真核生物的遗传分析

1、6 真核生物的遗传分析6.1 真核生物基因组 基因组：一个物种单倍体的染色体数目及其所基因组：一个物种单倍体的染色体数目及其所携带的全部基因。携带的全部基因。6.1.1 C6.1.1 C值悖理值悖理 C C值：一个物种基因组的值：一个物种基因组的DNADNA含量是相对稳定的，含量是相对稳定的，通常称为该物种通常称为该物种DNADNA的的C C值，即单倍体所含值，即单倍体所含DNADNA量。量。 C C值悖理：物种的值悖理：物种的C C值及其进化复杂性之间没有值及其进化复杂性之间没有严格的对应关系。严格的对应关系。6.1.2 N6.1.2 N值悖理值悖理 N N值：一个物种基因组的基因数目。值：

2、一个物种基因组的基因数目。 N N值悖理：生物的基因数目与生物在进化树上值悖理：生物的基因数目与生物在进化树上的位置不完全相关。的位置不完全相关。6.1.3 6.1.3 真核生物基因组真核生物基因组DNADNA序列的复杂度序列的复杂度 单拷贝序列（非重复序列）单拷贝序列（非重复序列） 中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列6.2 真菌类的四分子分析与作图6.2.1 6.2.1 脉孢菌的生活史与顺序四分子分析脉孢菌的生活史与顺序四分子分析 无性世代无性世代: :菌丝体菌丝体分生孢子分生孢子菌丝体菌丝体 有性世代有性世代: :四分子：脉孢菌二倍体合子减数分裂形成的四分子：脉孢菌二倍体合

3、子减数分裂形成的4个单个单倍体子囊孢子倍体子囊孢子, 称为四分子。它们以直线方式排列称为四分子。它们以直线方式排列在子囊中在子囊中,又称为顺序四分子又称为顺序四分子(ordered tetred)。1)1)减数分裂的减数分裂的4 4个产物个产物, ,呈现有规律的排列呈现有规律的排列. .2)2)8 8个子囊孢子中个子囊孢子中, ,两相邻者的基因型一致两相邻者的基因型一致. 着丝粒作图 以着丝粒作为一个座位，测定某一基因与以着丝粒作为一个座位，测定某一基因与着丝粒之间的距离，并进行基因在染色体上的着丝粒之间的距离，并进行基因在染色体上的位置作图。位置作图。 概念:A 如果着丝粒与某一对杂合基因之

4、间未发生交如果着丝粒与某一对杂合基因之间未发生交换换, ,则该基因与着丝粒同步分离。此时，一对等则该基因与着丝粒同步分离。此时，一对等位基因的分离为减数第一次分裂分离，即位基因的分离为减数第一次分裂分离，即M1M1，形，形成非交换型子囊。成非交换型子囊。 原理： 第一次分裂分离（M1）及非交换型子囊的形成B B 如果基因与着丝粒之间发生了交换如果基因与着丝粒之间发生了交换, ,则该基则该基因与着丝粒的分离不同步。此时，一对等位基因因与着丝粒的分离不同步。此时，一对等位基因的分离为减数第二次分裂分离，即的分离为减数第二次分裂分离，即M2M2，形成交换，形成交换型子囊。型子囊。 第二次分裂分离（M

5、2）及交换型子囊的形成C C 如果一对等位基因的分离发生在第一次减数分如果一对等位基因的分离发生在第一次减数分裂，则基因与着丝粒之间未发生重组；如果，两裂，则基因与着丝粒之间未发生重组；如果，两个基因的分离发生在第二次减数分裂，则说明基个基因的分离发生在第二次减数分裂，则说明基因与着丝粒之间发生了重组。因与着丝粒之间发生了重组。D D 鉴别第一次或第二次减数分裂的分离鉴别第一次或第二次减数分裂的分离, ,可根据可根据8 8个子囊孢子基因型的排列顺序。个子囊孢子基因型的排列顺序。 着丝粒距离的计算着丝粒距离的计算着丝粒与某一基因间RF= 子囊总数(或交换型子囊数)第二次分裂分离子囊数1/2100

6、%RF（着丝粒基因）=或者：MMM21100%表表6-3 6-3 粗糙脉孢菌粗糙脉孢菌LysLys+ +LysLys- -杂交子代子囊类型杂交子代子囊类型(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)(6)(6)子子囊囊类类型型+ + +- - - - -+ + + +- -+ +- - -+ +- -+ + +- - -+ +- -+ + +- -子囊型子囊型1051051291299 95 510101616分裂类型分裂类型M M1 1M M1 1M M2 2M M2 2M M2 2M M2 2未交换型未交换型交换型交换型 两个连锁基因的作图P nic + + ade n +

