细胞减数分裂

17.8减数分裂(成熟分裂,Meiosis)

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

1902年以后,虽然有一些升物学家随意谈论染色体遗传学说,但是它的准确涵义究竟是什么当时并不十分清楚。大多数人指的是茹(Roux)提出的意见,即各个不同的遗传因子(现在应当说基因)在染色体上的直线排列。然而这并不是问题的全部。细胞学家在1870年代到1890年代发现了许多肯定与遗传有关的染色体现象。1900年以后对这些现象进行了系统研究,尤其是摩根研究小组在1910年以后的研究,这大大促进了染色体学说的发展

下面从染色体在配子形成时的行为开始介绍

卵子的细胞核和精子都是“单倍体”,也就是说它们具有的染色体数目是(二倍体)体细胞染色体数目的一半。在配子形成时染色体数目是怎样减成一半的而且这又怎样会影响遗传?

减数分裂(Reduction division)

Van Beneden(1883)发现当蛔虫的卵在受精时雄虫精子的两个染色体和卵子细胞核的两个染色体联合,形成具有四个染色体的合子的新细胞核。这个受精后的卵细胞在随后的卵裂中所产生的每个细胞都含有四个染色体;这每个细胞是“二倍体”,其染色体数目是配子的二倍

如果在每次受精中染色体数目都增加一倍,则子代的染色体数将比亲代多一倍,如此一来,每个细胞很快就会具有成千上万的染色体。很明显,在受精作用中必然有某种过程抵销染色体数量的成倍增长。 Strasburger(1884)和魏斯曼曾先后提出在配子形成以前必须进行“减数分裂”。波弗利(1887-1888)也同意魏斯曼的意见,后来赫特维克在1890年对这减数分裂过程作了详尽而又正确的描述

细胞学者发现动物在形成配子时发生两次连续的细胞分裂,它们和正常的有丝分裂十分不同,后来将之称为减数分裂或成熟分裂(me1os1s)

在减数分裂时究竟发生了什么勒化(或者更确切地说染色物质是怎样减少的)这个问题却长期争论不休无法解决。当时很快就被大家公认的唯一事实是卵母细胞和精母细胞(即最后发育成卵子和精子的细胞)的染色体数目和一般的体细胞相同,都是二倍体;而由减数分裂产生的配子(卵子和精子)的染色体数则只有原来的一半,是单倍体。当减数分裂的实质被充分了解了以后才知道卵细胞的细胞核的成熟和精子的完全相似;但是乍一看这两类细胞的成熟过程却十分不同,因而在下面将之分别介绍

每个细胞核的染色体组是由一对同源染色体组成,其中一个来自父本,另一个来自母本。在第一次减数分裂时,这一对同源染色体彼此从侧面贴得很紧,这种配合成对的过程称为“联会”。起初对这种配对过程所发生的一切细节完全不清楚;两者彼此贴合得如此密切,以致显微镜观察分析无法确定在第一次减数分裂;的前期究竟是怎样一回事。几乎又过了30年才通过遗传学分析对这过程基本研究清楚(见下文)。波弗利和赫特维克所观察到的是终变期(浓缩期)之后的染色体分开,正像正常有丝分裂时那样。在卵细胞中这分裂是在卵的外周进行,有一组子染色体(daughter chromosomes)以单个极体的形式被排除

减数分裂的第二次细胞核分裂很特殊,因为只是核分裂而染色体并不分裂。结果是有一半染色体进入子核,另一半进入另一个细胞核。在蛔虫,染色体数目就因而从四个减少到二个。这第二次分裂被魏斯曼称为减数分裂(reduction division)。在卵细胞中的两个子核之一又作为第二个极体被排除

雄配子形成时也发生同样的两次核分裂,所不同的是没有子核以极体形式被排出。反倒是形成了一组四个精子,它们是从进入减数分裂过程的精母细胞中的一个细胞核产生的,这一点赫特维克(1890)早已指出过

