遺傳

第 5 章 · 遺傳

減數分裂與孟德爾

親代會把一半的染色體傳給下一代。是哪一半,取決於機率,而孟德爾計數的正是這個機率。

圖中,一個有四條染色體的細胞產生四個各有兩條染色體的細胞。紅色染色體來自細胞的母方,藍色染色體來自父方。每個新細胞從每一對中得到一條,但是哪一條是隨機的。

本章追蹤染色體在減數分裂中的變化,說明減數分裂如何將染色體重新洗牌,並用機率預測雜交的後代。接著討論孟德爾比例無法描述的遺傳模式、環境在表現型中的作用,以及染色體分配錯誤時會發生什麼事。

5.1 · 減數分裂

一個二倍體細胞,四個單倍體細胞

減數分裂產生的配子(卵和精子),染色體數目只有親代的一半。

二倍體細胞(2n)有兩套染色體,每個親代各提供一套。成對的兩條染色體是同源染色體:長度相同,基因相同且排列順序相同,但這些基因可能有不同的版本(對偶基因)。人類體細胞的 2n = 46;人類配子是單倍體,n = 23。

減數分裂之前,DNA 先被複製,所以每條染色體都是兩條相同的姊妹染色分體,在著絲點處相連。接著進行兩次分裂:

減數分裂 I 分開同源染色體。成對的染色體一起排列在細胞中央,每一對中的一條移向每一極。此時兩個細胞都是單倍體,不過染色體仍各有兩條染色分體。

減數分裂 II 分開姊妹染色分體,過程與有絲分裂相似。結果:四個單倍體細胞。

每個細胞的 DNA 量以一個配子的量為單位。有絲分裂保持染色體數目並產生相同的細胞;減數分裂使染色體數目減半,並產生彼此不同的細胞。受精使兩個單倍體配子結合,恢復為 2n。

5.2 · 交換

同源染色體互換片段

減數分裂 I 開始時,同源染色體配對,此時非姊妹染色分體會交換相對應的片段。這就是互換。

配對的同源染色體共有四條染色分體,合稱四分體。紅色同源染色體的一條染色分體與藍色的一條在相同位置斷裂,並彼此接合。它們交叉的點稱為交叉點。

圖中,基因 A 位於互換處的上方,基因 B 位於下方。紅色同源染色體帶有 A 和 B,藍色的帶有 a 和 b。減數分裂後,四條染色分體帶有:

重組型染色分體帶有親代任一條染色體都沒有的對偶基因組合。互換使配子得到的每一條染色體,都是兩條同源染色體拼接而成,而不是其中任何一條的複製品。

染色體上相距較遠的兩個基因,比相距較近的兩個基因更容易在兩者之間發生互換(5.4)。

5.2 · 獨立分配與隨機受精

組合數比人類的人數還多

在減數分裂 I 中期,每一對同源染色體都以來自母方的染色體在某一側或另一側的方式排列,且與其他各對互不影響。這就是獨立分配。

圖中,長的一對帶有基因 A,短的一對帶有基因 B。一種排列方式會使 A B 移向一極,a b 移向另一極。它的鏡像排列則使 A b 和 a B 分開。經過許多次減數分裂後,四種配子出現的機會相等。

有 n 對染色體時,就有 2ⁿ 種組合。對人類而言,n = 23:

隨機受精。這些卵中的任何一個都可能與這些精子中的任何一個相遇,所以一對夫妻可能產生 $2^{23} \times 2^{23}$ ≈ 7.0 × 10¹³ 種不同的受精卵,這還沒有算上互換增加的變化。

互換、獨立分配和隨機受精合在一起,使有性生殖的每個後代在遺傳上都是獨一無二的(同卵雙胞胎除外),也為天擇提供了可作用的變異。

5.3 · 孟德爾分離定律

每位親代各提供一個等位基因

孟德爾讓豌豆植株雜交,並計算子代的數量。他讓圓形種子與皺縮種子的雜種彼此雜交,下一代(F₂)的比例約為 3 圓形 : 1 皺縮。

一個基因有不同的對偶基因:R(圓形)與 r(皺縮)。生物體的一對對偶基因稱為基因型;它表現出來的性狀稱為表現型。RR 與 rr 是同型合子,Rr 是異型合子。R 是顯性:Rr 的種子是圓形。r 是隱性:只有在 rr 時才表現出來。

