武汉大学遗传学第12章染色体畸变的遗传分析

第12章染色体畸变的遗传分析本章将讨论1、染色体畸变的类型2、染色体畸变的机制3、染色体畸变的遗传学效应及其应用等12.1染色体结构变异及其遗传学效应12.1.1唾腺染色体是遗传分析的理想材料唾腺染色体（salivaryglandchromosome）是存在于双翅目昆虫，如果蝇、摇蚊幼虫的消化管（尤其是唾腺）细胞的有丝分裂间期核中的一种可见的、巨型染色体。例果蝇幼虫唾腺细胞的唾腺染色体由于染色体反反复复核内复制（endoduplication），而核或细胞不分裂，由很多纵向密集在一起的染色丝（染色单体，210~215）束集在一起，而且在唾腺细胞中进行了体细胞配对，同源染色体两成员之间如有不同，就很容易识别。总处在前期状态，螺旋化程度低，比相应正常的体细胞染色体要长千倍；另一重要特点是具有明暗相间的带纹（bands）因此，唾腺染色体具有结构和功能上的特性是：（1）巨大而伸展成千上万条的染色质纤维平行而且精巧地排列形图12－1黑腹果蝇唾腺染色体模式图示端部横纹及界标分区成多线染色体（polytenechromosome），长度约为2000μm，染色体变得巨大，是其体细胞的中期染色体长度的100～200倍。伸展形式的DNA长度约为40000μm。（2）体细胞联会体细胞同源染色体紧密而精确地配对。由每对染色体的着丝粒凝聚成染色中心（chromocenter）。Y染色体参与染色中心的组成。从染色中心放射状地伸出各对染色体的臂。第1染色体为端着丝粒的XX，第2、3染色体是两对较大的中着丝粒染色体，分别出现两条臂（2L，2R，3L，3R），第4染色体为点状光镜照片电镜照片（3）有深浅相间的横纹结构黑腹果蝇的多线染色体的横纹总数约为5000条。在光镜下，多线染色体上有85%的区域呈现带纹，15%为间带区，带纹的DNA含量有3000至300000bp。依据特殊的、相对稳定的横纹结构，可以准确地鉴别每条染色体。横纹的排列特征具有物种的特异性20世纪30年代Bridges发表了世界上第一张多线染色体细胞学图谱他将整套黑腹果蝇的唾腺染色体被划分为102区，其顺序依次为：X：第1区～第20区，由端部→中心；2L：第21区～第40区，由端部→中心；2R：第41区～第60区，由中心→另一端部；3L：第61区～第80区，自端部→中心；3R：第81区～第100区，由中心→另一端部；4：第101区～第102区，自端部→中心；每一区再分为宽窄不等的A、B、C、D、E、F6段，每一小段包含数目不等的横纹（图12－2）。由图可见，在黑腹果蝇唾腺染色体的X染色体端部第1区中的A段显示有8条横纹，B段具有14条横纹，C段5条，D段4条，E段4条，F段4条。图中只部分显示在第1区右侧的第2区。图12－2黑腹果蝇唾腺X染色体端部的界标由于唾腺染色体横纹的线性排列能代表基因的线性排列，可用于染色体结构变异的精细分析，通过运用原位杂交技术，可以直接确定特定基因在上述细胞学图上所处横纹的位置。（4）显见puff结构puff是在幼虫发育不同时期，基因在行使其特殊功能时出现的特殊形态的泡状结构或称染色体疏松。这是浓缩的核蛋白纤丝从正常的包装在特定的横纹内的解旋，使成群的环状结构开放并散开的结果［图12－3（a），（b）］。研究证明puff是基因正在活跃地转录RNA的位置图12－3多线染色体上puff的形成（a）D.hydei果蝇唾腺染色某正常带纹区（b）经热激（37℃，1.5h）诱导在该区形成puff（c）示摇蚊唾腺染色体上一个puff被标记的RNA（黑点）12.1.2染色体结构变异的类型及其机制（1）染色体结构变异的类型染色体结构变异主要有下列几种（图12-4）①缺失（deletion或deficiency，del或Df）染色体丢失某一个片段，位于该片段上的基因也随之丢失。②重复（duplication或repeat，dup或Dp）一条染色体上某一片段出现两份或两份以上的现象，使位于这些片段上的基因多了一份或几份。