第八章 染色体变异.doc

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第八章染色体变异

在生物界，不论是原核生物，还是真核生物，都发生各种可遗传变异，而这些变异分为3大类：

基因重组（包括自由组合和连锁交换）、染色体变异和基因突变，其中染色体变异又分为染色体结构变异和染色体数目变异。

所谓染色体畸变（chromosomeaberrationorchromosomevariation）是指染色体结构变异和数目变异的合称。

第一节染色体结构变异

据研究，在自然条件下，光照、温度、生理等异常的变化，都有可能使染色体断裂为各种片段。

如果人为地用某些物理因素（如紫外线、X射线、γ射线、中子等）或化学药剂处理细胞，染色体断裂的频率还会大大增加。

自从1927年发现电离辐射能使染色体发生结构变异之后，又发现了各种各样的染色体结构变异，归纳为4大类：

缺失、重复、倒位、易位。

一、缺失

1．缺失的类型

缺失（deficiency）是指染色体的某一区段丢失了。

它是1917年Bridges首先发现的。

他在培养的野生型果蝇中偶然发现一只翅膀边缘有缺刻的雌蝇。

研究证明，它的产生是由于果蝇X染色体上一小段包括红眼基因在内的染色体缺失。

染色体缺失的区段若是某臂的外端，称为顶端缺失（terminaldeficiency），这种情况比较少见；染色体缺失的区段若是某臂的内段，则称为中间缺失（interstitialdeficiency）。

如某染色体各区段的正常直线顺序是ab·cdef（·代表着丝粒），缺失“ef”区段就成为顶端缺失染色体；缺失“cd”区段就成为中间缺失染色体。

缺失的“ef”或“cd”区段无着丝粒，称为断片（fragment）。

（1）顶端缺失：

染色体在缺失了某臂的外端之后，就在该臂上留下断头。

某染色体没有愈合的断头若同缺失的顶端断片重接，重建的染色体仍是单着丝粒的，可以是稳定的染色体，也能遗传下去。

若有断头的染色体同另一个有着丝粒的染色体断头重接，就成为双着丝粒染色体（dicentricchromosome），它在细胞分裂的后期受两个着丝粒向相反两极移动所产生的拉力所折断，再次造成结构的变异而不能稳定。

若顶端缺失染色体的两个姊妹染色单体在断头上彼此融合，则形成不稳定的双着丝粒染色体，在下次细胞分裂时，在任意位点发生断裂，又出现了新的顶端缺失和其他染色体结构变异，这就是“断裂-融合-桥”循环。

（2）中间缺失：

染色体没有断头外露，比较稳定，此类缺失常见。

染色体也可能缺失一个整臂，成为端着丝粒染色体（telocentricchromosome）。

若体细胞内的一对染色体一条是正常，另一条缺失，该个体称为缺失杂合体（deficiencyheterozygote）；若一对染色体都是同一位置的缺失，该个体为缺失纯合体（deficiencyhomozygote）。