分離律。一個基因的兩個對偶基因會分開進入不同的配子,每種配子各佔一半。這發生在減數分裂 I:帶有它們的同源染色體移向相反的兩極。

龐尼特方格把每種卵與每種精子配對:Rr × Rr 得到 1 RR : 2 Rr : 1 rr,也就是 3 圓形 : 1 皺縮。

圓形種子可能是 RR 或 Rr。與 rr 植株進行測交就能分辨:RR 的子代全是圓形,Rr 的子代有一半是皺縮。

5.3 · 兩個基因與機率法則

9 : 3 : 3 : 1

位於不同染色體上的基因會彼此獨立遺傳:這就是孟德爾的獨立分配律,源於各對染色體獨立排列(5.2)。

因此可以一次只處理一個基因,再用兩個規則合併:

乘法規則。對於獨立事件,P(A 且 B) = P(A) × P(B)。
加法規則。對於互斥事件,P(A 或 B) = P(A) + P(B)。

範例。RrYy × RrYy,黃色(Y)對綠色(y)為顯性。每個基因單獨看,3/4 為顯性,1/4 為隱性:

加法規則可以求出異型合子:在 Rr × Rr 中,Rr 的產生方式是 R 卵配 r 精子,或 r 卵配 R 精子,¼ + ¼ = ½。

這些規則適用於龐尼特方格不便處理的情況:AaBbCc × AaBbCc 的子代中,P(aabbcc) = (¼)³ = 1/64。

圖中每顆種子的形狀就是它的形狀;白色代表黃色,灰色代表綠色。

5.3 · 檢驗比例:卡方檢定

差異只是巧合嗎?

實際計數永遠不會與預測的比例完全相符。卡方檢定用來判斷差異是否小到可以歸因於機率。

其中 o 是每一類的觀察數,e 是期望數。這裡的虛無假設是:兩個基因獨立分配,所以 F₂ 為 9 : 3 : 3 : 1。孟德爾計數了 556 顆種子:

自由度 = 類別數 − 1 = 3。依公式表,p = 0.05 時的臨界值是 7.81。由於 0.47 < 7.81,我們無法拒絕虛無假設:這種大小的偏差是機率造成的。

若 χ² 大於臨界值,就要拒絕虛無假設:這些基因可能連鎖(5.4),或是某種基因型的存活率較低。請使用計數,不要用百分比;此外,無法拒絕只是支持假設,並不能證明它。

5.4 · 連鎖基因與圖距單位

一起遺傳的基因

位於同一條染色體上且距離很近的基因是連鎖的:它們傾向一起遺傳,不會獨立分配。

只有它們之間發生交換,才能把它們分開。在圖中,A 與 B 之間的交換會產生重組染色分體;發生在這一段之外的交換,則不會改變原本的組合。

測交。一隻果蠅從一方親代得到 A B,從另一方得到 a b,把它與 aabb 交配。若基因獨立分配,四種類型的比例會是 1 : 1 : 1 : 1。但結果並非如此:

RF 是重組頻率。一個圖距單位(厘摩)等於 1% 的重組,所以 A 與 B 相距 18 個圖距單位。距離越遠,落在兩者之間的交換越多:頻率越高。頻率不會超過 50%,這就是不連鎖基因的結果。

作圖。若 A–B 為 18,B–C 為 7,A–C 為 25,則 18 + 7 = 25:順序是 A–B–C。

5.4 · 性聯基因

兒子的 X 染色體來自母親

人類與果蠅的雌性是 XX,雄性是 XY。位於 X 染色體上的基因稱為X 連鎖基因;小小的 Y 染色體只帶有少數基因。

雄性只有一條 X,所以它帶有的對偶基因不論顯性或隱性都會表現出來。雌性要兩條 X 都帶有隱性 X 連鎖性狀才會表現;只有一個拷貝時,她是帶因者。

摩根的果蠅。白眼(r)是隱性的 X 連鎖對偶基因。帶因者雌蠅 X^RX^r × 紅眼雄蠅 X^RY:

