遗传

第 5 章 · 遗传

减数分裂与孟德尔

亲代只把一半的染色体传给后代。传哪一半纯属偶然,而孟德尔统计的正是这种概率。

图中,一个含四条染色体的细胞产生四个各含两条染色体的细胞。红色染色体来自该细胞的母方,蓝色染色体来自父方。每个新细胞从每对染色体中各得到一条,但得到哪一条是随机的。

本章追踪染色体在减数分裂中的行为,说明减数分裂如何将染色体重新组合,并用概率预测杂交后代。随后讨论孟德尔比例无法描述的遗传模式、环境对表型的作用,以及染色体分配出错时会发生什么。

5.1 · 减数分裂

一个二倍体细胞,四个单倍体细胞

减数分裂产生配子(卵细胞和精子),其染色体数是亲代的一半。

二倍体细胞(2n)含有两套染色体,每套来自一方亲本。一对中的两条染色体是同源染色体:长度相同,基因相同且排列顺序相同,但这些基因可能有不同的版本(等位基因)。人的体细胞有 2n = 46;人的配子是单倍体,n = 23。

减数分裂之前,DNA 先复制,因此每条染色体由两条相同的姐妹染色单体组成,二者在着丝粒处相连。随后进行两次分裂:

减数分裂 I 使同源染色体分离。成对的染色体一起排列在细胞中央,每对中的一条移向一极。此时两个细胞都已是单倍体,不过它们的染色体仍含有两条染色单体。

减数分裂 II 使姐妹染色单体分离,与有丝分裂很相似。结果:得到四个单倍体细胞。

每个细胞的 DNA 量以一个配子的 DNA 量为单位。有丝分裂保持染色体数不变,产生相同的细胞;减数分裂使染色体数减半,产生互不相同的细胞。受精使两个单倍体配子结合,恢复为 2n。

5.2 · 交叉互换

同源染色体交换片段

在减数分裂 I 开始时,同源染色体配对,非姐妹染色单体之间互换相应的片段。这就是交叉互换。

配对的同源染色体,共四条染色单体,组成一个四分体。红色同源染色体的一条染色单体与蓝色同源染色体的一条染色单体在同一位置断裂,并彼此连接。它们交叉的位置称为交叉。

图中,基因 A 位于交叉点上方,基因 B 位于交叉点下方。红色同源染色体带有 A 和 B,蓝色的带有 a 和 b。减数分裂后,四条染色单体分别带有:

重组型染色单体带有的等位基因组合,是亲本的两条染色体都没有的。正因为有交叉互换,配子得到的每条染色体都是两条同源染色体拼合而成的,而不是其中任何一条的复制品。

染色体上相距较远的两个基因,比相距较近的两个基因更容易在它们之间发生交叉(5.4)。

5.2 · 自由组合与随机受精

组合数比人口还多

在中期 I,每对同源染色体排列时,来自母方的染色体在一侧还是另一侧,与其他各对无关。这就是自由组合。

图中,长的一对带有基因 A,短的一对带有基因 B。一种排列方式使 A B 移向一极,a b 移向另一极。它的镜像排列则使 A b 和 a B 分开。经过许多次减数分裂,四种配子的数量相等。

有 n 对染色体时,就有 2ⁿ 种组合。对人来说,n = 23:

随机受精。任何一个这样的卵细胞都可以与任何一个这样的精子相遇,因此一对夫妇可能产生 $2^{23} \times 2^{23}$ ≈ 7.0 × 10¹³ 种不同的受精卵,这还没有算上交叉互换带来的更多变化。

交叉互换、自由组合和随机受精共同使有性生殖的每个后代在遗传上都是独一无二的(同卵双胞胎除外),并为自然选择提供了可作用的变异。

5.3 · 孟德尔分离定律

每个亲本各提供一个等位基因

孟德尔用豌豆做杂交实验并统计子代。他让圆粒与皱粒植株的杂种相互杂交,下一代(F₂)中圆粒与皱粒约为 3 : 1。

一个基因有不同的等位基因:R(圆粒)和 r(皱粒)。生物体的一对等位基因是它的基因型;它表现出的性状是表型。RR 和 rr 是纯合子,Rr 是杂合子。R 是显性:Rr 的种子是圆粒。r 是隐性:只有 rr 才表现出来。

