第1章　遺傳學基本原理

現(xiàn)代遺傳學理論是從數(shù)據(jù)中推演出來的，而數(shù)據(jù)又是從含有一個或多個不同性狀的兩個個體雜交而來。現(xiàn)代遺傳學理論主要關注的是遺傳單元在個體后面幾代之間的分布情況。正如化學家和物理學家分別假設存在“看不見”的原子與電子，遺傳學專業(yè)的學生也假設存在“基因”（Gene）這種看不見的要素。這種類比的關鍵點在于，無論化學家還是遺傳學專業(yè)的學生（即“遺傳學家”），都是從定量數(shù)據(jù)中得出結論。對于一種理論，只有當它能夠支持我們用定量數(shù)據(jù)做出某種特定的預測時，這樣的理論才能站得住腳。這正是基因論與早期生物學理論在本質上的不同。早期的生物學理論雖然也假設了看不見的單元，卻對這些單元隨意指定了各種理想的性狀。相較之下，基因論扭轉了這種順序，將數(shù)據(jù)作為指定基因性狀的唯一依據(jù)。

孟德爾的兩條定律

現(xiàn)代遺傳學的奠基性理論，當屬格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）發(fā)現(xiàn)的兩條基本遺傳定律。本世紀（二十世紀）其他學者的后續(xù)努力，使我們朝同樣的方向深入探索，并使現(xiàn)代遺傳學理論日趨完善。關于孟德爾的發(fā)現(xiàn)，或許可以用幾個耳熟能詳?shù)睦蛹右哉f明。

孟德爾對食用豌豆的高株與矮株品種進行雜交。雜交產生的第一代子代（F1）全是高株（圖1）。F1代自花受精，其下一代中的高株與矮株比例為3：1。如果高株的生殖細胞中含有某種促成高株的東西，矮株的生殖細胞中也含有某種促成矮株的東西，那么兩者產生的雜種理應同時包含上述兩種東西。但由于雜種表現(xiàn)為高株，因此顯然證明當上述兩種東西合并時，高株為顯性性狀，矮株為隱性性狀。

孟德爾指出，第二代雜種中高株與矮株的3：1比例可以用非常簡單的假說加以解釋。當卵子與花粉粒[1]發(fā)育成熟時，如果分別促成高株或矮株的要素（兩者同時存在于雜種中）在雜種中發(fā)生分離，那么一半的卵子將包含促成高株的要素，另一半的卵子將包含促成矮株的要素（圖1）。花粉粒的情況也是如此。任何一個卵子偶然與任何一個花粉粒結合受精，平均將產生3個高株和1個矮株的比例。高株的要素遇上高株的要素將產生高株；高株的要素遇上矮株的要素將產生高株；矮株的要素遇上高株的要素將產生高株；矮株的要素遇上矮株的要素將產生矮株。

孟德爾用一個簡單的方法驗證了上述假說。他讓雜種與隱性型進行回交（Back-cross）。如果雜種的生殖細胞同時包含促成高株和矮株的兩種要素，那么前述回交產生的子代將出現(xiàn)同等數(shù)量的高株與矮株（圖2）。實驗結果也的確證實了上述猜想。

高株與矮株豌豆的關系，同樣存在于人類瞳孔顏色的遺傳過程中。藍眼睛的人與藍眼睛的人結合，孩子只可能是藍眼睛；棕眼睛的人與棕眼睛的人結合，如果兩人都只有一位棕眼睛的祖先，他們的孩子也只可能是棕眼睛的。如果一個藍眼睛的人與一個純棕眼睛的人結合，子女都將擁有棕色的眼睛（圖3）。這一類棕眼睛的人如果彼此結合，其子女的棕眼睛與藍眼睛比例將為3：1。

如果一個棕眼睛的雜種（即F1代棕藍）與一個藍眼睛的人婚配結合，那么他們的子女將有一半為棕眼睛，另一半為藍眼睛（圖4）。

其他一些雜交實驗或許更能說明孟德爾第一定律。例如，紅花紫茉莉與白花紫茉莉雜交，產生的雜種都開粉花（圖5）。如果讓這些粉花雜種自花受精，其子代（F2代）中的一部分將像祖代中的一方那樣開紅花，另一些像親代一樣開粉花，還有一些則像祖代中的另一方那樣開白花，紅花、粉花與白花三者比例為1：2：1。在紫茉莉的例子中，兩個紅花的生殖細胞相結合，子代將重現(xiàn)親代的一種初始花色；兩個白花的生殖細胞相結合，子代將重現(xiàn)親代的另一種初始花色；紅花與白花的生殖細胞相結合，子代將出現(xiàn)雜種的組合。從第二代的整體來看，有色花（包括紅花與粉花）與白花的比例為3：1。

