染色体和连锁群.ppt

第六章染色体和连锁群 第一节连锁与交换Section3 1LinkageandCrossingOver 一 连锁遗传现象二 连锁遗传的解释三 完全连锁与不完全连锁四 交换与不完全连锁的形成五 重组型配子的比例六 交换的细胞学证据 一 连锁遗传现象 一 香豌豆 Lathyrusodoratus 两对相对性状杂交试验 花色 紫花 P 对红花 p 为显性 花粉粒形状 长花粉粒 L 对圆花粉粒 l 为显性 1 紫花 长花粉粒 红花 圆花粉粒 2 紫花 圆花粉粒 红花 长花粉粒 组合一 紫花 长花粉粒 红花 圆花粉粒 组合一 紫花 长花粉粒 红花 圆花粉粒 结果 F1两对相对性状均表现为显性 F2出现四种表现型 F2四种表现型个体数的比例与9 3 3 1相差很大 并且两亲本性状组合类型 紫长和红圆 的实际数高于理论数 而两种新性状组合类型 紫圆和红长 的实际数少于理论数 组合二 紫花 圆花粉粒 红花 长花粉粒 组合二 紫花 圆花粉粒 红花 长花粉粒 结果 F1两对相对性状均表现为显性 F2出现四种表现型 F2四种表现型个体数的比例与9 3 3 1相差很大 并且两亲本性状组合类型 紫圆和红长 的实际数高于理论数 而两种新性状组合类型 紫长和红圆 的实际数少于理论数 二 连锁遗传现象 杂交试验中 原来为同一亲本所具有的两个性状在F2中不符合独立分配规律 而常有连在一起遗传的倾向 这种现象叫做连锁 linkage 遗传现象 相引相 couplingphase 与相斥相 repulsionphase 二 连锁遗传的解释 为什么F2不表现9 3 3 1的表现型分离比例 一 每对相对性状是否符合分离规律 二 非等位基因间是否符合独立分配规律 三 摩尔根等的果蝇遗传试验 四 连锁遗传现象的解释 一 每对相对性状是否符合分离规律 二 两对相对性状自由组合 测交法 测定杂种F1产生配子的种类和比例赫钦森 C B Hutchinson 1922 玉米测交试验籽粒颜色 有色 C 无色 c 籽粒饱满程度 饱满 Sh 凹陷 sh 相引相测交试验 相斥相测交试验 试验结果分析 F1产生的四种类型配子比例不等于1 1 1 1 亲本型配子比例高于50 重组型配子比例低于50 亲本型配子数基本相等 重组型配子数也基本相等 测交 相引相 测交 相斥相 三 摩尔根等的果蝇遗传试验 果蝇 Drosophilamelanogaster 眼色与翅长的连锁遗传 眼色 红眼 pr 对紫眼 pr 为显性 翅长 长翅 vg 对残翅 vg 为显性 相引相杂交与测交相斥相杂交与测交结果 F1形成四种类型的配子 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 果蝇眼色与翅长连锁遗传 相引相 Ppr pr vg vg prprvgvg F1pr prvg vg prprvgvg 测交 Ftpr prvg vg1339prprvgvg1195pr prvgvg151prprvg vg154 果蝇眼色与翅长连锁遗传 相斥相 Ppr pr vgvg prprvg vg F1pr prvg vg prprvgvg 测交 Ftpr prvg vg157prprvgvg146pr prvgvg965prprvg vg1067 四 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 即 相引相中 pr vg 连锁在一条染色体上 而prvg连锁在另一条染色体 杂种F1一对同源染色体分别具有pr vg 和prvg 三 完全连锁和不完全连锁 完全连锁 completelinkage 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 例如雄果蝇和雌家蚕中通常不发生交换 连锁基因完全连锁 不发生重组 不完全连锁 incompletelinkage 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 完全连锁 completelinkage AB ab 不完全连锁 incompletelinkage C Sh基因间的连锁与交换 四 交换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 