1、第三章 性别决定与伴性遗传,中国海洋大学生命学院汪小龙,I. 性别决定,性别也是一种表型，雌/雄或男/女之分其实是一对相对性状。也按孟德尔方式遗传，1:1的性别比例实际上是一种测交结果，表明性别之一为纯合体，另一性别为杂合体。性别是由性染色体决定的。 1. 性染色体的发现1891年，德国学者Henking在半翅目昆虫精母细胞减数分裂中发现一种异染色质，在一半的精子中含有，而另一半精子中则没有，并命名为X染色体，意为“未知染色体”。 1902年C.E.McClung把X染色体与昆虫的性别决定联系起来；1905年E.B.Wilson证明在半翅目和直翅目昆虫中，雌性个体具有两条X染色体，而雄性个体只
2、有一条X染色体。,2. 性染色体与常染色体(sex-chromosome and autosome)与性别有关的一对形态、大小不同的同源染色体称为性染色体(XY或ZW)，除性染色体之外的其他染色体称为常染色体(A)。 最新发现XY染色体的同源部分和非同源部分是相间分布的。,3. 性别决定（sex determination) 1) 多数高等植物和低等动物：雌雄同株(体)，无性别决定问题 2) 高等动物和某些植物：多数为雌雄异体(株),性别由性染色体的构成决定，可以分为：（1）XY型性别决定：人类、哺乳类、两栖类、鱼类、昆虫、植物：如人类：44A+XY（2）ZW型性别决定：鸟类、爬行类、鳞翅目昆
3、虫：如家蚕：54A+ZW（3 ）XO型性别决定：直翅目昆虫如蝗虫,蟋蟀,蟑螂等。,性染色体构成与性别,3) 环境因素决定性别： 后螠（bonellia)是一种海生蠕虫，雌雄个体体型大小相差悬殊。 雄虫很小，生活在雌虫的子宫里面。幼虫在水中自由游泳，落在海底就发育成为雌虫，落在雌虫的口吻上就发育成雄虫。,4) 受精与否决定性别：蜜蜂：不受精的卵子发育成雄蜂(n=16)，受精的卵子(2n=32)根据受到的“待遇”发育成雌蜂（蜂皇）或者职蜂（工蜂）：如果吃5天蜂皇浆就发育成蜂皇，如果只吃23天蜂皇浆就发育成职蜂（工蜂）,II. 遗传的染色体学说,1902年美国W.S.Sutton和德国T.Bover
4、i发现孟德尔遗传因子与性细胞在减数分裂过程中的染色体行为有着平行关系，各自独立地提出了细胞核的染色体可能是基因的载体的学说即染色体遗传学说。,1、遗传因子与染色体行为,(1). 染色体成对存在，基因也是成对存在； (2). 在配子中每对同源染色体只有一个，也只有每对基因中的一个。 (3). 个体中成对的染色体一个来自父本，一个来自母本，基因也是如此。 (4). 不同对的染色体和基因在减数分裂后期的分离都是独立分配的，可以自由组合。说明孟德尔分离定律和自由组合定律的实质是由于同源染色的分离导致等位基因的分离，并导致性状的分离；决定不同性状的两对非等位基因分别处于两对非同源染色体上，由于同源染色体
5、的分离、非同源染色体的独立分配，导致了非等位基因的自由组合。,2.染色体学说对分离定律的解释,3.配子形成时染色体和基因的分离 中期I 同源染色体配对 后期I 同源染色体分向两极 末期I 形成两个次级性母细胞 末期II 形成四个配子,4.配子形成时染色体和基因的自由组合 中期I 同源染色体配对 后期I 同源染色体分向两极 末期I 形成两个次级性母细胞 末期II 形成四个配子,遗传的染色体学在20世纪初引起了广泛重视，但是当时并没有得到直接证明。 必须将某一特定基因与某一特定染色体联系起来，或者将某一特定基因定位于某一特定染色体。 第一个做到这一点的是美国的遗传学家和实验胚胎学家摩尔根和他的学生
