第五章 连锁遗传分析与染色体作图 引言
孟德尔定律表明一对等位基因在遗传时相互分离，两对以上的等位基因则自由组合。遗传的染色体学说则说明基因在染色体上。
基因有很多，成千上万，而染色体只有几条到几十条，最多不过几百条。例如人类有23对染色体，而基因数目为3~4万个。每条染色体上必然有很多基因。
? 基因在染色体上是如何排列的呢？
? 我们怎样确定基因在染色体上的位置呢？
? 同一条染色体上的基因之间在遗传时是如何重新组合的呢？
这就是本章要解决的问题。
I. 连锁交换定律
遗传学重大发现往往由一个―例外‖现象而引起：Morgan由例外的白眼雄果蝇发现了伴性遗传；
他的学生Bridges由白眼雄果蝇中的初级例外和次级例外发现了染色体不分离现象，并直接证明了遗传的染色体学说。
连锁现象的发现则是由两对基因杂交试验F2代性状分离比不符合孟德尔比率9:3:3:1的例外而引起的。
第一个发现非自由组合现象的是W.Bateson 和R.C. Punnet，他们于1906年在研究香豌豆的花色及花粉粒形状的遗传时，发现这两对性状在遗传时不能自由组合，提出了―互引相‖和―互斥相‖的概念。
Bateson-Punnet 香豌豆杂交试验 P: 紫花长花粉×红花圆花粉 ↓ F1: 紫花长花粉 ↓ 表型 观察数(O) 期望比例 期望值(E) F2: 紫长 4831 9 3910.5 紫圆 390 3 1303.5 红长 393 3 1303.5 红圆 1338 1 434.5 总计 6952 χ2 = ∑(Oi-Ei)2/Ei=3371.58
df=4-1=3, χ2 >χ2 0.05=7.82，χ2 >>χ2 0.01=11.35，统计差异极显著， 说明实验结果不符合自由组合定律， F2代中性状的亲本组合类型远远多于重组类型。
P: 紫花圆花粉×红花长花粉 ↓ F1: 紫花长花粉 ↓ 表型 观察数(O) 期望比例 期望值(E) F2: 紫长 226 9 235.8 紫圆 95 3 78.5 红长 97 3 78.5 红圆 1 1 26.2 总计 419 χ2 = ∑(Oi-Ei)2/Ei=32.4
df=4-1=3, χ2 >χ2 0.05=7.82，χ2 >χ2 0.01=11.35，统计差异极显著， O与E的偏差不是随机误差，存在系统误差，说明实验结果不符合自由组合定律， F2代中性状的亲本组合类型远远多于重组类型。
香豌豆的花色及花粉粒的形状的遗传这两对性状在遗传时不能自由组合，F2代中性状的亲本组合类型远远多于重组类型。为什么？
Batson等人并没能解释其原因，只是提出了两个名词术语，用互引相(coupling phase)来表示前一种亲本组合，用互斥相(repulsion phase)来表示后一种亲本组合。这个谜团直到1912年摩尔根发现连锁交换定律才被解开。
摩尔根1910年发现果蝇白眼的伴性遗传后，又发现了几个其他的伴性遗传性状，他同时研究了两对伴性性状的遗传，通过大量的杂交试验，发现凡是伴性遗传的基因，相互之间总是连锁的。
1. 连锁
1.1 摩尔根的试验
摩尔根用灰体长翅与黑体残翅果蝇杂交： P: 灰体长翅(BBVV) ×黑体残翅(bbvv) ↓ F1: 灰体长翅(BbVv) ♂
测交①： 灰体长翅(BbVv) ♂ ×黑体残翅(bbvv) ♀ ↓
按自由组合定律， 应该产生四种类型：
灰体长翅(BbVv):黑体长翅(bbVv):灰体残翅(Bbvv):黑体残翅(bbvv) =1 : 1 : 1 : 1
但试验结果并非如此， F2代没有重组类型，全部是亲本类型： 灰体长翅(BbVv) : 黑体残翅(bbvv) =1 : 1 测交②：
灰体长翅(BbVv) ♀ ×黑体残翅(bbvv) ♂ ↓
