遗传学IV生化遗传学

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1、遺傳學IV :生化遺傳學.族群遺傳學族群遺傳學領域在哈帝(Hardy)和溫柏格(Wein berg)提出相關的定理後，投身研 究的科學家漸增，成果也日益豐富。假設一族群中針對某一性狀由兩個對偶基因A和a所控制對偶基因:Aa基因頻率:pq由於僅有這兩個對偶基因來決定此性狀，故 p+ q= 1期細胞而卵細胞獲得A基因的機率為p,而獲得a基因的機率為q對應基因頻率精細胞AA由上表可得 AA = p2, Aa= 2pq, aa= q2，貝U AA : Aa： aa= p2： 2pq： q2。這種平衡 分佈情形即稱為哈溫平衡(Hardy-Weinberg equilibrium)。若知對偶基因的基因頻率

2、，即可計算出相對應的基因型頻率：(p+ q) 2 = 1 p2 + 2pq+ q2 = 12 2達到哈溫平衡時，AA = p、Aa = 2pq、aa= q假設平衡時，對偶基因頻率和基因型頻率都不再隨時間而改變，則對偶基因頻率將 在族群中“保持不變”。例：在人類族群中平均每2000人會有一人得到囊腫纖維症(cystic fibrosis，一種體 染色體隱性遺傳疾病)。令A為正常對偶基因，a為致病對偶基因，則2 1/2q （即得病機率）=1 / 2000,故 q=（ 1 / 2000）= 1 / 44,而 p = 43 / 44,2pq （帶有致病基因而不發病的機率）=2 （43 / 44） （1

3、 /44）= 0.044= 1 / 22,這代表人類族群中約有5%的人口帶有此致病基因而沒有症狀。為什麼像囊腫纖維症這類疾病仍舊在某些族群中普遍盛行呢？ 一般認為帶有此致病 基因而不發病的人（即基因型 Aa）較不易感染霍亂，因此對偶基因“ a”得以在該 族群中保留下來。.生化遺傳學最初有科學家Archibald Garrod從酵素的缺陷來探討遺傳疾病的發生情形，而生化 遺傳學正是從實驗遺傳學來分析生物化學的一門學問。貫驗系統：酵母菌：單細胞真菌，為真核生物（具有細胞核）。取少量的酵母菌培養於培養皿中，經過一段時間其中的每個細胞都會長成一群肉眼 可見的小聚落，每個聚落都是由同一個細胞發展而來，該

4、細胞的每個子代都會長在 同一個位置。酵母菌的生命週期酵母菌可分為二倍體（2n）與單倍體（n）兩種形態，其中n為染色體數，酵母菌有 16對染色體。酵母菌的生命週期如下圖所示：二倍體軍倍龍二倍體有猶分裂荷紆分裂有材分裂生長條件 酵母菌可生長的培養皿環境的最低營養限度為：具有碳水化合物（可醱酵糖，如葡 萄糖、果糖、乳糖）、氮鹽、磷鹽，培養皿可為液態或固態。酵母菌可將上述這類物質透過生物合成的過程來形成它們所需要的養分 酵母菌也可以生長在營養豐富的培養皿中，這類培養皿可能包含一些常見的巨分子，酵母菌會直接從培養皿中汲取它所需要的養分，而不用再另外合成。換言之，酵母菌是透過酵素的控調來控制它是否需要啟動

5、生物合成的機制來合 成它所需要的養分，或是只要進行從外界汲取養分的機制即可。為深入了解其中的生物合成過程，科學家透過某些方法使酵母菌的一些關鍵酵素失 去作用，這類酵母菌也因此不能在特定的環境下生存。舉例來說，如果想要找出參 與胺基酸合成過程(如精胺酸的合成)的基因或是蛋白質，可以透過無法合成精胺 酸的酵母菌來進行研究，那麼讀者可能就需要從培養的酵母菌中找找是否有這類沒 有精胺酸就無法生存的酵母菌存在。尋找突變株的方法(Mutant Hunt Strategy)先準備好正常的酵母菌，以化學藥劑或放射線破壞酵母菌的DNA，以造成突變，再將各類突變細胞培養於豐富培養皿(rich medium，即營養

6、素充足的培養皿)，接著 將其中的酵母菌轉移至最基本培養皿(mi ni mal medium，即僅含有生存所需之最低 營養限度的培養皿)中培養，找出其中不能生長的酵母菌落，則這些酵母菌就是某 些生物合成路徑出現缺陷的突變株。利用上述過程即可找出研究所需的突變株。一旦找出突變株，接著就必須找出此突變株需要何種營養素才能在最基本培養皿中 生存。舉例來說，若要找出不能合成精胺酸的突變株，可按照下列步驟來進行：將 酵母菌培養於豐富培養皿上轉移至最基本培養皿中培養轉移至含精胺酸的最基 本培養皿中培養。所有酵母菌都能在豐富培養皿上生存，但生物合成路徑有缺陷的突變株不能在最基 本培養皿上生長，比如說，無法正常

7、合成精胺酸的酵母菌就只能在含精胺酸的最基 本培養皿上生存，或無法在缺乏精胺酸的豐富培養皿中生存。透過上述方法在豐富培養皿和最基本培養皿中交錯測試，即可找出各類突變株，這 些酵母菌稱為營養缺陷體(auxotroph)。名詞定義原營養體(prototroph):能在最基本培養皿中生存的正常菌種。 營養缺陷體(auxotroph):無法在最基本培養皿中生存的突變菌種。若由這些方法分離出的突變株不能生長於最基本培養皿中，但可生長於含有精胺酸 的最基本培養皿中，則這類細胞稱為精胺酸營養缺陷體(arginine auxotroph)。然而,需要一次分析大量細胞時，上述方法卻不適用，此時通常會改用一種稱為複