這里有兩點事實值得注意。由于F2代中的紅花與白花個體分別含有促成紅花或白花的雙倍要素，因此我們預期這些個體可以真實遺傳[2]。然而，F(xiàn)2代中的粉花個體應該不能真實遺傳，因為它們同第一代雜種一樣，同時含有促成紅花和白花的一半要素（圖6）。實驗結果顯示，上述所有預測都是正確的。

到目前為止，以上實驗結果僅僅告訴我們，在雜種的生殖細胞中，來自父方的某種東西與來自母方的某種東西彼此發(fā)生了分離。單從這一項證據(jù)來看，我們或可將前述實驗結果解讀成：植物的紅花與白花性狀以整體的方式進行遺傳。

但是另一項實驗進一步闡釋了這個問題。孟德爾在實驗中用黃色圓粒的豌豆種子與綠色皺粒的豌豆種子雜交。此前，其他交叉實驗的結果已經(jīng)證實，豌豆種子的黃色和綠色是一對相對性狀（Contrasting Characters），兩者在第二代中的呈現(xiàn)比例為3：1。同理，圓粒和皺粒也是一對相對性狀。

豌豆雜交產生的子代都是黃色圓粒（圖7）。自交后，這些子代產生了四種個體，分別為：黃色圓粒、黃色皺粒、綠色圓粒與綠色皺粒，四者比例為9：3：3：1。

孟德爾指出，該實驗得出的數(shù)據(jù)只能有一種解釋，那就是黃色與綠色要素之間的分離、圓粒與皺粒要素之間的分離彼此獨立進行，互不干涉。由此，雜種必然有著四種組合的生殖細胞：黃色圓粒、黃色皺粒、綠色圓粒與綠色皺粒（圖8）。

如果上述四種胚珠（卵子）與四種花粉粒（精子）隨機受精，將產生16種可能的組合。黃色是顯性性狀，綠色是相對的隱性性狀；圓粒是顯性性狀，皺粒是相對的隱性性狀。由此，這16種組合將可歸成四類，以9：3：3：1的比例分布。

這項實驗的結果表明，我們不能再繼續(xù)假設父方與母方生殖細胞中的全部種質在雜種體內分離。因為在某些情況下，聯(lián)合參與雜交實驗的黃色圓粒性狀，在下一代中會分開出現(xiàn)。綠色皺粒性狀也是如此。

孟德爾還證明，三對（甚至四對）性狀參與雜交實驗，其分別對應的要素在雜種的生殖細胞里可以進行自由組合。

有鑒于此，我們似乎有理由認為，這個結論適用于任何雜交實驗，也不限定多少種性狀參與雜交實驗。也就是說，有多少種可能的性狀，種質中就對應有多少對獨立要素。但后續(xù)研究證實，孟德爾第二定律（又稱自由組合定律）存在一定的適用范圍限制，因為許多成對要素彼此之間不能自由組合，還有一些參與雜交實驗的聯(lián)合要素有在后代中繼續(xù)保持聯(lián)合的趨勢。這就是連鎖（Linkage）。

連鎖

1900年，孟德爾的研究論文重見天日。四年后，貝特森（Bateson）與龐內特（Punnett）[3]發(fā)表了他們就兩對獨立性狀的觀察結果，表示沒有從實驗中得出預期數(shù)據(jù)。例如，開紫花、結長形花粉粒的香豌豆與開紅花、結圓形花粉粒的香豌豆雜交，聯(lián)合參與雜交實驗的兩種性狀，在后代中竟然以更高的頻率聯(lián)合重現(xiàn)，這種重現(xiàn)頻率要高于“紫”“紅”“長”“圓”自由組合預期將出現(xiàn)的頻率（圖9）。貝特森與龐內特認為，之所以會出現(xiàn)上述結果，是因為分別來自父方和母方的“紫-長”組合與“紅-圓”組合互相排斥。今天，我們把這種關系稱為“連鎖”，指的是參與雜交實驗的某些聯(lián)合性狀傾向于穩(wěn)定聯(lián)合遺傳給后代的現(xiàn)象。用否定的語氣來說就是，某些成對性狀并不在對與對之間發(fā)生隨機的自由組合。

