關于基因和染色體一、染色體及其在細胞分裂中的行為1.染色質⑴常染色質：是染色質的主要成分，染色較淺，著色均勻⑵異染色質：折疊非常致密，在染色體上染色較深，而且在細胞分裂周期中致密程度很少發生變化；多半位于染色體的著絲粒第2頁,共129頁，2024年2月25日，星期天1.染色質①組成型異染色質：一種永久性的、在染色體上有固定位置的異染色質；它由不表達的DNA序列組成，最典型的是位于染色體的著絲粒周圍②功能型異染色質：又稱X異染色質，是在特定條件下，由常染色質轉變而來；哺乳動物的X染色體是最好的例子第3頁,共129頁，2024年2月25日，星期天2.

染色體的主要組成真核生物的染色體結構：一般包括四個組成部分，即著絲粒、端粒、復制起始點以及基因和非編碼序列⑴核小體：由DNA和組蛋白(histone)構成⑵DNA復制起點復制子：發生復制的單個DNA單元復制起點：復制子中控制啟動復制的元件第4頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑵DNA復制起點自主復制序列(autonomouslyreplicatingsequence,ARS)：真核生物染色體復制子中啟動DNA復制的序列復制類型：D-環式復制：線粒體、葉綠體滾環式復制：噬菌體復制叉式復制第5頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共129頁，2024年2月25日，星期天AreplicationeyeformsathetastructureincircularDNA.第8頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑶端粒端粒通常是由富含鳥嘌呤核苷酸(G)的短的串聯重復序列組成，伸展到染色體的3‘端；一個基因組內的所有端粒，即一個細胞里不同染色體的端粒都由相同的重復序列組成一種單鏈斷開的結構由端粒酶合成第9頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑷著絲粒著絲粒centromere有絲分裂mitosis減數分裂meiosis染色單體chromatid第11頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共129頁，2024年2月25日，星期天3.染色體組型或核型染色體組型或核型：在細胞有絲分裂期間觀察到的細胞內的整套染色體染色體帶型：深淺相間的帶紋圖形第17頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共129頁，2024年2月25日，星期天PolytenechromosomesofDrosophila.Credit:CourtesyToddR.Laverly,HHMVBerkeleyDrosophilaGenomeProject.第20頁,共129頁，2024年2月25日，星期天HumanGeneticsSidelightAmniocentesisandproceduresforprenataldiagnosisofchromosomalandbiochemicalabnormalities.第21頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Fig7.1Preparationofcellsforcytologicalanalysis?2003JohnWileyandSonsPublishers第22頁,共129頁，2024年2月25日，星期天染色體顯帶技術a.G帶，Giemsa染色可顯示出富含AT堿基對的DNA部分b.Q帶，用quinacrinemustard染色，紫外燈下顯色c.C帶，顯示出著絲粒異染色質d.R帶，顯示出富含GC堿基對的DNA部分第23頁,共129頁，2024年2月25日，星期天KaryotypeofachildwithDownsyndrome,showingtrisomyforchromosome21(47,XX,+21).Credit:CourtesyofR.M.Fineman.第24頁,共129頁，2024年2月25日，星期天MetaphasehumanchromosomesstainedwithacridineorangetoshowRbanding.Credit:FromR.S.Verma,H.DosikandH.A.Lubs,Jr.,1977,“Demonstrationofcolor&sizepolymorphismsinhumanacrocentricchromosomesbyacidineorangereversebanding.”J.ofHeredity68:262-263,Fig.1.第25頁,共129頁，2024年2月25日，星期天二、染色體的改變染色體數目的改變整倍體非整倍體染色體結構的改變第26頁,共129頁，2024年2月25日，星期天1.染色體數目的改變整倍數改變單倍體：n，蜜蜂(雄、工、皇)，螞蟻2倍體：2n3倍體：3n多倍體：4n，5n….同源多倍體(ABC)(ABC)(ABC)異源多倍體(ABC)(A’B’C’)(A’’B’’C’’)第27頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Originofhexaploidwheatbysequentialbybridizationofdifferentspecies第28頁,共129頁，2024年2月25日，星期天小麥染色體組成分析普通小麥：(2n=42)一粒小麥：(2n=14)二粒小麥：(2n=28)山羊草：(2n=14)第29頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

