第四章--连锁遗传分析与染色体作图课件.ppt

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1、第一节第一节 连锁与交换定律连锁与交换定律问题问题: :基因在染色体上如何排列？基因在染色体上如何排列？同一条染色体上的基因之间在遗传时如何相同一条染色体上的基因之间在遗传时如何相互作用？互作用？内容：内容：I. 连锁交换定律连锁交换定律 II. 基因定位与染色体作图基因定位与染色体作图III. 人类基因组和染色体作图人类基因组和染色体作图1906 ，贝特逊贝特逊（Bateson, W.） 庞尼特庞尼特（Punnet, R.C） 香豌豆香豌豆（Lathyrus doratus） 一、一、 连锁交换定律连锁交换定律（一）（一） 连锁交换定律的发现连锁交换定律的发现Bateson-Punnet 香

2、豌豆杂交试验香豌豆杂交试验P: 紫花长花粉紫花长花粉红花圆花粉红花圆花粉 F1: 紫花长花粉紫花长花粉 表型表型 观察数观察数(O) 期望比例期望比例 期望值期望值(E)F2: 紫长紫长 4831 9 3910.5紫圆紫圆 390 3 1303.5红长红长 393 3 1303.5红圆红圆 1338 1 434.5 总计总计 6952 结果不符合自由组合定律，结果不符合自由组合定律， F2代中性状的亲代中性状的亲组合类型远远多于重组类型。组合类型远远多于重组类型。P: 紫花圆花粉紫花圆花粉红花长花粉红花长花粉 F1: 紫花长花粉紫花长花粉 表型表型 观察数观察数(O) 期望比例期望比例 期望值

3、期望值(E)F2: 紫长紫长 226 9 235.8紫圆紫圆 95 3 78.5红长红长 97 3 78.5红圆红圆 1 1 26.2 总计总计 419 差异极显著，差异极显著， 结果不符合自由组合定律。结果不符合自由组合定律。 连锁连锁(linkage): 1、摩尔根的试验、摩尔根的试验：P: 灰体长翅灰体长翅(BBVV) 黑体残翅黑体残翅(bbvv) F1:灰体长翅灰体长翅(BbVv) 测交测交1：灰体长翅灰体长翅(BbVv) 黑体残翅黑体残翅(bbvv) 灰体长翅灰体长翅(BbVv) : 黑体残翅黑体残翅(bbvv) =1 : 1测交测交2： 灰体长翅灰体长翅(BbVv) 黑体残翅黑体残

4、翅(bbvv) 灰体长翅灰体长翅(BbVv) : 0.42 黑体长翅黑体长翅(bbVv) : 0.08 灰体残翅灰体残翅(Bbvv) : 0.08 黑体残翅黑体残翅(bbvv) : 0.42 测交子代虽然出现了四种类型，但是重组类型测交子代虽然出现了四种类型，但是重组类型显著少于亲本类型。显著少于亲本类型。l摩尔根的解释：摩尔根的解释：l 基因基因B、V处于同一条染色体上，而处于同一条染色体上，而其等位基因其等位基因b、v位于同源染色体的另一位于同源染色体的另一条上。减数分裂时不能独立分配和自由条上。减数分裂时不能独立分配和自由组合。组合。2、完全连锁、完全连锁(Complete linkag

5、e):如如测交测交1：基因完全：基因完全连锁，不能发生重组。例连锁，不能发生重组。例雄果蝇雄果蝇和和雌家蚕雌家蚕P: 灰体长翅灰体长翅(BBVV) 黑体残翅黑体残翅(bbvv)(bbvv) F1: 灰体长翅灰体长翅(BbVv) 黑体残翅黑体残翅(bbvv)(bbvv) 灰体长翅灰体长翅(BbVv) : 黑体残翅黑体残翅(bbvv) =(bbvv) =1 : 1B VB Vb vb vB Vb vb vb vB Vb vb vb v3、 不完全连锁不完全连锁(Incomplete linkage)： 如如测交测交2，基因可以发生部分重组，但亲，基因可以发生部分重组，但亲本类型多于重组类型。本类型

6、多于重组类型。 灰体长翅灰体长翅(BbVv) 黑体残翅黑体残翅(bbvv) (bbvv) 灰体长翅灰体长翅: 黑体黑体长翅长翅: 灰体灰体残翅残翅: 黑体残翅黑体残翅 (BbVv) (b bbVv) ( (Bbvv) ( bbvv) bvv) ( bbvv) B Vb vB vb VB Vb vb vb vb vb vb vb v42% 8% 8% 42%一、一、连连锁锁遗遗传传的的细细胞胞学学基基础础二、二、互互换换的的细细胞胞学学基基础础 1）.交换的机制交换的机制： Janssens, 1909 交叉型假设交叉型假设（chiasmatype hypothesis) 要点：要点： (1).

