染色体结构变异.ppt

1、第八章 染色体结构变异,导 言 introduction 第1节 缺失 deficiency 第2节 重复 duplication 第3节 倒位 inversion 第4节 易位 translocation,导 言,染色体结构变异的概念和形成机理 结构变异的类型 染色体变异的自发和诱发,精确的细胞分裂是遗传规律的细胞学基础,细胞的有丝分裂是在时间上、空间上协调一致的有序过程，产生出可以进行科学预测的分裂产物。 有丝分裂形成两个核遗传组成完全相同的子细胞。 减数分裂形成各种基因型的四分孢子,染色体也会发生变异,随着遗传学研究的对象越来越多，涉及面越来越广，偏离规律的异常现象日益增多。 最初，将这

2、些异常现象一律用突变来解释。 随着细胞学研究逐步深入到遗传学领域，人们才认识到，除了基因突变以外，染色体的结构和数目也会产生变异，从而导致偏离遗传规律的异常结果。,棒眼,正常眼,果蝇棒眼的遗传,棒眼B正常眼B+，该基因位于Xchr.上，伴性遗传。 红眼蝇棒眼蝇，F1代蝇应该是棒眼， 蝇应该是正常红眼,缺失造成假显性,但C.B.Bridges在某些杂交组合的子一代群体内却发现了正常眼雌蝇。 唾腺细胞中，体细胞联会的两条Xchr中有一条短缺了一小段 。 据此，Bridges推测子一代中之所以出现正常红眼蝇，是因为来自精子的那一条Xchr短缺了一小段，而缺少的这一小段，正是基因B 所在的区段，这就使

3、得正常X chr上的B+处于半合状态，正常红眼效应得到了表达的机会，发育为正常红眼雌蝇。,一、染色体结构变异的概念和形成机理,在正常情况下，一个物种(species)chr的数目、形态和结构都是相对稳定的。 细胞分裂时，chr准确地复制和分配到子细胞中去，保证了物种的遗传稳定性。,染色体会发生断裂,自然辐射、温度、营养、生理环境等因素的异常变化，都可能使染色体发生断裂。 人为地用某些物理因素（如UV、xray、-ray、中子等）或化学试剂处理生物体、细胞，chr断裂的频率还会大大提高。,断裂愈合假说：,染色体发生断裂以后，形成粘性末端（cohesive end），具有与另一个断裂末端愈合的能力

4、，而不能稳定存在。 A重建愈合（restitution fusion） B断裂末端自身愈合，或者称为自身封闭 C错接，改变基因顺序，甚至改变连锁群,非重建愈合导致chr.结构变异:,断裂末端自身愈合和错接，都会导致chr结构发生变异。 称为非重建愈合,二结构变异的类型,chr结构变异： 单个染色体片段的缺失、增加 少数染色体之间片断互换,根据涉及到的染色体数归为两类：,染色体内变异： 只涉及一条chr，包括缺失、重复、倒位 染色体间变异： 涉及两个以上非同源chr，包括易位、染色体间移位型重复,三染色体变异的自发和诱发,断裂愈合假说： 断裂或损伤； 伤口的接触； 重接或交易等过程。 断裂是发生

5、结构变异的前提。 断裂、重接或交换的过程可以是自发的（Spontoneous aberration），可以是人工诱发的（Induced aberration）。,自发变异的诱因,A遗传因素 B营养条件和生理状况 C自然辐射 D微生物尤其是病毒的侵染,营养条件和生理状况与chr结构变异：,在植株生长期间，如果缺Ca、Mg，chr结构变异显著增加，而且这种植株对X-ray也特别敏感。 种子长期贮藏也有增加chr结构变异的趋势。原因:长期脱水。,自然辐射,大量事实证明，辐射处理不仅是诱发基因突变的重要途径，也是诱发chr结构变异的重要途径。 自然辐射是引起chr断裂的重要因素。,微生物尤其是病毒的侵

6、染,人类在受到病毒（如寻麻疹，水痘，SV40，脑膜炎） 的侵染后染色体可能发生断裂和重排。,结构变异的人工诱发,物理因素诱变 化学因素诱变 Xray和ray等电离辐射穿透细胞以后使得被击中的物质发生电离，放出电子，电子又冲击其他原子，发生次级电离，引起一连串的连锁反应。 原子和分子由于电子数量的改变，从稳定状态变为不稳定的状态，发生各式各样的化学反应，使chr断裂，从而产生结构变异。,现在已知的化学诱变剂已经有很多种，如,芥子气 亚硝酸 2，3-环氧丙醚 8-乙氧基咖啡硷 顺丁烯联胺 甲醛 5-溴尿嘧啶 蓖麻油 某些抗菌素等。,第一节 缺 失,一 缺失的概念和种类 二 缺失的效应 三 缺失的细

