实验目的

1.通过人类部分单基因体表性状的调查分析，了解基因在群体水平上的传递规律。

2.掌握遗传平衡群体等位基因频率和基因型频率的估算方法。

3.进一步理解Hardy-Weinberg平衡定律，了解改变平衡的因素。

实验原理

1908年，英国数学家G.Hardy和德国医生W.Weinberg各自独立地发现，在一个无限大的随机交配群体中，在没有任何选择压力、不发生突变和迁移的情况下，群体内一个位点上的等位基因频率和基因型频率在其世代繁衍中将保持不变，处于遗传平衡状态。这就是著名的遗传平衡定律，也称为Hardy-Weinberg平衡定律，是群体有性生殖世代之间等位基因频率和基因型频率是否保持平衡的检验尺度。随机交配（panmixia random mating）是指在有性生殖的生物中，一种性别的任何一个个体都有同样的机会和另一性别的个体交配的有性生殖方式。随机交配假设不存在任何遗传学或行为学上的交配限制，在这个群体中雌雄个体间可以无选择地进行交配，是Hardy-Weinberg平衡定律成立的重要前提。不难看出，要维持群体的遗传平衡需要以下条件：群体很大，随机交配，没有自然选择，不发生突变和遗传漂变。在实际应用中，符合理想群体的情况一般不存在，但对Hardy-Weinberg定律的应用并无太大影响，因为我们所调查的群体不可能足够大到显示出这些影响因素。

（一）人类ABO血型的群体遗传

1901年，奥地利人Karl Landsteiner博士首次发现了人类红细胞血型，开始他只发现了A、B、O三型；1902年，A.Decastello和A.Sturli又发现了AB型。这个划时代的发现建立了人类ABO血型系统，Landsteiner于1930年获得了诺贝尔生理或医学奖，他一生共发现了ABO、Rh、MN、P等多种血型，对人类血型的研究做出了重大贡献，因此赢得了“血型之父”的誉称。血型从狭义上是指红细胞抗原的差异，广义上则包括白细胞、血小板和血浆等血液各成分的抗原差异。目前已发现的红细胞抗原有400多种，而白细胞和血小板等其他抗原物质种类更多、更复杂，所以人类血型抗原的组合数可能达到数十亿种之多。除同卵双生外，人类中很难找到两个血型完全相同的人。所谓血型相同，不过是指某一血型抗原相同而已。根据国际输血协会（ISBT）的认定，包括最为常见的ABO血型系统和Rh血型系统在内，已发现有30种主要血型系统（见表23-1）。人类红细胞的各种血型都是独立遗传的，控制一种血型的基因多位于同一条染色体上。

表23-1　人类红细胞血型系统

除Xg 血型和Kx 血型是X 连锁遗传外，其余血型都是常染色体遗传，比如决定ABO血型的基因位于第九号染色体上，而决定Rh 血型的基因则位于第一号染色体上。ABO血型系统不仅在临床医学上具有非常重要的意义，而且在人类群体遗传学、免疫遗传学、法医学、考古学等重要领域都有广泛应用。

ABO血型系统是人类最早发现的血型系统，是根据人类红细胞表面所含抗原的不同而命名的。ABO血型是人体的一种遗传性状，受一组复等位基因（IA、IB、i）决定，其中IA、IB对i为显性，IA与IB为并显性。人类的红细胞表面有A和B两种抗原，血清中含抗A（α）和抗B（β）两种天然抗体，根据红细胞所含抗原的不同，可将人类的血型分为A、B、O、AB四种（见表23-2），每个人血清中都不含与自身抗原相拮抗的抗体。

表23-2　ABO血型系统遗传特征

在鉴定人的血型时，既要用标准的抗A和抗B血清鉴定被检者红细胞上的抗原（直接试验法），同时要用标准的A型和B型红细胞鉴定被检者血清中的抗体（反转试验法）。只有被检者红细胞上的抗原鉴定和血清中的抗体鉴定所得结果完全相符时才能确定其血型类别。实验室一般采用直接试验法。对于不知血型者或自愿者，可以采用玻片法进行血型检测，然后通过统计、分析，就可估算出ABO血型的等位基因频率和基因型频率。

