遗传的基本规律及其扩展

动物遗传育种学AnimalGeneticsandBreeding,赵胜军Ph.Dhaoshengjun,第五章遗传的基本规律及其扩展,经典遗传学细胞遗传学孟德尔遗传学,讲授内容,第一节分离定律第二节独立分配定律第三节基因互作第四节连锁与互换第五节性别决定与伴性遗传第六节非孟德尔遗传,教学目标,了解孟德尔试验的方法及其特点掌握分离定律的要点掌握遗传因子自由组合要点掌握基因互作的方式掌握基因连锁与互换的实质掌握性别决定与伴性遗传的实质了解非孟德尔遗传现象,遗传学的奠基,人类很早就从认识了遗传现象在直观上认为子代所表现的性状是父、母本性状的混合遗传，在以后的世代中不再分离孟德尔从1856年起在修道院的花圆里种植豌豆，开始了他的“豌豆杂交试验”，到1864年共进行了8年认为父母本性状遗传不是混合，而是相对独立地传给后代，后代还会分离出父母本性状。从而孟德尔提出:分离规律独立分配规律,第一节分离定律,一对相对性状的杂交试验,一、一对相对性状的杂交试验,性状(character)是生物体所表现的外观结构、形态及内在生理、生化特性的统称单位性状(unitcharacter)能被具体区分的每一个性状称为单位性状如：豌豆的花色、羊的角形,相对性状,同一单位性状在不同个体间所表现出来的相对差异，称为相对性状(contrastingcharacter),豌豆杂交试验,正交,注：P表示亲本，表示母本，表示父本，表示杂交。,一对相对性状杂交特点,F1性状表现一致，只表现一个亲本性状，另一个亲本性状隐藏显性性状：具有相对性状的两个亲本杂交,F1表现出来的性状隐性性状：具有相对性状的两个亲本杂交,F1未表现，而在F2重新出现的性状F2分离，一部分植株表现这一亲本性状，另一部分植株表现为另一亲本性状，说明隐性性状未消失以上F2群体中显隐性分离比例大致总为3:1,二、分离现象的解释及验证,孟德尔提出以下假说在生殖细胞中存在着与相对性状对应的遗传因子控制着性状发育；遗传因子在体细胞内成对：如F1植株内存在一个控制红花显性性状和一个控制白花隐性性状的遗传因子；每对遗传因子在形成配子时可均等地分配到配子中每一配子（花粉或卵细胞）中只含其中一个；遗传因子在受精过程中能保持其独立性，表现为随机性,现以豌豆红花白花的杂交试验为例，加以具体说明：,以遗传因子解释,表现型和基因型,孟德尔提出的遗传因子基因(gene)1.基因型(genotype)个体的基因组合即遗传组成；如花色基因型CC、Cc、cc2.表现型(phenotype)生物体所表现的性状，是可以观测的如红花，白花3.基因型、表现型与环境的关系：基因型+环境表现型4.基因型类型：纯合体：成对的等位基因相同的个体，如CC、cc。杂合体：成对的等位基因不同的个体，如Cc。,分离规律的验证,分离规律是完全建立在一种假设的基础上的，这个假设的实质就是成对的基因(等位基因)在配子形成过程中彼此分离，互不干扰，因而配子中只具有成对基因的一个。为了证明这一假设的真实性，可以采用以下几种方法进行验证测交法自交法,测交法,测交法(testcross)也称回交法，即把被测验的个体与隐性纯合基因的亲本杂交，根据测交子代（Ft）出现的表现型和比例来测知该个体的基因型供测个体隐性纯合亲本Ft测交子代,自交法,F2植株个体通过自交生成F3株系，根据F3株系的性状表现，推论F2个体的基因型P红花白花CCccF1红花Cc(自交)F2红花红花白花CCCcccF3红花红花（分离）白花1:2:1,豌豆试验结果：7对相对性状的试验结果相同,三、分离规律的普遍性及其推广,1、显性性状的表现完全显性（completedominance）F1所表现的性状和亲本之一完全一样，而非中间型或同时表现双亲的性状。不完全显性(incompletedominance)F1表现双亲性状的中间型。共显性(codominance)双亲的性状同时在F1个体上出现,而不表现单一的中间型。如MN血型,F1为中间型，F2分离，说明F1出现中间型性状并非是基因的掺和，而是显性不完全；当相对性状为不完全显性时，其表现型与基因型一致。,不完全显性,金鱼草（或紫茉莉）P红花白花RRrrF1粉红RrF2红:粉红:白1RR:2Rr:1rr,共显性,例如:贫血病患者正常人红血球细胞镰刀形红血球碟形ssSSSs,红血球细胞中既有碟形也有镰刀形这种人平时不表现病症，在缺氧时才发病。,致死基因,致死基因（lethalalleles）是指当其发挥作用时导致个体死亡的基因显性致死基因（dominantlethalalleles）在杂合体状态时就可导致个体死亡如人的神经胶症基因只要一份就可引起皮肤的畸形生长，严重的智力缺陷，多发性肿瘤，个体在很年轻时就丧失生命隐性致死基因（recessivelethalalleles）只有在隐性纯合时才能使个体死亡如植物中常见的白化基因就是隐性致死基因，它使植物成为白化苗，因为不能形成叶绿素，最后植株死亡,复等位基因,复等位基因（multiplealleles）指在同源染色体的相同位点上，存在三个或三个以上的等位基因复等位基因在生物中是比较广泛地存在的，如人类的ABO血型遗传，就是复等位基因遗传现象的典型例子。