第四章 孟德尔分析的扩展

基本概念

   基因型要在一定的内外环境条件下才能表达为表型。环境对不同的基因表达的影响不同。

一个基因如果存在多种等位基因的形式，这种现象就称为复等位基因（multipe    allelism）。任何一个二倍体个体只存在复等位基中的二个不同的等位基因。

在完全显性中，显性基因中纯合子和杂合子的表型相同。在不完显性中杂合子的表型是显性和隐性两种纯合子的中间状态。这是由于杂合子中的一个基因无功能，而另一个基因存在剂量效应所致。完全显性中杂合体的表型是兼有显隐两种纯合子的表型。此是由于杂合子中一对等位基因都得到表达所致。

在很多情况下，由两对或多对基因通过对生化反应链的不同步骤的控制，显示了非等位基因的互相作用。即一个基因的表型表达和另一对非等位基因有关，结果使孟德尔比发生变异。但对于二对基因来说，不论何种类型都是 9:3:3:1的变形。

非等位基因之间的“显性”作用称为“上位”效应，“隐性”作用称为“下位”效应。某些基因的等位基因表达时可导致个体死亡，这就是致死基因。若杂合致死则为显性致死，若纯合致死则为隐性致死。致死基因可能还控制别的性状，其显、隐性作用和在致死中的显隐性作用有时并不一致。

    一个生物的基因型决定其表型，但从基因型到表型要在一定的内外环境条件下通过发育才能实现。那么环境或多少对表型会有影响，同时表型是多种基因表型效应的共同作用的结果，基因间的相互作用又会对表型有什么影响呢？这一章将要讨论环境作用对表型效的影响以及基因间关系对表型效应的影响。

第一节   环境的影响和基因表型效应

    一．遗传和环境

环境条件时多基因遗传的影响是十分明显的，如人的身高、胖瘦、肤色、智商等性状是受多基因控制的，营养状况，生活环境，受教育的情况对这些性状都有直接的影响，即使是单基因遗传的质量性状也或多或少受到环境条件的影响。如半乳糖血症，是由于一个基因的突变使半乳糖苷酶缺失所致，但只要患儿不哺乳或不食用乳制品就不会患病。
    水毛茛（Ranunculus aguatilis）的叶片形态在不同环境中是不同的。同一株植株，基因型完全一致，长在水下的叶片呈丝状，长在水面上的叶片呈掌状（图2-1）。

藏报春（Primula sincnsis）有的品种在20℃时花是红色的，而在30ºC时花为白色的。

西马拉雅兔的毛色是受基因控制的在25ºC左右时在体温较低的部分，四肢和头部的尖端，尾巴和耳部的毛都是黑色的，其余部分全为白色。但在30ºC以上的环境里长出的毛全为白色。如果把它躯干部除去一部分毛再放到25ºC以下的温度下，这部分新长出的毛是黑色的。当然生物有的遗传性状十分稳定，如人类的血型，也是受基因控制的，基因型一旦形成，表型就不会改变，不论生活在什么环境，营养状况如何，血型都不会改变。

二．反应规范：

   有一种类型的精神分裂症是由多基因控制的，具有相应遗传背景的人在平和的环境中并不一定会发病，但遇到某种精神刺激和心理压力常常会发病。因此这种类型的精神分裂症不仅和精神刺激有关，和遗传素质也有关。对于基因型正常的人来说常可以耐受一定程度的精神刺激，而基因型异常的人在相同的刺激阈值中就可导致精神分裂。图4-3可以表明基因型、环境和表型三者的关系。

1．反应规范：

我们怎样来衡量基因型，环境和表型三者之间的关系呢？对于一个特定的基因型而言，我们可以制一个表格来表示在不同的环境中基因通过发育将产生什么样的表型。对于特定的基因型而言，这样一套环境一表型的相关性就称为这种基因型的反应规范（ norm of reaction）。也可以说是某一基因型不同环境中所显示出的表型变化范围。例如果蝇在不同的温度下发育复眼大小也不同。在这一物种中我们就可以用各种不同复眼数基因型来测果蝇的反应规范。如有三个基因型：野生型，中棒眼和小棒眼，在不同的温度下发育，然后来计算单眼的数目，绘成曲线（如图4-4），曲线就显示出三种反应规范。野生型果蝇在15℃~30℃环境中，复眼是从1000逐步减少到700。中棒眼随着温度的升高，单眼反而增加，小棒眼的在同样的环境下，复眼减少，虽然减少的数目比野生型小，但幅变减少得比野生型大。

2．表现度与外显率

表现度（expressivity）是指在一定的环境中，某一突变个体基因型表达的变异程度。例如多指是由显性基因控制的，带有一个有害基因的人都会出现多指，但多出的这一手指有的很长，有的很短，甚至有的仅有一个小小突起，表明都有一定的表型效应，但变异程度不同。如克汀病患者，同样患病 ，但症状有轻有重，重者无法自理，轻者可以从事简单劳动，可以做10以内的加减法。这就是表现度的不同(图4-5)。外显率（penetrance）指在特定环境中某一基因（常指杂合子）显示出相应表型的频率（百以分比表示）。也就是说同样的基因型在一定的环境中有的个体表达了，而有的个体未得到表达，表型正常(图4-5)，如具某显性基因A的杂合体有100人，其中仅有40人出现相应的表型，则外显率为40%，如100人都出现相应的性状外显率 = 1，称完全外显，若外显率<1称不完全外显。

