实验动物的遗传学原理

一、遗传与变异
生存与繁殖是生物体的两个基本特征，生物体在自然界中生存，不仅需要维持生命,进行正常的新陈代谢活动，而且需要繁殖，产生与自己相似的个体，以保证物种世代延续。这种后代在形态、生理、生化等方面的特征与亲代的一致性，称为遗传。遗传现象是生物界的一个普遍现象。但在实践中，若仔细地检查子代的各方面特性，就可以发现或多或少在某些方面与亲代不一样，子代的个体间也存在着差异。最常见的如子代的身长、体重与它们双亲不一致；正常的健康群中出现的生理缺陷，如侏儒、小耳、白化、无胸腺等病态。这种后代与亲代或者兄弟、姐妹间的不一致性，称为变异。
变异有不同的类型，有的可以遗传，有的不能遗传。凡是遗传物质发生变化的变异可以遗传。反之，遗传物质没有改变的变异则不能遗传。例如，将鼠的尾巴截去造成人为变异，即短尾, 但这种小鼠的后代仍是长尾, 这种截尾的实验连续进行20代，结果后代仔鼠依然是长尾。由此说明，截尾虽然可以产生变异，但没有改变鼠的遗传物质，所以这种变异不能遗传。此外,确实存在一种短尾的小鼠，“短尾”的特性是可以遗传的,由存在于第17对染色体短臂上的T-t基因控制，与H-2基因连锁，T基因是野生型基因,呈显性，表现型为长尾；t基因是突变型,呈隐性，tt纯合子表现型为短尾。遗传的突破即是变异，变异的巩固即是遗传。没有变异，遗传只是生命的机械重复，生物不会进化。没有遗传，即使产生了变异，其特征也不会传给后代。因此遗传和变异是生物进化的根本动力。
二、染色体、基因和性状
(一) 染色体： 在细胞分裂当中， 用光学显微镜可观察到的丝状物就称为染色体(chromosome)。染色体的数目和形态因物种而异。染色体上排列着基因(gene)，DNA 与组蛋白和非组蛋白相结合所构成的染色体是细胞核的主要成分。不同种类的生物体，细胞核中DNA的含量差别很大；而同种生物体不同组织的体细胞,其细胞核中DNA 的含量却相同；性细胞核中DNA的含量只相当于体细胞核中的一半。动物的每一个体细胞均有两组同样的染色体叫二倍体，用2n表示。其中1对染色体与性别有关，称为性染色体(sex chromosome)，其余称常染色体(autosome)。性染色体是决定性别的染色体。在哺乳动物中，雌性染色体是由形状一样、大小相同的一对同源染色体组成，即XX；与此相反，雄性的性染色体是由一条X染色体和一条比它小的多的Y染色体组成，即XY。鸟类和鳞翅目昆虫，雄性的性染色体是由形状一样、大小相同的一对Z染色体(ZZ)组成,而雌性的性染色体则由Z染色体与另一形状和大小不同的W染色体(ZW)组成。
在常染色体当中，每两条形状、大小相同的染色体组成一对，就称其为同源染色体(homologous chromosome)。同源染色体的一方来自父体,另一方来自母体。不同对的染色体，形态和结构都不同，称异源染色体(heterologous chromosome)。
(二)基因：基因是细胞内染色体上DNA分子的一定片段, (约为500－1500个碱基对)是传递遗传信息的基本单位。在动物体细胞中,只有约1--2%的基因处于活动状态，可以转录mRNA,这些基因呈疏松状态存在;其余基因则与组蛋白结合成为非活动状态的高级螺旋。不同细胞有不同的活动基因和非活动基因谱, 这是细胞分化的基础。
(三)等位基因：基因以直线方式排列在染色体上，每个基因都有自己特定座位。凡在同源染色体上占据相同座位的基因，称等位基因(allele)。种群中一个座位的基因有两种或两种以上的变化形式，称为复等位基因(multiple alleles)。许多基因有复等位基因系列，这就使生物的群体有很大的变异性。这对生物的群体是有利的，多样化的个体便于适应不同环境条件。例如控制血型等免疫学性状的基因座位就属于复等位基因。
(四)性状: 性状是指在任何生物体中，可以观察到的形态、生理、生化或心理等特征。不同的性状是由起作用的基因在表达过程中与环境相互作用所产生的结果。