僅就連鎖而言，種質的劃分似乎有其限度。例如，黑腹果蠅（學名：Drosophila melanogaster）約有400種新的突變型，但這些突變型只能劃分為四個連鎖群。

在黑腹果蠅的四個連鎖群中，其中一個連鎖群據(jù)說是性連鎖的（Sex-linked），因為這群性狀的遺傳與果蠅的性別呈現(xiàn)出一定的相關性。這類性連鎖的突變性狀約有150種，其中一些影響果蠅眼的顏色，一些影響眼的形狀或大小，還有一些影響復眼[4]分布的規(guī)則程度。其他性連鎖的突變性狀與果蠅身體的顏色有關，另一些與翅膀的形態(tài)或翅脈的分布情況有關，還有的與覆蓋全身的剛毛有關。

黑腹果蠅的第二個連鎖群包括120種突變性狀，涉及全身各個部位，但都與第一個連鎖群的作用不同。

第三個連鎖群約有130種性狀，同樣涉及全身各個部位，與第一、第二個連鎖群的作用均不同。

第四個連鎖群較小，僅包含三種性狀：一種影響眼的大小，極端情況下可致眼部完全消失；另一種影響翅膀的承重方式；還有一種與體毛的長短有關。

下面這個例子可以說明連鎖性狀（Linked Characters）是如何遺傳的。一只雄蠅帶有四種連鎖性狀（同屬于第二個連鎖群），包括黑體、紫眼、殘翅與翅基斑點（圖10）。讓它與一只帶有相應正常性狀（灰體、紅眼、長翅、翅基無斑）的野生型雌蠅交配，產生的子代都是野生型。接著，讓其中一只子代雄蠅[5]與一只帶有四種隱性性狀（黑體、紫眼、殘翅、翅基斑點）的雌蠅交配，產生的孫代只有兩種表現(xiàn)型：一種像祖代的一方，帶有四種隱性性狀，另一種像祖代的另一方，帶有四種野生型性狀。

這里有兩組相對（或等位）的連鎖基因參與了雜交。雄性雜種的生殖細胞成熟后，其中一組連鎖基因進入一半的精子細胞，另一組等位的連鎖基因進入另外一半的野生型精子細胞。如前所述，通過雜交F1代雜種雄蠅與一只帶有四種隱性基因的純種雌蠅，即可印證上述機制的存在。雌蠅所有的成熟卵子都包含一組四種隱性基因。任何一個卵子，如果與帶有一組野生型顯性基因的精子結合，都應該會產生一只野生型果蠅。而任何一個卵子如果與帶有四種隱性基因（與這里采用的雌蠅基因相同）的精子結合，都應該會產生一只黑體、紫眼、殘翅、翅基斑點的果蠅。這兩種類型就是孫代果蠅能有的全部類型。

交換

一個連鎖群內的基因并不總像上文示例中的那樣完全連鎖。事實上，在同一次雜交產生的F1代雌蠅中，某一組隱性性狀可在一定程度上與另一組的野生型性狀發(fā)生交換。但即便如此，由于結合的時候往往多于交換的時候，因此它們仍可以說是連鎖的。這種交換現(xiàn)象被稱為“交換”（Crossing-over），即在兩個相對應的連鎖組之間，可能會發(fā)生大量基因的有序交換。理解這個過程對于理解這本書后面要談的內容十分重要，因此以下舉幾個例子來更好地說明“交換”。

一只帶有兩種隱性突變性狀（黃翅、白眼）的雄蠅與一只帶有野生型性狀（灰翅、紅眼）的雌蠅交配，產生的F1子代不論雌雄均為灰翅、紅眼（圖11）。如果讓F1代中的一只雌蠅與一只帶有兩種隱性性狀（黃翅、白眼）的雄蠅交配，則F2代將包括四種類型。其中兩種與祖代一樣，都是黃翅、白眼或灰翅、紅眼，兩者約占F2代數(shù)量的99%。這些聯(lián)合進入雜交實驗的性狀，以高于孟德爾第二定律預測的概率在后代身上聯(lián)合重現(xiàn)。除了上述兩種類型外，F(xiàn)2代中還有另外兩種類型（圖11）。其中一種為黃翅、紅眼，另一種為灰翅、白眼，兩者約占F2代數(shù)量的1%。它們就是所謂的“交換型”，代表兩個連鎖群之間發(fā)生了基因交換。

