遗传学第三章连锁互换和基因作图ppt课件

第三章连锁互换与基因作图 第一节连锁与重组 性状连锁遗传的发现 连锁遗传的解释 测交 杂合体或未知基因型的个体与隐性纯合体的交配 1912年Morgan用果蝇为材料研究连锁现象 提出了遗传学的第三定律 连锁与互换定律 完全连锁与不完全连锁 二 交叉与交 互 换交叉 1909年Janssens首先观察到减数分裂同源染色体部分区域的交叉 互换 Morgan设想交叉的区域应该是染色体互换的区域 因此表现为不完全连锁 如上例的11 重组合 完全连锁 雄果蝇和雌家蚕 几个概念 1 重组与交换 重组是指基因的重新组合 交换是指染色体片段的交换 2 单交换和双交换 单交换是指在考察区域内发生了一次交换 同理双交换是指发生了两次交换 第二节重组率及测定 交换值的测定 交换值与连锁强度的关系 影响交换值的因子 第三节基因定位与连锁遗传图 基因定位 两点测验 三点测验 果蝇三点测验 果蝇三点测交作图 例 果蝇Y染色体上有y 黄身 Y 灰身 ct 截翅 Ct 正常翅 ec 棘眼 Ec 正常眼 杂交 YCtEc yctec xyctec Y 子代 yctec1071YCtEc1080Yctec66yCtEc78YCtec6yCtec282YctEc293yctEc4 例如 y w ec ywec可产生8种配子 这8种配子来源于非交换 单交换及双交换 分析 归类 把一次交换产生的配子 表型 归为一类 填入表中 重组类型数目占总数 y ecec cty ctyctec107174 68YCtEc1080Yctec665 00 yCtEc78yCtec28219 97 YctEc293YCtec40 35 yctEc6 确定基因顺序 根据双交换类型的特点 我们知道这3个基因的顺序为y ec ct 统计各类型的数据 计算重组值 y ec 5 00 0 35 5 35 ec ct 19 97 0 35 20 32 y ct 5 00 19 97 24 97 图距 y5 35ec20 32ct24 97 问题 24 97 5 35 20 32原因 双交换引起校正 5 35 20 32 24 97 2x0 35 25 67y5 35ec20 32ct25 67 双交换的特点 双交换的比率最低 如果3个基因是自由组合的 则8种配子的比率为1 1 1 1 1 1 1 1 如果是连锁的 则非交换 单交换 双交换 双交换的结果是3个基因中只有中间的基因位置发生改变 另两个基因位置不变 重组值与交换值的区别 发生双交换后 头尾两个基因间发生了两次交换 但两基因没有重组 理论上说 染色体图距应由交换值表示 但我们能观察到的只有表型 基因 的重组 干扰与符合 干涉 扰 和并发系数 率 干涉 发生一次单交换后会影响临近发生另一次单交换 称干涉 可分为正干涉和负干涉 真核生物一般为正干涉 原核生物为负干涉 干涉的大小用并发系数 C 表示 观察到的双交换频率并发系数C 两个单交换的乘积干涉I 1 并发系数上例 C 0 35 5 35 x20 32 0 3211I 1 0 3211 0 6789 67 89 连锁遗传图 连锁遗传图 连锁群 彼此连锁 具有一起往下传递的趋势的许多基因 构成一个连锁群 某种生物的连锁群的数目等于该生物的染色体对数 重组频率 值 重组合Rf X100 亲组合 重组合染色体图距 两个基因在染色体上的相对距离 1 的重组值定义为1个图距单位 mapunit mu 也有人将1个图距单位称为1个厘摩 centiMorgan cM 果蝇的4个连锁群 第三节真菌的遗传分析 真菌类的遗传分析 四分子分析 顺序四分子分析非顺序四分子分析 着丝粒作图重组作图 重组作图 四分子分析 一 脉孢霉 红色面包霉 的生活史 无性孢子 分生孢子 有性孢子 子囊孢子 优点 单倍体生物生活史简单 生长快 易培养具有有性生殖过程一次减数分裂的产物在一个子囊内 易分析 红色面包霉的特点生活史简单 易于繁殖 培养 管理 子囊孢子是单倍体 表型直接反映基因型 可直接观察基因表现 无需测交 一次只分析一个减数分裂产物 可获得并分析单次减数分裂的结果 可进行有性生殖 染色体结构和功能类似于高等生物 粗糙链孢霉的生活史 二 顺序四分子分析 单倍体营养体在营养或生长环境不利时 转入有性生殖 菌丝产生的单倍体分生孢子与另一个菌丝的原子囊果中的单倍体子囊孢子杂交 形成2倍体的杂合体 该2倍体经过第一次减数分裂 获得一个细胞内含有4个单倍体的产物 4个单倍体产物呈直线排列 称为 四分子由于脉孢霉一次减数分裂的四个产物被包裹在窄窄的子囊内 