染色體倒位或易位與生物性狀變異的關(guān)系

吳玲秀 （湖北省鄂南高級(jí)中學(xué) 湖北咸寧 437100）

染色體倒位或易位會(huì)改變生物的性狀，但對(duì)于學(xué)生提出的“為什么會(huì)改變生物的性狀”問題的準(zhǔn)確回答，高中生物學(xué)教師需要有效的教學(xué)設(shè)計(jì)。人教版（2017）必修2 教材第90 頁“染色體結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)使排列在染色體上的基因數(shù)目或排列順序發(fā)生改變，導(dǎo)致性狀的變異”[1]。在學(xué)習(xí)倒位和易位雖不一定改變基因的種類和數(shù)目，但會(huì)改變基因的排列順序，從而影響生物的性狀時(shí)，學(xué)生并不理解，只是機(jī)械的接受。筆者以教材的2 個(gè)實(shí)例“易位導(dǎo)致果蠅花斑眼的形成”和“倒位導(dǎo)致果蠅卷翅的形成”，闡述了易位和倒位對(duì)生物體性狀的影響，以供廣大高中教師教學(xué)參考。

1 基因表達(dá)的調(diào)控

凡是對(duì)基因表達(dá)過程任何環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)即為基因表達(dá)調(diào)控。主要表現(xiàn)在染色體和DNA 水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控、RNA 加工修飾上的調(diào)控、翻譯水平上的調(diào)控、蛋白質(zhì)加工水平上的調(diào)控。其中，轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控的主要方式。本文以真核生物結(jié)構(gòu)基因示意圖（圖1）為例解釋轉(zhuǎn)錄調(diào)控的過程[2-3]。

圖1 一個(gè)典型的真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)示意圖[2]

1）啟動(dòng)子：位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的上游、負(fù)責(zé)啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的DNA 序列。真核生物的啟動(dòng)子往往含有不止一個(gè)可被轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別并結(jié)合的DNA 序列，即調(diào)控序列或受體序列，如圖中的a、b、c 序列。

2）轉(zhuǎn)錄因子：一般是激活蛋白，是真核細(xì)胞中由基因編碼的一類蛋白質(zhì)，是真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄起始過程中RNA 聚合酶所必需的輔助因子，如圖1中的A、C。因?yàn)檎婧思?xì)胞中的RNA 聚合酶無法直接識(shí)別啟動(dòng)子，只有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在其識(shí)別的啟動(dòng)子上，RNA 聚合酶才能與轉(zhuǎn)錄因子相互作用形成起始復(fù)合物，才能啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

3）RNA 聚合酶：真核細(xì)胞有3 種RNA 聚合酶，其中的RNA 聚合酶Ⅱ主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，RNA 聚合酶本身一般由不與結(jié)構(gòu)基因連鎖的基因編碼。

要轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因，離不開啟動(dòng)子、編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因、RNA 聚合酶基因等多個(gè)基因或其表達(dá)產(chǎn)物的調(diào)控。

染色體和DNA 水平上的調(diào)控會(huì)影響基因的表達(dá)。細(xì)胞中基因發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是染色質(zhì)，在真核細(xì)胞中的染色質(zhì)分常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。異染色質(zhì)是間期染色體內(nèi)保持高度濃縮的部分，一般無轉(zhuǎn)錄活性；而染色質(zhì)中的非異染色質(zhì)的部分，統(tǒng)稱常染色質(zhì)，是全部轉(zhuǎn)錄發(fā)生的區(qū)域[4]。染色體發(fā)生斷裂和重新連接后可能會(huì)導(dǎo)致部分常染色質(zhì)與異染色質(zhì)毗鄰或插入到異染色質(zhì)區(qū)域，導(dǎo)致常染色質(zhì)的部分區(qū)域無法正常轉(zhuǎn)錄。

2 倒位

染色體在2 個(gè)點(diǎn)發(fā)生斷裂后，產(chǎn)生3 個(gè)片段，中間的區(qū)段發(fā)生180°的倒轉(zhuǎn)，與另外2 個(gè)區(qū)段重新結(jié)合引起的變異現(xiàn)象，稱為倒位[5]。無論是臂間倒位還是臂內(nèi)倒位均可以純合狀態(tài)或雜合狀態(tài)存在。研究發(fā)現(xiàn)，許多動(dòng)物的倒位純合體具有致死作用；而某些倒位，無論處于雜合或純合狀態(tài)都不產(chǎn)生表型效應(yīng)[3]。由此可見，倒位對(duì)生物體的表型可能產(chǎn)生影響，也可能無影響。產(chǎn)生影響的原因可能有以下幾點(diǎn)[6]：1）倒位后，編碼區(qū)和非編碼區(qū)都保持完整，但與鄰近基因的位置關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致表達(dá)異常；2）若斷裂點(diǎn)發(fā)生在非編碼區(qū)，會(huì)破壞結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控序列，例如，啟動(dòng)子、終止子等；3）若斷裂點(diǎn)發(fā)生在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部，會(huì)使該位點(diǎn)基因破壞或發(fā)生基因突變。例如，果蠅卷翅的形成，是因?yàn)榈? 號(hào)染色體發(fā)生倒位，產(chǎn)生了顯性基因Cy，使其雙翅向背面卷起[3]。反之，若以上幾點(diǎn)均未發(fā)生，則倒位后的基因可正常表達(dá)，對(duì)生物的表型并不產(chǎn)生影響。

