第 6 章真核生物的基因作图

Genetics Ch3.1

第 6章真核生物的基因作图 Gene Mapping In

Eukaryotes

Ch4.2Genetics

6.1 基因连锁的发现

• 一．相引与相斥 • 二．连锁法则的建立

Ch4.3Genetics

6.1.1 相引与相斥 • 1905 年 Bateson 和 P

unnet 研究香豌豆两对性状的遗传。他们选择的性状，一对是花的颜色，有紫色和红色两种，紫花 (P)对红花 (p) 是显性；另一对性状是花粉的形状，有长形 (L) 和圆形 (l) 两种，长形对圆形是显性。

• 杂交的结果 F1 代都是紫色花，长形花粉，证明紫花对红花是显性，长形花粉对圆形花粉是显性的。在 F2 代中，开紫花的 305 株，开红花的 76株，带有长形花粉的是 305 株，圆形花粉的为 76 株。

Ch4.4Genetics

6.1.1 相引与相斥

结果：– F1 两对相对性状均表现为显性， F2 出现四种表

现型；– F2 四种表现型个体数的比例不符合孟德尔的两

对因子遗传的分离比 9:3:3:1 ，并且两亲本性状组合类型 ( 紫长和红圆 ) 的实际数高于理论数，而两种新性状组合类型 ( 紫圆和红长 ) 的实际数少于理论数。

Ch4.5Genetics

6.1.1 相引与相斥 • Punnet 又扩大样本重做实验，其结果和前次的相近，仍

不符合孟德尔定律，亲组合比理论数多，重组合比理论比少得多。

• 对于这一有趣的现象， Punnet 提出了新的假设，认为似乎两对基因在杂交子代中的组合并不是随机的，而是原来属于同一亲本的两个基因 (P 和 L ， p 和 l) 更倾向于出现同一配子中，叫做相引 (coupling) ，原来属于不同亲本的两个基因 (P 和 l ， p 和 L) 之间在形成配子时相互排斥，称为相斥 (repulsion) 。

Ch4.6Genetics

6.1.1 相引与相斥 • 为了证明这个假设

是否正确，他们又将紫花圆形花粉和红花长形花粉的亲本杂交，结果 F1代和第一次杂交相同都是紫花长形花粉， F2 得到四种表型，结果也不符合孟德尔的 9:3:3:1 分离比。

• 虽差异不象前次那样显著，但仍是亲组合比理论数少。也就是说 F2 代性状的分离比 (1) 受到亲本性状的影响；(2) 生殖细胞形成时亲组合的基因相引，重组合的基因相斥。

Ch4.7Genetics

6.1.1 相引与相斥 • 这个解释对于以上的实验能够自圆其说，但不能解释为什

么孟德尔研究的两对性状都是自由组合的。• 其实相斥和相引的理论，没有和遗传的染色体学说相联系，

因此也朦胧地道出了连锁的现象，可惜的是尚未真正地揭示基因在染色体上连锁的规律。

• 在科学发现史上类似的情况曾重复过多次，说明一个好的实验是重要的，但对实验的科学分析、合理的推理更为重要，否则一个重要的发现就会和实验者擦肩而过。

• 摩尔根正是对相似的实验根据遗传的染色体学说进行科学的分析，发现染色体连锁这一重大理论，使得遗传学又向前发展了一步。

Ch4.8Genetics

6.1.2 连锁法则的建立 • 1910 年摩尔根和他的学生

Bridges 研究了两对基因的遗传，发现了连锁和互换，建立了遗传学第三个基本定律，连锁法则。

• 摩尔根发现果蝇的红眼和紫眼 (purple) 、长翅和残翅 (vestigial) 两对性状都是非伴性性状，各自的遗传都符合孟德尔法则。

P ♀ 红长 ♂紫残(Pr+Pr+Vg+Vg+) (PrPrVgVg)

F1 红长紫残 (Pr+PrVg+Vg) (PrPrVgVg)

F2 红长紫残红残紫长 (Pr+Vg+)(PrVg)(Pr+Vg)(PrVg+)

1339 1195 151 154

• 他们将红眼长翅的果蝇和紫眼残翅的果蝇进行杂交，F1 代为红眼长翅，然后将F1 和双隐性亲本进行测交，所得到的测交后代按孟德尔法则应有四种表型，分离比为 1:1:1:1 ，但实际得到的结果确有相引和相斥的现象，亲组合多于理论数，重组合少于理论数。

Ch4.9Genetics

6.1.2 连锁法则的建立

• 同贝特森等一样，为了进一步验证，他们又改变组合重新实验，结果相似，仍是亲组合多于理论数，重组合少于理论数。

P ♀ 红残 ♂紫长

F1 红长紫残

F2 红长紫残红残紫长 (Pr+Vg+)(PrVg)(Pr+Vg)(PrVg+)

157 146 965 1067

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6.1.2 连锁法则的建立 • 但他们的解释却不相同，

摩尔根等认为第一种组合 Pr+ 、 Vg+ 两个基因位于同一条染色体上，Pr 、 Vg 也位于另一亲本的相应染色体上，两个亲本都是纯合体，杂交后 F1 代的这一对染色体分别携带着红眼长翅和紫眼残翅基因。

Ch4.11

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6.1.2 连锁法则的建立

• 减数分裂时有的细胞在 Pr+ 、 Vg+ 两个基因之间发生染色体的交换重组，产生了重组型配子 Pr+Vg 和 PrVg+ ，这种配子的比例比亲组合型的配子少，

• 所以通过测交所得到的后代不是 1:1:1:1 ，而是亲组合的表型红眼长翅和紫眼残翅为多；重组合的后代红眼残翅、紫眼长翅为少，另一组合的杂交也是同样的道理。

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6.1.2 连锁法则的建立 • 他们的假设归纳起来主要有三个论点：• (1) 相引是两个基因位于同一条染色体上，相斥则反之。

其实按现代的概念，相引就是顺式（ Cis），相斥就是反式（ Trans）。

• (2) 同源染色体在减数分裂时发生交换（ cross－ over）重组（ 1910 年）；

• (3) 1911 年摩尔根又补充了一点：位置相近的因子相互连锁。连锁和交换的重组称为染色体内重组（ intrachromosomal recombination），因染色体自由组合而产生的重组称为染色体间重组（ interchromosomal recombination）。

Ch4.13

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6.2 基因重组和染色体交换的作用

• Morgan’s results were only circumstantial evidence. Proof that physical exchange between chromosomes results in genetic recombination came in the 1930s.