由于在第二次减数分裂中染色体数目并没有增加一倍,所以这四个精子的染色体数目同样也只是二倍体的体细胞的一半

我在这里所介绍的只是减数分裂中所发生事态的最后解释,全部过程的细节是由Van Beneden,赫特维克,魏斯曼以及其他人的发现和解释联缀而成;Churchill(1970)曾就对这一问题的认识发展过程作过精采的阐述。起初,赫特维克和魏斯曼在解释上彼此意见分歧很大,这有两个重要原因。赫特维克多少相信融合遗传,父本和母本的染色体在受精时彼此融合,他认为在每次细胞分裂后染色体被溶解,在下一轮细胞分裂前又重新由染色颗粒组成。就地看来,极体的排除单纯是染色物质的量的减少。相反,魏斯曼则认为受精后父本和母本的染色体一直分开,他还认为每个染色体在有丝分裂、减数分裂以及随后的静止期的全部过程中都保持连续性。在这两个问题上魏斯曼的设想后来都证明是正确的。从上述争论中得出的最重要结论是,被卵排出的极体所含的染色体的含量和存留在卵细胞核中的完全相同。因而在形成雌、雄配子时的细胞核分裂(减数分裂)也完全相同,尽管在雌性中最后结果是形成一个卵和三个极体,在雄性中是形成四个精子。虽然赫特维克和魏斯曼公开争论的是细胞学方面的技术性细节,但正如 Churchill(1970)很有见地地指出的那样,实质上却是由他们的立场、概念不同所决定的。赫特维克代表了物理主义者生理学阵营,魏斯曼则代表形态学颗粒论分子学派

我们也可以用遗传学的术语来表达减数分裂的细胞学内容。假定新合子的形成是由于父本和母本染色体组汇合的结果,其中一个染色体具有等位基因A(来自父本)和一个具有等位基因a的染色体(来自母本)相匹配产生合子Aa。从这个新合子的第一次卵裂开始,这两个同源染色体就将一直保持配对,在发育中的升物的所有体细胞都将是杂合的Aa。只有在配子形成时的第二次成熟分裂(减数分裂)时这两个同源染色体才分开,形成同等数目的具有基因A的配子和具有基因a的配子。至干哪一个染色体进入到子细胞中去则纯属偶然(见下文)。这样一来孟德尔的分离定律就能被受精作用和配子形成时所观察到的染色体行为圆满地加以说明。减数分裂介绍到这里可以很好地解释连锁和分离现象,但是到此,问题还没有结束,还不能解释前面所指出的不完全连锁现象。但这可以用减数分裂中的另一种过程、交换来说明。植物的减数分裂就染色体而言和动物的相同,但通常发生在生活史的一个不同阶段(孢子形成之前)

交换

由于任何升物的性状及决定这些性状的遗传因子远远超过它所含染色体的数目,所以从一开始就有人(Correns,1902;Sutton,1903,)认为每个染色体必定携带有几个(如果不是许多)基因。这一点很快就被摩根研究小组证实。然而连锁群(每个连锁群和某个特定的染色体有关联)的发现又提出了新问题。如果一个染色体上的所有基因都紧密地连锁在一起,那么一个升物将会只有它所含有的染色体的数目那样多的独立遗传单位。这就会对重组施加极大的约束。德弗里(1903)在研究F2代杂种时所得出的结论是,F2杂种的重组的可能机会远不符合全面连锁的观点。因此他提出在减数分裂的第一前期中成对的亲本染色体发生“单位交换”(exchange of units)。至于“有多少和哪一些(单位将会交换)则可能纯属偶然”(1910:243),这表明交换总是相互交换。波弗利也曾预言过这类交换(1904:118)。遗传学分析很快就证明了同一个染色体上的基因连锁是不完全的。贝特森,Saunders,Punnett(1905)首先进行了这类观察研究。在香豌豆(Lathyrus)的两个变种(花色和花粉粒形状彼此不同)杂交后的F2中,他们既没有得到预期的9:3:3:1的比值,也没有发现简单的3:1比值,却发现了69.5%的双显性个体,19.3%双隐性个体,以及两类5.6%杂合子。显然这两个性状的基因既不自由组合又非完全连锁(有11%例外)。贝特森曾提出过一个特别假说来解释这一现象,但由于他不相信染色体学说,所以也就没有考虑交换