分离定律。一个基因的两个等位基因分离进入不同的配子,各有一半配子带有其中一个。这发生在减数分裂 I:携带它们的同源染色体移向相反的两极。

punnett 方格把每种卵细胞与每种精子配对:Rr × Rr 得到 1 RR : 2 Rr : 1 rr,即 3 圆粒 : 1 皱粒。

圆粒种子可能是 RR,也可能是 Rr。与 rr 植株进行测交可以判断:RR 的后代全是圆粒,Rr 的后代一半是皱粒。

5.3 · 两个基因与概率法则

9 : 3 : 3 : 1

位于不同染色体上的基因彼此独立遗传:这就是孟德尔的自由组合定律,它源于各对染色体独立排列(5.2)。

因此可以一次只考虑一个基因,再用两条规则把结果合起来:

乘法法则。对于独立事件,P(A 且 B) = P(A) × P(B)。
加法法则。对于互斥事件,P(A 或 B) = P(A) + P(B)。

例题。RrYy × RrYy,黄色(Y)对绿色(y)为显性。每个基因单独考虑,都是 3/4 显性、1/4 隐性:

加法法则可用来求杂合子:在 Rr × Rr 中,Rr 来自 R 卵细胞与 r 精子,或 r 卵细胞与 R 精子,¼ + ¼ = ½。

在 punnett 方格不好用的地方,这些法则仍然适用:AaBbCc × AaBbCc 中,P(aabbcc) = (¼)³ = 1/64。

图中每粒种子的形状就是它自己的形状;白色代表黄色,灰色代表绿色。

5.3 · 检验比例:卡方检验

差异只是偶然吗?

实际的计数从不会与预期比例完全吻合。卡方检验用来判断差异是否小到可以归因于偶然。

其中 o 是每一类的观察数,e 是期望数。这里的零假设是:两个基因独立分配,因此 F₂ 为 9 : 3 : 3 : 1。孟德尔统计了 556 粒种子:

自由度 = 类别数 − 1 = 3。由公式表可知,p = 0.05 时的临界值为 7.81。由于 0.47 < 7.81,我们不能拒绝零假设:这种大小的偏差是偶然会产生的。

如果 χ² 大于临界值,就会拒绝零假设:这些基因可能连锁(5.4),或者某种基因型的存活率较低。要使用计数,不要用百分比;另外,不能拒绝只是支持假设,并不能证明它。

5.4 · 连锁基因与图距单位

一起遗传的基因

位于同一条染色体上且距离很近的基因是连锁的:它们倾向于一起遗传,不能独立分配。

只有它们之间发生交换才会使它们分开。图中,A 与 B 之间的交换产生重组染色单体;发生在这一段之外的交换则使组合保持原样。

测交。一只从一个亲本得到 A B、从另一个亲本得到 a b 的果蝇,与 aabb 杂交。如果这两个基因独立分配,四种类型的比例应为 1 : 1 : 1 : 1。但事实并非如此:

RF 是重组频率。一个图距单位(厘摩)相当于 1% 的重组,所以 A 与 B 相距 18 个图距单位。距离越远,落在两者之间的交换越多:频率越高。它不会超过 50%,而这正是非连锁基因的结果。

作图。如果 A–B 为 18,B–C 为 7,A–C 为 25,那么 18 + 7 = 25:顺序是 A–B–C。

5.4 · 伴性基因

儿子的 X 染色体来自母亲

在人类和果蝇中,雌性是 XX,雄性是 XY。位于 X 染色体上的基因是伴 X 遗传的;较小的 Y 染色体携带的基因很少。

雄性只有一条 X,所以它携带的等位基因无论显性还是隐性都会表现出来。雌性只有两条 X 都携带隐性伴 X 性状时才会表现;只带一个拷贝时,她是携带者。

摩尔根的果蝇。白眼(r)是隐性伴 X 等位基因。携带者雌蝇 X^RX^r × 红眼雄蝇 X^RY:

