第五章(1)连锁遗传分析.ppt

第五章连锁遗传分析 一 性别决定与性连锁二 连锁遗传的现象和解释 三 连锁和交换机理 四 交换值及其测定 五 基因定位和连锁遗传图 本章重点 第一节性染色体与性别决定 一 性别与性染色体 1 性别 sex 是从酵母菌到人类所有真核生物的共同特征 是长期进化的产物 两性生物中的雌性 雄性 1 这是一个恒定的理论比率 称为性比 sexratio SR 在自然群体中 性别1 1的比率是同一物种内两种性别表型选异交配的结果 性别 作为一种性状 是按孟德尔方式遗传的 因而1 1的性别比是一种测交结果 这意味着某一性别 例如哺乳动物的雌性 在遗传上是纯合体 而另一性别 雄性 则是杂合体 2 性染色体的发现 1891年 Henking用半翅目昆虫蝽进行减数分裂研究 发现雄体的细胞中有11对染色体和1条不配对的单条染色体 就称其为 X 染色体 1902年 C E McClung 麦克朗 等发现并确定了决定性别的染色体 他们采用蝗虫和其他直翅目昆虫为材料 发现在雄虫细胞内有一条单独的 不成对的染色体 在受精时 它决定昆虫的性别 就称其为副染色体 accessorychromosome 1905年 N M Stevens 斯蒂文斯 发现粉虫 Tenebriomolitor 雌雄个体的染色体数目是相同的 但在雄虫中有一对是异源的 大小不同 其中有一条雌性也有 是成对的 另一条雌性没有 Stevens称之为Y染色体 果蝇的染色体 生物染色体可以分为两类 性染色体 sex chromosome 直接与性别决定有关的一个或一对染色体 成对的性染色体往往是异型 即形态 结构 大小和功能都有所不同 常染色体 autosome 其它各对染色体 通常以A表示 常染色体的各对同源染色体一般都是同型 即形态 结构和大小基本相同 如 果蝇n 4雌 3AA 1XX雄 3AA 1XY 二 性别决定的机制 1 性染色体决定性别 性别由性染色体的差异决定 XX XY型性别决定 XY型 性染色体在结构上有X和Y两种形态 人类 哺乳类 某些两栖类和鱼类 多种昆虫和雌雄异株植物属于此类 同配性别XX homogametic sex 是雌性 异配性别XY heterogametic sex 是雄性 X和Y染色体在性别决定中的作用是对等的吗 有些XY型性别决定生物 Y染色体在性别决定中起着重要的作用 如哺乳类 有的XY型性别决定生物 如果蝇 X染色体起重要作用 Y染色体与育性有关 X0型性别决定 XX为雌性 而雄性只有一条X染色体为XO 某些双翅目 半翅目和直翅目的昆虫 如蝗虫 蟋蟀 蟑螂等 植物中花椒也属于该类型 果蝇性别决定的染色体机制 果蝇性别决定的染色体机制是在1921年由C B Bridges通过对不同染色体组成的果蝇性别表型的分析而提出的 ZW型 鸟类 鳞翅目昆虫 某些两栖类及爬行动物属于此类 同配性别ZZ为雄性 异配性别ZW为雌性 与XY相反 ZW型性别决定 Z0型性别决定 雄性为ZZ 雌性为Z0 某些鳞翅目昆虫属于该类型 在玉米中有若干基因可以决定或改变植株的性别 正常的雌雄同株玉米的雌花序由基因Ba控制 雄花序由基因Ts控制 2 基因决定性别 3 染色体组的数目决定性别 蜜蜂等膜翅目的昆虫 性别取决于染色体组的数目 并受到环境影响 工蜂2n 雌雄同株和雌雄同体的生物有性别决定吗 性别决定指在各种因子的调控下性腺的形成 性别分化指在性腺产生的性激素作用下 某些体细胞分化发育成内 外生殖器以及第二性征 三 影响性别发育的环境因素 1 外部环境因素的影响 如蛙类的性别决定类型是XY型 蝌蚪在20 以下的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 在葫芦科的植物里 丰富的氮肥 短的日照和夜晚的低温也有利于雌性的发育 假设有一只雌鸡停止了产卵 并开始向雄鸡转变 最后能和雌鸡交配 这只特殊的雄鸡的性染色体组成应是怎样的 性别的表型是基因型和环境相互作用的结果 