染色体与基因

\setchapterstyle{kao}
\setchapterpreamble[u]{\margintoc}
\chapter{染色体与基因}
\section{染色体学说→基因连锁与重排}
\subsection{总览}
\begin{enumerate}
    \item 染色体学说→基因连锁与重排\\
染色体>遗传单位的物理载体（结合细胞生物学：理解真核生物Chrs关键结构）
    \item 染色体学说:1902年，T·Boveri和W·S·Sutton提出，染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行：两者在体细胞中都成对存在，而在生殖细胞中则是单独存在的；成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离，进入不同的子细胞中，不同对的染色体或遗传因子可以自由组合\\
    染色体是\redbf{遗传因子}的物质载体。
    \item 从连锁、比较基因组学角度理解共线性（synteny）概念。
    \begin{itemize}
        \item 非同源染色体间的不同基因座位上的等位基因→自由组合；
        \item \redbf{同一（共线性）染色体内不同基因座位上的等位基因之间→连锁与否→取决
于由重组率反映出的基因间位置距离→遗传图距}
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{染色体/总况.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{基因决定性状}
    \label{fig:Genes determine traits}
\end{figure}
\subsection{有丝分裂与减数分裂}
\subsubsection{有丝分裂}
体细胞、无联会、遗传信息保持一次分裂

1次细胞分裂产生2二倍体、携带相同遗传物质
的子细胞。是\redbf{体细胞发育和DNA修复}过程中的
重要途径。

\subsubsection{减数分裂}
生殖细胞、同源染色体联会+交叉互换+重组、为\redbf{可遗传变异来源}、两次分裂

2 次细胞分裂产生4个单倍体haploid 、携带不同
遗传物质的子细胞。同源染色体联会形成四分子
复合物，产生染色体互换crossing over介导的
同源重组。通过产生具有遗传变异的配子完成有
性生殖。
\subsection{同源染色体和非同源染色体}
在大小、形状和条带上匹配的染色体被称为\redbf{同源染色体}或同源物。每对中的两个同源物含有相同的基因组，尽管其中一些基因可能携带不同的等位基因。

携带完全不相关的遗传信息集的为非同源染色体。在二倍体生物中，一对同源染色体中的一个是母系同
源，另一个是父系同源。
\subsection{姐妹染色单体与非姐妹染色单体}
\redbf{姐妹染色单体}：减数分裂I或者有丝分裂中期，单个染色
体已经从细线复制并浓缩成紧凑的棒状结构，每
条染色体都由\redbf{两条完全相同}的染色体组成，这两条染色
体被称为姐妹染色单体。
\subsubsection{连锁与非连锁}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{染色体/连锁与非连锁.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{连锁与非连锁}
    \label{fig:Linked genes and unlinked genes}
\end{figure}
\begin{itemize}
    \item 当同源染色体的染色单体在减数分裂I前期进行部分交换时发生重组。
    \item 交换有助于建立需要分离的同源染色体之间的物理连接。
    \item 如果两个连锁基因距离足够接近，则减数分裂时不进行交换。
\end{itemize}
\section{染色体结构变异}
\subsection{概述}
\begin{kaobox}
    
