关于遗传方式,我们了解最多的是人类,因为我们就生活在这个环境中。但是,遗传学是一门大学问,关于它的知识是方方面面的,不单单是人类一方面。所以,想要了解遗传究竟是通过哪几种方式来发生的,还要全面地学习和了解。
第一节系谱及系谱分析
提到遗传方式就必须先弄明白一个问题,那就是“系谱”。因为,它是分析遗传方式最直观的工具。系谱亦称家系,是指记录某一家族各世代成员数目、亲属关系以及有关遗传性状或遗传病在该家系中分布情况的图示。
系谱在动植物育种学上是指由共同祖先繁殖所得的后代;在医学遗传学上是指亲缘关系较近家族成员的某一遗传病发病情况的调查依据。系谱的分析有助于区别单基因病和多基因病。其次,由于存在遗传的异质性,表现型相同或相似的遗传病常可由遗传方式不同而加以区别。因此,系谱分析也有助于区分某些表现型相似的遗传病以及同一遗传病的不同亚型。系谱分析需要结合症状、体征、实验室检查及必要的辅助检查才能做出疾病的诊断。
第二节遗传的基本定律
遗传的基本定律包括分离规律、独立分配规律和连锁遗传规律。
1.分离规律
分离规律是遗传学中最基本的一个规律。它从本质上阐明了控制生物性状的遗传物质是以自成单位的基因存在的。基因作为遗传单位在体细胞中是成双的,它在遗传上具有高度的独立性,因此,在减数分裂的配子形成过程中,成对的基因在杂种细胞中能够彼此互不干扰、独立分离,通过基因重组在子代继续表现各自的作用。
这一规律从理论上说明了生物界由于杂交和分离所出现的变异的普遍性。
2.独立分配规律
该规律是在分离规律的基础上,进一步揭示了多对基因间自由组合的关系,解释了不同基因的独立分配是自然界生物发生变异的重要来源之一。
按照独立分配定律,在显性作用完全的条件下,亲本间有2对基因差异时,F2有22=4种表现型;4对基因差异,F2有24=16种表现型。设两个亲本有20对基因的判别,这些基因都是独立遗传的,那么F2将有220=1048576种不同的表现型。这个规律说明通过杂交造成基因的重组,是生物界多样性的重要原因之一。
独立分配定律是指两对以上独立基因的分离和重组,是对分离规律的发展,因此分离定律的应用完全适用于独立分配规律。
3.连锁遗传规律
1900年孟德尔遗传规律被重新发现后,人们以某种动植物为材料进行杂交试验,其中有两对性状遗传结果,有的符合独立分配定律,有的不符合。摩尔根以果蝇为试验材料进行研究,最后确认所谓不符合独立遗传规律的一些例证,实际上不属于独立遗传,而属于另一类遗传——连锁遗传。于是继孟德尔的两条遗传规律之后,连锁遗传成为遗传学中的第三个遗传规律。所谓连锁遗传定律,就是原来为同一亲本所具有的两个性状,在F2中常常有连系在一起遗传的倾向,这种现象称为连锁遗传。
连锁遗传定律的发现,证实了染色体是控制性状遗传基因的载体。通过交换的测定进一步证明了基因在染色体上具有一定的距离的顺序,呈直线排列。这为遗传学的发展奠定了坚实的科学基础。
第三节显性遗传与隐性遗传
1.常染色体显性遗传
常染色体显性遗传是指一种性状或遗传病基因位于常染色体上,其性质是呈显性的。由它所引起的疾病是常染色体显性遗传病。
基因中只要有一个等位基因异常就能导致常染色体显性遗传病。常染色体显性遗传病,通常有以下几条规律:
(1)受累者(患病者)的父母中有一方受累;(2)受累者和未受累者所生的孩子中,受累和未受累的平均数相等;(3)父母中有一方受累而本人未受累时,他的子孙也不会受累;(4)男女受累的机会相等;(5)受累者子女中出现病症的发生率为50%。
常染色体显性遗传病受累者的系谱是根据表型(可观察的特征)而建立的,用分子生物学方法也可确定并记录遗传型。
2.常染色体显性遗传的传递方式
(1)表现度和外显率:基因的作用可受环境和其他基因的影响而改变其表型的表达(表现度)。因此,即使在同一家庭中,有相同基因改变(等位基因)者可表现出非常不同的表型。例如遗传性耳聋综合征Ⅰ型中,配对盒上的转录因子基因突变产生的典型表现是额部白发,眼距增宽,虹膜异色,但有不到20%的病例有严重的听力丧失。有些带有异常等位基因的家庭成员除了额部白发外无其他表现,然而他们的子女可能有严重的先天性耳聋,表现度很低而无临床异常者,可把异常等位基因传给后代,使其产生所有临床症状。
