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1、6 真核生物的遗传分析,学习要点： 1）基因组、C值、C值悖理、N值、N值悖理的概念，真核生物序列复杂度的检测及序列分类。 2）真菌类四分子分析的相关概念、原理和方法。 3）同源重组的分子模型。 4）基因转变的概念、类型及其解释。 5）有丝分裂交换、体细胞融合及其基因定位。,6.1 真核生物基因组 基因组(genome)：一个物种单倍体的染色体数目及其所携带的全部基因。,基因组测序的结果表明，基因组中不仅包括整套基因的编码序列，还包括大量非编码序列，即基因间的序列。这些序列同样具有遗传指令，因此，基因组应该是整套染色体所包含的DNA分子以及所携带的全部遗传指令。,6.1.1 C值悖理 C值(C
2、 value) ：一个物种基因组的DNA含量是相对稳定的，通常称为该物种DNA的C值，即单倍体所含DNA量。如人：单倍体基因组3.16109 bp。 最小的C值：支原体，106bp。 最大的C值：一些显花植物及两栖类动物，1011bp.,总体上，C值随生物进化复杂程度的增加而上升。,6-1,结构和功能相似的同一类生物中，以至亲缘关系较近的物种之间，C值差异很大。,C值悖理(C value paradox )： C值的大小并不能完全说明生物进化的程度和遗传复杂性的高低，物种的C值与其进化复杂性之间没有严格的对应关系。,对C值悖理的解释： 基因组的部分或完全加倍、转座、反转录已加工假基因、DNA复
3、制滑动、不等交换和DNA扩增等。 各种生物基因组的大小是由于基因组中长期积累起来的过量的非编码DNA被清除的速率不同所造成的结果，即DNA丢失的速率愈慢，则基因组DNA含量愈高。,6.1.2 N值悖理 N值悖理（N value paradox ）：生物的基因数目与生物在进化树上的位置不完全相关。,如：人的基因组（3300Mb)-25,000个基因。 线虫（C.elegans)基因组（97Mb)-19,000个基因。 果蝇（D. melanogaster)基因组（常染色质部分的 120Mb)-13,600个基因。 啤酒酵母（S. cerevisiae)基因组(12Mb)-约 6000个基因。 水
4、稻（O. sativa)基因组（389Mb）-37，544个 蛋白质编码基因。,6.1.3 真核生物基因组DNA序列的复杂度,1 序列的复杂度,同一类生物中基因组大小相差悬殊，主要在于重复序列的差别。DNA重复序列即这种DNA序列在基因组中可以有不止一个拷贝。,序列的复杂性：不同序列的总长度，或DNA分子中不重复碱基的总量。,如： ATAT （TATA)40，总长为160bp，不重复碱基：AT，因此，序列复杂性X=2bp。 而 ATCG (TAGC)40,序列复杂性X=4bp。 若一个DNA分子长度为106bp，完全不含重复序列，则，X=106bp。,2 DNA序列复杂度的检测,基因组内单一序
5、列和重复序列的组成情况，可通过DNA复性动力学研究来确定。,DNA复性：变性的DNA两条互补链重新或部分恢复成双螺旋结构。,复性的速率：-dC/dt=kC2（C是单链DNA的浓度，单位是每升的核苷酸摩尔数）； k是重组速率常数，单位是Lmols 。） 上述公式可以重排为:-dC/C2=kdt,当t=0时，C=C0,将上式积分：,复性的分数CC0是起始浓度和经过时间的乘积C0t的函数，在一个特定的实验中，C0是已知的，C是可以测得， CC0对C0t作图得到的曲线，称为C0t曲线。,C0t曲线,当C/C0=0.5，即复性反应完成一半时（t1/2)的C0t值定义为C0t1/2, C0t1/2=1/k