7、 减数分裂前期的粗线期，非姊妹染色减数分裂前期的粗线期，非姊妹染色单体之间由于在粗线期发生交换单体之间由于在粗线期发生交换(crossing over)而在双线期出现而在双线期出现交叉交叉(chiasma)。(2). 相互连锁的两个基因之间如发生交换，会相互连锁的两个基因之间如发生交换，会导致这两个基因发生重组。导致这两个基因发生重组。A Ba bA ba B交换交换A BA ba Ba bA Ba bA Ba bA Ba b复制复制 交换交换发生过交换的性母细胞产生的配子，只有一半是发生过交换的性母细胞产生的配子，只有一半是重组子，另一半是亲组合型。重组子，另一半是亲组合型。2）交换率）交换

8、率（crossoverrate）：）：又称交换值或又称交换值或重组率重组率(RF ，recombination frequency)。l 交换率交换率= 重组合重组合( (亲组合重组合亲组合重组合) ) 100100单位单位: : 图距单位图距单位 m.u. m.u. (map unit) )或厘摩或厘摩( (centimorgan cM)以玉米的测交实验为例说明交换率测定方法。以玉米的测交实验为例说明交换率测定方法。 总配子数重组型配子数交换值100(%)l 摩尔根摩尔根l遗传学第三大定律遗传学第三大定律：连锁交换定律连锁交换定律。 l内容内容：l 处在同一染色体上的两个或多个基因联合处在同

9、一染色体上的两个或多个基因联合在一起传入子代的频率大于重新组合的频率在一起传入子代的频率大于重新组合的频率. . 重组类型的产生是由于配子形成时，同源染色重组类型的产生是由于配子形成时，同源染色体的非姊妹染色单体间发生了局部交换的结果体的非姊妹染色单体间发生了局部交换的结果。 1. 分离定律是自由组合定律和连锁交换定律的基础；分离定律是自由组合定律和连锁交换定律的基础； 2. 自由组合定律和连锁交换定律是生物体遗传性状发自由组合定律和连锁交换定律是生物体遗传性状发生生变异变异的主要机制；的主要机制； 3. 自由组合与连锁交换的区别：自由组合与连锁交换的区别： (1)染色体间重组染色体间重组(i

10、nterchromosomal recombination) 染色体内重组染色体内重组(intrachromosomal recombination) (2)自由组合受生物染色体对数的限制，而连锁交换自由组合受生物染色体对数的限制，而连锁交换则受其染色体本身长度的限制。则受其染色体本身长度的限制。 基因在染色体上的位置是相对恒定的。根据是两基因在染色体上的位置是相对恒定的。根据是两个基因之间的重组值个基因之间的重组值(率率)的相对恒定性。不同基因间的相对恒定性。不同基因间的重组值不同。的重组值不同。 摩尔根摩尔根(1911) ：重组值重组值(交换值交换值)的大小反映着的大小反映着基因座在染色体

11、上距离的远近。于是将交换的百分率基因座在染色体上距离的远近。于是将交换的百分率直接定为染色体上基因座之间的距离单位。直接定为染色体上基因座之间的距离单位。 AHSturtevant ：“基因的直线排列基因的直线排列”原理原理任何任何3个距离较近的个距离较近的a、b、c连锁基因，若已分别测得连锁基因，若已分别测得a、b和和b、c间的距离，间的距离，那么那么a、c的距离，就必然等于前二者距离的和或差。的距离，就必然等于前二者距离的和或差。1基因定位基因定位(gene mapping) 2染色体图染色体图(chromosome map)3图距图距(map distance) 图距单位图距单位(map

12、 unit，mu)： “厘摩厘摩” (centimorgan, cM)，l cM=l%重组值去掉重组值去掉%的数值。的数值。表 23-4 IS 的结构和功能DR(bp)IR(bp)中心区域(bp)靶的选择拷贝数IS 1923768随机58IS25411327热点5 (在 F因子上为1)IS41113181428AAN20TTT1 或 2IS54161195热点？IS10R9221329NGCTNAGCNIS50R991531热点IS9039181057随机 表 23-5 复合转座子的结构和功能转 座因子长 度(bp)遗 传标记末 端 组件方向二组件的关系组件的功能Tn9033100KanRIS