,人类血型有A、B、AB、O四种类型，这四种表现型是由3个复等位基因（IA、IB、和i)决定的。IA与IB之间表示共显性（无显隐性关系），而IA和IB对i都是显性，所以这3个复等位基因组成6种基因型，但表现型只有4种。,四、分离定律的意义与应用,理论上的意义说明了生物界由于杂交和分离所出现的变异的普遍性。在遗传研究和杂交育种工作中应严格选用合适的遗传材料，才能正确地分析试验资料，获得预期的结果，做出可靠的结论实践上的应用指导育种杂种通过自交后代性状分离。所以在进行杂交育种时，自交和选择要同时进行。良种繁育防止天然杂交以保持品种的典型性，防止性状杂合而分离,第二节独立分配定律,两对相对性状的杂交试验,一、两对相对性状的遗传试验,P黄色、圆粒绿色、皱粒F1黄色、圆粒F2黄色、圆粒：黄色、皱粒：绿色、圆粒：绿色、皱粒总数实粒数31510110832556理论比例9：3：3：116,一对相对性状进行分析,黄色：绿色=（315+101）：（108+32）=416:1403:1圆粒：皱粒=（315+108）：（101+32）=423:1333:1,两对性状的随机组合分析,（3黄色：绿色）（3圆粒：皱粒）=9黄色、圆粒：3黄色、皱粒：3绿色、圆粒：绿色、皱粒说明每对遗传因子的分离是独立的，不同遗传因子间是自由组合的,二、独立分配现象的解释和验证,独立分配基本要点不同的相对性状的遗传因子在遗传过程中，它们的分离和组合是互不干扰，各自独立分配到配子中去。,按照独立分配规律，在显性作用完全的条件下，亲本间有2对基因差异时，F2有22=4种表现型：,4对基因差异时，F2有24=16种表现型,三、独立分配规律的意义,理论上多对基因之间的自由组合是生物界发生变异的原因之一例如：按照独立分配规律，在显性作用完全的条件下，亲本之间2对基因差异F222=4表现型4对基因差异F224=16表现型20对基因差异F2220=1048576表现型至于基因型就更加复杂了生物中丰富的变异类型，有利于广泛适应不同的自然条件，有利于生物进化实践上：分离规律的应用完全适应于独立分配规律，且独立分配规律更具有指导意义；在杂交育种工作中，有利于有目的地组合双亲优良性状，并可预测杂交后代中出现的优良组合及大致比例，以便确定育种工作的规模,第三节基因互作,基因互作,许多试验已证明基因与性状远不是一对一的关系，相对基因间显隐关系，往往是两个或更多基因影响一个性状。就两对性状而言，符合独立分配规律的F2表现型呈9331分离，表明这是由两对相对基因自由组合的结果。两对相对基因自由组合出现不符合9331分离比例，其中一些情况是由于两对基因间相互作用的结果，即基因互作。基因互作（interactionofgenes）不同对基因间相互作用而导致杂种后代分离比例偏离正常的孟德尔比例。,一、互补作用,定义两种或两种以上显性基因相互作用出现新性状叫做互补作用具有互补作用的基因叫互补基因,胡桃冠蔷薇冠豌豆冠单冠,二、显性上位作用,定义两对独立遗传基因共同对一对性状发生作用，其中一对对另一对基因的表现有遮盖作用，称为上位性（epistasis）。如果是显性起遮盖作用，称为显性上位基因。F2的分离比例为12:3:1,P白皮WWYYwwyy绿皮F1WwYy白皮F212白皮(9W_Y_+3W_yy)：3黄皮（wwY_）：1绿皮（wwyy）,F212白皮(9W_Y_+3W_yy)：3黄皮(wwY_)：1绿皮(wwyy)当W存在时，Y的作用被遮盖，当W不存在时，Y则表现黄色，当为双隐性时，则为绿色。,西葫芦（squash）的皮色遗传,三、隐性上位作用,定义在两对互作的基因中，其中一对隐性基因对另一对基因起上位性作用F2的分离比例为9:3:4。,用真实遗传的黑色家鼠和白化家鼠杂交，F1全是黑色家鼠。,F2代群体出现9/16黑色：3/16淡黄色：4/16白化。隐性基因cc能够阻止任何色素的形成。因此只要cc基因存在即使其他基因的存在也不能呈现出颜色，而表现出白化，没有cc基因，R基因控制黑色性状，r基因控制淡黄色性状,四、重叠作用（duplicateeffect）,定义两对或多对独立基因对表现型能产生相同影响重叠作用也称重复作用，只要有一个显性重叠基因存在，该性状就能表现。F2产生15:1的比例，称为重叠作用。,F215三角形(9T1_T2_+3T1_t2t2+3t1t1T2_):1卵形(t1t1t2t2),荠菜果形的遗传,基因作用的方式,多因一效（Multigeniceffect）如玉米叶绿素的形成与50多对不同的基因有关。