第 6 章 染色体结构变异

第 6 章 染色体结构变异

导 言 introduction

第 1 节 缺失 deficiency

第 2 节 重复 duplication

第 3 节 倒位 inversion

第 4 节 易位 translocation

导 言

染色体结构变异的概念和形成机理

结构变异的类型

染色体变异的自发和诱发

精确的细胞分裂是遗传规律的细胞学基础

细胞的有丝分裂是在时间上、空间上协调一致的有序过程，产生出可以进行科学预测的分裂产物。

有丝分裂形成两个核遗传组成完全相同的子细胞。

减数分裂形成各种基因型的四分孢子。

染色体也会发生变异

随着遗传学研究的对象越来越多，涉及面越来越广，偏离规律的异常现象日益增多。

最初，将这些异常现象一律用突变来解释。

随着细胞学研究逐步深入到遗传学领域，人们才认识到，除了基因突变以外，染色体的结构和数目也会产生变异，从而导致偏离遗传规律的异常结果。

果蝇棒眼的遗传

• 棒眼 B ＞正常眼 B+，该基因位于 Xchr.上，伴性遗传。

• 红眼♀蝇 ×棒眼♂蝇， F1代♀蝇应该是棒眼， ♂蝇应该是正常红眼。 棒眼 正常眼

缺失造成假显性但 C.B.Bridges在某些杂交组合的子一代群体内却发现了正常眼雌蝇。唾腺细胞中，体细胞联会的两条 Xchr中有一条短缺了一小段 。

据此， Bridges推测子一代中之所以出现正常红眼♀蝇，是因为来自精子的那一条 Xchr短缺了一小段，而缺少的这一小段，正是基因 B 所在的区段，这就使得正常 X chr上的 B+处于半合状态，正常红眼效应得到了表达的机会，发育为正常红眼雌蝇。

一、染色体结构变异的概念和形成机理

在正常情况下，一个物种(species)chr的数目、形态和结构都是相对稳定的。

细胞分裂时， chr准确地复制和分配到子细胞中去，保证了物种的遗传稳定性。

染色体会发生断裂

自然辐射、温度、营养、生理环境等因素的异常变化，都可能使染色体发生断裂。

人为地用某些物理因素（如 UV 、 x －ray 、 γ-ray、中子等）或化学试剂处理生物体、细胞， chr断裂的频率还会大大提高。

断裂－愈合假说：

染色体发生断裂以后，形成粘性末端（ cohesive end），具有与另一个断裂末端愈合的能力，而不能稳定存在。

A ．重建愈合（ restitution fusion）B ．断裂末端自身愈合，或者称为自身封闭C ．错接，改变基因顺序，甚至改变连锁群

非重建愈合导致 chr. 结构变异 :

断裂末端自身愈合和错接，都会导致chr结构发生变异。

称为非重建愈合

二．结构变异的类型

chr结构变异：

单个染色体片段的缺失、增加

少数染色体之间片断互换

根据涉及到的染色体数归为两类：

染色体内变异： 只涉及一条 chr ，包括缺失、重复、倒位

染色体间变异： 涉及两个以上非同源 chr ，包括易位、染色体间移位型重复

三．染色体变异的自发和诱发

断裂—愈合假说： 断裂或损伤； 伤口的接触； 重接或交易等过程。

断裂是发生结构变异的前提。断裂、重接或交换的过程可以是自发的（ Spontoneous aberration），可以是人工诱发的（ Induced aberration）。