7、胞学鉴定 四 缺失的遗传学鉴定,一缺失的概念和种类,丢失了某一区段的chr称为缺失chr（deficiency，deletion） 中间缺失 末端缺失,缺失的类型与形成,末端缺失,一次断裂，形成一个有着丝粒的片段和一个无着丝粒的片段。 无着丝粒片段在后来的细胞分裂过程中丢失。 有着丝粒片段的断头具有粘性，因而也是不稳定的，将会在后续的分裂过程中产生一系列的连锁变化。,中间缺失,一个染色体的中间区段丢失称为中间缺失。 中间缺失至少牵涉到两个断裂。,二 缺失的细胞学鉴定,末端缺失，形成异形二价体 倘若缺失区段很小在形态上很难看出 中间缺失，则形成缺失环,缺失杂合体和缺失纯合体,一对染色体中一条缺失

8、，另一条正常，这样的个体或细胞称为缺失杂合体（deficiency heterozygote）。 一对同源染色体缺失相同区段，这样的个体或细胞称为缺失纯合体（deficiency homozygote）,三 缺失的效应,缺失势必丢失缺失区段内的遗传物质。 致死（lethal） 假显性（Pseudodominance）,1缺失与致死,缺失区段较大，或缺失纯合体，大多致死。至于缺失片段较小的个体，则情况较复杂一些。 缺失的致死效应可分为合子致死和配子致死有两种情况。,1915年，C.B.Bridges报道了关于果蝇X染色体上 决定棒眼 （B）性状的区段缺失。 他发现该区段的缺失能引起雄性个体致死。

9、,智力差，面部小，哭声似猫叫。,猫叫综合症,配子体对缺失更敏感,在高等植物中，大多数物种的配子体对缺失的反应更为敏感，尤其是雄配子。 含缺失染色体的花粉不完全败育，在受精过程中也会因竞争不过正常花粉而不能参与受精。,低等生物对缺失的忍受性相当强,有些低等生物，如细菌和噬菌体，对缺失的忍受性相当坚强，而他们却都是单倍体。 在基因工程上，用噬菌体作克隆基因的载体，切除了其本身的相当一部分DNA，甚至是大部分DNA，而代之以外源DNA。,2缺失与假显性现象,在缺失杂合体内，如果某一隐性基因所对应的等位显性基因正好位于缺失区段内，而缺失区段又很小，不至于影响基本生命活动，则该隐性基因因处于半合状态而得

10、以表现。 从表面现象上看，似乎该基因是显性的。因而称之为假显性现象（pseudodominance）。,玉米植株颜色的假显性,第二节 重 复,一 重复的概念和种类 二 重复的细胞学鉴定 三 重复的遗传学效应,一 重复的概念和种类,染色体某一区段加倍的结构变异称为重复(duplication)。 生物体对染色体重复的耐受性大于对缺失的耐受性。,重复的种类,染色体内重复 染色体间重复,染色体重复的类型与形成,染色体内重复可分为 ：,同臂重复 顺接重复 abcde cdefghi 反接重复 abcde edcfghi 异臂重复 abcdefcde ghi,不等交换与果蝇16A区段重复,二 重复的细胞

11、学鉴定,根据重复杂合体（duplication heterozygote）在减数分裂过程中的联合现象。 要求熟悉正常染色体的形态和结构，如染色粒、染色带、染色纽、随体和核仁组织区等染色体特殊结构的有无、大小和位置等。,重复杂合体在减数分裂中的联会,三 重复的遗传学效应,1、重复导致基因组的演化 2、基因剂量的改变引起剂量效应 3、位置变化引起位置效应,1、重复是生物进化的源泉之一,总体上说，重复对生物体是有害的，但其危害程度小于缺失。 重复导致基因在chr上的相对位置改变。 重复区域及其附近基因间的重组率降低。 重复使染色体含量增加，为积累变异提供了材料,2重复的剂量效应和位置效应,果蝇的Xc

