染色体结构变异.doc

第六章 染色体结构变异染色体作为遗传物质的主要载体，在细胞分裂过程中能够准确地自我复制、均等地分配到子细胞之中，以保持染色体形态、结构和数目稳定。然而染色体也同它所载的基因一样，稳定只是相对的，变异则是绝对的。染色体变异（chromosomal mutation）又称为染色体畸变（chromosomal aberration），包括结构变异（variation in chromosome structure）与数目变异（variation in chromosome number）。在基因突变一章已经谈到，DNA损伤（尤其是双链断裂）修复、不等交换以及转座等均可能导致染色体上载有的基因及其排列顺序改变染色体结构变异。断裂重接假说（breakage-reunion hypothesis）可以很好地解释大多数结构变异的形成。在自然条件下，营养、温度、生理等的异常变化都可能导致染色体结构不稳定而发生断裂，形成不稳定的断头与断片；如果人为地用某些物理、化学因素处理细胞，将大大增加染色体断裂频率。DNA损伤修复机制可能把染色体断头与断片按原来的直线顺序重接而恢复原有的染色体结构；也可能将同源染色体或非同源染色体断头间发生非特异性重接错误重接或保持断头，产生结构变异。通常把染色体结构变异分为缺失(deficiency/deletion)、重复(duplication)、倒位(inversion)和易位(translocation)四种基本类型。不同类型的结构变异在细胞分裂过程中常形成独特的细胞学特征，可在光学显微镜下识别；因此可以根据其细胞学特征，并结合性状变异来鉴定结构变异类型。细胞内同源染色体发生相同的断裂重接，得到结构变异纯合体的可能非常小。只有最初产生的结构变异杂合体通过自交或近交才能在后代中得到纯合体。结构变异可发生在体细胞中，也可以发生在种系细胞中。前者可能产生突变体区并形成镶嵌现象，但不能通过有性生殖传递给后代。种系发生的染色体结构变异形成携带变异染色体配子，可能通过有性生殖传递给后代。染色体结构变异最主要的遗传效应是染色体重排（rearrangement）染色体上载有的基因数量、种类、排列顺序和邻接关系改变，从而影响基因表达。重排染色体形成新的连锁群，导致纯合体核型改变。结构变异体的性状变异和表现程度取决于几个方面因素：改变区段的大小、该区段带有基因、基因的重要程度以及细胞的染色体倍性水平。通常结构变异轻则引起良性变化和性状变异，重则导致个体死亡。染色体结构变异提供了一种特殊的基因重排途径，是重要的可遗传变异类型之一。它是生物进化与新物种形成的一个重要途径，某些变异甚至可以直接导致生殖隔离。结构变异具有独特的应用价值，尤其是在经典遗传研究、医学以及某些植物育种工作中应用更为广泛，并且某些生物的特定结构变异还具有特殊的应用。结构变异体作为研究材料在分子水平遗传与发育研究中也具有独特的价值。任何涉及多个基因的结构变异对具有单倍性无性世代的微生物都极可能是致死的，具有环状染色体的原核生物尤其如此，因为其环状结构对基因有序列表达具有关键作用。染色体断裂重接也可能导致断裂部位的基因结构与功能异常，甚至产生一些独特的基因突变。第一节 缺失一、 缺失的类型及形成缺失是指染色体的某一区段丢失了。布里奇斯（Bridges 1917）在培养的野生型果蝇中发现一只翅膀边缘有缺刻的雌蝇。研究证明，它发生了X染色体上包括红眼基因在内的一小段染色体缺失。如果染色体缺失了包括端粒（telomere）在内的染色体末端区段，称为顶端缺失（terminal deficiency, 末端缺失）；如果染色体缺失了一条臂的内部区段，称为中间缺失（interstitial deficiency）（图6-1）。当染色体上发生一次断裂，保持断头不发生重接愈合，就会产生顶端缺失。如某染色体各区段的正常直线顺序是abcdefgh（代表着丝粒，下同），在fg之间断裂、缺失“gh”区段就成为顶端缺失染色体。“gh”区段不包含着丝粒，称为无着丝粒断片（fragment）。断片在细胞分裂时不能正常分配到子细胞核中，因而在后续细胞分裂过程中会被丢失。染色体也可能缺失一整条臂而成为端着丝粒染色体（telocentric chromosome），有时也把带有染色体臂缺失的生物体称为端体。染色体一条臂上产生两次断裂，重接时将中间区段排除在外，就会形成中间缺失。如前述染色体的e-f和g-h之间各发生一次断裂，重接时e区段断头与h区段断头连接，就缺失“fg”区段成为中间缺失染色体；“fg”区段也是无着丝粒断片。如果缺失区段在一个基因内部，就是第五章谈到的基因缺失突变。图6-1缺失的类型与形成顶端缺失染色体带有无端粒的断头难以正常愈合，结构很不稳定，因此较少见。中间缺失染色体没有断头外露，比较稳定；也更为常见。如果某对染色体中一条为缺失染色体而另一条为正常染色体，则该个体称为缺失杂合体（deficiency heterozygote）；而带有一对缺失相同区段同源染色体的个体称为缺失纯合体（deficiency homozygote）。二、 缺失的细胞学鉴定在最初发生缺失的细胞进行分裂时，后期可以观察到遗留在赤道板附近的无着丝粒的断片。