1、第九章 染色體畸變Chromosome Aberration基本概念染色體畸變指染色體的結構或數目發生了異常的變化。染色體畸變可能是自發的，也可通過化學物質或放射線處理而誘發；染色體結構變異包括缺失、重復、倒位、易位四類；一對同源染色體存在相同的結構改變稱結構純合體，若僅其中一條染色體結構發生改變叫結構雜合體；染色體數的改變分為兩類，一類是整倍體，另一類是非整倍體；整倍體是增加或減少整套的染色體，非整倍體是增加或減少一條或幾條染色體；6.1 斷裂愈合學說(breakage-reunion hypothesis)染色體斷裂愈合學說(breakage-reunion hypothesis)是由St

2、adler (1931,1932), Sax (1938, 1941), Muller (1932,1938,1954),Wolff(1961)及Evans(1962)相繼建立。該學說認為：斷裂是自發產生或者由誘變劑誘發，一般在原來的位置按原來的方向通過修復而重聚，此現象就稱為重建(restitution)。若經重建改變原來的結構則稱為非重建性愈合；若染色體斷裂后的片段(不含著絲點)丟失，留下游離的斷裂端，則稱為不愈合。6.2 染色體結構變異染色體結構變異可分為四種類型。缺失(deletion)：失去了部分染色體片段；重復(duplication)：增加部分染色體片段；倒位(inversion

3、)：染色體片段作180的顛倒再重接在染色體上；易位(translocation)：兩條非同源染色體之間發生部分片段的交換。一對同源染色體其中一條是正常的而另一條發生了結構變異，含有這類染色體的個體或細胞稱為結構雜合體(structural heterozygote)。若一對同源染色體產生了相同的結構變異，則稱為結構純合體(structural homozygote)。染色體結構變異能導致4種遺傳效應：染色體重排(chromosomal rearrangements)；核型的改變；形成新的連鎖群；減少或增加染色體上的遺傳物質。6.2.1 缺失(deletion) 6.2.1.1 缺失的類型 1)

4、、末端缺失(terminal deletion) 末端發生缺失。由于丟失了端粒，故一般很不穩定，常和其他染色體斷裂片段愈合形成雙著絲點染色體或易位；也可能自身首尾相連，形成環狀染色體。雙著絲點染色體在有絲分裂中都可形成斷裂融合橋(breakage fusion bridge)，由于分裂時橋的斷裂點不穩定，可造成新的重復和缺失。 2)、中間缺失(interstitial deletion) 染色體中部缺失了一個片段。這種缺失較為穩定，故較常見。ABCFDEGHNormalAFDEGHBCFDEGHInterstitialTerminal123123123環狀染色體自我連接斷裂-融合橋456125

5、4雙著絲點染色體12 645 3平衡易位123123132末端缺失中間缺失35 445312124 312351245缺失5重復5斷裂融合橋(breakage fusion bridge)6.2.1.2 缺失的細胞學和遺傳學效應1)、在減數分裂同源染色體配對時，缺失雜合體出現特征性的環狀結構缺失環(deletion loop)。2)、致死或出現異常。如人類的貓叫綜合癥(cat cry syndrome)是由于第5號染色體短臂缺失所致。12312377456deletion loopNormal chromotidsDeletion chromotids3)、假顯性(pesudo-dominan

6、ce) 如果缺失的部分包括某些顯性基因，那么同源染色體上與這一缺失相對位置上的隱性基因就得以表現，這一現象稱為假顯性。如果蠅的缺刻翅遺傳。 +Nw紅眼缺刻翅X+XN白眼正常翅XwY+w紅眼正常+紅眼正常wN白眼缺刻N死亡+ + + + + + +b+ + + + + + +a+ + + + + + +Recessive b phenotypeRecessive c phenotypeWild type6.2.1.3 缺失與進化 進化的趨勢是基因組C值的增加，而缺失減小C值，因此它在進化中沒有直接的作用。6.2.1.4 缺失的應用 作為一種研究手段用來探測某些調控元件和蛋白質的結合位點，如E.c