另一項類似實驗研究的也是上述性狀，只是將這些性狀進行了不同的重組。如果一只黃翅、紅眼的雄蠅與一只灰翅、白眼的雌蠅交配，其F1代中的雌蠅將全部為灰翅、紅眼（圖12）。讓F1代中的一只雌蠅與帶有兩種隱性性狀（黃翅、白眼）的雄蠅交配，則F2代也將包括四種類型。其中兩種與祖代一樣，約占F2代數(shù)量的99%。另外兩種為重新組合而成的交換型，一種為黃翅、白眼，另一種為灰翅、紅眼，兩者約占F2代數(shù)量的1%。

以上結果表明，同樣的性狀無論在雜交時采用怎樣的組合方式，都將發(fā)生等量的交換率。兩種隱性性狀聯(lián)合參與雜交，它們在后代身上有聯(lián)合重現(xiàn)的傾向。這種關系被貝特森與龐內特稱為“偶聯(lián)”（Coupling）。如果兩種隱性性狀分別來自父方和母方，則它們有在后代身上分別重現(xiàn)的傾向（各自與其聯(lián)合參與雜交的顯性性狀進行組合）。這種關系被稱為“互斥”（Repulsion）。但前述兩項交叉實驗的結果顯然表明，偶聯(lián)與互斥關系并非兩種孤立存在的現(xiàn)象，而是同一現(xiàn)象的不同表現(xiàn)方式。換言之，兩種連鎖性狀參與雜交時，無論它們是顯性還是隱性性狀，總是呈現(xiàn)出聯(lián)合重現(xiàn)的趨勢。

其他性狀的交換率各有不同。例如，一只帶有兩種突變性狀（小翅、白眼）的雄蠅與一只野生型（長翅、紅眼）雌蠅交配（圖13），產生的后代均為長翅、紅眼。讓F1代中的一只雌蠅與小翅、白眼的雄蠅交配，將產生四種類型的F2代。其中兩種與祖代一樣，約占F2代數(shù)量的67%。另外兩種交換型約占F2代數(shù)量的33%。

以下實驗中的性狀交換率還要更高一些。一只白眼、叉剛毛的雄蠅與一只野生（紅眼，直毛）型雌蠅交配（圖14），產生的后代均為直毛、紅眼。讓F1代中的一只雌蠅與叉剛毛、白眼的雄蠅交配，將產生四種類型的F2代。其中兩種與祖代一樣，約占F2代數(shù)量的60%。另外兩種交換型約占F2代數(shù)量的40%。

關于基因交換的研究已經(jīng)顯示了所有可能發(fā)生的交換率，最高者可達近50%。如果交換率正好為50%，則其數(shù)據(jù)結果將與自由組合時的情況一樣。也就是說，盡管兩種性狀屬于同一個連鎖群，我們也不會觀察到它們之間的連鎖現(xiàn)象。不過，它們屬于同一連鎖群的關系，仍可從它們與該連鎖群中第三種性狀的共同連鎖看出。如果發(fā)現(xiàn)交換率高于50%，就會出現(xiàn)所謂的“反向連鎖”（Inverted Linkage）現(xiàn)象。此時，交換型的發(fā)生率將高于祖代型的發(fā)生率。

雌蠅體內基因的交換率總是低于50%，源于另一種名為“雙交換”（Double Crossing-over）的現(xiàn)象。雙交換指的是雜交實驗中的兩對基因之間發(fā)生了兩次交換。結果是我們觀察到的交換情形變少，因為第二次交換抵消了第一次交換的效果。關于這一點，我們將在下面的內容中加以解釋。