但经过多次分裂后，断片将从子代细胞中消失。缺失染色体长度比正常染色体短，染色体两臂相对长度也会发生变化。如果缺失片段足够长，参照原始材料或物种正常染色体核型进行染色体形态观察就能够对缺失进行初步的细胞学鉴定。顶端缺失染色体的断头可能同另一个有着丝粒的染色体断头重接，形成双着丝粒染色体（dicentric chromosome）。细胞分裂后期如果两个着丝粒分别被牵引向两极，着丝粒之间的区段将形成连接两极的染色体桥，并且被再次拉断形成新的不稳定断头。这一过程被称为断裂融合桥循环（breakage-fusion-bridge cycle），因为它会在每一次细胞分裂过程中反复出现。具有断头姊妹染色体单体间彼此靠近，发生断头融合并形成断裂融合桥循环的可能性很高（图6-2）。如果一条染色体两个臂都发生顶端缺失，还可能发生两端的断头相互连接形成环状染色体（ring chromosome）。图6-2顶端缺失的断裂融合桥循环减数分裂前期I同源染色体对应区段配对时，缺失杂合体同源染色体间不能完全对应配对（图6-3）：缺失区段较长时，由于同源染色体末端不等长，顶端缺失杂合体粗线期前后可能观察到正常染色体的突出片段。中间缺失杂合体在偶线期和粗线期可能观察二价体上形成环状或瘤状突起缺失圈或缺失环（deficiency loop）。缺失圈是由正常染色体上与缺失区段对应的部分被排挤形成的。如果缺失区段微小，缺失杂合体也可能并不表现明显的细胞学特征。因此进行微小缺失的细胞学鉴定非常困难，需要借助更精细的细胞学、分子细胞学技术，如染色体显带（banding）、原位杂交（in situ hybridization）等，并结合类似突变基因遗传分析的程序才能完成。缺失纯合体在减数分裂过程中不会出现二价体配对异常现象。图6-3缺失个体的染色体联会果蝇等双翅目昆虫的唾腺染色体具有多线性、进行体细胞联会，并可形成标志染色体区段的稳定横纹。如果发生染色体缺失，杂合体唾腺染色体会形成更为明显的末端不等长或缺失圈，通过唾腺染色体观察横纹特征甚至可以进行微小的结构变异与缺失纯合体鉴定（图6-4）。图6-4果蝇缺失杂合体唾腺染色体缺失圈a. 示意3C2-3C11区段缺失（引自杨业华, 2000）b. 缺失圈的显微图像（引自Hartwell et al., 2003）三、 缺失的遗传效应染色体区段缺失意味着该区段上载有的基因也随之丢失，所以染色体缺失首先导致缺失区段基因控制的生物功能丧失或表现异常。如图6-5为布里奇斯(Bridges C, 1917)观察到的X染色体缺失产生缺刻翅变异。缺失还会导致基因间相互作用关系与平衡被破坏，这对细胞和生物体正常生长发育通常是有害的。中间缺失还导致该缺失区段外端载有基因在染色体上的相对位置改变，缺失区段两侧基因间连锁强度增强。图6-5影响果蝇翅形的染色体缺失（引自Hartwell et al., 2003）缺失纯合体一般都表现出致死、半致死或生活力显著降低等现象；缺失杂合体通常也表现为生活力、繁殖力差，当缺失区段较长时也会表现为致死。含缺失染色体的配子体一般是败育的，植物花粉尤其如此，含缺失染色体的花粉即使不败育，在授粉和受精过程中，也竞争不过正常的花粉。胚囊对缺失的耐性比花粉略强，缺失染色体主要是通过雌配子传递给后代。如果缺失的区段较小，不严重损害个体的生活力，含缺失染色体的个体可能存活下来。这类个体往往具有各种异常表现，如人类第5染色体短臂缺失杂合个体生活力差、智力迟钝、面部小，另一个最明显的特征是患儿哭声轻，音调高，常发出咪咪声，通常在婴儿期和幼儿期夭折。这种症状被称为猫叫综合症（cat cry syndrome）（图6-）。有时染色体片断缺失后，其非缺失同源染色体上的隐性等位基因不被掩盖而表现假显性（pseudodominance）现象。如玉米植株颜色紫色（Pl）对绿色（pl）为显性，麦克琳托克（McClintock B, 1931）用经X线照射的紫株（PlPl）花粉给正常绿株（plpl）授粉，发现在F1中出现个别的绿苗（假显性）。进一步研究发现，Pl基因座位位于玉米第六染色体外端，X射线照射可导致部分花粉发生第6染色体外段缺失。这类花粉受精结合产生的后代中Pl基因丢失，来自母本的pl基因呈半合状态（hemizygous condition），植株就表现为绿色（图6-6）。图6-6第5染色体短臂顶端缺失引起猫叫综合症（引自Klug et al., 2002）图6-6玉米植株颜色的假显性现象第二节 重复一、 重复的类型及形成重复是指染色体多了自身的某一区段。通常把重复归纳为顺接重复和反接重复两种类型（图6-7）：顺接重复（tandem duplication, 串联重复）指重复区段与原有区段在染色体上排列方向相同；反接重复（reverse duplication）指重复区段与原有区段的排列方向相反。如果重复区段仅限于一个基因内部，就是第五章谈到的基因插入（重复）突变。图6-7重复的类型与形成图6-7示意了重复形成的断裂重接机制。正常区段顺序为abcdefgh的一对同源染色体，分别发生同一条染色体臂不同位置断裂（两次断裂），可形成4个断头。如果g断头与f断头错误重接，就形成“fg”区段顺接重复染色体（abccdefgfgh）。