第三章 遗传的染色体理论及性连锁遗传 第一节 染色体的形态 是细胞核最重要的组成部分。  着丝点： 在光学显微镜下，每个染色体都有一个着丝点，细胞分裂过程中，着丝点对染色体向两极移动具有决定性的作用。若染色体由于某种原因发生断裂，势必成为两段，一段有着丝点：有着丝点的片段可以正常地移向两极，另一端没有着丝点：无着丝点的片段则不能正常地移向两极，常常会丢失在细胞质中 着丝点将染色体分为两个臂(arm)。用碱性染料对染色体进行染色，当两个臂被染色时，着丝点不着色，在光镜下，好象染色体在此区域是中断的。于是又称着丝点区域为主缢痕(primary constriction)。 次缢痕和随体 有些染色体上除了主缢痕区之外，还有一个不着色或着色很淡的区域，通常位于短臂上，称为次缢痕(secondary constriction)。次缢痕的外侧还有一部分染色体，这一部分可大可小，有时其直径与该染色体相同，有时较小，称为随体(satellite)。次缢痕的位置和随体的大小，在一个物种内是相对固定的，这些也是识别特定染色体的重要的形态标志。 有的物种则有两对或两对以上的染色体带有次缢痕和随体。 次缢痕与核仁的形成有关。 带有随体的染色体称为随体染色体(satellite chromosome)。 着丝点的位置决定染色体的形态，将染色体分为两个臂。 臂比(arm ratio)：染色体的长臂与短臂的长度之比，长臂/短臂 表 染色体形状与臂比 染色体名称 臂比 中期 后期  中部着丝粒染色体(metacentric chr.) ≈1 X字形 V字形  近中着丝粒染色体(submetacentric chr.) 1～1.7 似X L字形  近端着丝粒染色体(acrocentric chr.) 1.7～3.0 似X 棒状  端部着丝粒染色体(telocentric chr.) >3.0 倒V 棒状或点    第二节 有丝分裂和减数分裂   有丝分裂中期 后期 有丝分裂(mitosis)的遗传学意义： 从遗传学的观点看，有丝分裂的重要意义就在于其分裂产物都是相同的，它们精确地含有和亲代细胞核完全相同的遗传物质。这种均亲分裂的方式，是遗传物质在同一世代内稳定存在和传递的根本保证。 减数分裂(meiosis)发生在特殊器官、特殊时期的特殊的有丝分裂，使细胞内的染色体数目减半，所以称为减数分裂。 它包括连续的两次分裂，第二次分裂与一般的有丝分裂基本相似，第一次分裂与有丝分裂相比有明显的区别。  减数分裂的遗传学意义： 减数分裂使染色体数减半，使最终形成的雌雄配子的染色体数目只有体细胞的一半(n)。这样雌雄配子受精结合为合子时，其染色体数目又恢复为2n，从而保证了亲子代间染色体数目的恒定性，保证了物种的相对稳定性。 第三节 性染色体和性连锁 一、性别决定系统 体细胞染色体数：2n 性细胞染色体数：n，但其中一条染色体与其相对的配子的同源染色体只有很短的一段区域是同源的，与性别决定有关，这条染色体称性染色体(sex chromosome)。其它的染色体称常染色体(autosome)。 三个不同的性染色体系统分别为XX-XO、XX-XY、ZZ-ZW。具有两个相同性染色体的性别叫同配性别，带有不同性染色体的称异配性别。 1、X-Y系统： 所有哺乳动物（包括人类），某些昆虫、鱼类、两栖类属于该系统。 雌性为XX，雄性为XY。在这类型中，Y染色体起决定作用，不论X有几条，只要有一条Y就发育成雄性。 人类男性是由Y染色体的存在与否决定的，不论有几个X染色体只要有Y染色体便是男性。 果蝇是由X染色体的数目决定的，一个X染色体的是雄性，两个是雌性。如XXY在人类是男性而果蝇则是雌性。 人类性别畸形： (1) XXY个体：男性外貌，但睾丸不全、女性乳房、智能差、无生育能力。2n=47，多一条X，性染色体组成为XXY  (2) XO个体：女性外貌，但第二性症不良、智能差、无生育能力。2n=45，少一条X，性染色体组成为XO  (3) XYY个体：男性外貌，有生育能力，但智能稍差、具反社会行为（未定论）。