20120917孟德尔遗传分析

nullnull林 娟： Email: linjuan@fudan.edu.cn Tel: 65642949 (o) 办 公 室： 生物二楼202 研究方向： 植物分子生物学 下载地址：10.107.0.106第二章 孟德尔遗传分析第二章 孟德尔遗传分析本章内容本章内容孟德尔定律的发现 孟德尔分离定律 孟德尔自由组合定律 单基因遗传病 孟德尔式遗传中偏离正常分离比的因素 孟德尔式遗传的数据统计 主要参考书：《遗传学》刘祖洞 著null 一、孟德尔定律的发现 1694年 J.R.Camerarius 显花植物杂交。 1822年 T.A.Knight 豌豆杂交。 1831年 R.Brown发现了细胞核。 1841年 A.Kolliker 发现了生殖细胞。 1849年 Gärtner 发表《植物杂交的实验与观察》。 1856年 G. Mendel 开始豌豆杂交。 1865年 G. Mendel在布隆自然科学协会。 1866年 G. Mendel的论文“植物杂交实验”发表。 1900年 Hugo de Vries, Carl Correns和Eric von Tschermak- Seysenegg 重新发现孟德尔遗传定律。 1822～1884 捷克摩脱维亚（奥地利）农民家庭； 果树嫁接、种植和养植的丰富经验； 维也纳大学，师从多普勒（Doppler）、埃汀豪生 （Ettinghausen）和翁格尔（Unger）; 达尔文的进化论和盖尔特纳等人的植物杂交工作； 1854 - 1867 豌豆杂交实验； 1865年发表“植物杂交实验”论文（Experiments in Plant Hybridization） 1822～1884 捷克摩脱维亚（奥地利）农民家庭； 果树嫁接、种植和养植的丰富经验； 维也纳大学，师从多普勒（Doppler）、埃汀豪生 （Ettinghausen）和翁格尔（Unger）; 达尔文的进化论和盖尔特纳等人的植物杂交工作； 1854 - 1867 豌豆杂交实验； 1865年发表“植物杂交实验”论文（Experiments in Plant Hybridization） 孟德尔 Gregor Johann Mendelnull 在三位科学家同时发现孟德尔在35年前的论文后，在英国生物学家贝特森的竭力促进下，孟德尔的理论在20世纪初终于被生物学界接受了。 从此诞生了遗传学科 “genetics”，该词来源于希腊词汇，意为“产生”。 孟德尔被称为“遗传学之父”。 1909年丹麦科学家约翰逊提出了“gene”一词。 不久后，在向中国生物学家介绍遗传学进展时，谈家桢先生将gene一词翻译为“基因”。 在三位科学家同时发现孟德尔在35年前的论文后，在英国生物学家贝特森的竭力促进下，孟德尔的理论在20世纪初终于被生物学界接受了。 从此诞生了遗传学科 “genetics”，该词来源于希腊词汇，意为“产生”。 孟德尔被称为“遗传学之父”。 1909年丹麦科学家约翰逊提出了“gene”一词。 不久后，在向中国生物学家介绍遗传学进展时，谈家桢先生将gene一词翻译为“基因”。遗传学的产生遗传学的基本概念遗传学的基本概念杂合体 (heterozygote)：基因座上两个不同的等位基因的个体。 纯合体 (homozygote)：基因座上两个相同的等位基因的个体。 回交 (back cross)：杂交的子一代与亲代的交配形式。 测交 (test cross)：杂合个体与纯合隐性个体的交配形式。null性状 (character)：生物的形态，结构，生理功能等方面的特征。 显性 (dominant)：杂合子生物表现出来的性状。 隐性 (recessive)：杂合子生物被掩盖的性状。 等位基因 (allele)：同源染色体上相对位置上的决定同种性状的基因。 表型 (phenotype)：生物个体形成的性状表现。 