3．拟表型或表型模拟

环境的改变也能影响一个或多个基因的表达，最敏感的时期是在发育早期，在这个时期较小的变化可以导致以后较大的变化。表型模拟的定义是：用特殊环境条件下所作的一个非遗传的表型的修饰，使其和一个突变型的表型相仿。产生表型模拟的药剂称表型模拟剂（phenocopying agent）。表型模拟的例子很多。这种表型模拟的异常个体在遗传结构上并没有任何改变。

表型模拟存在各种生物中，从简单到复杂的生物都可找到一些例子。如红色链孢霉（Neurospora crassa）正常的生长表型是有很多分枝。在网状 团块中的菌丝很快地延伸、长成桔黄色，与灰霉或绿酶相似，有时长在面包上，有些突变的链孢霉分枝很多，而长得很慢，称为菌落样生长习性。由于生长慢形成了接种点，前起来像是固体培养基上的一颗纽扣。细胞壁结构缺陷使细胞壁很弱，因此菌丝中胞质的内部压力使得产生分枝比正常情况的要多。这种菌落的表型也能被在培养基中加入影响细胞壁正常发育的化学试剂而进行表型模拟。在野生型的链孢霉中加入山梨糖会影响菌落生长。若将此菌落放在正常培养基上的话它将恢复原来的状况。细胞壁的异常的表型模拟与菌落的基因突变表型相似，但本质不同，用生化的方法是可以加以区分的。

在人类中也有很多表型模拟的例子，白内障、耳聋、心脏缺陷等有的是遗传的，也有的是由于患者的母亲在怀孕后2周内感染了麻疹病毒而引起。人类的其他一些性状也有表型模拟，如短肢畸型（phcomelia），这种畸型有的是受显性等位基因控制的，这个基因抑制了四肢长骨的发育(图4-6)。在1959~1961年之间，发现孕妇在妊娠35~50天若服用镇静剂反应停（thalidomide）也会使孩子产生同样的表型，现在这种药物早已被淘汰了。

最近发现很多得复杂有机体在一个发育的敏感时期受到表型模拟剂的影响会产生表型模拟。很多不同的药物都起到这种作用。

4．双生子研究

    我们怎样来区别一个性状是由基因控制的，还是由环境控制的呢？一种办法就是研究在不同环境下基因型相同的个体，如我们可以用同一基因型的实验动物。典型的就是将一定品系的小鼠或大鼠，通过近亲杂交产生的后代用作实验材料。它们大部分基因是纯合的。这个动物群体一般说来都是同型的。可用于一些未知药物的研究，如新的药物，食品添加剂，食品色素，防腐剂及染料等。通过动物实验来评估对人类是否有潜在的危险。

     虽然我们不可能制造人类近亲婚配品系用于实验，但我们可研究双胞胎。双生子有异卵双生（fraternal dizygotic tioins）和同卵双生子（identical monozygotic twins）。异卵双生是两个卵同时受精的结果，他们的基因型和同胞的兄弟姐妹一样，但他们的胚胎发育环境以及以后的生长环境是相同的。同卵双生子是单卵受精，第一次卵裂时分成两个细胞，然后各自发育成个体。他们在遗传结构上是完全相同的，但他们后天生长的环境可以不同。我们只要加以比较分析就能分辩某一性状是由环境决定的还是由基因决定的。如很多孩子都患过麻疹，无论是同卵双生子，还是异卵双生子同时患病率都是高的，这表明是否患麻疹很大的程度是由环境决定的。有的性状在两种不同的双生子中同一性是有明显差异的，如脉博的频率，血型及精神分裂的发病率在同 双生子中是高度的一致性。资料（表4-1）表明，肺结核在不同人之间的共发病率。肺结核是由结核杆菌所引起，但在群体中有人患病，有人不患病，说明不同的人易感性不同，这种易感性是否由基因控制呢，从资料中明显得出同卵双生子的同时发病率为87.3%，而异卵双生子的同时发病率为25.6%，差异是明显的；而异卵双生了和同胞之间的差别并不明显，说明肺结核的易感性和遗传有关。

5．性状的多基因决定

我们说质量性是由单个基因控制，并不意味着产生某一性况仅由一对基因决定，其实任何一个性状都是经过一系列生化连锁反应的结果，在反应的过程中可能存在多个步骤，而每一步也都由相应的酶进行催化，这一系列的酶同样是由一系列基因控制合成的，因此每一个性状都涉及到多个基因。将突变型和野生型相比较并不是一系列基因同都发生了突变，而仅仅是其中一个基因发生突变，使整个生化反应不能完成，从而不能表现出来正常的性状，我们指单个基因控制也就是指仅一个基因发生突变也会改变表型的性状。

6．基因的多效应

一个基因的产物无论是酶还是其它的蛋白，它的生化功能或生理功能不可能是唯一的或独立的，常会影响到其他生化反应及生理功能，因此一个基因的突变引起的表型变化也是多方面的，这种现象我们称之为多效现象（pleiotropism），多效现象的例子也是很多的，如人类的先天性成骨不全（Osteogenesis inperfecta），这是种常染色体的显性遗传病，患者骨骼发育不良，骨质疏松,一生中反复发生多次骨折；大多数患者巩膜呈淡兰色；患者成年后还常常出现耳聋。这样，一个座位上的基因发生改变，产生3种不相关的表现改变。人类的指甲一髌骨综合征（Nail-petalla syndrome）也出现多效现象，此病属常染色体显性遗传。患者指甲异常。第一、二指指甲萎缩，角化不全，纵裂或缺如。髌骨缺如或发育不良，桡骨小头，肱骨髁不对称发育，脱位，髌骨畸形等。少数病人还有眼和精神方面的异常。