6、。,III. 伴性遗传,1 . 摩尔根发现伴性遗传摩尔根利用果蝇进行遗传学研究，他发现果蝇是一种极好的遗传学实验材料，果蝇是一种双翅目昆虫，体型小，容易饲养，生活史短，25C时12天就可以完成一个世代，每个雌果蝇能产生几百个后代。 1909年，摩尔根(Thomas Hunt Morgan)发现了一只白眼果蝇，利用这只不同寻常的果蝇，进行了一系列试验，发现了伴性遗传，发现了遗传学的第三大定律连锁交换定律，并证实了遗传的染色体学说。大大地推进了遗传学的发展。,2. 伴性遗传现象：实验：摩尔根将白眼雄果蝇与野生红眼雌果蝇杂交： P: 红眼（RR) 白眼(rr) F1: 红眼(Rr)( 白眼为隐性)
7、1237 F2: 红眼:红眼:白眼:白眼2459 1011 0 782红眼:白眼=3:1,雄:雌=1:1,都符合孟德尔比例。但是，白眼果蝇全部为雄性，雌果蝇全部为红眼，没有白眼雌果蝇，性别与白眼不能自由组合，这是无法解释的。,实验：将上述F1红眼雌果蝇与最初那只白眼雄果蝇进行回交（测交）：T: 红眼(来自F1) 白眼 T1: 红眼:红眼:白眼:白眼计数 129 132 88 86比例：1 ： 1 ：1 ： 1说明： 1. 红眼:白眼=1:1, : =1:1 2. F1红眼为杂合子, 白眼为隐性纯合子，同时得到了白眼雌果蝇。,实验：将测交一代白眼雌果蝇与另一纯种野生红眼雄果蝇杂交： P: 白眼(
8、rr) 红眼(RR?) （纯种）F1: 红眼(Rr) 白眼(rr?)F2: 红眼:红眼:白眼:白眼比例： 1 ： 1 ：1 ： 1 1. F1出现交叉遗传(Criss-cross inheritance)，即父亲的性状传递给女儿，母亲的性状传递给儿子。 2. F2互交与实验相同，说明F1红眼为杂合子, 白眼为隐性纯合子。 3. 白眼雌果蝇(rr)与红眼雄果蝇(RR)杂交，可得到白眼雄果蝇纯合子(rr)，说明红眼雄果蝇的基因型不可能是RR。,3. 摩尔根的假设和解释摩尔根实验中出现了两个孟德尔定律无法解释的问题:(1). 显性纯合体与隐性纯合体或杂合体杂交可得到隐性纯合体。(2).性状的遗传因性
9、别而异，并出现交叉遗传现象。,摩尔根以性染色体和性别决定的研究成果为依据，假设白眼基因位于 X染色体上（Xw)，而Y染色体上没有它的等位基因，由于雄果蝇性染色体为XY，因此白眼雄果蝇的基因型为XwY，是仅有一个白眼基因的隐性纯合子，而不是通常必须同时具有两个隐性等位基因才能构成隐性纯合子。,实验 测交: X X w 红眼 X wY 白眼 X +X w X +Y X w X w X w Y T1: 红眼:红眼:白眼:白眼 计数 129 132 88 86 比例： 1 ： 1 ：1 ： 1 1. 红眼:白眼= 1:1, : = 1:1 2. F1红眼为杂合子, 白眼为仅有一个白 眼基因的隐性纯合子
10、,实验： P: 白眼(F1) 红眼（纯种）X wXw X + YF1: 红眼 白眼X + X w X w Y F2: X +X w X + Y X wX w X w Y 红眼: 红眼: 白眼: 白眼 比例： 1 ： 1 ：1 ： 1 摩尔根的假设不仅合理解释了他的试验结果，而且可以预测白眼雌果蝇与白眼雄果蝇交配应该得到纯种白眼果蝇，可以代代相传： X wX wX w YX w X w:X w Y=1:1 试验结果与预测完全一致。,4. 伴性遗传的特点和遗传规律 像果蝇白眼性状这样由性染色体所携带的基因决定的性状，遗传时与性别相关联的遗传方式，又叫性连锁遗传。 1) 与非伴性遗传（常染色体遗传）
11、相比,伴性遗传具有如下特点： （1）决定性状的基因在性染色体上； （2）性状的遗传与性别有关； （3）正交与反交结果不同； （4）表现特殊的交叉遗传和隔代遗传现象。,2) 伴性遗传的遗传规律是：（1）当同配性别(XX)传递纯合显性基因，而异配性别传递纯合隐性基因时，F1都表现显性性状， F2分离比（显性:隐性=3:1）；性别分离比为1:1，其中隐性个体的性别与祖代隐性个体（外祖父）一样。 （2）当同配性别传递纯合隐性基因，而异配性别正常时，F1表现交叉遗传，F2性状分离比和性别分离比都是1:1。,IV.人类的伴性遗传,人类的性染色体，即X染色体和Y染色体，长度不等，结构也不同，只有一部分是同源