• 摩尔根的学说是根据实验的结果，假设在减数分裂时由于染色体的交换导致了遗传重组，虽然这一学说已被广泛接受，但毕竟是个假说，还必须进一步地通过实验加以证实。这里列举两个著名的实验。

Gene Recombination and the Role of chromosomal Exchange

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6.2.1 玉米实验

• 1931 年美国著名的遗传学家麦克林托克指导了她的女博士生克莱顿以玉米为材料进行了一项有趣的实验，为染色体交换导致遗传重组提供了第一个有力的证据。 – Barbara McClintock (left) a

nd Harriet Creighton (right) provided evidence that genes are located on chromosomes.

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6.2.1 玉米实验 • 玉米的第 9号染色体上

带有色素基因 C 和糯质基因 Wx ，在其短臂上(靠近 C) 带有一个明显的纽结 (Knob) 。在长臂端 (靠近 Wx) 有一条来自第 8号染色体的附加片段，正常的染色体是没有纽结和易位片段的，因此纽结和附加片段就成为一种细胞学标记。

• 她们选用了一个杂合品系，其中一条染色体带有有色 (C) 和非糯 (wx) 基因，两端有标记，而另一条染色体是正常的，两端不带有标记，这条染色体上带有的是无色基因 (c) 和糯质基因 (Wx) 。

• 他们通过杂交后比较亲本型后代和遗传重组后代的染色体，发现亲本型的后代都保持了亲本的染色体排列，而有的重组型后代的染色体也发生了重组。这样他们把遗传学和染色体内重组的细胞学证据联系起来。

Ch4.16

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6.2.2 果蝇实验

• 在克莱顿和麦克林托克的结果发表没几周，斯特恩 (Stern ， C.) 又发表了果蝇实验的证据，和玉米实验有异曲同工之妙。

• 斯特恩选择带有异型同源染色体的雌果蝇为材料。此果蝇的一条 X 染色体上带有两个突变基因。

一个是 Car（ Carnation）基因，是隐性突变，纯合体为粉红眼；

另一个是 B（ Bar-eye）基因，表型为棒状眼，为显性突变；

这条 X 染色体缺失了一个片断。

另一条 X 染色体的相应等位基因都是野生型的，但染色体带有 Y 染色体的易位片段。

这样两条不同的 X 染色体都有了细胞学的标记，可供镜检分辨。

雄性果蝇的 X 染色体上带有 car和非棒眼基因，雄性是完全连锁的。

• 在杂交后代中，不仅可以看到表型（眼色和眼形）的重组，同时在显微镜下还可以观察到带有标记染色体的重组。这两种重组又完全一致，从而证实了基因重组是交换的结果。

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6.2.2 果蝇实验

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6.3 交换和重组值

• 染色体内重组是交换的结果，但交换不一定导致重组。因为我们是依据标记基因来判断是否重组的，若在两个标记基因之间发生奇次数交换，结果必然导致重组，但若发生偶次数交换，标记基因并不重组。

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6.3 交换和重组值 • 不能进行自由组合的基因群则称之为连锁群（ Linkage gr

oup），排列在同一条染色体上及其同源染色体上的基因同属于同一连锁群。

• 一种二倍体生物的连锁群数应和其染色体对数相等。• 在少数的生物中如雄果蝇和雌家蚕都不发生重组，人们称

之为完全连锁。• 1922 年英国的霍尔丹（ Haldane, J.B.S）提出：凡是较少

发生交换的个体必定是异配性别个体，此就称为霍尔丹定律。

• 为什么在雄果蝇和雌家蚕中不会产生重组呢？根据细胞学的观点，发现在减数分裂中没有交叉，也看不到联会复合体。那么在减数分裂中性染色体如何配对又如何精确分离呢？这一机制尚待进一步研究。

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• 根据交换发生的随机性，我们可以说，距离越长，发生交换的机会越多，因此交换值（ crossing-over value）的大小就可以用来表示基因间距离的长短。但我们无法直接测定交换率，只有通过标记基因的重组来估计交换的频率。

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6.3 交换和重组值 • 由于有时虽发生了交换（如双交换），但没有导致重组，因此重组值（ recombination value）并不完全等于交换值，而是重组值交换值。重组值或重组率（ recombination frequency） P d（两个标记基因间距离的估计数），

• P=[ 重组合∕ ( 亲组合＋重组合 )] 100％• 单位是图距单位 m.u.（map unit）或厘摩（ centimorgan cM）

• 重组值和实际图距的关系也反应了重组值和交换值之间的关系。

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6.3 交换和重组值 • 重组值和实际图距的关系可以用 Haldane 的图谱函数来表

示。• Haldane 的图谱函数是： P = ½(1－ e-2d)

• 式中 P 是重组频率， d 是图谱距离， e 是自然对数的底（ e＝ 2.71828）。在此函数中，假设没有干涉，这只是对较大的染色体图距是有效的。

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• 从图中我们可以看出：按 Heldane函数作出的曲线，（ 1）在图距 10 以内曲线近似直线，斜率接近于 1 ，重组率几乎等于交换率，可以直接看作是图距。

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• （ 2）当图距大于 10 时，重组率总是小于交换率，不能直接看作为图距，必须加双交换的值予以校正，或者用 Heldane函数来计算。

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• （ 3）重组率最大值不可能超过 50％。• 无论染色体上两点距离如何大，一次交换只可能发生在同源染色体的两条染色单体之间，另外两条单体并未发生交换，即使是每个初级性母细胞都如此，重组率也只有 50％。

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6.3 交换和重组值 • Fig. 15.5

Demonstration that the recombination frequency between two genes located far apart on the same chromosome cannot exceed 50 percent

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6.4 基因定位和遗传作图 • 基因定位（ gene mapping）是指将基因定位于某一特定