如果一条染色体发生一次断裂，其同源染色体发生两次断裂（共3次断裂），可形成6个断头。如果无着丝粒“fg”区段在重接时，发生如图6-7右所示的错误重接，将形成“fg”区段反接重复染色体（abcdegffgh）。在这种情况下，如果“fg”区段重接方向不发生倒转也可以产生顺接重复。按照断裂重接假说，重复区段只能来自于其同源染色体，因此一条染色体重复必然导致其同源染色体缺失。如果图6-7中e、h两个断头间没有重接将导致大片段（fgh）顶端缺失，即使重接也将形成“fg”区段中间缺失染色体。染色体断头重接可能是随机的，如果图6-7左图中e、g断头重接也会产生双着丝粒染色体（abcdefgedcba），继续发生结构变异，而不能稳定成型。重复区段并不总是与原有区段邻接，当重复区段出现在同一染色体的其他位置，称为错位重复（displaced duplication）。如图6-7“fg”区段错位重复染色体（abfgcdefgh）。错位重复的形成与反接重复形成相似，至少需要一对同源染色体上发生三次断裂。减数分裂过程中部分同源区段发生错误配对，错配区内发生不等交换也会同时产生缺失染色体与重复染色体。一个典型的例子是果蝇X染色体不等交换分别产生16A区段重复、缺失的X染色体（图6-8）。不等交换也能够形成其他类型的结构变异（图6-9），与断裂重接机制的区别在于它是由重复DNA形成的错配区内交换形成的，发生于联会复合体结构中。重复杂合体（duplication heterozygote）指的是某对同源染色体中，一条为重复染色体而另一条为正常染色体；而重复纯合体（duplication homozygote）中含有一对发生相同重复同源染色体。图6-8不等交换与果蝇16A区段重复形成（b引自杨业华, 2000）图6-9结构变异形成的不等交换机制二、 重复的细胞学鉴定重复与缺失具有某些相似的细胞学特征。重复染色体长度比正常染色体长，可导致染色体两臂相对长度变化，在光学显微镜下这些变化的可检测程度取决于重复区段的大小。重复杂合体减数分裂时联会表现为（图6-10）：在染色体末端非重复区段较短时，重复区段可能影响末端区段配对，可能形成二价体末端不等长突出。如果重复的区段较长，重复区段会被排挤出来，成为二价体的一个突出的环或瘤重复圈或重复环（duplication loop）。顺接重复形成重复圈的位置在一定范围内变化。缺失圈和重复圈需要参考染色体长度、带型、横纹等特征及性状变异加以区别。后面我们将看到重复和简单易位杂合体也会形成类似的突起，因此除了检查二价体突出的环和瘤以外，还必须参照染色体长度、着丝粒位置等进行比较鉴定。如果重复区段极短，联会时二价体可能就不会有环或瘤突出。因此微小片段重复的细胞学鉴定是比较困难的，往往难以与具有相似遗传效应的基因突变区分。一对重复同源染色体能够正常进行染色体配对，所以重复纯合体一般不会形成二价体配对异常。图6-10重复杂合体染色体联会三、 重复的遗传效应重复染色体重复区段上的基因数目增加，会扰乱基因间固有的平衡。对细胞、生物体的生长发育有可能产生不良影响。过长区段重复或带有某些特殊基因的片段重复也会严重影响生活力、配子育性，甚至引起个体死亡。重复还导致基因在染色体上的相对位置改变、重复区段两侧基因间连锁强度降低。重复也是生物进化的一种重要途径，它导致染色体DNA含量增加，为新基因产生提供材料（参见第十四章关于基因扩增的介绍）。重复个体的性状变异因重复区段载有基因不同而异。某些基因可能表现出剂量效应（dosage effect），即随着细胞内基因拷贝数增加，基因的表现能力和表现程度也会随之加强；因此，细胞内基因拷贝数越多，表现型效应越显著。有时多个拷贝隐性基因甚至会掩盖其显性等位基因的表现。剂量效应一个经典的例子来自果蝇眼色遗传。果蝇红色（V+）对朱红色（V）为显性，杂合体（V+V）为红眼。当V基因所在的染色体区段重复，杂合体（V+VV）却表现为朱红眼，表明两份V的表现能力比一份V+强，V+的作用被掩盖了。剂量效应具有相当的普遍性，许多基因的作用都具有剂量效应。果蝇棒眼遗传是剂量效应的另一个重要例证。野生型果蝇复眼大约由779个小眼组成，眼面呈椭圆形。X染色体16A区段重复具有降低复眼中小眼数量，使眼面呈棒眼（Bar）的效应，并且随16A区段重复数增加小眼数量降低的效应也会加强。用B+表示野生型X染色体16A区段、B表示16A区段重复（棒眼）、BD表示具有三个16A区段（重棒眼），各种基因型对应眼形如图6-11所示。重复杂合体（B+B）小眼数约为358个，复眼眼面缩小，近似粗棒状（杂合棒眼）；重复纯合体（BB, 棒眼）小眼数约为68个，眼面呈棒状；重棒眼（BDBD）小眼数仅为25个，眼面进一步缩小。通过果蝇棒眼遗传研究，还揭示了基因作用的另一个重要的效应位置效应（position effect），即基因的表现型效应会随其在染色体上的位置不同而改变。图6-11中棒眼与杂合双棒眼均具有4个16A区段，然而后者的小眼数比前者更少。这是由于棒眼型4个重复区段平均分布于两条X染色体上，而杂合体重棒眼一条X染色体上只有1个16A区段，而另一条上只有3个。