一因多效（Pleiotropism）一个基因影响多个性状的发育。如水稻的矮生基因除控制矮化外，还控制分蘖（分蘖力加强）、增加叶绿素含量和扩大栅栏细胞的直径等。,多因一效与一因多效现象从生物个体发育整体上理解,一个性状是由许多基因所控制的许多生化过程连续作用的结果；如果某一基因发生了改变，影响主要在以该基因为主的生化过程中，但也会影响与该生化过程有联系的其它生化过程，从而影响其它性状的发育。,第四节连锁与互换,连锁遗传规律的发现,1900年孟德尔遗传规律重新发现以后，生物界广泛重视，进行了大量试验。其中有些属于两对性状的遗传结果不符合独立分配规律，因此不少学者对于孟德尔的遗传规律曾一度发生怀疑。摩尔根以果蝇为试验材料进行深入细致的研究，提出连锁遗传规律（遗传学第三规律），创立基因论。认为基因成直线排列在染色体上，进一步发展为细胞遗传学。,一、连锁遗传及其解释,性状连锁遗传的发现性状连锁遗传现象是贝特森和庞尼特(Bateson,W.和Punnett,R.C.，1906)在香豌豆的两对性状杂交试验中首先发现的。他们的两个试验如下：,结果表明F2：同样出现四种表现型，不符合9:3:3:1；亲本组合数偏多，重新组合数偏少(与理论数相比)。,试验一：,结果与第一个试验情况相同。,试验二：,试验总结,第二个试验的表现与第一个试验基本相同，同9:3:3:1的独立遗传比例相比较，在F2四种表现型中仍然是亲本组合性状(紫、圆和红、长)的实际数多于理论数，重新组合性状的实际数少于理论数，同样不能用独立分配规律来解释。上述两个试验结果都表明，原来为同一亲本所具有的两个性状，在F2中常常有连系在一起遗传的倾向，这种现象称为连锁遗传。,连锁遗传,定义原来亲本所具有的两个性状，在F2连系在一起遗传的现象分类完全连锁位于同源染色体上非等位基因之间不能发生非姐妹染色单体之间的交换F1只产生两种亲型配子、其自交或测交后代个体的表现型均为亲本组合不完全连锁位于同源染色体上非等位基因之间发生非姐妹染色单体之间的交换F1不仅产生亲本型配子也产生重组型配子,由于F1杂合雄蝇（BbVv)只产生两种类型的配子，数目相等，所以用双隐性雌蝇测交的后代，只能有两种表现型，比例为1:1,完全连锁,灰身长翅,黑身残翅,不完全连锁,当两对非等位基因为不完全连锁时，F1不仅产生亲本型配子也产生重组型配子。,黑身残翅,灰身长翅,灰身长翅灰身残翅黑身长翅黑身残翅,交换,定义成对染色体非姐妹染色单体间基因的互换交换的过程杂种减数分裂时期(前期I的粗线期)根据染色体细胞学行为和基因位置上的变化关系可以说明连锁和交换的实质,在减数分裂前期I，粗线期非姊妹染色单体发生交换，导致在双线期可在二价体之间的某些区段出现交叉.,(1)基因在染色体上呈直线排列；,(2)等位基因位于一对同源染色体的两个不同成员上；,(3)同源染色体上有两对不同基因时(非等位基因)，它们处于不同的位置；,(4)减数分裂前期I的偶线期中各对同源染色体配对(联会)粗线期已形成四合体双线期同源染色体出现交叉非姐妹染色单体粗线期时发生交换随机分配到子细胞内发育成为配子。,二、交换率的测定及其基因定位,交换率(重组率)指同源染色体非姐妹染色单体间有关基因的染色体片段发生交换的频率一般利用重新组合配子数占总配子数的百分率进行估算,应用这个公式估算交换率，首先要知道重组型配子数。测定重组型配子数的简易方法有测交法和自交法两种。,交换率与连锁强度的关系,交换率的幅度经常变化于050%之间：,当交换值率0%，连锁强度越大，两个连锁的非等位基因之间交换越少；,交换值率50%，连锁强度越小，两个连锁的非等位基因之间交换越大。,交换率的大小主要与基因间的距离远近有关。,由于交换率具有相对稳定性，常以该数值表示两个基因在同一染色体上的相对距离（遗传距离）。例如：3.6%即可称为3.6个遗传单位（图距单位，mapunit，m.u.）。也有人用摩（morgan）来表示，1摩=100m.u.,遗传单位值愈大，两基因间距离愈远，愈易交换；遗传单位值愈小，两基因间距离愈近，愈难交换。,基因定位：确定基因在染色体上的位置。,基因在染色体上各有其一定的位置确定基因的位置主要是确定基因之间的距离和顺序基因之间的距离是用交换值来表示的。,准确地估算出交换值确定基因在染色体上的相对位置把基因标志在染色体上。,两点测验和三点测验就是基因定位所采用的主要方法。,基因定位与连锁遗传图,1两点测验:,先用三次杂交、再用三次测交(隐性纯合亲本)来分别测定两对基因间是否连锁，然后再根据其交换值确定它们在同一染色体上的位置。,分别测出Aa-Bb间重组率确定是否连锁；,分别测出Bb-Cc间重组率确定是否连锁；,分别测出Aa-Cc间重组率确定是否连锁。,如果上述3次测验确认3对基因间都是连锁根据交换值的大小确定这三对基因在染色体上的位置。