\begin{enumerate}
    \item \redbf{插入}Insertions/\redbf{缺失}Deletions：以一条特定染色体为例，插入代表部分额外片段进入该染色体；缺失代表该染色体的一个片段丢失；
    \item \redbf{重复}Duplications：染色体特定部分获得额外倍数的遗传物质。重复是将DNA加到染色体上，通过增加基因剂量或者通过改变基因在断点附近的调控，从而导致了突变体
表型。
    \item \redbf{易位}：染色体片段在不同染色体间的异常转移，主要分两类：在相互易位中，两条染色体的一部分相互交换位置，并没有丢失或者增加DNA。易位也许会在易位断点处或者其附近改变基因的功能。\bluebf{易位}杂合会降低生育率，因为在减数分裂中染色体配
对和分离导致了许多不平衡的配子。
    \begin{itemize}
        \item 交互Reciprocal易位>不同染色体区域间位置交换。
        \item 罗伯逊Robertsonian易位>整条染色体通过着丝粒位置附着于其它染色体上。罗伯逊易位是在两个近端点着丝粒染色体的着丝粒上或者附近，发生了断裂。断裂部分相互交换，产生了一个很大的等臂染色体和一个很小的染色体，这个小染色体如果有基因的话，也是非常少的。这个微小染色体随后会从生物上丢失。等臂染色体是由两条近端点着丝粒染色体的融合所形成的。
    \end{itemize}
    \item \redbf{倒位}Inversions（分为染色体臂内/间倒位）：一条染色体内特定区段经过断裂
反转再次连接→形成倒位。
    \begin{itemize}
        \item 缺失从染色体上移走了DNA，主要通过\redbf{基因剂量}的影响，从而导致突变体表型。
        \item 缺失染色体对于定位基因是很有用的。
        \item 倒位改变了染色体上的基因顺序，但是不改变其数量。
        \item 倒位通过打断基因和破坏其功能，或者通过改变其调控，也许会影响断点或者断点附近基因的功能。
        \item 倒位杂合子的生育率降低了，因为在颠倒区域中交换
可以产生不平衡的配子。
    \end{itemize}
    \item 成环Rings：一条染色体内两端经断裂>再连接>成环。（了解）
    \item 等臂染色体lsochromosome：特定染色体复制后两条镜像mirror image片段
直接通过着丝粒连接形成。（了解）
\end{enumerate}
\end{kaobox}

形成染色体区域水平的结构变化的\redbf{两种机制}（结合DNA修复内容中依赖于同源重组修复内容来理解）
\begin{enumerate}
    \item \redbf{DNA片段的断裂}→DNA修复/重新连接：重新连接过程涉及到姐妹染色单体间、同源染色体单体间甚至非同源染色体间的连接。
    \item 染色体间因\redbf{重复序列}导致异常（同向或反向重复序列）重组，重新连接过程同样涉及到姐妹染色单体间、同源染色体单体间甚至非同源染色体间的连接。
\end{enumerate}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{染色体/罗伯逊易位.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{罗伯逊易位}
    \label{fig:Robertsonian transposition}
\end{figure}
\subsection{四种主要的染色体重排}
所有的染色体重排都改变了DNA序列。重排通过移除或者增加碱基对（分别对应某一特定染色体区域的\textcolor{red}{\textbf{缺失和重复}}），可以改变DNA序列。其他一些重排则是跳到染色体另外一个位置上，其间并没有改变它们内部的碱基数目（\textcolor{red}{\textbf{倒位}}，某个染色体区域的半圆旋转；相互\textcolor{red}{\textbf{易位}}，两个非同源染色体相互交换成
分）。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{染色体/杂合子染色体重排的细胞、遗传、应用、作图效应.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{杂合子染色体重排的细胞、遗传、应用、作图效应}
    \label{fig:Summary: Effects of rearrangements in heterozygotes}
\end{figure}
\subsection{染色体重排发生的两种主要机制}
缺失、倒位、重复和相互易位最经常通过以下一个
或者两个事件成为现实：\textcolor{red}{\textbf{染色体断裂}}（例如，第7章中
提到的X射线会产生染色体断裂）；或者\textcolor{red}{\textbf{在重复DNA序
列位置上产生的异常重组}}。
\section{染色体整体水平的结构变化的遗传效应}
\subsection{概述}
\begin{enumerate}
    \item 染色体→遗传单位的物理载体
    \item 染色体异常分离对性状的影响
    \item 染色体异常数目对性状的影响
    \item 染色体一物理完整性对性状的影响
    \item 染色体→重新排列对性状的影响
    \item 染色体改变对基因组的重塑
    \begin{itemize}
        \item 重排列（结构变形）
        \item 数目异常（剂量变化）
    \end{itemize}
    \item 负向效应：通过影响基因的i）位置ii）表达顺序ii）数量iv）基因环境（结合基因表达调控
理解）→从而影响其功能活性和传递（遗传信息读取）。常常会引起对其自身或其后代有
害的遗传不平衡。遗传不平衡、功能缺失
    \item 正向效应：驱动新物种形成，如染色体重排或基因组复制（微演化→多态性，宏演化→生殖隔离→物种形成）。基因组重塑、物种形成
\end{enumerate}