13、903反向相同二者皆有功能Tn92500CamRIS 1正向推测相同预计有功能Tn109300TetRIS 10R有功能IS 10L反向有 2.5%的差异无功能Tn55700KanRIS 50R有功能IS 50L反向1 bp 的改变无功能 IS 组件相同，方向相反 camR ISL ISR IS 组件 IS 组件 中的 IR 中的 IR 图 23-31 复合转座子结构的(Tn9) 转录单位 IR res IR tnpA tnpR ampR 38 3066 19 558 861 38tnpA GUA AUG tnpR -58 0 +105 mRNA mRNA 图 23-34 TnA 的结构和转录

14、 3转座机制转座机制l (1) 类型la、 复制型转座复制型转座（replicative transposition）lb、 非复制型转座非复制型转座（nonreplicative l transposition）lc、 保守转座保守转座（conservative tranposition）4转座的共同中间体转座的共同中间体 Tn 从 3 末端复制 产生共合体 靶 单链交错切割 共合体 重组 转座子被切开的 末端和靶被切开 的末端连接 交叉结构(单链转移复合 图 2341 转座模型。Mu 转座产生交换结构，此结构通过复制产生共合体， 共合体中的转座子之间发生交换产生 2 个重组子。 转座酶结合

15、在 Tnd 两端 转座子末端被交错剪切 + 另一条链也被切 受体也被交错切割 图 23-42 交换结构经剪切释放 供体被释放 Tn 连接到靶上 后导致非复制型转座子插入到靶 DNA 中，DR 包在两侧，供体留 下了一个双链缺口。 图 23-43 Tn 的两条链先后被切割，然后转座子与切开 的靶位点连接。 l复制型转座模型复制型转座模型:l(1) 复制性转座在转座后原来的位置上保留原复制性转座在转座后原来的位置上保留原 有的有的Tn；l(2) 在新位置上转座子的两端出现正向重复靶在新位置上转座子的两端出现正向重复靶 序列；序列；l(3)转座过程中出现共合体。转座过程中出现共合体。Tn10的转座具

16、有多项控制的转座具有多项控制l 1.“ 多拷贝抑制多拷贝抑制”（multicopy inhibition） （1）Pout 比比 Pin强得多；强得多； (2) OUT RNA比比IN RNA较为稳定。较为稳定。 (3) OUT RNA的功能是作为一种反义的功能是作为一种反义RNA， l 2. 顺式优先顺式优先(Cis-Preference)l 3、dam甲基化甲基化 减少转座频率减少转座频率 把转座和复制叉的途径连系起来。把转座和复制叉的途径连系起来。 转座酶 Tn10 IS10R 宿主DNA OUT IN 过量的OUTRNA 与其配对，抑制 甲基化阻止转录酶和DNA结合 INRNA 的转录

17、 甲基化阻止转录酶合成 图23- 46 几种抑制Tn10 专座的机制，主要是通过控专座酶的合成来调节 1、玉米中的控制因子玉米中的控制因子 1938年年Marcus Rhoades首次发现不稳定突变等位基因首次发现不稳定突变等位基因（unstable mutant allele），），即一种回复突变率很高的等位基即一种回复突变率很高的等位基因。不稳定是取决于不连锁的因。不稳定是取决于不连锁的DtDt基因的存在。基因的存在。 McClintock。19401950描述了大量的控制因子。描述了大量的控制因子。2、果蝇中的、果蝇中的P因子因子“ 杂种不育杂种不育”（hybrid dysgenesis

18、）。）。P型（型（paternal contributing）M型（型（maternal contributing） M（）（）P（）后代可育，（）后代可育，反交反交 P（）（）M（）后代不育。（）后代不育。Corn kernel showing spot of colored aleurone produced by genetic trasposition involving the Ac-Ds system. 有 P 因子转座 P 品系 (PP) 雄性染色体 雌性染色体 P 细胞型 阻遏物 P 因子 P 因子 66KD 阻遏物 抑制所 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3 ORF0 O

19、RF1 ORF2 ORF3 66K PM 雄性染色体 雌性染色体 P 细胞型 P 因 子 P 因子 合成转 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3 座 酶 87K 杂种不育 MP 雄性染色体 雌性染色体 P 细胞型 阻遏物 无 P 因子 P 因子 66KD 阻遏物 抑制所 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3 66K 有 P 因 子转座 图 23-57 杂种不育取决于基因组中 P 因子和不同类型细胞中 66KD 阻遏物的相互作用。 (仿 B.Lewin:GENES ,1997, Fig.18.27)l1、反转录病毒（反转录病毒（retroviruses） l2、酵母的、酵母的Ty因子因子（t