父亲把 X 传给每个女儿,把 Y 传给每个儿子。所以伴 X 隐性性状在男性中常见得多,通常经由携带者母亲传给他们,而且绝不会由父亲传给儿子。

人类的例子:红绿色盲和血友病。

5.4 · 超越简单显性

多种遗传模式

孟德尔的比例假设只有一个基因、两个等位基因、一个显性,以及一个性状。许多性状会打破其中某一条。

多基因遗传。图中三个基因,每个大写等位基因使性状增加一个单位。AaBbCc × AaBbCc 产生 64 种等可能的组合,大写等位基因的数目呈钟形分布,1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1。基因更多,再加上环境的影响,这些阶梯会变得模糊,成为连续变异。

基因多效性。镰状细胞等位基因改变了血红蛋白的一个氨基酸。它的影响包括红细胞镰变、贫血、疼痛、多个器官受损,以及在杂合子中对疟疾的抗性。

这类性状不符合孟德尔比例;针对 3 : 1 或 9 : 3 : 3 : 1 做卡方检验,会拒绝这些比例。

5.4 · 细胞核外的基因

线粒体随卵细胞传递

线粒体和叶绿体有自己的 DNA。它们的基因不遵循孟德尔定律。

这些细胞器不是通过减数分裂来分配的。它们随细胞质一起被随机分配到子细胞和配子中。

在人类和其他动物中,受精卵的线粒体来自卵细胞。精子带来细胞核;它中段里为数不多的线粒体会在卵细胞中被破坏。所以由线粒体 DNA 编码的性状是母系遗传的:

例子:Leber 遗传性视神经病变,这是由线粒体基因突变引起的视力丧失。

在植物中,叶绿体被随机分配到细胞里,可使叶片出现绿白相间的斑块(斑叶)。

5.5 · 环境对表型的影响

一种基因型,多种表型

表型由基因和环境共同决定。同一基因型在不同环境中表现出不同表型,称为表型可塑性。

温度与性别。许多龟类没有性染色体,卵发育期间的温度决定性别。在图中的模型物种里,卵在低于临界温度 29 °C 时多孵出雄性,高于该温度时多孵出雌性:27 °C 时,雌性占 2.6%;31 °C 时,为 97.4%。

兔的色素酶对温度敏感:只在身体温度较低的部位起作用。饮食不会改变 PKU 的基因型,但会改变表型。

5.6 · 染色体与不分离

减数分裂分配出错时

基因位于染色体上,染色体在减数分裂中的行为可以解释孟德尔定律:这就是遗传的染色体学说。如果这些行为出错,配子的染色体数目就会不正常。

不分离是指本应分开的染色体没有分开:可能是减数分裂 I 中的同源染色体,也可能是减数分裂 II 中的姐妹染色单体。

n + 1 的配子与正常配子受精,形成三体(2n + 1);n − 1 的配子则形成单体(2n − 1)。

其他大多数染色体数目的改变在出生前就会致死。21 三体的风险随母亲年龄增大而升高。

5.6 · 系谱图与人类遗传病

从家系中读懂遗传方式

系谱图用来表示某一性状在家族中的传递:方形代表男性,圆形代表女性,实心符号表示患者;横线连接父母,竖线通向他们的孩子。

推理过程。II-2 是患者,但他的父母都不是。所以该性状是隐性的,他的基因型是 aa。父母各给了他一个 a,而自己表现出 A:两人都是 Aa。他的孩子都未患病,但从他那里得到了一个 a:基因型为 Aa。

他未患病的姐姐 II-1 是 AA 或 Aa。Aa × Aa 的后代中,表现正常的个体里有 2/3 是 Aa:

基因检测与遗传咨询会带来伦理、社会和医学方面的问题:谁应当知道检测结果,又该如何处理。