\section{转座因子和染色体整倍性}
\subsection{总述}
\begin{enumerate}
    \item \redbf{转座子}（TE/transposon）是一种特殊的能够动态改变其在基因组中位置的DNA序列，又被称作跳跃基因，常引起或逆转突变，或导致细胞遗传特性和基因组大小。转座效应会导致相同遗传部分的复制，从而对基因的位置和剂量进行准确或异常的调控。（举出一些TE介导的遗传学效应背后的分子机制）————基因组动态变化；
    \item 转座子根据其在基因组中的移动方式分为：
    \begin{itemize}
        \item \redbf{DNA转座子}（DNATransposon）:依
靠转座酶活性在基因组水平不同位置对DNA片段进行移动（无需RNA中间产物）；
        \item \redbf{反转录转座子}（Retrotransposon）:通过反转录产生的RNA中间产物进行转座。
    \end{itemize}
    \item \redbf{转座子遗传学效应}：通过对特定基因的结构和位置的影响，从而对其产生突变和
重定位效应，甚至引起染色体的重排列（举例说明）。
    \item \redbf{非整倍性}，由于染色体中一个和几个染色体的缺失或者增加引起细胞
内染色体不成整倍的现象（2n±1，2n±2..），而非整套改变。一单条染色体数目异常；
    \item \redbf{整倍性}：整套染色体倍（n）增/减。多倍体因其产量和抗性等特点→作物育种应用。
    \item  Chr结构和数目改变对基因组和物种演化意义（复制duplication>分化divergence）
    \begin{itemize}
        \item 染色体重新排列rearrangements和位置转移transposition是基因组突变的\redbf{重要来源}。
        \item \redbf{复制}Duplications提供了额外的基因拷贝为特定基因获得新的功能提供了基础（例如，冗余效应redundant协同效应synergisitic）。
        \item 染色体易位Translocations，是导致同源染色体无法配对>引起生殖隔离>最终
使得\redbf{新物种的形成}speciation的重要机制。
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\subsection{转座因子}
\subsubsection{定义转座元件}
拥有显著基因组影响的序列重排的类型是
转座：小段DNA片段（被称为转座元件，TE）从一个
基因组位置移到了另外一个位置上。
\subsubsection{比较反转录转座子和DNA转座子的结构与动员机制}
根据转座元件如何在基因组上移动，可以将它们
分成两组。\redbf{反转录转座子}通过一个RNA中间体的反转
录来进行转座。与之相比，\redbf{转座子（或者DNA转座子）}是直
接移动它们的DNA，并不需要RNA中间体。

人类大多数转座
元件（大约90\%）是反转录转座子。转座元件在人基因
组上的移动，可以通过比较人基因组序列和我们最近缘
的物种大猩猩来检测到；通过比较不同人基因组序列，
可以检测到最近转座元件的活动。

