實驗動物的遺傳學原理

一、遺傳與變異
生存與繁殖是生物體的兩個基本特征，生物體在自然界中生存，不僅需要維持生命,進行正常的新陳代謝活動，而且需要繁殖，產生與自己相似的個體，以保證物種世代延續。這種后代在形態、生理、生化等方面的特征與親代的一致性，稱為遺傳。遺傳現象是生物界的一個普遍現象。但在實踐中，若仔細地檢查子代的各方面特性，就可以發現或多或少在某些方面與親代不一樣，子代的個體間也存在著差異。最常見的如子代的身長、體重與它們雙親不一致；正常的健康群中出現的生理缺陷，如侏儒、小耳、白化、無胸腺等病態。這種后代與親代或者兄弟、姐妹間的不一致性，稱為變異。
變異有不同的類型，有的可以遺傳，有的不能遺傳。凡是遺傳物質發生變化的變異可以遺傳。反之，遺傳物質沒有改變的變異則不能遺傳。例如，將鼠的尾巴截去造成人為變異，即短尾, 但這種小鼠的后代仍是長尾, 這種截尾的實驗連續進行20代，結果后代仔鼠依然是長尾。由此說明，截尾雖然可以產生變異，但沒有改變鼠的遺傳物質，所以這種變異不能遺傳。此外,確實存在一種短尾的小鼠，“短尾”的特性是可以遺傳的,由存在于第17對染色體短臂上的T-t基因控制，與H-2基因連鎖，T基因是野生型基因,呈顯性，表現型為長尾；t基因是突變型,呈隱性，tt純合子表現型為短尾。遺傳的突破即是變異，變異的鞏固即是遺傳。沒有變異，遺傳只是生命的機械重復，生物不會進化。沒有遺傳，即使產生了變異，其特征也不會傳給后代。因此遺傳和變異是生物進化的根本動力。
二、染色體、基因和性狀
(一) 染色體： 在細胞分裂當中， 用光學顯微鏡可觀察到的絲狀物就稱為染色體(chromosome)。染色體的數目和形態因物種而異。染色體上排列著基因(gene)，DNA 與組蛋白和非組蛋白相結合所構成的染色體是細胞核的主要成分。不同種類的生物體，細胞核中DNA的含量差別很大；而同種生物體不同組織的體細胞,其細胞核中DNA 的含量卻相同；性細胞核中DNA的含量只相當于體細胞核中的一半。動物的每一個體細胞均有兩組同樣的染色體叫二倍體，用2n表示。其中1對染色體與性別有關，稱為性染色體(sex chromosome)，其余稱常染色體(autosome)。性染色體是決定性別的染色體。在哺乳動物中，雌性染色體是由形狀一樣、大小相同的一對同源染色體組成，即XX；與此相反，雄性的性染色體是由一條X染色體和一條比它小的多的Y染色體組成，即XY。鳥類和鱗翅目昆蟲，雄性的性染色體是由形狀一樣、大小相同的一對Z染色體(ZZ)組成,而雌性的性染色體則由Z染色體與另一形狀和大小不同的W染色體(ZW)組成。
在常染色體當中，每兩條形狀、大小相同的染色體組成一對，就稱其為同源染色體(homologous chromosome)。同源染色體的一方來自父體,另一方來自母體。不同對的染色體，形態和結構都不同，稱異源染色體(heterologous chromosome)。
(二)基因：基因是細胞內染色體上DNA分子的一定片段, (約為500－1500個堿基對)是傳遞遺傳信息的基本單位。在動物體細胞中,只有約1--2%的基因處于活動狀態，可以轉錄mRNA,這些基因呈疏松狀態存在;其余基因則與組蛋白結合成為非活動狀態的高級螺旋。不同細胞有不同的活動基因和非活動基因譜, 這是細胞分化的基礎。
(三)等位基因：基因以直線方式排列在染色體上，每個基因都有自己特定座位。凡在同源染色體上占據相同座位的基因，稱等位基因(allele)。種群中一個座位的基因有兩種或兩種以上的變化形式，稱為復等位基因(multiple alleles)。許多基因有復等位基因系列，這就使生物的群體有很大的變異性。這對生物的群體是有利的，多樣化的個體便于適應不同環境條件。例如控制血型等免疫學性狀的基因座位就屬于復等位基因。