自发变异的诱因A ．遗传因素

B ．营养条件和生理状况

C ．自然辐射

D ．微生物尤其是病毒的侵染

营养条件和生理状况与 chr 结构变异：

在 植 株 生 长 期 间 ， 如 果 缺Ca 、 Mg ， chr结构变异显著增加，而且这种植株对 X-ray也特别敏感。

种子长期贮藏也有增加 chr 结构变异的趋势。原因 : 长期脱水。

自然辐射

大量事实证明，辐射处理不仅是诱发基因突变的重要途径，也是诱发 chr结构变异的重要途径。

自然辐射是引起 chr断裂的重要因素。

微生物尤其是病毒的侵染

•人类在受到病毒（如寻麻疹，水痘， SV40，脑膜炎）的侵染后染色体可能发生断裂和重排。

结构变异的人工诱发物理因素诱变化学因素诱变

X － ray和 γ－ ray等电离辐射穿透细胞以后使得被击中的物质发生电离，放出电子，电子又冲击其他原子，发生次级电离，引起一连串的连锁反应。

原子和分子由于电子数量的改变，从稳定状态变为不稳定的状态，发生各式各样的化学反应，使 chr断裂，从而产生结构变异。

现在已知的化学诱变剂已经有很多种，如芥子气亚硝酸 2 ， 3-环氧丙醚8-乙氧基咖啡硷顺丁烯联胺甲醛5-溴尿嘧啶蓖麻油某些抗菌素等。

第 1 节 缺 失

一 缺失的概念和种类

二 缺失的效应

三 缺失的细胞学鉴定

四 缺失的遗传学鉴定

一．缺失的概念和种类

丢失了某一区段的 chr称为缺失chr （ deficiency ， deletion）

中间缺失末端缺失

缺失的类型与形成

末端缺失

一次断裂，形成一个有着丝粒的片段和一个无着丝粒的片段。

无着丝粒片段在后来的细胞分裂过程中丢失。

有着丝粒片段的断头具有粘性，因而也是不稳定的，将会在后续的分裂过程中产生一系列的连锁变化。

中间缺失

一个染色体的中间区段丢失称为中间缺失。

中间缺失至少牵涉到两个断裂。

二 缺失的细胞学鉴定

末端缺失，形成异形二价体

倘若缺失区段很小在形态上很难看出

中间缺失，则形成缺

失环

缺失杂合体和缺失纯合体

一对染色体中一条缺失，另一条正常，这样的个体或细胞称为缺失杂合体（ deficiency heterozygote）。

一对同源染色体缺失相同区段，这样的个体或细胞称为缺失纯合体（ deficiency homozygote）

三 缺失的效应

缺失势必丢失缺失区段内的遗传物质。

致死（ lethal ）

假显性（ Pseudodominance ）

1 ．缺失与致死

缺失区段较大，或缺失纯合体，大多致死。至于缺失片段较小的个体，则情况较复杂一些。

缺失的致死效应可分为合子致死和配子致死有两种情况。

1 ．缺失与致死

• 1915 年， C.B.Bridges 报道了关于果蝇X 染色体上决定棒眼（ B ）性状的区段缺失。他发现该区段的缺失能引起雄性个体致死。

猫叫综合症智力差，面部小，哭声似猫叫。

配子体对缺失更敏感

在高等植物中，大多数物种的配子体对缺失的反应更为敏感，尤其是雄配子。

含缺失染色体的花粉不完全败育，在受精过程中也会因竞争不过正常花粉而不能参与受精。

低等生物对缺失的忍受性相当强

有些低等生物，如细菌和噬菌体，对缺失的忍受性相当坚强，而他们却都是单倍体。

在基因工程上，用噬菌体作克隆基因的载体，切除了其本身的相当一部分 DNA ，甚至是大部分 DNA ，而代之以外源DNA 。

2 ．缺失与假显性现象

在缺失杂合体内，如果某一隐性基因所对应的等位显性基因正好位于缺失区段内，而缺失区段又很小，不至于影响基本生命活动，则该隐性基因因处于半合状态而得以表现。

从表面现象上看，似乎该基因是显性的。因而称之为假显性现象（ pseudodominance ）。

玉米植株颜色的假显性

第 2 节 重复

壹 重复的概念和种类

贰 重复的细胞学鉴定

三 重复的遗传学效应

一 重复的概念和种类

染色体某一区段加倍的结构变异称为重复 (duplication)。

生物体对染色体重复的耐受性大于对缺失的耐受性。