连锁与交换的遗传机理 PF1 复制 同源染色体联会 偶线期 非姊妹染色单体交换 偶线期到双线期 终变期四分体 五 重组型配子的比例 1 尽管在发生交换的孢 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 因为并不是所有的孢母细胞都发生两对基因间的交换 2 重组型配子比例是发生交换的孢母细胞比例的一半 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 重组型配子的比例 六 交换的细胞学证据 第二节交换值及其测定Section3 2DeterminingofCrossing overValue 一 交换值的概念二 交换值的测定三 交换值与遗传距离四 影响交换值的因素 一 交换值的概念 交换值 cross overvalue 也称重组率 重组值 是指重组型配子占总配子的百分率 即 亲本型配子 重组型配子 用哪些方法可以测定各种配子的数目 二 交换值的测定 一 测交法测交后代 Ft 的表现型的种类和比例直接反映被测个体 如F1 产生配子的种类和比例 相引相与相斥相的测交结果 C Sh相引相的交换值为3 6 C Sh相斥相的交换值为3 0 二 自交法测交法与自交法的应用比较 自交法的原理与过程 以香豌豆花色与花粉粒形状两对相对性状 P L交换值测定为例 C Sh基因间的连锁与交换 香豌豆P L基因间交换值测定 1 设F1产生的四种配子PL Pl pL pl的比例分别为 a b c d 则有 a b c d 1a d b c 香豌豆P L基因间交换值测定 2 F2的4种表现型 9种基因型 及其理论比例为 P L PPLL PPLl PpLL PpLl a2 2ab 2ac 2bc 2adP ll PPll Ppll b2 2bdppL ppLL ppLl c2 2cdppll d2 d2 香豌豆P L基因间交换值测定 3 而F2中双隐性个体 ppll 的实际数目是可出直接观测得到的 本例中为1338 其比例也可出直接计算得到 1338 6952 因此有 香豌豆P L基因间交换值测定 4 相斥相的分析 三 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 geneticdistance 通常以1 的重组率作为一个遗传距离单位 遗传单位 四 影响交换值的因素 1 年龄对交换值的影响老龄雌果蝇的重组率明显下降 2 性别对交换值的影响雄果蝇和雌家蚕的进行减数分裂时很少发生交换 3 环境条件对交换值的影响高等植物的干旱条件下重组率会下降 而的温度过高或过低的情况下 其重组率会增加 4 交换值的遗传控制交换的发生也受遗传控制 如在大肠杆菌中 recA recA RecA 重组酶 第三节基因定位与连锁遗传图 一 连锁分析的方法二 干扰和符合三 连锁遗传图 基因定位 基因定位 genelocation localization 确定基因在染色体上的相对位置和排列次序 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 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 因此 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 两对基因间的排列次序 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 一 连锁分析的方法 基因连锁分析的主要方法 一 两点测验 two pointtestcross 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 二 三点测验 three pointtestcross 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 两点测验 步骤 1 3 1 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 例 玉米第9染色体上三对基因间连锁分析 子粒颜色 有色 C 对无色 