7、oli的復制起始區的分析等。 利用假顯性原理可以進行基因的缺失定位(deletion mapping)。6.2.2 重復(duplication)6.2.2.1 重復的類型1)、順接重復(tandem duplication) 重復片段與原有片段毗鄰且方向相同。2)、反接重復(reverse duplication) 重復片段與原有片段毗鄰但方向相反。3)、異位重復(displaced duplication) 重復片段位于染色體其它位置或其它染色體上。ABCFDEGHBCFADEGHBCCBFADEGHBCABCFDEGHBCNormalTandemReverseDisplacedABCFD

8、EGHBCAABCFDEGHBCAAFDEGHBCFADEGHBCOverlap of homologuesSimultaneous breakReunion of homologues6.2.2.2 重復的細胞學和遺傳學效應1)、染色體重復與正常染色體聯會時，在粗線期的染色體上會出現環狀突起。2)、位置效應(position effect) 一個基因隨著染色體畸變而改變它和鄰近基因的位置關系，從而改變了表型的現象稱位置效應?？赡苁请S位置的改變也改變了和5端調控元件的關系和距離，從而影響基因的表達。 按表型效應的穩定性可把位置效應分為兩類，一類叫穩定位置效應(stable position e

9、ffect)，又稱S型位置效應，如果蠅的棒眼遺傳。另一種位置效應是不穩定的，稱為花斑位置效應(variegated position effect)，也稱為V型位置效應，常由易位而引起。果蠅棒眼的遺傳果蠅的棒眼基因(Bar,B)位于X染色體上，對野生型的復眼呈不完全顯性，表型效應是減少復眼中的小眼數，使圓而大的復眼呈棒狀。棒眼是由于X染色體上一個小片段(16A1A6區段)的順接重復所造成。棒眼作為一個純系很不穩定，大約16002000個子代個體中，會出現一個野生型的正常復眼和一個眼睛更窄小的棒眼，名為“雙棒眼”。正常復眼由約800個小眼組成，棒眼約有70個小眼，而雙棒眼只有45個小眼。 Stu

10、rtevant 通過實驗,認為棒眼轉變的現象，是由于同源染色體發生了不等交換(unequal crossover)。Bar+BarffuCrossover pointDoublebar+fWild-type+fuWild-typeHeterozygous Bar Homozygous BarHeterozygousDoublebarB+ / B+B / B+B / BBB / B+800 facets350 facets70 facets45 facets 3)、劑量效應(dosage effect) 如在細胞或個體中既有重復又有缺失，總的基因組平衡的話，除染色體重排引起的效應外，個體表型是正

11、常的。但若總量因重復而增加，那么某些基因及其產物的劑量也隨之增加，如這些基因或產物十分重要的話必然會引起表型異常。6.2.2.3 重復與進化 重復增加基因組含量和新基因，是進化的一種重要途徑。6.2.1.4 重復的應用 通過重復可以研究位置效應。在細胞學研究中可以通過重復來給某一染色體進行標記。 在育種中可用來固定雜種優勢。對A/a來說因A，a會分離，但如通過不等交換獲得了順式，就不會分離而可固定雜種優勢。6.2.3 倒位(inversion)6.2.2.1 倒位的類型1)、臂內倒位(paracentric inversion) 倒位片段不含著絲粒。2)、臂間倒位(pericentric in

12、version) 倒位片段含著絲粒。ABCFDEGABCFDEGABCFDEGParacentricABCFDEGABCFDEGACBFEDGPericentric6.2.3.2 倒位的細胞學和遺傳學效應1)、產生倒位環(inversion loop)。ABCFDEGABCFDEGParacentricADFGADFGBCBCEEPericentricSingle inversionMultiple inversion2)、抑制倒位區內的重組，形成假連鎖。不論是臂間倒位還是臂內倒位，由于倒位環內非姐妹染色單體間發生單交換，而交換的產物都帶有缺失或重復，不能形成有功能的配子，因而好象被抑制了，或