三、遗传基本定律
(一)分离定律：现以小鼠为例对这一定律进行说明。一对相对性状的小鼠( 粉红色眼睛的小鼠与褐色眼睛的小鼠)进行杂交试验。其杂交结果显示,第一代(F1)都是褐色眼睛小鼠,与其褐色眼睛亲代的性状一致。F1小鼠出现褐色眼睛性状,称为显性(dominant)性状，而F1小鼠未表现出来的粉红色眼睛性状，称为隐性(recessive)性状。
而在小鼠F1代雌雄个体相互交配产生的F2代身上，出现了亲代的粉红色眼睛和褐色眼睛两种色泽。若F2代有足够的数目,褐色眼睛小鼠与粉红色眼睛小鼠的比例则为3：1,这叫做分离定律。
我们假设在控制小鼠眼睛颜色的等位基因中，控制褐色眼睛的基因为P(呈显性),控制粉红色眼睛的基因为p(呈隐性)。纯种褐色眼睛小鼠体细胞中基因型是PP,纯种粉红色眼睛小鼠体细胞中基因型是pp；纯种褐色眼睛小鼠产生的性细胞(精子或卵子)中只含一个P基因；而纯种粉红色眼睛小鼠产生的性细胞(卵子或精子)中只有一个p基因；通过杂交使褐色眼睛小鼠性细胞中的P基因与粉红色眼睛小鼠性细胞中的p基因结合于同一受精卵中，在子代体细胞中控制眼色的等位基因全是Pp；由于P基因是显性基因，p基因的作用被P基因遮蔽，只能表现显性性状，因而子一代全部是褐色眼睛小鼠。
在子一代形成性细胞时，由于减数分裂，等位基因Pp又彼此分离，各自随机进入一个性细胞，因此子一代雄鼠产生两类精子：一类含P基因，一类含p基因。子一代雌鼠产生两类卵子：一类含P基因，另一类含p基因。这样，当子一代雄、雌鼠兄妹交配时，两类精子同两类卵子随机结合，形成PP、Pp和pp三种基因组合,其比例1：2：1。前两种基因组合虽然不同，但因P对p呈显性，所以Pp和PP一样，都表现显性性状(褐眼)；后一种基因组合由于只含p基因,因而表现隐性性状(粉红眼)。子二代中显性性状与隐性性状的比例应为3：1。
遗传学把个体各种性状的具体表现称为基因的表现型。把控制个体性状表现的基因组称为基因型。基因型是动物的遗传结构，通过杂交和分子生物学DNA 分析可以鉴别，表现型可以用肉眼看到或者可以借助于仪器测定。相同基因组成的基因型,称为纯合子,包括显性纯合子(如PP)和隐性纯合子(如pp)由不同基因组成的基因型，称为杂合子( 如Pp)，纯合子与纯合子交配，纯合子的性状可以稳定地遗传给下代，而杂合子相互交配,其后代将发生分离现象。
从上述一对相对性状的杂交试验可以看出，由一对显、隐性关系等位基因控制的相对性状，其遗传规律是：当两个纯种杂交时，子一代全为杂合子，只表现显性基因控制的性状(显性性状)；子一代自群交配时，一对等位基因在子一代性细胞形成过程中，彼此随机分离进入不同的性细胞中，通过性细胞在受精过程中的随机结合，基因又重组成对。子二代的基因型比例为1：2：1。表现型的分离比例是3：1。这就是分离定律。不过需要指出,性状的分离现象是错综复杂的，必须满足一定的条件。这些条件是:杂种F1产生的两种配子生活力和数量相同,两种配子相互结合时，受精过程没有选择性；F2的3种基因型个体到观察计数时为止存活率相等；相对的性状都是由一对等位基因控制的；等位基因内，一个基因对另一个基因的作用呈完全显性，而且不受性别和其他基因的干扰；F2个体要有一定多的数量。
(二)自由组合定律：如上所述，一对呈显、隐性关系的基因控制的性状按分离定律遗传。而两对或更多对性状又是怎样遗传的呢？现以家兔毛的颜色和长短为例，阐述如下。
有两个品种的家兔，一种是黑色短毛，另一种是褐色长毛。假设这两种家兔控制毛颜色和长短的基因都是纯合子，将两个品种的家兔杂交，结果如图2-1所示。
亲代 黑色短毛 × 褐色长毛
↓ (杂交)
F1代 黑色短毛
↓(F1♀♂自交)
F2代 黑色短毛 黑色长毛 褐色短毛 褐色长毛
只数 158 54 52 16
比例 9 ： 3 ： 3 ： 1
图2-1 两对基因的杂交表现规律