基因型 (genotype)：生物个体的基因组成。 遗传学的基本概念null豌豆是遗传实验的良好材料 种子的形状 种子的颜色 种皮的颜色 成熟豆荚的形状 未成熟豆荚的颜色 花的位置 茎的高度二、分离定律 Law of segregation二、分离定律 Law of segregation 杂合体的一对等位基因在形成配子时互相不影响地分到雌雄配子中去的规律。null杂交实验P×F1F2分离null 亲 代 红花 × 白花 基因型 CC cc 配 子 C c F1 代 红花 基因型 Cc 配 子 C c F2 代 红花 红花 白花 基因型 CC Cc cc 比 例 3 ： 1豌豆杂交实验的子二代结果豌豆杂交实验的子二代结果如何得到分离定律：孟德尔假设如何得到分离定律：孟德尔假设1.遗传性状由遗传因子决定。 2.遗传因子是成对存在的。 3.生殖细胞中具有成对因子中的一个。 4.每对因子分别来自雌雄亲代的生殖细胞。 5.形成生殖细胞时，成对因子相互分离。 6.生殖细胞的结合是随机的。 7.遗传因子有不同形式，即显隐性之分。假设验证 —— 测交实验假设验证 —— 测交实验对于基因型未知的显性个体，测交是常用的鉴定个体基因型的方法。F1 代 红花 基 因 型 Cc × cc 配 子 C c c 基 因 型 Cc cc 测交一代 红花 白花 比 例 1 ： 1 孟德尔分离比实现的条件孟德尔分离比实现的条件1. 杂合体的两种配子在形成配子时数目是相等的。 2. 两种配子结合是随机的。 3. 子二代基因型个体存活率是相等的。 4. 显性是完全的。三、自由组合定律 Law of independent assortment三、自由组合定律 Law of independent assortment 非同源染色体上的非等位基因在形成配子时，各自独立地分开和组合，在杂交时各种基因型的配子随机结合，形成可以预测比例的表型和基因型的群体。nullPF1F2黄色对绿色是显性；饱满对皱缩是显性；null 黄色 饱满 × 绿色 皱缩 黄色饱满 315 黄色饱满 ： 108 绿色饱满 101黄色皱缩 ： 32 绿色皱缩null 亲 代 黄，满 × 绿，皱 基因型 YYRR yyrr 配 子 YR yr F1 代 黄满 基因型 YyRr 配 子 YR Yr yR yr F2 代 黄满 黄皱 绿满 绿皱 基因型 Y_R_ Y_rr yyR_ yyrr 表型比 9 ： 3 ： 3 ： 1 null遗传比率的计算方法： 1.棋盘法 RRYY × rryy RrYy♀♂null2.分支法 AaBbCc X AaBbCc 3C- 27A-B-C- 3B- 1cc 9A-B-cc 3A- 3C- 9A-bbC- 1bb 1 cc 3A-bbcc 3C- 9aaB-C- 3B- 1cc 3aaB-cc 1aa 3C- 3aabbC- 1bb 1cc 1aabbcc例题：例题：杂合体AaBbCc自交，子代中 1. 杂合体概率是多少？ 2. 纯合体概率是多少？ null 杂交基因对数与基因型和表现型的关系孟德尔定律的巧合孟德尔定律的巧合为什么孟德尔没有看到多基因调控的性状？ 为什么孟德尔没有看到连锁的性状？ （连锁最先由贝特森和潘耐特在1906年研究豌豆的另外两对性状时发现：花色和花粉粒形状） 为什么孟德尔只做了7对性状的研究？ 为什么孟德尔记录的很多数据并没有达到统计学的显著差异… null孟德尔研究的7对性状分布在豌豆的五条染色体上，且分布在同一条染色体上的基因之间的距离很远。因此，从这些基因的研究中看不到连锁现象。四、单基因遗传病四、单基因遗传病由一个基因表达差异引起的性状趋势的遗传方式称作单基因遗传。 单基因遗传特征：1）有显隐性关系；2）后代有可预测的基因型和表型理论比例。 一个基因决定了一个性状，但高等生物的一个性状往往不是由一个基因所决定，而是一系列基因共同/相互作用的结果的。