函数的推导和应用 大于50个遗传单位的遗传距离说明什么？ 5.7 人类基因组的染色体作图人类基因组包括细胞核内的基因组及细胞质内线粒体基因组，它们大致结构如图。一、人类基因定位方法基因定位基因组是生物的生殖细胞中所含全部基因的总和。人类基因组具有极其复杂的结构，其编码蛋白质的结构基因大约有100,000个，每个单倍体DNA含有3.2109 bp，分布在24条常染色体和X，Y性染色体上。此外，还含有大量的非编码的重复DNA序列。基因定位（gene location）是用一定的方法将基因确定到染色体的实际位置。这是现代遗传学的重要研究内容之一。将不同的基因确定于染色体的具体位置之后，即可绘制出基因图（gene map）。有两种基本方式制作人类染色体的基因图：即物理作图和遗传作图。物理作图（physical mapping）是从DNA分子水平制作基因图。它表示不同基因（包括遗传标记）在染色体上的实际距离，是以碱基对为衡量标准，所以物理图谱（physical map）最终是以精确的DNA碱基对顺序来表达，从而说明基因的DNA分子结构。从细胞遗传学水平，用染色体显带等技术在光学显微镜下观察，将基因定位不同染色体的具体区带，又称区域定位（regiona assignmer），而把基因只定位到某条染色体上称为染色体定位（chromosomal assignment）。这个水平上的基因图谱又称细胞遗传图（cytogenetical map）。分辨率可达5Mb至1Mb。遗传作图（genetic mapping）是以研究家族的减数分裂，以了解两个基因分离趋势为基础来绘制基因座位间的距离，它表明基因之间连锁关系和相对距离，并以重组率来计算和表示，以厘摩（cM）为单位。两个遗传座位间1的重组率即为1厘摩。人类精细的遗传图水平可达1cM即100kb(1Mb)左右。方法1家系分析法家系的连锁分析首先要从群体中选择适合的家系，要求被挑选家系中双亲之一或两个为双杂合体，并且注意双杂合体家系要随机抽样，避免产生偏倚。同时必须剔除下列几种家系： （1）双亲性状不能在子代中得到分离的，如GgTtGGTT； （2）家庭中仅有一个子代的； （3）亲本之一的基因型不明或死亡的。在三代系谱中较容易确定子代是否发生基因重组，可直接计算重组值。2 基因剂量效应法3 DNA介导的基因定位当前较常用的基因定位有：荧光原位杂交、放射杂交体、脉冲场电泳、染色体步移、定位克隆等。4 体细胞杂交定位法1968年 Donahue 发现 No.1染色体着丝粒区异常与Duffy血型( Fy )相关 体细胞是生物体除生殖细胞外的所有细胞。 细胞杂交又称细胞融合（cell fusion），是将来源不同的两种细胞融合成一个新细胞。 大多数体细胞杂交是用人的细胞与小鼠、大鼠或仓鼠的体细胞进行杂交。这种新产生的融合细胞称为杂种细胞（hybrid cell），含有双亲不同的染色体。杂种细胞有一个重要的特点是在其繁殖传代过程中出现保留啮齿类一方染色体而人类染色体则逐渐丢失，最后只剩一条或几条(一般情况下)。 这种仅保留少数甚至一条人染色体的杂种细胞正是进行基因连锁分析和基因定位的有用材料。由于人和鼠类细胞都有各自不同的生化和免疫学特征，Miller等运用体细胞杂交并结合杂种细胞的特征，证明杂种细胞的存活需要胸苷激酶（TK）。但凡含有人第17号染色体的杂种细胞都因有TK活性而存活，反之则死亡。从而推断TK基因定位于第17号染色体上（表）。这是首例用细胞杂交法进行的基因定位。由此可见，研究基因定位时，由于有杂种细胞这一工具，只需要集中精力于某一条染色体上，就可找到某一基因座位。基因定位的应用基因定位和基因图对遗传学、医学和人类及生物进化的研究都有十分重要的意义。它可提供遗传病和其他疾病的诊断的遗传信息，可以指导对这些疾病的致病基因的克隆和对病症病因的分析与认识，这些又取决于遗传图和物理图的相互依赖关系。通过多态位点标记进行连锁分析获得物理图的位置有助于遗传作图，同时通过连锁分析（部分有减数分裂的交换）又能指导物理作图，使基因定位更为精细。1 连锁分析检测基因突变指导遗传病的诊断2 连锁分析进行致病基因的鉴别与定位3 促进对癌基因和瘤抑制基因的定位与克隆4 位置克隆与基因定位二、人类基因组计划1990年美国正式开始实施人类基因组作图及测序计划。测定和分析人体基因组全部