的染色体上，以及测定基因在染色体上线性排列的顺序与距离。

• 基因定位的目的是通过将基因定位到染色体的基因座上，以帮助我们理解和开发生物性状的遗传性质，特别是通过遗传连锁将一种性状的遗传与另一种性状或标记相联系，或者通过将表型差异与染色体结构的改变联系起来。这在商业上可用于改良动植物的性状、定位和克隆人类的疾病基因等。

Ch4.28

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6.4 基因定位和遗传作图

• 我们已经知道两个基因之间的距离可以通过交换值来计算，交换值又可以通过新组合在整个后代中的比率来计算，也就是说我们可以依据交换值来对基因进行定位，当然这种定位并不是一种绝对的位置，而是指基因在染色体上的排列次序和彼此之间的相对距离。下面我们来学习基因定位的基本方法。

Ch4.29

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6.4.1 两点测交• 两点测交 (two-point testcross) 是指每次只测定两个基因间

的遗传距离，这是基因定位的最基本方法。• 例如我们已经知道玉米粒糊粉层有色 C(或无色 c) 、胚乳饱满 Sh(或凹陷 sh) ，胚乳非糯性 Wx(糯性 wx) 这三对相对性状表现连锁遗传，它们位于同一对同源染色体上。

• 因为利用两点测交法，每次只能测定两个基因位点间的相对距离，要测定这三个基因位点之间的距离和顺序，我们需要分别进行如下的三次杂交和三次测交。

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6.4.1 两点测交• 在这里要注意的是用于测交的 F1必须是双杂合体，否则无法检出重组，之所以用隐性纯合体进行测交，是因为隐性纯合体只产生一种配子，且它们的基因型在 F2 代中不干扰 F1 配子的表达， F1 所产生配子的种类和比例在 F2中能如实的反映出来。

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6.4.1 两点测交• 下面我们先来研究 C 和 Sh 这两对基因的遗传情况，将有

色饱满粒的植株 (C Sh / C Sh) 与无色凹陷粒的植株 (c sh / c sh) 杂交， F1 代 (C Sh / c sh) 与双隐性纯合体 (c sh / c sh) 测交，结果如下：

C Sh/C Sh c sh/c sh

C Sh/c sh c sh/c sh

C Sh/c sh c sh/c sh C sh/c sh c Sh/c sh

4032 4035 149 152

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6.4.1 两点测交

• 根据测交后代各类型的数目，算出互换率：• [(152+149)/(4032+4035+149+152)]100% =

3.6%,

• 因此 C 与 Sh 之间的图距为 3.6cM 。

Ch4.33

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6.4.1 两点测交• 对于 Wx 和 Sh ，同样：

wx Sh/wx Sh Wx sh/Wx sh

wx Sh/Wx sh wx sh/wx sh

wx Sh/wx sh Wx sh/wx sh wx sh/wx sh Wx Sh/wx sh

5885 5991 1531 1488

• 交换率为 20% ，即Wx 与 Sh 间的距离为 20cM 。

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6.4.1 两点测交

• 这样根据上面两个实验结果，这三个基因的关系可有下列两种不同的排列方式：

• 那么 Wx 和 C 之间的图距应为 (20+3.6)还是 (20-3.6)呢？

• 还需第三次杂交和测交才能确定。

Ch4.35

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6.4.1 两点测交 • 第三次杂交和测交：

Wx C/Wx C wx c/wx c

Wx C/wx c wx c/wx c

Wx C/wx c wx c/wx c Wx c/wx c wx C/wx c

2542 2716 739 717• 交换率为 22% 。在这里Wx 和 C 之间的距离 22 更接近 2

3.6 而不是 16.4 ，故认为第一种排列顺序更符合实际，至于为什么会有一定的差异，在后面将进一步讨论。

Ch4.36

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6.4.1 两点测交• 两点测交的缺点：

– 图两个基因之间双交换的结果等于没交换

• （ 1）工作量非常大，并且由于环境或基因间的影响，使得测定结果会发生偏差；

• 比如，要确定三个基因位点的排列顺序和遗传距离，需要进行三次杂交和三次测交，如要确定 4 对基因，则需 6 次杂交和 6 次测交，要是有 n 对基因呢？

• （ 2）在两点测交中，无法检出双交换，因为在两个基因之间双交换的结果等于没交换（如图），

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6.4.2 三点测交

• 三点测交 (three-point testcross) 是通过一次杂交和一次测交，同时确定三对等位基因（即三个基因位点）的排列顺序和它们之间的遗传距离，是基因定位的常用方法。

• 用三点测交能测出双交换，因此更能准确地反映出连锁基因间的相对距离。

• 同样，在做三点测交时需要用这三个基因的杂合子 (abc/+++ ，或 ab+/++c ，或 a++/+bc 等 ) 同这三个基因的隐性纯合子 (abc/abc) 测交。

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6.4.2 三点测交

• 例：假如用于三点测交的两个亲本为： + + + / + + + 和 c sh wx / c sh wx ，则 F1 代的基因型为： + + + / c sh wx ，然后 F1 与三隐性纯合体 c sh wx / c sh wx 测交，获得如表 6-1 的结果。

Ch4.39

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6.4.2 三点测交• C-Sh 间的重组值：

• C-Sh = (98+107+39+19)/6033 = 4.36% 。• Sh-Wx 的重组值：

• Sh-Wx = (672+662+39+19)/6033 = 23.07%

• C-Wx 间的的重组值：• C-Wx = (98+107+672+662)/6033 = 25.51% 。

• 根据这三个数据我们可以将这三个基因作如下的排列：

Ch4.40

Genetics

6.4.2 三点测交

• 很明显， 25.51 4.36 + 23.07 。为什么呢？• 在两个基因之间如果发生双交换，从表型上是检

测不出来的，也就是说双交换的结果等于不交换。• 回到表 6-1 ，其中（ 39+19）个个体分别在计算

C-Sh 和 Sh-Wx 之间各用了一次，说明有（ 39+19）的个体是发生了双交换，但是我们在计算 C-Wx 间的图距时，没有将这个双交换值算进去，显然 C-Wx 间的图距被缩小了，因此我们必须对这一结果进行校正。