重复的种类

染色体内重复

染色体间重复

染色体重复的类型与形成

染色体内重复可分为 ：

同臂重复 顺接重复 abcde cde·fghi

反接重复 abcde edc·fghi

异臂重复 abcde·fcde ghi

不等交换与果蝇 16A区段重复

二 重复的细胞学鉴定 根据重复杂合体（ duplication heterozygote）在减数分裂过程中的联合现象。

要求熟悉正常染色体的形态和结构，如染色粒、染色带、染色纽、随体和核仁组织区等染色体特殊结构的有无、大小和位置等。

重复杂合体在减数分裂中的联会

三 重复的遗传学效应

①重复导致基因组的演化

②基因剂量的改变引起剂量效应

③位置变化引起位置效应

1 、重复是生物进化的源泉之一

总体上说，重复对生物体是有害的，但其危害程度小于缺失。

重复导致基因在 chr上的相对位置改变。

重复区域及其附近基因间的重组率降低。

重复使染色体含量增加，为积累变异提供了材料。

2 ．重复的剂量效应和位置效应 果蝇的 X － chr上与眼色有关的基因 v+ －v，位于第 10区 B 段与 C 段的交界处。

v+红色＞ v 朱红色， v+//v基因型♀蝇为红眼。

C.B.Bridges得到一条 X － chr，其上有v，又重复了载有 v+的一个区段， v+v。

重复纯合体♀蝇 v+v/v+v，红色。

果蝇眼色的遗传

♀ 蝇 v+v/v+v × v/Y♂ ↓ F1 v

+v/Y ♂ 红色眼 v+v/v ♀ 眼色却是朱红色的

两倍剂量的 v 表型效应超过了只有一倍剂量的显性基因 v+的表型效应。

改变了一个隐性基因与一个显性基因之间的平衡关系。

果蝇棒眼

•重复的剂量效应和位置效应

•果蝇的棒眼性状也是伴性遗传的，棒眼的效应与 Xchr上 16区 A 段内的一个重复有关。

•如果这个区段重复，果蝇复眼内小眼的数目就下降，形成棒眼。

•小眼的数目与重复的次数、重复的位置有关。

第一条 X染色体16A区段重复次数

♂蝇小眼数

第二条 X 染色体 16A区段重复次数和♀蝇小眼数

B+/ B+B/ B+BB/

B+/ 748.8 779.4

B+B/ 91.0 358.4 68.1

B+BB/ 29.0 45.5 36.4 25.0

位置效应 (position effect)

基因的功能不仅决定于它的自身结构和

剂量，也决定于它所在的位置及其与邻近基因间的相互联系。

拟等位基因（ pseudo alleles ）

所谓拟等位基因是指控制同一个单位性状，位置非常靠近的不同基因。

在互补测验中它们表现为功能上的等位性，但又可通过交换发生重组。

第 3 节 倒 位（ inversion ）

倒位的概念和类型 chr 断裂之后，某一区段或某些区段的正常基因顺序颠倒之后又重接起来的过程，称为染色体的倒位。

倒位了的 chr 称为倒位 chr 。

倒位的类型很多。简单倒位复杂倒位

倒位的类型与形成

简单倒位

臂间倒位：倒位的区段包含着丝粒。

臂内倒位：倒位的区段不包含着丝粒。

倒位杂合体的配对和重组 倒位纯合体减数分裂前期Ⅰ完全可以进

行正常配对和交换。减数分裂过程和产物都是正常的。

倒位杂合体，正常的线性配对是不可能的。

根据倒位区段的大小，减数分裂时倒位杂合体以不同的方式进行联合。

倒位杂合体联会模式图

光镜下观察到的果蝇多线染色体倒位环

电镜下观察到的倒位环

光镜下观察到的果蝇多线染色体倒位环

3 倒位杂合体的减数分裂行为 不论是臂内倒位杂合体还是臂间倒位杂合体，在减数分裂时正常染色体和倒位染色体联会时形成的“倒位圈”。

倒位圈内外非姐妹染色单体会发生交换。

臂间倒位杂合体的减数分裂行

为

倒位对连锁基因重组和配子败育的影响 • 倒位最直接的效应就是改变了倒位区段

内的基因和倒位区段两侧基因之间的顺序和距离。

• 倒位的一个最明显的遗传效应就是倒位杂合体上基因的重组率降低了。

玉米的臂间倒位 In3a (L.4-.9)