6、。,6-3,C0t1/2与基因组大小呈正比：如果基因组中每一种基因都是单拷贝序列，那么基因组愈大则其复杂性愈大，复性速率愈慢， C0t1/2越大。,C0t1/2还取决于每个基因的核苷酸序列的重复次数，重复次数愈少则复性愈慢，C0t1/2愈大，重复次数愈多，C0t1/2愈小。,6-4,A,C,B,3 真核生物基 因序列的分类,单拷贝序列 中度重复序列 高度重复序列,（1）单拷贝序列（unique sequence） 亦称非重复序列（nonrepetitive sequence），在一个基因组中只有1个拷贝或2-3个拷贝。如组蛋白基因。真核生物的蛋白质编码基因往往位于基因组DNA单拷贝序列中。 原
7、核生物中一般只含非重复序列。,（2）中度重复序列（moderately repetitive sequence） 重复次数10-102或103-105，一般是非编码序列。重复序列平均长度300bp,往往构成基因家族，同单一序列间隔排列，分散在基因组中，可能在基因的活性调控中起作用。如珠蛋白基因。,（3）高度重复序列（highly repetitive sequence）：重复单位6-200bp，次数106以上。如rRNA基因和某些tRNA基因，更多的是一些短的非编码序列，如卫星DNA。这类序列由于GC含量低，可用氯化铯 密度梯度离心法将其 与主体DNA分开，因 而称为卫星DNA （satell
8、ite DNA ）。,按其浮力密度的大小： I、。卫星DNA I家族由42bp的单元组成，其中17bp(ACATAAAATATAAAGT)为可变区，25 bp(ACCCAAAAAGT TATTATATACTGT)为重复单元。卫星DNA家族是保守性差的ATTCC重复。卫星DNA是较保守的ATTCC重复，且与10bp的序列(A TCGGGTTG)相间分布。第类卫星DNA称为隐隐蔽卫星DNA(cryptil satellite)。这是包含了多种串联重复序列的DNA分子，离心时并不像卫星DNA那样也分开，但它的属性却类似卫星DNA。,人基因组中，卫星 DNA约占 5-6，有、四种； 果蝇的卫星DNA可
9、分为三类，都是由7bp组成的高度重复顺序。,6.2 真菌类的四分子分析与作图,6.2.1 顺序四分子遗传分析,粗糙脉孢菌(Neurospora crassa，2n14)，又称红色面包霉，属于真菌中的子囊菌纲、球壳目、脉孢菌属，目前已知有45种。 酵母菌：Saccharomyces 子囊菌：Ascomycetes,粗糙链孢霉是进行基因分离和连锁交换遗传分析的好材料：个体小，生长快，容易培养；既可进行有性繁殖，又可进行无性繁殖，一次杂交可产生大量后代；无性世代是单倍体，无显隐性，基因型可直接在表型上反映出来；一次只需分析一个减数分裂的产物，就可以观测到遗传结果，简单易行，而二倍体合子是两个不同减数
10、分裂产生的配子相互结合的结果，需要通过测交实验才能分析减数分裂的结果，手续麻烦。,四分子：脉孢菌二倍体合子减数分裂形成的4个单倍体子囊孢子, 称为四分子。它们以直线方式排列在子囊中,又称为顺序四分子(ordered tetred)。,无性世代:菌丝体分生孢子菌丝体 有性世代:,减数分裂的4个产物,呈现有规律的排列. 8个子囊孢子中,两相邻者的基因型一致.,顺序四分子在遗传分析上的优越性：,1 可以将着丝粒作为一个座位，计算某一基因与着丝粒的重组率。 2 子囊中子囊孢子的对称性，证明减数分裂是一个交互过程。 3 可以检验染色单体的交换是否存在干涉现象，还可以用以研究基因转变。 4 证明双交换不仅
11、可以包括4线中的2线，还可以包括3线或4线。, 着丝粒作图,以着丝粒作为一个座位，测定某一基因与着丝粒之间的距离，并进行基因在染色体上的位置作图。, 概念:,A 如果着丝粒与某一对杂合基因之间未发生交换,则该基因与着丝粒同步分离。此时，一对等位基因的分离为减数第一次分裂分离，即M1，形成非交换型子囊。, 原理：,第一次分裂分离（M1）及非交换型子囊的形成,B 如果基因与着丝粒之间发生了交换,则该基因与着丝粒的分离不同步。此时，一对等位基因的分离为减数第二次分裂分离，即M2，形成交换型子囊。,第二次分裂分离（M2）及交换型子囊的形成,C 如果一对等位基因的分离发生在第一次减数分裂，则基因与着丝粒