2．缺失的鉴定

细胞内发生过染色体的缺失是不太容易鉴定的。

在最初发生缺失的细胞进行分裂时，一般都可以见到遗弃在细胞质里无着丝粒的染色体断片。

该细胞经多次分裂后，断片逐渐在子细胞内消失。

如果中间缺失的染色体区段较长，在缺失杂合体的粗线期，正常染色体与缺失染色体所联会的二价体，常会出现环形或瘤形突出（图8-3）。

这个环是正常染色体的无配对区段被排挤出来形成的。

细胞学鉴定顶端缺失和微小的中间缺失是比较困难的。

倘若顶端缺失的区段较长，缺失杂合体形成的二价体常出现非姊妹染色单体的末端长短不等的现象。

3．缺失的遗传学效应

（1）生活力降低：

染色体的某一区段缺失后，缺失染色体自然丢失了许多基因，它必然影响到生物体的生长和发育；其有害程度因缺失区段长短及基因的重要性而不同。

缺失纯合体通常是难以存活，缺失杂合体的生活力也很差。

含缺失染色体的雄配子是不育的，含缺失染色体的胚囊能成活，因此，缺失染色体主要是通过雌配子而遗传。

（2）假显性（pseudodominance）现象：

它是指染色体发生缺失后，在杂合体中，隐性基因得以显现的现象。

如玉米植株颜色有关的一对基因Pl（紫色）和pl（绿色）在第6染色体长臂的外段。

紫株玉米（PlPl）与绿株（plpl）杂交的F1植株（Plpl）应该都是紫色的。

有人用经过X射线照射的紫株玉米的花粉给绿株玉米授粉杂交，734株F1幼苗中意外地出现2株绿苗。

对这两株进行细胞学检查，发现花粉带给F1的那个载有Pl基因的第6染色体缺失了长臂的外段，Pl基因随着缺失的区段丢失了，于是另一个正常染色体上的pl基因显示了它的作用。

（3）改变基因间的连锁强度：

发生染色体中间缺失后，再经各种方式交配，可形成缺失纯合体，而缺失之外的基因相互连接起来，使相距较远的基因连锁强度增强，交换率下降。

（4）人类染色体缺失显示了严重的遗传病：

如果缺失的区段较小，对个体生活力损伤不严重时，存活下来的含缺失染色体的个体，常表现各种临床症状。

如人类中第5染色体短臂缺失的个体（5p–），称为猫叫综合征（图8-5），该个体生活力差，智力低下，面部小，最明显的特征是患儿哭声轻，音调高，常发出咪咪声，通常在婴儿期和幼儿期夭折。

另外人类第4、13、18染色体的杂合缺失也都伴有生理和智力上的缺陷。

4．缺失的应用——基因定位

利用缺失造成的假显性现象，可进行基因定位。

在玉米紫株基因Pl缺失的条件下，其隐性等位基因p1处于半杂合状态（hemizygouscondition），使绿色隐性性状得以表现，从而确定该隐性基因（p1）的位置。

这种基因定位的方法是：

首先使载有显性基因的染色体发生缺失，让它的隐性等位基因有可能表现假显性；其次对表现假显性现象的个体进行细胞学鉴定，发现某染色体缺失了某一区段，就说明该显性基因及其等位的隐性基因位于该染色体的缺失区段上。

二、重复

1．重复的类别

重复（duplication）是指某条染色体多了自身的某一区段。

重复一般分为顺接重复（tandemduplication）和反接重复（reverseduplication）两大类。

顺接重复是指重复的区段内基因顺序同原染色体上的正常顺序相同。

反接重复则是指重复的区段内基因顺序与原染色体上的正常顺序相反。

如某染色体各区段的正常基因顺序是ab·cdef，倘若“cd”区段重复了，顺接重复染色体上的基因顺序是ab·cdcdef，反接重复染色体上的基因顺序是ab·cddcef。

