遗传学(下)刘祖洞第二版

第九章遗传物质的改变（一）染色体畸变应用前几章中讲过的一些遗传学基本定律，如分离和组合、连锁与交换，可在子代中得到亲代所不表现的新性状，或性状的新组合。但这些“新”性状，追溯起来并不是真正的新性状，都是它们祖先中原来有的。只有遗传物质的改变，才出现新的基因，形成新的基因型，产生新的表型。遗传物质的改变，称作突变（mutation）。突变可以分为两大类：（1）染色体数目的改变和结构的改变，这些改变一般可在显微镜下看到；（2）基因突变或点突变（genicorpointmutations），这些突变通常在表型上有所表达。但在传统上，突变这一术语留给基因突变，而较明显的染色体改变，称为染色体变异或畸变（chromosomalvariationsoraberrations）。第一节染色体结构的改变因为一个染色体上排列着很多基因，所以不仅染色体数目的变异可以引起遗传信息的改变，而且染色体结构的变化，也可引起遗传信息的改变。一般认为，染色体的结构变异起因于染色体或它的亚单位——染色单体的断裂（breakage）。每一断裂产生两个断裂端，这些断裂端可以沿着下面三条途径中的一条发展：（1）它们保持原状，不愈合，没有着丝粒的染色体片段（seg-ment）最后丢失。（2）同一断裂的两个断裂端重新愈合或重建（restitution），回复到原来的染色体结构。（3）某一断裂的一个或两个断裂端，可以跟另一断裂所产生的断裂端连接，引起非重建性愈合（nonrestitutionunion）。依据断裂的数目和位置，断裂端是否连接，以及连接的方式，可以产生各种染色体变异，主要的有下列四种（图9－1）：（1）缺失（deletion或deficiency）——染色体失去了片段；（2）重复（duplication或repeat）——染色体增加了片段；（3）倒位（inversion）——染色体片段作180°的颠倒，造成染色体内的重新排列；（4）易位（translocation）——非同源染色体间相互交换染色体片段，造成染色体间的重新排列。下面先介绍研究染色体畸变的几种材料，再讨论各种染色体畸变，说明它们的遗传学效应，最后再说明一个育种上应用的例子。研究染色体畸变的几种好材料每种生物的每个细胞都有一定数目的染色体，各个染色体的形状也是恒定的。所以如果它们的数目或形状改变了，就可以知道有了畸变。例如玉米的染色体就是研究染色体畸变的好材料。玉米的10条染色体在形态上可以互相区别（图3－2）。特别是在减数分裂的粗线期，那时染色体是细长的染色丝，两条同源染色丝紧密地配合在一起。细长的细线上又有各种标记，如着丝粒的位置，两臂的相对长短，球节（knob）的存在与否，和染色丝上着色较浓的染色粒（chromomere）的分布等（图9—2）。对每一染色体来讲，这些标记都是以一定的形式直线地排列着，所以如果这些标记不见了或重复出现，或者它们的原有排列顺序改变了，就是染色体畸变的明确证据。果蝇的染色体在减数分裂时，形状很小，研究不易。可是果蝇和其它双翅目昆虫的幼虫唾腺细胞中，核特别大，其中的染色体比减数分裂时的染色体和其它体细胞的染色体要大上几百倍。图9-3是黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）的唾腺染色体。图9－4是普通染色体与唾腺染色体的对照模式，这模式说明唾腺染色体是怎样形成的。唾腺染色体上有明显的横纹，横纹的相对大小和空间排列是恒定的，可以作为识别唾腺染色体的标志。这些横纹在染色后看得特别清楚，但是在不染色的活细胞中也可明晰地看到。一般认为唾腺染色体是处于间期或前期状态。由于唾腺细胞内的染色体连续复制，复制后形成的染色丝并不相互分开，而是纵向地密集在一起，所以唾腺染色体是多线染色体（polytenechromo-some）。多线染色体中每一染色丝是一条跟蛋白质结合在一起的DNA双链，据说在两条横纹之间的区域，其螺旋化程度较低，而在横纹的地方，螺旋化程度要高一些，但总的说来，比其它体细胞染色体还是低得多。