真核生物基因定位的實(shí)驗(yàn)探索（1）

王 海 荊永濤

（河南省周口市第一高級(jí)中學(xué) 河南周口 466000）

廣義的基因定位是指基因所屬連鎖群或染色體及基因在染色體上的具體位置的測(cè)定。本文不涉及遺傳實(shí)驗(yàn)的具體步驟和基因精確定位，主要是從經(jīng)典基因定位的家系（種群）水平和現(xiàn)代基因定位的細(xì)胞與分子水平，共3 個(gè)層面上討論基因的粗略定位，以探討如何通過一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，落實(shí)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》課程理念、課程性質(zhì)和目標(biāo)。首先是關(guān)于遺傳學(xué)史的回顧。

1 著名遺傳學(xué)家及常用實(shí)驗(yàn)材料

1）魏斯曼（A.Weisman）于1883年提出“種質(zhì)論”。主張生物體由質(zhì)上根本相異的2 部分——種質(zhì)和體質(zhì)組成。種質(zhì)負(fù)責(zé)傳遞保持物種種性的全部遺傳因子，體質(zhì)保護(hù)和幫助種質(zhì)自身繁衍。

2）孟德爾（J.G.Mendel）從1856年開始進(jìn)行了8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，提出了著名的遺傳因子假說，并用假說-演繹法對(duì)豌豆的性狀遺傳進(jìn)行了大量的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，采用從一對(duì)相對(duì)性狀到多對(duì)相對(duì)性狀進(jìn)行研究的方法，發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的分離定律和自由組合定律。孟德爾的發(fā)現(xiàn)在被埋沒了35年之后才被3 位科學(xué)家“重新發(fā)現(xiàn)”：荷蘭的德·弗里斯（H.de·Vires）以月見草為材料，德國的柯倫斯（C.Correns）以玉米為材料，奧地利的丘歇馬克（Tschermak）以豌豆為材料，3 人分別證實(shí)了孟德爾定律之正確。這標(biāo)志著生物學(xué)研究進(jìn)入實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段。

1902年鮑維豐（T.Boveri）、1903年薩頓（W.Sutton）在研究減數(shù)分裂時(shí)，發(fā)現(xiàn)遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關(guān)系，薩頓用類比推理法提出染色體是遺傳因子的載體。1909年約翰遜（W.Johannsen）稱孟德爾的“遺傳因子”為“基因（gene）”，并明確基因型和表型。1909年詹森斯（F.A.Janssen）觀察到染色體在進(jìn)行減數(shù)分裂時(shí)呈交叉現(xiàn)象，為解釋基因連鎖互換現(xiàn)象提供了細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。

3）摩爾根（T.H.Morgan）通過對(duì)果蠅的實(shí)驗(yàn)研究，首次將一個(gè)基因（果蠅白眼基因）定位于一條染色體（X 染色體）上，揭示了遺傳學(xué)第三定律——基因的連鎖互換定律，成為孟德爾學(xué)說的堅(jiān)決支持者和繼承發(fā)展者。摩爾根及其學(xué)生還進(jìn)一步證明了基因在染色體上呈線性排列，開辟了遺傳學(xué)的新篇章。

4）艾弗里（O.T.Avery）于1944年采用肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了肺炎雙球菌的遺傳物質(zhì)是DNA。赫爾希（A.D.Hershey）等于1952年采用噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)了DNA 是遺傳物質(zhì)。

5）沃森（Watson）和克里克（Crick）于1953年提出DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，標(biāo)志著遺傳學(xué)及整個(gè)生物學(xué)進(jìn)入分子水平的新時(shí)代。1948年麥克林托克（B.Mclintock）在玉米中發(fā)現(xiàn)可動(dòng)遺傳因子，即轉(zhuǎn)座因子。隨后科學(xué)家探明了mRNA、tRNA 及核糖體的功能，探明蛋白質(zhì)生物合成的過程，提出“中心法則”，完成人類基因組計(jì)劃（HGP）等，遺傳學(xué)逐漸進(jìn)入后基因組時(shí)代。循著前人足跡不斷地探索，是人類進(jìn)步的方向，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)像科學(xué)家一樣思考必將使其終生受益。

