第2章-孟德尔定律.ppt

1-1LawofSegregation,GregorJ.Mendel1822-1884,WhywasMendelsuccessful?,选材（Choseagoodgeneticorganism）:shortlifecycle(生活周期短);largeprogeny(大量的后代);Severalvariablecharacterswithtwodiscretetraits(许多稳定的、易于区分的性状）,easytoscore(yelloworgreen)Selffertilize(自花受粉),canproducepurelines(纯系)cancrossfertilize(杂交)量化结果（Quantifiedresults）.,Peas(PisumsativumL.)canselffertilize.,Peas(PisumsativumL.)cancrossfertilize.,孟德尔实验及其分析,孟德尔实验及其分离定律的归纳孟德尔分析的关键性名词概念,Mendelchoseseventraitstostudy.,Traitontheleftisdominant（显性）.Traitontherightisrecessive（隐性）.,Thefirstexperiment:monohybridcross,PurebreedingroundPurebreedingwrinkledHybridsallround(roundisdominant;wrinkledisrecessive)Roundpeaswrinkledpeas5,4741,850,ParentalGeneration(P)FirstFilialGeneration(F1)SecondFilialGeneration(F2),WrinkledreappearsinF2,unchangedinphenotypeandbreedingbehavior.Ratioofround:wrinkled3:1.,Allwrinkled,wrinkledround,(3:1),5,474roundpeasGrow565intoplantsallowtoselffertilize（自交）,193plantsproduced372plantsproducedonlyroundpeasroundandwrinkledpeas,RatioofF2plantsproducing(onlyround):(roundandwrinkledF3progeny)is1:2.Therefore3:1phenotypicratiois1:2:1ratiobasedonbreedingbehavior(purebreedinground:hybrids:purebreedingwrinkled.,ThirdFilialGeneration(F3),豌豆的性状：种子：圆粒或皱缩种子颜色：黄色或绿色成熟豆夹的形态：饱满或压缩未成熟豆夹的颜色：绿色或黄色花的颜色：紫花或白花花着生的位置：枝腋生或枝顶生茎的长度：高茎(9-18英吋)或矮茎(6-7英呎),孟德尔推断(MendelsInferences)中的三原则,1.单位性状原则：一个遗传因子（hereditaryfactor）决定一个性状。2.显隐性原则：决定相对性状的遗传因子在一起的时候，有显性和隐性的区别。3.分离原则：遗传因子在体细胞里成双存在，形成配子时成对遗传因子分离，因此遗传因子在生殖细胞里成单存在，受精以后又恢复到成双状态。由于分离和显隐性的关系，在豌豆杂交的子一代中得到3:1的比例。,HowdidMendelexplainthe3:1and1:2:1ratios?,Howtotesthisinferences?,测交TestCross:Breedingahomozygousrecessivewithadominantphenotype(unknowngenotype)candetermineanunknownallele.,MendelsFirstConclusion:分离定律（LawofSegregation）,Allallelepairsrandomlysegregateduringgameteformation（配子形成过程中等位基因随机分离）Pairedconditionrestoredwithfusion(fertilization)（成对基因在受精后得到恢复）,实现孟德尔分离比的条件：,1.F1代个体形成的配子数目相等，生活力相同；2.配子结合的机会是相等的；3.到观察时，F2代3种基因型个体的存活率相等；4.显性是完全的；5.F2应有足够的个体。,孟德尔规律走在了时代的前面,孟德尔时代的生物学水平对受精现象没有肯定下来，细胞的减数分裂还没有发现，还不知道什么东西在体细胞里成双存在，在性细胞里成单存在，孟德尔走在了其时代的前面。孟德尔曾把他的论文送给当时欧洲有名望的植物学家，但他们不置可否。,BasicTerminology,性状(Character):isafeaturethatisheritable.生物表现出来的形态特征和生理生化特征.基因(gene):apartofachromosomewhichdeterminesacertaintrait.基因座(locus):Locationonachromosomeofgene表示在给定的一条染色体上的一个基因的位置。等位基因(allele):Analternativeformofagene表示在一个给定基因座内一个基因的替代形式(一个或多个形式)。显性基因(dominantgene):ageneallelewhichisalwaysexpressedwhenitispresent,regardlessofwhetheritishomozygousorheterozygous.隐性基因(recessivegene):ageneallelewhichisnotexpressedifitisintheheterozygousstate.,基因型(genotype):thegeneticmakeupofanorganism一个生物体的全部基因组成，可以指一个基因座，也可以指限制性的若干基因座.表现型(phenotype):指一个生物体能够被观察到的总体特征，是基因型和环境因素相互作用下的可见结果。