生命週期和減數分裂
子代從親代遺傳染色體，得到基因
gamete(配子)是帶著基因到下一代的載體
locus(基因座、基因位點):染色體上的固定位置，例如某個基因的所在，而基因座上DNA的各種變化形式，稱為allele(等位基因)
無性生殖和有性生殖
無性:例如hydra(水螅)的出芽生殖
*bud:metosis(有絲分裂)細胞的局部，會發展成一個小的水螅，之後脫離母體
sexual life cycle:受精和meiosis(減數分裂)交替進行
在減數分裂期間，染色體的套會減半，但在受精時又增加一倍
父親和母親分別減數分裂產生配子(n=23)→配子經過受精後，產生zygote(合子，2n=46)→合子經過有絲分裂產生體細胞，並發育
*fertilization:配子細胞核的結合，產生的受精卵又稱為合子
*life cycle(從受孕到生產)
karyotype(核型) 長度、centromere(著絲粒)位置和染色模式都一樣的染色體，會被排在一起，稱為同源染色體，從最長的染色體依序排下去
*同源染色體控制一樣的性狀
性染色體
人體有22對體染色體
2n=46:有兩套，一套所含的染色體數是23
*姊妹染色分體:複製後、長度差不多的一對染色分體→sister chromatid cohesion
*同源染色體指的是不同set之間，例如:分別來自父親和母親
三種sexual life cycle(都是精卵結合和減數分裂的交替，造成遺傳變異，差在事件進行的時間)
1.動物 產生配子後，在受精前，不再會有細胞分裂
經過減數分裂產生配子→受精產生合子→經有絲分裂發育成多細胞
2.植物或藻類 alternation of generation
sporophyte(孢子體)經過減數分裂產生Spores(孢子，n)→經有絲分裂產生gametophyte(pollen grain配子體，n，多細胞)→有絲分裂產生配子→兩個配子結合，產生2n的合子→合子經有絲分裂產生孢子體
3.真菌或原生生物
配子結合後，形成2n的合子→合子並沒有直接發育，而是進行減數分裂，產生單細胞或多細胞的n→進一步進行有絲分裂，產生的細胞會發育成配子
*只有2n可以進行減數分裂
*有絲分裂產生2個子細胞，減數分裂產生4個子細胞
減數分裂分兩期(總共分裂兩次)
interphase(間期):染色體複製成2n
第一期 同源染色體分離(等位基因分離)
n，兩個細胞
Prophase I(前期I)
-centrosome(中心體)移動
-spindle(紡錘體)形成
-核封套破裂*有絲分裂也會
*染色體在整個前期逐漸濃縮
*在前期I的早期、上述階段之前，每個染色體會基因對基因、與其同源物配對，並且發生crossing over(互換)：非姊妹染色分體會被破壞，並重新結合
*chiasmata(交叉):形成於一對同源染色體之間，是發生互換的位置
-在前期I的後來，來自其中一極的microtubule(微管)會附著在kinetochore(著絲點)上，另一極的則會附著在每個同源物的centomere(中節)上
*姊妹分體上的兩個著絲點，會被蛋白接在一起，所以看起來只有一個
-微管將同源對移向中期板
Metaphase I(中期I):染色體以同源對為基準，排排站
-成對的同源染色體被排在中期板，各自面對著其中一極
-同源染色體的兩個分體，會被接在其中一極的著絲點微管上
-另外一組同源染色體的分體，則會接在另一極的微管上
*核型通常呈現的是中期的染色體
Anaphase I(後期I) :同源染色體分離
-沿著染色單體的arm、負責黏著姊妹分體，幫助同源體分離的蛋白，會被分解
-同源染色體，在紡錘體的引導下，往相反的極移動
-姊妹分體再中節的的cohesion仍然存在，使其成為一個單位，往同一極移動
Telophase I(末期I)和Cytokinesis(Cytokinesis):形成兩個n的細胞
-每個染色體仍然具有兩個姊妹分體
-細胞的每一半都有完整的單套、複製的染色體
-每條染色體都由兩個姊妹分體所組成
-具有一個或是兩個包含非姊妹分體的染色體
-Cleavage furrow(卵裂溝)
第二期 姊妹染色體分離
n，四個細胞
Prophase II
-形成紡錘體
-較晚的時候，被centromere(中節)連接的染色分體，會被微管移往中期II的中期板
Metaphase II
-染色體如同有絲分裂，被放在中期板
-因為有絲分裂第一期發生的互換，兩個姐妹染色分體並不帶有一樣的遺傳訊息
-姊妹染色體的著絲點被附著在不同極的微管
Anaphase II
-分解固定姊妹分體的蛋白質(cohesin)
-姊妹染色體正式移向不同極
Telophase II(末期II)和Cytokinesis(細胞質分裂):
-細胞核形成
-染色體去濃縮
-細胞質分裂
互換和synapsis(聯會)
-發生在前期I
-在間期之後，染色體已被複製，姊妹分體被cohesin拉在一起
-兩個非姊妹分體，會在幾乎同樣的位置斷裂
-染色體開始濃縮
→拉鏈狀的聯會複合體開始形成，將同源染色體拉在一起，染色體持續濃縮
→聯會複合體已完全形成，此時的同源染色體，被稱為處於聯會
→先前的DNA斷裂，可能會接上，在chiasmata發生互換
→在聯會複合體被拆掉後，同源染色體稍微分開，不過因為姊妹分體的cohesion仍然存在，還是保持附著
→染色體一邊濃縮，一邊往中期I的中期板移動
→cohesin被分解，同源體和組合染色體會分離→最後的子細胞中，會出現組合染色體
比較有絲分裂和減數分裂
-兩個產生的子細胞數目不同
只有減數分裂會發生
-聯會和互換 prophase I
-同源染色體成對地排列在中期板 metaphase I
*有絲分裂中，染色體是一個個獨立排列在中期板
-同源染色體的分離 anaphase I
