连锁遗传分析

5连锁遗传分析　　从遗传的染色体学说（chromosometheoryofinheritance）到染色体基因学说（genetheory）标志着遗传学进入了一个重要的发展阶段。这个阶段的开始是与摩尔根（ThomasHuntMorgan，1860—1945）和他的学生们对黑腹果蝇（Drosophilamelano唱gaster）的遗传学研究密不可分的。摩尔根证明特定的基因在染色体上占有特定的位置；基因是沿着染色体的线性方式顺序排列的；处于同一条染色体上两个或两个以上的基因从一个世代到下一个世代的传递是连锁的，发生在非姊妹染色单体间的交换导致基因间的重组。摩尔根的学生A畅H畅Sturtevant绘制了世界上第一张果蝇的X染色体图，这张遗传图的结构证实了染色体实际上是由基因的线性排列所组成。T畅H畅Morgan对遗传学的伟大贡献在于不仅提出了对基因功能的认识，而且建立了遗传的第三定律，为真核生物包括人类在内的连锁分析，和当今的后基因组时代的基因定位与作图奠定了重要的理论基础。本章将首先介绍性别决定的染色体机制和性连锁遗传规律，进而证明染色体是基因的载体。其后讲述遗传学第三定律与染色体作图的基本原理与方法。80　　　5畅1　性染色体与性别决定5畅1畅1　性别与性染色体　　性别（sex）是从酵母菌到人类所有真核生物的共同特征，是长期进化的产物。两性生物中的雌性··雄性＝１··1，这是一个恒定的理论比率，称为性比（sexratio,SR），人类也不例外，如果人为地造成人类的出生人口性别比例的严重失衡，将会带来不可估量的负面的社会影响。在自然群体中，性别1··1的比率是同一物种内两种性别表型选异交配的结果。“性别”作为一种性状，是按孟德尔方式遗传的，因而1··1的性别比，是一种测交结果，这意味着某一性别（例如哺乳动物的雌性）在遗传上是纯合体，而另一性别（雄性）则是杂合体。　　1891年，德国细胞学家Henking在半翅目昆虫的精母细胞减数分裂中发现了一种特殊的染色体。它实际上是一团异染色质，一半的精子中带有这种染色质，另一半没有。当时他对这一团染色质的性质不大理解，就起名为“X染色体”和“Y染色体”，并未将它们和性别联系起来。直到1902年，美国的细胞学家C畅E畅McClung才第一次将X染色体和昆虫的性别决定相联系。细胞学家E畅B畅Wilson对许多昆虫中的性别差异进行了广泛的研究，1905年证明，在半翅目和直翅目的多种昆虫中，雌性个体具有两套普通的染色体称为常染色体（autosome，A）和两条X染色体，而雄性个体也有两套常染色体，但只有一条X染色体。于是将这种与性别有关的、一对形态大小不同的同源染色体称为性染色体（sexchromosome），一般以XY或ZW表示。5畅1畅2　人类的性染色体　　决定人类性别的X染色体和Y染色体是很奇特的一对染色体。在形态结构上，X与Y染色体彼此间大小差别甚大，Y染色体很小，大约只有X染色体的1／3，因此，相对于X染色体而言，Y染色体小得有点微不足道！其着丝粒在端部，有微小的短臂，大部分是异染色质的。在其长臂绝大部分也由异染色质组成。异染色质区的大小在男性个体中变异很大。在遗传功能上，人类的X和Y染色体是一对十分不同的染色体。2005年3月，200多名科学家联名发表了对X染色体DNA序列测定的结果，确认其全长约为155Mb，注释了编码蛋白质的1098个基因。X染色体是人类基因组中最不寻常的染色体，目前已发现该染色体上大约有70%的基因与疾病相关。而早在2003年6月，美国科学家们完成了对人类Y染色体的DNA序列分析，其长度约为60Mb，仅有大约78个功能基因，其中之一是对人类雄性性腺（睾丸）发育起决定作用的SRY基因，其基本功能是由SRY基因编码的蛋白质通过活化其他染色体上的一些基因触发睾丸的形成（详见第16章）。不仅Y染色体的异染色质区几乎不含功能基因，而且Y染色体上的许多基因在X染色体上根本找不到与之相应的等位基因。　　