Lg2-lg2 和 Al-al两个基因座在倒位圈内

Lg2-lg2 和 Al-al之间的正常重组率为28%，而 In3a (L.4-.9)杂合体的重组率下降为 0.5%或 1.9%。

连锁基因重组率下降幅度与倒位区段的长短有密切的关系

• 倒位区段越短，重组率下降越多，甚至可以表现为完全连锁。

• 因为，当倒位区段很短时，根本不与正常区段联会，不形成倒位圈，当然不会发生交换，更不会有重组。

玉米 In5a(S.o-L.67) 臂间倒位

bt1→pr 24%→0.4%

bt1→bm1 1%→0

bt1→a2

8%→4.5%

果蝇第 3染色体由 es 经 ro至 ca的一段倒位

• sr与 es

之间的细胞学距离增大了，而遗传距离反而变小了。

臂内倒位杂合体的花粉败育率一般高于胚囊

花粉可育率% 胚囊可育率%In3a （ L.4-.

9 ）81 ． 4 88

In4a （ L.35-.88 ）

71 ． 8 96

In2c （ L.1-.6）

83 ． 5 100

倒位可以作为重组抑制因子

倒位能抑制重组，称为交换抑制因子（ crossover supressor）实际上是抑制重组，而不是抑制交换！

早在 1928 年，倒位就被当作一个抑制Xchr重组的显性标志。

ClB 检验法 C ：倒位，交换抑制者 cross-over suppressor。l ： lethal，倒位区段内有一个隐性致死基因，使果蝇在胚胎发育的最初阶段死亡。B ：棒眼，倒位区段外侧 16A 区段重复，提供了识别的依据。这样的 Xchr被称为 ClB chr。

XClB//X+ 杂合体♀蝇被称为 ClB系（ ClB stock）。

正常 XChr上的“ L”是抑制致死的显性基因。

[XClB//XClB]♀蝇和 [XClB//]♂蝇，都受隐性致死基因的作用而死亡。

只有 [XClB//X+]♀才能存活， XClB 染色体才能得以保存和传递。

[XClB//X+] 用于检测 Xchr上的隐性突变及其频率

方法与步骤：① X-ray处理野生型♂蝇。由于♂蝇只有一条 Xchr ， X-ray 可能使精母细胞的Xchr上的基因发生突变。发生了突变的Xchr以 X －代表。②经 X-ray处理过的♂蝇与 ClB系杂交。③子代群体内的棒眼♀蝇与正常♂蝇杂交