20、ransponson yeast） 10-80 80-100 终止密码子 170-1350 R U5 gag gag polpol env env U3 R 2000 2900 1800 转录mRNA 帽子- -An 翻译 剪接，产生亚基因组 RNA前体蛋白 帽子- -An 翻译 翻译 加工 前体蛋白 核心蛋白的成分前体蛋白 加工 加工 反转录酶 内切酶 蛋白水解酶 病毒外壳蛋白的成分 图 23-60 前病毒的转录，翻译和加工，产生多种蛋白。 反转录病毒提供了正链 RNA U5 U3 R U5 tRNA R U5 U3 R 5 3 tRNA 引物被切离 tRNA 引物 tRNA 与病毒 RNA

21、 U5 U3 R U5 R U5 结合位点退火 U3 R 5 PB 3 RNA 被降解，留下的片断 反转录病毒开始 作为 DNA 合的引物 负链 tRNA 合成负链 DNA 5 PB 3 合成了强终止的正链 DNA 酶达到模板链的末端产 3 R U5 tRNA 生强终止的负链 DNA U3 R U55 RNA 5 末端被降解(反转录 正链 DNA 第二次跳跃 3 R U5 tRNA 酶的 RNAaseH 活性) 5 单链 DNA 的 R 区与另一 正链 DNA 合成完毕 条病毒 RNA 的第一次跳跃 配对 配对 3 R U5 tRNA 负链 DNA 合成完毕 5 U3 R 3 持续反转录 tR

22、NA 3 5 5 3 LTR LTR (a) (b) 图 23-63 反转录病毒的 RNA 反转录成 DNA 双链。(a)在反转录时通过模板转换合成负链 DNA。 (b) 通过第二次跳跃合成正链 DNA。 整合酶在 LTR 的 3端 产生 2b 的缺口 整合酶在靶 DNA 上进行交错切割 5 35 3 3 53 5 3 3整合酶将 LTR 缺口的 3端和靶 DNA 交错切口的 5端连接起 图 23-64 整合酶催化反转录病毒的 DNA 整合到宿主的基因组中。 TyA TyB 5.7 kb RNA 5.0 kb RNA TyA 蛋白 移码 TyA-B 蛋白 图 23-68 Ty 因子末端有短的顺

23、向重复顺序，Ty 转录两个重叠的 RNAs。 它们含有两个阅读框，相当于反转录病毒的 gag 和 pol 基因 表 23-7 反转录子分为病毒超家族和非病毒超家族病毒超家族非病毒超家族Ty(酵母)SINES B1/Alu(哺乳动物)Copia(果蝇)Pol 转录的加工假基因共同类型LINES L1(哺乳动物)末端长末端重复序列无末端重复序列靶重复序列46 bp712bp阅读框反转录酶和/或整合酶无（不编码和转座有关的蛋白）组成可含内含子(在亚基因组mRNA 中被切除)无内含子 BLewin: GENES.1997,Table 19.1 DR 5146bp DR Copia 20-60 拷贝 I

24、R 5005000bp FB 长的 IR 2900bp P 短的 IR 0 或50 拷贝 图 23-71 黑腹果蝇中的 3 种转座因子具有不同的结构 (仿 B.Lewin:GENES ,1997, Fig.19.14) LTR LTR 反转录病毒 gag pol int env gag int pol Ty TyA TyB LTR gag int pol LTRCopia ORF pol L1 ORF1 ORF2 图 23-72 病毒家族的反转录子末端有重复顺序内部有 开放读框 Y染色体上基因数目很少，染色体上基因数目很少，X染色体上的绝大多数染色体上的绝大多数基因都类似纯合子，因此通过性连锁

25、遗传分析，已将基因都类似纯合子，因此通过性连锁遗传分析，已将X染色体上许多基因确定了彼此间的相对位置和距离。染色体上许多基因确定了彼此间的相对位置和距离。 人类基因组：人类基因组：30亿亿bp 70%单拷贝单拷贝 30%重复序列重复序列 人类染色体人类染色体: 22A+XY 人类基因组计划（人类基因组计划（human genome project, HGP) 1991-2005 30亿亿 I号染色体和肽酶C，17号染色体和 TK THFA dCDP DHFR AHT TK 降解 DHFA dTTP T DNA 表： 杂种细胞系的染色体和TK活性 细胞系人类染色体 TK活性 （1）5，9，12，21 （2）3，4，17，21 （3） 5，6，14，17，22 （4）3，4，9，18，22 （5）1，2，6，7，20 （6）1，9，17，18，20 表： 克隆嵌板 细胞系 残留的人类染色体 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C 克隆嵌板法克隆嵌板法（clone panel method）