(四)性狀: 性狀是指在任何生物體中，可以觀察到的形態、生理、生化或心理等特征。不同的性狀是由起作用的基因在表達過程中與環境相互作用所產生的結果。
三、遺傳基本定律
(一)分離定律：現以小鼠為例對這一定律進行說明。一對相對性狀的小鼠( 粉紅色眼睛的小鼠與褐色眼睛的小鼠)進行雜交試驗。其雜交結果顯示,第一代(F1)都是褐色眼睛小鼠,與其褐色眼睛親代的性狀一致。F1小鼠出現褐色眼睛性狀,稱為顯性(dominant)性狀，而F1小鼠未表現出來的粉紅色眼睛性狀，稱為隱性(recessive)性狀。
而在小鼠F1代雌雄個體相互交配產生的F2代身上，出現了親代的粉紅色眼睛和褐色眼睛兩種色澤。若F2代有足夠的數目,褐色眼睛小鼠與粉紅色眼睛小鼠的比例則為3：1,這叫做分離定律。
我們假設在控制小鼠眼睛顏色的等位基因中，控制褐色眼睛的基因為P(呈顯性),控制粉紅色眼睛的基因為p(呈隱性)。純種褐色眼睛小鼠體細胞中基因型是PP,純種粉紅色眼睛小鼠體細胞中基因型是pp；純種褐色眼睛小鼠產生的性細胞(精子或卵子)中只含一個P基因；而純種粉紅色眼睛小鼠產生的性細胞(卵子或精子)中只有一個p基因；通過雜交使褐色眼睛小鼠性細胞中的P基因與粉紅色眼睛小鼠性細胞中的p基因結合于同一受精卵中，在子代體細胞中控制眼色的等位基因全是Pp；由于P基因是顯性基因，p基因的作用被P基因遮蔽，只能表現顯性性狀，因而子一代全部是褐色眼睛小鼠。
在子一代形成性細胞時，由于減數分裂，等位基因Pp又彼此分離，各自隨機進入一個性細胞，因此子一代雄鼠產生兩類精子：一類含P基因，一類含p基因。子一代雌鼠產生兩類卵子：一類含P基因，另一類含p基因。這樣，當子一代雄、雌鼠兄妹交配時，兩類精子同兩類卵子隨機結合，形成PP、Pp和pp三種基因組合,其比例1：2：1。前兩種基因組合雖然不同，但因P對p呈顯性，所以Pp和PP一樣，都表現顯性性狀(褐眼)；后一種基因組合由于只含p基因,因而表現隱性性狀(粉紅眼)。子二代中顯性性狀與隱性性狀的比例應為3：1。
遺傳學把個體各種性狀的具體表現稱為基因的表現型。把控制個體性狀表現的基因組稱為基因型。基因型是動物的遺傳結構，通過雜交和分子生物學DNA 分析可以鑒別，表現型可以用肉眼看到或者可以借助于儀器測定。相同基因組成的基因型,稱為純合子,包括顯性純合子(如PP)和隱性純合子(如pp)由不同基因組成的基因型，稱為雜合子( 如Pp)，純合子與純合子交配，純合子的性狀可以穩定地遺傳給下代，而雜合子相互交配,其后代將發生分離現象。
從上述一對相對性狀的雜交試驗可以看出，由一對顯、隱性關系等位基因控制的相對性狀，其遺傳規律是：當兩個純種雜交時，子一代全為雜合子，只表現顯性基因控制的性狀(顯性性狀)；子一代自群交配時，一對等位基因在子一代性細胞形成過程中，彼此隨機分離進入不同的性細胞中，通過性細胞在受精過程中的隨機結合，基因又重組成對。子二代的基因型比例為1：2：1。表現型的分離比例是3：1。這就是分離定律。不過需要指出,性狀的分離現象是錯綜復雜的，必須滿足一定的條件。這些條件是:雜種F1產生的兩種配子生活力和數量相同,兩種配子相互結合時，受精過程沒有選擇性；F2的3種基因型個體到觀察計數時為止存活率相等；相對的性狀都是由一對等位基因控制的；等位基因內，一個基因對另一個基因的作用呈完全顯性，而且不受性別和其他基因的干擾；F2個體要有一定多的數量。
(二)自由組合定律：如上所述，一對呈顯、隱性關系的基因控制的性狀按分離定律遺傳。而兩對或更多對性狀又是怎樣遺傳的呢？現以家兔毛的顏色和長短為例，闡述如下。
有兩個品種的家兔，一種是黑色短毛，另一種是褐色長毛。假設這兩種家兔控制毛顏色和長短的基因都是純合子，將兩個品種的家兔雜交，結果如圖2-1所示。
親代 黑色短毛 × 褐色長毛
↓ (雜交)
F1代 黑色短毛
↓(F1♀♂自交)
F2代 黑色短毛 黑色長毛 褐色短毛 褐色長毛