我们在考察某个性状决定基因的遗传方式时，是以其它基因相同/正常为前提条件，进行目的基因的遗传分析。null 家系（pedigree） 根据遗传亲缘关系绘制出来的家族成员系谱图。 人类遗传病的分类人类遗传病的分类单基因遗传病 (孟德尔遗传病) 常染色体显性遗传病 (Autosomal Dominant, AD) 常染色体隐性遗传病(Autosomal Recessive, AR) 性染色体(X)显性遗传病(X-linked Dominant, XD) 性染色体(X)隐性遗传病(X-linked Recessive, XR) 多基因遗传病 染色体病AD：Huntington’s disease (亨廷顿舞蹈病)AD：Huntington’s disease (亨廷顿舞蹈病)患者神经系统逐渐退化，神经冲动弥散，动作失调，出现不可控制的颤搐，并能发展成痴呆，甚至死亡。HD高发于美洲和欧洲，中年发病居多。 HD最早是由美国医师George Huntington于1872年报道。 null致病基因huntingtin定位于4p16.3，内部有一个三联体密码子(CAG)的串联重复（1993年），也称为polyQ region。 患者携带的突变基因内(CAG)的数目从正常人的11-36增加到40以上，且重复数越高的患者发病越早，症状越严重。 疾病发生的主要原因：突变基因翻译产生的变异蛋白质因不正确折叠在细胞内堆积形成“包涵体”，促进神经元细胞的死亡，加快脑部神经的退化，进而影响正常脑细胞的活动。nullAD：Ectrodactylia   (缺指/趾症) 常见为手中线第三指或第三、四指缺，后者的不对称掌面呈“龙虾爪”状。 在多代的连续传递中外显率会逐代递减。 缺指/趾症也是某些综合症状的临床特征之一，如13q-综合症。nullAD 小结常染色体显性遗传病通常只有一个亲代患病，子女患病的概率为50%，且男女之间没有差别； Polycystic Kidney Disease （多囊肾）； Hereditary nonpolyposis colorectal cancer（多发性家族性结肠息肉）； Marfan Syndrome（马方综合症）； Hereditary multiple exostoses（遗传性多发性骨软骨瘤）。AD 小结AR：Cystic fibrosis (囊性纤维化) AR：Cystic fibrosis (囊性纤维化) 发生于儿童和青年人的 全身性遗传性疾病，主要 病变为外分泌腺的功能紊 乱，粘液腺增生，分泌液 粘稠，不同器官病变程度 不一。主要见于肺、胰及肠 道，可发生慢性阻塞性肺病胰功能不全及肝硬化。 1856年 Bristowe首次在伦敦病理学会上首次报告了囊性肾病合并囊性肝病的病例。现在CF患者的平均寿命为37岁。null致病基因定位于7q31.2，编码囊性纤 维化跨膜转运调节因子(Cystic Fibrosis Transmembrane Conductive Regulator， CFTR)，常见突变的是ΔF508（苯丙 氨酸缺失），突变导致CFTR功能障碍。 全球患者以白人居多，白种人此基因携带频率为 3% -10%，出生人口中约3300 人中即有1个CF患者。 遗传筛查在美国某些州取得了理想的效果，显著降低了CF患儿的出生率。AR：Phenylketonuria （苯丙酮尿症） AR：Phenylketonuria （苯丙酮尿症） PKU于1934年由挪威化学家 Folling首先报道的一种氨基酸代谢缺陷疾病，因发现尿液中含苯丙酮酸而命名为苯丙酮尿症。 患者皮肤、毛发色浅，汗和尿有特殊的鼠臭味，智力低下，缺乏表情，易激动，有的常发生惊厥，多于30岁前死亡。 我国携带者比例为2%，发病率为1/16500左右。防治方法就是严格限制食物中苯丙氨酸的摄入。nullAR：Albinism（白化病）是一组以皮肤及其附属物色素缺乏为主要 临床表现的遗传性疾病。