遗传物质的改变.ppt

第十三章 遗传物质的改变染色体畸变,Genetic information of diploid organisms is delicately balanced in both content and location within the genome.Chromosome mutation,a change in chromosome number or in the arrangement of a chromosome region within the genome,often results in phenotypic variation or disruption of development of an organism,and can be passed to offspring in a predictable manner,resulting in many unique genetic outes.,第一节 染色体数目的改变（P423）,染色体组与染色体倍性整倍体非整倍体染色体数目异常与疾病,一 染色体组与染色体倍性,染色体组(genome):一个正常配子中的所包含的染色体的数目,用n表示。genome也译为基因组,指正常配子中所带有的全部基因。整倍体(euploid):以染色体组为基础,成套改变染色体数目后形成的个体。如：n,2n,3n,4n,6n等。非整倍体(aneuploid):以二倍体为基础，添加或减少几条染色体后所形成的个体。如：2n-1,2n-2,2n+1,2n+2,2n+1+1某些动植物以祖先中的配子染色体数作为基数，用“X”表示，如小麦中，各种小麦配子的染色体数目都是以7为基础变化，则X=7，二粒小麦(异源四倍体)：2n=4X=28;普通小麦(异源六倍体)：2n=6X=42.,2n、4X,除生殖细胞外，同一生物体的细胞中具有相同的染色体数目。亲代与子代的染色体树木相同。,1.染色体数目恒定,2.染色体结构恒定,同一生物体的染色体上的基因数目和基因组织形式在各细胞中都相同。,物种的染色体组成特征,二、整倍体,1、二倍体(diploid)：细胞内含有两套配子的染色体组。如多数动植物为二倍体生物：番茄2n=24，人2n=46.,2、单倍体(haploid):或一倍体(monoploid)，只有一个染色体组（只含有体细胞染色体数目一半）的细胞或者个体。天然：如蜜蜂：雄蜂由未受精的卵发生而来单倍体(n=7)；雌蜂由受精卵发育而来二倍体(2n=14)。,单倍体,人工诱导：如用子房或花粉培养。单倍体植物很小，生活力弱，完全不育（n=10,可育配子1/210）。多倍体产生的单倍体也不育染色体不平衡。*单倍体通过加倍以后可以得到纯二倍体(双单倍体，amphihaploid)。缩短育种时间，保证基因纯合存在，不会发生分离。,多倍体(polyploid):超过两个染色体组的个体或细胞。1.同源多倍体：具有3个以上相同染色体组的细胞或个体。如同源四倍体、六倍体、三倍体、五倍体等 天然：染色体加倍但未减数配子受精后形成，或核内有丝分裂形成；人工：体细胞加倍低温、秋水仙素处理。动物中同源多倍体少见，原因是加倍后产生的配子受精形成的个体(XX+XY XXXY)不育；植物中同源多倍体较多，如，兰科，天南星科，禾本科中的竹属等。,三、多倍体,多倍体,同源多倍体的表型特征：四倍体：染色体加倍，核和细胞体积增大，各器官加大；基因数量加大，产量增加。但也有相反情况。三倍体：生活力强，营养器官茂盛，但高度不育。如天然的无子香蕉，人工的无子西瓜、甜菜、苹果等，可大大提高林木、花卉、水果等产量。同源多倍体减数分裂和基因分离的特点：A.染色体分离的特点：三倍体三价体或二价体+单价体:2n配子形成概率(1/2)n;n配子形成的概率(1/2)n。其余配子染色体不平衡，不育。四倍体：减数分裂可形成四价体（）、三价体+单价体（+）、2个二价体（+）。四价体和二价体可育；三价体和单价体染色体不平衡，配子不育。,B.(四价体)基因分离特点：正常二倍体(A/a):三种基因型AA,Aa,aa.