倒位雖不一定影響生物的表型，但都有降低生物育性的趨勢(shì)。在減數(shù)分裂聯(lián)會(huì)時(shí)，會(huì)形成特有的倒位環(huán)，經(jīng)過非姐妹染色單體的一次單交換，會(huì)形成4 種不同的配子:1種為正常染色體，1 種為倒位染色體，另外2種則是缺失的染色體。通常只有帶2 條完整基因的染色體的配子才能產(chǎn)生存活的后代（圖2）。所以，倒位染色體可能與生物的不育或低育有關(guān)[7]。

圖2 倒位環(huán)內(nèi)單交換產(chǎn)生的結(jié)果示意圖[3]

3 易位

易位是非同源染色體之間的節(jié)段轉(zhuǎn)移所引起的染色體重排，基因從一條染色體轉(zhuǎn)至另一條[5]。高中生物學(xué)教材上的易位模式圖指易位中最常見的類型——相互易位平衡易化，即2 條非同源染色體，各產(chǎn)生斷裂，它們之間相互交換由斷裂形成的片段。這類易位因沒有遺傳物質(zhì)的丟失，通常對(duì)生物的表型不產(chǎn)生影響，但也有文獻(xiàn)表明易位表型改變率達(dá)6.4%[6]。其原因與倒位改變表型的原因類似: 1）染色體平衡易位斷裂點(diǎn)處實(shí)際上發(fā)生了微小基因的缺失；2）染色體平衡易位斷裂點(diǎn)處基因結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致基因功能的喪失或基因突變；3）染色體斷裂后重排改變了基因的位置,由此所產(chǎn)生的位置效應(yīng)破壞或改變了基因的表達(dá)[6]。例如，果蠅花斑眼的形成原因就是位置效應(yīng)破壞導(dǎo)致相關(guān)基因功能喪失。倒位和易位使基因的位置發(fā)生改變，同時(shí)也改變了基因的原有毗鄰關(guān)系，基因位置的改變引起某種表型改變的遺傳效應(yīng)稱為位置效應(yīng)。斑型位置效應(yīng)（V 型位置效應(yīng)，不穩(wěn)定位置效應(yīng)）就是其中的一種，它與異染色質(zhì)的影響有關(guān)。果蠅X 染色體上的白眼基因w，當(dāng)其處于雜合狀態(tài)w+w時(shí)，表現(xiàn)為紅眼。由于紅眼基因w+所在的常染色質(zhì)片段與第4 染色體的異染色質(zhì)區(qū)易位，異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度壓縮，可能使轉(zhuǎn)錄裝置不能與正常紅眼基因w+有正常的接觸而影響了基因的正常表達(dá)，在某些果蠅的眼睛中表現(xiàn)為紅、白兩色體細(xì)胞鑲嵌的現(xiàn)象，稱之為花斑型眼。若紅眼基因w+離異染色質(zhì)較遠(yuǎn)，則在所有細(xì)胞中均能表達(dá)，從而表現(xiàn)為野生型[3]（圖3）。

圖3 果蠅的花斑型眼形成[3]

易位雖不一定影響生物的表型，但都會(huì)影響生物的育性。研究表明，相互易位導(dǎo)致植物的半不育性[3]；相互易位所導(dǎo)致的人類胎兒丟失率為50%，早期自發(fā)性流產(chǎn)率為41.23%，活產(chǎn)的染色體重組畸形兒為19.30%，遠(yuǎn)高于正常人群[6]。易位雜合體在減數(shù)分裂時(shí)，由于同源染色體聯(lián)會(huì)從而出現(xiàn)十字型圖像，逐漸開放形成環(huán)狀或雙環(huán)狀，在減數(shù)分裂后期則會(huì)出現(xiàn)以下3種分裂方式：相間分離、相鄰分離-1、相鄰分離-2。相間分離產(chǎn)生的配子都具有完整染色體，都是正常的配子；相鄰分離-1 產(chǎn)生的每個(gè)配子都含有重復(fù)和缺失染色體，是不平衡配子；相鄰分離-2 產(chǎn)生的每個(gè)配子都帶有正常染色體和易位染色體，也是不平衡配子，如圖4所示[3]。

圖4 相互易位雜合體分離方式示意圖[3]

綜上所述，染色體倒位和易位可能會(huì)改變基因的種類、數(shù)目、排列順序，從而可能引起生物表型的改變，且都會(huì)使生物的育性下降。倒位和易位都涉及染色體的斷裂和重新連接，使基因在染色體上的排列順序發(fā)生改變。若斷裂點(diǎn)發(fā)生在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部或非編碼區(qū)的調(diào)控序列，將會(huì)引起基因突變或基因破壞，或調(diào)控序列破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因無法正常表達(dá)；同時(shí)，因基因的排列順序發(fā)生改變，改變了結(jié)構(gòu)基因與周圍基因的空間位置和功能關(guān)系，因而會(huì)影響基因的表達(dá)。若以上均未發(fā)生，則一般不會(huì)影響生物的表型。但由于倒位或易位后的染色體在減數(shù)分裂時(shí)與同源染色體聯(lián)會(huì)后產(chǎn)生部分不正常不平衡的配子，這些不平衡的配子有的致死，有的傳遞給下一代會(huì)引起下一代胚胎致死或發(fā)育不良等，因此，倒位或易位個(gè)體都表現(xiàn)為育性下降的趨勢(shì)。