在X染色体上的1098个基因中，仅有54个基因是X和Y染色体上共同具有的，这些相同基因中的大部分（29个基因）位于X，Y染色体的末端———假（拟）常染色体区（pseudoautosomalregion，PAR）。其中，X染色体短臂末端的假常染色体区称为PAR1，长2畅7Mb，长臂末端的假常染色体区称为PAR2，长330kb（图51）。在Y染色体上的PAR1位于Yp末端，PAR2在Yq末端。这两个PAR在男性减数分裂时与X染色体有遗传重组。　　由图51可见，人类的X与Y染色体除了其末端极少部分的假常染色体区外，大部分由其特异的区段组成，存在于X染色体的特异区内的基因表现为X连锁遗传；存在于微小的Y染色体特异区的基因表现为特殊的Y连锁遗传。在减数分裂过程中，这一对性染色体并不随它们的长度进行平行的配对，而是头对头地联会，在电镜下可见其特别的配对方式，因为X与Y染色体只在各自的端部5　连锁遗传分析81　　　图51　人类性染色体（配对区与差别区）示意图（引自Griffiths等，2005）（PAR1，2）有同源性，交换和重组事件只可能在其间发生。研究证明，Y染色体上的非重组区（non唱recombiningregionofY，NRY）或称Y染色体的雄性特异区（male唱specificregionoftheYchromosome，MSY），占整个Y染色体全长的95%，该区在男性个体中有不同的长度多态性。重组的终止，使Y染色体和X染色体的大部分区域不再进行DNA片段的交换，从而使得Y染色体非重组区内DNA序列变得不可逆，导致基因功能丧失（详见第12章）。但近几年的研究表明在非重组区中仍然存在一些和X染色体相对应的共同基因。5畅1畅3　性染色体决定性别的几种类型（1）XXXY型　　这是生物界中较为普遍的类型。人类、哺乳类、某些两栖类和某些鱼类，以及很多昆虫和雌雄异株的植物等的性别决定都属此类型。X与Y染色体在形态大小上有明显的差别。在黑腹果蝇中，X染色体呈杆状，因为是端着丝粒的，Y染色体是近端着丝粒的，所以呈J字形（钩状）。　　人类女性染色体组成为44A＋XX，男性为44A＋XY，男性是异配性别（heterogameticsex），产生比例相等的两种不同类型的精子，而女性是同配性别（homogameticsex），只产生一种类型的卵子。Y染色体对于人类雄性的性别决定至关重要。　　在果蝇中，正常情况下，雌蝇的性染色体组成为XX；雄蝇为XY，但XO型雄性果蝇常有发生，往往不育，因为Y染色体与生殖力有关。故果蝇中Y染色体的存在与否和性别决定的关系不如人类那样重要。（2）ZZZW型　　鸟类、鳞翅目昆虫、某些两栖类及爬行类动物的性别决定属这一类型。雄性的性染色体组成为ZZ，雌性为ZW。在家蚕中，雌蚕染色体组成为27A＋ZW，雄蚕是27A＋ZZ。此类性别决定恰好与XY型相反，雌性是异配性别，雄性是同配性别。一种草莓（Fragariaelatior）也属ZW型，雌株为ZW，雄株为ZZ。（3）XO型　　属于该类型的有直翅目昆虫（如蝗虫、蟋蟀等）。雌体的性染色体成对，为XX，雄体只有一条单一的X染色体，为XO型。蝗虫雌体为22A＋XX，雄体则是22A＋XO。（4）植物的性别决定　　高等植物多为雌雄同株类型，无明确的性染色体决定性别的机制存在。但在少数雌雄异株的植物中，也有与动物相类似的性染色体性别决定机制。大部分雌雄异株植物都属于异配性别，XX为雌株，XY为雄株。如石竹科的女娄菜（Melandriumapricum），以及人们所熟悉的大麻（Cannabissativa）、银白杨（Populusalba）、银杏（Ginkgobiloba）和菠菜（Spinaciaoleracea）等。其性别取决于Y染色体存在与否。在无Y染色体存在时，不论X染色体与常染色体（A）的比例如何，均发育为雌株，相反，只要有Y染色体存在，统统发育为雄株，Y染色体有极强的雄性决定作用，带有雄性基因。女娄菜属植物的另一5畅1　性染色体与性别决定82　　　种（Melandriumalbum）雄株的Y染色体比X染色体稍大一些。