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1、第五章 连锁遗传分析与染色体作图Genetic Linkage and Chromosomal Mapping基本概念在减数分裂时同源染色体之间的交换导致了遗传重组的发生。一个交叉就是交换的位点。遗传重组的证据是在减数分裂中发现交换时细胞学标记发生重组，遗传学标记也发生重组。交换是一个交互事件，发生在减数分裂前期 I 染色体形成二价体的阶段。重组是交换的结果，但交换并不一定引起重组，如两标记间发生偶数次重组，标记并不发生重组。两个染色体之间发生一次交叉可以阻止相邻位置第二次交叉的发生，这个现象称为交叉干涉。5.1 基因连锁的发现1905年,W.Bateson和R.C.Punnet研究了香豌豆两
2、对性状的遗传。一对是花的颜色,紫花对红花为显性，一对是花粉形状，长形对圆形为显性。紫长PPLL 红圆ppll紫长PpLl 紫长 紫圆 红长 红圆 P_L_ P_ll ppL_ ppll观察数 284 21 21 55按孟德尔理论数 215 71 71 24花色和花粉形状分离比符合3:1，表明都是由单基因控制的，但不符合两对因子的分离比9:3:3:1紫圆PPll 红长ppLL紫长PpLl 紫长 紫圆 红长 红圆 P_L_ P_ll ppL_ ppll 观察数 226 95 97 1按孟德尔理论数 235.8 78.5 78.5 26.2结果和前次的相近，仍不符合孟德尔定律，亲本组合比理论数多，重
3、组组合比理论数少。Punnet 认为似乎两对基因在杂交子代中的组合并不是随机的，而是原来属于同一亲本的两个基因更倾向于进入同一配子，此叫做相引(coupling)，原来属于不同亲本的两个基因之间在形成配子时相互排斥，称为相斥(repulsion)。当两个非等位基因a和b处在一个染色体上，而在其同源染色体上带有野生型A、B时，这些基因被称为处于相引相(coupling phase)(AB/ab)；若每个同源染色体上各有一个突变基因和一个野生型基因，则称为相斥相(repulsion phase)(Ab/aB)。1910年,Morgan和Bridges用果蝇进行了大量的杂交实验，提出了连锁交换定律，
4、被后人誉为遗传的第三定律。红长 紫残 PPVV ppvv红长PpVv 紫残 ppvv红长 紫残 红残 紫长PpVv ppvv Ppvv ppVv 1339 1195 151 154 果蝇红眼对紫眼为显性，长翅对残翅为显性红残 紫长 PPVV ppvv红长PpVv 紫残 ppvv红长 紫残 红残 紫长PpVv ppvv Ppvv ppVv 157 146 965 1067 结果同Bateson等一样，都是亲本组合多于理论数，重组组合少于理论数，存在相引和相斥的现象。pvpvPPVVPpvPV配子PVpvF1两对位于同一染色体上等位基因的简单遗传pvPVPVpvpPvV减数分裂中染色体的交换亲代染
5、色体 减数分裂 交换的染色体 染色体交换连锁交换规律处在同一染色体的两个或两个以上的基因遗传时，联合在一起的频率大于重新组合的频率。重组类型的产生是由于配子形成过程中，同源染色体的非姐妹染色单体间发生了局部交换的结果。连锁和交换的重组称为染色体内重组(intra-chromosomal recombination)，因染色体自由组合而产生的重组称为染色体间重组(inter-chromosomal recombination)。5.2 基因重组与染色体交换的证实1931年,McClintock和她的女博士生B.Creighton以玉米为材料进行了一项试验，为染色体交换导致遗传重组提供了第一个有力
6、的证据。Barbara Mcclintock(1902-92)Harriet B.Creighton(1909-)9号染色体，色素基因C有色对c无色，非糯Wx对糯wxcWxCwx纽结(knob)来自第8号染色体的附加片段减数分裂配 子cWxcwxCwxCWxcWxCwxcWxcwxcWxcwxCwxCWxcWxcWxcWxcwxcwxcWxcwxcwxCWxcWxcwxCWxCwxcWxCwxcwxcWxcwx有色非糯在B.Creighton和McClintock的结果发表没几周，C.Stern又发表了果蝇实验的证据。Curt Stern(1902-81)减数分裂配 子c+C+Y染色体的易位片
