遺傳學 (Genetics)

孟德爾 (Gregor Mendel) 奧地利人 (Austrian) 1822 年出生 1843 年加入修道院作修士 上維也納大學 (University of Vienna) 選修自然歷史及數學 1853 年返回修道院  開始對植物的雜交感到興趣 (尤其雜種後代的外態、及數據統計)

1856 年夏天進行一連串遺傳實驗的科學研究利用豌豆植物 (garden pea, Pisum sativm) 1866 年將實驗研究的數據及理論刊登在期刊 “The prcdeedings pf the Brunn Natural History Society”  但大部份科學家未能體會及明白 直到 1900 年，多位科學家得出相似的研究結果，∴ 確定了遺傳的模式 ( 分離原理及獨立分配 )

並將孟德爾所採用的「因素(elemente)」轉為「因子(factors)」 1909 年，Johannsen 將遺傳「因子」改名為「基因(gene)」= 是遺傳的單位，能影響生物的表現型

盂德爾選取豌豆作為實驗生物的優勝之處 豌豆植物有數種不同種類，各有多對獨特而明顯的特徵 非常容易種植，生命週期亦短 花瓣包裹著整個花蕊  自花傳粉、自體受精  世代保持純種 ( 純種交配 pure breeding ) 可進行人工雜交  可育的雜種 豌豆植物並沒有複雜的遺傳模式 ( 如 : 連鎖、等顯性、多基因遺傳等 )

單基因雜交遺傳 (Monohybrid inheritance)

孟德爾的單基因雜交遺傳實驗 (Mendel’s Monohybrid inheritance expt.) 是研究由單一對等位基因所控制的特徵 是孟德爾最早期進行的實驗 採用具單一對對比性特徵的豌豆植物 ( eg. 高莖、矮莖 ) 親代植物皆為純種 / 純種植物 (pure breeding)  為一雜交 (interbreed / crossbreed)  單基因雜交遺傳(monohybrid inheritance)

孟德爾的實驗 高莖 （純種） 只會生產 後代 矮莖 （純種） 高莖

高莖 （純種） 只會生產 後代 矮莖 （純種） 矮莖

3 : 1 高莖 （純種） 矮莖 （純種） 異花傳粉並受精 第一子代 (F1) 全部高莖 F1的自花傳粉並受精 第二子代 (F2) 787 高莖 277 矮莖 3 : 1

實驗 I (Experiment I) 親代 (P): 第一子代 (F1) : 孟德爾的分析 : 純種高莖 X 純種矮莖 全為高莖 雜種 (hybrid) 沒有矮莖植株 孟德爾的分析 : 他認為高莖這特徵是顯性的 (dominant)

實驗 II (Experiment II) 第一親代 (F1) = 親代 : 第二子代 (F2) : 雜種高莖 X 雜種矮莖 (自體受精) 1064 株 787 高莖 277 矮莖 高莖 : 矮莖 = 2.84 : 1 ~ 3 : 1 (單基因雜交比)

實驗 II (Experiment II) 孟德爾的分析 : 生物的配子內必有一些「因子」將親代的性狀遺傳至其子代 雜種必從兩親代各取得一個「因子」 生物的性狀是由「因子」控制的 矮莖特徵應在 F1 子代中存在, 但卻未能在 F1 子代中成功地顯露, ∴ 矮莖這性狀是隱性的

其他單基因遺傳實驗 研究的 特徵 種皮的 形狀 子葉的 顏色 種皮的 顏色 莢果的 形狀  雜交    F1 代 F2 代的 飽滿 光滑 黃色 灰色  雜交    皺縮 皺皮 綠色 白色 F1 代 全都是光滑 全都是黃色 全都是灰色 全都飽滿 F2 代的 特徵比例 2.96 : 1 3.01 : 1 3.15 : 1 2.95 : 1

其他單基因遺傳實驗

孟德爾的結論 (Mendel’s Conclusion) 因親代經純種育種，高莖品種必有兩個高莖因子，矮莖植物亦然 F1 子代從各親體的配子接收受一個因子(即一高莖因子及一矮莖因子) 兩個不同的因子並不在 F1 子代內混結，反而各因子保持其獨立性 高莖因子較矮莖因子顯明， 高莖因子屬顯性，矮莖因子則屬隱性