12、之间未发生重组；如果，两个基因的分离发生在第二次减数分裂，则说明基因与着丝粒之间发生了重组。,D 鉴别第一次或第二次减数分裂的分离,可根据8个子囊孢子基因型的排列顺序。, 着丝粒距离的计算,着丝粒与某一基因间RF=,1/2100%,RF（着丝粒基因）=,或者：,100%, 两个连锁基因的作图,P nic + + ade n + + a (2n) 减数分裂 36种不同组合 可归纳为种基本的子囊型,表6-4 粗糙脉孢菌 n + + a 杂交结果,说明及分析方法：,1、7种基本子囊型中的四个基因型次序是各不一样的，分别由7种不同的交换方式而来。P120图6-8,2、分离发生的时期：分别判断每一对基因
13、分离发生的时期（M1或M2），用于计算基因与着丝粒的图距。,3、子囊型分类：只考虑两对基因间是否发生了重组，用于计算两对基因间的重组值。 亲二型（PD）：两种基因型，与亲代相同。 非亲二型（NPD）：两种基因型，与亲代不同。 四型（T）：四种基因型，两种与亲代相同，两种为重组型。,(1) 当两个基因在不同的染色体上时：,PD和NPD的产生取决于两对同源染色体的随机取向，而两对同源染色体的取向频率是相等的，因此：PD四分子出现的频率等于NPD四分子的频率： 1PD:1NPD=1 T型四分子的产生是由于染色单体间发生一次单交换的结果，而T中总频率是50%的亲本型和50%的非亲本型。,因此，总的PD
14、四分子频率=总的NPD四分子频率。,4 连锁关系的判断,(2) 当两个基因在相同的染色体上是连锁时：,若在基因间不发生交换，则产生PD型。 若在基因间出现一个单交换，则产生T型。 如果出现双交换，则： 两线双交换：PD型 三线双交换：T型 四线双交换：NPD型 四线双交换只占所有双交换中1/4的可能性，一般发生的概率比较低。,因此，如果PD四分子的频率比NPD四分子的频率高许多，即PDNPD，则这两个基因是连锁的。,实际结果 PD=898，NPD=2 PD/ NPD 1,结论：nic 与 ade 连锁,5 重组值的计算,6 作图： 0 nic ade 5.05 5.25 9.310.25 10
15、.259.30=0.95，双交换的结果被遗漏了。,202+208-372 = 38 38/ 4000=0.95% 9.3+0.95=10. 25,6.2.2 非顺序四分子遗传分析,子囊： PD NPD T AB aB ab AB aB aB ab Ab Ab ab Ab AB,RF=1/2T+NPD/总子囊数100% 由于RF无法校正双交换，重组值可能被低估。 根据PD、NPD、T三种子囊的频率，可以推导出两基因间平均每次减数分裂的交换数(m)，m0.5即两基因间的图距。,a b,A B,a b,A B,NCO,SCO,DCO二线,PD,T,A B,DCO 四线,a b,DCO三线,PD,A
16、B,a b,T,NPD,a b,a b,DCO三线,A B,T,A B,如果假设双交换在四条染色单体间随机发生： DCO(所有双交换)=4NPD 其中: DCO（3线双交换)=T（三线）=2NPD 而: T（总）=SCO（单交换）+ DCO（3线双交换） 所以: SCO=T（总）-DCO（3线双交换） =T（总） 2NPD 因此: m=SCO+2DCO(所有双交换) =T（总）-2NPD+2（4NPD） =T（总）+6NPD,6.3 真核生物重组的分子机制,6.3.1 重组的类型, 同源(Homologous recombination) 重组:DNA 同源序列间发生的重组,或称非特异性重组。,位点特异性重组(Site-specific recombination)：特异性序列对之间进行重组