Ch4.41

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6.4.2 三点测交

• 双交换值：（ 39+19） / 6033 = 0.96% 。• 由于一次双交换实际上包含了二次单交换，

所以在计算 C-Wx 间图距时，应加上 2倍双交换值，即

• C-Wx = 25.51+20.96 = 27.43 。• 这样， 27.43 就等于 4.36+23.07 了。

Ch4.42

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6.4.2 三点测交• 从任何一个三点测交的结果中，我们可以发现， F2 代的

8 种表型中，最多的 2 种是亲组合，最少的 2 种的双交换产物，中间数量的 4 种是单交换的产物。

• 根据这些规律，不计算重组值就能判断三个基因的排列次序，即用双交换类型与亲本类型相比较，改变了位置的基因就是处于中间位置的基因。在上面的例子中：

Ch4.43

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6.4.2 三点测交

• 只有当 Sh 位于中间的时候，同时发生两个单交换才可能产生+ sh +或 c + wx 的个体，所以这三个基因的顺序是 c-sh-wx 。

• 上面的结果用图 6-2表示后就更为清晰。

图 6-2

Ch4.44

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6.4.2 三点测交

• 根据概率知识，对同一染色体上的三个基因来说，发生双交换的概率应该是两个单交换概率的乘积。

• 在上面的例子中，理论上双交换率应为： 23.07% 4.36% = 1.0% ，可是它的实际双交换值只有 0.96% ，实际双交换值小于理论双交换值。

• 在这里实际值与理论值相差不是很大，而在有些例子中，理论双交换值与实际双交换值相差很大，譬如说理论双交换值为 0.90% ，可实际只有 0.15% 。

Ch4.45

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6.4.2 三点测交

• 可见每发生一次单交换时，它的邻近基因间也发生一次交换的机会就会减少，这种现象称为干涉(interference) 。

• 干涉的程度通常用并发系数 (coefficient of coincidence, c) 来表示：

• 并发系数 (c) = ( 实际双交换值 )/( 理论双交换值 )

• 其中理论双交换值为两个单交换百分率的乘积。

Ch4.46

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6.4.2 三点测交

• 并发系数在 0-1 之间。如果并发系数 =1 ，则说明两个单交换之间没有干涉；如果并发系数 =0 ，则说明发生了完全干涉，也就是说第一个交换的发生完全干涉了第二个交换的发生，即没有双交换。

• 在上面的例子中，并发系数 = 0.96/1.0 = 0.96, 干扰 = 1 - 0.96 = 0.04 。

• 另外在微生物发生基因转变的时候，并发系数可以大于 1 ，这表示存在负干涉 (negative interference) ，即一次交换的发生使第二次发生交换的频率增加了。

Ch4.47

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6.4.2 三点测交• 以上讲的干涉是就一个完整的染色体为单位来说的，也叫染色体干涉 (chromosomal interference) 。我们知道，在减数分裂的前期，二价体是由 4 条染色单体组成的，交换并不限于某二条非妹妹染色单体之间，因而存在 1-3 、 1-4 、 2-3 、2-4 各种不同形式的交换 (图 ) 。

Ch4.48

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6.4.2 三点测交

• 第一次交换发生后，第二次交换可在任意两条非姊妹染色单体间进行 (A,B,C,D) ；

• 一般情况下，第一次交换除对同线双交换有干涉外，对其他双交换没有干涉。

Ch4.49

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6.4.2 三点测交

• 遗传学图 (genetic map) 又称基因连锁图（ linkage map）或染色体图（ chromosome map），是一种依据基因之间的交换值（或重组值），表示连锁基因在染色体上相对位置的简单线性示意图。

• 通过一系列的三点测交或二点测交，我们可以把一对同源染色体上各基因的次序及相对距离标定出来，从而构成一个基因的连锁群。

Ch4.50

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6.4.2 三点测交• 一个连锁群（ linkage group）是指位于一对同源染色体

上的所有基因群。• 一个生物连锁群的数目等于或少于染色体的对数。• 图 6-4 是果蝇的遗传学图， 4 个连锁群正好与 4 对染色体

数相符。• 基因在遗传学图上的位置叫座位 (locus) ，一般以最先端

的基因位置为 0 ，如果发现有新基因在更先端的位置时，就把 0点让给新基因，其余基因的位置亦作相应的移动。

Ch4.51

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6.4.2 三点测交

• 图 6-4 果蝇的遗传学图

Ch4.52

Genetics

6.4.2 三点测交

• 在前面我们已经讨论，交换值介于 0 到 50% ，但在遗传学图上我们可以看到超过 50图距单位的，这是因为在这两基因间发生了多次交换，但实际上这两基因间的重组值不会超过 50% ，所以由实验得到的重组值与图上的重组值不一定是一致的，因此要从图上知道基因间的重组值只限于邻近的基因座位间。

Ch4.53

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6.5 真菌的遗传分析

• 一 . 链孢霉（ Neurospora crassa）的生活史

• 二 . 四分子分析与着丝粒作图 • 三 . 链孢霉的连锁作图 • 四 . 无序四分子分析 • 五．有丝分裂分离和重组

Ch4.54

Genetics

6.5.1 链孢霉的生活史

• 链孢霉也叫红色面包霉(Neurospora crassa) ，其生活史见图 4-5 。链孢霉有两种繁殖方式，一种是无性繁殖，当其孢子（ N）或菌丝落在营养物上，孢子萌发，菌丝生长形成菌丝体（ N）。

• 另一种是有性繁殖，两个亲本必须是不同的交配型 A 和 a ，各自的分生孢子会散落在不同交配型子实体的受精丝上，进入子实体，进行核融合，形成 2n核（ A/a）。

• 二倍体时期十分短暂，很快进行减数分裂，最后再经过一次有丝分裂，在子囊中产生 8 个单倍体的子囊孢子，子囊孢子成熟后有可萌发，长成新的菌丝体。

Ch4.55

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6.5.1 链孢霉的生活史• 利用链孢霉进行遗传学分析的优点：• 个体小，生长迅速，便于培养；• 具有象高等生物那样的染色体，研究结果可在遗传学上广泛应用；