2 經(jīng)典基因定位——遺傳家系(種群)層次的基因定位

2.1 通過正、反交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基因定位

探究情境：豌豆、果蠅和玉米是常用的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)材料。

圖1 果蠅的2 對(duì)相對(duì)性狀

圖2 果蠅的體細(xì)胞染色體組成與性染色體

任務(wù)1：已知果蠅的灰身和黑身是一對(duì)相對(duì)性狀，現(xiàn)有2 管自交純系的黑身和灰身果蠅若干，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以確定控制果蠅體色的基因位置。

思路點(diǎn)撥：果蠅為真核生物，其基因的位置有以下可能：

圖3 果蠅基因的可能位置

問題引領(lǐng)：若控制體色的基因是細(xì)胞質(zhì)基因，可以用什么方法進(jìn)行驗(yàn)證?

思路點(diǎn)撥：生物性狀的遺傳，多是通過親本產(chǎn)生配子，由配子結(jié)合形成合子（受精卵），合子發(fā)育成子代，所以配子是親、子代間的橋梁。真核生物的交配類型有：自交、雜交、自由交配（隨機(jī)交配）等。雜交又可包括正交、反交、測(cè)交、回交、互交等類型。設(shè)計(jì)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是設(shè)計(jì)特定的交配類型，觀察分析親、子代的表型及比例，通過遺傳家系分析，從親、子代間性狀的傳遞這個(gè)“表象”入手，作出假設(shè)、進(jìn)行演繹推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出性狀傳遞規(guī)律之所以發(fā)生的“本質(zhì)”。

回顧減數(shù)分裂和受精作用的過程可知，受精卵中幾乎沒有精子的細(xì)胞質(zhì)成分，所以線粒體基因一般只能隨卵細(xì)胞傳給子代?？赏ㄟ^正交和反交實(shí)驗(yàn)，分析子代的表型：若子代性狀的表現(xiàn)都與母本一致，即表現(xiàn)母系遺傳特點(diǎn)，則控制果蠅體色的基因位于線粒體中，否則位于細(xì)胞核染色體上。

問題引領(lǐng)：若控制果蠅體色的基因位于Y 染色體上，能否用正、反交的方法進(jìn)行驗(yàn)證？

思路點(diǎn)撥：若基因只位于Y 染色體上，則遺傳性狀只會(huì)出現(xiàn)于雄性個(gè)體，雌性個(gè)體無此表型，故無法進(jìn)行正、反交實(shí)驗(yàn)。種群中會(huì)呈現(xiàn)♂→♂→♂的特點(diǎn)，所以通過遺傳家系(種群)層次的性狀分析，較易判定。

問題引領(lǐng)：排除以上2 種情況后，該基因的位置還有哪些可能？僅進(jìn)行正、反交實(shí)驗(yàn)可否進(jìn)行區(qū)分？

思路點(diǎn)撥：還有3 種可能：基因位于常染色體；僅位于X 染色體；位于X、Y 的同源區(qū)段。引導(dǎo)學(xué)生從理論上思考，用怎樣的交配組合才可能將它們區(qū)分。然后依據(jù)學(xué)過的遺傳學(xué)知識(shí)，繪遺傳圖解進(jìn)行演繹推理，通過對(duì)親、子代間性狀遺傳的統(tǒng)計(jì)分析，作出判斷和推理，得出科學(xué)的結(jié)論。

學(xué)生活動(dòng)：先寫出相關(guān)的基因型（基因用A、a表示）。若基因位于常染色體上，基因型有AA、Aa、aa；若基因僅位于X 染色體上，基因型有XAXA、XaXa、XAXa、XAY、XaY；若位于X、Y 同源區(qū)段上，雌性基因型：XAXA、XAXa、XaXa，雄性基因型：XAYA、XAYa、XaYA、XaYa。再寫出正、反交的遺傳圖解。

思路點(diǎn)撥：若基因僅位于X 染色體上，正、反交子代的表型不同且與性別有關(guān)。但若控制性狀的基因位于常染色體上或位于X、Y 的同源區(qū)段，正、反交的結(jié)果一樣，子代都表現(xiàn)出顯性性狀。

問題引領(lǐng)：如何進(jìn)一步判斷基因位于常染色體上還是位于X、Y 的同源區(qū)段?