因为同源的唾腺染色体总是紧密地结合在一起，象在减数分裂的粗线期一样，所以两条同源染色体间有差别时，很容易看出来。由于这些原因，唾腺染色体也是研究染色体畸变的好材料。缺失当染色体的一个片段不见了，其中所含的基因也随之丧失了。如果同源染色体中一条染色体有缺失，而另一条染色体是正常的，那末在同源染色体相互配对时，因为一条染色体缺了一个片段，它的同源染色体在这一段不能配对，因此拱了起来，形成一个弧状的结构（图9－5）。缺失影响个体的生活力。如果缺失的部分太大，那个体通常是不能生活的。一般缺失纯合体的生活力比缺失杂合体的生活力更低，这是容易理解的，因为在纯合体中，缺失基因所担负的重要机能都不能进行了。不致死的缺失往往引起不寻常的表型效应。一个杂合体Aa，缺失了带有显性基因A的一个染色体片段，隐性基因a就在表型上显现出来。例如在玉米中，糊粉层核是3n，如果除了显性基因C以外，其它对色素形成所需要的基因都存在，那末基因型Ccc的糊粉层是有色的。假使带有显性基因C的那个染色体的端部有了缺失，那末在有丝分裂过程中，经过“断裂·融合·桥的循环”（breakage-fusion-bridgecycle），显性基因C所在的那个染色体片段可能从某些细胞中消失，结果糊粉层是花斑，那就是说，一个籽粒的糊粉层上，有色组织和无色组织掺杂在一起。图9－6说明这样的花斑是怎样起源的。因为一个显性基因的缺失，致使原来不应显现出来的一个隐性等位基因的效应显现了出来，所以这种现象叫做拟显性现象（pseudodominance）。通常缺失本身也可引起独特的表型效应。例如在果蝇中，缺失Notch（缺刻翅）处于杂合态时，翅缘上产生一个明显的凹口，而在雄性果蝇中是致死的，所以它的作用像一个隐性致死基因，而有显性的表型效应。Notch或者牵涉到包括3C7在内的唾腺染色体的较长一段的缺失，或者仅限于3C7这一特定区域的缺失，但都使小眼不齐基因（facet，fa）出现拟显性现象，所以fa基因一定是在3C7这一横纹之中（见图9－7）。在人中，染色体缺失通常也显示有害影响。例如第5染色体短臂缺失（5P-）的儿童出现一系列症状，包括两眼距离较远，耳位低下，智力迟钝，生活力差等，患儿多在生命早期死亡。患儿最明显特征是哭声轻，音调高，很像猫叫，所以称为猫叫综合征（“cri-du-chat”syndrome）。重复除了正常的染色体组（chromosomecomplement）以外，多了一些染色体部分，这种额外的染色体部分叫做重复片段。重复可以发生在同一染色体上的邻近位置，也可在同一染色体的其它地方，甚至也可在其它染色体上。如果一条染色体有重复的片段，而另一染色体是正常的，那末在粗线期染色体或唾腺染色体上也出现一个弧状的结构，不过这时拱出来的一段是重复的片段，因为它的同源染色体上没有这一段，不能配对，所以就拱了出来。染色体重复了一个片段，这额外片段上的基因也随之重复了。重复的遗传学效应比缺失来得缓和，但重复太大，也会影响个体的生活力，甚而引起个体的死亡。我们在图9－6中已经清楚地表明，在玉米中，断裂·融合·桥的循环可以产生缺失，同时也会引起重复。如果重复的片段包括糊粉层色素基因C，那末一个核内显性基因的数目就可有各种变化，或是一个、两个，或是三个、四个，甚而更多一些。当基因数目有这样一系列变化的时候，胚乳花斑上的色泽强度往往也出现从浅到深的顺序变化，暗示着色泽的深浅可能跟显性基因的数目有对应关系。鉴于在正常糊粉层中，有一个显性基因C，颜色最浅，有两个显性基因C，颜色深些，而有三个显性基因C颜色最深，就为我们色泽强度和基因数目有对应关系的推论进一步提供了实验的根据。染色体的某些区域的重复可以产生特定的表型效应，像基因一样。例如果蝇的显性基因B（Bar，棒眼）的主要表型效应是使复眼中的小眼数减少，所以复眼呈棒状，而不是正常的卵圆形。从唾腺染色体来看，知道棒眼果蝇的X染色体上至少有4个明显的横纹重复了。