第八章遗传变异

第八章遗传变异8-1遗传变异的概念所谓变异是指同种生物世代之间或同代不同个体之间的差异（不包括年龄、性别或不同时期生活史方面的差异）。一切生物都有变异的特性，世界上没有两个完全相同的生物。按变异有无方向可分为一定变异（definitevariability）与不定变异（indefinitevariabiljty）。按变异能否遗传又可分为遗传变异（inheritablevariation）与不遗传变异（non-inhertablevariation）。现代遗传学指出，由于遗传物质的变化（如基因突变等）所造成的变异，一般是遗传的，这种变异称为遗传变异。达尔文认为，各种不遗传的变异对生物进化是无关紧要的；只有遗传变异才能作为进化的材料。最早记录遗传变异的是赖特（Wright）。1791年，他在美国马萨诸塞州的羊群里，偶尔发现一只短腿长背的公羊。由于它不能跳过篱笆而有助于管理，第二年赖特就用这只公羊和一些母羊交配，逐渐培育出这种短腿羊的新品种，并取名为安康（Ancon）。达尔文在谈到不定变异时就举过此例。但是达尔文当时并未分析出哪些变异可以遗传，哪些不能遗传。他也无法阐明遗传变异产生的原因。8-2遗传变异产生的分子机制说到分子机制，首先要从核酸与蛋白质的关系谈起。细胞内DNA分子的每一个片段即为基因。基因表达分两个步骤：第一是转录，即双股的DNA转录成单股的RNA分子。沿着DNA链之中的一条链排列的核苷酸碱基顺序，被拷贝到RNA的互补链上（除了胸腺嘧啶T由非常相似的尿嘧啶U代替外，RNA是由与DNA相同的核苷酸所组成）。第二是转译，即将RNA上的遗传密码译成蛋白质。在蛋白质合成时，即按照RNA上密码排列的顺序，将其对应的氨基酸连接起来，成为一条多肽链，然后自动形成特定的三度结构并具有特殊的功能。生物体的遗传程序是以密码子即3个核苷酸碱基组成的连续组的方式组成的。RNA的4个碱基形成64个下同的密码子，它们负责译出20种氨基酸及蛋白质合成的“起始”和“终止”的信号。总之，DNA分子的核苷酸序列决定蛋白质的初级结构：如果DNA上核苷酸排列发生改变，那么蛋白质的结构也随之改变，从而使生物体发生遗传变异。细胞内遗传信息转移的知识，为了解遗传变异的分子机制提供了基础(见图)。生物体的遗传变异，在细胞和分子水平上主要表现为突变（mutation）。突变分为几种不同类型。点突变(展开/关闭)1．点突变的概念。点突变（pointmutation）也称基因突变（genemutation），这是指在核酸上仅有一个核苷酸改变的突变，尤其是编码蛋白质的基因中发生的突变。一般指的“突变”即点突变。点突变所引起的表型变化是大量的。例如，有角的家畜中出现无角品种；同种果蝇出现的多种形态（如眼睛、刚毛、翅膀等的差别）；禾谷类作物中出现矮秆植株；有芒小麦中出现无芒小麦；大肠杆菌中出现不能合成氨基酸的菌株等。在分子遗传学中有一个经典性的例子，即由于DNA碱基对的改变，通过mRNA上密码的交换，致使血红蛋白变异，从而出现多种血红蛋白分于病（即镰刀型血细胞贫血症）。图8-3是人体血红蛋白的β链的结构图，它白146个氨基酸以一定的次序连接而成。表8-1是人类正常血红蛋白的β链和几种先天性贫血症患者的异常血红蛋白β链的比较。从中可以看到许多不同位置上某一个氨基酸的改变可以造成病变，还表明同一位置上不同的氨基酸可以带来性质不同的病变。如第6位上的谷氨酸变成了缬氨酸时，便出现镰刀型血细胞贫血症；变为赖氨酸时则是轻度贫血。第63位置上的组氨酸变成酪氨酸时，就出现高铁血红蛋白症；变为精氨酸时便产生不稳定的血红蛋白症。据称，关于β链的病变不下80种，因此可以认为至少半数氨基酸的改变都可带来病变。图8-4表示几种血红蛋白分子病的病根。HbS和HbC都是由于第6个位置上的同一氨基酸的改变而造成的异常；HbMS和HbZ都是第63个位置上同一个氨基酸的改变而造成的异常。图中黑点表示发生了变化的碱基对或碱基。DNA分子结构发生哪些变化才导致这些氨基酸的改变呢？