2n=47，多一条Y，性染色体组成为XYY 2、Z-W系统： 某些鸟类、两栖类及一些昆虫。如家蚕。 刚好与X-Y系统相反，ZZ为雄性，ZW为雌性。 3、X-O系统： 某些昆虫，如蝗虫，没有异型性染色体，由其性染色体数来决定性别。 XX为雌性(2n=24)，XO为雄性(2n=23，少一条染色体)。 4、配对区段和差别区段：性染色体可分为配对区段和差别区段。配对区段是同源的，差别区段上的基因在两条染色体之间是不同的。人类的性比与此有关： 第一性比：胎儿，男：女=120：100，含Y染色体的精子比X更活跃； 第二性比：婴儿，男：女=103~105：100，低于胎儿，可能是含Y染色体的胚胎比X弱； 第三性比：青年，男：女=1：1； 85岁老人=62：100； 可能是2条X染色体的女性生命力强于仅一条X染色体的男性。 半合子(hemi-zygous)：差别区段上的基因只存在于一条染色体上，并不成对出现，这些基因称为半合子。如X-Y系统的雄性即为半合子。若隐性基因在不配对区，没有对应的显性等位基因存在，则表现致病特征。 携带者(carrier)：同源染色体对的一条染色体上携带致病基因，但不表现的个体。 二、人类的伴性遗传 名词 伴性遗传(sex-linked inheritance)：性染色体上的基因所表现出的遗传模式。又称性连锁(sex linkage)。遗传特点是由性染色体遗传规律所决定。分： X连锁(X-linkage)：X染色体差别区段上的基因所表现出的遗传模式称为X连锁。由于X染色体异源区段大，占有的基因多，X-连锁为主要的形式，已发现X-隐性遗传病2000多种。特点：①正反交结果不同；②后代性状分别与性别有关；③呈绞花式遗传(crisscross heritance)，即有害基因常常由母亲传给儿子、再由儿子传孙女。因为女性有2条X，其中一条携带致病基因，由于是隐性而不表达(携带者)；男性只有1条X，没有对应的显性等位基因而被表达(半合子)。 Y连锁(Y-linkage)：Y染色体差别区段上的基因所表现出的遗传模式称为Y连锁。Y染色体上基因很少，而X上又没有相应的等位基因，因此在X-Y系统的雄性中，不论是显性基因还是隐性基因都可得到表现。 X和Y连锁(X-andY-linkage)：性染色体配对区段上的基因所表现出的遗传模式。 同配性别(homogametic sex)：只有一种性染色体的性别，如XX♀或ZZ♂。 异配性别(heterogametic sex)：具有两种不同性染色体的性别，如XY♂或ZW♀。 1．X连锁遗传 如：A型血友病——轻微损伤，出血不止 色盲——不能分辨红色或绿色 系谱特点： (1) 男性受累者比率高于女性。 (2) 男性受累者的子女都正常，所以代与代间不连续。 (3) 男性受累者的女儿全部是携带者；女性携带者的半数儿子是受累者。 (4) 男性受累者的儿子不再传递该基因；女性携带者的半数女儿是携带者。 解释： 血友病基因在X染色体上，为隐性遗传，即X连锁隐性遗传 XA：显性 Xa：隐性 表现病症者基因型：XaY、XaXa（该基因型少） 携带者基因型：XAXa 健康者基因型：XAY、XAXA 2、Y连锁遗传 如人的毛耳(hairy ears)—成年男性的耳道上长出丛生硬毛，长2~3 cm。 仅由父亲传儿、不传女。  3、X和Y连锁遗传 由于同源区段存在交换重组的可能，所以也称不完全性连锁。发现唯一例子：果蝇截刚毛现象(bobbed)——刚毛变短。 第四节 染色体学说 内容： 在配子产生过程中，Mendel定律的行为和减数分裂中染色体行为具平行关系。 发现者： Walter Sutton (一名美国大学生)和Theodor Boveri (德国生物学家) 解释： 1) 基因是成对的，染色体也是成对的。 2) 一对基因的两个成员均等地分配到配子中，一对同源染色体亦然。 3) 不同对基因的行为是独立的，不同对染色体也如此。 结论： 基因位于染色体上。 