高中生物竞赛 第九章 染色体畸变课件

1、第九章 染色体畸变Chromosome Aberration基本概念染色体畸变指染色体的结构或数目发生了异常的变化。染色体畸变可能是自发的，也可通过化学物质或放射线处理而诱发；染色体结构变异包括缺失、重复、倒位、易位四类；一对同源染色体存在相同的结构改变称结构纯合体，若仅其中一条染色体结构发生改变叫结构杂合体；染色体数的改变分为两类，一类是整倍体，另一类是非整倍体；整倍体是增加或减少整套的染色体，非整倍体是增加或减少一条或几条染色体；6.1 断裂愈合学说(breakage-reunion hypothesis)染色体断裂愈合学说(breakage-reunion hypothesis)是由St

2、adler (1931,1932), Sax (1938, 1941), Muller (1932,1938,1954),Wolff(1961)及Evans(1962)相继建立。该学说认为：断裂是自发产生或者由诱变剂诱发，一般在原来的位置按原来的方向通过修复而重聚，此现象就称为重建(restitution)。若经重建改变原来的结构则称为非重建性愈合；若染色体断裂后的片段(不含着丝点)丢失，留下游离的断裂端，则称为不愈合。6.2 染色体结构变异染色体结构变异可分为四种类型。缺失(deletion)：失去了部分染色体片段；重复(duplication)：增加部分染色体片段；倒位(inversion

3、)：染色体片段作180的颠倒再重接在染色体上；易位(translocation)：两条非同源染色体之间发生部分片段的交换。一对同源染色体其中一条是正常的而另一条发生了结构变异，含有这类染色体的个体或细胞称为结构杂合体(structural heterozygote)。若一对同源染色体产生了相同的结构变异，则称为结构纯合体(structural homozygote)。染色体结构变异能导致4种遗传效应：染色体重排(chromosomal rearrangements)；核型的改变；形成新的连锁群；减少或增加染色体上的遗传物质。6.2.1 缺失(deletion) 6.2.1.1 缺失的类型 1)

4、、末端缺失(terminal deletion) 末端发生缺失。由于丢失了端粒，故一般很不稳定，常和其他染色体断裂片段愈合形成双着丝点染色体或易位；也可能自身首尾相连，形成环状染色体。双着丝点染色体在有丝分裂中都可形成断裂融合桥(breakage fusion bridge)，由于分裂时桥的断裂点不稳定，可造成新的重复和缺失。 2)、中间缺失(interstitial deletion) 染色体中部缺失了一个片段。这种缺失较为稳定，故较常见。ABCFDEGHNormalAFDEGHBCFDEGHInterstitialTerminal123123123环状染色体自我连接断裂-融合桥456125

5、4双着丝点染色体12 645 3平衡易位123123132末端缺失中间缺失35 445312124 312351245缺失5重复5断裂融合桥(breakage fusion bridge)6.2.1.2 缺失的细胞学和遗传学效应1)、在减数分裂同源染色体配对时，缺失杂合体出现特征性的环状结构缺失环(deletion loop)。2)、致死或出现异常。如人类的猫叫综合症(cat cry syndrome)是由于第5号染色体短臂缺失所致。12312377456deletion loopNormal chromotidsDeletion chromotids3)、假显性(pesudo-dominan

6、ce) 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位置上的隐性基因就得以表现，这一现象称为假显性。如果蝇的缺刻翅遗传。 +Nw红眼缺刻翅X+XN白眼正常翅XwY+w红眼正常+红眼正常wN白眼缺刻N死亡+ + + + + + +b+ + + + + + +a+ + + + + + +Recessive b phenotypeRecessive c phenotypeWild type6.2.1.3 缺失与进化 进化的趋势是基因组C值的增加，而缺失减小C值，因此它在进化中没有直接的作用。6.2.1.4 缺失的应用 作为一种研究手段用来探测某些调控元件和蛋白质的结合位点，如E.c

7、oli的复制起始区的分析等。 利用假显性原理可以进行基因的缺失定位(deletion mapping)。6.2.2 重复(duplication)6.2.2.1 重复的类型1)、顺接重复(tandem duplication) 重复片段与原有片段毗邻且方向相同。2)、反接重复(reverse duplication) 重复片段与原有片段毗邻但方向相反。3)、异位重复(displaced duplication) 重复片段位于染色体其它位置或其它染色体上。ABCFDEGHBCFADEGHBCCBFADEGHBCABCFDEGHBCNormalTandemReverseDisplacedABCFD