四价体(A/a):五种基因型分离比复杂。AAAA(四显体)/AAAa/AAaa/Aaaa/aaaa(无显体)*以二显体（AAaa）减数分裂形成（+）为例介绍基因分离的特点：子代基因型为1:8:18:8:1(表型35:1),2.异源多倍体(allopolyploid):两个及两个以上的物种杂交，形成的杂种加倍以后形成的多倍体。(1)异源多倍体：AA BB AB AABB(双二倍体)(2)部分异源多倍体：异源联会(allosydesis):A.异源六倍体小麦(AABBDD,2n=6X=42=21)：一粒小麦(AA,2n=2X=14=7)拟撕卑尔山羊草(BB,2n=2X=14=7)滔矢山羊草(DD,2n=2X=14=7)B.异源八倍体小黑麦：小麦(AABBDD)黑麦(RR)小黑麦(AABBDDRR,2n=8X=56=28),C.萝卜甘蓝的形成：萝卜(RR,2n=18)甘蓝(BB,2n=18)萝卜甘蓝 RB(2n=18=18)萝卜甘蓝(2n=36=18)其根似甘蓝，叶似萝卜萝卜甘蓝。,AA:Aa:aa 2:8:2,（2）异常多倍体产生的原因,自发产生,减数分裂时整套染色体不分离（nondisjunction）产生多倍体配子，受精后形成同源多倍体（autopolyploid）。,i）减数分裂不分离,减数分裂第一次分裂（减数I）时同源染色体不分离。,正常人类染色体（2n=46）,人染色体减数分裂I不分离,减数分裂第二次分裂时姐妹染色单体不分离。,ii）减数分裂不分离,人工诱发产生,i）秋水仙碱（colchicine）,可抑制纺锤体的形成。在有丝分离过程中用秋水仙碱处理后，复制过的染色体不能分离，染色体数目加倍。,可用于育种,ii）不同物种杂交,1928年，G.Karpechenko培育成第一个人工异源多倍体：,萝卜甘蓝（raphanobrassice）,与他的意愿相反，长出了萝卜叶子甘蓝的根！,异源多倍体是植物育种的常规手段之一。,鲍文奎：8倍体小黑麦。,产生异源多倍体,异源多倍体培育,amphidiploid：双二倍体,（3）整倍性变异的后果,整倍性变异,染色体数成倍地增加或减少。,2n,n,3n,4n,5n,后果,i）动物中一般是致死的。,极少数物种是单倍体（雄蜜蜂、黄蜂、蚂蚁）或多倍体（某些鱼、牡蛎等）。,ii）植物多倍体是正常现象，而且比二倍体有优势。,三 非整倍体,非整倍体(aneuploid):由二倍体减数分裂时，其中的一对同源染色体不分离或提前分离形成n-1或n+1的配子。双体(disomy)：正常的2n个体单体(monosomy):二倍体中缺少了一条染色体(2n-1)缺体(nullisomy)：二倍体中缺少了一对染色体(2n-2)双单体(dimonosomy)：二倍体中缺少了两条染色体(2n-1-1)三体(trisomy)：二倍体中增加了一条染色体(2n+1)双三体(ditrisomy)：二倍体中增加了两条不同的染色体(2n+1+1)四体(tetrasomy)：二倍体中增加了一对染色体(2n+2),2.非整倍体（aneuploidy）,体细胞中的染色体数目缺少或增加一条（或几条）。,主要有两类（4种）形式：,i）缺体（nullisomy）：丢失一对同源染色体（2n2）ii）单体（monosomy）：丢失一条染色体。（2n1）,（1）非整倍体的形式,缺少一条或几条染色体。,亚二倍体：,缺体,单体,双单体,i）三体（trisomy）：多一条染色体。（2n+1）ii）四体（tetrasomy）：多一对同源染色体。（2n+2）,多一条或几条染色体。,超二倍体：,1.单体和缺体 个体成活率低，出现假显性，天然如雄性果蝇(XO);果蝇的4单体可以成活。小麦单体：2n减数形成配子只有n、n-1和n+1可育，n n-1 2n-1,可以制造21种单体，且绝大多数性状与2n相似。,利用缺体可以进行基因的染色体定位 P:无眼野生正常眼 F1:正常眼 F2:正常眼:无眼（3:1）无眼与4-chr单体(野生型)交配：,4-chr,2.三体 三体对个体的影响比单体小，多数三体的性状与双体无明显差别，只少数有差异。