重复区段内不能有着丝粒。

如果着丝粒所在的区段重复了，重复染色体就变成双着丝粒染色体，就会继续发生结构变异（断裂-融合-桥循环），很难稳定成型。

重复和缺失总是伴随出现

2．重复的鉴定

检查重复染色体仍可采用重复杂合体联会图象。

倘若重复的区段较长，重复染色体在和正常染色体联会时，重复区段就会被排挤出来，成为二价体的一个突出的环（图8-7）。

倘若重复区段极短，联会时重复染色体区段可能收缩一点，正常染色体在相对的区段可能伸张一点，于是二价体就不会有环或瘤突出，镜检时就很难察觉是否发生过重复了。

果蝇的唾液腺染色体是直接检查缺失和重复的最好材料。

一旦在显微镜下观察到染色体联会成环，可采用以下方法将缺失和重复分开：

（1）利用联会后染色体长度进行比较：

若某个二价体上有环状突起，但长度与正常染色体相等，必为重复环；若染色体已缩短，必为缺失环。

（2）利用多线染色体上的带纹进行比较：

若某条联会的染色体有环状突起，但带纹数与正常相比不变，此环为重复环；若有环的染色体带纹数减少了，则表明该染色体发生了缺失。

3．重复的遗传学效应

（1）剂量效应（dosageeffect）：

重复对表现型的影响主要是扰乱了基因的固有平衡体系，呈现出随着基因数目的增加，表型效应发生改变的现象。

因为重复区段上的基因在重复杂合体的细胞内是3个，在重复纯合体的细胞内是4个，改变了生物在进化过程中长期适应了的成对基因的平衡关系，因而出现某些意想不到的后果。

如果蝇的棒眼遗传，野生型果蝇的每个复眼大约由780个左右的红色小眼所组成。

若果蝇X染色体的16区A段因不等交换而重复了，则小眼数量显著减少，重复杂合体的红色小眼数只有358个左右，不到野生型的红色小眼数的一半，这些红色小眼聚集在复眼当中，好象一根凹凸不平的粗棍棒。

重复纯合体的红色小眼数更少，只有68个左右，是野生型红色小眼数的1/11。

（2）位置效应（positioneffect）：

对果蝇棒眼的深入研究，设以“b”代表一个16区A段，以“B”代表两个16区A段，则“Bb”是3个16区A段。

一个基因型为B/B的雌蝇和一个Bb/b的雌蝇的16区A段数同样是4个，然面前者的红色小眼数有68个左右，后者的红色小眼数却只有45个左右。

出现这种差异是因为基因型为B/B的雌蝇的4个16区A段平均分配在两个染色体上，而基因型为Bb/b的雌蝇的4个16区A段之中有3段在一个X染色体上，在另一个染色体上只有一段。

这是说，染色体上重复区段的位置不同，表现型的效应也不同，这种现象称为位置效应。

4．重复在生物进化中的应用

重复虽对生物的生活力影响不大，但在生物进化中却有非常重要的意义。

因为重复所增加的片段很可能有独特的功能，可能更适应环境的变化，有利于生物的生存。

现已知，在真核生物中，有许多重复序列，特别是中度重复序列，大都是与蛋白质合成有关的DNA序列。

可推测这些重复序列很可能是由染色体多次重复形成的。

三、倒位

1．倒位的类别

倒位（inversion）是指染色体的某一区段的正常直线的基因顺序颠倒了。

倒位有两类：

臂内倒位（paracentricinversion）或一侧倒位，它是指倒位的区段在染色体的某一个臂内；臂间倒位（pericentdcinversion）或两侧倒位，它是指倒位区段内有着丝粒，或倒位的区段涉及染色体的两个臂。

2．倒位的鉴定

根据倒位杂合体在减数分裂时的联会图象可鉴别是否发生了倒位。

若倒位区段很长，倒位染色体可反转过来，倒位区段仍与正常染色体的同源区段进行联会，其他区段就只得保持分离，呈现一种“桥“的形状；若倒位区段较短，常常是倒位的区段不能配对，结果中间有疏松区；若倒位区段不长，则倒位染色体与正常染色体所联会的二价体就会在倒位区段内形成“倒位圈或环”。

倒位圈不同于缺失杂合体和重复杂合体的环或瘤：

倒位环是一对染色体形成的；缺失环或重复环是由一条染色体形成的。

在倒位圈内外，非姊妹染色单体之间都可能发生交换，结果引起臂内和臂间杂合体产生大量的缺失染色单体、重复染色单体或双着丝粒染色单体等。

双着丝粒染色单体的两个着丝粒在后期向相反两极移动时，两个着丝粒之间的区段跨越两极，就构成所谓“后期桥”的形象。

所以，某个体在减数分裂时形成后期I或后期Ⅱ桥，就可以作为鉴定是否出现染色体倒位的依据之一。

3．倒位的遗传学效应

（1）倒位可抑制或大大降低倒位环内基因的重组或交换：

对倒位杂合体来说，只要非姊妹染色单体之间在倒位圈内发生了交换，所产生的染色单体或配子有4种：

①臂内倒位杂合体交换后产生无着丝粒断片，在后期I丢失了；②臂内倒位杂合体的交换产生了双着丝粒的缺失染色体单体，后期桥折断后，形成两个缺失染色体，含此染色体的配子不育；③两种倒位杂合体染色单体交换后产生单着丝粒的重复缺失染色体和缺失染色体，含此染色体的配子仍是不育的；④未发生交换，含有正常或倒位染色单体的配子是可育的（图8-11）。