8、EGHBCAABCFDEGHBCAAFDEGHBCFADEGHBCOverlap of homologuesSimultaneous breakReunion of homologues6.2.2.2 重复的细胞学和遗传学效应1)、染色体重复与正常染色体联会时，在粗线期的染色体上会出现环状突起。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。可能是随位置的改变也改变了和5端调控元件的关系和距离，从而影响基因的表达。 按表型效应的稳定性可把位置效应分为两类，一类叫稳定位置效应(stable position e

9、ffect)，又称S型位置效应，如果蝇的棒眼遗传。另一种位置效应是不稳定的，称为花斑位置效应(variegated position effect)，也称为V型位置效应，常由易位而引起。果蝇棒眼的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。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。棒眼作为一个纯系很不稳定，大约16002000个子代个体中，会出现一个野生型的正常复眼和一个眼睛更窄小的棒眼，名为“双棒眼”。正常复眼由约800个小眼组成，棒眼约有70个小眼，而双棒眼只有45个小眼。 Stu

10、rtevant 通过实验,认为棒眼转变的现象，是由于同源染色体发生了不等交换(unequal crossover)。Bar+BarffuCrossover pointDoublebar+fWild-type+fuWild-typeHeterozygous Bar Homozygous BarHeterozygousDoublebarB+ / B+B / B+B / BBB / B+800 facets350 facets70 facets45 facets 3)、剂量效应(dosage effect) 如在细胞或个体中既有重复又有缺失，总的基因组平衡的话，除染色体重排引起的效应外，个体表型是正

11、常的。但若总量因重复而增加，那么某些基因及其产物的剂量也随之增加，如这些基因或产物十分重要的话必然会引起表型异常。6.2.2.3 重复与进化 重复增加基因组含量和新基因，是进化的一种重要途径。6.2.1.4 重复的应用 通过重复可以研究位置效应。在细胞学研究中可以通过重复来给某一染色体进行标记。 在育种中可用来固定杂种优势。对A/a来说因A，a会分离，但如通过不等交换获得了顺式，就不会分离而可固定杂种优势。6.2.3 倒位(inversion)6.2.2.1 倒位的类型1)、臂内倒位(paracentric inversion) 倒位片段不含着丝粒。2)、臂间倒位(pericentric in

12、version) 倒位片段含着丝粒。ABCFDEGABCFDEGABCFDEGParacentricABCFDEGABCFDEGACBFEDGPericentric6.2.3.2 倒位的细胞学和遗传学效应1)、产生倒位环(inversion loop)。ABCFDEGABCFDEGParacentricADFGADFGBCBCEEPericentricSingle inversionMultiple inversion2)、抑制倒位区内的重组，形成假连锁。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，不能形成有功能的配子，因而好象被抑制了，或

13、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)。据Schultz和Redfield(1951)在果蝇中的研究发现，一对染色体的杂合倒位，能增加同一染色体组中的非倒位片段的交换发生。这种现象称为Schultz-Redfield效应。3)、倒位杂合体育性降低，表现部分不育。ParacentricParacentricPericentric6.2.3.3 倒位的应用1)、ClB技术 是摩尔根学生Muller在20世纪20年代利用果蝇建立的一套检测基因隐性突变和致死突变的技术。 C表示交换(crossover)，Muller选择了X染色体上存在倒位

14、的果蝇，目的是抑制交换。 l 指致死基因(lethal)，即在倒位的X染色体上带有一个隐性致死基因。 B指棒眼(Bar)基因，为显性突变。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？可显现隐性突变和致死突变C l B+ + +棒 眼可供下次检测用选择雄雄果蝇作为待测对象是因为： 一只雄果蝇可和多只雌蝇交配，这样筛选突变的样本增加了。 雄果蝇是完全连锁的，不会发生交换。用ClB雌果蝇有以下的优点： 用C可抑制交换，使得结果明确，不受重组的干扰。 B作为一

15、种标记易区分两类雌蝇，可将ClB品系分离出来。 使一半无待测X染色体的雄蝇致死。2)、平衡致死品系(balanced lethal system) 这是利用倒位的交换抑制效应，为了同时保存两个致死基因而设计建立的果蝇品系。 保存一个隐性基因必须使之处于纯合状态,因只有纯合体才能真实遗传。但致死基因不能以纯合保存,因纯合体是致死的,只能以杂合体状态保存。 Muller提出可用另一个致死基因来“平衡”。其先决条件是,两个致死基因紧密连锁,极不易发生交换,或是利用倒位抑制交换,使两个非等位的隐性致死基因永远处于一对同源染色体的不同成员上。展 翅D + + +粘胶眼 + Gl + +展 翅D + +