天然：2n减数不正常分离，n n+1 2n+1,人工：让2n(n配子)和3n(各种n+1配子)杂交，n n+1 2n+1。三体自交可产生双体、三体、和四体。,三体的等位基因有4种基因型：AAA/AAa/Aaa/aaa*双显体和单显体发生基因分离。分析：AAa 基因的分离比：A:a:AA:Aa(2:1:1:2)n:n+1=1:1：A:a:(2:1)只有n配子，*n+1(AAAa)不育 三体自交表型比17A-:1aa；基因型比：AAA:AAa:Aaa:AA:Aa:aa 2:5:2:4:4:1,（2）非整倍体产生的原因,有丝分裂或减数分裂中，个别染色体不分离。,有丝分裂不分离：,卵裂早期不分离会导致机体的部分细胞的染色体数目正常，但有部分细胞是超二倍体或亚二倍体嵌合体（mosaic）。,减数分裂不分离,造成多一条或少一条染色体的配子，与正常配子受精后会导致亚二倍体或超二倍体。,i）减数分裂不分离,ii）减数分裂不分离,染色体丢失,细胞分裂的中期染色体未与纺锤丝相连或移动迟缓，不能被拉到细胞的两极，滞留在细胞质中丢失。造成亚二倍体。,人类中常见X染色体丢失。,（3）非整倍性变异的后果,在动物中大部分情况是致死的，少数能成活，但有严重的疾病。,植物中常得以生存。,3.人类中最常见的染色体数目异常疾病：,（1）Down syndrome,1866年Langdon Down发现。,21号染色体三体（trisomy 21）。,发病率：新生儿1/800,Down syndrom与母亲生育年龄的关系,（2）性染色体数目异常疾病,1942年Klinefelter首先报道此病。,Klinefelter syndrome,发病率：在男性中为千分之一。,1959年证实为多一条X染色体。,睾丸不发育，身材细高，50%的患者有一定程度的乳房发育，无生育能力。,Tuner syndrome,1938年首次报道了此病。在新生女婴中的发病率为1/2500。,1959年Ford证实为 少一条X染色体。,患者为女性，但第二性征（乳房和阴毛）不发育，身材矮小，肘外翻，多有蹼颈。无生育能力。,第二节 染色体结构变异,染色体部分增加、缺失、重排等变异。,原因：都是由于染色体断裂（breakage)后错误地重接(reunion)造成的。,一、果蝇唾液腺染色体的特性 唾液腺染色体(Polytene chromosome)：存在于双翅目昆虫幼虫消化道细胞的有丝分裂间期核内一种巨大的染色体。唾液腺染色体的特征：(1)巨大性、伸展性:210215染色质线平行排列；比中期染色体长100-200倍。(2)体联会(Somatic synapsis)：二倍体染色体数目为单元数。(3)具横纹结构:区(102)、段(A-F)、横纹，基因定位:eg.小眼不齐基因3C7；(4)出现泡状(puff)结构:核蛋白解离，环散开，DNA活跃转录区。,返回,二、缺失（deletion）,染色体上部分片断的丢失。原因：断裂后没有重接。,一次断裂后没重接，无着丝粒片断丢失。,（1）末端缺失（terminal deletion）,1.缺失的类型,（2）中间缺失（intercalary deletion）,两次断裂后两个断点重接，无着丝粒的中间片断丢失。,缺失环（deletion loop）,中间缺失后，减数分裂联会的时候能形成缺失环（互补环）。,减数分裂联会时的缺失环,果蝇多线染色体（polytene chromosome）的缺失环,三、缺失,1.缺失的类型：(1)端部缺失B染色体、染色体环(2)中部缺失2.缺失的细胞学效应(1)缺失环、(2)B染色体、(3)染色体环3.遗传学效应 大片段缺失致死，果蝇玉米等小片段缺失的纯合体存活.(1)假显性(pseudodominance)：一对等位基因中的显性基因缺失，使对应的同源染色体上的隐性基因得以表现的遗传现象。,eg.缺刻翅遗传(Notched).缺刻：缺失引起；而且缺刻刚好发生在X-chr的白眼/红眼基因所在区域。实验三种现象：F1缺刻雌蝇全白眼假显性；F1雄蝇中无缺刻性状致死；F1雌雄比例2:1.缺失(2)可用于基因定位。