5染色体结构的变异100.ppt

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1、现 代 遗 传 学,Modern Genetics,长江大学生命科学学院,2,第五章 染色体结构的变异,第一节 染色体结构变异的概述 第二节 染色体结构变异类型 第三节 染色体结构变异的诱发 第四节 染色体结构变异的应用 本章要求 复习思考题,3,染色体畸变： 指染色体的结构或数目发生了异常的变化。 可能是自发的 可通过化学物质或放射线处理而诱发。,4,研究染色体畸变的几种好材料,5,玉米的染色体（特点）,染色体形态易于区别。 染色体上的标记明显。 着丝粒位置； 两臂的长短； 球节的有无和染色粒的分布等。,6,果蝇的唾液染色体（特点）,巨大性、伸展性(永久间期系统；多线染色体) 体联会(som

2、atic snapisis)： 同源染色体配对几乎融合；着丝粒形成染色中心。,7,果蝇的唾液染色体（特点）,横纹结构 带纹区（bands）85%、间带区(interbands)15% 横纹的相对大小和空间排列可作为识别唾液染色体的标志；,横纹的线性排列与基因的线性排列是等同的，因而可利用横纹特征进行基因突变。,8,果蝇的唾液染色体（特点）,出现PUFF结构 在幼虫发育不同时期，基因在行使特殊功能时(RNA转录)出现的特殊形态的泡状结构称为puff，或染色体疏松。 表明解旋，基因在活跃地转录。,9,第一节 染色体结构变异的概述,变异的原因 内环境：细胞内的营养、温度、生理等异常的变化 外环境：物

3、理诱变因素和化学药剂等,10,染色体结构变异假说及结构变异种类,断裂重接假说（breakage-reunion hypothesis） 正确重接 重新愈合，恢复原状 错误重接 产生结构变异 保持断头 产生结构变异 结构变异种类缺失、重复、倒位、易位,11,第二节 染色体结构变异类型,一、缺失(deficiency) 二、重复(duplication) 三、倒位(inversion) 四、易位(translocation),12,一、缺失(deficiency),缺失：染色体丢失了带有基因的某一区段。 、缺失的类别 、缺失的细胞学鉴定 、缺失的遗传学效应,13,、缺失的类别,顶端缺失(termi

4、nal deficiency) 指缺失的区段位于染色体某臂的外端。 中间缺失(interstitial deficiency) 指缺失的区段位于染色体某臂的中间。,14,缺失形成的机理,15,顶端缺失,16,缺失5,重复5,断裂融合桥(breakage fusion bridge),17,缺失染色体（deficiency chromosome） 指丢失了某一区段的染色体。 缺失杂合体(deficiency heterozygote) 指同源染色体中，有一个正常而另一个是缺失染色体的生物个体。 缺失纯合体(deficiency homozygote) 指同源染色体中，每个染色体都丢失了相同区段的

5、生物个体。,相关术语,18,、缺失的细胞学鉴定,无着丝粒断片 缺失的细胞可见到遗弃在细胞质里的无着丝粒的断片(形成微核或丢失)。,19,、缺失的细胞学鉴定,顶端缺失 有丝分裂出现因断裂融合双着丝粒染色体后期染色体桥。 减数分裂联会时，有未配对的游离区段,20,、缺失的细胞学鉴定,中间缺失 减数分裂染色体联会时形成缺失环。 与重复环的区别,参照染色体的正常长度 染色粒和染色节的正常分布 着丝点的正常位置,21,、缺失的细胞学鉴定,注意！ 较小的缺失往往并不表现出明显的细胞学特征 缺失纯合体减数分裂过程也无明显的细胞学特征,22,、缺失的遗传学效应,致死或出现异常（缺失片段较长） 缺失基因的数目和

6、重要性 缺失个体是二倍体还是多倍体 缺失配子是雄配子还是雌配子 含缺失染色体的配子一般败育； 缺失染色体主要是通过雌配子传递。 缺失个体是纯合体还是杂合体 缺失纯合体很难存活； 缺失杂合体的生活力很低。 假显性（缺失片段较短） 人类染色体缺失综合症,23,1、假显性(pseudodominance) 如果缺失的部分包括某些显性基因，那么同源染色体上与这一缺失相对应位置上的隐性等位基因就得以表现，这一现象称为假显性。,24,玉米株色遗传的假显性现象,McClintock（1931 ），玉米X射线辐射试验。,25,2、人类染色体缺失综合症 Cat cry syndrome（猫叫综合症） 喉部发育不