16、+展翅粘胶眼D + Gl野生型+ + + +粘胶眼 + + + Gl平衡致死系的形成死 亡D +D +展翅粘胶眼D + Gl永久杂种并非真实不分离，但可真实遗传展翅粘胶眼D + Gl展翅粘胶眼D + Gl+ Gl + Gl死 亡展翅粘胶眼D + Gl6.2.4 易位(translocation)6.2.4.1 易位的类型1)、相互易位(reciprocal translocation) 非同源染色体之间相互置换了一段染色体片段。2)、插入易位(interstitial translocation) 一条染色体片断插入到非同源染色体区段之中。3)、罗伯逊式易位(Robertsonian tran

17、slocation) 也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；短臂相互连接成交互的产物，常在细胞分裂中丢失。ABCFDEMNQOPAFDEMNQOPBCInterstitial translocationABCFDEMNQOPABCQOPMNFDEReciprocal translocationRobertsonian translocation6.2.4.2 易位的细胞学效应 相互易位杂合体在Metaphase I 由于同源部分的紧密配对而出现特征性的十字形图像。 随着分裂的进行，十字形图像逐渐开放形成一个环形或双环状的“8”字形。 到

18、Anaphase I ，染色体表现出不同的分离方式：相邻分离1(adjacent segregation-1)相邻分离2(adjacent segregation-2)交互分离 (alternate segregation)减数分裂中期 I 的相互易位杂合体ABCFDEMNQOPFEDABCOQPMN1234相互易位杂合体在减数分裂后期 I 的三种分离方式Alternate Adjacent-1Adjacent-21 34 213241342143212341324Alternate 产生的配子是正常的和平衡易位的，可存活Adjacent-1,2 产生的配子都有缺失和重复，是不可育的6.2.4

19、.3 易位的遗传学效应1)、假连锁现象(pesudolinkage) 非同源染色体上的基因在形成配子时相互不能自由组合的现象称为假连锁。由于只有交互分离的产物可育，邻近分离的产物不可育，这样自由组合的类型就不会出现在后代中。2)、花斑型位置效应(variegated position effect) 指由于位于常染色质区的基因经易位而移到异染色质区或其附近，引起这一基因的异染色质化，使其作用受到抑制，表现出不稳定的表型效应。如果蝇的红眼基因W+易位。bwbwee褐眼黑檀体+表型:野生型2332bwbwee+bwe2/23/3/32易位杂合体bwbwee褐眼黑檀体+bw+e野生型+bwee致死:

20、2缺失,3重复+ebwbw致死:3缺失,2重复果蝇假连锁现象当果蝇X染色体上的红眼基因W+易位到异染色质区时会出现红白相间的复眼3)、基因重排导致癌基因(oncogene)的活化产生肿瘤4)、异位可导致人类家族性染色体异常6.2.4.4 易位、倒位与进化 易位和倒位与进化较为密切，它们是引起爆发式新种起源的重要途径。6.2.4.4 易位的应用 用于动、植物育种。 利用易位控制虫害：方法是以适当剂量的放射线照射雄虫，导致易位，使其后代约50%不能孵化，出现半不育。6.3 染色体数目的改变一套基本的染色体数目称为一倍体数(x)。带有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体(euploid)。整倍体可分为

21、一倍体、二倍体、多倍体。单倍体数(n)是指配子中所含的染色体数。大部分动、植物的单倍体数一倍体数是相同的。n和x可以交替使用。但在某些植物如小麦其n和x的意义是不同的。少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完整的染色体，而不发生整套染色体的增减，称为非整倍体(aneuploid)。6.3.1 整倍体(euploid)6.3.1.1 二倍体和单倍体大多数真核生物是二倍体(diploid)。单倍体(haploid)含有配子染色体数目。由二倍体产生的单倍体也称为一倍体(monoploid)。雄性蜜蜂、黄蜂、蚁都是一倍体。单倍体一般可由无融合生殖产生，也可通过花粉和花药培养来获得。单倍体植株矮小，生活力

22、很弱，而且完全不育。单倍体通过染色体加倍，可获得纯合的二倍体。6.3.1.2 多倍体(polyploid)具有2套以上染色体组的细胞或个体称为多倍体。染色体加倍可自然发生，也可利用秋水仙素等方法人工诱发。秋水仙素的作用主要是抑制细胞分裂时纺缍丝的形成，使已复制并分开了的子染色体不能分向两极，而仍留在一个细胞内，染色体就由此加倍。显花植物中有许多物种是多倍体，在大约15200种的显花植物中多倍体物种约占50%。单子叶植物中多倍体物种占90%以上的有天南星科、鸢尾科、龙舌兰科、兰科等。1)、同源多倍体(autopolyploid)具有2套以上相同染色体组的细胞或个体称为同源多倍体，通常是由同一物种