7、 + a (2n) 减数分裂 36种不同组合 可归纳为种基本的子囊型表6-4 粗糙脉孢菌 n + + a 杂交结果子囊型（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）四分子基因型顺序+ a+ an +n + + +n an a+ + an +n a+ an a+ +n + + an + + an + +n a+ +n a+ +n a+ an +分离发生时期M1 M1M1 M1M1 M2M2 M1M2 M2M2 M2M2 M2四分子类 型PDNPDTTPDNPDT实 得子囊数80819059015说明及分析方法：1 1、 7 7种基本子囊型中的四个基因型次序是各不一种基本子囊型中的四个基因型次序是各

8、不一样的，分别由样的，分别由7 7种不同的交换方式而来。种不同的交换方式而来。2 2、分离发生的时期：分别判断、分离发生的时期：分别判断每一对基因每一对基因分离发分离发生的时期（生的时期（M1M1或或M2M2），用于计算基因与着丝粒的），用于计算基因与着丝粒的图距。图距。3 3、子囊型分类：只考虑、子囊型分类：只考虑两对基因间两对基因间是否发生了重是否发生了重组，用于计算两对基因间的重组值。组，用于计算两对基因间的重组值。 亲二型（亲二型（PDPD）：两种基因型，与亲代相同。）：两种基因型，与亲代相同。 非亲二型（非亲二型（NPDNPD）：两种基因型，与亲代不同。）：两种基因型，与亲代不同。

9、四型（四型（T T）：四种基因型，两种与亲代相同，两）：四种基因型，两种与亲代相同，两种为重组型。种为重组型。4 4 连锁关系的判断连锁关系的判断结论：nic 与 ade 连锁连锁判断：连锁判断： 自由组合自由组合 连锁连锁 实际结果实际结果 PD/NPDPD/NPD1 PD/NPD1 PD/NPD1 898/21 898/25 5 重组值的计算重组值的计算6 6 作图：作图： 0 nic ade0 nic ade 5.05 5.25 5.05 5.25 9.3 9.310.2510.2510.2510.259.30=0.959.30=0.95，双交换的结果被遗漏了。，双交换的结果被遗漏了。子

10、子囊囊型型 每一子囊被计算为重每一子囊被计算为重 组子的染色单体数组子的染色单体数 .n na .a子子囊囊型型在所有子囊中被计算为在所有子囊中被计算为重组子的染色单体数重组子的染色单体数 .n na .a2345670 4 00 2 22 2 02 0 22 4 22 2 219059015 0 4 0 0 180 180 10 10 0 180 0 180 2 4 2 10 10 10 202+208-372 = 38 38/ 4000=0.95% 9.3+0.95=10. 25表表6-66-66.2.2 非顺序四分子遗传分析子囊：子囊： PD NPD T AB aB ab AB aB a

11、B ab Ab Ab ab Ab AB RF=1/2T+NPD/ RF=1/2T+NPD/总子囊数总子囊数100% 100% 由于由于RFRF无法校正双交换，重组值可能被低估。无法校正双交换，重组值可能被低估。根据根据PDPD、NPDNPD、T T三种子囊的频率，可以推导出两基三种子囊的频率，可以推导出两基因间平均每次减数分裂的交换数因间平均每次减数分裂的交换数(m)(m)，m m0.50.5即两即两基因间的图距。基因间的图距。a b A Ba b A BNCOSCODCO二线二线PDTA BDCO四线四线a b DCO三线三线PDA Ba b T NPDa b a b DCO三线三线A BT

12、A B如果假设双交换在四条染色单体间随机发生：如果假设双交换在四条染色单体间随机发生： DCO(DCO(所有双交换所有双交换) =4NPD) =4NPD其中其中: DCO: DCO（3 3线双交换线双交换)=T)=T（三线）（三线）=2NPD =2NPD 而而: T: T（总）（总）=SCO=SCO（单交换）（单交换）+ DCO+ DCO（3 3线双交换）线双交换）所以所以: SCO=T: SCO=T（总）（总）-DCO-DCO（3 3线双交换）线双交换） =T T（总）（总） 2NPD2NPD因此因此: m=SCO+2DCO(: m=SCO+2DCO(所有双交换所有双交换) ) =T=T（总

13、）（总）-2NPD+2-2NPD+2（4NPD4NPD） =T=T（总）（总）+6NPD+6NPD6.3 真核生物重组的分子机制6.3.1 6.3.1 重组的类型重组的类型 同源同源(Homologous recombination)重组重组:DNA :DNA 同源序列间发生的重组同源序列间发生的重组, ,或称非特异性或称非特异性重组。重组。位点特异性重组位点特异性重组(Site-specific (Site-specific recombination)recombination)：特异性序列对之间进行重组，：特异性序列对之间进行重组，在原核生物中最为典型，如将噬菌体基因组整合在原核生物中最