,例如:已知玉米子粒有色(C)对无色(c)为显性，饱满(Sh)对凹陷(sh)为显性，非糯性(Wx)对糯性(wx)为显性。,第一组试验：CCShShccshshF1CcShshccshsh,为了明确这三对基因是否连锁遗传，分别进行了以下三个试验:,第二组试验：wxwxShShWxWxshshF1WxwxShshwxwxshsh,第三组试验：WxWxCCwxwxccF1WxwxCcwxwxcc,交换值(149152)/(4032+4035+149+152)100%3.6%,第一组试验：CCShShccshshF1CcShshccshsh,40324035149152,交换值(15311488)/(1531599158851488)100%20%,第二组试验：wxwxShShWxWxshshF1WxwxShshwxwxshsh,第三组试验：WxWxCCwxwxccF1WxwxCcwxwxcc,交换值(739717)/(25427397172716)100%22%,第一、二个试验结果表明，Cc和Shsh是连锁遗传的，Wxwx和Shsh是连锁遗传的。所以Cc和Wxwx肯定是连锁遗传的，根据这二个试验结果，这三对基因在同一染色体上的排列顺序有两种可能：,第三个试验结果表明，Wxwx和Cc两对基因在染色体上相距22个遗传单位。这与23.6个遗传单位接近。所以，可以确定第一种排列顺序符合实际。,这样就把这三对基因的相对位置初步确定下来。用同样的方法和步骤，还可以把第四对、第五对及其它各对基因的连锁关系和位置确定下来。,不过，如果两对连锁基因之间的距离超过5个遗传单位，两点测验法便不如下面介绍的三点测验法的准确性为高。,(二)三点测验,三点测验(three-pointtestcross)是基因定位最常用的方法，它是通过一次杂交和一次用隐性亲本测交，同时确定三对基因在染色体上的位置。,采用三点测验可以达到两个目的：一是纠正两点测验的缺点，使估算的交换值更加准确；二是通过一次试验同时确定三对连锁基因的位置。,现仍以玉米Cc、Shsh和Wxwx三对基因为例，说明三点测验法的具体步骤。,(1)确定基因在染色体上的位置：,利用三点测验，首先要在Ft中找出双交换类型(即个体数最少的)，然后以亲本类型(即个体数最多的)为对照，在双交换中居中的基因就是三个连锁基因中的中间基因，它们的排列顺序就被确定下来。,凹陷、非糯、有色,饱满、糯性、无色,sh+=wx在中间+wx+sh+=sh在中间wx+c+sh=c在中间wxc+,根据F1的染色体基因型有三种可能性：,双交换：在三个连锁区段内，每个基因之间都分别要发生一次交换,单交换：在三个连锁基因之间仅发生了一次交换。,Ft中亲型最多，发生双交换的表现型个体数应该最少。,+wxc和sh+为亲型+和shwxc为双交换配子类型其它均为单交换配子类型,+sh+=sh在中间wx+c,sh+=wx在中间+wx+sh+=sh在中间wx+c+sh=c在中间wxc+,第种排列顺序才有可能出现双交换配子。,所以这三个连锁基因在染色体的位置为wxshc。,关键是确定中间一个基因一般以最少的双交换型与最多的亲型相比，可以发现只有sh基因发生了位置改变。所以sh一定在中间。,(2)确定基因之间的距离：,估算交换值确定基因之间的距离。,由于每个双交换中都包括两个单交换，故估计两个单交换值时，应分别加上双交换值：,双交换值=(4+2)/6708100%=0.09%wx-sh间单交换=(601+626)/6708100%+0.09%=18.4%sh-c间单交换=(116+113)/6708100%+0.09%=3.5%,三对连锁基因在染色体上的位置和距离确定如下：|-21.9-|-18.4-|-3.5-|-|-|wxshc,第五节性别决定与性连锁,一、性别决定,生物染色体可以分为两类性染色体直接与性别决定有关的一个或一对染色体性染色体如果是成对的，往往是异型的，即形态、结构和大小以及功能都有所不同常染色体性染色体以外，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。性连锁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，也称为伴性遗传。是连锁遗传的一种特殊表现形式。,如：果蝇n=4雌3AA+1XX雄3AA+1XY,性别决定的方式,雄杂合型：Y染色体决定着个体向雄性发展XY型：果蝇、人(n=23)、牛、羊、.X0型：蝗虫、蟋蟀、.，雄仅1个X、不成对；雌杂合型：ZW型：家蚕(n=28)、鸟类(包括鸡、鸭等)鹅类、蝶类等；雌雄决定于倍数性：如蜜蜂、蚂蚁。正常受精卵2n为雌孤雌生殖n为雄。,性别分化与环境关系,营养条件：如蜜蜂雌蜂(2n)+蜂王浆蜂王(有产卵能力)雌蜂(2n)+普通营养普通蜂(无产卵能力)孤雌生殖雄蜂(n)激素：如母鸡打啼母鸡卵巢退化，促使精巢发育并分泌出雄性激素，但其性染色体仍是ZW型。