[XClB//X+] 用于检测 Xchr上的隐性突变及其频率

如果当初 X-ray处理确使 XChr上的某个基因或某些基因发生了突变，则突变基因的表现型即可在 X-//Y个体中表现出来。

通过计数可以获得突变频率。

因为 X-//Y中的 X-chr上的各个基因从未因交换而转移过。

第 4 节 易 位（ translocation）

一 概念、类型、来源及细胞学鉴定

二 遗传学效应

三 相互易位杂合体半不育性的细胞学机制

四 易位的应用

一、易位的概念

两个非同源 chr 之间区段的转移或互换。

易位是染色体间的结构变异，

易位的类型与形成

易位的分类

简单易位（ simple translocation ）

相互易位（ reciprocal translocation

复杂易位（ complex translocation ）涉及三对非同源染色体的易位。

交互易位是最常见的类型 简单易位、复杂易位与相互易位相比，是很少见的。

二、相互易位杂合体的细胞学鉴定 相互易位纯合体在细胞学上是正常的。

相互易位杂合体在减数分裂前期Ⅰ的联会是不正常的，是鉴别易位的主要细胞学证据。

相互易位涉及两对 chr ，前期Ⅰ都能形成四联体（ quadruple ）。

三、 易位的遗传学效应

致死效应 产生新的连锁群 杂合体的半不孕性 杂合体降低有关连锁基因的重组率 引致基因的位置效应

易位的致死效应

在形成易位的过程中，处于断裂点附近的 DNA 会受到不同程度的损伤，使某些基因伤失功能。

在果蝇中，人工诱发或自发产生的易位纯合体是不能存活的（隐性致死）。在玉米中，大多数易位都会伴随缺失，致死。在大麦中，隐性致死突变也常常和易位相联系。

易位产生新的连锁群

易位改变原来的基因间的连锁关系。

易位一旦纯合，就会产生新的连锁群。

易位杂合体的半不孕性

易位杂合体减数分裂产物中有一半左右是遗传不平衡的。

易位杂合体的半不孕性

由半不孕的 F1 种子长出来的 F2群体，又有半数不孕，半数正常可孕。

可孕 F2的后代 F3全部是正常可孕的，而半不孕的 F2产生的 F3群体中又有一半是半不孕的。

• Semisterility results from translocation heterozygotes

– < 50% of gametes arise from alternate segregation and are viable

Fig. 13.18 d

相互易位杂合体的减数分裂

易位杂合体的半不孕性假说

易位杂合体降低有关连锁基因的重组率

在正常的第 9染色体上：Yg2-yg2 与 Sh-sh 重组率为 23%，Sh-sh 与 Wx-wx 的重组率为 30% ； [T5-9a] 易位杂合体：这两个重组率分别下降到 11 ％和 5 ％。基因距易位点。（ T）越近，重组率下降越多。 Yg2-yg2 与Sh-sh之间下降了 12%，而 Sh-sh 与 Wx-wx 之间却下降了 25%。

相互易位杂合体孢母细胞减数分裂产生的孢子中，只有含两个正常染色体或两个易位染色体的两种孢子才是可育的，其余都是败育的。

自交或互交的子代群体是两种可育配子随机组合的结果， 1/4回复为正常双体， 1/4是新的易位纯合体，1/2仍是易位杂合体。

易位点（ T ）及其正常等位点（ t）：

四、 易位与进化 易位与生物进化的关系较其他染色体结构变异更为密切。

• 易位可以改变基因间的连锁关系• 易位可以改变染色体的形态• 易位可以改染色体的数目这些都可能导致变种和新种的形成。

易位也可以杂合体的形式传递。

易位与植物进化的关系则更为密切。

发生于近端着丝粒染色体之间的特殊易位方式。

断点位于着丝粒附近，两条染色体的长臂粘接成一条较大的衍生染色体，短臂粘接成一条小染色体（往往丢失）。

罗伯逊易位 (Robertson translocation)

易位在进化中的意义易位是新物种起源的重要途径。

大熊猫的 1号染色体可能是熊的 2 、 3号染色体罗伯逊易位的产物；2号染色体可能是熊的 1 、 9号易位；3号染色体可能是熊的 6 、 16号易位。

① 大熊猫与熊染色体的比较

②人（ human）与黑猩猩（ chimp）、大猩猩（ gorilla）、猩猩（ orangutan）、长臂猿（ gibbon）的进化历程：

人类二号染色体有一个罗伯逊易位，在黑猩猩、大猩猩与猩猩中均无。

G带表明，人类发生罗伯逊易位的两条近端着丝粒祖先染色体在其他三类灵长类动物中仍然存在 .

易位能改变染色体的结构和数目

易位常常导致染色体的形态变化，改变着丝粒的位置，改变臂比。

Robertson 易位是交互易位中的一种特殊类型，在人类中最为常见。

人类的 2号染色体

据研究，人类的 2号染色体就是由巨猿的两条近端着丝粒染色体经 Robertson 易位而形成的。

Philadelphia Chromosome

人类慢性骨髓性白血病（ chronic myelogenous leukemia）

Chr9和 Chr22相互易位 使得 Chr9上的 c-abl oncogene和Chr22上的 bcr gene相连，形成融合基因。 其产物是一个融合蛋白 这个融合蛋白使细胞不受细胞周期的控制，导致白血病。 只要一个细胞带有这种易位 Chr，就会致病。