位置效应的发现是对经典遗传学基因论的重要发展，它表明染色体不仅是基因的载体，而且对其载有基因的表达具有调节作用。现在已经可以从分子水平解释一些位置效应形成的机制（参见第十四章）。图6-11果蝇染色体16A区段的遗传效应（引自Klug et al., 2002）第三节 倒位一、 倒位的类型与形成倒位指染色体中发生了某一区段倒转。倒位形成的断裂重接机制如图6-12所示：一条染色体上发生两次断裂，形成4个断头，中间区段倒转180再与两侧断头重接。倒位区段不包含着丝粒的中间区段倒位称为臂内倒位（paracentric inversion）；倒位区段包含着丝粒的倒位称为臂间倒位（pericentric inversion）。如一条正常区段顺序为abcdefgh的染色体，分别在长臂的d-e间和g-h间发生断裂，“efg”区段倒转重接后形成臂内倒位染色体（abcdgfeh）；如果两次断裂分别发生在b-c间和e-f间，“cde”区段倒转重接形成臂间倒位染色体（abedcfgh）。图6-12倒位的类型与形成如果某对染色体中一条为倒位染色体而另一条为正常染色体，则该个体为倒位杂合体（inversion heterozygote）；而含有一对发生相同区段倒位同源染色体的个体称为倒位纯合体（inversion homozygote）。二、 倒位的细胞学鉴定倒位通常不涉及染色体片段的增加或减少，因此不会改变整条染色体的长度。臂内倒位也不会改变染色体两臂的相对长度；如果臂间倒位涉及两条臂的区段不等长，倒位染色体与正常染色体也产生臂比差异（图6-12）。在倒位杂合体中，由于倒位区段与其正常同源染色体对应区段方向相反，因此也不能联会形成正常的二价体。二价体的异常形态因倒位区段长度和两端未倒位区段长度而异（图6-13）：如果倒位区段很长，而两端区段较短，其中一条染色体反转使两条染色体倒位区段部分同源配对，两端区段则只能保持分离状态。偶线期和粗线期可能观察到二价体两端具有分叉形态。如果倒位区段比较短，则两侧区段正常配对，而倒位区段与对应正常区段保持分离，二价体上形成一个泡状。由于呈松弛状态，因而不一定能够观察到；尤其是倒位区段特别短的时候，往往难以从细胞学上鉴别。如果倒位区段与两端区段长度适中，则两端区段正常配对，中间部分则通过其中一条染色体发生扭转后进行同源区段配对形成倒位圈（inversion loop）（图6-13、图6-14）。前面谈到的缺失圈和重复圈都由单个染色体被排挤的区段形成，其中并没有发生同源配对；而倒位圈是由两条染色体同源区段配对形成的。图6-13倒位杂合体染色体联会图6-14倒位杂合体联会复合体的电镜图（引自Griffiths et al., 2002）图6-15果蝇倒位杂合体唾腺染色体倒位圈倒位圈上发生同源配对，因此也能进行非姊妹染色体单体交换（图6-16）。臂内倒位杂合体倒位圈内发生交换将形成双着丝粒染色体与无着丝粒断片。后期I同源染色体相互分离时，两个着丝粒中间区段形成染色体桥后期I桥。在光学显微镜下观察到后期I桥和无着丝粒断片，可作为臂内倒位细胞学鉴定的依据。臂内倒位杂合体倒位圈内发生姊妹染色体单体交换，染色体桥也可能出现在后期II，称为后期II桥。图6-16倒位圈内交换与配子败育机制臂间倒位杂合体倒位圈内发生非姊妹染色体单体交换，不会形成双着丝粒染色体和后期桥。倒位纯合体在有丝分裂与减数分裂过程中均不会表现明显的细胞学异常特征。三、 倒位的遗传效应倒位导致基因重排倒位区段内基因排列顺序与方向都随之倒转。除断裂点涉及的基因之外，倒位并不改变其他基因的结构，也不发生基因丢失。如果断裂点不破坏重要的基因，通常不会对细胞与生物个体的生活力造成严重损害，含有完整倒位染色体的配子通常也是可育的。但一些重要基因被破坏的倒位纯合体对动物来说常常是致死的。倒位区段内基因的表达也可能由于位置效应而发生显著改变，引起表型变异。倒位是生物进化的重要途径之一。研究表明，某些物种之间的差异常常是由于一次或多次倒位造成的。果蝇就有一些具有不同染色体倒位的种，分布在不同的地理区域。头巾百合（Lilium martagon）与竹叶百合（L. hansonii）两个种都具有12对同源染色体。这12对染色体之中，两对较长染色体用M1和M2表示；10条较小的染色体用S1、S2S10表示。研究发现，其中一个种的M1、M2、S1、S2、S3和S4染色体，是由另一个种的对应染色体发生臂内倒位形成。无论是臂内倒位还是臂间倒位，倒位圈上发生非姊妹染色体单体交换都会降低配子育性。如图6-16所示，臂内倒位圈上非姊妹染色体单体交换会产生双着丝粒染色单体和无着丝粒断片；断片通常被丢弃在细胞质中而不能进入子细胞核；双着丝粒染色单体形成后期I桥，被纺锤丝牵引拉断后形成缺失染色单体，经过减数第二次分裂分配到这种缺失染色体的四分孢子会败育。未参与交换的非交换型染色单体是正常或倒位染色单体，分配到这两种染色体的四分孢子可育。臂间倒位圈上发生非姊妹染色体单体交换产生的交换型染色单体都是重复缺失（Dp-Df）染色单体，对应四分孢子也是败育的；分配到非交换型正常或倒位染色体的四分孢子可育。总之，倒位圈上发生交换最直接效应就是产生缺失、重复缺失染色单体（图6-16）。