可看出倒位可抑制倒位环内的交换。

（2）改变基因间的交换率或重组值：

当染色体出现倒位区段之后，倒位区段内的那些基因的直线顺序也就随着颠倒了。

因此，倒位纯合体同未发生倒位的正常生物体比较，倒位区段内的各个基因与倒位区段外的各个基因之间的重组值（交换值）改变了。

（3）影响到基因间的调控方式：

因为基因间的的关系是悠久的地质年代造成的，一旦发生染色体倒位，使基因调控方式发生了根本性的变化，可使正常表达的基因被迫关闭，也可能使原来关闭的基因被激活，产生特定的表型。

4．倒位的应用

（1）探讨物种的进化：

在生物进化中，倒位不仅改变了连锁基因的重组率，也改变了基因与基因之间固有的关系，从而造成变异，种与种之间的差异常常是一次又一次的倒位造成。

通过种间杂交，根据杂种减数分裂时的联会形象，可以分析亲本种的进化历史。

如欧洲百合（Liliummartagon）和竹叶百合（L.hasnonii）是两个不同的种，都是n=12。

这12个染色体之中，两个很大，以M1和M2代表；10个相当小，以S1，S2…S10代表。

研究发现这两个种之间的分化就在于一个种的M1、M2、S1、S2、S3和S46个染色体，是由另一个种的相同染色体发生臂内倒位形成的。

（2）用于基因突变的检测：

现采用最多的是果蝇的ClB（CrossoversuppresslethalBartechnique）测定法，又 称性连锁致死突变检测法，C代表抑制交换的倒位区段；l代表该倒位区段内的一个隐性致死基因，可使胚胎在最初发育阶段死亡；B代表该倒位区段范围之外有一个16A区段的重复区段，其表现型为显性棒眼，故能识别含有倒位X染色体的个体。

由于倒位区段内的交换都被抑制了，ClB系的X染色体只有在它与正常X染色体（X+）杂合（ClB//X+）时，才能保存和传递。

因为纯合的ClB//ClB雌蝇和ClB//Y雄蝇都必然受l的影响，而在胚胎发育的初期就死亡了。

ClB具体测定方法是：

先使正常的雄蝇（X+//Y）接受X射线处理，X+染色体上的基因发生突变（突变后以X–代表）。

然后用此雄蝇与ClB//X+雌蝇杂交，由于C1B//X+雌蝇产生的配子含有CIB染色体和正常染色体，所以杂交子代只有ClB//X+雌蝇（棒）、X+//X–雌蝇（正常眼）和X+//Y雄蝇（正常眼）3种成蝇。

随后让子代群体内的ClB//X–雌蝇与X+//Y雄蝇成对杂交，根据子二代群体的表现可推测原来的X染色体上是否发生了可见的隐性突变或致死突变。

若子二代有ClB//X+雌蝇（棒眼）、X+//X–雌蝇（正常眼）和X+//Y正常雄蝇，则表明未发生突变；若只有ClB//X+雌蝇（棒眼）、X+//X–雌蝇（正常眼），表明X染色体上有致死突变；若除了有ClB//X+雌蝇（棒眼）、X+//X–雌蝇（正常眼）外，还有突变型的雄蝇，表明在X染色体上发生了可见的隐性突变。