反转录转座子的转座开始于RNA聚合酶转录成一
个RNA，它编码一个反转录样的酶。可以将RNA拷贝进一个单链cDNA中，然后用这个单链DNA作为模板来生产双链cDNA。许多反转录转座子，除了反转录酶，也编码多肽。

\begin{kaobox}

转座子的特征

\begin{itemize}
    \item 转座元件移动并不需要RNA中间
体，它们的末端是\redbf{相互反转的重复序列}，即在末端的一串
碱基对在另外一个末端有相同的序列
    \item 反向重复序列通常为10~200bp
    \item 转座子反向重复序列之间的DNA一般包含一个基
因来编码转座酶，这个蛋白质通过识别这些重复序列
来催化转座。这些转座的步骤包含转座子从原来基因组位置上切除和整合到一个新的位置上。
\end{itemize}
\end{kaobox}
\subsubsection{转座元件如何改变基因组}
\begin{enumerate}
    \item 转座元件导致的基因突变：转座元件插入基因内（\redbf{外显子}：改变阅读框/引入终止密码子；\redbf{内含子}：降低剪接效率）或附近（提供转录终止信号、干扰启动子），影响基因产物量、时空表达或蛋白功能。
    \begin{itemize}
        \item 孟德尔皱缩豌豆：转座元件插入 SbeI（淀粉分支酶）。
        \item 果蝇白眼（w）突变：摩尔根1910年发现。
        \item 人类疾病（近100种）：反转录转座子插入致血友病A/B、囊性纤维化、神经纤维瘤、肌肉萎缩症。
    \end{itemize}
    \item 转座元件插入突变的不稳定性：若元件末端破坏或缺乏移动蛋白（如转座酶），突变为稳定；否则元件可二次跳出，导致突变逆转为野生型，产生嵌合表型。
    \begin{itemize}
        \item 玉米 C 基因（色素调控）：非自主 Ds 插入沉默基因（黄籽粒），自主 Ac 存在时 Ds 跳出恢复功能（黄底紫斑籽粒）——McClintock发现转座元件的经典证据。
    \end{itemize}
    \item 转座元件造成的\redbf{染色体重排}：同源元件异常配对/不等交换，或转座过程出错，直接在邻近区域产生缺失、重复、倒位等重排。
    \begin{itemize}
        \item 果蝇 Bar 突变：重复区间转座元件不等交换导致基因重复。
转座错误：元件旁染色体材料出现缺失或重复。
    \end{itemize}
    \item 转座造成的\redbf{基因易位}：同一染色体上两个DNA转座子反向重复序列被转座酶误识为单一巨型转座子，导致两者间整段区域（含基因）易位。
    \begin{itemize}
        \item 原核生物：两个转座子协同转移抗药基因，促进细菌间抗性传播。
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\subsection{染色体整倍性}
\subsubsection{定义非整倍体、单体和三体}
正常二倍体个体
都携带了2n个互补染色体，n堤配子中染色体的数目。
在这些二倍体生物的单倍体配子中，所有的染色体都不
相同。有些个体的染色体数目并不是这些物种单倍体数
目（n）的整数倍，我们称之为非整倍体（表13.3）。
例如，一个正常的二倍体物种，少了一个染色体的个
体就是单体（2n-1），多一个染色体的个体则是三体
（2n+1）。单体、三体和其他形式的非整倍体，都会
形成遗传不平衡，对于物种来说通常都是有害的。
\subsubsection{解释为什么一般常染色体非整倍体比性染色体非整倍体更加有害}
常染色体非整倍体由于\redbf{遗传不平衡}通常都是致死的。

性染色体有很好的非整倍体特性，因为只有一个X染
色体是有活性的，且Y染色体上的基因比较少。
\subsubsection{染色体重排和转录是基因组变异的重
要来源}
进化过程完全依赖于DNA序列变异的存在。\redbf{变异
体}使得生物在特定环境中生存和繁殖，进而通过群体扩
散，而对生物适应产生负效应的变异则会消失。没有变
异，就没有自然选择和进化。

TE进入基因可以改变基因表达，甚至
完全破坏一个基因，从而产生无效突变；甚至基因沉默可能在新环境中是有利的，因为
在新环境中该基因的功能可能是有害的。

\redbf{易位}有助于物种形成，因为易位的杂合会产生不育；
大多数成功的配对只在拥有相同染色体互补配对的个
体间才能发生。