氮素、光照影响早期发育时使用较多氮肥或缩短光照时间，可提高黄瓜的雌花数量。温度、光照：降低夜间温度，可增加南瓜雌花数量；缩短光照，增加雌花。,二、伴性遗传(sex-linkedinheritance),是摩尔根等人(1910)以果蝇为材料进行试验时发现性连锁现象定义是指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，所以又称性连锁(sexlinkage)特点正反交结果不一样，表现为交叉遗传,红眼(雌):白眼(雄)=3:1，白眼全为雄性，说明白眼性状的遗传与雄性有关。假设：果蝇的白眼基因在X性染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因，上述遗传现象可得到合理解释。,a.正交,P白眼红眼XwXwXWY,b.反交,近亲繁殖XwYXWXWXwXWYXwXwXwXwY红:白=1:1(各半),交叉遗传,XWXwXwY,红眼XWXw白眼XwY,正反交不一样（3:1或1:1）,也说明眼色与性遗传有关，因为Y染色体上不带其等位基因(X染色体大多数基因半合子、半合基因)。,这样子代与其亲代在性别和性状出现相反表现的现象，称为交叉遗传(criss-crossinheritance)。,人类的性连锁如色盲、A型血友病等就表现为性连锁遗传。,芦花鸡的毛色遗传,芦花基因B为显性，正常基因b为隐性，位于Z性染色体上。W染色体上不带它的等位基因雄鸡为ZZ，雌鸡为ZW。,生产实践意义,ZBWZbZb芦花(雌)正常(雄),全部饲养母鸡多生蛋,三、限性遗传(sex-limitedinheritance),定义是指位于Y染色体(XY型)或W染色体(ZW型)上的基因所控制的遗传性状只局限于雄性或雌性上表现的现象。限性遗传的性状多与性激素的存在与否有关。例如，哺乳动物的雌性个体具有发达的乳房、某种甲虫的雄性有角等等。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、从性遗传,定义或称性影响遗传，是指由于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。基因一般位于常染色体上。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。反交结果和正交完全相同。,第六节非孟德尔遗传,非孟德尔遗传,定义不符合孟德尔遗传定律的基因作用模式类型母体效应剂量补偿效应基因组印迹核外遗传,一、母体效应,椎实螺的外壳旋转方向的遗传,椎实螺是一种、同体的软体动物，每一个体又能同时产生卵子和精子，但一般通过异体受精进行繁殖。椎实螺外壳的旋转方向有左旋和右旋之分，属于一对相对性状。椎实螺外壳旋转方向，由一对基因决定，右旋(S+)对左旋(S)。,杂交试验：椎实螺进行正反交,F1旋转方向都与各自母本相似，即右旋或左旋F2均为右旋F3才出现右旋和左旋的分离,个体的表现型并不由其自身的基因型直接决定，而是由母本卵细胞状态决定，母本卵细胞的状态又由母本的基因型决定。,原因：椎实螺外壳旋转方向是由受精卵第一次和第二次分裂时纺锤体分裂方向所决定的。,母体基因型受精卵纺锤体分裂方向椎实螺外壳旋转方向。,右旋受精卵纺锤体向中线右侧分裂；左旋受精卵纺锤体向中线左侧分裂。,母体效应母体基因型决定后代表型的现象称为母性效应，也称为延迟遗传。,二、剂量补偿效应,剂量补偿效应,概念动物细胞中的两条X染色体，一条以染色质化，只有另一条具有转录活性，这样使雌、雄动物之间虽然X染色体数量不同，但X染色体上基因产物的剂量却平衡，这一现象称剂量补偿效应。发现1949年MurrayBarr首先在雌猫细胞核中观察到了高度凝聚的X染色体，而在雄猫中却未发现。因此，将XX个体中失活的那条X染色体命名为巴氏小体（Barrbody）,莱昂假说（Lyonhypothesis）,玳瑁猫毛色遗传玳瑁猫：毛色具黑色与黄色斑块（XO：黄色，Xo：黑色）；总是雌性XOXoXO失活部位呈黑色，Xo失活部位呈黄色1961年MaryLyon巴氏小体是一个失活的X染色体，失活的过程称为莱昂化在哺乳动物中，雌性个体细胞的两个X染色体中有一个在受精后失活哪一条失活是随机的X染色体失活后，在细胞继续分裂成的克隆中，此条染色体都是失活的生殖细胞形成时，失活的X染色体可得到恢复,三、基因组印迹,基因组印记,定义又称为亲本印迹，是指基因组在传递遗传信息的过程中对基因或DNA片段打下标识、烙印的过程。被印迹基因会随它来自父源或母源而有不同的表现，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达甚微。