14、为典型，如将噬菌体基因组整合到细菌染色体中。到细菌染色体中。 转座重组转座重组(transposition (transposition recombination) )：使一段使一段DNA DNA 序列插入到另一段序列插入到另一段DNA DNA 序列中，而不依序列中，而不依赖于序列同源性。赖于序列同源性。拷贝选择拷贝选择(Copy choice)(Copy choice)：如：如RNA RNA 病毒，聚合酶病毒，聚合酶在合成在合成RNA RNA 时从一条模板链转换到另一条链上。因时从一条模板链转换到另一条链上。因此，新合成的分子把两个不同亲本中的序列信息连此，新合成的分子把两个不同亲本中的序

15、列信息连在一起。在一起。6.3.2 同源重组的特点同源重组是双链同源重组是双链DNA DNA 间的反应。间的反应。反应中涉及的酶可以用任何一对同源序列作为反应中涉及的酶可以用任何一对同源序列作为底物。底物。存在重组热点。存在重组热点。基因组中重组频率受染色体结构影响。如在基因组中重组频率受染色体结构影响。如在异染色质附近，交换受到抑制。异染色质附近，交换受到抑制。两个两个DNADNA分子序列同源区越长越有利于重组。分子序列同源区越长越有利于重组。 6.3.3 同源重组的分子模型 Holliday模型模型 Holliday R.于于19641964年提出，适用于原核类和真核年提出，适用于原核类和

16、真核类，既说明了同源重组的过程，又解释了基因转类，既说明了同源重组的过程，又解释了基因转变现象。变现象。 双链断裂起始重组模型双链断裂起始重组模型Holliday 模型6.4.1 正常分离: :重组是交互的重组是交互的, ,两等位基因分离两等位基因分离时时, ,呈现呈现2 2：2 2或或1 1：1 1：1 1：1 1或或1 1：2 2：1 1的分离。的分离。6.4 基因转变及其分子机制6.4.2 6.4.2 异常分离与基因转变 异常分离异常分离: : 减数分裂是非交互的。两等位基减数分裂是非交互的。两等位基因分离时因分离时, ,呈现呈现3 3：1 1或或1 1：3 3的分离。的分离。6-7 基

17、因转变基因转变(gene conversion)(gene conversion)：一个基因转：一个基因转变为它的等位基因的遗传学现象。变为它的等位基因的遗传学现象。 基因转变 基因转变往往伴有转换区外基因的重组，基因转变往往伴有转换区外基因的重组，但区外基因的重组是正常的交互方式，仍显示但区外基因的重组是正常的交互方式，仍显示正常的正常的2 2：2(2(或或4 4：4)4)分离。分离。染色单体转变染色单体转变 减数分裂的一个产物减数分裂的一个产物( (一条染色单体一条染色单体) )的的两条链两条链均发生了基因转变。均发生了基因转变。6 6：2 2或或2 2：6 6。6.4.3 基因转变的类型

18、半染色单体转变半染色单体转变 基因转变只影响半个染色单体，即基因转变只影响半个染色单体，即一条一条DNADNA链链。5 5：3 3或或3 3：5 5或或3 3：1 1：1 1：3 3。6.4.4 基因转变的分子机制 实质是遗传重组过程中留下的局部异源双链实质是遗传重组过程中留下的局部异源双链区，区，DNADNA错配碱基在细胞内的修复系统识别下所错配碱基在细胞内的修复系统识别下所发生的一个基因转变为它的等位基因的现象。发生的一个基因转变为它的等位基因的现象。 * *不同的切除会产生不同的结果。不同的切除会产生不同的结果。 假设用于假设用于g+ g- 杂交的两亲本仅有一对碱基杂交的两亲本仅有一对碱

19、基之差，如：之差，如： g+或或+是是 g-或或g是是 则异源双链则异源双链DNA区应为区应为 或或 如何修复不配对的碱基？如何修复不配对的碱基？两种切除方式两种切除方式基因转变的解释 两个杂种分子均未校正两个杂种分子均未校正, ,复制后出现异常的复制后出现异常的4+:4g(4+:4g(或或3:1:1:3)3:1:1:3)的分离。的分离。 只有一个杂种分子校正为只有一个杂种分子校正为+ +或或g g时，修复后出现时，修复后出现5 5：3 3（或（或3 3：5 5）的分离。）的分离。 两个杂种分子都被校正为两个杂种分子都被校正为+ +（或（或g)g)时，修复后出时，修复后出现现6 6：2 2（或