23、的染色体加倍而成。同源四倍体与其原来的二倍体相比，茎粗叶大，花器、果实、种子等也大些，叶色也较深。但也出现叶子皱缩、分蘖减少、生长缓慢、成熟延迟及育性降低等不良反应。同源三倍体的主要特点是高度不育，基本上不结种子。但许多三倍体植物都具有很强的生活力，营养器官十分繁茂。2)、同源多倍体减数分裂和基因分离的特点同源三倍体同源三倍体在减数分裂前期或形成一个三价体，或形成一个二价体和一个单价体，无论何种配对方式，最后都是一条染色体走向一极，另两条走向一极。具有两条染色体的配子(2n)的概率是(1/2)n，具有一条染色体的配子(n)的概率也是(1/2)n 。三倍体所产生的绝大多数配子的染色体数目是在n和

24、2n之间，这些配子的染色体都是不平衡的。TrivalentBivalent Univalent +同源三倍体联会的可能方式同源四倍体同源四倍体联会时可形成一个四价体，或一个三价体和一个单价体，或两个二价体等。如果同源四倍体的各个染色体在减数分裂中期 I 都以四价体或二价体的构型出现，则后期 I的分离将基本上是均等的，形成的配子多数是可育的。但多数物种的同源四倍体都是部分不育或高度不育，主要原因是三价体和单价体的频率较高，染色体分配不均衡，造成配子的染色体组成不平衡。同源四倍体在减数分裂是的可能配对方式Quadrivalent Two bivalents Trivalent Univalent

25、+同源四倍体对于基因(A,a)来讲，二倍体有3种基因型，四倍体有5种基因型。即：AAAA(四显体quadruplex)、AAAa(三显体triplex)、Aaaa(二显体duplex)、Aaaa(单显体simplex)、aaaa(无显体nulliplex)。3种杂合体分离形成配子的种类和比例，取决于其是按染色体随机分离(基因座位和着丝粒紧密连锁，不发生交换)还是按染色单体随机分离(基因座位和着丝粒距离较远，要考虑交换)。1234AAaa12AA34aa13Aa24Aa14Aa23Aa配对由于纺缍丝的随机拉动形成配子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同源四倍体AAaa二显体的基因分离基因型配子种类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同源四倍体某座位的等位基因按染色体随机分离3)、异源多倍体(allopolyploid)两个或两个以上的不同物种杂交，它们的杂种经染色体加倍形成的多倍体称异源多倍体，也称作双二倍体(amphidiploid)。异源多倍体是可育的。普通小麦、棉花、烟草、油菜和甘蔗等都是异源多倍体，它们是长期进化的产物。人工创造异源多倍体的

27、途径，一般也是先杂交，再将杂种染色体加倍。但为了保证杂交的成功，其原始亲本之间大都是有一定亲缘关系的。一粒小麦T.monococum2n=14AA斯氏山羊草(或拟斯卑尔脱山羊草)T.searsii(或T.Aegilops speltoides)2n=14BBAB不育杂种染色体加倍拟二粒小麦T.dicoccoides2n=28AABB滔氏麦草T.tauschii2n=14DDABD不育杂种染色体加倍普通小麦T.aestivum2n=42AABBDD异源六倍体普通小麦可能的起源途径花椰菜(2n=18)B.oleracea阿比西尼亚芥菜(2n=34)B.carinata黑芥菜(2n=16)B.nig

28、ra芜菁(2n=38)B.napus中国甘蓝(2n=20)B.campestris卷叶甘蓝(2n=36)B.juncean=9n=9n=8n=8n=10n=10芸苔属植物中由三个亲本种相互杂交，经染色体加倍形成了不同的四倍体新种人工创造的异源多倍体是由G.Karpechenko于1928年合成的萝卜甘蓝.将萝卜(Raphanus sativa, 2n=18)与甘蓝(Brassica oleracea,2n=18)杂交，杂种经染色体加倍形成了一个新种萝卜甘蓝(Raphanobrassice),其与预期目的相反长出了萝卜的叶子和甘蓝的根。虽没经济价值，但提供了产生种间和属间杂种的可能性及在短期内人工创造新物种的方法。异源八倍体的小黑麦(Triti