孟德爾第一定律 - 分離定律 (Mendel’s first Law - Law of segregation) “the characteristics of an organism are determined by internal factors which occur in pairs. Only one of a pair of such factors can be represented in a single gamete ” “ 生物體內的每個特徵也由成對的內在因子控制，成對的因子在配子形成時分離，每個配子只攜載一個因子 ”

遺傳圖解示單基因雜交遺傳 (Genetic diagrams) 純種高莖 純種矮莖 親代 (P) : TT x tt 配子 (G) : T t 第一子代 (F1) 的基因型 : Tt 第一子代 (F1) 的表現型 : 全為高莖

遺傳圖解示單基因雜交遺傳 (Genetic diagrams) 雜種高莖 雜種高莖 第一子代 (F1) : Tt x Tt 配子 (G) : T t T t 第二子代 (F2) 的基因型 : TT Tt Tt tt F2 的表現型 : 高莖 矮莖 F2 表現型的比率 : 3 : 1

雙基因雜交遺傳 (Dihybrid inheritance)

孟德爾的雙基因雜交遺傳 (Mendel’s Dihybrid Inheritance Expt.) 採用的實驗生物 : 純種黃色平滑種子的豌豆植物 純種綠色皺皮種子的豌豆植物 實驗 I : 純種植物雜交 F1 子代全都是黃色平滑種子 實驗 II : F1 子代自交  產生 4 種不同特徵 數目及比例 :

遺傳圖解示雙基因雜交遺傳 (Genetic diagrams) Y 代表控制黃色種子的顯性特徵 y 代表控制綠色種子的隱性特徵

遺傳圖解示單基因雜交遺傳 (Genetic diagrams) 純種平滑黃色種子 純種皺皮綠色種子 親代 (P) : RRYY x rryy 配子 (G) : RY ry 第一子代(F1)的基因型: RrYy 第一子代(F1)的表現型:全為黃色平滑種子

實驗 II F2 子代的結果 : 種子總數 : 556  表現型比率 = 9:3:3:1 (雙基因雜交比) 平滑黃色種子 : 315 種子總數 : 556 平滑黃色種子 : 315 皺皮黃色種子 : 101 平滑綠色種子 : 108 皺皮綠色種子 : 32  表現型比率 = 9:3:3:1 (雙基因雜交比)

孟德爾的分析 F2 子代內有 2 種新的特徵組合 : 每對特徵的比例也是 3 : 1 黃色皺皮種子 綠色平滑種子 每對特徵的比例也是 3 : 1 黃色 : 綠色 = 416(315+101) : 140(108+32) 平滑 : 皺皮 = 423 (315+108) : 133(101+32)

龐氏圖 (Punette Square) R.C.Puntte - University of Cambridge (遺傳學家) 能列出所有配子，及其可能結合

這 4 種不同的基因型組合 (RY、Ry、rY、RY) 在任何配子內出現的機會也是 1/4 根據單基因雜交遺傳， 3/4 的 F2 子代表現顯性、1/4 則表現隱性 以下顯示出這四種等位基因在 F2 子代內出現的機會率 : 平滑 ( 顯性特徵 ) = ¾ 黃色 ( 顯性特徵 ) = ¾ 皺皮 ( 隱性特徵 ) = ¼ 綠色 ( 隱性特徵 ) = ¼

∴ 等位基因在 F2 子代的組合的機會率 : 黃色平滑 = 3/4 x 3/4 = 9/16 綠色平滑 = 3/4 x 1/4 = 3/16

孟德爾第二定律 - 獨立分配原理 (Mendel’s second Law) “any one of a pair of characteristics may combine with either one of another pair” “任何一對特徵能與另一對特徵結合” 孟德爾指出 : 這兩對特徵在 F1 子代內組合 但卻在後代 / F2 子代分離並表現獨立  獨立分配原理 (Principle of Independent Assortment)

孟德爾假說的總結 (Summary of Mendel’s hypothesis) 生物身體的每項特徵各受一對等位基因所控制 若生物同時擁有這對等位基因，其中一個能顯露出來 ( 顯性等位基因 )，而另一個則完全被隱藏 ( 隱性等位基因 ) 在減數分裂中，這對等位基因會分離，而每個配子只可接受其中一個等位基因 ( 即分離定律 )