在减数分裂时，X染色体与染色体Y配对，但分离较早，在常染色体还没有分开的时候，两条性染色体就分向两极了，这表明X染色体与Y染色体的同源部分很少。　　有些动物的性别依赖于环境因素。其性别分化在很大程度上取决于环境条件。5畅1畅4　环境因子与性别决定（1）爬行类的温度性别决定　　大部分蛇类和蜥蜴类的性别是在受精时由性染色体决定的，但有一些龟鳖类和所有的鳄鱼其性别是由受精后的环境因子决定的。这些爬行类在某个发育时期受精卵所处的温度成为性别决定因子，称为温度依赖型性别决定（temperaturedependentsexdetermination，TSD）。温度略改变，就会使其性比发生急剧变化。当卵在22～27℃孵化时，只产生一种性别；30℃以上的温度中孵化时，则产生另一种性别。只在很小的温度变化范围内同一批卵才会孵化出雌性和雄性两种个体（图52）。图52　爬行类孵化温度与性比间的关系（a）蜥蜴的两个种（Agamaagama和Eublephorismacularius）高温孵化的子代全是雄性（b）龟的3个种高温孵化的子代全是雌性　　图52表明有一些龟的卵在低于28℃温度下孵化时，孵出的所有小龟都是雄性；如果孵化温度高于32℃，则孵出的都是雌性；在介于28℃与32℃之间孵化时，则同时孵出雌性和雄性个体。　　温度决定性别对一个物种的生存既有利也有害。有利的是可使一个物种的性比不一定是1··1，从而促进了有性生殖。例如，鳄鱼的性别可达10雌··1雄。有害的一面是不利于物种的生存，因为这将使物种得以生存的温度范围变得很窄。例如，当局部地区或全球性的温度升高，气温变暖时，就可能造成物种在某个地区内灭绝，因为在那种温度下只可能孵化出一种性别的个体。有人曾推测恐龙也许是温度依赖型的性别决定，因此恐龙的灭绝可能是由于地球上温度的变化，造成了恐龙卵只能孵化出一种性别个体所导致的致命后果。（2）后螠螠螠螠的位置性别决定　　海生蠕虫后螠（Bonelliaviridis）雌虫体积大，体形像一颗豆子，宽10cm，口吻很长，可达1m，远端分叉；雄虫很小，只有1～3mm长，构造简单，生活在雌虫的子宫中，像一条寄生虫。这种蠕虫的性别决定完全是由机遇决定的。自由游泳的幼虫是中性的，如果落在海底就成为雌虫；若由于偶然的原因，或可能由于一种吸引力，幼虫落在雌虫长长的口吻上，就会进入雌虫的口中，并游向子宫，发育成为一个与雌虫共生的雄虫。雄虫生活在雌虫体内，使卵受精。如果移去已经落在雌虫口吻上的幼虫，让它在离开雌虫的条件下继续发育，则会发育为间性。间性偏向雌性或雄性的程度取决于幼虫以前停留在雌虫口吻上的时间。将幼虫培养在正常的海水中，在没有成熟雌虫的情况下，幼虫几乎全部发育成雌虫。若将幼虫培养在含有雌虫口吻抽提液的海水中，则大部分变成雄虫或间性个体。这表明5　连锁遗传分析83　　　雌虫口吻组织里有导致幼虫雄性化的类似激素的化学物质。　　即便如此，从理论上讲，环境因素最终还是要通过作用于遗传因素实现其影响，只不过目前人们对于这方面的了解还十分有限。5畅2　性连锁遗传分析5畅2畅1　黑腹果蝇的伴性遗传分析　　黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）其属名拉丁文“Droso”意为“露水”，而“Phila”为“喜欢”之意，种名中的“melano”是“黑色”，“gaster”为“消化管”，故直译为“黑肠喜露”果蝇（李汝祺，1982），简称黑腹果蝇。其虫体小（3～4mm），饲养简便、经济，凡能发酵的食料都能成为它的良好培养基。在夏季它们大量出现于水果摊上，俗称果蝇。野生型的果蝇具深红的复眼，灰褐色身体，一对长翅膀，全身具有直立的刚毛。成虫的繁殖力强，每只雌蝇平均每天可产20个卵，最高可产80个。生活周期短，恒温25℃一个世代平均约10d。染色体数目2n＝8，而且形态特点十分明显。突变种类极多，为各种杂交提供了丰富的材料。因而它是一种十分有利于遗传学研究的理想