图示除TA变为AT这一变化使谷氨酸变为缬氨酸外，其余的变化是CG变为TA，GC变为AT和TA变为CG。2．突变率发生突变的个体称突变体。突变体占观察的总个体数的比率称突变频率，简称突变率（mutationrate）。基因的自发频率一般都很低，大约在1×10-4—1×10-9之间。如视网膜瘤基因的突变率1×10-5。这就是说，正常父母的子女，患这种遗传病的几率是十万分之一。曾有人认为，突变率一般很低，因而基因突变不可能是遗传变异的主要原料。其实不然，单个基因的突变率虽很低，但从物种这个总数来计算，那么每一代会发生许多突变。假定每代每个基因的平均突变率是10-5，世界人口以50亿（5×109）计算，那么人的每一基因位点上每代就会产生100000个新突变（5×109个体×2基因/位点×10-5突变率/基因）。以某中等数量的昆虫种算，约有1.2×108的个体。那么每代每个基因位点上的突变数约为2400。如再考虑到每个生物体的基因总数，那突变的数量将更大。假定人有100000对基因，每一代人的合子估计有（2×105基因）×（10-5突变率/基因）=2个突变，那么人类群体中新产生的突变数目应是10×109。昆虫（如果蝇）有10000对基因，则在这个昆虫物种中，每代的新突变数将是2.4×107。由此可见，新的基因突变是生物进化遗传变异的主要原因。3．突变的产生突变有自发和诱发两类。自发突变（spon-taneousmutation）指自然发生的突变。如DNA复制过程中偶尔发生的差错；诱发突变（inducedmutation）指人工诱发（经诱发剂处理）下的变异。点突变在DNA分子的复制阶段是随机发生的。如在为异亮氨酸编码的mRNA中的第1、第2或第3个位置上进行一些替代，能引出为全部6个不同的氨基酸编码的9个新密码子（由于遗传密码的过剩，有些点突变不引起氨基酸的改变）。方框中的密码子决定的氨基酸与异亮氨酸明显不同。最早成功地发现诱发突变的是美国生物学家缪勒（H．JMuller）。他曾用X射线照射上百个果蝇，并让它们与受照射的果蝇进行交配，观察后代的变异情况。结果发现这些后代中，出现多种形态的眼睛、刚毛和翅膀（如翅膀有宽的、折叠的、伸张的、短的以及完全无翅等类型）。这些果蝇的大小、活泼程度、存活时间也很不一样。缪勒的发现不仅阐明了突变的性质，也提供了诱发突变的手段。它对生物进化机制的阐明有重要意义。染色体突变(展开/关闭)染色体突变（chromosomalaberration）也称染色体畸变或异常。它是指染色体数目、大小和结构的改变。染色体突变和基因突变一样，也是产生遗传变异的重要原因。基因突变大都是DNA分子上碱基的变化，染色体突变则是整个DNA分子在较大范围内的变化，也就是说它有许多基因参与。因此，对生物表型变异的影响也较大。例如，德弗里斯（H．deVries）关于月见草（Oenotheraodorata）显著变异的著名试验，就是由染色体突变所引起的。基因突变通常发生在遗传物质复制的过程中，染色体突变一般发生在细胞核分裂的过程中，特别是减数分裂期间。不同生物的染色体在数目、大小和结构上都不相同。例如马蛔虫（Parasarisunivalens）有1对染色体，蝶（Lysandraatlantied）大约有220对，有些羊齿类植物[如羊齿草（Ophiaglossumreticulatum）]则超过600对。但染色体数目的多少与生物的亲缘程度无直接联系。同样的哺乳类，袋鼠是11对，而狗则是39对。1．染色体结构的变化缺失是指染色体上丢失一个片段(见图)，也即是一个或几个基因的丢失。一般认为，缺失部分如果较大，个体不能成活。最早证明染色体突变的证据是缺失，如布里奇斯（C．B．Bridges，1917）通过黑腹果蝇获得缺刻翅的表型。一种称人类的猫叫综合症（cridu-chatsyndrom）就是第5染色体短臂的杂合缺失所致。此病的特征是小头、严重的生长异常和智力呆滞。患者通常不能活到成年。