这种重复可能是由不等交换（unequalcrossover）产生的。纯合的棒眼雌蝇（B／B）所产生的子裔中，大约有1/1600的机会复眼极度细小，叫做重棒眼（BB，doublebar）。检查这种个体的唾腺染色体，发现有4个明显横纹的区域又重复了一次，计有三份。可见这个区域的重复，有累加作用，重复次数增加，复眼中的小眼数减少（图9－8）。一般讲，重复难以检出，但从进化观点来讲是很重要的；因为它们提供额外的遗传物质，有可能执行新的功能。这将在第十五章的“新基因怎样起源的”一节中详细说明。易位一条染色体的一段搭到一条非同源染色体上去，叫做易位。如果两条非同源染色体互相交换染色体片断，叫做相互易位（reciprocaltranslocation）。设一条染色体的直线分化顺序是ABCDE，另一条染色体的直线分化顺序是LMNO，则相互易位的结果，可以出现有两条新顺序的染色体ABCNO和LMDE（图9-9）。相互易位的两个染色体片段可以是等长的，也可以是不等长的。易位的细胞学效应比较复杂，我们这里的讨论只限于最常见的相互易位。相互易位的纯合体没有明显的细胞学特征，它们在减数分裂时的配对是正常的，所以跟原来的未易位的染色体相似，可以从一个细胞世代传到另一细胞世代。在易位杂合体中，在粗线期时，由于同源部分的紧密配对，出现了富有特征性的十字形图像。以后随着分裂过程的进行，十字形图像逐渐开放，成为一个圆圈或8字形（图9－10）。在花粉母细胞中，大约有50％的图形呈圆形，50％的图形呈8字形，说明4个着丝粒趋向两极是随机的。从图9－10可以看到，如果相互易位的两对染色体形成一个大圆圈，那末不论那两个邻近的染色体分到同一极去，都使所形成的细胞造成重复和缺失。所以邻近分离（adjacentsegregation）形成不平衡配子，常有致死效应。如果相互易位的两对染色体形成8字形，两个邻近的染色体交互地分向两极，这样每一细胞才能有一套完整的染色体。然而交互分离（alternatesegregation）时，易位染色体和非易位染色体进入不同配子中，所以这种分离的结果是，非同源染色体上的基因间的自由组合受到严重抑制，出现假连锁现象（pseudolinkage）。这是易位的一个遗传学效应。这在果蝇雄体中尤其清楚，因为果蝇雄体没有交换，是完全连锁的。例如雄蝇对第2和第3染色体的易位（2—3）是杂合体，而在非易位的第2和第3染色体上分别带有基因bw（browneye，褐眼）和e（ebonybody，黑檀体）。当易位杂合体雄蝇用纯合的隐性雌蝇回交时，只产生野生型（bw／+e/+）和双突变体（bw/bwe／e）；而单一突变型褐眼（bw/bwe/+），黑檀体（bw/+e/e）都不会在子裔中出现的。因为它们有缺失和重复，所以不能存活（图9-11）。上面已谈到过，一个易位杂合体在形成配子时，一部分细胞中的染色体有缺失和重复，因而相互易位可以引起合子的不良遗传效应，甚而致死。例如在人类中，发现有一个体，除有正常染色体7和正常染色体9外，还有相互易位后形成的一个衍生染色体7和一个衍生染色体9（图9－12），是一个7／9易位携带者。这个体的遗传物质没有什么缺失和重复，可以说是平衡的，所以是表型正常的平衡易位携带者（balancedtranslocationcarrier）。但是易位染色体以杂合态存在，影响减数分裂时染色体的正常分离，所以平衡易位携带者除产生平衡配子外，还产生不平衡配子（图9-13）。平衡配子与正常配子结合，形成正常子代个体和平衡易位携带者，而不平衡配子与正常配子结合，形成有重复的个体和有缺失的个体。带有重复的个体是9号染色体部分三体，遗传物质不平衡，出现染色体病（chromosomaldisease），患者具有多重畸形，智力严重迟钝；而带有缺失的个体是第9染色体部分单体，未被发现，可能早期流产。图9－14是第9染色体部分三体患者的一个家系。因为平衡易位携带者虽然表型正常，但结婚后有可能生育染色体病患儿，所以夫妇一方为平衡易位携带者时，应进行产前诊断，检查胎儿的染色体组成