其症状为皮肤、头 发和眼睛的虹蟆的部分脱色。有时也可以导 致全身变白，有时病变不仅局限于眼睛、皮 肤和头发。 白化病的发病是由于黑色素代谢障碍所致。白化病患者体内由于控制酪氨酸酶的基因发生突变，不能合成酪氨酸酶，也就不能使酪氨酸转变成黑色素，从而导致白化。 国际上，白化病的发病率在1/10000至1/20000之间。我国携带者比例达到1/60左右。null苯丙酮酸尿症（缺乏苯丙氨酸羟化酶，苯丙酮酸在血液中聚集，最后由尿中排出体外） 白化病（缺乏酪氨酸酶，黑色素合成受阻，人体毛发、皮肤皆成白色） 尿黑酸症（缺乏尿黑酸氧化酶，尿黑酸不能氧化，自尿中排出，尿液呈黑色）AR 小结AR 小结此种遗传病父母双方均为致病基因携带者，故多见于近亲婚配者的子女（患病概率为25%，且男女之间没有差别）； galactosemia (半乳糖血症)； progeny (早老症)。XD：Vitamin D resistant rickets （抗维生素D佝偻病）XD：Vitamin D resistant rickets （抗维生素D佝偻病）又称原发性低磷酸盐血症性佝偻病、低磷酸盐血症性佝偻病是一种家族性遗传性肾小管功能障碍性疾病。 患者由于磷酸盐再吸收障碍，肾小管磷重吸收率明显降低，尿磷大量丢失，血磷降低。轻度症状类似维生素D缺乏佝偻病，重症患者可表现为严重骨骼畸形、侏儒症、剧烈骨痛等。 null致病基因PHEX(磷酸盐调节基因)定位于Xp22，编码一个749个氨基酸的蛋白质，参与磷酸盐，骨矿物质和维生素D的代谢。已报道的PHEX突变类型达百余种，大多都能导致蛋白质丧失正常的生物学功能。 女性发病率高于男性。但是佝偻症状表现为不完全显性，因此携带杂合基因型的女性症状相对于男性较轻，一般仅表现为低血磷，而没有佝偻，她们携带的一个正常基因仍可发挥一定的作用。XD 小结XD 小结不管男女，只要存在致病基因就会发病，但因女子有两条X染色体，故女子的发病率约为男子的两倍。但因为没有一条正常染色体的掩盖作用，男子发病时，往往重于杂和型的女子。 Hereditary nephritis（遗传性肾炎） Pseudohypertrophic muscular dystrophy（假肥大型肌营养不良症） XR：Hemophilia （血友病）XR：Hemophilia （血友病）先天性出血性疾病，患者常常自发性出血或某处破裂流血不止，尤以关节腔、肌肉、皮下粘膜及泌尿系统最易出血，此病患者最后会因流血过多而死亡。 致病原因是由于凝血因子Ⅷ(FVH，Xq28)或IX (FIX，Xq26-27.3 )基因突变导致人体内凝血因子Ⅷ或Ⅸ水平降低或缺乏，从而导致出血，并根据凝血因子的不同分为血友病A和B。 FVH的22号内含子倒位突变引起的FVIII严重缺乏是45%的重型血友病A的分子发病机制。 null血友病最著名的一个例子是英国“皇家病”。维多利亚女王是一个血友病基因携带者，她的儿子和外孙死于血友病，女儿和孙女是血友病基因的携带者。俄国的罗曼诺夫家族和西班牙的巴本家族，都因娶了维多利亚女王的外孙女而造成了血友病的蔓延。因为血友病与英国王室有这样一段不解之缘，所以又称为“皇家病”。 XR 小结患病的男子远多于女子，甚至在有些病中很难发现女患者，这是因为两条带有隐性致病基因的染色体碰在一起的机会很少所致。 Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficienly （葡萄糖6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏症 ） Ectodermal dysplasia I （无汗性外胚叶发育不良症 ） Red-green color blindness（红绿色盲）XR 小结伴Y遗传疾病伴Y遗传疾病基因只能随Y染色体传递，由父传子，子传孙，如此世代相传。 