8、製平皿 (replica plat ing)的方法來進行突變株的測試與篩檢。此法由一位女科學家Esther Lederberg所發展出，最初是使用她的面膜(facial compact cloth)來進行。當科學家要將培養皿上所有的菌落以彼此相對位置不變的 情況下轉移至另一培養基時，會以一片絲絨(velvet)輕壓培養皿上的菌落，再將之 輕壓至另一乾淨的培養皿上，透過這個方式，即可篩選出功能有缺陷的突變株。(如下圖所示)絲绒片覆於其上主培養DH(master plate)儲存温育複製皿 (replica plate)有兩種方法可找出我們所需要的菌落：1) 遺傳篩選(Genetic Scree)

9、透過先前所介紹的方法找出無法在特定培養皿中生 長的菌落，再篩檢出喪失某功能就不能在特定環境條件下生長的突變株。2) 遺傳選擇(Genetic Seletion):透過前述方法找出能夠在特定培養皿上生長的菌 落，接著篩選出獲得某功能而得以在一般菌株無法生存的環境下生長的菌株 例如帶有盤尼西林抗生素抗性的菌株則可在含有盤尼西林的培養皿中生長。為研究缺乏精胺酸就無法生存的酵母菌突變株，需要準備大量的精胺酸營養缺陷體 (arginine auxotroph)，即最基本培養皿至少要含有精胺酸才能使這類突變株生存其 上。若要取得這類突變株，需利用到單倍體酵母菌(haploid yeas),這類酵母菌僅含有

10、 每個基因的其中一個複本(copy)。另外需要特別注意的是，不宜使用二倍體酵母菌(diploid yeast)，因其具有每個基因的兩個複本，即使其中一個複本發生突變，另 一個正常基因複本一樣可產生酵素來維持正常功能。比較單倍體酵母菌與二倍體酵母菌：-單倍體酵母菌：精胺酸合成酵素基因發生一個突變即可造成精胺酸營養缺陷(argauxotrophy)。-二倍體酵母菌：精胺酸合成酵素基因發生一個突變不能造成精胺酸營養缺陷，因 為另一個基因複本仍可發揮正常功能。二倍體酵母菌要成為精胺酸營養缺陷體，必 須精胺酸合成酵素基因中的兩個複本都發生突變，但二倍體的同一個基因的兩個複 本皆產生突變的例子並不常見。.

11、突變株的特異性(Charaterization of Mutants)先準備好各類酵母菌的精胺酸營養缺陷體，分別命名為Arg1、Arg2、Arg3等，接著我們需要了解這些突變是否發生在同一基因中，此時會先檢測這些突變是否造成 隱性表現型(recessive phe no type。1) 隱性測試(Test of Recessivity):-酵素功能的喪失通常相對於正常表現型為隱性。-兩個基因複本中只要有一個複本是正常的，就可以產生正常表現型。使兩個單倍體酵母菌彼此交配：如 Arg1和wt (wild type，即正常酵母菌)可產生 二倍體酵母菌，若此二倍體酵母菌的表型正常，就表示 Arg1的突

12、變情形相對於正 常狀況為隱性。2) 互補測試(Test of Complementatior)：互補測試可用以決定兩個不同的突變是否發生於同一基因中。首先先將兩個單倍體 酵母菌彼此交配以產生二倍體酵母菌，接著觀察此二倍體酵母菌的表型。a)若兩者的突變發生於同一基因中，比如Arg1的突變與Arg2的突變皆位於同一基 因中，則產生的二倍體酵母菌將無法生長於最基本培養皿中。這是因為兩者產生的 二倍體酵母菌的精胺酸合成酵素基因的兩個複本都有缺陷，故無法製造出正常的酵 素，此二倍體酵母菌在沒有精胺酸的情況下自然無法生長於培養皿上。探當Arg1和Arg2所帶有的突變位置皆位於同一基因上時，兩者交配形成的二

13、倍體酵母菌會產生突變的表現型，因為 Arg1和Arg2彼此不能補足對方的不足， 此時Arg1和Arg2會被歸類到同一互補群中。b）若突變發生於不同基因中，比如Arg1的突變位置與Arg2的突變位置位於不同基 因中，則兩者交配產生的二倍體酵母菌將能夠生長於最基本培養皿上。因為突變發 生的位置不在同一基因中，兩者交配後每個突變對應的正常基因複本皆可產生正常 的酵素，因此能夠生長於最基本培養皿上。探Arg1和Arg2所帶有的突變位於不同的基因中，兩者交配後可彼此補足對方的不 足，而得以形成正常的二倍體酵母菌，此時Arg1和Arg2會被歸類到不同的互補群中。一般說來，不同基因中的突變由於其對應的正常基

14、因複本皆可產生正常的酵素，而 能夠彼此補足對方的不足，使得二倍體酵母菌可以維持原營養體（protoph，即正常的營養體），即每個突變體彼此互相修補缺陷。對各個不同的單倍體酵母菌進行互補測試的結果可製表如下所示：WtArg1Arg2Arg3Arg4Wt+Arg1+一一+Arg2+一一+Arg3+一一Arg4+一一+ ”表示彼此互補，二倍體酵母菌有正常表型。 -”表示彼此不互補，二倍體酵母菌有突變表型。注意：其中所有的突變相對於正常表型為隱性Arg1和Arg2無法互補，因此兩者分屬同一互補群且突變發生於同一基因中。Arg3和Arg4亦無法互補，兩者各屬同一互補群，但不同於Arg1和Arg2所屬之互補群中，且突變發生於同一基因中。Arg1和Arg4彼此互補，因此他們的突變各發生於不同基因中由上表可看出互補群有兩組，或是精胺酸合成過程中應有兩個基因參與其中責任編譯：清華生科莊雅善