环境条件只能影响性别的表型 不能影响性别的基因型 总之 性别受遗传物质控制 通过性染色体的组成 通过性染色体与常染色体二者之间的平衡关系 通过染色体的倍数性等 环境条件可影响甚至转变性别的特征 但不会改变原来决定性别的遗传物质 环境影响性别的转变 主要是性别有向两性发育的特点 如玉米雌雄穗 第二节性连锁遗传分析 伴性遗传 从性遗传 限性遗传 剂量补偿效应 1910年以前 就有许多生物学家推测基因位于染色体上 但缺乏确凿的证据 研究者需要找到一个能确定地与一条染色体连在一起的基因 实现这个目标就要求可以通过一个突变等位基因来鉴别这个基因 而且这条染色体在形态上可加以区别 另外 基因传递的模式必须反映染色体在生殖阶段的行为 摩尔根等人 1910 以果蝇为材料进行试验时发现个别白眼个体 突变产生 试验结果表明白眼性状的遗传与性别相联系 同X染色体的遗传方式相似 性连锁 sexlinkage 指性染色体上基因所控制的某些性状总是伴随性别而遗传的现象 又称伴性遗传 sex linkedinheritance 一 伴性遗传 1 1909年Morgan在自己培养的黑腹果蝇群体中发现了白眼雄蝇突变体 例外 对这个白眼雄蝇他设计了一些杂交实验 证明白眼性状的遗传与性别相关 是一种伴性遗传 1 果蝇白眼突变体的伴性遗传 实验1 a 野生红眼雌蝇与突变体白眼雄蝇杂交 F1都是红眼 表明红眼为显性 性别比为1比1 b 红眼F1雌雄性果蝇互交产生性状分离 红眼比白眼为3比1 符合分离定律 雌性比雄性为1比1 c 假设白眼果蝇生活力低易死亡 F2的表型比为2 1 1 另外白眼只在雄蝇出现 无白眼雌蝇 也不符合分离组合定律 不是简单地用Mendel遗传规律所能解释的 测交实验 Testcross CrossB CrossA所得F1红眼雌蝇与亲本白眼雄眼做测交实验 实验2 a 用实验1的F1红眼雌蝇为母本与实验1的父本白眼雄蝇杂交 该实验是一个假设白眼雄蝇是隐性亲本 F1红眼雌蝇是杂合的测交实验 b 子代出现四种表型 红眼雌蝇 白眼雌蝇 红眼雄蝇 白眼雄蝇 而且比例为1 1 1 1 这是典型的Mendel测交比例 c 实验结果表明 1 实验1F1红眼雌蝇是杂合体 2 实验1作父本的白眼雄蝇是隐性纯合体 雄蝇只有一个决定眼睛颜色的基因 C 实验3 a 以实验2的子代白眼雌蝇为母本 与无亲缘关系且取自另一种群的纯种野生红眼雄蝇进行杂交 b F1代出现红眼雌蝇和白眼雄蝇表型 且比例相等 但是 表型传递是交叉的 即白眼的雌性亲本把性状遗传给了自己的雄性子代 而红眼的雄性亲本将性状传递给了自己的雌性子代 这种性状传递方式被称作交叉遗传 Criss crossInheritance c 将本实验得到的F1代红眼雌蝇与白眼雄蝇相互交配 其F2与实验2的回交 即测交结果完全相同 d 实验结果表明 1 来自自然突变的白眼雄蝇 实验1和实验2 和由杂交 实验3 产生的白眼雄蝇都是隐性纯合体 2 由杂交产生纯合体只有一种可能 即在雄蝇中只有一个控制眼睛颜色的基因 或者红眼基因或者白眼基因 没有红眼或白眼的等位基因 或者说 雄蝇永远是纯合体 不会成为杂合体 Morgan的假设 1 控制白眼的隐性基因w位于果蝇的X染色体上 2 雄性果蝇的Y染色体上不带有白眼隐性基因的显性等位基因 根据假设Morgan圆满地解释了他设计的三个杂交实验 在实验分析中 Morgan首次把一个特定的白眼基因 w 与一条特定的染色体 X染色体 联系在一起 并为遗传的染色体学说提供第一个实验证据 Morgan对假设的验证 XwXwX Y 伴性遗传 由性染色体所携带的基因在遗传时与性别相联系的遗传方式 绞花遗传 交叉遗传 外祖父的性状通过女儿在外孙身上表现 或者说女儿像父亲 儿子像母亲的现象 如色盲 A型血友病等表现为性连锁遗传 色盲性连锁 控制色盲的基因为隐性c 位于X染色体上 Y染色体上不带其等位基因 由于色盲基因存在于X染色体上 女人在基因杂合时仍正常 而男人Y基因上不带其对应的基因 故男人色盲频率高 