父親把他的 X 傳給每個女兒,把他的 Y 傳給每個兒子。所以 X 連鎖隱性性狀在男性中常見得多,通常經由帶因者母親傳給他們,而且絕不會由父親傳給兒子。

人類的例子:紅綠色盲與血友病。

5.4 · 超越單純顯性

多種遺傳模式

孟德爾的比例假設一個基因、兩個對偶基因、其中一個為顯性,而且只決定一種性狀。許多性狀並不符合其中某一項。

多基因遺傳。圖中有三個基因,每個大寫對偶基因使性狀增加一個單位。AaBbCc × AaBbCc 會產生 64 種機率相等的組合,而大寫對偶基因的數目呈鐘形分布,1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1。基因更多,再加上環境的影響,這些階梯就會變得模糊,形成連續變異。

基因多效性。鐮形血球對偶基因改變了血紅素的一個胺基酸。它的影響包括紅血球變成鐮形、貧血、疼痛、多個器官受損,以及在異型合子中對瘧疾具有抗性。

這類性狀不會得到孟德爾的比例;用卡方檢定與 3 : 1 或 9 : 3 : 3 : 1 比較,會拒絕它們。

5.4 · 細胞核外的基因

粒線體隨卵細胞傳遞

粒線體與葉綠體有自己的 DNA。它們的基因不遵循孟德爾定律。

這些胞器不是由減數分裂分配的。它們隨細胞質一起,被隨機分配給子細胞與配子。

在人類與其他動物中,合子的粒線體來自卵。精子帶來的是細胞核;它少數位於中段的粒線體,會在卵中被破壞。所以由粒線體 DNA 編碼的性狀是母系遺傳:

例子:雷伯氏遺傳性視神經病變,這是由粒線體基因突變引起的視力喪失。

在植物中,葉綠體被隨機分配到細胞,可使葉片出現綠色與白色的斑塊(斑葉)。

5.5 · 環境對表現型的影響

同一基因型,不只一種表現型

表現型是由基因與環境共同決定的。同一種基因型在不同環境中表現出不同的表現型,稱為表現型可塑性。

溫度與性別。許多龜類沒有性染色體;卵在發育期間的溫度決定性別。在圖中的模型物種裡,卵在低於轉換溫度 29 °C 時多孵出雄性,高於此溫度則多孵出雌性:在 27 °C 時,雌性占 2.6%;在 31 °C 時,97.4%。

兔子的色素酵素對溫度敏感:只有在身體較冷的部位才能作用。飲食不會改變 PKU 的基因型,但會改變表現型。

5.6 · 染色體與不分離

減數分裂分配錯誤時

基因位於染色體上,染色體在減數分裂中的行為可以解釋孟德爾定律:這就是遺傳的染色體學說。當這些行為出錯時,配子的染色體數目就會不正常。

不分離是指該分開的沒有分開:減數分裂 I 中是同源染色體,減數分裂 II 中是姊妹染色分體。

n + 1 的配子與正常配子受精,會形成三體(2n + 1);n − 1 的配子則形成單體(2n − 1)。

其他大多數染色體數目的改變,在出生前就會致死。21 三體的風險會隨母親年齡增加而上升。

5.6 · 譜系圖與人類遺傳疾病

從家族讀出遺傳模式

譜系圖用來呈現某個性狀在家族中的傳遞:方形代表男性,圓形代表女性,塗黑的符號表示患者;橫線連接雙親,垂直線通往他們的子女。

推導過程。II-2 是患者,但他的父母都不是。所以這個性狀是隱性的,他是 aa。父母各給了他一個 a,卻都表現出 A:兩人都是 Aa。他的子女未受影響,但從他得到一個 a:是 Aa。

他未受影響的姊妹 II-1 是 AA 或 Aa。在 Aa × Aa 的子女中,未受影響者有 2/3 是 Aa:

基因檢測與諮詢會引發倫理、社會與醫學上的問題:誰應該知道檢測結果,又該如何運用。