（二）人类部分单基因体表性状

人类遗传学的发展相对比较缓慢，随着人类基因组计划的实施加快了人类性状的研究进展。人类体表性状基本上可分为由单基因决定的质量性状和由多基因决定的数量性状两大类。遗传因素对人类的体表性状有重要影响。许多体表性状如：舌的运动、拇指类型、眼睑、发旋、耳垂、扣手、白化症和红绿色盲等都是人类群体遗传学研究的经典指标（见表23-3）。掌握人类体表性状的遗传分析，对于认识人类性状遗传规律、学习和研究数量遗传学和群体遗传学都有重要意义。

人类的各种性状都由特定的基因控制形成。由于个体的遗传基础不同，某些特定的性状在不同的个体表现不同。通过对群体中某一性状的调查分析，可以估算出该基因的等位基因频率和基因型频率。系谱分析法常用于单基因遗传性状研究，本实验将调查一些已知的人体部分单基因性状，初步了解这些性状的遗传特性。在可能的情况下，学生对自己家族或别人家族的某些体表性状进行调查，画出系谱图，根据所测得的数据进行群体遗传结构分析，同时可判断这个群体是否处于遗传平衡状态。

表23-3　人类单基因遗传的部分实例

续表23-3

实验用品

1.材料

某一区域人群或本校各院（班）学生的微量血液。

2.试剂

（1）75%医用酒精。

（2）0.9%生理盐水。

（3）标准的抗A和抗B血清。

3.器具

显微镜、电子天平、无菌采血针、双凹载玻片（或普通载玻片）、镊子、牙签、微量加样枪、无菌枪头、1.5mL离心管、离心管盒、脱脂棉球、无菌棉签、记号笔、烧杯、量筒、直尺、计算器等。

实验操作程序

（一）ABO血型的检测

1.准备生理盐水

于离心管中加入300～500μL生理盐水，备用。

2.准备标准血清

取一洁净的双凹载玻片（或普通载玻片），在两端上角用记号笔标注A和B，然后在相应位置分别滴加标准的抗A和抗B型血清各一滴。

3.采血

用75%酒精棉球消毒受检者的手指或耳垂，待乙醇挥发后立即用无菌采血针刺破皮肤，弃去第一滴血，然后用无菌枪头吸取15～25μL血液加入离心管中，轻弹管壁制成5%的血细胞悬液，同时受检者用无菌棉签止血。

4.凝集实验

在玻片的两种标准血清中分别滴加1滴血细胞悬液（注意滴头不要触及标准血清），立即用不同的牙签分别搅拌使血细胞悬液和血清充分混匀。

5.检测

在室温下每隔数分钟轻轻晃动玻片几次以加速凝集，过5～15min后观察，若混匀的血清由浑浊变为透明，并出现大小不等的红色颗粒，则表明红细胞已凝集；若仍呈浑浊状，不出现颗粒则无凝集；有时会出现疑似凝集，但稍微晃动玻片又呈浑浊状，则不属凝集。若观察不清可在低倍镜下观察。室温过低时可将玻片置于37℃恒温箱中，以促其凝集。

6.统计

根据ABO血型检查结果，判断受检者的血型并统计。

（二）人类部分单基因体表性状的调查

按照以下几种单基因体表性状的判定标准，观察并统计各种体表性状的变异类型在所调查人群中出现的频率。学生可选择几个体表性状对自己家族或别人家族进行调查，画出相应的系谱图，确定该性状的遗传特性。

1.耳垂

耳垂性状受单基因座（F-f）的控制。人群中不同个体的耳朵，若耳垂向下悬垂成圆形或与颊部皮肤部分连接，称为有耳垂型；如果耳垂内侧与颊部皮肤大部分或完全相连，则称无耳垂型（见图23-1）。有耳垂型为显性遗传；无耳垂型为隐性遗传。