12、区域，另一部分是非同源区域。在男性体内减数分裂时非同源区域不能配对，存在于X和Y染色体非同源区域的基因往往只有一个拷贝，没有等位基因没有等位基因，表现为性连锁遗传，分别称为X连锁 遗传和遗传Y连锁遗传. 1. X连锁隐性遗传 2. X连锁显性遗传 3. Y连锁遗传,The traditional human karyotypes derived from a normal female and a normal male.,1、X连锁隐性遗传(sex-linked recessive inheritance, XR)隐性致病因子（c）位于X染色体上，遗传特点是发病率有显著的性别差异，如果致病基
13、因频率为q，则男性发病率为q7，女性发病率为q2，在人群中男性患者（XcY）远远多于女性患者（XcXc），而且q越小，女性患者越少见。例1：红绿色盲(color blindness)，是一种常见的隐性伴性遗传病，患者不能辨识红色和绿色，红色觉和绿色觉基因座都定位于Xq28，根据普查： 中国汉族男性发病率为4.89%(1/20)，大大高于女性发病率0.7%(1/140)，这是因为女性的性染色体是XX，只有两个XX都带有致病基因时才会患病，但是致病基因往往是以杂合状态存在于女性携带者体内，并且传递给她的儿子。,例2：血友病 (hemophilia) 人类的血友病是人类主要的遗传性出血性疾病，这是由
14、于患者体内控制凝血因子的基因发生突变，凝血因子缺乏，凝血机制破坏患者受到轻微损伤即可内外出血不止，甚至危及生命。 缺乏凝血因子VIII和和IX分别称为A型和B型血友病， A型血友病占85%。患者男性多于女性，男性患者的双亲多表现正常，但其亲兄弟，舅父，姨表兄弟和外甥中常见患病者。这也是一种X连锁隐性遗传病，隐性致病基因 (h)位于位于X染色体上 (Xq28)，遗传方式与色盲症相同。维多利亚皇室家族成员，由于近亲结婚，男性多有血友病患者。,2、X连锁显性遗传 (sex-linked dominant inheritance, XD)例：抗维生素佝偻病（Vitamin D resistant ri
15、ckets) 患者只有少数为男性（XRY），多数为女性（XRXR XRXr），且多数为杂合子（XRXr），X染色体上显性基因R使肾小管对磷的重吸收发生障碍，肠道对钙和磷的吸收不良，导致身材矮小，致病基因定位于Xp22.2Xp22.1，其遗传方式为：,3、Y连锁遗传 (Y-linked inheritance)由于Y染色体仅仅存在于男性体内，因而存在于Y染色体非同源区域的基因所决定的性状，只能出现在男性，且仅由父亲传递给儿子，不能传递给女儿，又称为限雄遗传 (holandric inheritance)。 例：印第安人群中较为常见的毛耳缘（hairy earrims)，仅限于男，青春期过后外耳道
16、长出许多23cm的黑色长毛。,V. 动植物的伴性遗传,1.动物例如：鸡的芦花羽毛（黑白相间的横斑羽）的遗传由Z染色体上的显性基因B控制，也呈现交叉遗传的特征：2.植物例如女娄菜的宽叶和窄叶遗传由X染色体上的一对基因（B/b）控制，也表现伴性遗传。,VI 遗传的染色体学说的直接证明,摩尔根发现伴性遗传，第一次把特定基性因（果蝇白眼基因）与特定染色体（X染色体）联系起来，为遗传的染色体学说提供了第一实验证据，开辟了细胞遗传学的新方向，并为发现连锁交换定律打下了基础。但是要证明遗传的染色体学说，还需要更为直接的实验证据。摩尔根发现例外的白眼雄果蝇后，1916年, 他的学生C.B.Bridges在重复