• 除无性繁殖外，还可进行有性繁殖，一次杂交可产生大量后代；

• 无性世代是单倍体，没有显隐性，基因型直接在表型上反映出来；

• 一次只分析一个减数分裂的产物，而二倍体合子是两个不同减数分裂产生的配子相互结合的结果，只有通过测交实验才能分析减数分裂的结果，手续麻烦得多。

Ch4.56

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6.5.2 四分子分析与着丝粒作图

• 脉孢霉的合子在子囊内进行二次减数分裂所形成的 4 个子囊孢子叫四分子 (tetrad) ，对四分子进行的遗传分析就叫四分子分析 (tetrad analysis) 。

• 由于链孢霉的子囊很狭窄，以至分裂的纺锤体不能重叠，只能纵立于它的长轴之中，所以在子囊里面进行分裂的细胞核是严格按直线顺序排列的，因此，在交配中，等位基因通过减数分裂所产生的细胞就呈现有规律的排列 -顺序四分子 (ordered tetrad)(图 6-6) 。

Ch4.57

Genetics


• 图 6-6　从一个链孢霉子囊壳来的子囊照片，示一对等位基因 (野生型红色菌丝和突变型白色菌丝 ) 通过减数分裂所产生的子囊孢子的分离和有序排列方式

Ch4.58

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• ( 一 ) 第一次分裂分离 • 假设在同源染色体上有一对等位基因 A 和 a ，如果在着丝点和这对等位基因之间没有发生过交换，那么在第一次减数分裂时 A 和 a 就完全分开进入不同的两极，第二次减数分裂时，染色单体分开，进入四个孢子，进一步的有丝分裂形成 8 个子囊孢子， 8 个子囊孢子呈 AAAAaaaa(或 aaaaAAAA) 的排列方式 (图 6-8) 。

• 在这种方式中， A 和 a 基因的分离发生在减数分裂的第一次分裂，我们将这种分离方式叫第一次分裂分离（ first division segregation ， MI）。

Ch4.59

Genetics


• ( 一 ) 第一次分裂分离

• 图 6-8 　第一次分裂分离四分子的形成

Ch4.60

Genetics


• ( 二 ) 第二次分裂分离 • 和上面的情况相反，当非姊妹染色单体在着丝粒和基因座 (A, a) 间发生交换时，在第一次减数分裂后，由于在这个过程中只有同源染色体的分离，因而等位基因 A 和a 仍同时存在于同一核中，只有到减数分裂第二次分裂时， A 和 a才进入不同的核中，所以称这种情况为第二次分裂分离 (second-division segregation ， MII) ，由此得到的等位基因的排列模式 AAaaAAaa(或它的镜像排列 aaAAaaAA) 称为 MII模式 (图 6-9) 。

Ch4.61

Genetics


• ( 二 ) 第二次分裂分离

• 图 6-9　第二次分裂分离四分子的形成

Ch4.62

Genetics


• ( 二 ) 第二次分裂分离 • 这种模式的特征是在一半的四分子产物中发生了重组，

这种交换型排列模式还有可能出现 AAaaaaAA（或 aaAAAAaa），这是由于纺锤体的随机趋向所致，“ A 上 a下”和“ A下 a 上”或“ A下 a 上”和“ A 上 a下”都是随机的，而且它们的频率也大致相当。

• 第二次分离表明在标记基因和着丝粒之间发生了一次交换。

Ch4.63

Genetics

( 三 ) 着丝粒作图

• 我们知道染色体上两个基因座之间的距离愈远，则它们之间发生交换的频率愈高，因此当第二次分裂分离的子囊愈多，则说明有关基因和着丝粒的距离愈远。

• 所以根据第二次分裂分离子囊的频数，就可以计算出某一基因和着丝粒间的距离，这距离称为着丝粒距离 (locus-to-centromere distance) 。这种以着丝粒作为一个座位，计算某一基因与着丝粒的距离（重组值），叫着丝粒作图 (centromere mapping) 。

Ch4.64

Genetics


• 计算公式为：

• 这一公式和真核生物的重组率的计算原理相同，都是计算重组型占后代总数的比。

• 因为我们统计的单位不是子囊孢子，而是子囊，一个子囊中含有 8 个子囊孢子，它们来自四条染色单体，即使是重组型的子囊里面含的四条染色单体中也只有两条发生了交换，还有两条未发生交换，所以必须乘以 1/2 。

(1/ 2)(100

具有第二次分裂分离的子囊数）重组率=

总子囊数

Ch4.65

Genetics


• 例：假设有两种不同接合型的链孢霉菌株，一种是能合成赖氨酸的野生型菌株 (记作 +) ，该菌株成熟的子囊孢子呈黑色，另一种是赖氨酸缺陷型(记作 -) ，这种菌株的子囊孢子成熟后呈灰色。将这两种菌株进行杂交（ +/-），根据黑色孢子和灰色孢子的排列次序，杂种子囊中减数分裂的产物共有 6 种子囊型，其计数的结果见表 6-2 。

Ch4.66

Genetics

( 三 ) 着丝粒作图 • 表 6-2　脉孢霉＋ /－杂交子代的子囊类型

1 2 3 4 5 6

子囊类型 +

+

-

-

-

-

+

+

+

-

+

-

-

+

-

+

+

-

-

+

-

+

+

-

子囊数 105 129 9 5 10 16

分裂类型 MI MI MII MII MII MII

是否交换型非交换型交换型

Ch4.67

Genetics


• 根据以上分析，合成赖氨酸的基因与着丝粒间的重组值为：

• 即合成赖氨酸的基因与着丝粒间的图距为 7.3cM 。

Ch4.68

Genetics

6.5.3 链孢霉的连锁作图

• 在二对基因杂交时，如果只考虑性状的组合，而不考虑孢子排列的顺序，可以将子囊分为下列三种类型： 1 、亲二型（ parental-ditype ， PD) ： 2 种基因型都跟亲代一样；

Ch4.69

Genetics


• 在二对基因杂交时，如果只考虑性状的组合，而不考虑孢子排列的顺序，可以将子囊分为下列三种类型： 2 、非亲二型 (nonparental-type ， NPD) ： 2 种基因型都跟亲代不一样，是重组型；

Ch4.70

Genetics


• 在二对基因杂交时，如果只考虑性状的组合，而不考虑孢子排列的顺序，可以将子囊分为下列三种类型： 3 、四型 (tetratype ， T) ：4 种基因型， 2 种跟亲代一样， 2 种跟亲代不一样。