③倒位（inversion，inv或In）在同一染色体上某一个片段作180°的颠倒后重接，造成染色体上基因顺序的重排。如果颠倒的片段包括着丝粒在内称为臂间倒位（pericentric），不包括着丝粒的倒位称为臂内倒位（paracentric）。④易位（translocation，t或T）一条染色体臂的一段移接到另一非同源染色体的结构变异。相互易位（reciprocal）最常见，属于非同源染色体间相互交换染色体片段，造成染色体间基因的重排。图12－4染色体结构变异类型（2）染色体结构变异的机制导致染色体结构改变的机制在染色体水平上是断裂（breakage）后的异常重接（rejoin）自发偶然突变因素：电离辐射，紫外光，某些化学物质作用断裂发生在一基因内→基因突变染色体断裂①通常失去端粒（Telomeres）。端粒有特殊的序列结构,保护染色体免受外切核酸酶的降解。②形成粘端（stickyend）使断裂端粘结起来（stickiness）引起染色体断裂这些断裂端可以：（1）它们保持原状，不粘合起来，无着丝粒的片段被丢失。（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）若断裂后的染色体未发生重接或未原位重接，则将引起染色体的各种结构畸变亦称染色体重排（rearrangement）（图12－5）。在DNA分子水平上可能的机制则是重排发生在重复DNA片段之间的交换（图12－5）。同一染色体上的短的重复DNA片段，或不同染色体上的重复DNA片段，在减数分裂后，不同位置上的重复DNA片段配对时发生交换，将产生畸变染色体，出现平衡重排和不平衡重排。平衡重排改变染色体上基因顺序但没有DNA的丢失或重复（倒位与相互易位），非平衡重排则会改变染色体片段上基因的剂量（重复与缺失）。（1）缺失的类型按染色体断裂点的数量和位置将缺失又分为。中间缺失（interstitialdeletion）：缺失的片段发生在染色体两臂的内部。末端缺失（terminaldeletion）:缺失的片段在染色体的一端。12.1.3缺失与假显性（2）缺失的遗传学效应①减数分裂过程中同源染色体配对时，缺失杂合体出现特征性的环状结构——缺失环（deletionloop）。在果蝇中可以从细胞学上辨认出与之配对的正常的同源染色体的相应部分所形成的缺失环结构缺失的遗传学效应：致死、半致死、或生活能力降低大片段的缺失甚至在杂合状态下也是致死的，X染色体的缺失则半合子一般也会致死。但在果蝇、玉米和其他生物体中很小片段缺失的纯合体能够存活，例如，果蝇可存活至成虫阶段的最大的纯合缺失约占基因组的0.1%。缺失突变不能回复突变为野生型状态例：果蝇白眼座位缺失纯合状态→可发育成正常果蝇，但染色体的大片段缺失→可引起显性致死效应。即：在杂合状态时是致死的若：缺失具有非致死的显性效应时，就会出现不正常的表现型，例：假显性(pseudodominace)②假显性（pseudodominance）如某染色体缺失的区段包括某些显性基因，其同源染色体上与这一缺失区段相对应位置上的一个隐性等位基因得以表现的现象称为假显性。例：黑腹果蝇缺刻翅的遗传Bridges有力地证明缺刻翅是缺失造成的影响。唾腺染色体的检查表明，果蝇X染色体上的这一片段包括红眼基因在内的“缺刻翅”，丢失了45条横纹（图12－7）图12－7缺刻翅缺失涉及45条横纹图12－6缺刻翅的遗传分析及其表型（a）杂交图示（b）缺刻翅表型（箭头所示部位）12.1.4重复与果蝇棒眼突变（1）重复的类型①串联重复（tandemduplication）：重复片段紧接在染色体固有的片段之后，两者的基因顺序一致②反向串联重复：（reversetandemduplication）：与原来的基因顺序相反重复畸变的染色体与正常结构的染色体联会时，可能出现环状突起［图12－8（a）,（b）］。若发生重复的片段较大，将会影响生物体的生活力，严重时可导致死亡。