在这种情况下,系谱上可有一代跳空,此现象称为外显率缺失。然而,某些外显率缺失的情况是由于检查者未能识别或是不熟悉遗传病的轻微表现所致,表现度很小的病例有时可视作疾病的逍遥型。
(2)多效性:单基因缺陷可在不同的器官系统产生多种异常,例如,在成骨不全(结缔组织异常所致,很多病人可查到胶原基因的异常)中可发生眼睛呈蓝白色,牙齿发育不良,关节活动度过大和心瓣膜异常现象。这些临床异常均涉及各个组织中的胶原,再加上特殊类型的胶原有一定的分布规律,因此许多器官和系统均可受累。
(3)限性遗传:仅见于某一性别的特征称为限性遗传,男女之间性激素和其他生理的差别可以影响基因的表现度。例如早秃属于常染色体显性特征,但可能与雌激素有关,故在女性中很少表达,且往往只出现在绝经后。因此限性遗传或许可以更准确地叫做性影响遗传,是有限表现度和外显率的一个特殊情况。
(4)突变:突变是遗传信息自发产生的变化,常染色体显性系谱由一新的突变开始,从亲代传下来的遗传信息(DNA)发生变化。在已知的常染色体显性遗传病中突变的发生率(从6000人1次到50000人1次)不等。
例如,大约80%的软骨发育不全性侏儒症没有家族史,是新的突变,几乎所有患者都可把新突变的基因传给其后代。在软骨发育不全病症中,突变发生在基因的一个非常特别的位置上。在许多其他病症中,新突变可以发生在基因的不同位置。
通常,非受累的父母不会有很大的风险生出患病的子女。但是有一些外表正常的父母可以有两个甚至三个子女都有典型的软骨发育不全性侏儒症。其原因是生殖细胞系发生突变,也就是说发生在外表正常的亲代的胚胎发育的早期,那时只有很少一些生殖细胞的前体。出现新突变的细胞会向发育中的性腺提供很多细胞,在这种情况下又生出一个患儿的概率高达50%。在父母和子女间用分子生物学方法研究基因突变,证实确有这种生殖细胞系的突变。在表型正常而携带生殖细胞系突变的父亲中进行分子生物学研究,证实其精子很多带有突变。
3.常染色体隐性遗传
常染色体隐性遗传指的是致病基因在常染色体上,基因性状是隐性的,即只有纯合子时才显示病状。
此种遗传病父母双方均为致病基因携带者,故多见于近亲婚配者的子女。子代有1/4的概率患病,子女患病概率均等。许多代谢异常的疾病,都属常染色体隐性遗传病。
由于常染色体隐性遗传病是由位于常染色体上的隐性致病基因引起的,所以它具有以下特点:
(1)患者是致病基因的纯合体,其父母不一定发病,但都是致病基因的携带者(杂合体)。
(2)患者的兄弟姐妹中,约有1/4的人患病,男女发病的机会均等。
(3)家族中不出现连续几代遗传,患者的双亲、远祖及旁系亲属中一般无同样的病人。
(4)近亲结婚时,子代的发病率明显升高。
4.常染色体隐性遗传的传递方式
既然常染色体隐性遗传容易导致一系列的遗传病,那么,由它引起的疾病都有哪几种呢?
(1)苯丙酮尿症:这种先天性代谢病是由于致病基因使人体肝脏内不能形成苯丙氨酸羟化酶,该酶能促使苯丙氨酸转化为酪氨酸,由于它的缺乏,导致苯丙氨酸的转化受阻,造成人体血液和其他组织中苯丙氨酸的积累。
过量的苯丙氨酸和它的衍生物——苯丙酮酸就由尿中排出,所以称之为苯丙酮尿症。苯丙酮酸及其代谢产物如在脑中大量积累,会使脑组织的生化代谢紊乱,阻碍大脑的生长发育,造成智力低下,引起该症患者痴呆。另外,过量的苯丙氨酸及其代谢产物可能会抑制酪氨酸向黑色素的转化,故患者往往伴有肤色和发色较淡的性状表现。
(2)黑尿症:人体内酪氨酸的另一条重要代谢途径是转化成乙酰乙酸,后者再进一步分解成二氧化碳和水,使得尿液中无尿黑酸存在。但是,当由于基因缺陷造成尿黑酸氧化酶缺乏时,尿黑酸因不能被氧化分解而从尿中排出。