*有絲分裂的anaphase時，姊妹分體會分離
<共通點>
-兩個都在間期發生複製，減數分裂只複製一次
遺傳變異的來源: 獨立分配律、互換、配子隨機結合
孟德爾遺傳
孟德爾利用豌豆，提出等位基因的觀念，一個性狀由兩個等位基因決定
*試交 待測的個體與表現型為隱性的個體交配
*互交 互換親代性別
*雜交 針對某表現型，以不同表徵（對偶性狀）的個體進行交配。例如黃色豌豆與綠色豌豆的交配
*純品系自花授粉好幾代，每一代都和親代出現同樣的性狀，即決定某一種性狀的基因型為同型合子
*phenotype(表型)和genotype(基因型)
兩個遺傳法則 與機率有關
1.分離律 根據一對因子雜交得到
(1)生物的遺傳性狀由基因所控制，其等位基因有兩種:顯性和隱性
(2)個體內控制一種性狀的基因，是兩個成對存在，也就是同源染色體。當形成配子時，同源染色體會互相分離至配子中
(3)當顯性基因和隱性基因相遇時，只有顯性性狀才能表現出來
*可用Punnett square表示
2.獨立分配律 根據二對因子雜交得到
(1)形成配子時，一對基因的分離，對另一對基因的分離沒有影響
(2)形成配子時，非等位基因間會互相組合而同至一配子中
不遵守孟德爾遺傳定律的例子
1.dominance的程度:不是完全顯性和隱性
例如:紅花和白花產生粉紅花→incomplete dominance
例如:人類血型→codominance(共顯性)
*ABO血型的等位基因，帶有特定碳氫化合物的編碼，以致於O型血球上沒有碳氫化合物
pleiotropy
-在不同生命層級，dominance的程度可能不同
例如Tay-Sachs disease(戴薩克斯症，不能代謝特定脂質，脂肪的堆積會導致失明等症狀)
-顯性族群不一定比隱性多
-pleiotropy(基因多效性) 單一個基因，可能決定多種性狀
2.多於兩個等位基因
-epistasis(上位效應) 其中一個基因座的表現，會影響另一個基因座
-polygenic inheritance(多基因遺傳) quantitative character
*性狀的決定是multifactorial(多因子的)，除了先天因素，後天也影響很大，例如繡球花的顏色與酸鹼的關係
Pedigree Analysis(系譜分析):追蹤某一特定性狀
1.先判斷顯隱性(父母沒得病，小孩卻得病，代表是顯性)
*因為如果是隱性疾病，且父母雙方都帶有隱性，其所產生的所有子代應該都要得病
體染色體遺傳－性染色體遺傳
隱性遺傳疾病
顯性遺傳疾病
多因子疾病，例如心臟病、糖尿病、癌症等
基因檢測
amniocentesis(羊膜穿刺術):懷孕15週後，可從羊水取樣→將樣本離心→放置數小時後，可直接做生化檢測，或將細胞培養數週後，再進行核型檢測
chorionic villus sampling (CVS絨毛取樣術):懷孕10週後，可以使用管子刺入cervix(子宮頸)，從絨毛膜絨毛取樣→樣本可立即用作生化或核型檢測
染色體作為遺傳物質
chromosome theory of inheritance(染色體遺傳學說)
-Boveri和Sutton在各別的研究中得到相同的結論
-他們認為染色體在細胞分裂中的行為與孟德爾的遺傳因子有關
-1. 兩者在體細胞中都成對存在,在生殖細胞中則是單獨存在的
-2. 成對的染色體在細胞減數分裂時彼此分離,進入不同的子細胞中,不同對染色體或遺傳因子可以自由組合
Morgan選擇果蠅
結論 決定眼睛和性別的基因，是綁在一起的
性聯遺傳
4種性別決定系統
1.X-Y
2.X-0，有XX(雄)和X(雌)兩種，如:蚱蜢、蟑螂和其他昆蟲
3.Z-W，有ZW(雌)和ZZ(雄)，如:鳥類、魚類、昆蟲類
4.單倍體-多倍體，沒有性染色體，雄性從單倍體的未受精卵中誕生，例如:蜜蜂和螞蟻
X聯疾病，例如Duchenne muscular dystrophy(肌肉營養不良症)、色盲(X聯隱性)、血友病(X聯隱性)
*男性只要X上有該基因，就會得病，女性必須要有兩個隱性基因
X染色體去活化
雌性哺乳類細胞中兩條X染色體的其中之一失去活性的現象
-使雌性不會因為擁有兩個X染色體而產生兩倍的基因產物，因此可以像雄性般只表現一個X染色體上的基因
Barr body(巴氏體)
-失活的X染色體會在細胞核內形成一種構造上不連續的巴爾氏體，因為分布於細胞核的邊緣地帶，在細胞週期中將會較晚被複製
例如三花貓，雌性的兩個X同源染色體，分別帶有決定橘毛根黑毛的基因，去活化現象會隨機選擇顏色
連鎖基因，因為位置接近，傾向一起被遺傳
-果蠅的體色和大小
genetic map
linkage map(遺傳圖):顯示基因在染色體上的相對位置
-根據recombination frequencies(重組頻率)
染色體數目異常
meiotic nondisjunction(染色體不分離):無論發生在第一期或第二期，都會造成配子中，染色體數目的異常
*染色體不分離的現象，發生在Anaphase I，有最高機率的會產生異常染色體數目的配子。因為第一次減數分裂若發生染色體不分離，所產生的子細胞都是異常染色體數目，而第二次減數分裂若發生染色體不分離，只有50%的子細胞為異常染色體數目
*aneuploidy(非整倍體):異常配子與正常配子結合
*monosomic=2n-1
*trisomic=2n+1
染色體結構異常
刪除
ABC"D"E/FGH→ABCE/FGH
複製
A"BC"DE/FGH→A"BCBC"DE/FGH
倒轉
A"BCD"E/FGH→A"DCB"E/FGH
易位
將部分轉移到非同源染色體
*reciprocal translocation:易位的其中一種，非同源染色體間會互相交換片段
*nonreciprocal:不會互相交換，只有其中一方會給出