（3）用于保存致死基因：

致死基因虽对生物有害，但对于研究它的遗传规律、致死效应和机理以及它与其他性状的关系都有重要的意义，所以有必要保存致死基因。

一般情况下，致死基因不易保存，纯合时个体死亡，为此只能以杂合状态予以保存。

Muller在1918年发现果蝇的翻翅基因（Cy）是一个纯合致死的显性基因；而另一个隐性致死基因（l）也是纯合致死。

Cy基因和l基因分别位于一对染色体的不同位置上，而且这对染色体的两基因之外有倒位区段。

在两致死基因的杂合体Cy+/+l中，由于倒位抑制了交换，只形成Cy+和+l配子，近交后代可有3种基因型：

Cy+/Cy+、+l/+l和Cy+/+l，前两种基因型死亡，只存活最后一种（Cy+/+l），表型全翻翅（图8-13）。

象这种各代存活的个体都是杂合体，无须选择而能保存致死基因，并能真实遗传的品系称为平衡致死品系（balancelethalsystem）。

P翻翅杂合体Cy+Cy+翻翅杂合体

———×———

+l|+l

↓

Cy+Cy++l

—————————

Cy++l+l

致死翻翅杂合体致死

图8-13平衡致死品系的遗传

四、易位

1．易位的类型

易位（translocation）是指某染色体的一个区段易接在非同源的另一条染色体上。

它分为两类：

一种是相互易位（reciprocaltranslocation），指两个非同源染色体都断裂后，这两个断裂了的染色体及其断片随后又交换地重新接合起来；简单易位（simpletranslocation）或单向转移，指染色体的某一区段嵌入到非同源染色体的一个臂内的现象。

相互易位最常见。

2．易位的鉴定

鉴定易位的方法是观察易位杂合体在减数分裂时的联会图象。

根据同源区域相互配对原则，一条易位的染色体片段仍与同源染色体的片段相联会，结果形成“十”字形。

这种易位杂合体形成的两对染色体联会在后期Ⅰ染色体分离时，有两种分离方式：

一是交叉式分离，即以着丝粒分离或同源染色体分离，4条染色体交叉着被拉向两极，结果形成“8”字形；二是临近式分离，即相邻的两条染色体到达一极，另两条染色体到达另一极，再加上有交叉端化现象，结果形成4条染色体的大环，为“四体环”。

这些图象都是鉴定易位的重要依据（图8-15）。

3．易位的遗传学效应

（1）植物中的半不育（semi-sterility）现象：

即花粉有50%是败育的，胚囊也有50%是败育的，因而结实率很低。

深入研究知这种半不育性是易位杂合体的突出特点。

原因是易位杂合体在产生配子时，若后期I交叉式分离，最后产生的配子或者得到两条正常的染色体，或者得到两条易位染色体，它们都是可育的；若后期I是邻近式2/2分离，就只能产生含重复、缺失染色体的配子，它们都不可育。

由于发生交叉式分离和临近式分离的机会一般大致相等，于是易位杂合体常表现半不育。

（2）易位可降低易位接合点附近某些基因间的重组率：

原因是易位点附近的染色体区段在联会时不太紧密，交换的几率下降，重组率必然降低了。

（3）易位可使两个正常的连锁群改组为两个新的连锁群，出现假连锁现象：

原来属于一个连锁群的一部分基因，改为两个连锁群，与仍然留在原连锁群的那些基因反而成为独立遗传关系。

同理，原来属于两个连锁群的某些基因改为同一连锁群，象这样本不属于一个连锁群的某些基因由于易位而连锁在一起的现象称为假连锁（pseudolinkage）。

现已知许多植物的变种就是由于染色体在进化过程中不断发生易位造成的。

直果曼陀罗（Daturastramonium）的许多品系都是不同染色体的易位纯合体。

（4）易位可造成染色体融合（chromosomalfusion），从而导致染色体数目的减少：

由于两个易位染色体中，一个从两个正常染色体得到的区段很小，在产生配子时丢失；另一个从两个正常染色体得到的区段很长，成为一个更大的易位染色体，在形成配子时存留下来。

于是这个易位杂合体的子代群体内，有可能出现少了一对染色体的易位纯合体。

这种现象在人类中经常发生，如罗伯逊易位（Robertsoniantranslocation），最常见的是第14和21染色体之间的易位。

核型通常写为：

45,–14,–21，+t（14q21q），表示易位发生在14和21号染色体间，而且在着丝粒处发生了断裂和重接；少了两条染色体（14和21号染色体），多了一条易位的带有两条染色体长臂的染色体（t14q21q），这种个体虽然总数少了一条染色体，但从基因成分来看仍保持平衡，故称为平衡易位携带者。