称为四分子 对其分析称四分子分析 tetradanalysis 四分子在子囊中的排列顺序取决于减数分裂时着丝粒的取向 因此可以将着丝粒看作一个 基因 以它作为标准点 将基因与它比较 分析各基因间的顺序与距离 该方法也称着丝粒作图 PhotomicrographshowingsegregationofdarkandlightascosporesinNeurospora 四分子分析的优越性 1 可把着丝粒看作一个座位2 子囊孢子的对称性 证明减数分裂是一个交互过程 3 可以检验染色单体的交换是否有干涉 还可用于基因转变的研究 4 证明双交换可以包括4线中的两线 3线或4线 三 着丝点作图 centromeremapping 利用四分子分析法 测定基因与着丝粒间的距离 1 第一次分裂分离与第二次分裂分离 M1 第一次分裂分离着丝粒与标记基因的分离时期在第一次减数分裂时期M2 第二次分裂分离着丝粒与标记基因的分离时期在第二次减数分裂时期 3 着丝点作图的计算 着丝粒作图与基因重组交换的子囊孢子数着丝粒距离 总孢子数交换型子囊数 x1 2总子囊数M2 x1 2M1 M2 例 红色面包霉的连锁与交换 红色面包霉有一个与赖氨酸合成有关的基因 lys 野生型 能够合成赖氨酸 记为lys 能在基本培养基 不含赖氨酸 上正常生长 成熟子囊孢子呈黑色 突变型 不能合成赖氨酸 称为赖氨酸缺陷型 记为lys 在基本培养基上生长缓慢 子囊孢子成熟较迟 呈灰色 用不同接合型的lys 和lys 杂交 可预期八个孢子中lys 和lys 呈4 4的比例 事实也是如此 在对子囊进行镜检时发现孢子中lys 和lys 有六种排列方式 即我们教材p80表3 7所示的六种排列方式 着丝点距离与着丝点作图 将着丝点当作一个基因位点看待 计算基因位点与着丝点间的交换值 估计基因与着丝点间的遗传距离 称为着丝点距离 每个交换型子囊中 基因位点与着丝粒间发生一次交换 其中半数孢子是重组型 重组型配子 因此 交换值 重组率RF 的计算公式为 M 1 2RF 100 M M RF0 lys 9 5 10 16 1 2 105 129 9 5 10 16 100 7 3 即着丝粒与lys间的距离为7 3cM 着丝粒距离 如 将两种菌株进行杂交lys lys 得如下结果 Lys基因与着丝粒之间的距离是7 3cM 4 交换型与非交换型 六种子囊孢子排列方式 六种子囊孢子排列方式 第一次分裂分离与第二次分裂分离 1 2 两种排列方式 野生型lys 和突变型lys 在M1彼此分离 称第一次分裂分离 firstdivisionsegregation 着丝粒和lys基因位点间不发生非姊妹染色单体交换 因此这两种子囊类型就是非交换型子囊 3 6 四种排列方式 第一分裂产物中野生型与突变型未发生分离 野生型和突变型M2发生分离 称第二次分裂分离 seconddivisionsegregation 着丝粒与基因位点间发生非姊妹染色单体交换 因此这四种子囊均为交换型子囊 非交换型 交换型子囊的形成 四 两个连锁基因的作图 亲二型 PD 非亲二型 NPD 四型 T PD 四个孢子中只有两种基因型 且分别与两亲本相同 基因间没有重组 NPD 四个孢子中只有两种基因型 且分别与两亲本不同 是由基因重组产生的 T 四个孢子中只有四种基因型 两种分别与两亲本相同 没有重组 另两种分别与两亲本不同 重组 两对基因杂交 如不考虑孢子排列 只考虑性状组合时 子囊可以分为3种四分子类型 亲二型 parentalditype PD 有两种基因型 并与亲代相同 包括子囊型 和 非亲二型 non parentalditype NPD 有两种基因型都跟亲代不同 是重组型 包括子囊型 和 四型 tetratype T 有四种基因型 2种与亲代相同 2种重组型 包括子囊型 和 下图是从染色体交换和重组来理解各类子囊的形成原因 交换类型 染色体图象 重组 四分子类型 子囊型 无交换 四线双交换 单交换 0 100 50 a n a n a n a a n n PD na na NPD a n na T 交换类型 染色体图象 重组 四分子类型 子囊型 二线双交换 单交换 四线多交换 50 0 100 a n a na n T a n a n PD na na NPD a n a n a n na a n T 50 三线双交换 资料分析 计算nic与着丝粒之间的重组率 2 计算ade与着丝粒之间的重组率 3 判断nic ade基因是独立分配还是连锁 