第六章染色体变异(好)

第六章染色体变异ChromosomeAberration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；染色体数目的改变分为两类，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-reunionhypothesis)染色体断裂愈合学说(breakage-reunionhypothesis)是由Stadler(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。第一节染色体结构变异染色体结构变异可分为四种类型:

①缺失(deficiency)：失去了部分染色体片段；

②重复(duplication)：增加部分染色体片段；

③倒位(inversion)：染色体片段作180℃的颠倒再重接在染色体上；

④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(structuralheterozygote)。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(structuralhomozygote)。染色体结构变异能导致4种遗传效应：

①染色体重排；

②核型的改变；

③形成新的连锁群；

④减少或增加染色体上的遗传物质。6.2.1缺失(deficiency)

6.2.1.1缺失的类型1)、顶端缺失(terminaldeficiency)顶端发生缺失。由于丢失了端粒，故一般很不稳定，故较少见。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(breakagefusionbridge)，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(interstitialdeficiency)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456＋1254双着丝点染色体126453相互易位123123132＋顶端缺失中间缺失35445312124312351245缺失5重复5断裂融合桥(breakagefusionbridge)基本概念断片（fragment):双着丝点染色体（dicentricchromosome):123断片1254双着丝点染色体基本概念缺失杂合体（dificiencyheterozygote）：缺失纯合体（deficiencyhomozygote）：ABCFDEHABCFDEHABCFDEGHBCFDEGH6.2.1.2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(deletionloop)。2)致死或出现异常。如人类的猫叫综合症(catcrysyndrome)是由于第5号染色体短臂缺失所致。12312377456deletionloopNormalchromotidsDeletionchromotids3)假显性(pesudo-dominance)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++++++++++++c+++++++++++++++RecessivebphenotypeRecessivecphenotypeWildtype（三）缺失的遗传效应含缺失染色体的配子败育假显性现象人类的“猫叫综合症”等遗传病猫叫综合症（cri-du-chatsyndrome,或catcrysyndrome）是Lejeune等在1963年首先报导了三例，患儿的哭声似猫叫，故得名。它是由于5号染色体短臂缺失（5P-）所致,因而又称5P-综合征，发病率约为1/10万，女性多于男性，并有生长和智能发育不全。6.2.1.3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.coli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(deletionmapping)。6.2.2重复(duplication)6.2.2.1重复的类型1)顺接重复(tandemduplication)重复片段与原有片段毗邻且方向相同。2)反接重复(reverseduplication)重复片段与原有片段毗邻但方向相反。3)异位重复(displacedduplication)重复片段位于染色体其它位置或其它染色体上。ABCFDEGHBCFADEGHBCCBFADEGHBCABCFDEGHBCNormalTandemReverseDisplacedABCFDEGHBCAABCFDEGHBCAAFDEGHBCFADEGHBCOverlapofhomologuesSimultaneousbreakReunionofhomologues6.2.2.2重复的细胞学效应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。重复环缺失环6.2.2.3重复的遗传学效应

剂量效应位置效应1)位置效应(positioneffect)

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(stablepositioneffect)，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(variegatedpositioneffect)，也称为V型位置效应，常由易位而引起。位置和剂量效应——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(16A1~A6区段)的顺接重复所造成。棒眼作为一个纯系很不稳定，大约1600~2000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。

Sturtevant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(unequalcrossover)。Bar++BarffuCrossoverpointDoublebar+fWild-type+fuWild-typeHeterozygousBarHomozygousBarHeterozygousDoublebarB+/B+B/B+B/BBB/B+800facets350facets70facets45facetsV型位置效应：局限于杂合状态的基因，其中常染色质区的显性基因由于倒位、易位而与异染色质区相连接，从而导致在部分组织中这些野生型基因受到抑制，最终表现为野生型和突变型的镶嵌花斑。果蝇眼色的

花斑效应

2)剂量效应(dosageeffect)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(paracentricinversion)倒位片段不含着丝粒。2)臂间倒位(pericentricinversion)倒位片段含着丝粒。ABCFDEGABCFDEGABCFDEGParacentricABCFDEGABCFDEGACBFEDGPericentric6.2.3.2倒位的细胞学效应1)、产生倒位环(inversionloop)。ABCFDEGABCFDEGParacentricADFGADFGBCBCEEPericentric6.2.3.2倒位的遗传学效应

改变基因间的交换值倒位杂合体的部分不育现象倒位是物种进化的因素SingleinversionMultipleinversion2)、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(crossoverrepressor,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（交换致死棒眼技术）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。HermanJ.Muller(1890-1967)ClB+++×ClB死亡+++野生型ClB棒眼？+++非棒眼？×ClB死亡？+++非棒眼？可显现隐性突变和致死突变ClB+++棒眼可供下次检测用选择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(balancedlethalsystem)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+++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(reciprocaltranslocation)非同源染色体之间相互置换了一段染色体片段。2)简单易位(interstitialtranslocation)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(Robertsoniantranslocation)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。ABCFDEMNQOPAFDEMNQOPBCInterstitialtranslocationABCFDEMNQOPABCQOPMNFDEReciprocaltranslocation＋＋Robertsoniantranslocation6.2.4.2易位的细胞学效应相互易位杂合体在中期I(MetaphaseI)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。到后期I(AnaphaseI)，染色体表现出不同的分离方式：相邻分离－1(adjacentsegregation-1)相邻分离－2(adjacentsegregation-2)交互分离