二粒小麥普通小麥

一粒小麥7II+7I7II+14IAAAA+BAA+B+D

二粒小麥14II14II+7IAABBAABBAABB+D

山羊草21I7II+14IDDA+B+DDD+A+B第30頁,共129頁，2024年2月25日，星期天染色體數目的改變非整倍數改變單體：2n-1，缺一條染色體缺體：2n-2，缺一對同源染色體雙單體：2n-1-1，缺二條非同源染色體三體：2n+1，多一條染色體第31頁,共129頁，2024年2月25日，星期天單體果蠅染色體基因定位ey/ey:無眼

+/+：有眼單體果蠅：2n-1(1);2n-1(2);2n-1(3);2n-1(4)ey/eyX2n-1(1);2n-1(2);2n-1(3);2n-1(4)

ey/+ey/-

有眼無眼

與某一單體雜交，出現了無眼果蠅，證明ey基因在該單體的染色體上第32頁,共129頁，2024年2月25日，星期天MeioticnondisjunctionandtheoriginofDownsyndrome.第33頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共129頁，2024年2月25日，星期天2.染色體結構的畸變染色體結構大片段的改變重復：染色體區段增加缺失：染色體片段丟失倒位：染色體位置顛倒易位：非同源染色體片段位置互換第36頁,共129頁，2024年2月25日，星期天染色體畸變的生物學效應許多腫瘤中可檢測出染色體畸變缺失可能使控制細胞周期的基因丟失或失活倒位和缺失可能會使那些腫瘤抑制基因斷裂，使表達誘導腫瘤產生蛋白的基因融合或者使基因轉移到新的位置，受到新的調控元件的調節第37頁,共129頁，2024年2月25日，星期天染色體結構變化的類型

重復duplication第38頁,共129頁，2024年2月25日，星期天缺失deletion第39頁,共129頁，2024年2月25日，星期天倒位inversion第40頁,共129頁，2024年2月25日，星期天易位translocation第41頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑴重復duplication

重復是指染色體的片段出現多個拷貝，重復往往可改變基因劑量，可能造成表型的顯著改變第42頁,共129頁，2024年2月25日，星期天重復的細胞學和遺傳學效應細胞學效應：減數分裂時，同源染色體配對出現弧狀結構；弧狀結構是重復的部分遺傳學效應：出現突變，嚴重時死亡第43頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

基因劑量不平衡造成發育異常第47頁,共129頁，2024年2月25日，星期天ThefragileXandanormalXchromosomefromafemale(left),andthefragileXandanormalYchromosomefromamale(right)第48頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑵缺失deletion

缺失是指染色體部分片段的丟失缺失往往不會發生回復突變，從而使得未發生缺失的染色體上的隱性等位基因得以表現，也可能造成表達產物不平衡第49頁,共129頁，2024年2月25日，星期天中間染色體缺失：ABCDEF

ABCDF端點染色體缺失：ABCDEF

ABCDE缺失純合體：ABCDF

ABCDF缺失雜合體：ABCDEF

ABCDF

染色體缺失第50頁,共129頁，2024年2月25日，星期天缺失的細胞學和遺傳學效應細胞學效應：減數分裂時，同源染色體配對出現弧狀結構；弧狀結構是正常的染色體部分遺傳學效應：出現突變，嚴重時死亡；有時會出現擬顯性現象第51頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

缺失的遺傳學效應－擬顯性現象玉米：紫色基因A對綠色基因a顯性綠色植株aaX紫色植株AA

紫色Aa

UVAa花粉Xaa

F1

綠色紫色花粉：正常___A

缺失A基因___

第52頁,共129頁，2024年2月25日，星期天果蠅缺刻表型Notchphenotype

是因為包括Notch基因在內的染色體片段發生缺失造成的

上圖為正常表型

下圖為突變型第53頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Karyotypeofinfantwithcri-du-chatsyndrome,46,XY(5p-).Credit:CourtesyUniversityofUtahCytogeneticsLaboratory.第54頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

Cri-du-chatsyndrome.Credit:CourtesyIreneA.Uchida,DepartmentofPediatrics,McMasterUniversity第55頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑶倒位inversion