凡含有缺失、重复缺失染色体的四分孢子败育不能发育形成正常可育的配子，发生交换的孢母细胞产生的四分孢子中有一半败育。由于通常并不是所有孢母细胞都会在倒位圈内发生交换，所以倒位杂合体都具有配子部分（低于50%）不育现象。这一特征可以通过常规花粉育性检测方法测定，并作为鉴定植物倒位杂合体的重要遗传方法。理论上讲，雌雄配子都应该出现同等程度缺失、重复缺失染色体四分孢子，因而植物的胚囊也应该具有与花粉相近的不育率，而出现结实率显著下降的现象。但研究发现，许多植物(如玉米)臂内倒位杂合体结实率并不发生明显的下降。目前认为可能有两个方面的原因：一是由于胚囊形成方式与花粉不同。玉米减数分裂形成的4个大孢子呈直线排列，通常由最内层一个发育形成胚囊。而臂内倒位杂合体的染色体桥结构可能有利于含正常或倒位染色体的四分孢子排列到外端，而发育成可育的胚囊。另一可能的原因是胚囊比花粉对染色体缺失具有更强的耐性。倒位圈结构还具有降低倒位区段基因间重组值的效应或称为交换抑制（crossover suppress）效应。布里奇斯曾分离到一系列交换抑制突变，杂合体中某些基因间不会出现交换型。细胞遗传分析表明，这些交换抑制突变就是染色体倒位，因此也把倒位称为交换抑制因子（crossover supressor）。倒位杂合体倒位圈上非姊妹染色体单体间发生奇数次交换产生的交换型配子都是不育的，重组值测定时往往得不到倒位区段上基因间的重组型，因此重组值降低。前述分析表明，倒位并非真正抑制交换，只是交换型四分孢子败育。但交换抑制这一术语至今仍然被广泛使用。显然如果倒位圈上一对非姊妹染色单体间发生双交换（或偶数次交换），则可以产生少量可育的重组型配子。倒位圈的结构也可能降低倒位区段两侧区域的交换发生。其原因是同源染色体在扭转配对时，倒位点附近区段的常常不能正常配对，导致交换机会下降而降低重组值。第四节 易位一、 易位的类型与形成易位是指染色体上某一个区段移接到其非同源染色体上。最常见的易位是相互易位（reciprocal translocation, 交互易位）非同源染色体间发生了区段互换。如两条非同源染色体abcdefgh与uvwxyz发生区段“fgh”与“yz”互换，形成两条易位染色体abcdeyz和uvwxfgh。如果某条染色体的一个臂内区段嵌入到非同源染色体上，称为简单易位（simple translocation）或转移（shift）。如abcdefgh的efg区段插入到uvwxyz染色体x-y之间，形成易位染色体uvwxefgyz；而另一条染色体就成为缺失染色体：abcdh。相互易位形成的断裂重接机制如图6-17所示。abcdefgh与uvwxyz两条非同源染色体分别发生断裂（两次断裂），重接时e区段断头与y区段断头间重接，而x断头与f断头重接，即形成相互易位。简单易位的形成至少需要三次断裂，如abcdefgh发生两次断裂，而uvwxyz发生一次断裂。转座子转座也是形成简单易位的重要原因。相互易位比简单易位更为常见，也是本节主要讨论的易位类型。图6-17易位的类型与形成易位杂合体（translocation heterozygote）指其染色体中易位涉及的两对同源染色体各含一条易位染色体和一条正常染色体。如果分别用1和2表示两对正常染色体；可用12表示包括染色体1部分区段（含着丝粒）和染色体2部分区段（不含着丝粒）的易位染色体；同理，21表示包括染色体2部分区段（含着丝粒）和染色体1部分区段（不含着丝粒）的易位染色体。易位杂合体的染色体组成为112221。而易位纯合体（translocation homozygote）则带有两对易位染色体，如前例中为12122121。二、 易位的细胞学鉴定相互易位的细胞学鉴定主要是根据杂合体在减数分裂过程中的一系列细胞学特征。相互易位杂合体在联会时显然不能配对形成两个正常二价体，大多数情况下，正常染色体（1和2）与两条易位染色体（12和21）的对应区段交替同源配对形成含四条染色体（1-12-2-21）的四重体（quadruple）。四重体在粗线期会呈十字形，1-12、12-2、2-21、21-1按同源区段配对形成四个区域构成十字形的四个臂，而十字交叉处为易位点。四个配对区域内均可发生非姊妹染色单体交换。易位点附近区段配对可能受影响而不能完全配对，所以可能形成图6-18所示的形态。图6-18玉米相互易位杂合体粗线期染色体联会图6-19相互易位杂合体染色体联会、分离与配子育性交换形成的交叉在双线期到终变期过程中发生远离着丝粒的交叉端化。因交换发生的情况不同，终变期四重体可呈现不同的形态：（1） 若交换都发生在四个臂的着丝粒以外的区域，交叉端化后四条染色体由末端交叉首尾相连成大环结构（称四体环，常用4表示）；（2） 其中一个臂没有发生交换，四重体呈链状结构（称四体链，用C4表示）；（3） 除四个臂发生交换外，有时着丝粒与染色体易位点之间的区域也发生交换，则终变期也可形成“8”字形结构。中期I四个着丝粒在纺锤丝牵引下，其中两个朝向细胞一极，另外两个朝向细胞另一极。四条染色体排列在赤道板两侧，四重体也可能呈一个大环状（图6-20）或“8”字形。