13、相當程度地減少雜合子中的重組。這種現象稱為交換抑制因子(crossover repressor,C)。據Schultz和Redfield(1951)在果蠅中的研究發現，一對染色體的雜合倒位，能增加同一染色體組中的非倒位片段的交換發生。這種現象稱為Schultz-Redfield效應。3)、倒位雜合體育性降低，表現部分不育。ParacentricParacentricPericentric6.2.3.3 倒位的應用1)、ClB技術 是摩爾根學生Muller在20世紀20年代利用果蠅建立的一套檢測基因隱性突變和致死突變的技術。 C表示交換(crossover)，Muller選擇了X染色體上存在倒位

14、的果蠅，目的是抑制交換。 l 指致死基因(lethal)，即在倒位的X染色體上帶有一個隱性致死基因。 B指棒眼(Bar)基因，為顯性突變。Herman J.Muller(1890-1967)C l B+ + +C l B死 亡+ + +野 生 型C l B棒 眼？+ + +非 棒 眼？C l B死 亡？+ + +非 棒 眼？可顯現隱性突變和致死突變C l B+ + +棒 眼可供下次檢測用選擇雄雄果蠅作為待測對象是因為： 一只雄果蠅可和多只雌蠅交配，這樣篩選突變的樣本增加了。 雄果蠅是完全連鎖的，不會發生交換。用ClB雌果蠅有以下的優點： 用C可抑制交換，使得結果明確，不受重組的干擾。 B作為一

15、種標記易區分兩類雌蠅，可將ClB品系分離出來。 使一半無待測X染色體的雄蠅致死。2)、平衡致死品系(balanced lethal system) 這是利用倒位的交換抑制效應，為了同時保存兩個致死基因而設計建立的果蠅品系。 保存一個隱性基因必須使之處于純合狀態,因只有純合體才能真實遺傳。但致死基因不能以純合保存,因純合體是致死的,只能以雜合體狀態保存。 Muller提出可用另一個致死基因來“平衡”。其先決條件是,兩個致死基因緊密連鎖,極不易發生交換,或是利用倒位抑制交換,使兩個非等位的隱性致死基因永遠處于一對同源染色體的不同成員上。展 翅D + + +粘膠眼 + Gl + +展 翅D + +

16、+展翅粘膠眼D + Gl野生型+ + + +粘膠眼 + + + Gl平衡致死系的形成死 亡D +D +展翅粘膠眼D + Gl永久雜種并非真實不分離，但可真實遺傳展翅粘膠眼D + Gl展翅粘膠眼D + Gl+ Gl + Gl死 亡展翅粘膠眼D + Gl6.2.4 易位(translocation)6.2.4.1 易位的類型1)、相互易位(reciprocal translocation) 非同源染色體之間相互置換了一段染色體片段。2)、插入易位(interstitial translocation) 一條染色體片斷插入到非同源染色體區段之中。3)、羅伯遜式易位(Robertsonian tran

17、slocation) 也稱著絲粒融合或整臂融合。由兩個非同源的端著絲粒染色體的長臂相互重接成一條長的中央著絲粒染色體；短臂相互連接成交互的產物，常在細胞分裂中丟失。ABCFDEMNQOPAFDEMNQOPBCInterstitial translocationABCFDEMNQOPABCQOPMNFDEReciprocal translocationRobertsonian translocation6.2.4.2 易位的細胞學效應 相互易位雜合體在Metaphase I 由于同源部分的緊密配對而出現特征性的十字形圖像。 隨著分裂的進行，十字形圖像逐漸開放形成一個環形或雙環狀的“8”字形。 到

18、Anaphase I ，染色體表現出不同的分離方式：相鄰分離1(adjacent segregation-1)相鄰分離2(adjacent segregation-2)交互分離 (alternate segregation)減數分裂中期 I 的相互易位雜合體ABCFDEMNQOPFEDABCOQPMN1234相互易位雜合體在減數分裂后期 I 的三種分離方式Alternate Adjacent-1Adjacent-21 34 213241342143212341324Alternate 產生的配子是正常的和平衡易位的，可存活Adjacent-1,2 產生的配子都有缺失和重復，是不可育的6.2.4