倒位是指染色體一個片段發生顛倒

倒位可能造成基因被打碎或移位

倒位往往形成無效的配子，從而使計算出的重組頻率偏低第56頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共129頁，2024年2月25日，星期天人和黑猩猩的四號染色體因一個臂間倒位而不同第58頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第59頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Suppressionofrecombinationinaninversionheterozygote第62頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Doublecrossingoverinaninversionheteroygote.第63頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第64頁,共129頁，2024年2月25日，星期天倒位區之間的交換第65頁,共129頁，2024年2月25日，星期天倒位雜合子將會產生異常配子圖一臂內倒位第66頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

環內倒位區單交換第67頁,共129頁，2024年2月25日，星期天倒位雜合子將會產生異常配子

圖二臂間倒位第68頁,共129頁，2024年2月25日，星期天倒位的細胞學效應和遺傳學

效應細胞學效應：倒位雜合體在減數分裂同源染色體配對時，形成倒位環遺傳學效應：倒位區內重組，形成不可育配子；被稱為“抑制重組”第69頁,共129頁，2024年2月25日，星期天平衡致死系緊密連鎖或中間具有倒位片段的相鄰基因由于生殖細胞的同源染色體不能交換，所以可以以非等位基因的雙雜合子，保存非等位基因的純合隱性致死基因，該品系被稱為平衡致死系第70頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Cy:翻翅，隱性；純合致死(Cy/Cy)S:星狀眼，致死基因(S/S)翻翅果蠅與待保留致死基因果蠅雜交

Cy+XCy++S+SCy+Cy++SCy++S+S死亡保存死亡

第71頁,共129頁，2024年2月25日，星期天ClB品系：C—交換抑制因子；l—隱性致死突變；B—棒眼(X染色體上，l和B有一段倒位)步驟：a.待測♂果蠅與雜合(ClB/+++)♀果蠅雜交；

b.F1ClB♀與F1♂(野生型)單對雜交，目的是檢查某一特定X染色體上的突變；

c.觀察分析：①有X隱性致死突變，F2

無雄蠅(♂:ClB和l’死亡);②隱性非致死突變，F2預期♀:♂=2:1，突變性狀只在F2雄蠅表現，F1ClB中不表現；③無X隱性突變，在F2♂僅表現簡單的♀:♂=2:1。第72頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Muller-5法：

A.Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少剛毛)——并具重復倒位

B.檢出步驟:Ⅰ.將待測的♂果蠅與純合Muller♀果蠅雜交.Ⅱ.將F1♀♂自交,目的是檢查某一特定X染色體上的突變.Ⅲ.觀察分析F2：①如果無X隱性致死突變預期F2♂:♀=1:1表型比為簡單的1:1:1:1;②如果有X隱性致死突變預期F2♂:♀=2:1表型比1:1:1;③如果有隱性非致死突變在F2♂中可見突變第73頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Muller-5檢測突變

xBWaXx_______xBWayx________XxBWaxBWay

xBWa_______BWa_____xBWaBWa

Muller-5雜合體Muller-5?

第74頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑷易位

translocation

易位是指染色體片段的轉移，既可發生在非同源染色體間，亦可發生在同一條染色體的不同位置

易位往往造成基因移位或斷裂，影響基因功能第75頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第76頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第77頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第78頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

人類二號染色體有一羅伯遜易位，在黑猩猩、大猩猩、猩猩中均無

G帶表明，人類發生羅伯遜易位的兩條近端著絲粒祖先染色體在其他三類靈長類動物中仍然存在第79頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第80頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第81頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Structureandpairingbehaviorofareciprocaltranslocationbetweenchromosomes.第82頁,共129頁，2024年2月25日，星期天易位的細胞學效應和遺傳學

效應細胞學效應：易位雜合體在減數分裂同源染色體配對時，形成十字型結構遺傳學效應：形成不可育和可育配子，各占1/2；被稱為“半不育”第83頁,共129頁，2024年2月25日，星期天三、基因突變和表觀遺傳變異基因突變是指基因的一種等位形式變成另一種等位形式突變是相對于正常而言的遺傳學研究中，將自然界中普遍出現的性狀或指定實驗用的某一品系的性狀，作為“野生型”或“正常”的性狀與“野生型”性狀相關的等位基因稱為野生型等位基因，一般記為+，或a+