許多基因在交換過程中同時交換

上面的交換案例只研究了兩對性狀。相應證據(jù)僅與參與雜交的兩對基因有關，且兩對基因之間僅發(fā)生了一次交換。為了解別處（即連鎖群內剩余部分）發(fā)生了何種頻次的交換，我們有必要把連鎖群覆蓋的性狀全部包括進來。例如，一只雌蠅同時帶有第一連鎖群包含的9種性狀，即鱗甲、棘眼、橫脈缺失、截翅、棕褐色剛毛、朱紅眼色、暗紅眼色、叉剛毛與截剛毛。先讓這只雌蠅與一只野生型雄蠅交配，再讓F1代雌蠅（圖15）與帶有同樣多個隱性性狀的雄蠅回交，產生的F2代將出現(xiàn)各式各樣的交換型。倘若交換發(fā)生在連鎖群的中部位置（介于朱紅色眼與暗紅色眼之間）附近，則F2代的情況將如圖16所示。從圖上可以看出，這個連鎖群的兩個完整半邊之間發(fā)生了交換。

從其他案例來看，交換也可以發(fā)生在端點附近（如棘眼與橫脈缺失之間）。相應結果如圖17所示。發(fā)生交換的只有兩個基因序列的短端。每當交換發(fā)生時，都會經(jīng)過同樣的過程。盡管一般只有交換點兩側基因的交換能夠被觀察到，但其實整個基因序列都發(fā)生了交換。

當雙交換同時發(fā)生在兩個水平面上時（圖18），涉及的基因也很多。例如，仍是在上述兩個基因序列中，一次交換應當發(fā)生于截翅與棕褐色剛毛之間，另一次交換應當發(fā)生于暗紅色眼與叉剛毛之間。此時，兩個基因序列中部的所有基因都發(fā)生了交換。若該區(qū)域沒有突變基因可供標記，那么由于兩個基因序列的兩端與起始狀態(tài)一樣，這個雙交換現(xiàn)象將無法被觀察到，從而使我們無從知曉雙交換已然發(fā)生。

基因的直線排列

不言而喻，兩對基因互相靠近時，距離越近，兩者之間發(fā)生交換的概率越低；距離越遠，則兩者之間發(fā)生交換的概率也越高。基于這種關系，我們可以求出任意兩對基因間的相對“距離”。有了這種信息，我們便可以畫出連鎖群內基因序列的相對位置圖。已經(jīng)有人畫出了果蠅所有連鎖群的這類圖表（如圖19所示），但它們僅代表目前所能得到的測算結果。

在以上關于連鎖與交換的示例中，基因看起來像是直線排列的，如同串在一條線上的珠子。事實上，交換研究的數(shù)據(jù)顯示，基因的直線排列方式是唯一能與研究結果吻合的排列方式。下面就以一個例子來說明。

假設在所有情形下，黃翅與白眼的交換率為1.2%，然后用同一連鎖群的第三個基因（如二裂翅）來測試白眼，發(fā)現(xiàn)黃翅與白眼的交換率為3.5%（圖20）。如果二裂翅與白眼在同一條直線上，且二裂翅在白眼的一側，則我們預期二裂翅與黃翅的交換率將為4.7%。但如果二裂翅在白眼的另一側，則二裂翅與黃翅的交換率應該為2.3%。現(xiàn)實結果顯示，二裂翅與黃翅的交換率正是4.7%這個數(shù)值。因此，我們才把二裂翅放在圖中白眼的下方。每當一種新性狀與同一連鎖群其他兩種性狀進行比較時，都會出現(xiàn)這種結果。研究發(fā)現(xiàn)，新性狀與其他兩個已知因子的交換率，要么是其他兩個交換率之和，要么是其他兩個交換率之差。這便是我們所熟知的直線上各點之間的關系，由此證明基因呈直線排列。到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)基因存在其他類型的空間關系能滿足所有這些條件。

基因論

現(xiàn)在，我們有理由構建起基因論。該理論認為，個體的種種性狀都可歸結于種質中的成對要素（即基因），有限數(shù)量的基因又共同構成一個個連鎖群。根據(jù)孟德爾第一定律，生殖細胞成熟時，其中的每對基因都會彼此發(fā)生分離，由此造成每個生殖細胞只含半數(shù)基因。根據(jù)孟德爾第二定律，屬于不同連鎖群的基因可以進行自由組合。有時，相應兩個連鎖群間的基因會發(fā)生有序的交換。交換率證明每個連鎖群中的基因呈直線排列，并揭示每個基因所處的相對位置。

我貿然將以上原理統(tǒng)稱為基因論，認為它能幫助我們從嚴格的數(shù)理基礎上解決遺傳學問題，并使我們得以相當準確地預測任何既定情況下會發(fā)生什么。有鑒于此，基因論可以說是完全符合了科學理論的要求。