19、.3 易位的遺傳學效應1)、假連鎖現象(pesudolinkage) 非同源染色體上的基因在形成配子時相互不能自由組合的現象稱為假連鎖。由于只有交互分離的產物可育，鄰近分離的產物不可育，這樣自由組合的類型就不會出現在后代中。2)、花斑型位置效應(variegated position effect) 指由于位于常染色質區的基因經易位而移到異染色質區或其附近，引起這一基因的異染色質化，使其作用受到抑制，表現出不穩定的表型效應。如果蠅的紅眼基因W+易位。bwbwee褐眼黑檀體+表型:野生型2332bwbwee+bwe2/23/3/32易位雜合體bwbwee褐眼黑檀體+bw+e野生型+bwee致死:

20、2缺失,3重復+ebwbw致死:3缺失,2重復果蠅假連鎖現象當果蠅X染色體上的紅眼基因W+易位到異染色質區時會出現紅白相間的復眼3)、基因重排導致癌基因(oncogene)的活化產生腫瘤4)、異位可導致人類家族性染色體異常6.2.4.4 易位、倒位與進化 易位和倒位與進化較為密切，它們是引起爆發式新種起源的重要途徑。6.2.4.4 易位的應用 用于動、植物育種。 利用易位控制蟲害：方法是以適當劑量的放射線照射雄蟲，導致易位，使其后代約50%不能孵化，出現半不育。6.3 染色體數目的改變一套基本的染色體數目稱為一倍體數(x)。帶有多個一倍體染色體數的生物稱為整倍體(euploid)。整倍體可分為

21、一倍體、二倍體、多倍體。單倍體數(n)是指配子中所含的染色體數。大部分動、植物的單倍體數一倍體數是相同的。n和x可以交替使用。但在某些植物如小麥其n和x的意義是不同的。少數二倍體生物增加或減少了一條或幾條完整的染色體，而不發生整套染色體的增減，稱為非整倍體(aneuploid)。6.3.1 整倍體(euploid)6.3.1.1 二倍體和單倍體大多數真核生物是二倍體(diploid)。單倍體(haploid)含有配子染色體數目。由二倍體產生的單倍體也稱為一倍體(monoploid)。雄性蜜蜂、黃蜂、蟻都是一倍體。單倍體一般可由無融合生殖產生，也可通過花粉和花藥培養來獲得。單倍體植株矮小，生活力

22、很弱，而且完全不育。單倍體通過染色體加倍，可獲得純合的二倍體。6.3.1.2 多倍體(polyploid)具有2套以上染色體組的細胞或個體稱為多倍體。染色體加倍可自然發生，也可利用秋水仙素等方法人工誘發。秋水仙素的作用主要是抑制細胞分裂時紡綞絲的形成，使已復制并分開了的子染色體不能分向兩極，而仍留在一個細胞內，染色體就由此加倍。顯花植物中有許多物種是多倍體，在大約15200種的顯花植物中多倍體物種約占50%。單子葉植物中多倍體物種占90%以上的有天南星科、鳶尾科、龍舌蘭科、蘭科等。1)、同源多倍體(autopolyploid)具有2套以上相同染色體組的細胞或個體稱為同源多倍體，通常是由同一物種

23、的染色體加倍而成。同源四倍體與其原來的二倍體相比，莖粗葉大，花器、果實、種子等也大些，葉色也較深。但也出現葉子皺縮、分蘗減少、生長緩慢、成熟延遲及育性降低等不良反應。同源三倍體的主要特點是高度不育，基本上不結種子。但許多三倍體植物都具有很強的生活力，營養器官十分繁茂。2)、同源多倍體減數分裂和基因分離的特點同源三倍體同源三倍體在減數分裂前期或形成一個三價體，或形成一個二價體和一個單價體，無論何種配對方式，最后都是一條染色體走向一極，另兩條走向一極。具有兩條染色體的配子(2n)的概率是(1/2)n，具有一條染色體的配子(n)的概率也是(1/2)n 。三倍體所產生的絕大多數配子的染色體數目是在n和