Ch4.71

Genetics


• 当二对基因位于不同的染色体上时，在没有交换的情况下，亲二型（ PD）和非亲二型（ NPD）各占 50%(图 6-12) ；在发生交换时产生四型（ T），其中亲本类型和重组类型也都是各占 50% 。

• 也就是说当亲二型的频率与非亲二型的频率相等时（ PD=NPD），我们可以说两个基因是自由组合的。

Ch4.72

Genetics


• 当二对基因位于不同的染色体上时，在没有交换的情况下，亲二型（ PD）和非亲二型（ NPD）各占 50% ；

Ch4.73

Genetics


• 在发生交换时产生四型（ T），其中亲本类型和重组类型也都是各占 50% 。

Ch4.74

Genetics


• 也就是说当亲二型的频率与非亲二型的频率相等时 (PD=NPD) ，我们可以说两个基因是自由组合的。

Ch4.75

Genetics


• 当二对基因位于同一染色体上即这两对基因连锁时，产生亲二型和非亲二型四分子的频率是不一样的。

• 如果在二个基因之间没有交换，将产生 PD 型子囊；

Ch4.76

Genetics


• 如果在二个基因之间发生一个单交换，将产生 T 型子囊；• 如果在二基因之间发生二线双交换，由于没有重组子代的

产生，仍为 PD 型子囊；

Ch4.77

Genetics


• 如果在二基因之间发生三线双交换，会有两种不同的方式，2-3,4(或 1-3,4) 三链双交换和 3-1,2(或 4-1,2) 三链双交换，但都产生 T 型子囊；

Ch4.78

Genetics

6.5.3 链孢霉的连锁作图 • 如果在二基因之间发生四线双交换，将产生 NPD 型子囊。

Ch4.79

Genetics


• 综上所述，亲二型（ PD）是通过非交换和二线双交换而产生的，非亲二型（ NPD）仅仅通过四线双交换产生，而四线双交换只是四种可能的双交换之一，非常之少。

• 因此如果亲二型的频率远大于非亲二型的频率 (即 PD>>NPD) ，我们可以说两个基因是连锁的。

• 一旦我们知道两个基因是连锁的，以及我们知道了每一种减数分裂四分子类型的相对数目，通过下述公式我们就可以算出两个基因间的距离：

1/2(number of T) (number of NPD)100%

total number of tetrads

重组率

Ch4.80

Genetics


• 例：链孢霉中有两种缺陷型，一种是 nic (nicotinic) ，不能合成烟酸；另一种是 ad (adenine) ，不能合成腺嘌呤，培养时必须在培养基中分别加入烟酸和腺嘌呤。

• 将这两个品系杂交，杂交后代中得到 7 种不同的子囊类型（表 6-3）。 PD 为亲二型，共有 + ad 和 nic + 两种类型；NPD 为非亲二型，有 + + 和 nic ad 两种类型； T 为四型，有四种基因型 + + ， nic ad ， + ad ， nic + 。

Ch4.81

Genetics

6.5.3 链孢霉的连锁作图 • 表 6-3 nic + / + ad 得到不同子囊型的后代

（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（ 4 ）（ 5 ）（ 6 ）（ 7 ）四分体基因型

＋ ad ＋＋＋＋＋ ad ＋ ad ＋＋＋＋＋ ad ＋＋＋ ad nic ad nic + nic ad nic ad

nic + nic ad nic + ＋＋＋ ad ＋＋＋ ad

nic + nic ad nic ad nic + nic + nic ad nic +

分裂分离 MI MI MI MI M I MII MII MI MII MII MII MII MII MII

子囊类型（ PD ）（ NPD）

（ T ）（ T ）（ PD ）（ NPD）

（ T ）

子囊数 808 11 90 5 90 1 5

染色体交换

Ch4.82

Genetics


• 根据着丝粒作图公式我们可以计算出各标记与着丝粒之间的图距。

• 着丝粒与 nic座位之间的图距可通过各种子囊型中重组型的子囊数来计算，根据表 6-3只有第 4 ， 5 ， 6 ， 7 型子囊在 nic 和着丝粒之间才存在 M II ，即发生交换重组，所以

1 [(4)(5)(6)(7)]( ) 100%

2 10001 5 90 1 5

100% 5.05%2 1000

RF nic

Ch4.83

Genetics


• 根据着丝粒作图公式我们可以计算出各标记与着丝粒之间的图距。

• 着丝粒与 nic座位之间的图距可通过各种子囊型中重组型的子囊数来计算，根据表 6-3只有第 4 ， 5 ， 6 ， 7 型子囊在 nic 和着丝粒之间才存在 M II ，即发生交换重组，所以

1 [(3)(5)(6)(7)]( ) 100%

2 10001 90 90 1 5

100% 9.30%2 1000

RF ad

Ch4.84

Genetics


• 下面我们再来计算 nic 和 ad 之间的距离。根据计算重组值的公式：

1/2(number of T) (number of NPD)100%

total number of tetrads

0.5[(3)(4)(7)] [(2) (6)]

10000.5(90 5 5) (2 1)

10005.2%

重组率

Ch4.85

Genetics

6.6 人类基因定位的基本方法

• 开创人类基因定位先河的是 E. B. Wilson 于 1911年将红绿色盲基因首次定位到 X 染色体上，其后定位的基因都局限于 X 染色体上。

• 直到 1968 年 Donahue利用系谱分析才将 Duffy血型基因定位于 1号染色体上，这也是人类首次将基因定位于常染色体上。

• 之后， 1973 年人们发现第二染色体短臂缺失患者的红细胞酸性磷酸酶活性明显降低，于是将此酶定位于第 2 染色体上。

Ch4.86

Genetics

6.6 人类基因定位的基本方法 • 由于人类的家庭成员少，世代长，又不能按计划进行婚配，

所以人类基因定位工作的难度较大；• 但 70 年代以来，各种生物技术如雨后春笋迅速倔起，特

别是体细胞杂交、重组 DNA 、分子杂交和 PCR 等技术的出现和应用，分子标记的发现和应用以及人类基因组计划的进展，基因定位的方法愈益先进，人类基因的定位工作也取得了迅速的发展。