,带有Igf-2印迹基因的小鼠正反交试验,Igf-2Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2m正常Igf-2矮小表示被印迹的基因印迹基因正反交结果不一样是母本印迹基因印迹就是基因表达受到抑制,基因组印迹的产生机理,基因组印迹是由于基因在生殖细胞分化过程中受到不同修饰的结果。他们的表达受到抑制DNA的甲基化可能是被印记的分子机理之一在精子和卵子中一些被印记了的基因甲基化程度不同，高度甲基化（被印记）的基因不表达，或者表达程度低，当胚胎发育过程中发生去甲基化时，这些基因即开始表达,与剂量补偿效应的关系,印迹可发生在一个基因、一个染色体区段、整条染色体甚至全部单亲来源染色体上因此，X染色体的剂量补偿效应是一种涉及X染色体的印迹,四、核外遗传,一、核外遗传现象的发现与核外遗传,1908，CarlCorrans，发现紫茉莉镶嵌型后来研究证实，其遗传由核外基因叶绿体基因控制，为母系遗传原核生物抗药性、奶牛育肥、产奶量、乳脂率、老年痴呆、耳聋、癫痫等都是核外遗传,细胞质遗传的概念和特点,细胞质遗传由细胞质基因所决定的遗传现象和遗传规律(又称非染色体遗传、非孟德尔遗传、染色体外遗传、核外遗传、母体遗传)细胞质基因组所有细胞器和细胞质颗粒中遗传物质的统称真核生物的细胞质中的遗传物质主要存在于线粒体，质体，中心体等细胞器中,生物的遗传体系：,遗传物质,细胞质基因组,细胞器基因组,非细胞器基因组,细胞共生体基因组(symbiontDNA),细胞细菌质粒基因组(plasmidDNA),叶绿体基因组(ctDNA),线粒体基因组(mtDNA),中心粒基因组(centroDNA),动粒基因组(kintoDNA),膜体系基因组(membraneDNA),细胞质遗传的特点,正反交结果不同F1代的表现总是和母本一致，呈严格的母系遗传。,母系遗传的原因,真核生物有性过程卵细胞有细胞核、大量的细胞质和细胞器。能为子代提供核基因和全部或绝大部分胞质基因精细胞只有细胞核，细胞质或细胞器极少或没有。只能提供其核基因，不能或极少提供胞质基因。一切受细胞质基因所决定的性状，其遗传信息只能通过卵细胞传给子代，而不能通过精细胞遗传给子代。,线粒体的起源,内共生假说1970，Margulis，真核细胞祖先是种吞噬细胞；线粒体祖先是种革兰氏阴性菌前者吞后者细胞分化假说原始的原核细胞质膜内陷包被DNA然后再分化形成独立的细胞器,第八节动物基因工程,一、基因工程,广义遗传工程生化工程、蛋白质工程、细胞工程、染色体工程、细胞器工程、基因工程及酶工程等狭义遗传工程基因工程(重组DNA技术),二、基因工程的发展,1971年，Smith等人从细菌中分离出的一种限制性酶，酶切病毒DNA分子，标志着DNA重组时代的开始。1972年，Berg等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和l噬菌体DNA，将两种DNA分子用连接酶连接起来得到新的DNA分子。1973年，Cohen等进一步将酶切后的DNA分子与质粒DNA连接起来，并将重组质粒转入E.coli细胞中。,1982年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程在细菌中生产人的胰岛素投放市场。1985年，转基因植物获得成功。1994年，延熟保鲜的转基因番茄商品生产。1996年，克隆羊诞生。,1996年全世界转基因植物种植面积为170万公顷，1997年为1100万公顷，1998年为2780万公顷，1999年达到3990万公顷，2000年达到4420万公顷，2001年达到5260万公顷，2002年达到5000万公顷。,三、转基因的步骤,从细胞和组织中分离DNA；限制性内切酶酶切DNA分子，制备DNA片段；将酶切DNA分子与载体DNA连接构建能在宿主细胞内自我复制的重组DNA分子；把重组DNA分子引入宿主受体细胞复制；重组DNA随宿主细胞的分裂而分配到子细胞建立无性繁殖系(Clone)或发育成个体；从细胞群体中选出所需要的无性繁殖系并使外源基因在受体细胞中正常表达，翻译成蛋白质等基因产物、回收；或筛选出获得定向的性状变异的个体。,限制性内切酶(restrictionenzyme),一种水解DNA的磷酸二脂酶，遗传工程中重要工具。