这些等位基因互相独立，各起自己的遗传作用，称为自由组合定律。自由组合定律对杂交结果的解释如下:
1. 决定毛色性状的基因是一对，用B表示黑色，b表示褐色。毛长、短性状是一对,用L表示短毛， l表示长毛。
2. 黑色短毛的基因型是BBLL,褐色长毛是bbll,两者杂交的F1代基因型为BbLl,表现型为黑色短毛,这是因为B和L为显性基因, b和l为隐性基因。
3. F1代的个体形成配子时,两对相对性状各自独立结合,互不干扰,无论精子还是卵子都可以有四种类型: BL、Bl、bL、bl。
4. 4种基因型的配子可以自由组合成数量相等的16种组合，归纳之后可有9 种基因型、4种表现型(如图2-2)。
5. 分离定律和自由组合定律的区别在于,前者是一对等位基因的分离，后者是非等位基因间的分离,并且这些非等位基因还必须位于不同的染色体上。
F1 精 子
│
│ BL Bl bL bl
──┼────────────────────────
BL│BBLL BBLl BbLL BbLl
│黑短 黑短 黑短 黑短
F1 │
Bl│BBLl BBll BbLl Bbll
卵 │黑短 黑长 黑短 黑长
│
子 bL│BbLL BbLl bbLL bbLl
│黑短 黑短 褐短 褐短
│
bl│BbLl Bbll bbLl bbll
│黑短 黑短 褐短 褐长
│
图2-2 两对基因的杂交结果
由此可见，自由组合定律是研究两对或两对以上相对性状遗传规律的。与分离定律杂交实验相比较，可以看出，若单独考虑由一对显、隐性基因控制的相对性状时，该两种性状在F2代的分离比例都是符合分离定律的3:1比例。若同时考虑两对性状，F2 代呈现9:3:3:1的比例，正好是数学公式(3 1)2的展开。可以证明若同时考虑n对性状时，F2代的各种表现型将呈(3 1)n展开。
实现自由组合定律子二代分离的规律也是有条件的，除了符合分离定律遗传应具有的各项条件之外，还有一条就是控制两对或更多对相对性状的等位基因不在同一条染色体上，而且各对等位基因不产生任何相互作用。
每种生物都带有很多对基因，由于不同的组合，可构成更多的遗传型和表现型。以致自然界里没有两个完全一样的个体。在实验动物育种中，人们可以利用基因重组的原理，用两个种、系动物杂交，扩大动物的杂合性，再连续近亲交配20代以上，即可培育出具有新的遗传结构的品系动物。
四、基因突变
每只动物都从它们的双亲获得两套基因，其中一套来自父亲，另一套来自母亲。每套中存在成千上万个基因，同时它们都能稳定地传给下一代。但在其过程中某个基因可能会偶然发生变异，即基因突变(mutation)。所谓基因突变就是DNA 分子长链上的碱基发生了改变或染色体上某一座位上的遗传物质发生了变异。
在自然条件下发生的突变称自然突变或自发突变(spontaneou mutation)。 用人工方法诱发的称为诱发突变(induced mutation)。突变存在普遍性，即影响各种性状的基因均可发生突变。突变可发生在性细胞或体细胞，但体细胞突变一般不能传给后代。
突变是可逆的，即由甲→乙，亦可乙→甲。前者称为正突变，后者称为回复突变。这一规律在实验动物学中很重要，当我们利用突变型动物时，如果保种工作不好，突变种有可能回复到野生型。
按突变对表现型的影响效果，可将其分为：
1. 可见突变 基因突变的效果可以从表现型观察到，例如小鼠的无毛突变；
2. 生化突变 例如小鼠遗传性糖尿病、免疫缺陷等；
3. 致死突变 如果是显性突变，只要有一个基因突变，个体就可发生死亡,如果是隐性致死基因，则必须有两个致死基因纯合才产生致死作用；
4. 条件致死突变 带有突变基因的个体在某些条件下是能成活的,而在另一些条件下是致死的。
动物发生基因突变后常常会导致相应的正常生理功能丧失，称其为病理缺陷，这种病理缺陷可以代代相传。突变的动物，如果能留种育成突变品系供某项特殊研究之用，就成为很有价值的“模型动物”。