一、证明Sutton-Boveri理论的初期实验 时代背景： 1、在当时还不能发现间期染色体，人们对染色体的连续性置怀疑态度。 2、一些物种的染色体看上去很相似，怎样证明它们一定是有序配对的，而不是随机配对的。 这些问题多年后才得到解决，此前已经有了以下的初步研究。 实验一：1913年Elinor Carothers发现在蚱蜢睾丸组织中有两条形态不同的染色体（性染色体），她称为异态对，并发现另一条无配对对象的单独染色体（三体中的一条）。她统计在细胞分裂后期，单独染色体伴随异态对中的每一条染色体进入同一极的频数，结果发现两种模式的频率相同，初步证明了非同源染色体的独立分配。 实验二：曼陀罗有12对染色体，1922年Alfred Blakeslee发现了曼陀罗的12个品系，每一品系都有12对正常染色体，但各附加12对染色体中的一条（12种三体）。它们的表型有明显的不同。如果非同源染色体功能上没有差异的话，不会有这样的结果。由此证明非同源染色体形态虽然相似，但它们有质上的差异，非同源染色体不会随机配对。 上述实验初步证明染色体行为与基因行为的平行关系。 二、性连锁的发现 研究一：1906年L. Doncaster和G. H. Raynor以一种蛾子为材料做了以下杂交： P 浅翅♀×深翅♂ 深翅♀×浅翅♂ F1 深翅♀♂ 浅翅♀ 深翅♂ 名词 交叉遗传(criss-cross inheritance)：父亲的性状传给女儿，母亲的性状传给儿子的遗传现象。 研究二：William Bateson研究家鸡羽毛颜色。 P 非芦花♀×芦花♂ 芦花♀×非芦花♂ F1 芦花♀♂ 非芦花♀ 芦花♂ 研究三：Thomas Hunt Morgan从1909年开始以黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)为材料进行遗传学研究。黑腹果蝇正常眼色是浅红的，他发现了白色眼睛的雄性果蝇，他以红色眼睛的雌性与白色眼睛的雄性做了以下杂交： P 红♀×白♂ F1 红♀♂ 1237只 F1自交 F2 3470只红 782只白♂ 3:1 2459只红♀ 1011只红♂ 2:1 问题：隐性的白只在雄蝇中出现，雌蝇都为红眼！ Mendel分离不能解释。 F2自交，F3一种结果如F1，另一种结果如下 红♀×白♂ F3 红♂：红♀：白♂：白♀ 1 ： 1 ： 1 ： 1 用F3中的白♀与红♂杂交，可见到交叉遗传 白♀× 红♂ 红♀ 白♂ 实验三与前两个实验的不同点是：前两者是当雄亲为隐性纯合子时出现交叉遗传；而果蝇是当雌亲为隐性纯合子时出现交叉遗传。 研究四：1905年Nettie Stevens发现在一种甲虫中雄性中有一对异态染色体对，其中一条与雌性中的一对染色体形态类似，而另一条在雌性中从未见到过，她在黑腹果蝇中见到过类似现象。她将类似于雌性一对染色体的那一条称为X染色体，另一条称为Y染色体。 Morgan对上述现象的解释： 1、X和Y染色体决定了果蝇性别：雌果蝇除三对常染色体外，还有一对X染色体，卵细胞中都是X染色体；雄性中除含一条X染色体外还有一条Y染色体，减数分裂的结果产生两类精子，一类X精子，一类Y精子。 2、关于眼睛颜色：他假设决定眼睛颜色的基因位于X染色体上，Y染色体上无该基因，以W代表红眼（显性），w代表白眼（隐性），分别记为XW和Xw。 P XWXW(红♀) × XwY(白♂) 配子 XW 1/2 Xw + 1/2 Y F1 1/2 XWXw(红♀) 1/2 XW Y(红♂) F1自交  红♂配子    1/2 XW 1/2 Y  红♀配子 1/2 XW 1/4 XW XW (红♀) 1/4 XW Y (红♂)   1/2 Xw 1/4 XW Xw (红♀) 1/4 Xw Y (白♂)   以上表中的 XW Xw(红♀)× Xw Y(白♂)  白♂配子    1/2 Xw 1/2 Y  红♀配子 1/2 XW 1/4 XW Xw (红♀) 1/4 XW Y (红♂)   1/2 Xw 1/4 Xw Xw (白♀) 1/4 Xw Y (白♂)   以上表中的 Xw Xw(白♀)× XW Y(红♂) 1/2 XW Xw(红♀) ：1/2 Xw Y(白♂) 在这里又可见到交叉遗传。 