c 为显性 饱满程度 饱满 SH 对凹陷 sh 为显性 淀粉粒 非糯性 Wx 对糯性 wx 为显性 1 CCShSh ccshsh F1 ccshsh 2 wxwxShSh WxWxshsh F1 wxwxshsh 3 wxwxCC WxWxcc F1 wxwxcc 两点测验的3个测交结果 两点测验 步骤 2 3 2 计算三对基因两两间的交换值估计基因间的遗传距离 两点测验 步骤 3 3 3 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 6Wx Sh 20Wx C 22 两点测验 局限性 1 工作量大 需要作三次杂交 三次测交 2 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 三点测验 步骤 1 7 2 7 仍以玉米C c Sh sh Wx wx三对基因连锁分析为例 在描述时用 代表各基因对应的显性基因 1 用三对性状差异的两个纯系作亲本进行杂交 测交 P 凹陷 非糯性 有色 饱满 糯性 无色shsh wxwxcc F1及测交 饱满 非糯性 有色 凹陷 糯性 无色 sh wx cshshwxwxcc 2 考察测交后代的表现型 进行分类统计 在不完全连锁的情况下测交后代有多少种表现型 3 按各类表现型的个体数 对测交后代进行分组 4 进一步确定两种亲本类型和两种双交换类型 三点测验 步骤 3 7 4 7 三点测验 步骤 5 7 5 确定三对基因在染色体上的排列顺序 用两种亲本型配子与两种双交换型配子比较 双交换配子与亲本型配子中不同的基因位点位于中间 如 wxc与shwxc相比只有sh位点不同 因此可以断定sh位点位于wx和c之间 同理 sh 与 相比也只有sh位点不同 也表明sh位点位于wx和c之间 基因间排列顺序确定 三点测验 步骤 6 7 6 计算基因间的交换值 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 三点测验 步骤 7 7 7 绘制连锁遗传图 Sh位于wx与c之间 wx sh 18 4sh c 3 5wx c 21 9 两个思考问题 1 三点测验考虑到了wx与c之间的双交换值 应该比两点测验得到的遗传距离更大 但事实上变小了 为什么 2 各种方法在各次试验中测定的交换值 遗传距离都不相同 倒底哪一个最能反映基因间的遗传距离 如何选择 二 干扰和符合 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 例 wxshc三点测验中 wx和c基因间理论双交换值应为 0 184 0 035 0 64 二 干扰和符合 2 干扰 interference 测交试验的结果表明 wx和c基因间的实际双交换值为0 09 低于理论双交换值 这是由于wx sh间或sh c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 这种现象称为干扰 interference 或干涉 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 为了度量两次交换间相互影响的程度 提出了符合系数的概念 符合系数 coefficientofcoincidence 符合系数也称为并发系数 用以衡量两次交换间相互影响的性质和程度 例如前述中 符合系数 0 09 0 64 0 14 符合系数的性质 真核生物 0 1 正干扰 某些微生物中往往大于1 称为负干扰 三 连锁遗传图 linkagemap 连锁遗传图 linkagemap 遗传图谱 geneticmap 定义 存在于同一染色体上的基因 组成一个连锁群 linkagegroup 把一个连锁群的各个基因之间的距离和顺序标志出来 就能形成 绘 连锁遗传图 特点 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 三 连锁遗传图 linkagemap 2 连锁群的数目 连锁群的数目不会超过染色体的对数 但暂时会少于染色体对数 因为资料积累的不多 3 遗传作图的过程与说明 要以最先端的基因点当作0 依次向下排列 以后发现新的连锁基因 再补充定出位置 