在配子形成時，只有一個等位基因載入一個配子，與另一特徵其中一個等位基因隨機組合 ( 即獨立分配原理 ) 每個等位基因也可從一代傳遞至下一代，並以一實質不變的單位 ( 即基因 ) 遺傳 每一生物也從其雙親各遺傳某項特徵的其中一個等位基因

遺傳學 (Genetics) 測交 (Test cross) 連鎖 (Linkage) 性染色體 (Sex chromosomes) 性連鎖 (Sex linkage) 基因的相互作用 (Genes interaction)

測交 (Test cross) 可找出表現顯性性狀的生物 / 親體的基因型 : 與一純合型隱性的個體交配 (eg. x tt) 同合型顯性 (eg. TT) 異合型 (eg. Tt) 與一純合型隱性的個體交配 (eg. x tt) 從 F1 子代的性狀及表現型比率可推斷出來 : F1 (eg.全為高莖)  同合型顯性 (TT) F1 (eg.高莖 : 矮莖=3:1)  異合型 (Tt)

遺傳圖解示單基因測交 (一) – 例子 (果蠅,fruit fly/Drosophila) 純種長翅 純種短翅 親代 (P) : LL x ll 配子 (G) : L l 第一子代 (F1) 的基因型 : Ll 第一子代 (F1) 的表現型 : 100% 全為長翅

遺傳圖解示單基因測交 (二) – 例子 (果蠅,fruit fly/Drosophila) 雜種長翅 純種短翅 親代 (P) : Ll x ll 配子 (G) : L l l 第一子代 (F1) 的基因型 : Ll ll 第一子代 (F1) 的表現型 : 1 : 1 (長翅:短翅)

遺傳圖解示雙基因測交 (x rryy) – 例子 (豌豆,pea / Pisum sativum) 親體 基因型 親體 表現型 F1 子代 基因型 F1 子代表現型 及其比率 RRYY 黃色平滑 全為 RrYy 全為黃色平滑種子 RRYy RrYy Rryy 50% 黃色平滑 50% 黃色皺皮 RrYY rryy 50% 綠色皺皮 rrYy 25% 黃色平滑 25% 黃色皺皮 25% 綠色平滑 25% 綠色皺皮

連鎖 (Linkage) 位在同一條染色體上的所有基因為連鎖在一起的 (linked) 或稱為一連鎖組 (linkage group) 同一連鎖組的基因會被傳送至同一配子裡，並不會發生獨立分配 / 隨機分佈  即永不會出現一雙基因雜交比 ( 即 9:3:3:1 )

連鎖的實驗 (Linkage Experiment) 美國科學家摩根 (Thomas H. Morgan) 進行的果蠅實驗 研究的遺傳特徵 (雙基因雜交遺傳) : *長翅、短翅 *灰身、黑身 實驗 : (I) : 灰身長翅 x 黑身短翅  雜種 F1 (II) : F1 子代自交  F2

預測 : 獨立分配發生 (孟德爾第二定律) 實驗的結果 : 摩根對結果的分析 :  雙基因雜交比 ( 9:3:3:1 ) 預測 : 獨立分配發生 (孟德爾第二定律)  雙基因雜交比 ( 9:3:3:1 )  4 種不同的表現型 實驗的結果 : F2 子代只有 2 種表現型 ! ( = 親代表現型 ) 表現型比率 = 3:1 (即單基因雜交遺傳比) !! 摩根對結果的分析 : 雙基因雜交遺傳 = 單基因雜交遺傳  兩等位基因位在同一條染色體上 = 連鎖

遺傳圖解示連鎖的實驗 (Genetic diagrams)

基因重組的發現 (Discovery of recombination) 摩根的果蠅實驗 (II) : 異合型灰身長翅 x 黑身短翅 ( =測交 )