• 今天，基因定位的成果已导致越来越多的致病基因的克隆，从而提高了对疾病产生的病因学认识和开拓了先进的基因诊断和基因治疗技术。

Ch4.87

Genetics

6.6 人类基因定位的基本方法

• 进行人类连锁分析要解决的问题跟其它生物是一样的，即：• a) 所研究的两个基因是位于不同的染色体还是位于同一

条染色体上，即它们是连锁的还是自由组合的；• b）如果是位于同一条染色体上，那么基因间的距离是多

少。• 进行人类基因定位的第一步是将人的基因（或遗传标记）

定位在特定的染色体上，目前对人基因进行定位的方法主要有家系分析法、体细胞杂交法、核酸杂交技术等。

Ch4.88

Genetics

6.6.1 家系分析法

• 通过分析、统计家系中有关性状的连锁情况和重组率而进行基因定位的方法叫家系分析法 (pedigree method) ，其中连锁分析法 (linkage analysis) 是最常用的方法之一。

• 家系分析法既是最古老的遗传学研究方法，又是与现代生物技术相结合的重要基因定位方法，其理论和方法都较为成熟。

• 早在 20世纪 30 年代，通过家系分析法已将人类的红色盲、绿色盲、 G6PD（蚕豆病）、血友病 A 的基因定位在 X染色体上。

Ch4.89

Genetics

6.6.1 家系分析法 • 用连锁分析法进行基因定位需要有遗传标记 (genetic marke

r) ，有用的遗传标记应是取材方便，按孟德尔方式遗传，且标记位点应是多态性的。

• 所谓多态性是指在一个群体中，某一遗传特性存在若干种类型。

• 如果某一基因特别是致病基因与某个标记非常接近，通过家系的连锁分析，即可确定该基因在某一染色体上甚至某一点。

• 遗传标记如能说明某一个体的一对等位基因中的哪一个传递给了子女中的哪一个，则这个遗传标记就是有信息的标记。

Ch4.90

Genetics

6.6.1 家系分析法

• 早先以血型为标记，以后发展用血清蛋白、 HLA(人类白细胞抗原 ) ，但其多态性数目有限，许多致病基因不能以此进行定位；

• 70 年代中期以来，发展了 RFLP ，小卫星和微卫星（ VNTR 、 STR）等遗传标记。

• 这些越来越多的遗传标记，加上一定的家系分析，结合现代分子杂交、分子克隆等技术，极大地促进了人类基因定位的研究与发展，使经典的连锁分析方法表现出更大的活力。

Ch4.91

Genetics

6.6.1.1 性连锁基因的定位

• 性连锁分析是最常用的家系分析，如果某性状只出现在男性，则可将决定这个性状的基因定位在 Y 染色体上。

• 至于 X 染色体上的基因定位也比较容易，根据伴性遗传特点，男性的 X 染色体总是来自他的母亲，而这条 X 染色体又总是传给他的女儿，所以在正常情况下在 X 染色体上的基因不会出现直接从男性到男性的传递方式，而是隔代交叉遗传的，亦即外祖父出现的某种性状在母亲身上不出现，往往出现在其外孙身上。

Ch4.92

Genetics


• 在确定了 X 染色体的连锁关系后，我们可以用外祖父法 (grandfather method) 来进一步确定其相对距离。

• 对于 X 染色体上的基因来说，只需要知道母亲的基因型为双重杂合体（即两对基因都处于杂合状态），即可以根据双重杂合体的母亲所生儿子中有关性状的重组情况估计出重组率（因为 Y 染色体不含此基因，即相当于隐性），而母亲 X 染色体上的基因组成，可以由外祖父的表型得知，因此，这种基因定位的方法称为外祖父法。

Ch4.93

Genetics


• 就 Aa 、 Bb 两对连锁基因而言，母亲为双重杂合体时，可能有两种连锁相 (linkage phase) ：相引相 (顺式相 )AB/ab或相斥相 (反式相 )Ab/aB 。

• 现以人类 X 连锁的色盲基因（ a）和蚕豆病基因(g) 为例来说明外祖父法的原理。

Ch4.94

Genetics


• （ 1）若 X 染色体没有发生重组交换，则不论母亲是顺式还是反式杂合体，其儿子中的 X 染色体都只有两种类型 (图 ) ：

Ch4.95

Genetics


• （ 2）若母亲 X 染色体上的两个基因间发生了交换，根据外祖父的表型（色盲 +蚕豆病，蚕豆病，或色盲）可以确定母亲双重杂合体的连锁相，然后判断其儿子们的各种表型中哪种属于亲型，哪种属于重组型 (图 ) ，就可以计算出两个基因间的重组率，继而确定连锁基因间的相对距离。

Ch4.96

Genetics

6.6.1.2 常染色体上的基因定位 • 家系分析法原则上也可用于常染色体的基因定位，当已知某染色体上的某种标记与某基因间的连锁关系后，就可用家系分析法将该基因定位在这条染色体上并计算其重组率。

• 血型 Duffy 基因就是用这种方法定位在人的 1号染色体上的， Donahue 在做染色体实验时发现自己的 1号染色体长臂在靠近着丝粒区的地方变长了，通过对他自己家族染色体的观察发现，这一异常是遗传的，将其作为 1号染色体上的一个特定的标记，随后发现这一标记与 Duffy血型具有平行性，表明这种染色体的异常结构同这一基因相连锁，因此将此血型基因定位于 1号染色体上。

Ch4.97

Genetics

6.6.2 体细胞杂交定位

• 体细胞杂交定位是运用体细胞遗传学 (somatic cell genetics) 原理和体细胞杂交 (somatic cell hybridization)技术，在离体条件下，把基因定位在染色体上及研究基因的分离、基因的连锁与交换等从而制作遗传学图的方法。