图12－8重复杂合体的配对结构（a）串联重复（b）反向串联重复果蝇染色体的重复产生特殊的表型效应——棒眼（Bar）突变型例：果蝇棒眼的位置效应（positioneffect）果蝇野生型复眼由790~800个小眼构成（雌蝇）突变型棒眼68个小眼细胞学检查唾腺染色体棒眼果蝇X染色体上16A的区段重复二个或三个正常果蝇X染色体只一个16A区。(A12－1)16A区重复的主要效应是使小眼数减少，而且有累加作用，重复次数越多，小眼数愈少基因型（Genotype）小眼数（phenotype）+/+B/+779～750360B/B68BB/+45BB/BB25(A12－1)（2）重复的遗传学效应16A区的重复有位置效应：棒眼性状的表现不仅取决于重复的份数，而且还同它们在染色体上的位置相关：相同份数的重复，在同一染色体上时效应比分别处于两条染色体上时要强得多。A12-2上例：“＋”表示只有一个16A区“B”表示有二个16A区“BB”三个16A区B/B和BB/+所含16A区份数相同：四份表型差别明显B/B68个小眼BB/+45个小眼若16A区被看作是一个基因（B），那么这就是基因的位置效应某些基因或染色体片段，经过染色体重排，它们邻近的相对位置改变而引起的个体表型发生改变的效应叫位置效应。(3)果蝇的Bar重复引起的可能机制之一：不等交换不等交换和果蝇的Bar突变：(a)出现在果蝇X染色体16A片段的不等交换：A12－3一条带有两个拷贝的16A（一个重复）和无16A的染色体（缺失）。带有两拷贝16A的杂合子果蝇为棒眼突变，（b）在纯合子棒眼（Bar）突变中不等交换可能产生一条带有三拷贝的16A区的纯合子为重棒眼突变，而带一个拷贝16A区的为野生型。染色体片段的重复可能是由于:①同源染色体之间进行不等交换②裂合桥循环③转座子插入小的重复难以检出，进化上非常重要，因为它们提供的额外的遗传物质有可能执行新的功能。（1）倒位的类型倒位并没改变染色体上基因的数量，但是改变了基因的序列和相邻基因的位置。臂间倒位（pericentricinversion）:两种类型倒位的片段包括着丝粒臂内倒位（paracentricinversion）:不包括着丝粒，发生在一个染色体臂上的倒位。12.1.5倒位与交换抑制作用倒位没有造成遗传物质的丢失，但破坏基因的调控如果倒位是纯合的（ADCBEFGH/ADCBEFGH）,减数分裂将能正常地进行。如果倒位是杂合的（ABCDEFGH/ADCBEFGH）,减数分裂时则可能出现问题：倒位的部分很小时，倒位部分不能配对，其余部分配对正常。倒位的部分很大时→形成一个倒位环（inversionloops）以保证同源染色体配对。A12－4本质问题：倒位杂合子中交换频率并没减少，但是重组的染色体中得到的配子是无生活力的。例：在杂合的倒位环里发生一次单交换时，一般都不能形成正常的重组染色体：（2）倒位的遗传学效应鉴别倒位杂合子：观察减数分裂细胞中的倒位环或多线染色体中的倒位环。遗传实验鉴别杂合倒位：重组子被显著地减少或受到抑制。①交换抑制：无论是在臂内或臂间倒位的杂合体中，由于倒位环内非姊妹染色单体间发生了一次单交换，而交换的产物都带有缺失或重复，不能形成有功能的配子，因而似乎交换被抑制了，或相当程度地减少了杂合子中的重组。这种现象称为交换抑制（crossoverrepressor，C）。有时称C为交换抑制因子。能够产生有活力的配子是那些没有发生交换染色体形成的配子。①臂内倒位的倒位环中发生一次交换时，产生：一个双着丝粒的染色体（dicentreicchromosome）和一个无着丝粒片段（Acentricfragment）→基因重复或缺失(A12－4)减数分裂后期：双着丝粒的染色体→双着丝粒桥→断裂→两个带有较大缺失的染色体（配子有缺陷，无活力），无着丝粒片段→丢失。②臂间倒位的倒位环内发生单次交换，不形成染色体桥，产生有缺陷的重组染色体。包含重组染色体的两种配子是没有活力的。有成活力的配子是非重组染色体（ABCDEFGH