武汉大学遗传学第4章遗传分析

遗传学第4章（2）4.5基因的作用与环境因素的相互关系4.5.1基因的作用与环境的关系4.5.2外显率与表现度4.5.3孟德尔定律的扩展4.5基因的作用与环境因素的相互关系4.5.1基因的作用与环境的关系基因的功能必须在一定的生物的或物理化学的环境条件下才能发挥作用。个体发育是基因按照特定的时间、空间表达的过程，是生物体的基因型与内外环境因子相互作用，并逐步转化为表型的过程。受精卵（合子）→进行发育和功能的一种潜力。环境→影响生物发育和分化过程中的基因表达（1）遗传物质的复制（2）生长（3）各种细胞类型的分化（4）分化的细胞聚集成为确定的组织和器官四个重要过程彼此相互作用形成发育的复杂过程在正常条件下（环境），发育基本上是一个不可逆过程。生物的大多数性状既与遗传有关，又与环境有关，是遗传与环境共同作用的结果。（1）表型模拟（phenocopy）/拟表型有时环境因子引起的表型改变和某基因突变引起的表现型改变很相似，这叫表型模拟或拟表型例如：糖尿病（diabetes/diabetesmellitus）是一遗传病，其特征为胰岛素的缺陷或缺失，患者完全不能利用葡萄糖。因血糖上升，葡萄糖大量向尿中转移→糖尿病。医治这种病，必须对其补充外源胰岛素，使患者糖代谢正常，不表现出糖尿病的症状，看上去和正常人相同，即使突变型表现为正常表型。实际上，糖尿病患者的基因型并不因此而改变，他们照样把糖尿病基因传给后代。又例如：人类中有一种隐性遗传病，叫做短肢畸形（phocomelia），患者的臂和腿部分缺失或肢体缩小成鳍状附肢。隐性基因纯合，断断续续有所发生1950－1960年间，患者例数突然增多，当时联邦德国和英国6000个初生畸形婴儿，多数表现为短肢畸形。经查：增多原因是孕妇在其妊娠早期（1－5周），服用了一种称为反应停（thalidomide）的安眠药，这种药在这个关键时刻延缓了胎儿四肢的发育，导致了短肢畸形，这是最惨的诱发拟表型的一个例子。在该例中，药物引起的表型变化，使正常个体模拟了突变型的表型。研究表型模拟的意义有两点：（1）什么时候进行处理可以引起表型改变，由此可以推测基因在什么时候发生作用。（2）用一些什么物理条件或化学药剂处理，可以引起哪一些表型，类似哪一类突变型，由此可以推测基因是怎样在起作用的。注意：表型模拟，这类表型的改变都不能遗传。Aphenocopyisdefinedasanonhereditary,phenotypicmodification(causedbyspecialenvironmentconditons)thatmimicsasimilarphenotypecausedbyagenemutation.（2）内环境效应（Effectsofinternalenvironment）生物体细胞内某些刺激复杂的生物化学反应影响个体的发育两个内部刺激：年龄和性别1、发病年龄（ageofonset）生物体的年龄能影响基因功能的内部环境的很多变化，所有的基因并不是连续不断地起功能作用。基因的编程性激活和失活与生物个体的发育有关（programmedactivationanddeactivation）例：Huntington’sdisease基因的效应在个体生存以后很晚才表现出来，说不出什么理由。人类中有很多其他的由年龄决定的遗传性状。例：（1）20岁至30岁男人中出现的典型秃发（patternbaldness）（即秃斑不知不觉地向头顶延伸），在美国30岁以上的男子中大约有26％是秃发者。（2）在2至5岁孩子中的杜兴氏肌营养不良（Duchennemusculardystrophy）在很多病情里，人们还不理解年龄决定性的本质真核生物基因呈时序表达，不同的组织细胞在不同时期有不同的基因表达普。某一细胞在特定的时期只有约1％－3％的基因表达，大部分的基因处于静息状态。活动的基因中仅有小部分基因对于维持细胞生存是必需的，称为看家基因（house-keepinggene)。