2.酒窝

酒窝性状也受单基因控制遗传。有些人在微笑时口角外侧或面颊部呈现出一圆形、三角形或椭圆形皮肤凹陷，称为酒窝；有些人微笑时则不出现酒窝，称无酒窝（见图23-1）。一般认为，有酒窝为显性遗传，无酒窝为隐性遗传，但这类性状的遗传方式目前尚有争论。

图23-1　耳垂与酒窝性状

3.卷舌(www.daowen.com)

卷舌性状受单基因座（T-t）的控制。有些人能将舌的两侧缘向上卷起，呈“U”形甚至卷成筒状，称为卷舌型，有些人则不能，称为非卷舌型（见图23-2）。卷舌型为显性遗传；非卷舌型为隐性遗传。

4.前额发际

前额发际性状也受单基因控制遗传。有些人的前额正中发际向脑门延伸，形成三角形或V形发尖，称为美人尖；有些人前额发际基本上平齐，无美人尖（见图23-2）。美人尖属常染色体显性遗传，无美人尖属隐性遗传。

图23-2　卷舌与前额发际性状

5.环食指长

有研究认为环食指长属于伴X染色体单基因遗传，环指（无名指）与食指之间的关系与性别有关。食指长于环指称食指长（I型），为显性性状；若环指长于食指则称环指长（R型），为隐性性状，见图23-3。

6.拇指类型

人的拇指指间关节活动性状也受单基因控制遗传。当某人的拇指指间关节尽力后伸时，从侧面观察拇指远端关节与拇指垂直轴线形成的角度，若角度小于30°则称为拇指直型（S型），属于显性遗传；若角度大于30°则称为拇指过伸型（H型），属隐性遗传，见图23-3。

图23-3　环食指长与拇指类型性状

7.扣手

扣手与交叉臂、惯用手等都属于人类体表左、右不对称行为特征，研究证明扣手与遗传因素有关，在人很小的时候就已固定且不再改变。当人的左、右手交互对叉手指时，若右手拇指在上时感觉习惯称为右型（R型），是显性性状；若左手拇指在上时感觉习惯则称为左型（L型），属隐性性状，见图23-4。

8.眼睑

眼睑性状受单基因座（E-e）的控制。眼睑即眼皮，可分为单层和双层，俗称单眼皮和双眼皮，见图23-4。一般认为双眼皮为显性性状，单眼皮为隐性性状。关于这类性状的遗传方式，目前尚未定论。

图23-4　扣手与眼睑性状

9.发式与发旋

发式与发旋性状也都是单基因遗传性状。人类的发式有卷发和直发两种基本类型，卷发为显性性状，直发为隐性性状，表现为不完全显性遗传。发旋是指每个人头顶稍后方的中线处都有一个或几个螺纹，其螺纹的旋向受遗传基因控制。螺纹旋向为顺时针方向者称顺旋，属常染色体显性遗传；若螺纹旋向为逆时针方向则称逆旋，属隐性性状。

10.叠舌

叠舌性状受单基因座位遗传控制。有些人的舌前部能向上、向后折返，甚至能与舌面相贴，称为叠舌，有些人则不能，称为非叠舌；叠舌是隐性性状，非叠舌是显性性状。研究认为，叠舌与卷舌分别受1对等位基因控制，叠舌基因与卷舌基因之间存在基因互作，而不是自由组合，也有人认为叠舌基因与卷舌基因是相互独立的。

预期实验结果与分析

1.人类ABO血型的群体遗传分析

标准的抗A和抗B血清内，所含的每一种抗体都会凝集含有相应抗原的红细胞。因此，受检者血液的红细胞在抗A血清中发生凝集者为A型，在抗B血清中凝集者为B型，在两种标准血清中都凝集者为AB型，在两种标准血清中都不凝集者为O型。根据《人类血型遗传学》中的调查，中国大陆各民族ABO血型比例是：A型27.4%，B型29.2%，O型34.4%，AB型8.5%。ABO血型红细胞抗原具有种族差异，因而在不同的地区和种族，每种血型所占的比例各不相同。Rh血型系统也是人类常见的血型系统之一。Rh血型分为Rh阳性和Rh阴性两种，Rh阳性个体在中国人口中占99%以上，在白种人中只占85%；Rh阴性个体在世界人口比例中只占0.3%，在中国汉族人群中占0.2%～0.5%，而在白种人中要占15%左右。因而白种人由于胎儿和母亲Rh血型不亲和而引起的新生儿溶血症比例要比中国人高得多。