纯合体(homozygous):apairofalleleswhichareidentical某个体在一个给定的基因座上具有两个相同的等位基因杂合体(heterozygous):asinglepairofalleleswhichareunlikeeachother某个体在其一个给定的基因座上具有两个不同的等位基因杂交（hybrid）:offspringresultingfromcrossbreedingtwotruebreedinglines.测交（testcross):Breedingahomozygousrecessivewithadominantphenotype(unknowngenotype).PTruebreedingparentgeneration;F1First“filial”generation;F2Second“filial”generation.,1-2LawofIndependentAssortment,一、孟德尔的双因子杂交试验二、自由组合定律的归纳及其扩展三、孟德尔学说的核心四、人类简单孟德尔遗传五、豌豆皱缩性状的分子机制,Dihybridcrosses,R/R;Y/Y(round,yellow),r/r;y/y(wrinkled,green),R;Y,r;y,Twohypotheses:dependentorindependentassortment（自由分离）,9:3:3:1RATIO,WecanuseaPunnettSquaretoshowthataselfcrossofdihybridsproducinggametesina1:1:1:1willgeneratea9:3:3:1phenotypicratio.,femalegameteRYRyrYry,RYRyrYry,malegamete,MendelsSecondConclusion:自由组合定律（LawofIndependentAssortment）,形成配子时，同一对等位基因发生分离，不同对的基因自由组合。,测交验证（DihybridTestCross）TestCrosswithmultipletraits:Sameaswithonetrait!thetestcrossisRrYyrryy,二、自由组合定律的归纳及其扩展,一般情况下：F1配子分离比为1:1:1:1F2表型分离比为（3:1）2，即（3/41/4）2二项式展开的各项系数,表2-4杂交所包括的基因对数及基因型和表型,三、孟德尔学说的核心,颗粒遗传（particulateinheritance)每一个遗传因子是一个相对独立的功能单位；因子的纯洁性；因子的等位性。-孟德尔遗传的精髓,1902年，英国Garrod医生认为黑尿酸症是常染色体隐性遗传病；1903年，人类家族性A1型短指（趾）症是常染色体显性遗传病；1908年发现ABO血型是常染色体单基因遗传性状；至1991年，发现的人类单基因遗传性状达4325个。,四、人类简单孟德尔遗传,雀斑,徐道觉最先报道了折叠舌性状,抗日战争胜利后，浙江大学由贵州迁回杭州。在一次遗传学课上，徐道觉介绍卷舌性状，一位钱姓女生举手发言，告诉大家她的舌头不仅会卷，还会向上折叠，并做了表演。徐道觉以此为线索进行了调查研究，发表了两篇论文报道了这个性状。HsuT.C.Tongueupfolding:Anewlyreportedheritablecharacterinman.Journalofheredity,1948,39:186188.LiuT.T.,HsuT.C.Tongue-foldingandtongue-rollinginasampleoftheChinesepopulation.Journalofheredity,1949,40:1920.,人类常染色体遗传病,常染色体单基因显性遗传病人类家族性A1型短指（趾）症、软骨发育不全、高胆固醇血症、神经纤维瘤、视网膜母细胞瘤、Huntington舞蹈病等常染色体单基因隐性遗传病黑尿酸症、白化病、苯丙酮尿症、半乳糖血症、镰刀形细胞贫血症等,人类家族性A1型短指（趾）症,A1型短指（趾）症：1903年，哈佛大学医学院博士毕业生法拉比（Farabee）首次在其毕业论文中报道，即世界上第一例孟德尔常染色体显性遗传病，以后作为遗传学的经典例子被全世界的生物学和遗传学教材广泛引用。上海交大贺林实验室利用布依族、苗族和汉族的三个A1型短指（趾）症大家系，对该病的致病基因进行了定位（定位于2q35-36区）、克隆，首次发现人IHH基因和该基因上的三个突变位点是导致A1型短指（趾）症的直接原因。,人类家族性A1型短指（趾）症,上海交大贺林克隆了人类家族性A1型短指（趾）症基因,XinpingYang,ChaowenShe,JingzhiGuo,etal.ALocusforBrachydactylyTypeA-1MapstoChromosome2q35-q36.TheAmericanJournalofHumanGenetics,66(3):892-903(March2000)BoGao,JingzhiGuo,ChaowenShe,etal.MutationsinIHH,encodingIndianhedgehog,causebrachydactylytypeA-1.NatureGenetics28,386-388(16July2001)BoGao,JianxinHu,SigmarStricker,etal.AmutationinIhhthatcausesdigitabnormalitiesaltersitssignallingcapacityandrange.Nature458,(2009)高波和胡建新等.IHH基因点突变通过改变IHH蛋白信号能力和信号距离导致指(趾)畸形nature，2009年3月揭示了A-1型短指（趾）症致病机理.,五、豌豆皱缩性状的分子机制,Bhattacharyya,M.K.,Smith,A.M.,NoelEllis,T.H.,Hedley,C.andMartin,C.Thewrinkled-seedcharacterofpeadescribedbyMendeliscausedbyatransposon-likeinsertioninageneencodingstarch-branchingenzyme.Cell,1990,6:115-122.Lester,D.R.,Ross,J.J.,Davies,P.J.andReid,J.B.Mendelsstemlength(Le)encodesagibberellin(赤霉素)3beta-hydroxylase.PlantCell,1997,9:1435-1443.,豌豆圆粒(RR)和皱粒(rr)在淀粉含量和性质上存在差异。