7、良，哭声似猫，1963年首次报道，1/5万 小头、满月形脸、眼距宽、低耳位、婴幼儿期夭折 5号染色体短臂缺失，故称为5P-综合症,small head,cry of the cat (mewing),moonlike face,26,mental retardation,5号染色体短臂缺失,27,二、重复(duplication),重复：正常染色体增加了与自己相同的某一区段的结构变异叫重复。增加了的这一区段叫重复片段。 、重复的类别 、重复的细胞学鉴定 、重复的遗传学效应,28,、重复的类别,顺接重复(tandem duplication) 指重复区段的基因序列与原染色体上基因的序列相同的重复

8、。 反接重复(reverse duplication),指重复区段内的基因顺序发生了180度颠倒，与自己序列相反的重复。,29,重复形成的机理,由于同源染色体的不等交换 。,30,相关术语,重复染色体（ duplication chromosome） 指含有重复片段的染色体。 重复杂合体(duplication heterozygote) 指同源染色体中，有一个正常而另一个是重复染色体的生物个体。 重复纯合体(duplication homozygote) 指同源染色体中，每个染色体都含有相同的重复片段且重复类别相同的生物个体。,31,、重复的细胞学鉴定,细胞学特征：同源染色体联会时可见如下特

9、征,1、重复环,2、染色体末端不配对而突出,32,注意： 区分重复环与缺失环 当重复区段很短时很难观察到重复环 重复纯合体也观察不到重复环,33,、重复的遗传学效应,重复对基因平衡的影响 扰乱了生物体本身基因固有的平衡体系，影响了个体的生活力。 有害程度取决于重复区段基因数量的多少及其重要性，与缺失相比，有害性相对较小，但若重复区段过长，往往使个体致死。 对育性的影响 重复杂合体一般败育，重复纯合体会产生“剂量效应(dosage effect)”。,34,1、剂量效应(dosage effect) 同一种基因对表型的作用随基因数目的增多而呈一定的累加增长。 如果蝇的眼色遗传： V+（红色） V

10、（朱红色） V+ V 红色 ；V+ VV 朱红色 说明2个隐性基因的作用大于1个显性等位基因，改变了原来一个显性基因与一个隐性基因的关系。,35,2、位置效应(position effect) 一个基因随着染色体畸变而改变它和邻近基因的位置关系，从而改变了表型的现象称位置效应。 如果蝇的棒眼遗传： 果蝇的棒眼基因(Bar，B)位于X染色体上，对野生型的复眼呈不完全显性，表型效应是减少复眼中的小眼数，使圆而大的复眼呈棒状。,36,棒眼是由于X染色体上一个小片段(16A1A6区段)的顺接重复所造成。,37,果蝇X染色体16区A段的重复与棒眼变异的关系,38,果蝇X染色体上16A区段重复的形成,39

11、,三、倒位(inversion),倒位：正常染色体某一区段的基因序列发生了180颠倒的现象。倒位染色体上的基因总量不变。 、倒位的类别 、倒位的细胞学鉴定 、倒位的遗传学效应,40,、倒位的类别,臂内倒位(paracentric inversion) 指倒位发生在染色体的某一臂内，又称为一侧倒位。 臂间倒位(pericentic inversion),指倒位发生在染色体的两臂之间，（含着丝粒），又称为两侧倒位。,41,倒位形成的机理,An inversion requires two breaks in the chromosome and subsequent reinsertion of

12、the inverted segment. An inversion may arise from chromosomal looping,42,相关术语,倒位染色体（inversion chromosome） 指含有倒位片段的染色体。 倒位杂合体(inversion heterozygote) 指同源染色体中，有一个正常而另一个是倒位染色体的生物个体。 倒位纯合体(inversion homozygote) 指同源染色体中，每个染色体都含有相同的倒位片段且倒位类别相同的生物个体。,43,、倒位的细胞学鉴定,同源染色体联会时： 倒位区段过长倒过来配对，其余游离 倒位区段较短正常部分配对，其余不

13、配对 倒位区段适中形成倒位圈 臂内倒位形成的“后期 I 桥”,44,注意,区分倒位圈与缺失、重复圈的结构差异 倒位纯合体无明显细胞学特征,45,、倒位的遗传学效应,对基因关系的影响 倒位改变了基因间的连锁关系；因不能正常配对而降低了连锁基因间的重组率。 有害程度取决于倒位区段的长短，倒位区段过长往往致死。 对育性的影响 倒位杂合体倒位圈内发生交换后，产生的交换型配子(50%)含重复缺失染色单体，这类配子不育。所以倒位杂合体部分不育。 倒位纯合体的同源染色体联会完全正常，但会产生“位置效应”。,46,1、臂间倒位杂合体产生大量缺失和重复染色单体 Results: 1 normal chromos