大部分的基因只在某种细胞的特定时期表达，以完成某种特定功能，这些基因称为奢侈基因（Luxury)。据估计，人的一个体细胞内约有1000个看家基因。（3）、性别（sex）个体的性别可能影响某些特定基因的表达。在性连锁基因中，两性表现出的差别是与其性染色体上基因组成相关的。在某些情况下，在常染色体上的基因，不是位于性染色体上的基因，影响某一性别，而不影响另一性别特定性状的出现。（1）限性性状（sex-Limitedcharacter）:表型只在一个性别中表现的性状（即其表型受性别的限制），不论有关的基因是x连锁基因或常染色体基因。例奶牛的产奶，显然所涉及的基因仅在雌牛不在雄牛中表达。（2）从性性状（sex-influencedcharacter/sex-conditionedcharacter）：由常染色体上的基因决定的性状，但在不同性别中表现程度不同，一般由多基因决定。/这些性状在两种性别中出现，但或者在两种性别中出现的频率不同，或者在基因型和表型之间的关系不同例：上面我们提到的patternbaldness秃顶，一对常染色体的等位基因b+和b。b/b基因型男、女性皆表现秃顶。b+/b+皆非秃顶，差别在杂合子：b+/b男秃顶，（b表现为显性），女非秃顶（b表现为隐性）(4－2)b等位基因的表达是受个体的性激素影响的，即：雄性激素睾丸素（testosterone）在等位基因b为一剂量时负责patternbaldness等位基因b的表达。这就解释为什么patternbaldness在男人中发生的频率远远高于女人。最后我们必须认识到秃顶并不是一个直接研究的性状，原因是在秃顶表型中，其表现度是变化的：人群中秃顶年龄早、晚；秃顶在头顶或额头等等。（4）外部环境效应（Effectsoftheexternalenvironment）外部环境因子很多：温度、营养条件、阳光化学药品、传染物等等。两个最重的因子：温度和化学药品1）、温度：细胞内生化反应由酶催化进行，合理范围内温度的改变，并不影响酶的活性。超过合理范围，温度敏感。即：它在一种温度里正常地行使功能，在另一种温度里无功能。例：Himalayanrabbits皮毛色：温度效应对基因表达影响兔：生活环境的温度较低时（小于25℃）：耳朵、鼻子、脚爪黑色皮毛饲养温度大于30℃：全身白毛饲养在25℃，身体某部低于25℃，典型Himalayanrabbits加上被冷过的地方一块黑色毛皮的斑区。因为所有的体细胞都是从一个受精卵发育而来，这种特别的皮毛类型，不可能是这些区域的细胞的基因差别的结果。这可被假设为这种皮毛类型是由于外环境影响的结果。2）、化学物质在内外环境的某些化学物质都能对生物体产生重大影响。例：苯丙酮尿症（phenylketonuria,PKU）一种常染色体隐性遗传病，由于苯丙氨酸羟化酶缺乏所致。纯合体（pp）的婴儿体内的苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，产生苯丙酮酸在体内积累起来，大量存在于血和尿中，转入其它的分支途径，相继引起次级代谢失调的扩散，在患儿的脑内积累，影响脑的发育。PKU，1934年由Folling首次描述，在一些智力低下患者身上，有特殊的“鼠尿”气味。1935年由Penrose为该病命名。PKU的发病率为1/6000－1/20000，基因定位于chr.123.11结果：神经发育不正常，智力发育停滞，IQ仅为20左右。可见：细胞内外部化学物质的变化，对基因型和表现型都产生非常重大的影响。新生儿PKU应限进食苯丙氨酸，以防神经损伤，6岁神经系统发育完全，可调整PKU患者的进食。成年人的脑能够耐受PKU患者异常代谢物的浓度。的百分数（或比率）称为外显率。例如人类多指性状为显性遗传，其外显率为90％，即在10个具有这种基因的人中，有9个是多指的。虽然带有多指基因，但由于内外环境影响不表现该性状的个体，称为外显不全。当每个个体都表现出该性状时，称为外显完全，外显率则为100％。表现度：具有相同基因型的个体之间基因表达的变化程度称为表现度。