遗传杂交

遗传杂交是指有目的地使两个个体交配，从而在后代中组合遗传物质。杂交可在多种模式系统中进行——包括植物、酵母、果蝇和小鼠——可用于解析遗传过程或创造具有新性状的生物体。

本视频将介绍遗传杂交的一些基本原理，探讨一种称为四分体分析的杂交方法，并讨论该技术的若干应用。

首先，让我们介绍使遗传杂交成为可能的遗传学基本原理。

生物体的表型（即性状的组成）受其遗传组成或基因型的影响。在大多数有性生殖的生物中，亲代产生单倍体的配子细胞，每个配子含每条不同染色体的一个拷贝。这些配子在交配过程中融合，形成具有每条染色体两个同源拷贝的二倍体后代。如果两个染色体在同一基因位点上含有相同的等位基因（即基因的变异形式），则该生物在该遗传位点上为“纯合子”；否则为“杂合子”。

为了重新开始这一循环，二倍体生物通过减数分裂再次产生单倍体配子。在此过程中，两条同源染色体会发生“重组”，即彼此之间交换相应的DNA片段。这一过程打乱了每个后代从亲代继承的等位基因组合，从而增加了遗传多样性。

最早系统开展遗传杂交实验的科学家之一是被誉为“遗传学之父”的格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）。他利用易于操作的豌豆植物，并研究了一系列具有稳定遗传模式的性状，从而推导出三条基本的遗传定律，奠定了遗传学的基础。

孟德尔第一定律是均一性定律，指出两个纯合个体杂交所产生的第一代（F1）杂合子后代，其表型仅表现为其中一个亲本的性状。决定该表型的等位基因称为“显性”，而“隐藏”的等位基因为“隐性”。如今我们知道，显隐性关系往往并不如此明确，存在不完全显性的情况，即杂合子表现出介于双亲之间的中间表型；也存在共显性的情况，即两个等位基因的表型均得以表达。

分离定律指出，每个配子随机获得一个等位基因。通过观察杂合F1个体自交产生的F2代后代呈现出3:1的表型比例，但其中两个表型为显性的个体实际上是杂合子，孟德尔推断出两个亲本的等位基因必须独立遗传。如今我们了解到，分离发生在减数分裂过程中，二倍体亲本的两条同源染色体被随机分配到单倍体子细胞中，每个子细胞继承其中一个等位基因。

孟德尔第三定律是自由组合定律，指出不同性状是独立遗传的。我们现在知道，只有当控制性状的基因位于单倍体染色体组的不同染色体上时，才存在完全的独立性，这些基因在减数分裂中被独立分配到子细胞中。对于位于同一条染色体上的两个基因，它们之间的距离与它们被重组到不同同源染色体上的可能性成反比，进而影响它们在同一后代中共同遗传的概率。因此，分析二倍体生物的四个减数分裂产物，为科学家提供了定位基因位置的方法。

在回顾了遗传杂交背后的原理之后，让我们来看一下四分体分析的实验方案。

该技术通常应用于某些单细胞藻类或真菌（例如酵母），以分离这四个单倍体减数分裂产物（即孢子），在这些物种中，它们会保留在同一个细胞体内，构成一个“四分体”。

在酵母中进行四分体分析时，首先需在合适的培养基上培养目标菌株。来自单个菌落的酵母细胞可通过例如在新培养皿上以十字交叉方式划线的方法使其交配。随后将该平板复制到选择性培养基上，以仅筛选出杂交产生的二倍体后代。

选出的二倍体细胞被培养在营养贫乏的培养基上，以诱导其发生孢子形成和四分体生成。含有四分体孢子的子囊（ascus）在含有酶解酶（zymolyase）的溶液中被消化。消化完成后，使用四分体解剖显微镜操作单个子囊，将其排列在生长平板上的特定位置，并加以破坏以释放出单个孢子。这些孢子可被安置成网格状排列，每个孢子将发育成一个独立的菌落，以便进一步分析。

现在您已经了解了四分体分析的执行方法，接下来让我们探讨该技术的一些重要应用或改进形式。

四分体的手动分离过程耗时较长，研究人员已开发出高通量的替代方法，例如基于条形码的四分体测序技术。在该方法中，酵母杂交产生的二倍体后代被转化入一个质粒文库，每个质粒包含一段短而独特的序列，称为“条形码”，用以标识各个子代。这些质粒同时表达GFP，使得酵母子囊可通过流式细胞术进行筛选，并被分选至琼脂平板上。子囊在平板上集体裂解后，孢子得以生长形成微小菌落。随后，这些菌落被随机分配至96孔板中进行基因分型。独特的条形码序列使研究人员能够将来自同一四分体的四个菌落归为一组。

遗传杂交也可用于构建携带大量基因敲除的酵母细胞。在“绿色怪物”（green monster）流程中，携带不同基因敲除且以GFP标记的单倍体突变酵母进行交配并诱导减数分裂产生孢子。这些单倍体子代中，部分个体继承了来自双亲的基因敲除，可通过荧光激活的流式细胞术进行分选，其中GFP的荧光强度与特定酵母菌株中基因敲除的数量呈正相关。被筛选出的细胞随后进行培养并再次杂交。重复此循环可获得携带多个基因敲除的酵母菌株。

最后，遗传杂交技术已被适配应用于多种模式系统，例如引起疟疾的胞内寄生虫Plasmodium。由于该寄生虫只能在宿主细胞内繁殖，所有杂交步骤必须在小鼠或蚊子中完成，二者分别为该寄生虫的天然宿主和传播媒介。在此过程中，小鼠在血液期感染两种不同的Plasmodium菌株。随后通过血液喂养将寄生虫转移至蚊子体内，在蚊子体内发育为配子并受精形成二倍体合子。成熟的子孢子随后从小蚊体内收集，并用于感染未经处理的小鼠，以便在宿主体内扩增并分离目标杂交子代。

您刚刚观看了 JoVE 关于遗传杂交的视频。在本视频中，我们介绍了遗传的基本原理、如何通过四分体分离分析某些生物体中的遗传杂交，以及一些当前的应用。一如既往，感谢您的观看！