14、ome 2 deletion/duplication chromosomes (inviable) 1 inversion chromosome (all genes present; viable),47,2、臂内倒位杂合体产生双着丝点染色单体，随着出现后期桥。 Results: 1 normal chromosome 2 deletion chromosomes (inviable) 1 inversion chromosome (all genes present; viable),48,不论是臂间倒位还是臂内倒位，由于倒位环内非姐妹染色单体间发生单交换，而交换的产物都带有缺失或重复，不

15、能形成有功能的配子，因而好象被抑制了，或相当程度地减少杂合子中的重组。这种现象称为交换抑制因子(crossover repressor, C)。,49,Position effect,倒位使基因位置发生改变，同时也改变了基因的原有的邻近关系，从而引起表型改变的遗传效应。主要与异染色质有关。,50,四、易位(translocation),易位：两个非同源染色体间发生片段转移的现象称为易位。有人称之为非法交换。 、易位的类别 、易位的细胞学鉴定 、易位的遗传学效应,51,、易位的类别,相互易位(reciprocal translocation) 指两个非同源染色体都被折断，两个断片交换重接到两条被

16、折断的非同源染色体上的现象。 简单易位(simple translocation)(单向) 指一个染色体上的某一区段转移到了另一非同源染色体上的现象，故又称为转移。,52,罗伯逊易位（Robertsonian translocation，rob） 又称着丝粒融合或整臂融合，由两个非同源的端着丝粒染色体的长臂相互重接成一条长的中央着丝粒染色体，短臂连接成交互的产物，其上含有一些不重要的基因，这种小染色体常在细胞分裂中丢失。,53,易位形成的机理,54,相关术语,易位染色体（translocation chromosome） 指含有易片段的染色体称为易位染色体。 易位杂合体(translocati

17、on heterozygote) 指同源染色体中有一个是易位染色体的生物个体，又叫杂易位体。 易位纯合体(translocation homozygote) 指同源染色体都含有相同易位片段的生物个体，又叫纯易位体，由杂易位体自交获得。,55,、易位的细胞学鉴定,相互易位杂合体 粗线期呈十字形配对 终变期呈四体环（十字形配对结构发生交叉端化后所形成的大环结构，用4表示)或四体链（十字形配对结构发生交叉端化后所形成的链状结构用C4表示) 中期I呈8字形或圆环形（十字形配对结构的交替式和相邻式分离） 相互易位纯合体：同源染色体联会一切正常。,56,易位杂合体的联会和鉴定,偶线期和粗线期易位杂合体联会

18、成“十”字形,终变期 联会就会因交叉端化而变为由四个染色体构成的“四体链”或“四体环”,中期 终变期的环可能变为“8”字形或环形,交替式,相邻式,57,1. 在偶线期和粗线期时形成十字型特征,58,果蝇巨染色体易位图,59,2、终变期形成环状或8字型,60,、易位的遗传学效应,易位杂合体半不育 降低了连锁基因间的重组率 易位改变了基因间的连锁关系，抑制了正常连锁群的重组；联会的紧密程度降低。 出现假连锁现象因易位改变了基因间的连锁关系，使本应独立遗传的基因出现连锁（假连锁）。 罗伯逊易位造成染色体融合而导致染色体数目的变异 。,61,1半不育是易位杂合体的突出特点, 相邻式分离 产生重复、缺失

19、染色体，配子不育； 交替式分离 染色体具有全部基因，配子可育。 交替式和两种相邻式分离的机会大致相等，即花粉和胚囊均有50%是败育的，结实率50%。,62,、相邻式分离,结果： 相邻式分离形成配子全为缺失重复配子，表现为全部不育。,63,、相间式分离,结果： 相间式分离形成配子为正常和易位配子，表现为全部可育。,64,Semi-sterility,65,2、对基因连锁的影响,、易位改变了基因间的固有连锁关系 因此，使得连锁基因改变为独立遗传关系。,66,、 假连锁（pseudolinkage）现象 两对染色体上原来不连锁的基因，如果靠近易位断点，由于相互易位杂合体总是以相间分离方式产生可育配子

20、，其结果是，似乎非同源染色体上的基因间的自由组合受到严重限制，这种现象为假连锁现象。,67,pseudolinkage observed from test cross of translocation heterozygote：a / ; a+b+ / b x a / a ; b / b,68,3、position-effect variegation,69,4、罗伯逊易位造成染色体融合而导致染色体数目的变异 。,Familial Down syndrome is an example of a Robertsonian translocation.,70,第三节 染色体结构变异的诱发,一、