17、白眼伴性遗传的研究中又发现了例外,对遗传的染色体学说作出了直接证明。,1. 初级例外和次级例外,2. X染色体不分开现象,3. X染色体的次级不分开现象,4.人类和果蝇的性别畸形,5.巴氏小体 (bar body),6. 剂量补偿效应(dosage compensation effect),Lyon假说的证据:如玳瑁猫有黑色和黄色斑块的几乎总是雌性杂合体。这是由于黄色毛皮(orange,O基因)是黑色毛皮(black,o基因)的一个显性等位基因，由X染色体所携带。雌性杂合玳瑁猫(XOXo ) 的X染色体在发育早期细胞中随机失活。XO染色体失活的细胞的有丝分裂后代细胞产生黑色毛皮斑点；Xo染色体
18、失活则呈现黄色毛皮斑点。偶然发现的杂合玳瑁雄猫的染色体组成总是XOXo Y，每个体细胞有一个Barr小体。,7 Lyon假说(Lyon hypothesis),8. X染色体随机失活的分子机制 进入20世纪90年代以来，人们对X染色体失活的本质有了一些新的认识，特别是对人类X染色体失活机制的研究方面取得了令人兴奋的进展。 (一)大多数的X连锁基因在胚胎早期发育过程中表现为稳定的转录失活，但并非整条X染色体上的所有基因均失活。在X染色体的短臂远端编码细胞表面蛋白的基因MIC2( 由单克隆抗体2E7、F21鉴定出的抗原)、XG(Xg血型)、以及甾固醇硫酸酯酶基因STS是逃避失活的，还有与Y染色体配
19、对的区域内或处于附近的基因，也有短臂近端或长臂上的基因，这些基因既可由Xa 也可由Xi表达；其中有定位于Xp21.3Xp22.1 的ZFX基因(与Y染色体上的锌指蛋白基因ZFY 同源的序列)，位于Xp11 的A1S9T(与小鼠DNA合成突变互补的序列) 以及最近在长臂Xq13上发现的RPS4X基因(核糖体S4蛋白)该基因在Y染色体上还有一个同源序列RPS4Y的基因。此外，在失活X染色体上还发现了一个可转录的X1ST基因，该基因可能与X染色体失活机制有关。,(二)在失活的X染色体上，表达的基因(逃避失活的基因)与失活基因是穿插排列的。这意味着失活基因转录的关闭不是由它们所在的区域决定的，而是与某
20、些位点有关。,在X染色体上存在一个特异性失活位点，即所谓X失活中心(X inactivation center,XIC)。最初的线索是来自X染色体异常的突变小鼠，它们的X染色体不出现失活，同时观察到这些X染色体缺失了一个特定区段。于是把这个长约680 kb1200 kb的区段称为X染色体失活中心。小鼠以Xic表示，人以XIC表示。 该失活中心可能产生一个失活信号，关闭X染色体上几乎所有基因的转录。Brown等(1991)用分子杂交方法，以Xq11q12区域的DNA为探针，对一组带有结构畸变的X染色体的杂交细胞系的DNA进行杂交，将XIC较精确地定位在Xq13，继而，他们又在XIC的同一区域内鉴
21、定出了一个新的基因即X染色体失活特异转录子(X inactive specific transcripts,XIST) ，与 RPS4X相邻。,研究表明XIST 的表达产物是一种顺式作用的核RNA ，而不编码生成蛋白质。而且发现只有在失活的X染色体存在的情况下，才有XIST的转录。有活性的X染色体上不表达。XIST转录物的大小在人类中是17kb，小鼠是15 kb，两者间的同源性很低。关于XIST 的功能尚不十分清楚。XIST可能是在XIC位点内与其他相关基因共同作用，使X染色体上的大部分基因失活；XIST产物可能作用于XIC，而XIC则产生某种物质与诱导失活的分子相互作用；但也有可能是外源的调节分子作用于XIC，引起失活，然后使失活的X染色体表达XIST基因；即有可能XIST不直接参加失活，仅仅受失活的影响。研究表明，小鼠胚胎在X染色体失活前都发现有XIST基因的转录产物，预示该基因可能对启动X染色体失活起作用。,