图6-20大麦相互易位杂合体中期I四体环（引自杨业华, 2000）如果转移区段较长，简单易位杂合体则在粗线期配对时，一个二价体上出现插入区段形成的突出环状或瘤状突起，而另一个二价体出现由未缺失区段形成环状和瘤状突起。相互易位纯合体也不会出现染色体配对异常。简单易位和不等长区段的相互易位会导致染色体长度以及两臂相对长度改变，也可以作为细胞学鉴定的参考依据。三、 易位的遗传效应前面三种结构变异类型都只是一对同源染色体的重排，易位则导致了非同源染色体间的重排。易位区段基因处于不同的染色体上可能导致更为显著的位置效应，从而产生表型变异。易位可使两个正常的连锁群改组为两个新的连锁群，是生物进化的一种重要途径。原来属于连锁群（染色体）1的一部分基因（“fgh”区段基因）与连锁群（染色体）2的一部分基因形成连锁群21，而不再与连锁群1“abcde”区段的基因连锁。同理，原来属于连锁群2的一部分基因（“yz”区段基因）与连锁群1的一部分基因形成连锁群12，而不再与连锁群2“uvwx”区段的基因连锁。易位纯合体中形成两个新连锁群，并且能够正常配对分离。许多植物的变种就是由于染色体易位形成的。直果曼陀罗（Datura stramonium）的许多品系是不同染色体的易位纯合体。直果曼陀罗有12对染色体，为了研究的方便，曾任意选定一个品系当作“原型一系”，把它的12对染色体的两臂都分别标以数字代号，即12、34、56、2324。以原型一系为标准与其他品系比较，发现原型二系是118和217的易位纯合体；原型三系是1121和1222的易位纯合体；原型四系是321和422的易位纯合体。已查明有将近百个直果曼陀罗品系都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。易位还可能导致物种染色体数目改变。如果易位发生在两条近端着丝粒染色体的着丝粒或接近着丝粒处，易位纯合体的一对易位染色体包含原来两条染色体的长臂，而另一对易位染色体只包含原来两条染色体的短臂，这种易位现象被称为罗伯逊易位（Robertsonian translocation）（图6-21）。由于罗伯逊易位纯合体中一对易位染色体很小，可能仅含有极少量的基因，甚至不含有基因。它在细胞分裂过程中完全丢失后，对细胞和个体的生活力与繁殖力影响不严重，从而生存下来形成新的变种直至新的物种。这种由两对近端着丝粒染色体通过罗伯逊易位和染色体丢失变为一对染色体的过程也称为染色体融合（chromosomal fusion）。还阳参属（Crepis）植物通过这种途径，形成了n3, 4, 5, 6, 7, 8等染色体数不同的种。人类染色体的罗伯逊易位也常发生，最常见的是第14和21染色体之间的易位。图6-21罗伯逊易位与染色体融合图6-22玉米相互易位杂合体的结实率下降相互易位杂合体的一个典型的遗传效应是配子半不育（semi-sterility）现象大孢子与小孢子都有一半是败育的。可以通过花粉育性或结实率来对植物相互易位杂合体进行遗传学鉴定（图6-22）。相互易位杂合体减数分裂中期I四重体在赤道板上的排列有两种可能的形式，即图6-19中相邻式与交替式。相邻式四重体保持环的形象，交替式通常呈“8”字形象。由于1和2两个正常染色体同12和21两个易位染色体在四重体中本来就是交替相连的，所以后期I交替式2/2分离，势必使得最后产生的四分孢子或者得到两个正常染色体1和2，或者得到两个易位染色体12和21。这两种孢子都包含正常染色体的全部区段及其所载基因，因而都能形成正常可育配子。四重体在后期I的相邻式2/2分离，只能产生含染色体重复缺失（Dp-Df）的四分孢子。其中，含1和21的孢子重复了一小段1，缺失了一小段2；含12和2的孢子重复了一小段2，缺失了一小段1。这些孢子一般只能形成不育的花粉和胚囊。实际上，四重体在赤道板上的排列方式因不同生物而异，通常有玉米型和月见草型两类。（1）玉米型，如玉米、豌豆、高粱、矮牵牛等，相互易位杂合体的四重体发生交替式分离和相邻式分离的机会相近，因此导致易位杂合体配子半不育。（2）月见草型，如月见草、曼陀罗、风铃草、紫万年青等，易位杂合体四重体全部呈交替式分离，因而配子全部可育。由于四重体结构影响易位点附近区段配对、交换，所以易位杂合体邻近易位点的基因间的重组率也有所下降。例如，玉米T5-9a是第5染色体和第9染色体的一个易位，涉及第5染色体长臂的染色节外侧的一小段和第9染色体短臂包括Wx座位在内的一大段。在正常的第9染色体上，yg2与sh之间的重组率为23%，sh与Wx之间的重组率为20%；在易位杂合体中这两个重组率分别下降到11%和5%。再如大麦的钩芒基因（K）为直芒基因（k）的显性，蓝色糊粉层基因（Bl）为白色糊粉层基因（bl）的显性，K-k和Bl-bl都位于第4染色体上，重组率为40%，可是T2-4a, T3-4a和T4-5a等易位杂合体中该重组率则分别下降到23%、28%和31%。第五节 染色体结构变异的诱发在自然条件下，各种植物和动物都可能发生染色体结构变异。引起染色体结构变异的自然因素包括营养、温度、生理等的异常变化。储藏67年的还阳参（Crepis capilaris）陈种子长成的植株发生大量的染色体易位；而高温条件处理也会提高染色体结构变异频率。