，B+等第84頁,共129頁，2024年2月25日，星期天任何不同于野生型等位基因的稱為突變型等位基因從野生型變為突變型，稱為正向突變(forwardmutation)從突變型變回成野生型，則稱為恢復突變(backmutation)或逆向突變(reversemutation)自發突受(spontaneousmutation)誘發突變(inducedmutation)誘變劑(mutagen)，致癌物(cancinogen)突變率(mutationrate)第85頁,共129頁，2024年2月25日，星期天1.點突變和移碼突變⑴點突變：單堿基對置換轉換(transition):A?G、T?C顛換(transversion)：嘌呤?嘧啶同義突變(samesensemutation)或中性突變(neutralmutation)簡并性、同工酶錯義突變(missensemutation)無義突變(nonsensemutation)第86頁,共129頁，2024年2月25日，星期天堿基置換突變的內源機制①5-甲基胞嘧啶的脫氨作用5mC(脫氨)→(互變異構化)→T

②DNA復制過程中出現差錯③滑移錯配(slippedmismatching)④其他一些因素的作用第87頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑵移碼突變frameshiftmutation第88頁,共129頁，2024年2月25日，星期天2.基因重組和基因轉換重組分為同源重組(homologousrecombination)和非同源重組(non-homologousrecombination)

非同源重組區分為保守重組(conservativerecombination)和復制重組(replicativerecombination)同源重組是依賴于大范圍的DNA同源序列間的聯會，重組可以發生在聯會部分的任何位置上第89頁,共129頁，2024年2月25日，星期天非同源重組依賴于少量的DNA同源序列間的聯會，又稱為位點專一重組(sitespecificrecombination)一個DNA分子整合到另一個DNA分子上，稱為保守重組，又稱整合重組(integrativerecombination)復制重組：使一個DNA分子插入另一個DNA分子中；由轉座引起(異常重組illegitimaterecombination)第90頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑴同源重組細菌發生在雙方DNA的同源區域部分復制的染色體DNA之間或染色體DNA與外源DNA之間細菌的轉化、接合和轉導第一，RecBCD（外切核酸酶Ⅴ）和Chi位點RecA蛋白第91頁,共129頁，2024年2月25日，星期天3‘?RecBCD的識別和切割位點a、RecBCD結合在DNA的平頭末端（產生機制不清楚）b、外切、解鏈、移動（ATP）c、兔耳狀loop結構產生（再旋酶活性低于解旋酶活性）d、RecBCD在loop單鏈區的

chi位點3‘方4～6NT處切斷單鏈（單鏈內切酶）?

chi位點：GCTGGTGG

目前發現的重組熱點

E.coli

含1000個、Euk.第92頁,共129頁，2024年2月25日，星期天e、RecBCD切割產生3’單鏈末端第93頁,共129頁，2024年2月25日，星期天RecA引起的鏈交換和Holliday結構的生成

第94頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第95頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑵位點專一重組λ噬菌體DNA的整合和切離是典型的位點專一重組λ噬菌體感染大腸桿菌后，或是進入裂解生長，或是進入溶源生長通過λDNA和細菌DNA特定的附著位點之間的重組來實現的第96頁,共129頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌DNA上的att(attach)位點記為attB，長度為23bp，分B、O和B′三個部分λDNA上的att位點記為attP，長度為240bp，分P、O和P′三個部分λDNA的整合和切離都發生在attB和attP的各自O序列中，因此O序列稱為核心序列，全長15bp，核心序列兩側的序列對重組也是起作用的第97頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第98頁,共129頁，2024年2月25日，星期天整合過程?整合后的附著位點為

attL（BOP’）

attR（POB’）?整合位點---attB、attP

切除位點---attL、attR?整合過程需要λ整合酶

（integraseInt）（λ編碼）和寄主的整合宿主因子IHF

（integrationhostfactor）共同作用第99頁,共129頁，2024年2月25日，星期天溶源性細菌(lysogen)溶菌周期（lysis）原噬菌體第100頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第101頁,共129頁，2024年2月25日，星期天intIHF第102頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第103頁,共129頁，2024年2月25日，星期天⑶基因轉換Geneconversion細胞減數分裂形成4個子細胞時，如果3個子細胞得到了一個親本的等位基因，只有1個子細胞得到另一個親本的等位基因，這種親本之間等位基因被調換的現象基因轉換是通過重組和DNA修復所造成第104頁,共129頁，2024年2月25日，星期天第105頁,共129頁，2024年2月25日，星期天酵母接合型的轉換單倍體細胞的接合型matingtype：a型和α型，由單個基因座MAT所決定MAT有一對等位基因MATa和MATα