蹼趾男人 （美国的斯柯菲尔德家庭 ） 长毛耳男人 （印第安人中发现的较多 ）null人类孟德尔遗传病的数据库例题例题？null？nullnull？多基因遗传 (polygenic inheritance)多基因遗传 (polygenic inheritance)又称多因素遗传(multifactorial inheritance)是由多个基因的累加效应引起的遗传性状，一般与环境因素共同作用。所导致的疾病称多基因遗传病(简称多基因病)或多因素遗传病。因有遗传因素在内，故发病呈家族倾向，但不符合孟德尔遗传规律，即同胞中的患病率远比1/2或1/4低，大约只有1％－10％。 多基因病遗传特征多基因病遗传特征 1. 多基因遗传指的是受两对以上的受累等位基因调控的遗传 现象。 2. 不同等位基因之间没有显、隐性的区别。 3. 多基因病中的致病基因中有一些起主要作用，称为主效基因，其他基因对表型的影响较小，称为微效基因。微效基因具有累加效应，若干个基因共同作用可对表型产生明显影响。 4. 除了遗传因素对多基因病起作用，环境因素也具有明显作用。在这种情况下，遗传因素对疾病的影响程度被称作“遗传易感性”。常见的多基因遗传病常见的多基因遗传病如先天性心脏病、小儿精神分裂症、家族性智力低下、脊柱裂、无脑儿、少年型糖尿病、先天性肥大性幽门狭窄、重度肌无力、先天性巨结肠、气道食道瘘、先天性腭裂、先天性髋脱位、先天性食道闭锁、马蹄内翻足、原发性癫痫、躁狂抑郁精神病、尿道下裂、先天性哮喘、睾丸下降不全、脑积水等。 多基因遗传病的研究依赖于大样本的群体分析。null★产生配子数目的差异和配子受精能力/机会的差异； ★表现度和外显率； ★共显性和镶嵌显性； ★致死基因。五、单基因遗传偏离孟德尔正常分离比的因素表现度（expressivity）表现度（expressivity）表现度：基因的表现型变化的程度。某一特定基因在不同个体间，对它控制的性状的不同表现程度。 例如：蓝色眼白的基因在不同个体间颜色表现程度不一；多指症患者多指的长度也不同等等。 表现度是基因和内、外部环境相互作用的结果。 表现度在世代之间可以是稳定的，也可以是变化的。外显率（penetrance）外显率（penetrance）外显率：在特定环境的一个群体中，个体基因型实际表现值与理论表现值的比率。 其原因是同样的基因型存在不同的表现度。 如果群体中的某些携带突变致病基因的个体的基因表现度很低，临床检查与正常人无异，就出现了外显不完全。 例如：某显性基因A的杂合体有100人，其中如果100人都出现可的性状，则外显率 = 1，称完全外显；如果仅有40人出现可检测的表型，则外显率为40%，称外显不完全。 不完全外显的常染色体显性遗传不完全外显的常染色体显性遗传I 1 2 II 1 2 3 4 5 6 III 1 2 3 4 5 6 7 8 IV 1 2 3 4null并显性或共显性(codominance) 显性和隐性的性状同时表现出来的现象。等位基因的其他几种显隐性形式null不完全显性(incomplete dominance) 显性性状不能完全掩盖隐性性状的现象null 双亲的性状可以在后代的同一个体的不同的部位表现出来现象。谈家桢先生1944年在贵州湄潭发现了异色瓢虫（Harmonia axyridis）鞘翅色斑变异的镶嵌显性遗传现象。 黑缘型鞘翅：前缘呈黑色－SAU基因； 均色型：后缘呈黑色－SE基因； F1杂种（SAUSE）：翅的前缘和后缘都为黑色。镶嵌显性（Mosaic dominance）nullnull例：旗鱼有一个M品系，为淡橘红色带黑斑，野生型为橄榄绿带黑斑或黄色小斑。M品系自交：后代分离比为1/3野生型，2/3M，分离比是2 : 1，不符合孟德尔定律。 A a × A a (M) (M) ¼ AA ½ Aa ¼ aa (野生） (M) (死亡）致死基因：导致个体死亡的基因。