如果新发现的基因位置应在最先端基因的外端 那就应该把0点让给新的基因 其余基因的位置要作相应的变动 玉米的连锁遗传图 第四节真菌的遗传分析 链孢霉 Neurosporacrassa 的生活史链孢霉Neurospora是真菌 属于子囊菌纲 在遗传研究上应用极广 这类真菌特别有利之处在于它们一方面行有性生殖 具有跟高等动植物行为相象的染色体 另一方面又象细菌那样有较短的生活周期 链孢霉的有性生殖周期只要10天 能在含碳源和某些无机盐的简单培养基中生长 链孢霉 Neurosporacrassa 是一种丝状真茵 生活史相当复杂 图6 2 培养的链孢霉是由许多分枝的细丝即菌丝组成的 菌丝由隔壁分成隔 每隔有近百个单倍体核 它们的生殖方式通常是无性的 菌丝体发出气生菌丝 长出无性孢子 叫做分生孢子 有的是单核的小分生孢子 有的是多核的大分生孢子 分生孢子萌发出新的菌丝 有性生殖只有在两个不同交配型菌株一起生长时才会进行 在固体琼脂上 两个菌株都形成许多雌性生殖结构 称为原子囊壳 原子囊壳是菌丝的圆形聚合物 包有特殊的菌丝 向空间伸展成为受精丝 不同交配型的小分生孢子 有时甚至一根菌丝体 与受精丝相接触时就发生受精作用 准备进行融合受精细胞的核移至受精丝下部 进入称为产囊体的特殊菌丝中去 这时细胞核的变化是很复杂的 实际上两种交配型的细胞核都进行分裂 成对的不同交配型的细胞核分到许多产囊菌丝中去 接着在每条产囊菌丝中都发生下列过程 由每种交配型的一个核共同形成子囊原始细胞 这两个核在伸长的细胞中融合成二倍体细胞核 二倍体细胞核立即进行减数分裂 减数分裂的四个产物再进行有丝分裂 在一个子囊中形成四对子囊孢子 同时 其他菌丝形成了一个厚壁包围着产囊菌丝 构成长颈瓶状的子囊壳 特别应当注意的是 每个子囊是一次减数分裂的产物 而每对孢子则是有丝分裂的产物 因此每对孢子的每个成员具有相同的基因型 减数分裂所产生的四个产物即四分体不仅仍保留在一起 而且在子囊中成线状排列 这是一种有顺序的四分体 是提供遗传分析独一无二的非常重要的结构 四分体分析 tetradanalysis 链孢霉的特点是它的四分体是顺序排列的 不仅减数分裂的四个产物在子囊中仍连在一起 而且代表减数分裂四个染色单体的子囊孢子是直线排列的 排列的顺序跟减数分裂中期板上染色单体的定向相同 因此 我们用遗传学方法可以区分每个染色单体 而用细胞学检查方法是办不到的 四分体遗传分析的特殊意义在于 1 能从四分体不同类型出现的相对频率计算连锁关系 2 能计算标记基因与着丝点之间的连锁 3 子囊中子囊孢子严格的交互性表明减数分裂是一个交互过程 4 分析表明 每次交换仅涉及四个染色单体中的两个 而多次交换则可能涉及二价体的两个 三个以至所有四个染色单体 让我们考察一下交配型不同的菌株的杂交结果 二倍体子囊原始细胞是Aa 经减数分裂产生两个A和两个a 再经有丝分裂产生四对子囊孢子 这四对子囊孢子在子囊中有六种排列顺序 表6 3 为了方便起见 我们写出子囊孢子对的基因型而不写单个孢子的基因型 表6 3链孢霉的第一次和第二次分裂分离 Lindegren 1932 关于交配型等位基因A和a分离的数据 他解剖了274个子囊并测定了每一孢子对的交配型 表中是六种可能子囊类型的数值 表6 3中第1和第2种类型的子囊是第一次分裂分离的子囊 因为在第一次减数分裂时带有A基因的两条染色单体移向一极 而带有a基因的另外两条染色单体移向另一极 因此在每一子囊中两个A孢子对相互邻接 两个a孢子对也相互邻接 第3至第6种类型的子囊是第二次分裂分离的子囊 因为要到第二次减数分裂A和a才分离 子囊中相同的孢子对不相邻接 AAAAAM AM AAaa Aaaaaaaa a 第一次分裂分离 AAAAAM aM aaAAaaAaaAaa b 第二次分裂分离 第一次分裂分离 第二次分裂分离 图5 138个子囊孢子排列类型 着丝粒作图 如果减数分裂的产物是随机分布的话 六种类型子囊的分布频率应该相同 而Lindegren得到的数据 表6 3 却清楚地表明并非如此 这是为什么呢 在减数分裂时 带有A和a的同源染色体沿其长度配对 再分裂为染色单体并参与重组 如果二价体在中期板上定向和正常分离的话 在两个同源染色体之间至少应有一个交叉 倘若A位点与着丝点之间没有产生交换 