1903年，R.P.Gregory发现，RR豌豆种子淀粉粒数目多、大且单一；而rr种子淀粉粒数目少、小且多角。RR种子淀粉的含量比rr的高，并且支链淀粉与直链淀粉的比例也要高(greenwood&Thomson,1962).rr种子可溶性蔗糖的含量高于RR种子。以上证据表明，rr种子的淀粉合成受到了阻碍(Smith,1988)。rr种子淀粉合成量减少，且直链淀粉转变成支链淀粉的过程受阻，细胞中游离的葡萄糖和蔗糖含量升高，渗透压增高，细胞吸收的水分多，因而在种子发育早期，种子吸水膨胀；干燥时，种子收缩，于是产生皱缩的表型。1988年，英国JohnInnes研究所的Smith等发现淀粉分支酶(SBE1,isoform1ofstarch-branchingenzyme)的活性在确定rr种子淀粉含量方面起重要作用，淀粉分支酶是催化直链淀粉转变为支链淀粉的一种酶。,1989年，巴塔卡雅(M.K.Bhattacharyya)和Smith等克隆了编码淀粉分支酶(SBE1)的DNA片段，并确证它位于r位点。,r基因是在R基因靠近3端插入了一个0.8kb的类转座子(transposon-like)Ips-r，Ips-r的两个末端为12bp的倒转重复序列：TAGGGGTGGCAAATCCCCACCGTT。在类转座子的两个侧翼为8bp的正向重复序列：AGTAGAATTCATCTTA,Efficientform,ofStarch,Branching,Enzymein,Early,Development,Inefficient,formof,Starch,Branching,Enzymein,Early,development,Enzyme+,substrate,Enzyme+,substrate,High,StarchOutput,(more,amylopectin,thanamylose),Low,StarchOutput,(moreamylose,than,amylopectin),RR,rr,Low,Sucrose,Content,High,Sucrose,Content,Granuleslarge,andkidney,beanshaped,Granulessmall,andfissured,(sanddollar-,like),High,Osmotic,Potential,Normal,Osmotic,Potential,Normal,WaterContent,Water,Accumulates,Altered,Metabolism,LateinSeed,Development,OtherStarch,Producing,Enzymes,Stimulated,SeedRemains,PlumpDuring,Dehydration,SeedShrivels,Easilyduring,Dehydration,Round,Phenotype,Wrinkled,Phenotype,Figure1.TheinfluenceofRandrallelesonphenotype.AKAWhydoMendelsPeasWrinkle?,ReadBhattacharyyaet.al.,1990.,有效的淀粉分支酶同工酶,无效的淀粉分支酶同工酶,支链淀粉,直链淀粉,高糖-高渗透压-水分降低,在玉米、大麦等其它植物中也发现了皱缩表型，其皱缩性状的产生机理与豌豆类似。r座位上SBE1的克隆有助于理解显性和隐性的实质：显性基因和隐性基因是类似的DNA片段；显性基因一般形成有功能的酶，当它发生突变，例如其中插入另一段DNA，那么它就不能正常行使功能而成为隐性基因；隐性基因形成的酶可能是异常的，或者根本不能形成有功能的蛋白质。,豌豆皱皮基因的克隆是正向遗传学的典范,经典的正向遗传学是通过杂交等手段研究品种表型的变化、并推测遗传基因的组成和传递规律，其认知路线是由表及里。反向遗传学是在已知基因序列的基础上，利用现代生物理论与技术，通过核苷酸序列的突变、插入等手段创造突变体并研究其表型效应，分析鉴定基因的功能。反向遗传学的认知路线是由里及表，即直接从生物的遗传物质入手来研究基因的生物学功能。,1-3遗传学数据的统计学处理,一、两个重要的概率法则二、分支法计算遗传比率三、适合度测验,乘法法则TheProductrule(theANDrule):Theprobabilityoftwoindependentoutcomesoccurringsimultaneouslyistheproductoftheirindividualprobabilities.加法法则TheSumrule(theORrule):Theprobabilityoftwomutuallyexclusiveoutcomesoccurringisthesumoftheirindividualprobabilities.,Twoimportantprobabilityrules,Butwecanusetheproductrule（乘法法则）Theprobabilityofgettinground,yellowpeasistheprobabilityofgettingroundpeasANDtheprobabilityofgettingyellowpeas.(3/4)(3/4)=9/16Theprobabilityofgettinground,greenpeasistheprobabilityofgettingroundpeasANDtheprobabilityofgettinggreenpeas.(3/4)(1/4)=3/16Theprobabilityofgettingwrinkled,yellowpeasistheprobabilityofgettingwrinkledpeasANDtheprobabilityofgettingyellowpeas.(1/4)(3/4)=3/16Theprobabilityofgettingwrinkled,greenpeasistheprobabilityofgettingwrinkledpeasANDtheprobabilityofgettinggreenpeas.(1/4)(1/4)=1/16,二、分支法(BranchingPathway)计算遗传比率:,F1genoty