與染色體異常相關的疾病
有些遺傳模式不遵守孟澤爾遺傳
Genomic Imprinting(基因銘印):只有來自特定親代的基因得以表達
-例如一種製造類胰島素的生長因子IGF-2的基因，只有來自父親的等位基因能夠表現
*因為來自母親的IGF-2基因不表達，所以就算發生突變，也不影響個體大小
-發生在配子形成時，導致特定基因的沉默
核酸
Life’s operating Instructions
16.1 DNA is the genetic material
遺傳物質
細菌的S strain會對老鼠致病，因為該細胞帶有外膜，使它們不受老鼠的免疫系統影響，而R strain不會致病
Griffith將S strain加熱後，加入正常的R strain→會導致老鼠死亡
*因為S strain中帶有某種物質，使得R strain被轉化為致病菌株
*transformation:由於細胞對外部DNA的同化，使基因型和表型發生了變化
嗜菌體
Additional Evidence That DNA Is the Genetic Material
Building a Structural Model of DNA: Scientific Inquiry
transformation
16.2 Many proteins work together
in DNA replication and repair
The Basic Principle: Base Pairing to a Template Strand
DNA Replication: A Closer Look
Proofreading and Repairing DNA
Evolutionary Significance of Altered DNA Nucleotides
Replicating the Ends of DNA Molecules
16.3 A chromosome consists of a
DNA molecule packed together
with proteins
基因表現
the Flow of Genetic Information
17.1 Genes specify proteins via
transcription and translation
Evidence from Studying Metabolic Defects
Nutritional Mutants in Neurospora: Scientific Inquiry
Basic Principles of Transcription and Translation
The Genetic Code
17.2 Transcription is the DNA-directed
synthesis of RNA: a closer look
Molecular Components of Transcription
Synthesis of an RNA Transcript
17.3 Eukaryotic cells modify RNA after
transcription
Alteration of mRNA Ends
Split Genes and RNA Splicing
17.4 Translation is the RNA-directed
synthesis of a polypeptide:
a closer look
Molecular Components of Translation
Building a Polypeptide
Completing and Targeting the Functional Protein
Making Multiple Polypeptides in Bacteria and Eukaryotes
17.5 Mutations of one or a few
nucleotides can affect protein
structure and function
Types of Small-Scale Mutations
New Mutations and Mutagens
What Is a Gene? Revisiting the Question
基因調控
Beauty in the eye of the Beholder
18.1 Bacteria often respond
to environmental change
by regulating transcription
Operons: The Basic Concept
Repressible and Inducible Operons: Two Types of Negative Gene Regulation
Positive Gene Regulation
18.2 Eukaryotic gene expression
is regulated at many stages
Differential Gene Expression
Regulation of Chromatin Structure
Regulation of Transcription Initiation
Mechanisms of Post-Transcriptional Regulation
18.3 Noncoding RNAs play multiple
roles in controlling gene expression
Effects on mRNAs by MicroRNAs and Small Interfering RNAs
Chromatin Remodeling and Effects on Transcription by ncRNAs