六、孟德尔式遗传的数据处理六、孟德尔式遗传的数据处理 二项式展开的概率统计 适合度测验 (goodness of fit) 用于检测实验的实际比数与理论比数适合的程度。用卡平方测验方法计算适合度。二项式展开二项式展开显性和隐性基因的不同组合及其出现的理论概率可采用二项式公式进行分析。 如Aa × aa，得到两个子代都是Aa，一个Aa，一个aa，两个都是aa的概率分别是： 第一个子代 第二个子代 概率 2Aa Aa Aa ½ × ½ 1Aa+1aa Aa aa ½ × ½ 1Aa+1aa aa Aa ½ × ½ 2aa aa aa ½ × ½ 符合（ ½ + ½ ）的二项展开式 如果有三个子代，则符合（ ½ + ½ ）的二项展开式32null子代中某一种基因型组合出现的概率，可用通项公式计算： r 代表子代中某基因型或表现型出现的次数； n – r 代表子代中另一基因型或表现型出现的次数；设：p 为 某一基因型或表型出现的概率，q 为另一基因型或表型出现的概率，p + q = 1。n为子代数目。二项式展开的公式为： null 案例： 二项式展开的概率统计 Aa×aa产生20个子代 （1/2 + 1/2） Aa×aa时20个子代中有K个为显性时的机率p 20null例题： 如果一个表型正常，等位基因是杂合的男子与一个纯合隐性基因的病女子结婚，生有5个孩子，其中5个子女都是无病的机会是多少，3病2正常的机会是多少？Aa×Aa，如果A对a显性完全，预期在n 个个体中表型的概率是二项式展开为 ( ¾ + ¼ ) 而基因型的概率符合（ ¼ + ½ + ¼ ）nnnull适合度检验 实验数据与理论数据适合程度的检测。 2 的定义： （实测值-预期值)2 n （Oi-Ei)2 2 =∑ = ∑ 预期值 i=1 Ei null2测验 计算2值后，查2表，如概率值落在5%区间内，为差异显著，实际值和理论值不相符；落在95%的大区间里为差异不显著，实际值和理论值相符。 自由度（df） 统计学上是指独立变量的个数。在这里指的是当各项预期值决定后，实际数字有几项能自由变动。考虑一对等位基因的F2代分离，则df = 1，因为一个表型的比例定了，就意味着另一种表型的比例也定了。如果是两对等位基因的F2代分离，则df = 4 -1 = 3。 2 值数据表2 值数据表null 例题1：2测验检验孟德尔两对相对性状的杂交试验结果，评价是否符合9:3:3:1比例 ?查2表：值为0.47，自由度等于3时，P值大于90％。 结论： 与假设无显著差异，符合理论比例。null适合度检验 （15-10)2 （5-10)2 X2 = + 10 10 = 5.00 显著水平：卡平方表 P为0.02－0.05，存在显著差异，不符合理论比。例题2：Aa X aa 的20个子代,实际观察到5个Aa，15个aa。是否符合1:1的理论比？如果出现显著性差异，原因可能是：如果出现显著性差异，原因可能是：实验设计问题：没有收集和分析足够多的个体表型；没有真正随机地挑选个体；性状分析错误等。 其他问题： 显隐性关系（显性不完全，外显率，表现度）； 环境影响较大，遗传因素不占主要地位； 非等效的多基因遗传； 非孟德尔式遗传。 本章小结：孟德尔遗传的特征本章小结：孟德尔遗传的特征单基因遗传； 显隐性明显； 具有可以预测的后代比例； 正反交结果相同； 家系传递清晰。 注：虽然等效的多基因遗传以及伴性遗传也符合孟德尔遗传的一些特征，但是通常不归于此类中。本章问题本章问题 什么是孟德尔遗传方式？ 如何确定单基因还是多基因遗传？ 如何确定常染色体遗传？ 如何是遗传还是非遗传的性状？ DNA多态符合孟德尔遗传方式吗？ 如何确定显性和隐性性状？ 非孟德尔遗传方式的原因是什么？null假设有一种新的疾病， 如何判定是遗传性的还是散发性的？ 如何判定是孟德尔遗传还是非孟德尔遗传？ 如何判定是单基因还是多基因遗传？ 如何判定是致病基因是显性还是隐性？