在同宗接合(homothallic)的酵母菌株中，酵母菌十分頻繁地轉換其接合型第106頁,共129頁，2024年2月25日，星期天在MAT基因座兩側有兩個基因MATa和MATα的拷貝，這就是HMLα和HMRa基因MAT基因座是通過轉座而轉換其接合型的基因轉換GeneconvertionMAT基因座的序列轉換成另一個基因的序列第107頁,共129頁，2024年2月25日，星期天酵母MAT序列的轉換-----依賴于同源重組的位點特異性的序列代換

酵母結合型的轉變---DNA序列的代換，而不是互換

---依賴于序列的同源性（被代換的序列命運是被降解調---突變試驗）第108頁,共129頁，2024年2月25日，星期天同源序列

匣子WXYZ1Z2totalHML

723704747

239882501MAT

723704747

239882501MATa723704642239882369HMRa704642239881585第109頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

轉換過程內切酶(HO)識別、切割--Y/Z1交界處---起始MAT序列的轉換

(雙鏈斷裂)

［HM匣子受Sir阻遏蛋白的保護］①第110頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Y區域被降解，直到Yα和Ya相同的部分或一直到X區域①②第111頁,共129頁，2024年2月25日，星期天四個斷頭侵入供體匣子的同源部分并與其中互補鏈配對以供體DNA為模板復制Y區域，holliday結構形成③④第112頁,共129頁，2024年2月25日，星期天Holliday結構的拆分，產生新的MAT匣子和這次轉換中的供體匣子第113頁,共129頁，2024年2月25日，星期天需要大范圍的同源序列

需要重組酶系(rad52基因產物、位點特異性的HO內切酶)第114頁,共129頁，2024年2月25日，星期天3.動態突變dynamicmutation動態突變，又稱基因組不穩定性genomicinstability：DNA序列中由于寡核苷酸拷貝數目的變化，引起生物表型改變的突變；通常是由三聯體密碼子重復數目的增加而形成的X脆性染色體綜合癥是由于在X染色體P27.3位置上CGG拷貝數目增加到200以上，引起基因的改變，形成痕跡很重的染色體，突變的部分很容易被打斷，所以被稱為是脆性染色體第115頁,共129頁，2024年2月25日，星期天脆性位點是染色體上在特殊條件下易斷裂的位點，可能為收縮或縫隙；在人類染色體上已發現一系列的脆性位點；其中研究最詳盡的位于X染色體上，目前發現其與智障有關；脆性X綜合癥為X連鎖遺傳，出現幾率在男嬰中為1/2500，主要成因可能是因為CGG三核苷片段重復數目的變化第116頁,共129頁，2024年2月25日，星期天

三聯體密碼子的重復與疾病

疾病密碼子正常拷貝患者拷貝脊髓肌肉萎縮癥CAG(gln)11-3340--62亨廷頓癥CAG(gln)11-3442--100X脆性染色體CGG(arg)6-54250-4000強直型肌營養不良CTG(leu)7-2349-75小腦共濟失調CAG(glu)4-1840-200第117頁,共129頁，2024年2月25日，星期天三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制⑴蛋白質交聯形成不溶性包膜

CAG-CAG-CAG-……….

富含谷氨酰氨的蛋白質＋其它蛋白質

轉谷氨酰氨酶不溶性包膜影響神經細胞功能

第118頁,共129頁，2024年2月25日，星期天三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制⑵能量供應不足

甘油醛磷酸脫氫酶(GAPDH)糖腦所需能量

GAPDH＋病人的polyGln糖缺乏腦所需能量第119頁,共129頁，2024年2月25日，星期天三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制⑶蛋白質翻譯受阻

FMR1基因表達的蛋白，是正常人智力發育中的重要功能蛋白；如果FMR1基因存在有過量的重復序列，產生的mRNA不能與完整的核糖體結合，阻止了FMR蛋白生成，導致脆性X染色體綜合癥第120頁,共129頁，2024年2月25日，星期天三核苷酸重復拷貝擴增的致病機制⑷基因產物的毒性積累

(CAG)n人雄性激素受體猴腎細胞COS系富含gln的蛋白質與細胞核結合

COS凋亡

第121頁,共129頁，2024年2月25日，星期天4.表觀遺傳變異

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