Mendelian Inheritance (孟德爾遺傳) 及其擴充

基因科學

• 在科學尚未發達的從前，遺傳學的觀念是由結果間接回推而來的，當人們還不知道 DNA, chromosome, molecule 的存在時，遺傳物質對於他們來說是很抽象的事物。同 時，它也是第一個牽涉到數學(probability, statistic, population genetic)的 biological principle。
• 遺傳學主要在研究遺傳特徵的 genotype(基因型)及 phenotype(表現型)間的關係。

Mendelian Inheritance 孟德爾遺傳定律

遺傳學的觀念從 Mendel 的豌豆雜交實驗(1865 年)開始。

• 描述生物特性的遺傳規律，包含兩個定律和一個原則（顯性原則）
• • 孟德爾第一定律——Segregarion 分離律
  • • 透過 self-fertilization 自交，篩選、培養出各式各樣的 garden pea 的 pure line 純系（某一特徵之豌豆自交所生的子代的特徵維持一樣）。
    • 將各種不同特徵之純系 crossing 雜交，意外得到有一個親代的特徵完全沒有在子代中出現。 
    • • 孟德爾的實驗觀察中發現，不同特徵之純系雜交後之第一子代F1（heterozygote 異型合子）居然沒有親代（homozygote 同型合子）之一的 green 特徵。
      • • 同型合子和異型合子的外表相同，但組成的基因型卻不同。
      • 再將 F1 自交 後得到第二子代F2，發現親代之特徵的雜交結果，外表型比率會趨近於3:1。
      • 得出遺傳是透過 particulate 顆粒性的物質達成，這種顆粒後來被命名為 gene 基因。每一種遺傳特性是由成對的遺傳顆粒所負責，也就是 allele 對偶基因。
      • 為了解釋為何F1時，兩種親代特徵只會出現一種，孟德爾將遺傳特徵區分為 phenotype 外表型（個體外表所表現出來的遺傳性狀 trait）與 genotype 基因型（可遺傳的特徵，稱為遺傳性狀）。並將成對遺傳顆粒彼此間的關係分成 dominant 顯性以及 recessive 隱性。
    • 得出 segregation: 每一對遺傳顆粒會平均的 segregate 分離至 gamete 配子中，配子與配子的結合是隨機的。
    • • 有性生物在特定器官進行減數分裂產生單倍體細胞（配子），兩性配子結合產生雙倍體細胞（zygote 合子）。以人類為例，兩個單倍體細胞（卵子和精子）結合會形成雙倍體細胞（受精卵）。
  • 孟德爾第二定律——Independent assortment 獨立組合律
  • • 透過 Punnet square 蒲內方格的方式來呈現多變項分析!
    • 如果多變項分析時，每一個 trait 都維持原來的顯隱性關係，則兩側的邊際機率會為原來單一雜交時所得到的3:1比例。得出 independent assortment: 不同 trait 之間相互獨立。
    • 不過獨立組合律不是真正的「定律」，後面介紹基因聯鎖時會再說明。

顯性關係的變異

有別於古典顯隱性的對應關係，可再多區分為不完全顯性以及共顯性。

• Incomplete dominant 不完全顯性: 兩種對偶基因的特性在異型zygote中都可以表現出來。
• Co-dominant 共顯性：兩種對偶基因的特性同樣程度的表現出來。例如ABO血型中組成AB型的IA& IB被稱為共顯性。
• 顯隱性與否非絕對的，而是以檢視的表現層級不同而定。以 Sickle cell anemia 鐮刀型貧血症為例，血紅素中 HbA(野生型normal)& HbS(突變型unnornal)可以有不同的顯隱性關係：
• • 症狀層次（貧血與否）：因為只有基因型 HbSHbS的人才會有貧血的症狀，所以HbA相對HbS而言是完全的顯性。
  • 血液抹片檢查層次（血球是否呈現鐮刀形）：基因型HbAHbS的人之紅血球不像HbAHbA者的紅血球不會變形，若在低氧的情況下（像是加了雙氧水後），就會出現鐮刀形。因此 HbA相對於HbS是不完全顯性。
  • 電泳層次（特定蛋白質對應之帶狀位置）：由於兩種對偶基因所對應的多胜肽之電泳位置不同，因此HbA相對於HbS是共顯性。

多效性對偶基因

• Lucien Cuenot 1904 研究小白鼠時發現有一種黃毛突變種，發現AY表示為黃毛的對偶基因，A為野生型。就毛色而言AY相對於A是顯性的（只要有一個AY基偶基因就會呈現黃毛）；但是就致死性而言AY相對於A是隱性（要AYAY才會致死）
• AY這種單一對偶基因有不只一種功能特性，在生物學上稱為 Pleiotropy 多效性。

多重對偶基因

從孟德爾的遺傳研究可衍生出另一種實驗，判定不同的外表特性之間，是否歸屬於同一種基因的不同對偶基因所控制。例如，純系的圓斑花瓣、橢圓斑、無斑點花瓣，這些特性是不是對偶基因所控制的。

透過兩兩配對crossing，若F1, F2外表型分佈符合單一性狀的預測，則可以判定是受同一基因的不同對偶基因所控制。

對偶基因的不相容性

Eg1. 人類的HLA抗原有兩個基因座(HLA-A&HLA-B)，如果捐贈者有受贈者沒有的對偶基因，則會出現器官移植後排斥現象。

Eg2. 植物為保有遺傳多樣性，對於碰上和自身遺傳組成類似的配子，不會結果。