灰体长翅（BbVv） : 0.42 黑体长翅（bbVv） : 0.08 灰体残翅（Bbvv） : 0.08 黑体残翅（bbvv） : 0.42
F2虽然出现了四种类型，但是重组类型显著少于亲本类型。
1.2 摩尔根的解释：基因B、V处于同一条染色体上，而其等位基因b、v位于同源染色体的另一条上。这样在形成配子的减数分裂时，B和V,b和v结随同它们所在的染色体一起分离，而不能独立分配和自由组合。
(1).连锁(linkage): 处于同一条染色体上的基因遗传时较多地联系在一起的现象称为连锁. (2). 完全连锁(Complete linkage):如上述第一种情况，基因完全连锁，不能发生重组。 P: 灰体长翅(BBVV) ×黑体残翅(bbvv) ↓
F1: 灰体长翅(BbVv) ♂ ×黑体残翅(bbvv) ♀ ↓
灰体长翅(BbVv) : 黑体残翅(bbvv) =1 : 1
(3). 不完全连锁(Incomplete linkage)：如上述第二种情况，基因可以发生部分重组，但亲本类型多于重组类型。
灰体长翅(BbVv) ♀ ×黑体残翅(bbvv) ♂ ↓
灰体长翅: 黑体长翅:灰体残翅:黑体残翅 (BbVv) (bbVv) (Bbvv) (bbvv)
(4). 重组：同一对同源染色体上不同对等位基因之间重新组合的现象叫做重组(Recombination) ，以与自由组合相区别。重组产生的重组类型个体称为重组子(recombinants)。
(5). 重组率：两个基因之间是否连锁，可以对F1测交来检测。如果测交后代比率为1:1:1:1，则是自由组合，如果亲组型高于预期比率而重组型低于预期比率，则说明它们相互连锁。遗传学中以测交子代中重组子所占的比例来测定基因连锁的程度，称为重组率(recombination frequency，RF) 。
重组率越低，基因之间的连锁程度越高；重组率越高，基因越倾向于自由组合。例如上述第二种果蝇测交中: RF=16%
3. 连锁群
连锁现象在生物界普遍存在。位于同一条染色体上的所有基因构成一个连锁群(linkage group)。
连锁群的数目等于单倍体染色体数(n)，对于二倍体生物，有几对染色体，就有几个连锁群。 如果蝇有4对染色体，就有四个连锁群：
– 第I连锁群包括所有伴性遗传的基因，位于第1号染色体 —— 性染色体上，
– 第II和第III连锁群分别对应两对大的V 形的第2和第3号染色体， – 第IV连锁群基因数目最少，相当于最小的点状第4号染色体。
人类有23对染色体，人类的3.5万个基因分别位于这23条染色体上，构成23个连锁群。
4. 交换
不同染色体上的基因遗传时可以自由组合，因而可以产生亲代所没有的新组合；位于同一条染色体上的两对基因遗传时，为什么又会出现一定频率的重组？相互连锁的基因，形成亲代所没有的新组合的机制是什么？答案是交换。
1.交换的机制： 1909年Janssens根据两栖类和直翅目昆虫的减数分裂的观察，提出了交叉型假设（chiasmatype hypothesis)，解释了遗传重组的机制，其要点是：
(1). 减数分裂前期，尤其是双线期，配对的同源染色体不是简单地平行靠拢，而是在非姊妹染色单体之间出现交叉(chiasma)，这是同源染色体对应片段之间发生过交换(crossing over)的地方。
(2). 处于同源染色体的不同座位的相互连锁的两个基因之间如果发生了交换，就会导致这两个基因发生重组。
5. 连锁交换定律:
摩尔根通过深入研究发现了同一条染色体上的基因之间具有连锁遗传和交换的特性，这就是被称为遗传学第三大定律的连锁交换定律。 其内容是：
1) 处在同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.