20、（或2 2：6 6）的的异常分离。）的的异常分离。 当两个杂种分子都按原来的两个亲本的遗传结当两个杂种分子都按原来的两个亲本的遗传结构进行修复时，则减数分裂的四个产物恢复成正常构进行修复时，则减数分裂的四个产物恢复成正常的配对状态，子囊孢子呈现正常的的配对状态，子囊孢子呈现正常的4 4：4 4分离。分离。6.5 体细胞交换与基因定位6.5.1 6.5.1 单倍体化与体细胞交换单倍体化与体细胞交换例例: :构巢曲霉构巢曲霉(Aspergillus nidulans(Aspergillus nidulans) ) 营养缺陷菌株营养缺陷菌株1(n) 1(n) 营养缺陷营养缺陷菌株菌株2(n)2(n)

21、 原养型菌落原养型菌落(2n) (2n) 异核体（异核体（heterocaryonheterocaryon）: :两不同基因型的体细胞两不同基因型的体细胞融合融合, ,形成同时含有两个细胞核的细胞、孢子或菌形成同时含有两个细胞核的细胞、孢子或菌丝体等称为异核体。丝体等称为异核体。合核体合核体: :大量异核体中的核保持单倍体状态大量异核体中的核保持单倍体状态, ,少数少数单倍体细胞核融合成为二倍体细胞核单倍体细胞核融合成为二倍体细胞核, ,即合核体即合核体. .如如: :构巢曲霉野生型分生孢子是绿色的构巢曲霉野生型分生孢子是绿色的(w(w+ +y y+ +),),突突变型有黄色变型有黄色(w(w

22、+ +y y- -) )和白色和白色(w(w- -y y+ +) )分生孢子。分生孢子。 A-B+w+y A+B-wy+ A-B+w+y- 产生的分生孢子有黄色、产生的分生孢子有黄色、 A+B-w-y+ 白色、也有绿色（合核体）白色、也有绿色（合核体） 分离子：重组体和非整倍体或单倍体的总称。即分离子：重组体和非整倍体或单倍体的总称。即分离子产生的途径包括有丝分裂不分离和体细胞分离子产生的途径包括有丝分裂不分离和体细胞交换。交换。单倍体化：体细胞在有丝分裂过程中单倍体化：体细胞在有丝分裂过程中, ,由于染色由于染色体不分离产生非整倍体或单倍体的过程。体不分离产生非整倍体或单倍体的过程。体细胞交

23、换：体细胞在有丝分裂过程中体细胞交换：体细胞在有丝分裂过程中, ,同源染同源染色体间发生的染色体交换。色体间发生的染色体交换。MMM+M+或M+M+MMMMM+M+MMM+M+MMM+M+MM+MM+MM+ MMM+ M基因型表型MMM+M+MMM+M+基因型表型MMM+ MM+野生型有丝分裂不分离正常不分离2n2n2n-12n+1aaa+a+aaa+a+(+(丢失）丢失）aaa+有丝分裂染色体丢失2n2n2n-1a b ca b ca b cA B C A B CA B CA B Ca2n+1 b c2n-1a b cA B CA B Ccn+1A B CA B C有丝分裂有丝分裂(a)(a

24、)不分离不分离; ; 丢失丢失a a染色体染色体; ;丢失丢失b b染色体；染色体；失去失去c c染色体。染色体。2nn单倍体化过程体细胞交换 paba y + ad8 + + + ad16 + bi1234 paba y + ad8 + + + ad16 ad8 + paba y + + bi + + ad16 + bi1+32+4构巢曲霉的体细胞重组(y-sn)(sn-)(y-sn- )y + sny + sny + sny + sny + sny sn+ +y +y + sn+ sny + +y sn+ sn单纯黄体野生型黄体焦刚毛野生型焦刚毛1234果蝇体细胞有丝分裂交换6.5.2 有

25、丝分裂交换与基因定位原理：体细胞同源染色体的交换导致染色体远端的杂合基因纯合。离着丝粒愈近的基因纯合的机会愈小，愈远的愈大，而且，着丝粒一端的基因纯合影响着着丝粒另一端基因的纯合。 如果两个染色体臂的基因同时出现纯合化，有可能是一条染色体丢失的结果。 d a b c+ + + +1234 d a b c+ + + c d a b c+ + + + d a b c+ + b c d a b c+ + + + d a b c+ a b c 有丝分裂基因定位原理131313如：构巢曲霉ad pro pdb y + + + +ad pro pdb y+ + + +产生黄色、绿产生黄色、绿色分生孢子。色分生孢子。其中其中黄色分生黄色分生孢子：单倍体孢子：单倍体（y)y)和二