过去常常有人提起孟德尔没有遇到连锁现象真是一件怪事。豌豆(Pisum sativum)只有7对染色体,孟德尔也正好研究了7对性状。它们没有连锁起来是不是运气好从而为孟德尔减少了一项额外的麻烦?看来并不是这样。我们知道孟德尔在正式着手他的豌豆试验之前曾经花了几年时间进行预备杂交试验,他很可能将在几代不显示自由组合的一些性状(或至少是成对性状中的一个性状)弃置不顾。也可能是他由之取得试验材料的种子商偏爱自由组合的那些性状。最后,某些基因的基因图距(离)足够大,即使是都处在同一个染色体上也能显示自由组合现象

当摩根研究小组开始集中力量分析果蝇的遗传结构时,不符合完全连锁的例外情况成为一个严重问题。摩根及其同事发现,断裂连锁的幅度很大,有时可以低至1%,这样的变异性怎样解释?

举一个特殊情况为例。有一组三个隐性基因-黄(体)色(y),白眼(w),小翅(m)- 位于果蝇的X染色体上。如果一个具有这三个基因的雄蝇和一个正常雌果蝇杂交,可以预料这三个隐性基因将以连锁群的形式在F2 代中出现。实际上黄色和白眼的连锁在果蝇中有1.3%断裂,白眼小翅连锁有32.6%断裂,黄色小翅连锁有33.8%断裂。怎样解释这些数字?

这些例外情况的数值通常多是按德弗里提出的单位交换的随意性这种偶然过程来解释。但是根据1900年代早期的细胞学研究可以作出不同的答案。自从波弗利和赫特维克的开拓性工作以后的20年对减数分裂细节的研究已取得长足进展。在第一前期中染色体(染色物质)的变化至少可以分为6个阶段。其中有一个阶段两个成对的染色体仍然很细,但是每个染色体已分开成染色质丝(染色单体),即所谓四线期。这两个染色单体彼此反复交叉形成波状环

比利时细胞学家Janssens(1909)指出,当四个染色单体彼此盘绕在一起时,一个父本的和一个母本的染色单体可以在它们彼此交叉处断裂,断头在重新连结时总是父本单体的断头连在母本单体的断头处,反过来也是如此。另两个染色单体仍然保持完整。这样一来就形成了一个“交叉”(chiasma),在减数分裂第一前期的后期阶段是成对的两个染色体保持接触的地点。按Janssens的观点交叉表示一个父本的和一个母本的染色体的交换。最后结果将是一个由父本和母本染色体的片段组成的新染色体。摩根小组所研究的不完全连锁和Janssens的观点相符

交换过程是如此复杂以致差不多花了30年时间最后才能决定哪一种解释是正确的(见Whitehouse,1965。这是值得一读的一本书)。然而现在已充分证实交换发生在四线期,涉及四个染色单体中的两个单体。另外还证实在四线期一开始就发生交换(Gred,1978)

摩根和他的助手斯特体范特(Lewis,1961)认为源于交换的不完全连锁的份额表示遗传因子在染色体上所处位置之间的直线距离。染色体在两个基因之间断裂的机会(也是交换的机会)取决于这两个基因在染色体上的距离;距离愈近,断裂机会愈少。根据这一推理斯特体范特(当时年仅19岁!)推算了基因在染色体上的位置和顺序并制出了普通果蝇(Drosophila melanogaster)的X染色体的第一份染色体图(发表于1913年)。他由之证实了当时所知道的这一染色体上的基因是沿着染色体作线性排列的

在早期的实验中有一些结果相互矛盾。穆勒(Muller,1916)指出在一个长染色体上可能发生双交换而且交叉的存在将干扰在染色体上与交叉邻近处的进一步交换。考虑到这两种新发现的现象(双交换与干扰)就排除了上述矛盾,摩根的一些反对者正是利用这些矛盾来怀疑交换学说的正确性