这种酶能识别双链DNA分子中一段特异的核苷酸序列，在这一段序列内将双链DNA分子切断细菌细胞中存在限制修饰系统限制：降解外源DNA，防御异源遗传信息进入修饰：修饰外源DNA片段后，保留在新细胞中的手段,载体（vector）,将“目的”基因导入受体细胞的运载工具DNA片段与适合的载体DNA连接构成重组DNA在载体DNA的运载下，高效率地进入宿主细胞，并在其中进行复制DNA载体质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母人工染色体等,作为载体的条件,具有复制原点，能自我复制；具多克隆位点即有多种限制酶的切点选择时的遗传标记，如抗生素基因易从宿主细胞中回收,基因的分离与鉴定,一般而言，一个基因是编码一条多肽链的一个DNA片段，包括启动子、终止子及内含子等在DNA重组技术出现之前，由于DNA分子量大而结构单一，DNA是细胞中最难分析的大分子DNA重组技术发展成功之后，DNA已成为细胞中最易操作分析的大分子利用这一技术，可从一个含有10万个基因的大基因组中，准确地分离出特异的单个目的基因,限制性酶图谱,构建阳性克隆的限制性酶图谱根据同源性分析，可了解阳性克隆片段的酶切位点及相对位置用于进一步亚克隆或同已知的其它序列比较限制性酶图谱构建方法将阳性克隆DNA分装3个管中酶切DNA琼脂糖凝胶电泳溴化乙锭染色紫外灯下见到DNA带从凝胶电泳结果分析：模式就是这个15kbDNA片段用上述两种酶酶切后的限制性酶图谱,2.核酸分子杂交,Southern杂交分析由英国的Southern发明(1975),将琼脂糖中的DNA转移到尼龙膜进行DNA分子杂交分析的方法Northern杂交分析用于分析克隆的基因在某一细胞或组织的转录水平，检测mRNA的存在Western杂交分析用于蛋白质的分析,3.核酸序列测定,一般采用Sanger(1977)发明的双脱氧核糖核酸终止法测定核酸序列,在Sanger双脱氧法中，可用荧光标记来代替放射性标记：,4.核酸序列分析,测定的核酸序列是否为基因、有什么功能，需用计算机软件或生物学实验进一步分析同源性比较将待测序列在核酸和蛋白质两个水平上比较基因间的同源性，将序列发送到Blast等DNAData数据库进行比较分析核酸序列的阅读框架一个ORF是一条能编码一条多肽链的DNA序列，具有翻译起始信号和终止信号等对于那些同已知序列无任何同源性的新序列，可能还要进行基因功能性研究,四、基因工程的应用,目前，基因工程研究发展迅速，已取得一系列重大突破基因工程技术已广泛用于工业、农业、畜牧业、医学、法学等领域，为人类创造了巨大的财富,转基因的方法和技术,基因工程工业,最早应用基因工程生产人的蛋白质的方法是在细菌中表达人的胰岛素(1982)。,胰岛素是一种控制糖代谢的蛋白质激素。不能产生胰岛素的患者会有糖尿病，患者必须每天注射胰岛素。,现已在细菌中生产10多种医药产品，如表皮生长因子、人生长激素因子、干扰素、乙型肝类工程疫苗等。,有些真核细胞的蛋白质需要糖基化等修饰加工以后才具有活性，而细菌细胞缺少真核细胞的这些修饰系统真核生物细胞更适合于表达真核生物蛋白质基因。,目前，酵母菌、植物悬浮细胞、植株和动物培养细胞成功地均应用于表达外源蛋白。,基因工程应用大肠杆菌生产人类生长激素,转基因动物,转基因动物：目的基因+载体重组DNA微量注射法将重组DNA导入受体合子细胞核中遗传转化。,受精卵细胞注射法,转基因牛：受精卵注射法,人类生长激素转基因猪,同胞鼠对照,转移有人类生长激素转基因鼠,遗传疾病诊断,利用重组DNA技术进行遗传疾病诊断，是直接从DNA即基因水平进行诊断准确度高，速度快。,基因治疗,利用基因工程技术，将特异基因导入并整合到有遗传缺陷患者的基因组中治疗遗传疾病，通常叫做基因治疗(genetherapy)方法利用减毒的病毒DNA作载体(retrovirusDNA)构建重组DNA分子用病毒包装物包装后形成的减毒病毒感染患者的细胞将正常基因整合到染色体上,基因治疗实例,严重综合免疫缺陷SCID是由于腺苷脱氢酶基因(adenosinedeaminase，ADA)突变引起的，患者无任何免疫功能将ADA基因导入到漠洛尼氏鼠白血病病毒MLVretrovirus载体中取代该病毒DNA中的三个基因结构(gag、pol、env)将重组后的病毒去感染T细胞，使ADA基因整合到T细胞的染色体中实现基因治疗的目的,2000年法国Fischer用该方法治愈患有SCID遗传病的两个婴儿(8个月和11个月)。这一工作被认为是20世纪人类基因治疗上的重大突破。,DNA芯片(DNAchips),核酸分子杂交的原理和方法+半导体技术结合发展形成的一门新技术。这一技术可使许多分子杂交反应同时进行DNA芯片技术在面积不大(如2cm)的基片表面分成不同小格有序地点阵排列于一定位置可寻址的核苷酸分子将待分析核苷酸分子标记(如用荧光)，变性成单链与芯片上序列相同的核苷酸分子杂交与芯片上序列不同的核酸分子被洗掉利用高精度的激光扫描仪记录分子已杂交的荧光信号计算机软件分析,DNA芯片的基片玻璃、硅片或尼龙等应用领域基因多态性检测（如单核苷酸多态性筛选singlenucleotidePolymorphisms，SNPs)基因表达分析克隆选择及文库筛选（如cDNA文库）基因突变检测及遗传病和肿瘤的诊断等,第九节动物基因组学基础,一、遗传标记,遗传标记的概念,定义能够用以区别生物个体或群体及其特定基因型，并能稳定遗传的物质标记分类形态学标记细胞遗传标记免疫和生化遗传标记分子遗传标记,分类,形态学标记主要为外貌特征，如伯乐相马。