两个等位基因A和两个等位基因a仍将附着在同一个着丝点上 并在第一次减数分裂的后期一起分离 减数分裂就只能产生第l或第2种类型的子囊 换句话说 第一次分裂分离时基因位点与着丝点之间并末发生交换 当A位点与着丝点之间发生交换时 第一次减数分裂后 每个子细胞核得到一条具A和a染色单体的染色体 只有在第二次减数分裂中 每个染色单体分到各子囊孢子去的时候 A和a才相互分离 结果在子囊中 A或a孢子对 或a和A孢子对互相分开 每一个第二次分裂分离的子囊是供试位点与着丝点之间发生一次交换的结果 根据这种特殊情况 就有可能计算某一位点和着丝点之间的重组百分率 重组百分率的标准公式如下 在第一次分裂分离的子囊中 Aa位点与着丝点之间没有重组的染色单体 在第二次分裂分离的子囊中 四条染色单体中有两条 即1 2 发生重组 在所有子囊中重组染色单体数是第二次分裂分离子囊数的2倍 2N2 染色单体的总数是子囊数的4倍 4N1 4N2 这里N1和N2是第一次和第二次分裂分离的子囊数 因此 重组百分率是 这等于第二次分裂分离子囊数百分率的一半 根据Lindegren的数据 我们可以计算A位点和着丝点之间的重组百分率是 自由组合 现在我们考察一下涉及两对等位基因分离的杂交 表6 4是Lindegren从交配型A的野生菌株跟交配型a具有绒毛菌丝体的菌株 杂交中得到的数据 虽然两对等位基因的分离会出现6 6即36种不同的类型 但可以把它减化为七种子囊类型 因为 也可以代表而也可以代表 和表6 4表示七种可能的子囊类型 表6 4链孢霉 Neurosporacrassa 的自由组合 Lindegren在杂交中绒毛菌丝体 f 对正常菌丝体 f 和交配型A对a的分离数据 首先考虑f 和f的分离情况 对f 和f来说 109个子囊中有67个是第二次分裂分离的 所以绒毛位点与着丝点之间的重组百分率是 同样 A位点与着丝点之间的重组百分率是 然后我们再来考虑A和f 位点是在同一条染色体上还是在不同染色体上 它们是连锁的还是自由组合的 这取决于四种不同类型孢子对的分布频率 如果f 和A是紧密连锁的话 我们可以预期亲本型孢子f A和fa占绝对优势 而如果它们位于不同染色体上 则四种类型的孢子数应该相等 根据表6 4我们可以看到四种类型的分布频率相同 因此A和f位点是非连锁的 连锁图可以表示如下 连锁分析 杂交 nic ade其中nic是菸酸依赖型 要在培养基中添加菸酸才能生长 ade是腺嘌呤依赖型 要在培养基中添加腺嘌呤才能生长 上面已讲过 一对基因杂交 有6种不同的子囊型 两对基因杂交 有6 6 36种不同的子囊型 但是可把36种不同的子囊型归纳为7种基本子囊型 这7种子囊型和实得的子囊数列于表6 5 表6 5nic ad得到不同子囊型的后代 1 2 3 4 5 6 7 ad ad ad ad adnicadnic nicadnicadnic nicadnic ad adnic nicadnicadnic nic nicadnic M1M1M1M1M1M2M2M1M2M2M2M2M2M2 PD NPD T T PD NPD T 80819059015 分析方法相同 先算出nic位点和着丝点的重组百分率为 ade和着丝点的重组百分率为 nic和ade之间有三种可能性可以考虑 第一 nic和ade可能位于不同的染色体上 并且是自由组合的 但第一种类型的子囊数大大超过预期 排除了这种可能性 第二 nic和ade可能在同一条染色体上 并位于着丝点的两边 这时它们之间的重组百分率大约应是14 第三 它们在同一条染色体臂上 重组百分率只有4 25 如果nic和ade连锁 其重组百分率用重组孢子数 总孢子数 100的公式来计算 表6 5中 有208个重组孢子对 重组百分率为 因此连锁顺序应该是 注意 9 30 5 05 4 25 5 2 这种差异我们在三点测验时也曾看到 这是因为某些二价体中存在一次以上重组的缘故 第五节人类染色体作图 人类基因定位研究近来发展很快 在研究技术上主要应用体细胞杂交和DNA分析法 但是 对于那些无法以体外培养杂种细胞表达的性状或疾病 就需要借助于家系连锁分析法 这种方法适合于分析基因连锁 基因定位 基因诊断等 一 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