24、2n之間，這些配子的染色體都是不平衡的。TrivalentBivalent Univalent +同源三倍體聯會的可能方式同源四倍體同源四倍體聯會時可形成一個四價體，或一個三價體和一個單價體，或兩個二價體等。如果同源四倍體的各個染色體在減數分裂中期 I 都以四價體或二價體的構型出現，則后期 I的分離將基本上是均等的，形成的配子多數是可育的。但多數物種的同源四倍體都是部分不育或高度不育，主要原因是三價體和單價體的頻率較高，染色體分配不均衡，造成配子的染色體組成不平衡。同源四倍體在減數分裂是的可能配對方式Quadrivalent Two bivalents Trivalent Univalent

25、+同源四倍體對于基因(A,a)來講，二倍體有3種基因型，四倍體有5種基因型。即：AAAA(四顯體quadruplex)、AAAa(三顯體triplex)、Aaaa(二顯體duplex)、Aaaa(單顯體simplex)、aaaa(無顯體nulliplex)。3種雜合體分離形成配子的種類和比例，取決于其是按染色體隨機分離(基因座位和著絲粒緊密連鎖，不發生交換)還是按染色單體隨機分離(基因座位和著絲粒距離較遠，要考慮交換)。1234AAaa12AA34aa13Aa24Aa14Aa23Aa配對由于紡綞絲的隨機拉動形成配子1+3 Aa2+4 Aa1+4 Aa2+3 Aa1+2 AA3+4 aa1+4

26、Aa2+3 Aa1+2 AA3+4 aa1+3 Aa2+4 Aa同源四倍體AAaa二顯體的基因分離基因型配子種類和比例自交子代基因型及比例自交子代表型及比例AAAaAaA4A3a A2a2Aa3a4AaAAAa11121全部AAaa141181881351Aaaa1112131同源四倍體某座位的等位基因按染色體隨機分離3)、異源多倍體(allopolyploid)兩個或兩個以上的不同物種雜交，它們的雜種經染色體加倍形成的多倍體稱異源多倍體，也稱作雙二倍體(amphidiploid)。異源多倍體是可育的。普通小麥、棉花、煙草、油菜和甘蔗等都是異源多倍體，它們是長期進化的產物。人工創造異源多倍體的

27、途徑，一般也是先雜交，再將雜種染色體加倍。但為了保證雜交的成功，其原始親本之間大都是有一定親緣關系的。一粒小麥T.monococum2n=14AA斯氏山羊草(或擬斯卑爾脫山羊草)T.searsii(或T.Aegilops speltoides)2n=14BBAB不育雜種染色體加倍擬二粒小麥T.dicoccoides2n=28AABB滔氏麥草T.tauschii2n=14DDABD不育雜種染色體加倍普通小麥T.aestivum2n=42AABBDD異源六倍體普通小麥可能的起源途徑花椰菜(2n=18)B.oleracea阿比西尼亞芥菜(2n=34)B.carinata黑芥菜(2n=16)B.nig

28、ra蕪菁(2n=38)B.napus中國甘藍(2n=20)B.campestris卷葉甘藍(2n=36)B.juncean=9n=9n=8n=8n=10n=10蕓苔屬植物中由三個親本種相互雜交，經染色體加倍形成了不同的四倍體新種人工創造的異源多倍體是由G.Karpechenko于1928年合成的蘿卜甘藍.將蘿卜(Raphanus sativa, 2n=18)與甘藍(Brassica oleracea,2n=18)雜交，雜種經染色體加倍形成了一個新種蘿卜甘藍(Raphanobrassice),其與預期目的相反長出了蘿卜的葉子和甘藍的根。雖沒經濟價值，但提供了產生種間和屬間雜種的可能性及在短期內人工創造新物種的方法。異源八倍體的小黑麥(Triti