7、段缺失的片段cBC+CBcB果蝇X染色体，c为隐性突变，纯合体为粉红色，正常为红色，B为显性突变，表型为棒状眼。c+c+C+cBc+C+CBcBc+C+C+c+CBCBc+c+c+c+cBcB5.3 交换和重组值染色体内重组是交换的结果，但交换不一定导致重组。两基因间发生奇数次交换才导致重组。不能进行自由组合的基因群称为连锁群(linkage group)，排列在同一条染色体上及其同源染色体上的基因属于同一连锁群。一个二倍体生物的连锁群数应和其染色体对数相等。在少数的生物中如雄果蝇和雌家蚕都不发生重组，称为完全连锁。1922年英国的J.B.S.Haldane提出，凡较少发生交换的个体必定是异配
8、性别个体。基因间的距离越长，发生交换的机会越多，因此交换值(crossing-over value)的大小可以用来表示基因间距离的长短。但由于无法直接测定交换率，只有通过基因的重组率(recombination frequency)来估计交换频率。重组频率(RF)=重组型配子数目/(亲组型配子数目+重组型配子数目)。单位是图距单位m.u.(map unit)或厘摩(centimorgan,cM)。有时虽发生了交换(如双交换)，但没有导致重组，因此，重组值并不完全等于交换值,而是重组值交换值。在图距10以内曲线近似直线，重组率几乎等于交换率，可直接看作是图距。当图距大于10时，重组率总是小于交换
9、率，不能直接被看作为图距，必须加双交换的值予以校正。重组率最大值不可能超过50%。Haldane图谱函数,示交换值和真实图距的关系每次减数分裂产生的平均交换值 50 100 150 200相应的图距单位观察到的重组值RF(%)重组率测定玉米籽粒的糊粉层颜色基因C和饱满度基因Sh是连锁的。杂交亲本为相引相时，有如下结果：有色饱满 无色凹陷 CSh/CSh csh/csh 无色凹陷 csh/csh有色饱满 有色凹陷 无色饱满 无色凹陷 CSh/csh Csh/csh cSh/csh csh/csh 4032 149 152 4035有色饱满 CSh/csh重组型重组率RF=301/8368=3.6
10、%5.4 基因定位与染色体作图5.4.1 基因直线排列原理及相关概念q基因定位(gene mapping)：根据重组值确定不同基因在染色体上的相对位置和排列顺序的过程。q染色体图(chromosome map)：又称基因连锁图(linkage map)或遗传图(genetic map)。依据基因之间的交换值(或重组值)，确定连锁基因在染色体上的相对位置而绘制的一种简单线性示意图。q图距(map distance)：1%重组值(交换值)去掉其百分率的数值定义为一个图距单位(map unit,mu)，后人为了纪念现代遗传学的奠基人Morgan，将图距单位称为厘摩(centimorgan,cM)，1
11、cM=1%重组值去掉%的数值。q任何3个距离较近的a,b,c连锁基因，若已分别测得a,b和 b,c间的距离，那么a,c间的距离，就必然等于前二者距离的和或差。这就是摩尔根学生A.H.Sturtevant第一次提出的基因的直线排列原理。Alfred H.Sturtevant1891-1970在果蝇X染色体上，除白眼(w)、黄体(y)基因外，还有隐性的粗脉翅(bi)基因，经测交得知biw的交换值为5.3%(5.3cM)，wy的距离为1.1cM，那么biy的距离究竟是多少？从理论上推测，这取决于w、y、bi这三个基因在X染色体上的排列顺序，它们不外乎下列两种方式:(1)wybi或(2)ywbi。决定
12、哪一种是合理的排列就必须测定biy的交换值。测交的结果为5.5%(5.5cM)。这样经过3次两点测交(two-point testcross)，就可把第(2)种排列关系确定下来。5.4.2 三点测交(three-point testcross)与染色体作图为了进行基因定位，摩尔根和他的学生Sturtevant改进了上述两点测交，创造了三点测交方法，即将3个基因包括在同一次交配中。进行这种测交，一次实验就等于3次两点试验。已知在果蝇中棘眼(ec)、截翅(ct)和横脉缺失(cv)这3个隐性突变基因都是X连锁的。把棘眼、截翅个体与横脉缺失个体交配,得到3个基因的杂合体ec ct+/+cv(ec、ct
13、、cv的排列不代表它们在X染色体的真实顺序)，取其中3杂合体雌蝇再与3隐性体ec ct cv/Y雄蝇测交，测交后代如下表。序号表型实得数1ec ct+2125亲本型2+cv22073ec+cv273单交换I型4+ct+2655ec+217单交换II型6+ct cv2237+5双交换型8ec ct cv3合计5318ec ct+/+cv ec ct cv/Y测交后代数据结果分析1、归类2、确定正确的基因顺序 用双交换型与亲本类型相比较，发现改变了位置的那个基因一定是处于中央的位置，因为双交换的特点是旁侧基因的相对位置不变，仅中间的基因发生变动。于是可以断定这3 个基因正确排列顺序是ec cv c