21、物理因素的诱发 二、化学因素的诱发 三、其它因素的诱变,71,一、物理因素的诱发,染色体结构的变异需要相当大的能量，细胞必须在获得大量的能量以后，染色体才可能发生畸变，辐射就是很好的能源。能量低的辐射（如可见光）只能产生热量；能量较高的辐射（如射线）除产生热能和使原子激发外，还能使原子“电离”（ionization），诱发突变。 电离辐射源 射线、射线和中子等粒子辐射，也包括射线和X射线等电磁波辐射。中子的诱变效果最好。,72,辐射诱变的趋势 辐射的剂量越大，诱发的突变频率越高，但与辐射强度无关。 辐射剂量 是指单位质量被照射的物质所吸收的能量数值。 辐射强度 是指单位时间内照射的剂量数，即剂

22、量率。只要照射的总剂量不变，无论辐射强度有多大，诱发的突变总是保持一定。,辐射剂量与染色体结构变异频率的关系,73,物理诱变的特点,物理因素诱发的突变是随机的，无特异性可言，性质和条件相同的辐射可以诱发不同的变异。因此，目前只能期望通过辐射处理得到变异，而不能期望通过一定的辐射处理得到定向的变异。,74,二、化学因素的诱发,根据其化学结构和功能的不同可区别为： 烷化剂 有一个或多个不稳定的烷基（C2H5），它们能转移到电子密度较高的分子中去，改变染色体的结构，导致染色体结构变异。 常用的烷化剂有甲基磺酸乙酯EMS，CH3SO2（OC2H5）、硫酸二乙酯DES，SO2（OC2H5）2、乙烯亚胺等

23、。,75,二、化学因素的诱发,根据其化学结构和功能的不同可区别为： 碱基类似物 其分子结构与基因分子的碱基相似，它在不防碍染色体复制的情况下，作为组成成份参入DNA分子，导致突变的发生。 常用的碱基类似物有5-溴尿嘧啶（Bu）、5-溴脱氧尿核苷（BudR）、2-氨基嘌呤（AP）等。前两种是胸腺嘧啶（T）类似物，后一种是腺嘌呤（A）类似物。,76,二、化学因素的诱发,根据其化学结构和功能的不同可区别为： 抗生素 如重氮丝氨酸、丝裂霉素C等也能诱发染色体结构变异，因其具有破坏DNA分子结构的能力，因而造成染色体断裂，目前很少实际应用。,77,化学诱变的特点,具有特异性，一定性质的药物能诱发一定类型

24、的变异，这使动植物育种中定向地诱发和筛选变异看到了希望。,78,三、其它因素的诱变,某些病毒也可引起宿主细胞染色体畸变，如SV40病毒、Rous肉瘤病毒、带状疱疹病毒等。 生物老龄化也会导致染色体畸变，如染色体端粒脱落等。 温度过高也会引起结构变异。,79,第四节 染色体结构变异的应用,一、进行基因定位 1、利用缺失进行基因定位 2、利用易位进行基因定位 二、利用倒位获得平衡致死系 三、果蝇的ClB测定法 四、利用易位创造玉米不育系的双杂合保持系 五、利用易位使家蚕自别雌雄与性染色体连锁,80,一、基因定位,1、利用缺失造成的假显性现象，可以进行基因定位 使载有显性基因的染色体发生缺失，让其隐

25、性等位基因表现“假显性”。 对表现假显性的个体进行细胞学鉴定，发现某染色体缺失了某一区段，就说明该显性基因位于该染色体的缺失区段上 。,81,Deletion mapping - pseudodominance,1、人为造成各种不同的缺失类型 2、分别与待定位的隐性突变体杂交，依假显性效应确定突变位点,82,果蝇 fa 基因的缺失定位,定位 fa (facet , 果蝇小眼面不齐)基因,83,果蝇 fa 基因的缺失定位,N-8至264-32都表现假显性，都包括3C7区域,84,果蝇 fa 基因的缺失定位,264-33至264-19只缺失了3C7中的一条带纹，也使fa 假显性,85,果蝇 fa