人类其他染色体如第4、13和18上的杂合缺失，也都伴有生理和智力上的缺陷。重复即染色体的某些片段有所增加（重复）。基因重复对个体生活影响不大或无影响，但在进化上可能有重要作用。倒位即染色体内部结构的顺序发生颠倒。倒位不改变染色体及其上面基因的数目。假如一条染色体上基因的顺序是ABCDEF，BCD片段的倒位就在染色体上形成ADCBEF的顺序(见图)。臂间倒位的片段包括着丝粒，臂内倒位则不包括。易位即非同源的染色体片段出现了交换。这种染色体片段的交换称相互易位；如一个片段移动到同一染色体的新位置上，或不同染色体上。如不出现相互交换称非相互易位，有时也称转位。2．染色体数目的变化有些变化不改变遗传物质的总量（融合和断裂）；有些则在总量上有所改变（非整倍体、单倍体和多倍体）。着丝粒融合即两条非同源染色体的整个或大部分合并成一条，丢去一个着丝粒，染色体数目也为此而减少。着丝粒断裂即一条染色体断成两段。它必须产生出一个新的着丝粒，否则细胞分裂时会丢失没有着丝粒的那条染色体。非整倍体即一套正常的染色体中丢失或增加一条或数条染色体。如缺失、单体、三体和四体等等。其中所谓三体即额外增加的一条染色体。人类的第一例非整倍性，即证明唐氏（Down）综合症病人是第21染色体三体。21三体综合症又称先天愚型。此病的原因即在21号染色体上多一条(见图)。单倍体和多倍体二倍体（2n）细胞的某同源染色体只有1个（2n-1）或在3个以上的现象。假如有3套染色体即称三倍体，4套者称四倍体，依此类推。多倍体较普遍的形式是染色体的套数乘2，也即四倍体、六倍体、八倍体，它们分别有4套、6套、8套染色体。多倍体在某些植物群中很普遍，动物中则较少见。基因重组(展开/关闭)基因重组（generecombination）是通过有性过程实现的。我们已知，任何一个基因的表型效应不仅决定于基因本身，还决定于基因之间的相互作用。因此，通过有性过程所实现的基因重组，虽然不改变基因本身，但新的组合可导致新的表型。在有性过程中，由于亲本具有杂合性（hybridity），由此而发生的遗传基础的重组合，就会产生丰富的遗传变异。这也就是为什么有性生殖比无性生殖具有优越性的原因。1．基因重组的分类连锁互换这类重组是同源染色体基因相互交换所发生的重新组合。它是较为稳定的重组。自由组合由它所形成的重组是不同对染色体的随机组合。转座因子改变位置细胞中能改变自身位置的一段DNA序列称转座因子（transposableelement）。它从染色体一个位置转移到另一位置，或者从质粒转移到染色体上，从而产生变异。第一个转座因子是麦卡林托克（B．McClintock，1951）从玉米中发现的。她认为遗传基因可以转移，从染色体的一个位置跳到另一个位置，所以转座因子也称跳跃基因（jumpinggene）。转座因子还具有控制其他基因开闭的作用，因为当它们插入某些基因，如影响玉米籽粒颜色的基因附近时，能在玉米籽粒发育期间改变其颜色图型，所以转座因子又可称为控制因子（controllingelement）。目前已很清楚，原核生物和真核生物中都具有转座因子，例如多种细菌质粒、大肠杆菌、啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）、果蝇等。这方面的材料可能与物种形成关系较大。2．基因重组与变异多样性基因重组而引起变异的多样性，可以自由组合为例。一对等位基因可能形成的基因型是3种（3′）：AAAaaa2对等位基因可以产生的基因型是9种（32）：AABBAABbAAbbAaBBAaBbaaBBaaBbAabbaabb根据3N，如有10对等位基因，那么就可得到310=59049种重组的基因型。其中有210个是纯合型，其余全部是杂合型。如果考虑到复等位基因的存在，那么多样性就更丰富了。而且自然界里的植物和动物，除少数例外都有，少则上百个或上千个，多则上百万个基因。由此不难设想，杂交产生的个体间为什么没有两个完全相同的个体，以及由杂交产生后代的生物类群间为什么是