（5）易位可激活致癌基因：

近年来的研究发现，易位与人类致癌基因的表达也有关系。

Burkitt淋巴癌是一种恶性肿瘤，究其原因是第8染色体长臂末端与第14染色体长臂末端发生了相互易位。

第8染色体的易位区段在致癌基因c-myc附近，而第14染色体的易位区段为IgH免疫球蛋白的重链基因。

这样的相互易位把来自第8染色体的一个致癌基因c-myc从正常位置插入通常编码IgH基因内部，激活了致癌基因，使c-myc大量表达。

4．易位的应用

利用易位可进行基因定位。

既然易位杂合体所产生的可育配子中一半含两个正常染色体，一半含两个易位染色体，所以在它的自交子代群体内，1/4是完全可育的正常个体，1/2仍然是半不育的易位杂合体，1/4是完全可育的易位纯合体。

因而易位染色体的易位接合点相当于一个半不育的显性遗传基因T，而正常染色体的等位基因为t，因此易位杂合体Tt是半不育的。

依据这一原理，通常采用三点测验法，根据T-t与其邻近基因间的重组率，确定它在染色体上的位置。

如已知玉米株高正常基因（Br）为植株矮化基因（br）的显性。

某玉米植株的株高正常，但半不育，使之与完全可育的矮生品系杂交，并再用该矮化品系与F1群体的半不育株测交，测交子代（Ft）为：

株高正常、完全可育的27株，株高正常、半不育的234株，植株矮化、完全可育的279株，植株矮化、半不育的42株。

据此可计算出基因br与易位点（T）的交换率为11.9%，则二者相距11.9m.u。

第二节染色体数目变异

生物物种的稳定性不仅取决于染色体结构，更取决于染色体的数目。

若染色体数目发生改变，可使生物体产生大的变异，在育种中广泛地应用，甚至直接影响到生物的进化。

一、染色体组和染色体数目变异的类型

1．染色体组（genome）

在二倍体生物中，能维持配子正常功能的最低数目的一套染色体称为染色体组或基因组，一个染色体组常用X表示。

在动物的体细胞核中一般含有两个染色体组，即为二倍体，2n=2X。

在植物界，许多物种是多倍体，所包含的染色体组数是2n=2∑X。

如普通小麦是异源六倍体（2n=6X=42）。

2．染色体数目变异的类型

（1）整倍体变异（euploidvariation）：

它是指在二倍体生物的基础上增减个别染色体组所引起的变异，实际上整倍体的细胞内部含有完整的染色体组。

整倍体分为3大类。

①单倍体（haploid）：

指细胞内含有配子染色体数目的个体，染色体组成用n表示。

在二倍体物种中，n=X，而在多倍体物种中，n＞X。

②二倍体（diploid）：

体细胞内含有两个染色体组，以2n表示，2n=2X，最常见。

③多倍体（polyploid）：

它是指细胞内含有3个或3个以上染色体组的个体，有三倍体、四倍体、六倍体等，依据染色体组的来源又分为同源多倍体（如同源三倍体西瓜3n=33）和异源多倍体（如异源四倍体的陆地棉2n=4X=52）。

（2）非整倍体变异（aneuploidvariation）：

它是指在二倍体生物的基础上增减个别条染色体所引起的变异。

非整倍体主要有以下几类。

①单体（monosomic）：

它是指在2n体细胞内缺少一条染色体，表示为2n–1。

如人类的45,X个体。

②缺体（nu1lisomic）：

它是指在2n体细胞内缺少一对同源染色体，表示为2n–2，故又称为缺对体。

③双单体（doublemonosomic）：

它是指在2n体细胞内缺少两条非同源染色体，表示为2n–1–1。

④三体（trisomic）：

它是指在2n个体中增加了一条染色体（2n+l），如人类的47,XXY个体、XYY个体等。

⑤双三体（doubletrisomic）：

它是指在2n个体中增加了两条非同源染色体，表示为2n+1+1。

⑥多体（polysomic）：

它是指在2n体细胞内增加3条或3条以上染色体，如人类的48,XXXX四体和49,XXXXX五体等等。

现在通常把单体、缺体、双单体统称为亚倍体（hypoploid）；而把三体、双三体、多体等称为超倍体（superpioid）。

二、单倍体（n）

1．单倍体的类型