遗传学IV生化遗传学

遗传学IV:生化遗传学§1.族群遗传学族群遗传学领域在哈帝（Hardy）和温博格（Weinberg）提出相关的定理后，投身研究的科学家渐增，成果也日益丰富。假设一族群中针对某一性状由两个对偶基因A和a所控制TOC\o"1-5"\h\z对偶基因:Aa基因频率:pq由于仅有这两个对偶基因来决定此性状，故p+q=1而卵细胞获得A基因的机率为p,而获得a基因的机率为q卵細胞對應基因頻率HYPERLINK\l"bookmark4"\o"CurrentDocument"Aa.AAA甩精細胞3由上表可得AA=p2,Aa=2pq,aa=q2,则AA:Aa：aa=p2:2pq：q2。这种平衡分布情形即称为哈温平衡（Hardy-Weinbergequilibrium）若知对偶基因的基因频率，即可计算出相对应的基因型频率：222（p+q）=1—p+2pq+q=1达到哈温平衡时，AA=p2、Aa=2pq、aa=q2假设平衡时，对偶基因频率和基因型频率都不再随时间而改变，则对偶基因频率将在族群中“保持不变”。例：在人类族群中平均每2000人会有一人得到囊肿纤维症（cysticfibrosis，一种体染色体隐性遗传疾病）令A为正常对偶基因，a为致病对偶基因，则q2（即得病机率）=1/2000,故q=（1/2000）1/2=1/44，而p=43/44,2pq（带有致病基因而不发病的机率）=2（43/44）（1/44）=0.044=1/22,这代表人类族群中约有5%的人口带有此致病基因而没有症状。为什么像囊肿纤维症这类疾病仍旧在某些族群中普遍盛行呢？一般认为带有此致病基因而不发病的人（即基因型Aa）较不易感染霍乱，因此对偶基因“a”得以在该族群中保留下来。§2.生化遗传学最初有科学家ArchibaldGarrod从酵素的缺陷来探讨遗传疾病的发生情形，而生化遗传学正是从实验遗传学来分析生物化学的一门学问。实验系统：酵母菌：单细胞真菌，为真核生物（具有细胞核）。取少量的酵母菌培养于培养皿中，经过一段时间其中的每个细胞都会长成一群肉眼可见的小聚落，每个聚落都是由同一个细胞发展而来，该细胞的每个子代都会长在同一个位置。酵母菌的生命周期酵母菌可分为二倍体（2n）与单倍体（n）两种形态，其中n为染色体数，酵母菌有16对染色体。酵母菌的生命周期如下图所示：砲子形成減數分裂有紆分裂交配有粘分裂生长条件酵母菌可生长的培养皿环境的最低营养限度为：具有碳水化合物（可酦酵糖，如葡萄糖、果糖、乳糖）、氮盐、磷盐，培养皿可为液态或固态。酵母菌可将上述这类物质透过生物合成的过程来形成它们所需要的养分酵母菌也可以生长在营养丰富的培养皿中，这类培养皿可能包含一些常见的巨分子，酵母菌会直接从培养皿中汲取它所需要的养分，而不用再另外合成。换言之，酵母菌是透过「酵素的控调」来控制它是否需要启动生物合成的 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 来合成它所需要的养分，或是只要进行从外界汲取养分的机制即可。为深入了解其中的生物合成过程，科学家透过某些方法使酵母菌的一些关键酵素失去作用，这类酵母菌也因此不能在特定的环境下生存。举例来说，如果想要找出参与胺基酸合成过程(如精胺酸的合成)的基因或是蛋白质，可以透过无法合成精胺酸的酵母菌来进行研究，那么读者可能就需要从培养的酵母菌中找找是否有这类没有精胺酸就无法生存的酵母菌存在。寻找突变株的方法(MutantHuntStrategy)先准备好正常的酵母菌，以化学药剂或放射线破坏酵母菌的DNA，以造成突变，再将各类突变细胞培养于丰富培养皿(richmedium，即营养素充足的培养皿)，接着将其中的酵母菌转移至最基本培养皿(minimalmedium，即仅含有生存所需之最低营养限度的培养皿)中培养，找出其中不能生长的酵母菌落，则这些酵母菌就是某些生物合成路径出现缺陷的突变株。利用上述过程即可找出研究所需的突变株。一旦找出突变株，接着就必须找出此突变株需要何种营养素才能在最基本培养皿中生存。举例来说，若要找出不能合成精胺酸的突变株，可按照下列步骤来进行：将酵母菌培养于丰富培养皿上f转移至最基本培养皿中培养f转移至含精胺酸的最基本培养皿中培养。所有酵母菌都能在丰富培养皿上生存，但生物合成路径有缺陷的突变株不能在最基本培养皿上生长，比如说，无法正常合成精胺酸的酵母菌就只能在含精胺酸的最基本培养皿上生存，或无法在缺乏精胺酸的丰富培养皿中生存。透过上述方法在丰富培养皿和最基本培养皿中交错测试，即可找出各类突变株，这些酵母菌称为营养缺陷体(auxotroph)。※名词定义原营养体(prototroph):能在最基本培养皿中生存的正常菌种。营养缺陷体(auxotroph):无法在最基本培养皿中生存的突变菌种。若由这些方法分离出的突变株不能生长于最基本培养皿中，但可生长于含有精胺酸的最基本培养皿中，则这类细胞称为精胺酸营养缺陷体(arginineauxotroph)。然而,需要一次分析大量细胞时，上述方法却不适用，此时通常会改用一种称为复制平丄—(replicaplating)的方法来进行突变株的测试与筛检。