Ch4.98

Genetics


• 细胞融合 (cell fusion)技术是应用体细胞遗传学进行基因定位的基础技术，细胞融合需经历异核体形成和杂种细胞形成两个阶段 (图 ) 。

Ch4.99

Genetics


• 在异核阶段，融合的细胞内含有来自两个亲本的细胞核，随后，异核体同步进入有丝分裂，来自两个亲本细胞的基因组合在一起形成只含有一个细胞核的杂种细胞。

Ch4.100

Genetics


• 在两个同种动物细胞杂交后形成的杂种细胞，其细胞核一般保留双亲的染色体。

• 但亲缘关系较远的动物体细胞相互融合后，杂种细胞往往会排除一种亲本细胞的染色体。

Ch4.101

Genetics


• 如人和小鼠的细胞融合后的杂种细胞，每分裂一次就排除人的一些染色体，经过若干次分裂后，杂种细胞在丢失了人的一部分染色体后达到相对稳定的状态，这时杂种细胞包含了小鼠的全套染色体和人的几条或一条染色体。

Ch4.102

Genetics


• 杂种细胞中染色体的丢失是由什么因素决定的呢？

• 大量实验证明，杂种细胞中一个亲本染色体的被排除是由于不同亲本细胞的相对生长速率决定的，而不是由亲本细胞的亲缘或进化关系来决定的。

Ch4.103

Genetics


• 例如在人 -鼠杂种细胞中一般排斥人的染色体，但当用快速分裂永久性的人体细胞和新鲜得到的小鼠细胞进行细胞融合，杂种细胞首先排除的是小鼠染色体而不是人的染色体。

Ch4.104

Genetics


• 染色体的丢失主要是发生在融合的后期，然后就趋于稳定。• 如人 -鼠杂种细胞在进行约 30轮有丝分裂后，杂种细胞内基本含有完整的小鼠染色体组和 1-7 条不等的人染色体，而且所含的人染色体类型也不完全相同，显然人的染色体是以随机方式丢失的，这样我们就可以得到多种不同染色体组合的杂种细胞系 (hybrid cell panel) 。

• 也有研究表明人染色体的丢失可能是非随机的，有人认为1 、 2或 9号染色体易于丢失，而 5 、 7 、 11 、 12 、 14 、20号染色体优先保留等。

Ch4.105

Genetics


• 人染色体丢失后的人 -鼠杂种细胞是进行基因连锁分析和基因定位的极好材料。

• 保留的染色体可用常规染色体的显带技术 (如 Giemsa 等 )予以鉴定，也可用细胞的生化免疫特征、组织化学染色结合蔗糖电泳检测同工酶等方法来鉴定，这就给基因定位提供了前提。

• 通过分析某基因产物与某人的染色体是否共同存在就可以进行基因定位。

Ch4.106

Genetics


• 如我们可以通过测定酶的活性来确定那些小鼠不含有而人类却具有的酶的基因座位，以及小鼠为突变型而人类具有其野生型等位基因的酶的位点。

• 例如肽酶 C(peptidase C) 是小鼠中没有的，而人类可以产生此酶，若在杂种细胞系中除小鼠的全套染色体组外还留有一条人类 1号染色体，同时又测得肽酶 C 的活性，那么就可以推断肽酶 C 基因位于人类的 1号染色体上。

• 由于这一方法的应用，使得人类遗传学依靠家系调查进行基因定位的传统方法发生了改变，从而大大加速了人类基因定位研究的进展。

Ch4.107

Genetics

6.6.2 体细胞杂交定位 • 在杂种细胞中保留的人类染色体常常并不只一条，

这样就需要通过多个相关的杂种细胞系来加以比较分析。同线分析（ synteny analysis）是染色体定位的基本手段。

• 同线分析的基点是：如果两个基因在同一条染色体上，它们总是共同分离的；如果两个基因位于不同的染色体上，它们之间或多或少发生自由组合。

Ch4.108

Genetics


• 下面举一个例子来说明怎样把人的基因定位在某一染色体上：假定某人体细胞有一个或几个标记基因，这些基因可以是控制营养需要或抗药性，也可以是控制细胞表面抗原或异常蛋白的形成等。

• 通过检验不同的杂种细胞系，把某一标记基因的在或不在与每一细胞中人的某一染色体的在或不在联系起来，即可推知某一基因是在某号染色体上。

Ch4.109

Genetics

6.6.2 体细胞杂交定位 • 从右表可以看到，在不同

的杂种细胞系中，基因 1和 3或一起出现，或共同不见，所以我们可以说这两基因是连锁的；

• 基因 1 和 3 的在或不在直接跟第二染色体的在或不在有关，所以我们可以认为这两个基因是同线的，都在第二染色体上。

杂种细胞系A B C D E

人体基因

1 + - - + -

2 - + - + -

3 + - - + -

4 + + + - -

人染色体

1 - + - + -

2 + - - + -

3 - - - + +

Ch4.110

Genetics


• 根据同样的道理，我们可以说，基因 2 一定是在第一染色体上，但是基因 4 的位置尚有待于进一步分析。


人体基因

1 + - - + -

2 - + - + -

3 + - - + -

4 + + + - -

人染色体

1 - + - + -

2 + - - + -

3 - - - + +

Ch4.111

Genetics


• 通过此法已成功地将半乳糖激酶 (GK) 和尿苷 -磷酸激酶 (UMPK) 的基因定位在第 17号和 1号染色体上等。现已分离了仅具一条人类染色体的中国地鼠杂种细胞，此将加速人类基因定位，用这种方法目前已有许多基因定位于相应的染色体上。


人体基因

1 + - - + -

2 - + - + -

3 + - - + -

4 + + + - -

人染色体

1 - + - + -

2 + - - + -

3 - - - + +

Ch4.112

Genetics


• 将某一基因定位于某一染色体之后，接下来的工作就是确定这一基因在染色体上的具体位置，即区域定位 (regional assignment) 。

• 区域定位常利用染色体结构的改变如缺失、易位等进行，如人的某一蛋白质或酶在含有易位染色体的杂种细胞中表达，就可将编码此蛋白或酶的基因定位于染色体易位的区段。

Ch4.113

Genetics


• 应用杂种细胞进行基因定位时，一般采用人的成纤维细胞或淋巴细胞来培育杂种细胞的，而在这两种细胞中有许多基因是不表达的；

• 另外，染色体定位和区域定位方法大都是依赖于检测细胞内的基因产物，但是许多基因，如调节基因、某些疾病基因等并没有相应的基因产物。

• 因此，多种基因定位方法的相互补充是必要的。

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第 6 章 真核生物的基因作图

第 6 章真核生物的基因作图