或指某一特定基因在不同个体间，对它控制的性状的不同表现程度。4.5.2外显率（penetrance）与表现度（Expressivity）在带某一基因型的群体中个体显示出预期表型占该群体例：神经纤维瘤（neurofibromatosis）的病人，（常染色体显性）其表现度也是变化的，中间型个体只在皮肤上有少量的色斑区，在严重的情况下，可见多种病症，包括各种大小的神经纤维瘤、高血压、语言障碍、头痛、巨头、身材矮、眼睛肿瘤等等，其他征状。不完全的外显率和可变的表现度在人类的一个显性基因决定的一种特殊表型——海勃氏堡下颌（HapsburgJaw）遗传了近乎500年的过程中表现得极为典型。从中世纪到20世纪早期，海勃氏堡王朝统治了欧洲的许多国家。海勃氏堡家族在欧洲贵族中传递着他们的基因及其由基因所决定的著名的表型——向前突出的下颌，伴随着上下齿不能正常咬合，以致咀嚼困难，难以闭嘴。p×红花品系CRCR白花品系CWCW杂交工作C:ColorR:RedW:WhiteF1粉红花(pink)CRCWF21/4红花CRCR2/4粉红花CRCW1/4白花CWCW4.5.3孟德尔定律的扩充和应用ExtensionsandApplicationsofMendelianGenetics不符合孟德尔遗传比例的现象发展和扩充孟德尔的遗传原理(1)等位基因间的相互作用显性和隐性是相对的，有条件的，是不能绝对区分开来的。①不完全显性或部分显性（incompletedominance或partiallydominance）：Carlcorrens紫茉莉（Mirabilisjalapa）Correns实际观察到F2是1：2：1的基因型比例，而不是3：1的表现型比例。因为二个亲本型的表现型在F1代中完全没有表达，该基因在这种性状上表现出的现象被称为不完全显性，即：所有的基因型有不同的表现型，具杂合的表现型处于两个纯合子中间。例：鸡的羽毛颜色（plumagecolor）p纯种黑羽鸡×纯种白羽鸡CBCBCWCWB：blackW:whiteF1CBCW安达鲁西蓝色（Andalusianblues）浅灰色羽毛（bluish-grey）F21/4CBCB1/2CBCW1/4CWCWblackbluish-greywhite4－24一对等位基因的两个成员在杂合体中都表达的遗传现象称为并显性遗传。上面的两例不完全显性，若从另一角度看，它们是共显性。①紫茉莉F1从微观上看，具有两个亲本的表型：F1粉红色＝红色的plastids+白色的plastids②F1鸡浅灰色羽毛＝黑色羽＋白色羽十分细微镶嵌的表现从宏观上看其表型是不完全显性，而从亚细胞水平它是共显性。共显性最典型的事例是AB血型、MN血型。②共显性（codominance）与镶嵌显性（Mosaicdominance）人类的另一种血型系统－MN型系统的遗传也是这样血型基因型抗原MNMNHMHMHNHNHMHNMNM，N（LMLM)(LNLN)(LMLN)这里每一种血型都只有一种基因型，而且在MN型中基因HM与HN互不遮盖，各自发挥自己的作用。注意：MN血型系统因为没有天然抗体，所以临床输血时一般不加考虑。MN型系统与ABO型系统是独立遗传的，分别由两对不等位的基因决定。色斑遗传的研究黑缘型鞘翅：前缘呈黑色－SAU基因均色型：后缘呈黑色－SE基因F1杂种（SAUSE）：翅的前缘和后缘都为黑色由于等位基因的作用，双亲的性状可以在后代的同一个体的不同的部位表现出来，造成镶嵌图式，叫做镶嵌显性。例：谈家桢先生1946年对蚜虫的天敌异色瓢虫（Harmoniaaxyridis）一种变化）必需基因：是那些当其突变后能导致致死表现型（Lethalphenotype）的基因显性致死：纯合子和杂合子将表现致死表现型隐性致死：纯合子致死致死等位基：导致一个生物体死亡的一个等位基因；或那些使生物体或细胞不能存活的基因。导致死亡率在10%～50%之间的致死基因称为半致死基因，死亡率在50%～90%之间的致死基因称为