女 XCXc杂合时非色盲 只有XcXc纯合时才是色盲 男 Y染色体上不携带对应基因 XCY正常 XcY色盲 存在于Y染色体差别区段上的基因所决定的性状仅由父亲传给儿子 不传给女儿 称为Y连锁遗传 一种罕见的毛耳缘 hairyearrims 性状只限于男性 其特殊的表型是外耳道长有许多长2 3cm黑色硬毛 常成丛生长伸于耳孔之外 男性青春期后即可出现 位于X Y染色体上非同源区域的基因称为X连锁基因 Y连锁基因 位于X Y染色体上同源区域的基因称为 X和Y连锁 基因 因为该区域有交换重组的可能 也称为不完全性连锁基因 果蝇伴性基因的遗传分析 果蝇截毛基因 bobbed bb 的遗传 黑腹果蝇中截毛突变种 bb 比正常果蝇 Xbb 的刚毛短而细 这个基因不仅在果蝇的X染色体上存在 而且Y染色体上也有它的等位基因 这是非常稀罕的情况 纯合的雌蝇 XbbXbb 与杂合的雄蝇 Xbb Ybb 交配时 预期的子代所有的雌蝇 XbbXbb 将有正常的表型 所有的雄蝇 XbbYbb 则是截毛的 交叉遗传 近亲繁殖 3 鸡的伴性遗传 芦花斑羽显性基因B的遗传 正反交的结果不同 交叉遗传现象 决定性状的基因在Z染色体上的伴性遗传方式称为Z连锁遗传 伴性遗传的特点 二 从性遗传 从性遗传 sex controlledinheritance 或称为性影响遗传 sex influencedinheritance 指性状的遗传是由常染色体上的基因决定的 不是由X及Y染色体上基因所控制的性状 而是因为内分泌及其它关系使某些性状只出现于雌 雄一方 或在一方为显性 另一方为隐性的现象 例如 羊的有角因品种不同而有三种特征 雌雄都无角 雌雄都有角 雌无角而雄有角 以前两种交配 其F1雌性无角 而雄性有角 反交结果和正交相同 只是在某一性别中表现的性状的遗传方式 基因在常染色体上或性染色体上 例如 人的毛耳的遗传 奶牛的泌乳量等性状 三 限性遗传 限性遗传的性状多与性激素有关 限性遗传与伴性遗传的区别 限性遗传只局限于一种性别上表现 而伴性遗传则可在雄性也可在雌性上表现 只是表现频率有所差别 四 剂量补偿效应及其分子机制 1 性染色质体 1949年 Barr等人发现在雌猫的神经细胞间期核中有一个染色很深的染色质小体 而雄猫中没有 这种浓缩的 惰性的异染色质化的小体称为巴氏小体 Barrbody 由于巴氏小体与性别及X染色体的数目有关 所以又称为性染色质体 sex chromatinbody 剂量补偿效应 DosageCompensationEffect 指在XY型性别决定的生物中 使性连锁基因产物在两种性别中有相等或近乎相等的有效剂量的遗传效应 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 可是在雌体与雄体的表型上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 剂量补偿效应有3种不同的机制 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 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染色体超活性 线虫 C elegans 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 正常雌性哺乳动物的体细胞中 两条X染色体中只有一条X染色体在遗传上有活性 另一条X染色体在遗传上无活性 其结果使X连锁基因得到剂量补偿 失活发生在胚胎发育的特定时期 某一个细胞的一条X染色体一旦失活 这个细胞的所有后代细胞中的该条X染色体均处于失活状态 杂合体雌性在伴性基因的作用上是嵌合体 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 这两类细胞随机镶嵌存在 失活是随机的 在同一哺乳动物的体细胞中 有些细胞里父源的X染色体失活 