假定你所测试的群体是一个平衡群体。平衡群体的上下代之间等位基因频率和基因型频率保持不变，ABO血型的基因型、表型及其频率之间的关系式如下：

等位基因频率:IA=pIB=qi=r

基因型频率：IAIA=p2IAi=2pr IBIB=q2IBi=2qr IAIB=2pq ii=r2

表现型频率：A的表型频率=p2+2prB的表型频率=q2+2qr

AB的表型频率=2pqO的表型频率=r2

通过基因频率来推算各种基因型频率的理论预期值，再与实际测试结果进行χ2检验。根据χ2值和自由度（n=2），查表（见附录九）。如果P＞0.05，差异不显著，说明测试值与理论值相符合，认为该群体为平衡群体；如果P＜0.05，差异显著，说明测试值与理论值不符合，则认为该群体是不平衡群体。

2.人类部分单基因体表性状的遗传分析

假设某一基因位点上有一对等位基因A和a，它们在群体中出现的频率分别为p和q；基因型AA、Aa和aa在群体中出现的频率分别为D、H和R，如果这个群体（D，H，R）是完全随机交配的，那么这一群体的基因型频率和等位基因频率的关系是：

D=p2H=2pqR=q2D+H=p2+2pq

无论一个基因位点上有几个等位基因，只要这个群体是随机交配的，等位基因频率就很难发生变化，物种就能保持相对的稳定，它们在群体中的遗传变化规律都遵循Hardy-Weinberg平衡定律。据此我们可以对人类群体进行等位基因频率的遗传分析。

要点及注意事项

1.对血型的检测和人类部分单基因体表性状的调查必须遵循自愿原则，预防引发各类矛盾。

2.本实验所用采血针、棉签等要求医用、无菌、一次性。

3.购买的标准血清必须注意有效期；制备的血细胞悬液不宜过浓或过稀。

4.虽然上述实验中血型检测原理是科学合理的，但本次实验结果只能用于本实验，不能给受检者的血型下定论，有关原则应遵照权威的血型鉴定规定。对检测结果有疑问者，应到权威机构进行血型鉴定。

5.人类部分单基因体表性状的调查，最好能选择一些具代表性的区域性人群，如同一省、市、区（县）或同一民族等人群。调查结束对该群体进行一些群体遗传分析与比较总结，撰写出研究性实践报告，对学生的实践能力和综合能力的培养有积极作用。

作业与思考题

1.假定人群处于遗传平衡状态，把你对ABO血型的调查结果填入表格（表23-4），算出等位基因频率和基因型频率，用统计学方法确定该群体是否为平衡群体。如果不是平衡群体，请分析可能的原因。

2.为什么同一民族或不同民族在不同的地域，ABO血型的频率会有所不同？

3.把人类部分单基因性状（耳垂、酒窝、卷舌、眼睑等）的调查结果整理到表23-4中，算出有关的等位基因频率和基因型频率，并推算出显性表现型中纯合体与杂合体的比例，分析该群体是否为平衡群体。

4.选择几个单基因体表性状对自己家族或别人家族进行调查，画出相应的系谱图加以分析，撰写出调研报告。

参考文献

1.乔守怡.遗传学分析实验教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.

2.卢龙斗，常重杰.遗传学实验技术［M］.北京：科学出版社，2007.

3.李雅轩，赵昕.遗传学综合实验［M］.北京：科学出版社，2006.

4.杜若普.中国人群体遗传学［M］.北京：科学出版社，2004.

表23-4　人类ABO血型及部分单基因体表性状调查统计表

（牛炳韬）