遗传现象的染色体学说现在已经可以用基因学说(Morgan,1926)来补充。1915年前后摩根及其同事研究了一百多种突变型基因。它们分成四个连锁群,和果蝇的四个染色体非常一致。连锁群的染色体实质的间接证明至此便告完整。然而一直到1931年Stern才运用某些异常基因( X基因片段贴附在第四个小染色体上)为交换提供了细胞学证明。同一年Creighton和麦克林托克(1931)在植物(玉米)方面也提出了类似证据。后来玉米成了细胞遗传学的优良研究材料。虽然它没有后来在果蝇研究中非常有利的巨型染色体,但是它所含有的全部十个染色体在形态上都不同,而且有时还有额外的染色体存在。麦克林托克利用玉米的这些特点进行了30多年艰苦而又出色的研究来解释基因的作用;这一解释虽然内容丰富而又具有独到见解,却一直等了很多年在分子遗传学家得到了相同结论之后才被举世公认

这里所介绍的有关交换现象的历史是过于简化的,漏掉了很多复杂问题。例如交叉(由交换产生的染色体断片之间的桥梁)的实质一直长期争论不休。每一染色体臂上的交叉数目极不一致,事实上在某些情况下并没有交换现象,例如雄果蝇。关于第一次减数分裂中染色体的确切复制时间以及形成交叉(染色单体断裂及癒合)的确切时间,甚至交叉的存在是否总是表示交换现象都有很多争议。最重要的是,染色体中不同的染色单体的行为更是众说纷坛莫衷一是。因而作为解释交换现象的Janssens和摩根的断裂并合学说(breakase-fusion theory)并不被某些学者接受,例如 Belling又另行提出了“副本选择”学说( copy-choice theory),Winkler提出“基因转变”学说(gene-conversiontheory)。虽然这两种学说最后都没有得到公认,却促使人们进行了大量试验从而对交换现象以及基因的本质有了更深入的了解。现在还没有这三种学说的比较研究历史著作。对这些技术上的详细情况必须参阅细胞学和遗传学教科书。(另见Grell,1974)。重要的是,一切看来是例外的情况最终都能按经典染色体学说加以解释

对进化过程来说由交换而实现的染色体重建非常重要。它是父本和母本基因相混合的有效机制,并通过产生基因在染色体内的新组合来提供非常丰富的新遗传型(其数量远远超过由突变所提供的)以便自然选择发挥作用

染色体另外一个作用是能促进重组(recombination),即在成熟分裂的减数分裂中父本和母本染色体的独立运动。1902年以前普遍认为父本和母本的染色体组作为各自的单独单位运动。例如某些学者以为在卵细胞的成熟分裂时所有的父本染色体都以极体的形式被排除,然后通过受精由来自父本的新染色体组代替。如果真是这样,单性生殖卵在成熟时就不会产生极体,然而波弗利证明单性生殖卵不仅产生极体而且极体形成的方式和有性生殖卵的没有任何不同。另外,杂合的雌体产生具有父本基因的配子。最后,Carothers(1913)发现在具有大小不同的(异形性)染色体组的物种中,较大的染色体随意向两极运动。这是父本的和母本的染色体组并不作为单一的单位进行分离的决定性证据。然而有一种罕见的遗传现象、“减数分裂驱动”(mciotic drive),阻止染色体任意移向两极。这能说明在某些情况下种群中保存了在其他情况下有害基因的现象

染色体重排

染色体在形成交叉时偶尔会完全断裂,然后再按新的方式重新组装而不仅仅是在断裂处并合在一起。如果发生了两次断裂,中间的一段可以倒转过来,这就是染色体“倒位”。如果着丝粒不在倒位的染色体节上就是臂内倒位;如果着丝粒包括在这个染色体节内就称为臂间倒位。当染色体的某一片段断裂下来后附着在(或插入)另一个不是同源的染色体上就出现“易位”(现象)。有时也发生“不(相)等交换”,形成两个子染色体,其中一个染色体有重复,而另一个有缺失。两个(具有近端着丝粒的)染色体可能并合或一个(具有中间着丝料的)染色体可能进行分裂,这样的变化称为罗伯逊重排”(Robertsonian rearrangements)

最后,“多倍性”指的是多于染色体组基本数目两倍以上的染色体。所有这些染色体变化在进化上都具有潜在的重要意义,但丝毫也没有降低染色体遗传学说的价值。具有遗传影响的染色体重排往往称为“染色体突变”。我在这里没有逐一介绍这些染色体突变的发现历史,因为这对了解染色体进化并无意义

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