第六章 真核生物特殊的染色体制图技术 第一节 制图函数 一、制图函数的概念 为什么使用制图函数？ 1)、只有在两个基因座距离较近时，才可以使用以RF表示的图距。 2)、在中等距离时开始出现双交换，这时图距与RF已不成线性关系。 3)、距离更远时，两基因座之间会出现多重交换，这种非线性关系变得更加明显；呈现非连锁状态。 在第2、3种情况需寻找一个或多个标记（为发现双或多交换而寻找的居间基因）。实际操作起来很困难。 名词 制图函数(mapping function)：以重组率为自变量，图距为因变量所得到的函数。在这里只需要重组率一个变量，并不需要考虑两基因座之间是否存在双或多交换。 二、Haldane制图函数 Haldane(霍尔丹)推导的重组率校正函数： RF = (1 - e-2x) / 2 x代表交换率，e是自然底数。 公式表示重组率与图距的关系。图距的单位是1%交换率  说明： 1)．纵轴为重组率。横轴为图距，单位为μ=100x 2).平均交换次数越多，基因座之间的距离越远 3).从上图的实线可以看出，不论染色体上的两个基因座相距有多远，其RF值永不会大于50%。当x→∞时e-x→0，这时RF→50% 4).从上图的虚线可以看出，只有在μ值很小时的一个很小区间内，图距才与RF呈线性关系，斜率为1，重组率是加性的。这时的RF可直接用来作为图距 5).交换次数很多时（曲线较大区域），斜率小于1，重组率不再是加性的，RFac<RFab+RFbc。必须用制图函数加以校正 6).由RF = (1 - e-2x) / 2解出x， x = -ln (1 - 2RF ) / 2 由此得出： MD = -50 ln (1 – 2RF ) m.u. 不管基因座之间的远近，该公式都是适用的。 例 （1）已知RF = 27.5%，问基因座之间的图距是多少？ MD = -50 ln (1- 2RF) = -50 ln 0.45 = 40 m.u. 两基因座之间的距离是40 m.u.，若以RF为图距，则低估基因座之间的真实距离。 （2）已知RF = 4%，求图距。 MD = -50 ln (1- 0.08) = 4.2 m.u. 第二节 四分子分析 一、几个概念 粗糙链霉菌(Neurospora crassa)是遗传分析的好材料：  （1）个体小，生长快，易于培养，数量多。 （2）它的染色体结构和功能类似于高等动植物，且能进行有性生殖。 （3）是单倍体，没有显隐性的问题，基因型直接在表现型上反映出来。 （4）一次只分析一个减数分裂的产物，手续简便。一般的二倍体生物的合子是父母本两个不同减数分裂产生的孢子相互结合的产物，不易分析，测交的目的就是每次只研究一个减数分裂的产物，即配子的比例，但实验手续烦杂，而且有时还不易做到。 四分子分析(tetrad analysis）： 在真菌和单细胞藻类中，单一减数分裂的4个产物（子囊孢子）以特定的方式留在一起，称作四分子(tetrad)。对四分子进行遗传学分析称为四分子分析。 线性四分子(linear tetrad)：子囊孢子以线性方式排列的四分子。 链霉菌为线性四分子，这种线性四分子在遗传学分析上有好多好处： （1）初学者可以简单明了地算出分离比和计算重组率。 （2）子囊中子囊孢子的对称性可用以证明减数分裂是一个交互过程（reciprocal process）。 （3）可以把着丝粒作为一个座位（locus）计算某一基因与着丝粒之间的重组率。这就是着丝粒作图。 无序四分子(unordered tetrad)：子囊孢子无序排列的四分子。 八分子(actad)：减数分裂的四个产物又经一次有丝分裂所生成的八个产物。八分子是双倍的四分子，对它的分析与对四分子的分析是一样的。 二、着丝粒作图 名词 着丝粒制图(centromere mapping)：绘制基因座与着丝粒之间距离的连锁图。  制图原理：着丝粒与基因座之间出现与不出现交换所产生的八分子，其等位基因的构型不同，由此即可得出着丝粒与基因座间的重组率。 从野外采集来的面包霉能在简单的培养基上生长和繁殖，一般称之为野生型或原养型（prototroph）。 在实验室中得到的突变型菌株，一定要在培养基中添加某一营养物质才能生长，一般称之为营养缺陷型（auxotroph）。 例如：有一菌株一定要在培养基中添加赖氨酸才能生长，称之为赖氨酸依赖型（lysine dependent）。 把野生型记作Lys＋或＋，赖氨酸缺陷型记作Lys－或－。 Lys＋成熟后子囊孢子是黑色的，Lys－是灰色的。Lys＋与Lys－杂交，所得到的子囊中的孢子，4个是黑色的(+)，4个是灰色的(-)。8个子囊孢子可有六个不同的排列方式（子囊型）： 非交换型： (1) ＋＋＋＋———— (2) ————＋＋＋＋ 交换型： (3) ＋＋——＋＋——（(1)的2、3对交换） (4) ——＋＋——＋＋（(2)的2、3对交换） (5) ＋＋————＋＋（(1)的2、4对交换） (6) ——＋＋＋＋——（(2)的2、4对交换） 分析： (1)和(2)是怎样产生的呢？交换发生在着丝粒与lys＋/lys－座位以外。中期I时，带有lys＋的两条染色体移向一极，带有lys－的两条染色体移向另一极。这样，就lys＋/lys－这一对基因而言，在第一次分裂时就分离了，称为第一次分裂分离。