12、hr上与眼色有关的基因v+v，位于第10区B段与C段的交界处。 v+红色v朱红色，v+/v基因型蝇为红眼。 C.B.Bridges得到一条Xchr，其上有v，又重复了载有v+的一个区段，v+v。 重复纯合体蝇v+v/v+v，红色,果蝇眼色的遗传,蝇v+v/v+v v/Y F1 v+v/Y 红色眼 v+v/v 眼色却是朱红色的 两倍剂量的v表型效应超过了只有一倍剂量的显性基因v+的表型效应。 改变了一个隐性基因与一个显性基因之间的平衡关系。,果蝇棒眼,重复的剂量效应和位置效应 果蝇的棒眼性状也是伴性遗传的，棒眼的效应与Xchr上16区A段内的一个重复有关。 如果这个区段重复，果蝇复眼内小眼的数目

13、就下降，形成棒眼。 小眼的数目与重复的次数、重复的位置有关。,位置效应(position effect),基因的功能不仅决定于它的自身结构和剂量，也决定于它所在的位置及其与邻近基因间的相互联系。,拟等位基因（pseudo alleles）,所谓拟等位基因是指控制同一个单位性状，位置非常靠近的不同基因。 在互补测验中它们表现为功能上的等位性，但又可通过交换发生重组。,第三节 倒 位（inversion）,倒位的概念和类型 chr断裂之后，某一区段或某些区段的正常基因顺序颠倒之后又重接起来的过程，称为染色体的倒位。 倒位了的chr称为倒位chr。 倒位的类型很多。 简单倒位 复杂倒位,倒位的类型与

14、形成,简单倒位,臂间倒位：倒位的区段包含着丝粒。 臂内倒位：倒位的区段不包含着丝粒。,倒位杂合体的配对和重组,倒位纯合体减数分裂前期完全可以进行正常配对和交换。减数分裂过程和产物都是正常的。 倒位杂合体，正常的线性配对是不可能的。 根据倒位区段的大小，减数分裂时倒位杂合体以不同的方式进行联合。,倒位杂合体联会模式图,光镜下观察到的果蝇多线染色体倒位环,电镜下观察到的倒位环,光镜下观察到的果蝇多线染色体倒位环,3 倒位杂合体的减数分裂行为,不论是臂内倒位杂合体还是臂间倒位杂合体，在减数分裂时正常染色体和倒位染色体联会时形成的“倒位圈”。 倒位圈内外非姐妹染色单体会发生交换。,臂间倒位杂合体的减数

15、分裂行为,臂间倒位,A B C D E F,A D C B E F,圈内单交换形成四种配子,D,C,臂内倒位联会,臂内倒位圈发生单交换后期,臂内倒位形成的配子,倒位对连锁基因重组和配子败育的影响,倒位最直接的效应就是改变了倒位区段内的基因和倒位区段两侧基因之间的顺序和距离。 倒位的一个最明显的遗传效应就是倒位杂合体上基因的重组率降低了。,玉米的臂间倒位In3a (L.4-.9) Lg2-lg2和Al-al两个基因座在倒位圈内 Lg2-lg2和Al-al之间的正常重组率为28%，而In3a (L.4-.9)杂合体的重组率下降为0.5%或1.9%。,连锁基因重组率下降幅度 与倒位区段的长短有密切的

16、关系,倒位区段越短，重组率下降越多，甚至可以表现为完全连锁。 因为，当倒位区段很短时，根本不与正常区段联会，不形成倒位圈，当然不会发生交换，更不会有重组。,玉米In5a(S.o-L.67)臂间倒位,bt1pr 24%0.4% bt1bm1 1%0 bt1a2 8%4.5%,果蝇第3染色体由es经ro至ca的一段倒位,sr与es之间的细胞学距离增大了 而遗传距离反而变小了。,臂内倒位杂合体的花粉败育率一般高于胚囊,倒位可以作为重组抑制因子,倒位能抑制重组， 称为交换抑制因子（crossover supressor） 实际上是抑制重组，而不是抑制交换！ 早在1928年，倒位就被当作一个抑制Xchr

17、重组的显性标志。,平衡致死系（永久杂种） 利用倒位的交换抑制效应来保存两个致死基因的品系。平衡致死系一般两个致死基因反式排列，又因为两个基因紧密连锁或具有包括这两个基因的倒位，从而以永久杂种的形式存在： 展翅 粘胶眼 ,展翅 粘胶眼 展翅、粘胶眼 野生型,展翅、粘胶眼,展翅、粘胶眼,展翅、粘胶眼,死亡,死亡,ClB检验法,C：倒位，交换抑制者cross-over suppressor。 l：lethal，倒位区段内有一个隐性致死基因，使果蝇在胚胎发育的最初阶段死亡。 B：棒眼，倒位区段外侧16A区段重复，提供了识别的依据。 这样的Xchr被称为ClB chr。 XClB/X+ 杂合体蝇被称为C