由于结构变异的发生通常是由双链断裂所引发，因此其频率通常低于基因自然突变率。在遗传与育种研究工作中，有时需要获得更高频率的染色体结构变异。早在1927年，穆勒就发现X线可以诱导果蝇产生易位及其他结构变异。以后研究发现能够诱发基因突变的物理与化学诱变剂通常也能够诱发染色体结构变异。一、 物理因素诱导物理因素通过诱导DNA前突变损伤提高基因突变频率，也可诱导染色体双链断裂来提高结构变异的频率。用于诱导染色体结构变异的物理因素主要是电离辐射。用X射线、热中子处理种子或花粉，可以有效地诱发缺失、易位等结构变异。正如第五章所指出的那样：不论是电磁波或是粒子辐射，次级电离的轻重随着初级电离多少而变化；而次级电离的结果，轻则造成基因分子结构紊乱，重则造成染色体结构的断裂。所以，在电离辐射的作用下，染色体结构变异常常是和基因突变交织在一起的。不同结构变异的出现与染色体折断次数有关。例如，顶端缺失只需要染色体断裂一次；顺接重复和相互易位则需要两条染色体分别折断一次，即两次断裂。研究发现，只需要一次染色体折断的结构变异类型产生的频率在一定范围内与辐射剂量成正比（图6-23A），而不受辐射强度影响，这与基因突变相似。需要两次断裂才能产生的结构变异类型产生的频率则与辐射剂量的平方成正比（图6-23B）。这表明需要两次以上染色体断裂才能产生的结构变异类型产生频率不仅与辐射剂量有关，还要受到辐射强度的影响。如果辐射总剂量不变，急照射（高剂量率短时间照射）时产生结构变异的频率较高，而慢照射（低剂量率长时间照射）时较低。这可能是由于慢照射时，同一个核内同时产生多次断裂的机率较小，因而断头错接的机率也较小；急照射时，同一核内同时产生多次折断的机率较高，因而断头错接的机率也较大。根据这一规律，可以用慢照射来获得更高频率的需要一次断裂的结构变异类型，而提高剂量率能获得更高频率的需要两次或两次以上断裂的变异类型。不过应当注意，一次照射剂量过大容易导致细胞死亡。图6-23染色体结构变异频率与辐射剂量的关系A. 一次折断的结构变异频率B. 两次断裂的结构变异频率（引自朱军, 2002）对蝾螈和培养大袋鼠细胞的研究还发现，微激光束也可使染色体发生缺失。二、 化学因素诱导化学因素也主要通过诱导染色体断裂来提高结构变异发生频率。能够诱发染色体结构变异的化学物质很多，而且某些药物诱发的结构变异还具有一定的染色体部位特异性。例如用8-乙氧基咖啡碱（8-ethoxycaffeine, EOC）、顺丁烯联胺（Maleic hydraxide, MH）、和2,3-环氧丙醚（2,3-epoxypropyl ether, DEPE）分别处理蚕豆根尖时，不同药物使根尖细胞染色体发生折断的部位不同（表6-1）。这一特点在浓度低的时候比在浓度较高的时候更为突出。另外，恢复时数（停止药物处理后的时数）不同对染色体结构变异数多少也有一定的影响。这就使得遗传学中产生了利用化学药物定向诱使染色体发生特异性结构变异的希望。表6-1不同药物对蚕豆根尖染色体断裂部位的影响（引自朱军, 2002）药 物恢复时间（小时）结构变异数/100个蚕豆根尖细胞次缢痕区长染色体着丝粒附近的异染色体质区短染色体中部的异染色体区其他部位EOC2232.50.51.05.524045.02.010.0MH48010.02.06.02403.022.012.0DEPE481.04.015.025.0根据对人类及动物的研究，部分抗肿瘤、保胎和预防妊娠反应药物也可引起染色体结构变异，如环磷酰胺（cylophoshamide）、氮芥（mustrd）、马勒兰（myleran）、氨甲蝶呤（methotrexate/amethopterin）、阿糖胞苷（arabinosylcytidine）等抗癌药物。另外，农业生产中广泛使用的有机磷农药，工业废物中的有毒物质如苯、铝、砷、氮丁二烯、氯乙烯单体，食品工业的添加剂如环已基糖精、硝基呋喃糖胺（AF-2），霉菌毒素如广泛存在于霉变花生、玉米种子等中的黄曲霉素（aflatoxin）等均有使染色体结构改变的作用。除物理和化学因素外，某些病毒也可引起宿主细胞染色体结构变异。如SV40病毒、Rous肉瘤病毒、带状疱疹病毒均可诱发染色体结构变异。研究还发现，染色体结构变异在一定程度上也受生物自身的遗传控制。例如小麦5B染色体上存在控制染色体同源配对的Ph基因，当Ph基因突变（Phph）或缺失时，染色体配对的特异性下降，非同源染色体间配对、交换形成易位的频率提高。三、 微核及其检测前述染色体结构变异的细胞学特征主要是其在细胞分裂期的异常表现。微核（micronucleus, MCN）是染色体结构变异在细胞分裂间期的特殊表现形式。一般认为微核是由分裂后期丧失着丝粒的断片产生的，整条染色体或几条染色体也能形成微核。这些断片或染色体在分裂过程中行动滞后，在分裂末期未能进入主核，便形成了独立于主核之外的核物质块。当子细胞进入下一次分裂间期时，它们便浓缩形成主核之外的小核，即形成微核。在细胞间期，微核呈圆形或椭圆形，游离于主核之外、大小应在主核1/3以下。微核的折光率及细胞化学反应性质和主核一样，也具合成DNA的能力。通过一定技术处理，可以在间期细胞中进行微核观察和计数。