简单直观，标记数少，多态性低，易受环境影响准确性差、所需时间长、效率低细胞遗传标记即染色体核型。克服了易受环境影响的特点，呈孟德尔方式遗传，多态集中在异染色质所在部位它的产生要花费大量的人力来培育和选择，经常伴有有害的表型效应，难以获得相应的标记材料,免疫和生化遗传标记免疫遗传标记包括红细胞抗原多态性和白细胞抗原多态性，主要为MHC（组织相容性复合体）生化遗传标记同功能蛋白，如血清蛋白数量丰富，受环境影响小，检测手段简便。都是基因表达的产物，局限于反映基因组编码区的遗传信息；数量有限，不能覆盖整个基因组分子遗传标记即DNA多态性多态性高，易检测，共显性,分子遗传标记,限制性片段长度多态性，RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism）酶切-电泳-探针southern杂交-放射性自显影只能检测一个位点，操作复杂，费时、成本高，对模板要求大可变串联重复序列，TRS（tandemrepeatedsequence）小卫星酶切-电泳-探针southern杂交-放射性自显影DNA指纹图谱（fingerprinting,DFP）多态检测率高，共显性，高度特异性技术复杂，成本高，有时谱带过于复杂微卫星引物设计-PCR-聚丙烯酰胺凝胶电泳分布均匀，多态信息丰富，共显性，稳定性好，可比性强，分析易自动化须事先了解微卫星两侧序列才能设计引物,随机扩增多态性DNA，RAPD（randomamplifiedpolymorphism）随机引物-PCR-凝胶电泳引物随机合成，快捷简便，经济，模板量少多态信息中等重复性差，呈显隐性遗传，无法区分杂合子和显性纯合子扩增片段长度多态性，AFLP（amplifiedfragmentlengthpolymorphism）酶切-接头-PCR-凝胶电泳克服了RFLP技术复杂，RADP稳定性差、标记显隐性遗传的缺点大部分标记呈显性遗传，成本较高,单核苷酸多态性，SNP（singlenucleotidepolymorphism）指染色体某个位点存在单个碱基的变化高密度，具代表性，易自动化线粒体DNA标记，mtDNA（mitochondtialDNA）D-环区（D-loop）唯一的非编码区，突变率高严格的母系遗传，极高的进化率,应用,个体及亲缘关系的鉴定DNA指纹：亲子鉴定微卫星：亲缘鉴定AFPL：品种鉴定种质资源的遗传评估，检测，保护和利用基因定位与遗传图谱的构建标记辅助选择（Marker-assistedselection,MAS）,遗传病的诊断,基因缺失、插入或置换等,地中海贫血,珠蛋白链合成不平衡,A,正常人,病人,正常,病人,基因鉴定,女性,男性,Y引物,PCR,男性女性,父父子母,现嫌1嫌2嫌3,二、基因图谱,定义描述基因位点在染色体上的线性排列顺序及它们之间的相对距离。分类遗传图谱(Geneticmap)即连锁图(Linkagemap)，是通过连锁分析的方法建立的，以基因的重组率为基础，用厘摩（cM）为单位物理图谱(physicalmap)通过细胞和原位杂交和体细胞杂交的方法建立，以碱基为单位，用碱基对（bp）或千碱基对表示（kb）转录图谱（translationmap）表达图谱（expressionmap）,三、动物基因组学,定义以基因组分析为手段，研究基因组的结构组成、时序表达模式和功能，并提供有关生物物种及其细胞功能进化信息的科学内容结构基因组学：研究基因组的物理特性功能基因组学：研究基因组各基因的表达类型及生物学功能,基因组图谱的概念,基因组计划的具体工作,构建基因组的遗传图谱；构建基因组的物理图谱；测定基因组DNA的全部序列；绘制基因组的转录图谱；分析基因组的功能。,1988年，美国国家卫生院和能源部启动被誉为“人体阿波罗计划”的“人类基因组计划”，投资30亿美元，历时15年，迄今为止在生命科学领域最宏大的研究计划测定人类基因组的（23对染色体）30亿个核苷酸对的排列次序构建高分辨率的人类基因组遗传图谱和物理图谱发展生物信息学以美国为主、包括英国、法国、日本和中国多国科学家参加的国际合作计划,人类基因组计划,在美国提出人类基因组计划后，日本和中国分别于1991年和1992年启动了“水稻基因组计划”。,人类基因组计划主要应用了4方面相互配合与补充的研究方法和技术：,1.用RFLP等标记出包含大约1Mb的超大片段进行定位作图2.用RFLP把超大片段分割成10多个包含100kb的大片段，做出它们的物理图3.用酵母人工染色体(YACs）或其他载体构建包含其中小片段的一系列重叠的克隆，约0.51.0Mb4.对小片段逐个进行