The Evolutionary Significance of Small ncRNAs
18.4 A program of differential gene
expression leads to the different
cell types in a multicellular
organism
A Genetic Program for Embryonic Development
Cytoplasmic Determinants and Inductive Signals
Sequential Regulation of Gene Expression During Cellular Differentiation
Pattern Formation: Setting Up the Body Plan
18.5 Cancer results from genetic
changes that affect cell cycle
control
Types of Genes Associated with Cancer
Interference with Normal Cell-Signaling Pathways
The Multistep Model of Cancer Development
Genomics, Cell Signaling, and Cancer
Inherited Predisposition and Environmental Factors Contributing to Cancer
The Role of Viruses in Cancer
DNA技術
nucleic acid hybridization(核酸雜交)
DNA定序:gDNA被切碎→從碎片中選300個鹼基對→用PCR大量複製碎片，其中一股的5’會被bead抓住→最終，會在bead上形成數萬個ssDNA的copy(會被用作模板股)→將bead放入井→DNA聚合酶和primer會與模板股的3’雜合→multiwell plate
Using Restriction Enzymes to Make a Recombinant DNA Plasmid
Amplifying DNA: The Polymerase Chain Reaction (PCR) and Its Use in DNA Cloning
Expressing Cloned Eukaryotic Genes
19.2 Biologists use DNA technology
to study gene expression
and function
Analyzing Gene Expression
Determining Gene Function
19.3 Cloned organisms and stem cells
are useful for basic research
and other applications
Cloning Plants: Single-Cell Cultures
Cloning Animals: Nuclear Transplantation
Stem Cells of Animals
19.4 The practical applications of
DNA-based biotechnology affect
our lives in many ways
Medical Applications
Forensic Evidence and Genetic Profiles
Environmental Cleanup
Agricultural Applications
Safety and Ethical Questions Raised by DNA Technology
基因體
Reading the Leaves from the tree of Life
人類基因體計畫
whole-genome shotgun approach(全基因體散彈)
將DNA切碎→在質體隨機的DNA片段在質體中被複製→片段被定序→將片段定序得到的資料，比對、組織成完整
*Metagenomics(總體基因體學):直接取得環境中所有遺傳物質
*gene annotation(基因註釋):利用生物資訊學方法和工具，對基因的功能進行高通量注釋
*蛋白質體學，與系統生物學有關
-多細胞真核生物，具有很多noncoding DNA，例如intron、調節基因、repetitive DNA 、pseudogene
*pseudogene:最初是功能對生物生存並非必要的基因。隨著突變的積累，出現編碼區提前出現終止密碼子、移碼突變等情況，逐漸變爲無功能的假基因
可動遺傳因子
1.DNA轉座子:利用cut-and-paste移動
2.retrotransposon(反轉錄轉座子):利用RNA中間產物，進行copy-and-paste移動
-合成ssRNA中間物→反轉錄酶合成RNA的DNA互補股(第一個)→反轉錄酶再核成與第一個DNA互補的股，這就是可動的retrotransposon
-反轉錄病毒的複製週期，運用到以上的過程
*以上兩種都需要酵素transposase
*simple sequence DNA(簡單重複序列):兩個或多個核苷酸重複排列，且不同的重複序列相鄰
-長度約2到10個鹼基對
-常見於非編碼的內含子中
*short tandem repeat=STR
*multigene families
*exon shuffling
*evo-devo
*homeobox(同源框)-某些影響動物、真菌及植物發育的基因所擁有的一段DNA序列
Homeotic基因控制AP軸的發育
*Hox基因