只數 158 54 52 16
比例 9 ： 3 ： 3 ： 1
圖2-1 兩對基因的雜交表現規律
這些等位基因互相獨立，各起自己的遺傳作用，稱為自由組合定律。自由組合定律對雜交結果的解釋如下:
1. 決定毛色性狀的基因是一對，用B表示黑色，b表示褐色。毛長、短性狀是一對,用L表示短毛， l表示長毛。
2. 黑色短毛的基因型是BBLL,褐色長毛是bbll,兩者雜交的F1代基因型為BbLl,表現型為黑色短毛,這是因為B和L為顯性基因, b和l為隱性基因。
3. F1代的個體形成配子時,兩對相對性狀各自獨立結合,互不干擾,無論精子還是卵子都可以有四種類型: BL、Bl、bL、bl。
4. 4種基因型的配子可以自由組合成數量相等的16種組合，歸納之后可有9 種基因型、4種表現型(如圖2-2)。
5. 分離定律和自由組合定律的區別在于,前者是一對等位基因的分離，后者是非等位基因間的分離,并且這些非等位基因還必須位于不同的染色體上。
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 黑長 黑短 黑長
│
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 褐長
│
圖2-2 兩對基因的雜交結果
由此可見，自由組合定律是研究兩對或兩對以上相對性狀遺傳規律的。與分離定律雜交實驗相比較，可以看出，若單獨考慮由一對顯、隱性基因控制的相對性狀時，該兩種性狀在F2代的分離比例都是符合分離定律的3:1比例。若同時考慮兩對性狀，F2 代呈現9:3:3:1的比例，正好是數學公式(3 1)2的展開。可以證明若同時考慮n對性狀時，F2代的各種表現型將呈(3 1)n展開。
實現自由組合定律子二代分離的規律也是有條件的，除了符合分離定律遺傳應具有的各項條件之外，還有一條就是控制兩對或更多對相對性狀的等位基因不在同一條染色體上，而且各對等位基因不產生任何相互作用。
每種生物都帶有很多對基因，由于不同的組合，可構成更多的遺傳型和表現型。以致自然界里沒有兩個完全一樣的個體。在實驗動物育種中，人們可以利用基因重組的原理，用兩個種、系動物雜交，擴大動物的雜合性，再連續近親交配20代以上，即可培育出具有新的遺傳結構的品系動物。
四、基因突變
每只動物都從它們的雙親獲得兩套基因，其中一套來自父親，另一套來自母親。每套中存在成千上萬個基因，同時它們都能穩定地傳給下一代。但在其過程中某個基因可能會偶然發生變異，即基因突變(mutation)。所謂基因突變就是DNA 分子長鏈上的堿基發生了改變或染色體上某一座位上的遺傳物質發生了變異。
在自然條件下發生的突變稱自然突變或自發突變(spontaneou mutation)。 用人工方法誘發的稱為誘發突變(induced mutation)。突變存在普遍性，即影響各種性狀的基因均可發生突變。突變可發生在性細胞或體細胞，但體細胞突變一般不能傳給后代。
突變是可逆的，即由甲→乙，亦可乙→甲。前者稱為正突變，后者稱為回復突變。這一規律在實驗動物學中很重要，當我們利用突變型動物時，如果保種工作不好，突變種有可能回復到野生型。
按突變對表現型的影響效果，可將其分為：
1. 可見突變 基因突變的效果可以從表現型觀察到，例如小鼠的無毛突變；
2. 生化突變 例如小鼠遺傳性糖尿病、免疫缺陷等；
3. 致死突變 如果是顯性突變，只要有一個基因突變，個體就可發生死亡,如果是隱性致死基因，則必須有兩個致死基因純合才產生致死作用；
4. 條件致死突變 帶有突變基因的個體在某些條件下是能成活的,而在另一些條件下是致死的。
動物發生基因突變后常常會導致相應的正常生理功能喪失，稱其為病理缺陷，這種病理缺陷可以代代相傳。突變的動物，如果能留種育成突變品系供某項特殊研究之用，就成為很有價值的“模型動物”。