如果两个基因是自由组合的话 则PD NPD 1 1而实验结果PD 808 90 898 NPD 1 1 2 PD远远大于NPD 说明这两个基因是相互连锁的 哪一种排列正确呢 如果我们把资料用另一种方式排列 得下表 按照分离时期排列 nic ade子囊数 MIMIMIIMII MIMIIMIMII 808 1 809 90 90 5 5 90 5 1 96 1000 RF nic 5 05 RF ade 9 30 若n和a各自独立的与着丝粒发生交换的话 则MII的子囊数应为9 30 5 05 1 84 1 事实上 交换发生在着丝粒与ade间 n是MI a是MII的子囊有90个 交换发生在着丝粒与n间 n是MII a是MI的子囊只有5个 比例相差悬殊 所以这两个基因处在着丝粒的同一侧 另从上表可见 在n与着丝粒发生交换时 a基因也一道与着丝粒发生了交换 即n是MII a也是MII共计96 90 1 5 个子囊 同一交换使 n出现MII型分离 也使 a出现MII型分离 101次中有96次 证明n a在着丝粒的同一侧 ana n 被低估的重组值从下表的分析可以将 a间的重组值得到校正 被低估的重组值 两连锁基因的作图 二 杂交实验Pn X a n n n a 2n 减数分裂36种不同组合7种不同类型子囊型 粗糙脉孢菌n x a杂交结果 2计算着丝粒距离nic M2 M1 M2 X1 2X100 5 90 1 5 1000X100 X1 2 5 05 ade M2 M1 M2 X1 2X100 90 90 1 5 1000X1 2X100 9 30 两基因可能的位置关系 三种 自由组合连锁 着丝粒两侧着丝粒同侧 例 n x a杂交n 烟酸依赖型 a 腺嘌呤依赖型 M25 90 1 5 n x 5 05M1 M21000 x2M190 90 1 5 a x 9 3M1 M21000 x2NPD 1 2T 1 1 1 2 90 5 5 a b 5 2NPD PD T1000 5 05N5 2A9 3 校正 a的重组应为子囊型2 4 7分别有两次交换 子囊型6有三次 子囊型3 5各一次 但在计算时 只计算了子囊型3 5 6 7各一次 因此校正因子为 2x1 2x5 2x1 519 0 951000 x220009 30 0 95 5 05 5 2 10 25 分型与连锁关系的判断 亲二型 PD P82非亲二型 NPD 四型 T 连锁判断 自由组合连锁结果NPD PD 1NPD PD 12 898结果表明 nic与ade连锁 4两个连锁基因位置的判断 同臂或不同臂 1 利用连锁基因都处于MII时 PD和NPD四分子类型频率判断 2 比较n和a分别为MI和MII时的子囊数进行判断 n aM1M1809M1M290M2M15M2M296 如果两基各在一侧 M2 a M2 n 2实验结果 M1M2 M2M1 90 5 18 倍 与实验不符 说明两基因在同侧 5作图 nicade05 0510 25 202 208 372 3838 4000 0 95 9 3 0 95 10 25 两个连锁基因的作图 三 粗糙链孢酶有两个突变型 烟酸依赖型 nic 需在培养基中添加烟酸才能生长腺嘌呤依赖型 ade 需在培养基中添加腺嘌呤才能生长nic ade 必有6 6 36种不同的子囊型 但若把着丝粒在减数分裂中的随机趋向造成的不同归为一类 可归纳为7种基本子囊型 见P82表3 8 如只考虑性状组合 不考虑孢子排列顺序 还可把子囊分为3种类型 1 亲二型 parentalditypePD 2种基因型 都为亲型 包括 和 2 非亲二型 non parentalditype NPD 2种基因型 都为重组型 包括 和 3 四型 tetratype T 4种基因型 2亲本2重组 包括 和 1 判断nic和ade是独立分配还是连锁 若独立分配 则PD NPD 1或 1若连锁 则PD NPD 1实际上 PD NPD 1 所以两基因连锁 2 计算着丝粒和两基因间的RF RF 0 nic M 1 2 M M 100 1 2 5 90 1 5 1000 100 5 05 图距 5 05cMRF 0 ade M 1 2 M M 100 1 2 90 90 1 5 1000 100 9 3 图距 9 3cM根据RF值可知两基因在染色体上有两种可能排列方式 nicadenicade5 059 35 059 3 3 判定两基因在染色体的同臂还是异臂上 估算两基因的RF值 RF nic ade 重组型 亲本型 重组型 100 1 2T NPD