學(xué)生活動(dòng)：從子代出發(fā)，設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)，并繪制遺傳圖解。

如讓各自的子代分別自由交配(隨機(jī)交配)，子代都會(huì)出現(xiàn)3∶1 的分離比，控制果蠅體色的基因位于常染色體時(shí)，子代中雌、雄表型比例相同，都是3∶1；基因位于X、Y 同源區(qū)段時(shí)，隱性性狀只出現(xiàn)于某種性別：雌性或雄性，從而可以將二者加以鑒別。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行規(guī)律總結(jié)，對(duì)正、反交子代的表型作如下分析：

圖4 正、反交思路總結(jié)

2.2 伴性遺傳的實(shí)驗(yàn)探究

任務(wù)2：若已知果蠅灰身對(duì)黑身為顯性性狀，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，只通過一代雜交判斷控制體色的基因是位于常染色體上還是位于X 染色體上。

思路點(diǎn)撥：提示學(xué)生用假說-演繹法思考，不難想到以下實(shí)驗(yàn)方案（圖5）。

圖5 伴性遺傳的判定圖解

問題引領(lǐng)：若研究的實(shí)驗(yàn)材料是ZW 型性別決定的家蠶，又當(dāng)如何選擇雜交的親本?雜交子代的性狀表現(xiàn)如何?

通過對(duì)基因型的分析易知：用黑身雄性純合體ZbZb和灰身雌性純合體ZBW 雜交即可。讓學(xué)生通過遺傳圖解進(jìn)行驗(yàn)證，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

2.2.1 基因是在常染色體上還是性染色體上的實(shí)驗(yàn)探究 在顯、隱性已知的情況下，可通過具有同型性染色體（XX 或ZZ）的親本選用隱性性狀個(gè)體，異型性染色體（XY 或ZW）的親本選用顯性純合個(gè)體進(jìn)行雜交。若子代出現(xiàn)交叉遺傳現(xiàn)象（雌性子代與父本表型相同，雄性子代與母本表型相同），則為伴性遺傳。若子代皆表現(xiàn)為顯性性狀，則為常染色體遺傳。

2.2.2 基因是在X 染色體上還是X、Y 同源區(qū)段上的實(shí)驗(yàn)探究 選黑身雌性與純合灰身雄性雜交，觀察分析子代表型。若子代中出現(xiàn)隱性性狀且只出現(xiàn)在雄性中，則基因位于X 染色體上。若子代均為顯性，則基因位于X、Y 同源區(qū)段上。

2.3 數(shù)據(jù)分析法確認(rèn)基因位置

任務(wù)3：家貓的有尾與無尾（由一對(duì)等位基因A、a 控制）、眼睛的黃色與藍(lán)色（由另一對(duì)等位基因B、b 控制）。其中某一對(duì)性狀的純合基因型的合子不能完成胚胎發(fā)育?，F(xiàn)從家貓中選擇多只表型相同的雌貓和多只表型相同的雄貓作親本，雜交所得F1的表型及比例如表1所示，請(qǐng)分析回答：