中期II时，着丝粒分裂，每一个染色单体相互分开，两个lys＋孢子排列在一起，两个lys－孢子排列在一起，再经过一次有丝分裂，形成＋＋＋＋————或————＋＋＋＋两种排列方式，着丝粒和基因lys＋/lys－之间未发生过交换，所以称为非交换型。 (3)~(6)的形成，交换发生在着丝粒与基因lys＋/lys－之间。中期I时，分配到每一子核的两条染色单体都是一个带有lys＋，一个带有lys－，所以第一次分裂没有出现分离现象。中期II时，才发生分离，所以称为第二次分裂分离。再经过一次有丝分裂形成4个孢子时，排列顺序是＋＋——＋＋——或——＋＋——＋＋。这种情况是由于lys＋/lys－与着丝粒之间发生了一次交换造成的，所以(3)~(6)是交换型。 在(3)~(6)的4种子囊型中，其实只有两对孢子交换了位置，其余两对孢子维持原位。在(3)中，第二对与第三对交换了位置，第一对与第四对维持原位。也就是说，每发生一次交换，一个子囊中有半数孢子发生重组。所以，着丝粒与基因间的重组率为： 交换型子囊数 重组率＝—————————————×1/2×100％ 交换型子囊数+非交换型子囊数 例 检查了300个子囊，其孢子的构型如下： 八分子 A a A a A a   A a A a A a   A a a A a A   A a a A a A   a A A a a A   a A A a a A   a A a A A a   a A a A A a  和 126 132 9 11 10 12  前两种为非交换型，其频率几近相等，因而A/a与着丝粒之间有(126+132)/300=86%无交换。其余的42个或14%为交换型，即A/a与着丝粒之间有14%的交换。 14%是减数分裂出现交换的细胞百分数，而不是重组染色体百分数。重组百分数是交换细胞百分数的一半，因此图距为： MD = 14/2 = 7 m.u. 三、无序四分子分析 酵母子囊孢子的排列是无序的，不能用上述方法分析。例如，两个基因a和b，以 a b × + + 可以得到以下三种子囊型： 孢子 a b a + a b   a b a + a +   + + + b + b   + + + b + +   亲本二型 非亲二型 四型   (parental ditype) (nonparental ditype) (tetratype)   PD NPD T  记住！这些子囊是无序的，虽然第一列可以看成两基因座的非交换型，但实际上不是！孢子可以用任何序列写出。这些子囊只是根据它们包含两种基因型(ditype)，还是四种基因型(tetratype)以及二型中有无亲本组合而分为三类：亲本二型，非亲二型和四型。 对于连锁的两个基因座a和b，它们之间可能存在以下三种情况： 1、a、b间无交换 (no crossovers, NCO)。 2、一次单交换 (a single crossover, SCO)。 3、存在双交换 (double crossover, DCO)。 当然，三次或多次交换也可能出现，但是太少了，可以忽略。下面以图示以上三种情况。  从上图可以求出在a、b基因座之间的单交换和双交换数。 1、NPD只存在于双交换中，NPD的期望频率是DCO/4，所以双交换频率为DCO=4NPD 2、在双交换中四型频率T1=2NPD，在单交换中只有四型T2=SCO，四型总频率为T= T1+T2=2NPD +SCO，所以SCO=T–2NPD 3、NCO = 1 – (SCO+DCO) 4、平均交换率是单交换率和双交换率的加权平均数 μ = SCO + 2DCO = (T-2NPD) + 2(4NPD) = T + 6NPD 5、MD = 50 μ = 50 (T+6NPD) 例 在a b × + +杂交中，各类子囊的频率为：56% PD，41%T和3%NPD。求基因座之间的图距。 MD = 50 [0.41 + (6 × 0.03)] = 50 × 0.59 = 29.5 m.u. 重组率的计算：因NPD子囊全都是重组孢子，T子囊一半是重组孢子，所以 RF = T/2 + NPD = 0.205 + 0.03 = 0.235 MD = 23.5 m.u. 用RF估计图距，低估了6 m.u.。这是由于RF无法校正双交换所致。只有在基因座距离较小时方可用RF作为图距。 用制图函数求图距：把重组率代入制图函数中，求出图距。 MD = -50 ln(1-2RF) = -50×ln0.53 = -50 ×0.635 = 31.74 m.u. 该结果大于29.5，原因是用制图函数求图距时，考虑了多重交换，使其结果向上偏离。 四、线性四分子分析和无序四分子分析结合使用 1、无序四分子分析可精确度量基因座之间的距离。 2、线性四分子分析可做着丝粒制图，也可忽略子囊孢子的排列顺序，按无序四分子分析计算基因座之间的距离。 3、当按无序四分子分析计算基因座之间距离时，要考虑以下三种可能性： (1) 基因座分别在不同染色体上。 (2) 基因座位于同一条染色体的着丝粒两侧。 (3) 基因座位于同一条染色体的着丝粒同侧。 其中(1)和(2)对于两个基因座来说全都是独立的交换型。而在(3)中，着丝粒与近侧基因座之间出现交换，将在同一子囊中出现两个基因座的交换型，由此可以判断基因座之间的连锁关系。 4、在着丝粒制图时，若基因座与着丝粒之间距离较大，也需要用平均交换次数μ校正期间可能出现的双交换或多交换。