18、lB系（ClB stock）。,正常XChr上的“L”是抑制致死的显性基因。 XClB/XClB蝇和XClB/蝇，都受隐性致死基因的作用而死亡。 只有XClB/X+才能存活，XClB 染色体才能得以保存和传递。,XClB/X+用于检测Xchr上的隐性突变及其频率,方法与步骤： X-ray处理野生型蝇。由于蝇只有一条Xchr，X-ray可能使精母细胞的Xchr上的基因发生突变。发生了突变的Xchr以X代表。 经X-ray处理过的蝇与ClB系杂交。 子代群体内的棒眼蝇与正常蝇杂交,XClB/X+用于检测Xchr上的隐性突变及其频率,如果当初X-ray处理确使XChr上的某个基因或某些基因发生了突变

19、，则突变基因的表现型即可在X-/Y个体中表现出来。 通过计数可以获得突变频率。 因为X-/Y中的X-chr上的各个基因从未因交换而转移过,第四节 易 位（translocation）,一 概念、类型、来源及细胞学鉴定 二 遗传学效应 三 相互易位杂合体半不育性的细胞学机制 四 易位的应用,一、易位的概念,两个非同源chr之间区段的转移或互换。 易位是染色体间的结构变异。,易位的类型与形成,易位的分类,简单易位（simple translocation） 相互易位（reciprocal translocation 复杂易位（complex translocation）涉及三对非同源染色体的易位。

20、 相互易位是最常见的类型 简单易位、复杂易位与相互易位相比，是很少见的。,二、相互易位杂合体的细胞学鉴定,相互易位纯合体在细胞学上是正常的。 相互易位杂合体在减数分裂前期的联会是不正常的，是鉴别易位的主要细胞学证据。 相互易位涉及两对chr，前期都能形成四联体（quadruple）。,三、 易位的遗传学效应,致死效应 产生新的连锁群 杂合体的半不孕性 杂合体降低有关连锁基因的重组率 假连锁 引致基因的位置效应,易位的致死效应,在形成易位的过程中，处于断裂点附近的DNA会受到不同程度的损伤，使某些基因伤失功能。 在果蝇中，人工诱发或自发产生的易位纯合体是不能存活的（隐性致死）。 在玉米中，大多数

21、易位都会伴随缺失，致死。 在大麦中，隐性致死突变也常常和易位相联系。,易位产生新的连锁群,易位改变原来的基因间的连锁关系。 易位一旦纯合，就会产生新的连锁群。,易位杂合体的半不孕性,易位杂合体减数分裂产物中 有一半左右是遗传不平衡的。,由半不孕的F1种子长出来的F2群体，又有半数不孕，半数正常可孕。 可孕F2的后代F3全部是正常可孕的，而半不孕的F2产生的F3群体中又有一半是半不孕的。,Semisterility results from translocation heterozygotes 50% of gametes arise from alternate segregation an

22、d are viable,Fig. 13.18 d,相互易位杂合体的减数分裂,易 位 杂 合 体 的 半 不 孕 性 假 说,相互易位杂合体孢母细胞减数分裂产生的孢子中，只有含两个正常染色体或两个易位染色体的两种孢子才是可育的，其余都是败育的。 自交或互交的子代群体是两种可育配子随机组合的结果，1/4回复为正常双体，1/4是新的易位纯合体，1/2仍是易位杂合体。,易位杂合体降低有关连锁基因的重组率,在正常的第9染色体上： Yg2-yg2与Sh-sh重组率为23%， Sh-sh与Wx-wx的重组率为30%； T5-9a易位杂合体： 这两个重组率分别下降到11和5。基因距易位点。（T）越近，重组率下降越多。Yg2-yg2与Sh-sh之间下降了12%，而Sh-sh与Wx-wx之间却下降了25%。,邻近分离导致缺失和重复而产生不平衡配子，常有致死效应，在植物花粉形成时这种情况会导致一半 左右的花粉败 育，即配子 部分不育效应。 而在交互分 离的情况下 形成平衡配子， 但又引起假连 锁现象： bw：位于第二号 染色体上的褐眼基因； e:位于第三号染色 体上的黑檀体基因。,假连锁,位置效应（position effect）：由于基因位置的改变引起个