表1 F1 的表型及比例

1）家貓的上述2 對(duì)性狀中，不能完成胚胎發(fā)育的性狀是________，基因型是________（只考慮這一對(duì)性狀）。

2）控制有尾與無尾性狀的基因位于________染色體上，控制眼色的基因位于__________染色體上。判斷的依據(jù)是________________。

問題引領(lǐng)：如何研究多對(duì)相對(duì)性狀遺傳表現(xiàn)的問題？

思路點(diǎn)撥：對(duì)家貓的2 對(duì)相對(duì)性狀遺傳問題，可進(jìn)行逐對(duì)分析。先考慮有尾與無尾：子代中不論雌、雄，都是無尾∶有尾=2∶1，可判斷無尾是顯性，有尾是隱性，與性別無關(guān)，相關(guān)基因位于常染色體上。2∶1 的出現(xiàn)應(yīng)是3∶1 的變式，存在顯性純合（AA）致死現(xiàn)象，故親本基因型為Aa×Aa；后考慮眼色：雄貓中黃眼∶藍(lán)眼=1∶1，雌貓中只有黃眼，無藍(lán)眼個(gè)體出現(xiàn)。說明黃眼是顯性，藍(lán)眼為隱性，并且決定眼色的基因位于X 染色體上，故親本基因型為AaXBXb和AaXBY。

2.4 利用非等位基因之間的關(guān)系進(jìn)行基因定位

任務(wù)4：實(shí)驗(yàn)室中有一批未交配的純種灰體紫眼和純種黑體紅眼果蠅，每種果蠅雌、雄個(gè)體都有。已知：上述2 對(duì)相對(duì)性狀均屬完全顯性遺傳，性狀的遺傳遵循遺傳的基本定律，灰體和黑體（基因A、a 控制）這對(duì)相對(duì)性狀由一對(duì)位于第Ⅱ號(hào)同源染色體上的等位基因控制，所有果蠅都能正常生活。如果控制果蠅紫眼和紅眼的基因（B、b）也位于常染色體上，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套雜交方案，以確定控制紫眼和紅眼的基因是否也位于第Ⅱ號(hào)同源染色體上，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)期，得出相應(yīng)的結(jié)論。

問題引領(lǐng)：若控制紫眼和紅眼的基因（B、b）位于第Ⅱ號(hào)同源染色體上，雜交子代中表型比例如何？若不在第Ⅱ號(hào)同源染色體上，雜交子代中表型比例又如何？

思路點(diǎn)撥：位于非同源染色體上的非等位基因的傳遞遵循自由組合定律，而位于同源染色體上的非等位基因的傳遞則遵循連鎖互換定律。并可據(jù)此進(jìn)行基因在染色體上的精確定位。

參考答案：讓純種灰體紫眼果蠅和純種黑體紅眼果蠅交配得子代F1，再讓F1雌、雄果蠅相互交配得F2，觀察并記錄F2的性狀分離比。

預(yù)期結(jié)果和結(jié)論：

1）如果F2出現(xiàn)4 種性狀，其分離比為9∶3∶3∶1（符合基因的自由組合定律），則說明控制紫眼和紅眼的基因不是位于第Ⅱ號(hào)同源染色體上。

2）如果F2不出現(xiàn)為9∶3∶3∶1 的分離比（不符合基因的自由組合定律），則說明控制紫眼和紅眼的基因位于第Ⅱ號(hào)同源染色體上。

規(guī)律總結(jié)：通過學(xué)生討論合作完成。

2.5 遺傳家系調(diào)查——系譜分析法確定基因的位置

問題引領(lǐng)：關(guān)于人類基因的定位，是不可以進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)的，怎么辦？

在患者家系中調(diào)查，畫出遺傳系譜圖，然后進(jìn)行系譜分析，從而確定性狀的遺傳類型和基因的位置。

任務(wù)5：通過遺傳家系調(diào)查確定人類單、雙眼皮和有、無酒窩的基因位置，分析下圖對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行定位。

圖6 遺傳家系調(diào)查系譜圖

思路點(diǎn)撥：根據(jù)人類遺傳病的傳遞規(guī)律分析。

學(xué)生活動(dòng)：課堂討論，確定決定單、雙眼皮，有、無酒窩，白化病，色盲的基因位置。

初步結(jié)論：雙眼皮為顯性S__，單眼皮為隱性ss，有酒窩為顯性O(shè)__，無酒窩為隱性oo。這2 對(duì)等位基因位于2 對(duì)常染色體上且自由組合。白化病為常染色體隱性遺傳，色盲為伴X 隱性遺傳。

（待續(xù)）