1) 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。
6. 三大遗传定律的关系
1. 分离定律是自由组合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生变异的主要机制； 3. 自由组合与连锁交换的区别在于：自由组合是染色体间重组(interchromosomal recombination),而交换则是染色体内重组(intrachromosomal recombination)。
4. 自由组合受到生物染色体对数的限制，而连锁交换则受到其染色体本身长度的限制。
5. 染色体上发现的突变愈多，由交换而产生的重组类型的数量也愈大。从这个意义上说，自由组合是有限的，连锁交换相对而言几乎是无限的。
7. 影响交换的因素:
许多因素影响交换，包括温度、性别、射线、化学物质等等。
1) 温度：在果蝇中早已发现22C雌蝇的交换频率最低。
2) 射线和化学物质：某些化学物质如放线菌D、丝裂霉素C可以引起交换值增加。
3) 着丝粒：使附近基因的交换值明显降低。
4) 性别：人类和许多哺乳动物例如小鼠，雌性交换值大于雄性。性别对于交换的影响最典型的情况是在果蝇中, Morgan所发现的雄蝇无交换(完全连锁)。在家蚕中则恰恰相反，交换只发生在雄蚕而不发生在雌蚕中。实际上，凡是性染色体决定性别的生物，异配性别的个体中一般总是较少发生交换。
8. 霍尔丹定律
英国生理学及遗传学家J·B·S·Haldane提出:凡是较少发生交换的个体必定是异配性别个体。这被称为霍尔丹定律。
交换值虽然受许多因素的影响，但在一定条件下，相同基因之间的交换值是相对稳定的。 据研究，凡无交换的类型都没有发现联会复合体(SC)。因为SC被认为是保证同源染色体准确配对和交换的一个重要结构。
9. 双交换
双交换（double crossingover）:A、B两个基因座之间同时发生两次交换。其特点是： (1). 双交换概率显著低于单交换概率，如果不存在干涉，双交换概率是两个单交换概率的乘积。
(2). AB两个基因座之间发生双交换，基因不会发生重组，如没有C基因座作参照，则看不出发生过交换。
(3). 3个基因之间发生双交换，旁侧基因无重组，中间的基因位置改变，与旁侧基因发生重组。
10. 互引相和互斥相
当两个非等位基因a和b处在一个染色体上，而在其同源染色体上带有野生型A、B时，这些基因被称为处于互引相(AB/ab);
若每个同源染色体上各有一个突变基因和一个野生型基因·则称为互斥相(Ab/aB)。
II. 基因定位与染色体作图
前面已经提到，生物体的各个基因在染色体上的位置是相对恒定的。关于这个问题的根据是两个基因之间的重组值(率)的相对恒定性。不同基因间的重组值却是不同的。
摩尔根(1911)提出设想，重组值(交换值)的大小反映着基因座在染色体上距离的远近。他们便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。
1.相关概念
(1). 基因座(locus)：基因在染色体上所处的位置。
(2). 基因定位(gene mapping)：根据重组值确定基因在染色体上的相对位置和排列顺序。 (3). 染色体图(chromosome map)：又称基因连锁图(linkage map)或遗传图(genetic map), 依据基因之间的交换值(或重组值)，表示连锁基因在染色体上的相对位置的线性示意图。
(4). 图距：两个基因在染色体图上距离称为 图距(map distance) 。 (5). 图距单位(map unit，mu): 为了纪念Morgan，将图距单位称为―厘摩‖ (centimorgan, cM)，l cM=l%重组值去掉%的数值。
2. 基因直线排列原理
既然连锁基因的交换率可以代表基因在同一染色体上的相对距离，那么人们就有可能根据基因之间的交换率来确定它们在染色体上的相对位置。
这个设想可以用实验来验证。为此，至少要考虑3个基因座之间的交换关系。 如果将上述原理一般化，则任何3个距离较近的a、b、c连锁基因，若已分别测得a、b和b、c间的距离，那么a、c的距离，就必然等于前二者距离的和或差。
这就是摩尔根的学生Sturtevant第一次提出的\基因的直线排列\原理，并为后来制订果蝇以及其他真核生物染色体图奠定了基础。
3. 两点测交(two-point testcross) 果蝇X染色体上有三对基因： W----- 白眼基因 Y ----- 黄体基因 Bi----- 粗翅脉基因
测定它们在染色体上的位置和距离： 1). 进行三次两点测交并计算重组值：
(1) bi-w: 5.3cM (2) w-y: 1.1 cM (3) y-bi: 4.2cM
2). 画出基因连锁图。
4. 三点测交(three-point testcross) 为了进行基因定位，摩尔根和他的学生Sturtevant改进了上述两点测交，创造了一种新的测交方法。
将3个基因包括在同一次交配中，例如用3个基因的杂合体abc/+++与3个基因的隐性纯合体abc/abc做测交，一次实验就等于3次每次只包括2个基因的两点测交试验。
以下用实验说明其遗传分析的方法： ec ct + /+ + cv × ec ct cv /Y
↓
基因型 个体数目 比例 类型 ec ct + 2125
04-第四章 连锁遗传分析与染色体作图