(alternatesegregation)减数分裂中期I的相互易位杂合体ABCFDEMNQOPFEDABCOQPMN121122ABCFDEMNQOPFEDABCOQPMN121122121212相邻式交替式121221相互易位杂合体在减数分裂后期I的三种分离方式AlternateAdjacent-1Adjacent-2112221112221112221121221121122112212Alternate

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6.2.4.3易位的遗传学效应

半不育形成两个新连锁群(12;21)染色体融合（罗伯逊易位）与致癌基因表达有关※基因重排导致癌基因(oncogene)的活化产生肿瘤※异位可导致人类家族性染色体异常※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。易位在家蚕生产上的利用利用易位创造玉米核不育双杂合保持系zzbb白卵(雄蚕)zzbbwbzb黑卵(雌蚕)×wzbb黑卵雌蚕利用易位鉴别雌雄蚕白卵雄蚕W染色体上有一段黑卵基因第二节

染色体数目的变异整倍体：一套基本的染色体数目称为染色体组(x)。带有染色体组数的生物称为整倍体(euploid)。整倍体可分为一倍体、二倍体、多倍体。非整倍体(aneuploid):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)。整倍体可分为一倍体、二倍体、多倍体单倍体数(n)是指二倍体生物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。一.染色体的倍数性变异（一）染色体组及整倍性染色体组的概念：（以小麦属为例）一粒小麦、野生一粒小麦：2n=14二粒小麦、野生二粒小麦园锥小麦、提莫菲维小麦2n=28普通小麦、密穗小麦：2n=42以“7”作为基数变化

染色体组（X）：

在二倍体生物的配子中所包含的形态、结构和功能都彼此不同的一组染色体。是多倍体物种染色体的组成成员，是一个完整而协调的体系，缺少其中的任何一个都会造成不育或性状的变异。

2n=142X7=2X二倍体2n=213X7=3X三倍体2n=284X7=4X四倍体2n=355X7=5X五倍体2n=426X7=6X六倍体不同种属的染色体组：麦属：X=7葱属：X=8稻属：X=12烟草属：X=12棉属：X=13多倍体：三倍和三倍以上的整倍体统称为多倍体。

同源多倍体：增加的染色体组来自同一物种，一般由二倍体的染色体直接加倍而来。

异源多倍体：增加的染色体组来自不同物种，一般由不同种、属间的杂交种染色体加倍而来。

染色体数目的改变一.整倍体（enpeoid）一倍体(monoploidnumber(x))单倍体(haploid)二倍体（diploid）三倍体（triploid）四倍体（tetraploie）多倍体（ployploid)同源多倍体（autopolyploids）异源多倍体（allopolyploids）

多倍体(polyploid)具有3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。211)、同源多倍体(autopolyploid)具有3套以上相同染色体组的细胞或个体称为同源多倍体，通常是由同一物种的染色体加倍而成。同源四倍体（AAAA）：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（AAA）：其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。烟草2倍体，4倍体和8倍体叶片表皮细胞的比较

2倍体和4倍体葡萄的比较关于同源多倍体的联会同源三倍体（AAA）A=a1a2a32n=3x=3A=AAA=9=3III同源四倍体（AAAA）A=a1a2a32n=4x=4A=AAAA=12=3IV关于异源多倍体的联会异源四倍体（AABB）A=a1a2a3B=b1b2b32n=4x=AABB=12=6II同源六倍体（AABBCC）2n=6x=6A=AABBCC=18=9II2)、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2n之间，这些配子的染色体都是不平衡的。无籽西瓜的育成：二倍体西瓜2n=2x=22秋水仙素加倍四倍体西瓜2n=4x=44四倍体西瓜2n=4x=44x二倍体西瓜2n=2x=22

配子：n=2x=22配子：n=X=11三倍体西瓜2n=3x=33♀♂无籽西瓜，无籽葡萄为什么无籽？表曼陀罗同源三倍体(2n=3x=12Ⅲ的12个同源组的分离TrivalentBivalentUnivalent+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QuadrivalentTwobivalentsTrivalentUnivalent+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(四式)、AAAa(三式)、AAaa(复式)、Aaaa(单式)、aaaa(零式)。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+3Aa2+4Aa1+4Aa2+3Aa1+2AA3+4aa1+4Aa2+3Aa1+2AA3+4aa1+3Aa2+4Aa同源四倍体AAaa复式的基因分离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，偶倍数的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.Aegilopsspeltoides)2n=14BB×AB不育杂种染色体加倍拟二粒小麦T.dicoccoides2n=28AABB方穗山羊草T.tauschii2n=14DD×ABD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.nigra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(Raphanussativa,2n=18)与甘蓝(Brassicaoleracea,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