20世纪70年代初，Matter和Schmid等首先用啮齿类动物骨髓细胞微核率来测定怀疑具有诱变活性的化合物，并称之为微核测定法。研究表明许多理化因素，如辐射、化学药剂等作用于分裂细胞而产生微核，并且微核率的大小是和用药的剂量或辐射累积效应呈正相关，这一点和染色体畸变的情况一样。因此微核计数是替代繁杂的细胞分裂期畸变染色体计数来检测染色体畸变水平的简易方法。由于大量新的化合物的合成、原子能的应用，各种各样工业废物的排放等都存在污染环境的可能性，欲了解这些因素对有机体潜在的遗传危害，需要一套高度灵敏，技术简单易行的测试系统来监测环境的变化。真核类的测试系统能更直接推测诱变物质对人类或其他高等生物的遗传危害。上一章谈到的Ames测试反应待测物对生物基因突变的诱导效应，微核测试是一种比较理想的测试待测物对生物染色体结构破坏效应的方法。目前，国内外不少部门已把微核测试用于辐射损伤、辐射防护、化学诱变剂、新药试验、食品添加剂的安全评价，以及染色体遗传疾病和癌症前期诊断等各个方面。现有微核测试系统多数是用哺乳动物的骨髓细胞或外周血细胞。其缺点是需要一定培养条件与时间、细胞同步化困难、微核率低，一般只在0.2%左右。采用高等植物小孢子，利用其天然同步性作微核测试材料，可取得良好的效果。其中马德修用一种原产于美洲的鸭跖草（Tradescantia paludosa, 一种叶子狭长形的鸭跖草，我国许多地方已经引种），建立四分孢子期微核率计数（MCN-in-Tetrad）的测试系统，是较好系统之一。该系统用低剂量的化学药物处理或辐射处理，其微核率可达10%67%。蚕豆根尖细胞的染色体大、DNA含量高，对诱变因子反应敏感。以一个对诱导物敏感性高的品种“松滋青皮豆”为基础也建立了成熟的微核检测技术。第六节 染色体结构变异的应用染色体结构变异在遗传研究中具有独特的价值，某些结构类型在育种工作中也具有广泛的应用。由于结构变异的特征和效应与其所涉及的染色体区段（及其所携带的基因）密切相关，因此每一个特定的结构变异实例都可能具有不同的应用方式与范围。在此我们介绍三个具有普遍意义和三个较独特的应用实例。一、 基因定位广义的基因定位（gene location）包括确定基因所在的染色体（甚至染色体的特定区域），并进而通过连锁分析确定其与相邻基因间的距离与顺序。确定基因所在的染色体也称基因的染色体定位（chromosomal location），通常利用非整倍体完成。利用缺失可以更精细地确定基因所在的染色体区域，而倒位点与易位点在连锁分析可以作为遗传标记加以应用。（一）、缺失定位利用缺失的细胞学鉴定与假显性现象可以确定基因在染色体上的大致区域，这种方法称为缺失定位（deficiency mapping, 缺失作图）。高等植物中，麦克琳托克的方法是最常用而行之有效的：首先采用诱导染色体断裂的方法处理显性个体的花粉，用处理后花粉给隐性性状母本授粉；然后观察后代中哪些个体表现假显性现象；对表现假显性现象个体进行细胞学鉴定。如果该个体发生了一个顶端缺失，就可以推测控制该变异性状的基因位于缺失区段。中间缺失杂合体二价体上缺失圈显示了缺失区段的在染色体上的位置，因此也可据以定位表现假显性现象的基因。果蝇的缺失区段可以结合唾腺染色体观察进行更精确的鉴定，因而许多果蝇基因最初都是通过缺失定位（包括中间缺失）确定其在染色体上的位置（图6-24）。采用染色体显带技术、染色体原位杂交技术分析染色体缺失导致的遗传病患者，也可以鉴定一些人类染色体缺失及相关基因在染色体上的位置。图6-24通过假显性现象进行果蝇基因定位（引自Griffiths et al., 2002）（二）、利用倒位进行连锁分析倒位染色体上具有两个倒位点倒位染色体形成时发生断裂重接的两个位点，也就是倒位区段与正常区段交接处。通过粗线期细胞学观察可以确定倒位点在染色体上的大致位置，基于唾腺染色体观察也可以对果蝇染色体倒位点进行更精细的细胞学定位。倒位点具有与一对等位基因类似的性状表现和遗传方式。如用In表示倒位点，用in表示正常染色体上等位点。倒位纯合体（InIn）与正常纯合体（inin）配子全部可育，而倒位杂合体（Inin）配子部分不育。用倒位杂合体与正常个体交配（Inininin），后代倒位杂合体与正常个体呈11的分离；倒位杂合体自交，后代倒位纯合体:倒位杂合体:正常纯合体=121。由于同时具有细胞学和性状识别特征，倒位点作为独特的显性遗传标记，可将连锁分析与细胞学研究结合起来。将倒位点看作一个显性基因，可以采用两点测验或三点测定倒位点与其相邻的非倒位区段连锁基因间的重组率。采用测交法测定倒位点与B-b基因间重组率的基本程序为：用正常植株（bin/bin）与倒位纯合体（BIn/BIn）杂交得到双杂合体F1（BIn/bin）；再用F1与正常隐性植株测交；测交后代中重组型B表型、配子全部可育（Bin/bin），b表型、部分不育（bIn/bin）占测交后代的百分率即为重组率。bin/binBIn/BInbin/binBIn/binBIn/bin亲本型bin/bin亲本型Bin/bin交换型bIn/bin交换型如果B基因在遗传连锁图上的位置已知，根据该重组率，可大致确定倒位点在遗传图上的位置。反之，如果