(3)缺失遗传病：A.猫叫综合症:5p-B.慢性骨髓性白血病：Ph染色体 22q-(40%)t(9,22)(q34,q11),返回,返回,2.缺失的遗传效应,（1）致死,确实的片断太大，或同源染色体都发生了缺失，往往造成无法存活。,（2）异常表型,小片断的缺失虽不致死，但造成表型异常。,如：,人类的猫叫综合征（cat cry syndrome/cri-du-chat syndrome）,1963年Jerome LeJeune首先报道此病。,哭声像猫叫，智力底下，发育迟缓，小头，满月形脸，眼距宽，耳位底，常伴有先天性心脏病。,1964年证实是第5号染色体短臂部分缺失。,（3）拟显性（pseudo-dominant）,一条染色体上的显性基因缺失，导致同源染色体上的隐性等位基因（非致死）表现效应。,3.缺失的应用,常用来研究基因的功能、调控元件的部位、蛋白质的结合位点等。,如寻找E.coli的复制起始区。,二、重复（duplication）,染色体上的某一片断增加了一份以上。,1.重复的类型,（1）顺接重复（tandem duplication）,重复的片断上的基因顺序与原先相同。,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,C,D,顺接重复,（2）反接重复（reverse duplication）,重复的片断上的基因顺序与原先相反。,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,C,D,反接重复,2.重复产生的原因,主要是由于不等交换（unequal exchange）造成的。,（1）多拷贝基因（gene redundancy）,如：rRNA基因,单个基因不足以满足细胞代谢的需要。,E.coli:5-10 copies;Droshophila:130 copies,3.重复的遗传效应,（2）异常的表型效应,如：果蝇的Bar eye（X-连锁显性）,1920年，Alfred H.Sturtvent和Thomas H.Morgan发现了这种突变。,表型与基因型,正常野生型：椭圆形，由约800小眼构成。,B+/B+,杂合体Bar眼：长棒状，由约350小眼组成。B/B+,纯合体Bar眼：长棒状，由约70小眼组成。B/B,Bar眼的原因,10年后,Calvin Bridges和Herman J.Muller比较野生型和Bar眼果蝇的多线染色体，发现Bar眼是由于16A区重复造成的。,（3）重复在进化中的作用,重复是新基因的产生的关键。,1970年，Susumo Ohno在他的专著Evolution by Gene Duplication中提出：,如：trypsin（胰蛋白酶）和chymotrypsin（胰糜蛋白酶）；myoglobin（肌红蛋白）和hemoglobin（血红蛋白）。,基因家族（gene family）。,返回,配子致死,(2)Schultz-Refield效应：果蝇中一对染色体杂合倒位，可以增加同一染色体组中非倒位片段的 交换频率。使群体保持最适的交换频率。(3)平衡致死系(Balanced lethal system)：利用倒位杂合体的交换抑制因子效应，以永久的杂合状态，同时保存两个隐性致死基因的品系。*隐性致死基因：基因对野生型为显性性状，但纯合致死，故称为隐性致死基因。*平衡致死系特点：两个基因，任何一个出现纯合，都是致死的，只有两个基因都为杂合状态的个体才能够保留下来。,三、倒位（inversion）,染色体发生两次断裂后，断裂点之间的片断颠倒180度重接。,1.倒位的类型,（1）臂内倒位（paracentric inversion）,（2）臂间倒位（pericentric inversion）,倒位的片断不包括着丝粒。,倒位的片断包括着丝粒。,2.倒位的遗传学效应,如果同源染色体只有一条有倒位，减数分裂联会时会产生倒位环。,（1）倒位环（inversion loop）,多线染色体倒位环光镜照片,倒位环电镜照片,（2）倒位环内发生交换的结果,臂内倒位环内的交换,由于形成染色体桥，配子中产生缺失和重复。