Richard Goldschmidt对蛾子和鸡的解释： 他认为原理与果蝇类似，不同点是雌性有一异态对，为了与果蝇相区别，Morgan建议这里的异态对记为W-Z，雄性为ZZ，雌性为WZ。 从上述的正反交和交叉遗传现象的解释，证明染色体上的基因与染色体减数分裂行为完全一致。 三、关于遗传符号的一些说明 名词 野生型(wild type)等位基因：在自然群体中出现频率最高的或在标准品系中发现的等位基因。 遗传多态现象(genetic polymorphism)：同一物种在染色体的同一座位上存在两个以上等位基因的现象。 系统I 1、一个基因符号的选定是由所发现的第一个非野生型等位基因所提供的。如白眼果蝇为非野生型，以w (white) 记为白眼等位基因，其野生型等位基因记为w+。 2、在遗传多态情况下，几个等位基因全都可能在自然状态下存在，都是野生型，这时需以适当的上标加以区分。如果蝇的乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase)基因被记为AdhF和AdhS（上标F和S分别代表该酶在电泳时移动速度的快和慢）。 3、非野生型等位基因为隐性时，使用小写字母。如上述白眼；若为显性时，使用大写字母。如卷翅(curly)以Cy表示，而野生型记为Cy+。 4、特点：野生型等位基因被认为是正常功能状态，研究遗传的生物学过程，多采用这一系统。 系统II Mendel所使用的符号系统(A和a或B和b等)，不强调基因功能的正常性，该系统广泛应用于动、植物育种中。 四、染色体理论的最终证明 由Morgan的学生Calvin Bridges完成，他的实验如下： XwXw × Xw+Y (白♀) (红♂) Xw Xw+ Xw Y (红♀) (白♂) 红眼不育♂ 白♀×Xw+Y 正常的 (偏父的) (偏母的) (红♂) 初级例外(约1/2000) （非交叉遗传） 红♀ 白♂ 红眼可育♂ 白♀ 正常的约96% (偏父的) (偏母的) 次级例外 约4% Bridges对上述结果的解释： 名词 减数分裂不分离(nondisjunction)：在第一次或第二次减数分裂后期同源染色体没有正常分离而移向同一极。 1、由于雌性减数分裂不分离，产生双X和无X染色体的卵，异常的卵与Xw+、Y精子结合，生成以下合子： XwXwXw+ XwXwY Xw+O OY 致死 白♀ 红♂，不育 致死 产生初级例外结果 在这里，Bridges假设果蝇性别不是由Y染色体存在与否决定，而是由X染色体数目决定，缺乏Y染色体的个体不育。这一假设已被后来的研究所证实。 2、在第二次杂交中，XwXwY雌性第一次减数分裂时，以下述方式分离： 在这里Bridges根据后代出现比率，假设两条X染色体配对的占84%，X-Y配对的占16%。上述方式产生的卵与Xw+、Y精子结合结果如下：   精 子      Xw+ 50% Y 50%   卵 X-Y 配 对 XwXw Xw+XwXw 2% XwXwY 2% 次级例外4%，致死4%    4% 致死  白♀      Y Xw+Y 2% YY 2%     4% 红♂可育  致死               Xw Xw+Xw 2% XwY 2% 正常后代92%    4% 红♀  白♂      XwY Xw+XwY 2% XwYY 2%     4% 红♀  白♂     X-X 配 对 XwY Xw+XwY 21% XwYY 21%     42% 红♀  白♂      Xw Xw+Xw 21% XwY 21%     42% 红♀  白♂    以上所述全部是由Bridges所做的推理，经细胞学研究全都得到证实。 Bridges通过减数分裂不分离，证实了w和w+位于X染色体上的假设，这些确凿的证据提供了基因位于染色体上的最终证明。