T PD NPD 100 1 2 90 5 5 1 1 1000 100 5 2 图距 5 2cM0nicade5 055 210 25 利用两连锁都处在M 时的PD和NPD四分子类型出现的频率来判断它们处在同臂还是异臂上 若两连锁基因在异臂上 则PD与NPD都由双交换形成且机会相等 所以PD NPD 但事实上PD NPD故此情况不可能 nic和ade在同臂上已知RF 0 nic RF nic ade 5 05 5 2 RF 0 ade 9 3 即RF 0 nic RF nic ade RF 0 ade 原因 着丝粒和ade间发生过双交换 但在计算RF 0 ade 时却没有计算在内 而在计算RF 0 nic 和RF nic ade 时都各计算一次 校正着丝粒与ade间的重组值 由上表可以看出202 208 372 低估的重组值 202 208 372 4000 100 0 95 RF 0 nic RF nic ade RF 0 ade 0 95 9 3 0 95 10 25 五 非顺序四分子的遗传分析 非顺序四分子的遗传分析 AB ab杂交时 无论有无连锁 只产生3种可能的无序四分子 ABABabab aBaBAbAb abaBAbAB PDNPDT RF 0 5 A B基因不连锁 RF 0 5 A B基因连锁 非顺序四分子遗传分析 子囊 PDNPDTABaBabABaBaBabAbAbabAbABRF 重组值 1 2T NPD 总子囊数X100 重组值可能被低估 可用PD NPD T三种子囊的频率推导出两基因间平均每个减数分裂的交换数 m m SCO 2DCO交换值 X 1 2m m T 6NPD交换值 X T 6NPD X50 3种无序四分子的形成 abPDABNCO abTABSCO abTABDCO abNPDABDCO 如果假设双交换在四条染色单体间随机发生 DCO 4线双交换 4NPD如果假设双交换在三条染色单体间随机发生 DCO 3线双交换 4T 2NPDT SCO 单交换 DCO 3线双交换 SCO T DCO 3线双交换 T 2NPDm SCO DCO T 2NPD 2 4NPD T 6NPD例如 PD 0 56 NPD 0 03 T 0 41交换值 1 2m T 6NPD X50 图距 50 T 6NPD 50 0 41 6X0 03 29 5 第四节人类染色体的基因定位 一 人类基因定位方法 一 家系分析法与基因定位家系分析法 pedigreemethod 通过分析 统计家系中有关性状的连锁情况和重组率而进行基因定位的方法 伴Y遗传 家系中的某一性状只出现在男性中 2X连锁遗传原理 根据伴性遗传特点 3外祖父法 1 前提条件 两个连锁基因位于X染色体上的 母亲是两对基因的杂合体 如 红绿色盲基因a 蚕豆病 G6PD 基因 g 2 外祖父法定位原理外祖父母亲 双杂合体 儿子AG YAG agAG Yag YAg YaG YaG YaG AgaG YAg YAG Yag YAg YAg aGAg YaG YAG Yag Y亲组合重组合统计结果 计算交换值 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GgTt GGTT 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 三代的系谱 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 例 如图 设黑色表示患一种显性的肌强直功能不全 mytonicdystrophy 性状标志为唾液分泌类型 由Se和se一对等位基因所控制 Se为显性基因 图肌强直功能不全和唾液分泌类型发生分离的家庭 I 1个体患有肌强直功能不全症并伴有唾液分泌型的特性 I 2不患此病并为非分泌型 其生育的女儿 II 1 也为肌强直功能不全症并伴有唾液分泌型 所以她 II 1 的疾病和分泌型性状的两个基因来自父亲 说明疾病基因和Se基因在一条染色体上 她的基因型为GSe gse 为相引相的双杂合体 第三代的性状开始分离 有的为分泌型伴疾病 有的不伴病 在第三代六个子代中 III 1个体为健康者并为分泌型 说明原来疾病基因和Se基因连锁的染色体与其同源染色体间发生了交换 因此该个体为重组体 III 2 III 6均为非重组体 因此重组率为 1 6 以人类X连锁的色盲基因 a 和蚕豆病基因 G6PD g 为例说明外祖父法 若X染色体没有重组交换 则不论母亲是顺式还是反式杂合体 