26、基因的缺失定位,fa 基因定位在3C7带纹处,86,2、以易位点为遗传标记(半不育)进行连锁分析,易位杂合体自交后代的表现： 交替式分离 可育配子：含两个正常染色体(1和2)，或含两个易位染色体(12和21)。 自交后代中： 1/4：完全可育的正常个体(1，1和2，2) 2/4：半不育易位杂合体(1，12，2，21) 1/4：完全可育的易位纯合体(12，12，21，21) 易位接合点相当于一个半不育的显性遗传单位(T)，易位杂合体基因型为（Tt）。,87,两点或三点测定法 具体实例：玉米的株高遗传，玉米长节间（即株高正常）基因（Br）为短节间（矮化）基因（br）的显性。其中有株高正常，但半不育

27、，结果表明： 易位点(T)与Br-br之间的重组率为11.85%，即T距Br-br座位11.8 个重组单位。 已知Br-br的座位在第1染色体上，故第1染色体是所涉及的两个非同源染色体中一个，至于另一个则需根据T-t与另外基因之间的连锁关系进行测定。,88,株高正常，半不育,植株矮化，完全可育,t,T,Br t,Br T,br t,t,br t,t,br,t,br,t,Br,t,br,t,Br,T,br,t,t,t,T,t,t,t,Ft,F1,半不育,完全可育,89,可育的亲型配子,可育的交换配子,br,t,t,Br,T,T,Br,t,t,br,T,T,br,t,t,br,t,t,br,Br,

28、T,t,br,br,T,t,br,Br,t,t,br,t,t,t,t,表 现 型,植株矮化，完全可育,株高正常， 半不育,植株矮化，半不育,株高正常，完全可育,植 株 数,279,234,42,27,重 组 率,（69/592）100%=11.85%,根据易位与某基因间的重组率定易位点位置,90,二、利用倒位获得平衡致死系,平衡致死系或永久杂种（balanced lethal system 或 permanent hybrid） 原理： 利用倒位的交换抑制效应，同时保存两个致死基因的果蝇品系。保存一个隐性基因必须使之处于纯合状态，但致死基因纯合致死，必须以杂合保存。,D为果蝇3号染色体上的显性

29、展翅基因，当DD纯合时有致死效应，因而D属隐性致死基因。,91,如何保持D基因，必须进行染色体观察、检查，费时费力,H. J. Muller：用另一个致死基因来“平衡”，但两致死基因必连锁紧密，以致极不易发生交换；或利用倒位抑制效应使两个非等位的隐性致死基因永远地处于一对同源染色体的不同成员上。,92,D+/+G这种永远以杂合状态保存下来，不发生分离的品系，叫做永久杂种(permanent hybrid)，或平衡致死品系(balanced lethal system)。,永久杂种并非真正不分离，但可真实遗传；D、G之间紧密连锁，相距0.7cM。若利用倒位抑制，同样使交换配子不育，结果相同。,9

30、3,三、果蝇的ClB测定法,倒位杂合体的重组率下降，所以就把倒位染色体上的倒位区段(In)作为抑制交换的显性基因或标志，而把正常染色体作为不能抑制交换的隐性标志。 ClB测定法(Crossover suppressletha1Bar technique)正是根据这一点提出的。 果蝇ClB系是一种倒位杂合体的雌蝇。其一个X染色体正常，另一个X染色体是倒位染色体。,94,ClB测定就是利用 ClBX+雌蝇，测定 X 染色体上基因的隐性突变频率 。,95,X-RAY,C l B,C l B,C l B,C l B,+ + +,+ + +,+ + +,+ + +,?,?,?,!,棒眼,非棒眼,死亡,野

31、生型,棒眼,非棒眼,死亡,可显现隐性突变和致死突变,可供下次使用,96,四、利用易位创造玉米不育系 的双杂合保持系,玉米含有缺失-重复（DP-Df）染色体的花粉一般是败育的，不能参与受精；而含有DP-Df染色体的胚囊一般可育或大部分可育，能参与受精结实。,97,双杂合体是因为Ms和ms属杂合，而DP-Df染色体和正常染色体也属杂合。,98,五、利用易位使家蚕自别雌雄,蚕的卵色B(黑)b(白)位于Chr10。用X射线处理雌蚕，将B易位到W染色体上，获得了可以鉴别雌雄性别的品系，表现为：,99,本章要求,1、结构变异的类型，及其它们的形成方式、主要生物学特征、细胞学鉴定方法和遗传效应 缺失 重复 倒位 易位 2、结构变异在遗传研究中的应用 利用缺失进行基因定位。 利用ClB测定隐性突变频率。 利用易位创造玉米不育系的双杂保持系。 3、了解诱发染色体结构变异的方法和原理,100,复习思考题,教材 P142143 1、4、6、8、10、11题,