此法由一位女科学家EstherLederberg所发展出，最初是使用她的面膜(facialcompactcloth)来进行。当科学家要将培养皿上所有的菌落以彼此相对位置不变的情况下转移至另一培养基时，会以一片丝绒(velvet)轻压培养皿上的菌落，再将之轻压至另一干净的培养皿上，透过这个方式，即可筛选出功能有缺陷的突变株。(如下图所示)★絲绒片覆於其上主培養nu(masterplate)儲存有两种方法可找出我们所需要的菌落：遗传筛选(GeneticScree)透过先前所介绍的方法找出无法在特定培养皿中生长的菌落，再筛检出「丧失某功能」就不能在特定环境条件下生长的突变株。遗传选择(GeneticSeletion):透过前述方法找出能够在特定培养皿上生长的菌落，接着筛选出「获得某功能」而得以在一般菌株无法生存的环境下生长的菌株,例如带有盘尼西林抗生素抗性的菌株则可在含有盘尼西林的培养皿中生长。为研究缺乏精胺酸就无法生存的酵母菌突变株，需要准备大量的精胺酸营养缺陷体(arginineauxotroph)，即最基本培养皿至少要含有精胺酸才能使这类突变株生存其上。若要取得这类突变株，需利用到单倍体酵母菌(haploidyeas),这类酵母菌仅含有每个基因的其中一个复本(copy)。另外需要特别注意的是，不宜使用二倍体酵母菌(diploidyeast)，因其具有每个基因的两个复本，即使其中一个复本发生突变，另一个正常基因复本一样可产生酵素来维持正常功能。※比较单倍体酵母菌与二倍体酵母菌：--单倍体酵母菌：精胺酸合成酵素基因发生一个突变即可造成精胺酸营养缺陷(argauxotrophy)。--二倍体酵母菌：精胺酸合成酵素基因发生一个突变不能造成精胺酸营养缺陷，因为另一个基因复本仍可发挥正常功能。二倍体酵母菌要成为精胺酸营养缺陷体，必须精胺酸合成酵素基因中的两个复本都发生突变，但二倍体的同一个基因的两个复本皆产生突变的例子并不常见。§3.突变株的特异性(CharaterizationofMutants)先准备好各类酵母菌的精胺酸营养缺陷体，分别命名为Arg1、Arg2、Arg3…等，接着我们需要了解这些突变是否发生在同一基因中，此时会先检测这些突变是否造成隐性表现型(recessivephenotype。隐性测试(TestofRecessivity):--酵素功能的丧失通常相对于正常表现型为隐性。--两个基因复本中只要有一个复本是正常的，就可以产生正常表现型。使两个单倍体酵母菌彼此交配：如Arg1和wt(wildtype，即正常酵母菌)可产生二倍体酵母菌，若此二倍体酵母菌的表型正常，就表示Arg1的突变情形相对于正常状况为隐性。互补测试(TestofComplementatior):互补测试可用以决定两个不同的突变是否发生于同一基因中。首先先将两个单倍体酵母菌彼此交配以产生二倍体酵母菌，接着观察此二倍体酵母菌的表型。a)若两者的突变发生于同一基因中，比如Arg1的突变与Arg2的突变皆位于同一基因中，则产生的二倍体酵母菌将无法生长于最基本培养皿中。这是因为两者产生的二倍体酵母菌的精胺酸合成酵素基因的两个复本都有缺陷，故无法制造出正常的酵素，此二倍体酵母菌在没有精胺酸的情况下自然无法生长于培养皿上。探当Arg1和Arg2所带有的突变位置皆位于同一基因上时，两者交配形成的二倍体酵母菌会产生突变的表现型，因为Arg1和Arg2彼此不能补足对方的不足，此时Arg1和Arg2会被归类到同一互补群中。b）若突变发生于不同基因中，比如Arg1的突变位置与Arg2的突变位置位于不同基因中，则两者交配产生的二倍体酵母菌将能够生长于最基本培养皿上。因为突变发生的位置不在同一基因中，两者交配后每个突变对应的正常基因复本皆可产生正常的酵素，因此能够生长于最基本培养皿上。探Arg1和Arg2所带有的突变位于不同的基因中，两者交配后可彼此补足对方的不足，而得以形成正常的二倍体酵母菌，此时Arg1和Arg2会被归类到不同的互补群中。一般说来，不同基因中的突变由于其对应的正常基因复本皆可产生正常的酵素，而能够彼此补足对方的不足，使得二倍体酵母菌可以维持原营养体（protoph，即正常的营养体），即每个突变体彼此互相修补缺陷。对各个不同的单倍体酵母菌进行互补测试的结果可制表如下所示：WtArg1Arg2Arg3Arg4Wt+++++Arg1+一一++Arg2+一一++Arg3+++一一Arg4+++一一+”表示彼此互补，二倍体酵母菌有正常表型。-”表示彼此不互补，二倍体酵母菌有突变表型※注意：其中所有的突变相对于正常表型为隐性。Arg1和Arg2无法互补，因此两者分属同一互补群且突变发生于同一基因中。Arg3和Arg4亦无法互补，两者各属同一互补群，但不同于Arg1和Arg2所属之互补群中，且突变发生于同一基因中。Arg1和Arg4彼此互补，因此他们的突变各发生于不同基因中由上表可看出互补群有两组，或是精胺酸合成过程中应有两个基因参与其中责任编译：清华生科庄雅善