14、t。亲本型ec ct +cv双交换型+ec ct cv3、计算重组值，确定图距(1)、计算ctcv的重组值 忽视表中第一列(ec/+)的存在，将它们放在括弧中，比较第二、三列：(ec)ct +2125非重组(+)+cv2207(ec)+cv273非重组(+)ct +265(ec)+217重组(+)ct cv223(+)+5重组(ec)ct cv3ctcv间重组率=(217+223+5+3)/5318=0.084=8.4%=8.4cM3、计算重组值，确定图距(2)、计算eccv的重组值 忽视表中第二列(ct/+)的存在，将它们放在括弧中，比较第一、三列：ec (ct)+2125非重组+(+)cv
15、2207ec (+)cv273重组+(ct)+265ec (+)+217非重组+(ct)cv223+(+)+5重组ec (ct)cv3eccv间重组率=(273+265+5+3)/5318=10.2%=10.2cM3、计算重组值，确定图距(3)、计算ecct的重组值 忽视表中第三列(+/cv)的存在，将它们放在括弧中，比较第一、二列：ec ct (+)2125非重组+(cv)2207ec +(cv)273重组+ct (+)265ec +(+)217重组+ct (cv)223+(+)5非重组ec ct (cv)3ecct间重组率=(273+265+217+223)/5318=18.4%=18.4
16、cM4、绘染色体图eccvct10.28.418.418.6在计算eccv和cvct的重组值时都利用了双交换值，可是计算ecct时没把它计在内，因为它们间双交换的结果并不出现重组。所以ecct之间的实际双交换值应当是重组值加2倍双交换值。即18.4%+20.1%=18.6%。当三点测交后代出现8种表型时,表明有双交换发生,此时需用2倍双交换值来作校正。若3个基因相距较近，往往不出现双交换类型,后代只有6种表型,无需校正。5、资料整理表型实得数比例重组发生在eccv cvct ecctec+ct212581.5%+cv+2207ec cv+27310.1%+ct265ec+2178.3%+cv
17、ct223+50.1%ec cv ct3总计5318110.2%8.4%18.4%亲本的基因型为：ec +ctec +ct+cv +ec +ct+cv +ec cv ct0.0 1.030.7 33.757.6ywvmrSturtevant在1913年绘制的第一张基因连锁图(果蝇X染色体)(括号内为现在较为精确的数据)y:黄体 w:白眼 v:辰砂眼 m:小翅 r:斜截翅(1.5)(33.0)(36.1)(54.5)染色体作图每个基因的位置是用从一组连锁基因的一端算起的图距来表示。一般以最左端的基因位置为0，其他基因的位置通过它与最邻近的基因间的重组率之和来确定。随着研究的进展，发现有新的基因在
18、更左端时，就把0点的位置让位给新的基因，其余的基因座作相应的移动。重组率在050%之间，但在遗传图上，可以出现50个单位以上的图距。因此要从图上数值得知基因间的重组率只限于邻近的基因座间。5.4.3 并发(coincidence)和干涉(interference)每发生一次单交换都会影响它邻近发生另一次单交换，这种现象称作干涉(interference，I)或染色体干涉。第一次交换发生后，引起邻近发生第二次交换机会降低的情况称为正干涉(positive interference)，引起增加的称为负干涉(negative interference)。观察到的双交换率与预期的双交换率的比值称做并发
19、系数(coefficient of coincidence，C)。一般用并发系数来表示干涉作用的大小。I=1CC=1，I=0，无干涉存在；C=0，I=1时，完全干涉；0C1，I0，存在干涉。上例中，双交换的预期频率是10.2%8.4%=0.86%，但观察到的实际双交换值为(5+3)/5318=0.15%，并发系数C=0.15%/0.86%=0.17。I=1C=0.83。染色单体干涉(chromotid interference)：是指两条同源染色体的4条染色单体参与多线交换机会的非随机性。如果有染色单体干涉的存在，可以使二线双交换、三线双交换和四线双交换发生的概率不呈1：2：1的比例。正的染色单体干涉提高四线双交换的频率，负的染色单体干涉则可提高二线双交换的频率。12342-3二线双交换1-4四线双交换1-3,2-4三线双交换