其儿子中的X染色体只有两种类型 母亲 儿子 或 正常 色盲 蚕豆病 蚕豆病 色盲 若母亲X染色体的两个基因间发生了交换 外祖父 AG 母亲 双重杂合子 AG ag 儿子 AG ag Ag aG 互引相 正常 色盲 蚕豆病 蚕豆病 色盲 aG aG Ag aG Ag ag AG Ag Ag aG Ag aG AG ag 互斥相 互斥相 色盲 色盲 正常 正常 蚕豆病 蚕豆病 色盲 蚕豆病 色盲 蚕豆病 根据外祖父的表型确定作为母亲的双重杂合体的连锁相 反式或顺式 然后判断其儿子中的各种表型中哪种属于重组型 统计其重组体多占的比例 就可计算两个基因间的重组率 RF a g 5 5cM 家系分析法在原则上也可用于常染色体上的基因定位 二 体细胞杂交定位法 克隆分布板法1 人鼠细胞融合培养2 杂种细胞筛选3 各种杂种细胞系4 生化分析和细胞学观察5 观察 比较分析 定位 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 cellfusion 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 hybridcell 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 其原因至今不明 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6 6 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 杂种细胞系的染色体和TK活性细胞系人类染色体TK活性 1 5 9 12 21 2 3 4 17 21 3 5 6 14 17 22 4 3 4 9 18 22 5 1 2 6 7 20 6 1 9 17 18 20 克隆分布法基因定位 2利用染色体异常进行基因定位 1 基因剂量效应法 2 染色体缺失定位法 采用染色体分带技术人类染色体的标准带型 臂 区 带 亚带 53 1 233441 三 利用染色体异常进行基因定位 1 基因剂量效应法 2 染色体缺失定位法 采用染色体分带技术人类染色体的标准带型 臂 区 带 亚带 四 DNA介导的基因定位 1克隆基因定位法原理 采用已克隆基因的cDNA作探针 与杂种细胞中人染色体DNA进行分子杂交 2 原位分子杂交法基因定位目的基因DNA重组DNA 早中期染色体 变性 复性 干燥 放射自显影 二 人类染色体作图人类基因组计划介绍 二 181 人类基因组计划 HGP 的基本任务可以用4张图谱来概括 遗传图谱 物理图谱 序列图谱 基因图谱 1 遗传图谱遗传图谱也称遗传连锁图谱 构建遗传图谱的基本原理是真核生物遗传过程中会发生减数分裂 此过程中两条同源染色体要进行交换重组 重组百分率可以反映出染色体上两点之间相对距离 称遗传距离 单位为厘摩尔根 cM 根据遗传距离 可以确定同一染色体上基因间的相互距离 绘制遗传图谱 182 遗传标记在基因定位时的作用 不同基因 带有遗传标记的染色体 根据遗传标记 基因在染色体上的位置被确定 183 2 物理图谱基因组太大 必需分散测序如果将每个碱基比作一个英文字母 以每10cm书写60个字母计算 人类基因组30亿个碱基其长度可达5000千米 相当于从北美洲的蒙特利尔横跨大西洋到达伦敦 洛杉矶到达巴拿马 以上述标准编写书籍 可写成3000本每册200万字的著作 184 物理图谱的基本原理是将每一条染色体敲碎 分段克隆 利用重叠的方法将这些克隆头尾重叠相连 就可以获得横跨和覆盖整条染色体的克隆群 物理图以Mb kb bp作为图距 物理图谱的路标 STS sequence tagedsite 序列标签位点 STS在基因组中只出现一次 可定义重叠克隆群中某一特定克隆 对重叠克隆群进行排序 185 能克隆大片段DNA载体如YAC 10Mb 等的出现 使克隆群排序变得容易 准确 特定的大片段DNA克隆要进行再切割 构建重叠亚克隆群供测序使用 186 3 序列图谱遗传图 物理图都是为绘制序列图而建的 目前的测序技术还不允许很长链DNA直接测序 序列图谱分析基本策略是建立DNA小片段重叠群 STS被用作任何两个片段间的重叠区域 使分别被测的短序列进行正确的拼接 187 4 基因图谱在人类基因组中鉴别出占2 5 的全部基因 基因 增强子 组织特异性成分 CCAAT盒 TATA 盒 帽子位点 转录起始位点 ATG起始密码子 GT AG GT AG TAA TGA TAG终