,臂间倒位环内交换,配子中产生缺失和重复。,动画演示,倒位,倒位后的减数分裂,四、易位（translocation）,染色体上的断片位置发生了变化。,1.易位的类型,（1）相互易位（reciprocal translocation）,非同源染色体之间相互交换了染色体片断。,相互易位,一条染色体的片断转移到另一条染色体上。,（2）单向易位（simple translocation）,一条染色体的片断转移到同一条染色体的不同区域上。,（3）移位（shift translocation),发生于近端着丝粒染色体之间的特殊易位方式。,断点位于着丝粒附近，两条染色体的长臂粘接成一条较大的衍生染色体，短臂粘接成一条小染色体（往往丢失）。,（4）罗伯逊易位（Robertsonian translocation）,2.易位产生的原因,染色体断裂后交换重接。,3.易位的遗传学效应,（1）导致基因异常表达,慢性粒细胞白血病（CML）的费城染色体，是9和22号染色体易位后形成的小染色体。导致bcr-abl 基因融合。,甚至激活癌基因。,Ph染色体,Burkitts 淋巴瘤(lymphoma),Burkitts 淋巴瘤中8和14易位使c-myc 基因被置于抗体基因的增强子附近。,（2）假连锁现象,减数分裂联会时形成“十”字形配对。,分离时产生假连锁或缺失、重复。,同源染色体的两种分离方式,存活的正常和平衡易位配子中，1-4、2-3假连锁。,（异常配子死亡了）,易位,易位后的减数分裂,动画演示,3.易位的遗传学效应：(1).假连锁(Pseudolinkage)：由于相互易位，使得非同源染色体上的基因在形成配子时，不能自由组合，表现出类似于基因之间连锁的表型效应。实为易位后形成的不平横配子致死造成的。(2).与肿瘤的形成有关 如，Burkitt淋巴瘤，t(8;14)(q24;q32)易位，产生两类异常染色体8q-和14q+。其中8q24存在癌基因c-myc,而14q32存在IgH基因，相互易位使c-myc插入到IgH基因部位，并被激活，癌基因过量表达，导致肿瘤的发生。,3.花斑位置效应 位置效应(posotion effect)：倒位和易位引起基因的位置该变，并造成相应的表型改变的遗传学现象。如果蝇班驳色眼的位置效应。W-w位于X-chr上，XW与4-chr相互易位 4.农业选种 家蚕：雄蚕食量少、出丝率高。10-chr：w2w2 虫卵杏黄色；成虫眼白色 w3w3 虫卵淡黄色；成虫眼黑色 w3+虫卵紫黑色；成虫眼黑色 w2+虫卵紫黑色；成虫眼黑色+虫卵紫黑色；成虫眼黑色 w3位点缺失后与Z染色体融合，然后交配易于选种。,返回,X-chr,4-chr,相互易位,返回,(1),(2),配子,返回,AB,AB,F E D C,F E D C,O P Q R S,O P Q R S,NM,NM,FCNM,FA,SM,S FM A,FCNM,SOBA,SoBA,ABOS,MNCF,MNOS,ABCF,M N O P Q R S,F E D C B A,F E D C N M,A B C D E F,M N O P Q R S,A B O P Q R S,F E D C B A,A B O P Q R S,F E D C N M,A B O P Q R S,F E D C N M,S R Q P O N M,致死,致死,存活,配子,配子1,不育,不育,返回,配子2,配子3,配子4,亲本,亲本,（3）家族性染色体病,人类的14/21染色体罗伯逊易位型21三体。,21,21/14,Familial Down syndrome,形成易位型先天愚型,（4）易位与进化,易位是新物种起源的重要途径。,大熊猫的1号染色体可能是熊的2、3号染色体罗伯逊易位的产物；2号染色体可能是熊的1、9号易位；3号染色体可能是熊的6、16号易位。,大熊猫与熊染色体的比较,人（human）与黑猩猩（chimp）、大猩猩（gorilla）、猩猩（orangutan）的染色体比较：,第三节 染色体变异在进化中的意义,黑腹果蝇,