另一些细胞里母源的X染色体失活 Lyon假说的实验证据 玳瑁猫的雌性杂合体 黄色皮毛 orange 基因XO是黑色皮毛 black 基因Xo的显性等位基因 在发育早期杂合XOXo的X染色体随机失活 Xo失活的体细胞产生黄色皮毛斑点 XO失活的体细胞产生黑色皮毛斑点 偶有杂合雄猫XOXoY 有Barr小体 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 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 X inactivation 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 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 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 Xinactivationcenter XIC 在Xq13 大约在一个450kb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 Xinactivespecifictranscript 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 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 XistRNA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 被XISTRNA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 第三节遗传的染色体学说 1902年 美国的W S Sutton和德国的T Boveri都在自己的细胞分裂研究中发现 性细胞在减数分裂过程中染色体的传递行为与Mendel的遗传因子的分离和独立分配原理有着平行关系 因此提出 1 染色体可能是Mendel遗传因子 基因 的载体 2 减数分裂中的染色体的分离与分配可能是Mendel遗传理论的细胞学基础 这两个假说后来在Morgan进行果蝇的伴性遗传研究中得以证实 1916年 C B Bridges发现了X染色体不分开现象 为遗传的染色体学说提供了无可辩驳的证据 一 初级例外与次级例外 二 果蝇X染色体不分开现象 间期由G1 S和G2组成 染色体在S期复制产生姊妹染色体 姊妹染色体在有丝分裂 Mitosisphase M期分离进入子代细胞 高度分化细胞不在分裂 进入G0期 有丝分裂 Mitosis 和减数分裂 Meiosis 中的染色体 Chromosome 行为对比 二倍体细胞 有丝分裂 减数分裂I 前中期 中期 姊妹染色单体 后期末期 子代细胞 前期I 联会 两个四联体 中期I 减数分裂 单联体 均等分裂 四联体 二联体 减数II 1 减数分裂 同源染色体联会 交叉 交换对应的结构部分 2 减数分裂中期在细胞板处形成四联体 3 同源染色体分离 分别进入不同的子代细胞 染色体以二联体型式存在 数目减倍 4 无复制有丝分裂 同一二联体的两个染色单体分离进入不同的子代细胞 子代细胞含有与母细胞完全相同的染色体 担数目各减少一半 二倍体性母细胞 四倍体性母细胞 染色体复制 二倍体子代细胞 配子细胞 减数分裂中染色体的行为和数量变化 1 染色体在偶线和粗线期完成同源配对后 在双线和终变期同源非姊妹染色体间的交叉和交换 产生对应部分相互交换后重新组合的染色体 2 中期I至末期I完成同源染色体分离 随机进入不同的子细胞 数目减半 3 从前期II起子代细胞进行染色体无复制的有丝分裂 同源姊妹染色单体分别进入不同的子代细胞 最后产生四个单倍体子代细胞 染色体学说图解 1 等位基因位于一对同源染色体的特定部位 非等位基因分别