尿黑酸本身并无颜色,但在空气中放置一段时间会变为黑色,于是尿液也随之变黑。碱性条件能促使尿黑酸更进一步变黑,这类患儿的尿布如果用肥皂来洗的话,就越洗越黑。不过,黑尿症是一种常染色体隐性遗传的良性病症,一般对患者危害不大,但有时也可使其软骨和关节等部位产生色素沉积,严重时会造成关节炎。
(3)白化病:在正常人体内,酪氨酸还有一条重要的代谢途径,就是在酪氨酸酶的参与下,形成黑色素。黑色素使人的毛发呈现出黑色,长期从事野外劳动的人,其皮肤也会变得黝黑,这是因为阳光的照射加速了黑色素的形成,黑色素在皮肤细胞中沉着。黑色素可以吸收紫外线,减轻紫外线,减轻紫外线对人体的伤害。但是,如果控制酪氨酸合成酶的基因发生了隐性突变或从双亲那里得到的是两个隐性基因,这种人就不能合成酪氨酸酶,从而导致体内黑色素的形成受阻。
缺乏黑色素,会使人体全身发白,就连头发、眉毛也是白的,这就是通常说的白化病,俗称“羊白头”。白化病患者的其他方面都正常,不像苯丙酮尿症那样会影响人的智力发育。这种人的唯一缺陷是怕日光的曝晒,尤其是眼睛特别畏光,平常见到的白化病人几乎都眯着眼睛,特别严重的还可因光线刺激过强而造成失明。
(4)先天性葡萄糖、半乳糖吸收不良症:患儿呈现腹泻、水样便,与尿很相似。腹泻的发生和程度与喂给糖的时间及量有关,给食后24小时出现腹泻,进食越多越严重,患儿通常进食量很大,所以体重下降很快。继而呈现脱水、失重、营养不良。患儿只要不以果糖作为主要糖类来源,就会出现腹泻,故要终身限制食用葡萄糖及半乳糖。但患儿随着年龄的增长对葡萄糖和半乳糖也会有所耐受。
(5)镰刀形红细胞贫血病:此病常被认为是常染色体隐性遗传,但更像不完全显性遗传。患者严重贫血,发育不良,关节、腹部和肌肉疼痛,多在幼年期死亡。但带有致病基因的杂合体大部分是无症状,或有的仅有轻度的贫血。但是,如果这种杂合体的人处于高原地区或长时间进行大强度运动训练而导致体内缺氧时,红细胞就会发生“镰变”,阻塞血管,引起全身发烧,肌肉酸痛,大量红细胞被脾脏吞噬,血红蛋白下降,机体运输O2和CO2的能力降低,造成机体红细胞被破坏和缺氧的恶性循环。据报道,这种杂合体的人在麻醉、输血、体力消耗等特殊情况下,会出现死亡。如:1970年,在美国的德克萨斯州有4个杂合体黑人新兵因应激反应而死亡。
(6)体位性(直)蛋白尿:此病患者肾脏无器质性病变,但如果长时间立性站立、行走、体力劳动,或进行大运动量训练时尿蛋白量增多,患者多系无力型体质。
(7)肝糖原贮积症:患儿于新生儿期即可出现进行性肝肿大,喂养困难,生长发育迟缓,2岁内易出现严重低血糖症,并伴有惊厥。
患儿身矮、肌肉松弛且发育不良,颊和臀部脂肪组织增多,易患乳酸中毒、高脂血症,肝检查可见有大量糖原和脂质贮积。
(8)半乳糖血症:半乳糖血症是一种糖类代谢病。患儿出生后数日至数周即有呕吐、腹泻、黄疸症状,随之发生脱水、体重下降、肝损害,1~2个月后出现白内障。如不断奶,则会导致智力发育障碍,症状加剧。
正常婴儿体内的半乳糖经肠道吸收后,在肝内转变成1-磷酸葡萄糖而被利用。患儿因缺乏1-磷酸半乳糖尿苷转移酶,进含乳食物后,血中1-磷酸半乳糖及半乳糖浓度明显升高。1-磷酸半乳糖在肝脏积聚可引起肝肿大,肝功受损;在脑的积聚可引起运动及智力障碍。血中半乳糖升高可使葡萄糖释出减少,出现低血糖症;晶体内半乳糖增多,激活醛糖还原酶,产生半乳糖醇,引起白内障。
(9)丙酮酸激酶缺乏症:婴儿型多在新生儿期即出现症状,黄疸与贫血都比较严重,黄疸可发生在出生后两天内,甚至需要换血。
肝脾明显肿大,生长、发育受到障碍,重者常需多次输血才能维持生命。但随年龄增大,血红蛋白可以维持在低水平,不再需要输血。
化验可见红细胞较大,非球型。红细胞丙酮酸激酶活性降低,常降至正常值的30%左右。此病纯合子发病,杂合子不显症状,故患者父母(携带者)的丙酮酸激酶活性也轻度降低。成人型症状很轻,常被忽视。多在合并感染时才出现贫血。
丙酮酸激酶是红细胞中的一种酶,其功能是在糖无氧酵解过程中起催化作用。如该酶缺乏可使红细胞内三磷酸腺苷的产生减少,从而影响红细胞的寿命,引起溶血性贫血。