正常的 c-Abl蛋白是一个激酶， Bcr蛋白激活磷酸化反应。

多易位杂合体物种的形成 曼佗罗（ 2n=24 ）染色体组型的演变 月见草的多易位复合杂合体系及其遗传 紫万年青属的易位复合体

曼佗罗（ 2n=24 ）染色体组型的演变 以加拿大的一个品系作“原型 1” 。它在减数

分裂时联合成 12Ⅱ。将这 12 对染色体的两个臂分别以 1·2 ， 3·4 ，

5·6……23·24 代表。

通过大量的杂交，对各个杂交组合的 F1植株进行细胞学检查分析，除“原型 1” 外，又从几百个突变系中划分出“原型 2” 、“原型 3” 、“原型 4” 、“原型 7” 、“原型 87” 、“原型88” 等几个不同类群。

原型 2

原型 1 ： 1· 2 、 17 · 18原型 2： 1·18、 2·17 易位纯合体

原型 1 与原型 2 杂交， F1 是（ 1·2 ），（ 17·18），（ 1·18）和（ 2·17）的易位杂合体。

减数分裂时出现一个四体环和 10个二价体（ O4+10Ⅱ ）。

原型 3

“原型 3”是（11·21）和（ 12·22），易位纯合体。

“原型 4”是（ 3·21）和（ 4·22），易位纯合体。

“原型 7” 是（ 9·20）和（10·19），易位纯合体，

“原型 88” 是（ 15·23）和（16·24），易位纯合体。

“ 原型 3 、 4 、 7 、 88” 分别与“原型 1” 杂交， F1在减数分裂时都应该出现 O4+10Ⅱ 。

原型 87

“原型 87” 是（ 3·12 ）、（ 4·22 ）和（ 11·21 ）三个易位染色体的纯合体。与“原型 1” 杂交后， F1 在减数分裂时形成 O6+9Ⅱ。

经 过 多次杂 交和 反复分析才确定这 O6 是由（ 3·4 ），（ 4·22 ）（ 21·22 ），（ 11·21 ），（ 11·12 ）和（ 3·12 ）。其中的（ 3·4 ），（ 11·22 ），（ 21·22 ）来自原型 1 ，（ 4·22 ），（ 11·21 ）和（ 3·12 ）肯定来自原型 87 。

当易位涉及两对以上非同源染色体时，易位杂合体在减数分裂时，会形成 6个、 8个，以致更多个染色体的大环（ O6， O8……On）。

如“原型 87”有三条易位染色体，涉及“原型 1”的三条非同源染色体，所以“原型 87”与“原型 1”杂交F1 ，含有（ 3·4 ）、（ 11·12 ）、（ 3·12 ）、（ 4·22）、（ 21·22）和（ 11·21 ）等 6个易位染色体，联会时不是形成“ +”字形，而是六角海星的形象。终变期在交叉端化以后就成为一个六体环，或双 8字结。

另外还有没有参与易位的 9个二价体。

若易位涉及 4条非同源染色体，易位杂合体就会联会成 O8

涉及 5条非同源染色体就形成 O10，依次类推。

这种情形正是月见草种间演变的实际情况。成为植物界现存的稳定遗传的复合易位杂合体。

利用易位鉴别家蚕的性别在家蚕养殖中，雄蚕食量小，吐丝早，出丝率高，丝的质量也高，经济价值明显高于雌蚕。

家蚕 ZW型性别决定。家蚕卵壳颜色受 Chr10上的 B 基因控制，野生型卵壳为黑色（ B ）。

诱导突变可以获得隐性基因（ b ），表现为白色卵壳。

利用带有 W － 10易位染色体（含 B 基因）的雌蚕品系与白卵雄蚕杂交，后代中黑卵均为雌蚕，白卵全为雄蚕，采用光学仪器就能够自动鉴别蚕卵的性别。

利用易位鉴别家蚕的性别