預測 (一) : 若兩基因沒有連鎖 預測 (二) : 若兩基因是連鎖的  獨立分配  F1 表現型的比率 1:1:1:1 出現 4 種不同的性狀 (灰身長翅、灰身短翅、黑身長翅、黑身短翅 ) 預測 (二) : 若兩基因是連鎖的  沒有獨立分配發生  F1 表現型的比率 1:1 (灰身長翅、黑身短翅)

實驗結果 : Morgan 重複了數次上述的測交  卻與以上兩個預測不符  卻與以上兩個預測不符  反而，大部份個體顯示親代的特徵、及少量個體表現出新組合(即重組體 recombinants) 41.5% 灰身長翅 } 親代表現型 41.5% 黑身短翅 } 8.5% 灰身短翅 } 新的表現型 8.5% 黑身長翅 } (稱為重組體表現型 recombinant phenotype)

Morgan 對結果的分析 基因是位在染色體上的 控制果蠅身體顏色及翅膀長度這兩個基因是連鎖的 在減數分裂時，等位基因在同源染色體間互換  遺傳重組 / 重組 (recombination)

遺傳圖解示重組體的形成 (Formation of recombinants)

互換的發現及確定 (Discovery of Crossing-over) Janssens (1909) 觀察到減數分裂 (前期I) 時染色體間有交叉的形成 摩根 (Morgan) 根據果蠅實驗的結果，同源染色體在交叉處斷開、交換、並重新組合 其他科學家 其後，經過顯微研究顯示確定了所有同源染色體也會在減數分裂時發生互換  獨特的表現型比率

性別的決定 (Sex determination) 體染色體 (autosomes) 由成對的同源染色體組成 外態及形狀完全相同 性染色體 (sex chromosomes) 只有一對 與生物的性別有關 其構造及形態並不相同 例子 : 果蠅 (3 對體染色體、1 對性染色體 XY) 人 (22 對體染色體、1 對性染色體 XY)

人類性別的決定 (Sex determination in human) 同配子性別 (homogametic sex) 是擁有 XX 基因型的性別 產生相同的配子 各配子內也有一條 X 染色體 異配子性別 (heterogametic sex) 是擁有 XY 基因型的性別 產生兩種不同的配子 半數配子內攜一 X 染色體、而其餘半數內攜一 Y 染色體

性連鎖 (Sex Linkage) 位在性染色體上的基因與性別有關  屬性連鎖的 (sex linked) 例子 (人類): 紅綠色盲 (red-green color blindness) 禿頭 (premature balding) 血友病 (haemophilia)

發現性連鎖的實驗 (The discovery Expt. of Sex Linkage) 摩根及其同工 發現果蠅眼晴顏色與其性別有關 : 野生型 (wild type) - 紅眼 突變型 (mutant type) - 白眼

發現性連鎖的實驗 (A) (The discovery Expt.(A) ) 紅眼♂ 白眼♀ 親代 (P) : XRY x XrXr 配子 (G) : XR Y Xr (F1) 的基因型: XRXr XrY (F1) 的表現型: 紅眼♀ 白眼♂ (F1) 表現型比率: 1 : 1

發現性連鎖的實驗 (B) = (A) 的回交 (The discovery Expt.(B) ) 白眼♂ 紅眼♀ 親代 (P) : XrY x XRXR 配子 (G) : Xr Y XR (F1) 的基因型: XRXr XRY (F1) 的表現型: 紅眼♀ 紅眼♂ (F1) 表現型比率: 1 : 1

發現性連鎖的實驗(C)=(B) F1子代交配 (The discovery Expt.(C) ) 紅眼♂ 紅眼♀ 親代 (P) : XRY x XRXr 配子 (G) : XR Y XR Xr (F1) 的基因型: XRXR XRXr XRY XrY (F1) 的表現型: 紅眼♀ 紅眼♂ 白眼♂ (F1) 表現型比率: 2 : 1 : 1

發現性連鎖的實驗 (D) ( 白眼雄性 X F1 紅眼雌性 ) 白眼♂ 紅眼♀ 親代 (P) : XrY x XRXr 配子 (G) : Xr Y XR Xr (F1) 的基因型: XRXr XrXr XRY XrY (F1) 的表現型: 紅眼♀ 白眼♀ 紅眼♂ 白眼♂ (F1) 表現型比率: 1 : 1 : 1 : 1