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DNA、基因和遺傳如何運作:遺傳基礎解釋
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重點
遺傳是指父母通過基因將性狀傳遞給子女,基因是位於染色體上的DNA片段。每個人從每位父母那裡繼承一對染色體中的一條,這就是為什麼遺傳病症和身體性狀遵循可預測的模式,如顯性、隱性和X連鎖遺傳。
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遺傳學是對基因和遺傳的研究——根據美國國立醫學科學研究院(NIGMS)的說法,性狀如何通過DNA從父母傳遞給子女。根據由美國國家醫學圖書館維護的MedlinePlus遺傳學資源,DNA或脫氧核糖核酸是在人體幾乎每個細胞中發現的遺傳物質。
DNA實際上的樣子
MedlinePlus解釋說,DNA由四種化學鹼基構成——腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥糞嘌呤(G)和胞嘧啶(C)——它們配對(A與T,C與G)形成扭曲梯形結構上的橫檔,稱為雙螺旋。人類DNA包含約30億個這樣的鹼基對,其中超過99%在每個人身上是相同的;剩餘部分導致個體差異,MedlinePlus指出。
大多數DNA位於細胞核內,稱為核DNA。少量DNA也存在於線粒體內,線粒體是將食物轉化為可用能量的細胞結構;根據MedlinePlus,這被稱為線粒體DNA或mtDNA。
基因:遺傳的單位
MedlinePlus將基因描述為「遺傳的基本物理和功能單位」。基因由DNA構成,通常攜帶身體需要的蛋白質製造指令;一些基因則調節其他基因。根據MedlinePlus,人類基因長度從數百個DNA鹼基對到超過200萬個鹼基對不等。蛋白質編碼基因總數的估計有所不同:人類基因組計畫(1990–2003)最初估計有20,000到25,000個這樣的基因,而MedlinePlus指出最近的估計約為19,900個,NIGMS引用的數字約為20,000個。
根據NIGMS,基因只佔人類DNA的約1%;其餘部分由其他序列組成,包括調節基因何時以及如何開啟或關閉的區域。
染色體以及性狀如何在代際間傳遞
根據NIGMS,基因位於染色體上,人通常有23對染色體。每對中的一條染色體來自母親,一條來自父親,這意味著一個人通常繼承每個基因的兩個副本——每位父母一個,MedlinePlus指出。由於染色體對攜帶略有不同的匹配基因,這是解釋為什麼孩子與父母相似但不相同的基本機制。
基因變異稱為等位基因。根據MedlinePlus和NIGMS,雖然少於1%的基因在個體之間變化,但這些變異導致了眼睛或頭髮顏色等身體性狀的差異,在某些情況下還導致了遺傳病風險。
顯性、隱性和其他遺傳模式
當一個基因有兩個不同的等位基因時,性狀如何表現取決於遺傳模式。在常染色體顯性遺傳中,來自一位父母的單一改變副本足以使性狀或病症出現;根據MedlinePlus的說法,攜帶這樣變異的人有50%的機率將其傳遞給每個子女,引用了臨床遺傳學中使用的標準風險評估數據。
在常染色體隱性遺傳中,只有當兩個基因副本都攜帶變異時,性狀才會出現。只有一個副本的人是攜帶者,通常不受影響。根據MedlinePlus的說法,如果兩位父母都是攜帶者,每次懷孕中孩子受影響的機率為25%,孩子成為未受影響的攜帶者的機率為50%,孩子既不受影響也不是攜帶者的機率為25%。
X連鎖遺傳取決於性染色體。根據MedlinePlus,受影響的父親將X連鎖變異傳遞給所有女兒,但不傳遞給兒子,因為兒子獲得他的Y染色體。相比之下,Y連鎖病症只能影響男性,受影響的父親將該病症傳遞給所有兒子。
猶他州大學遺傳科學學習中心的研究人員警告說,「沒有通用機制來說明顯性和隱性等位基因如何作用」,並指出這兩個術語描述的是結果而不是一個固定的生物學過程。他們以鐮狀細胞病為例:兩個鐮狀細胞等位基因副本導致疾病,但只有一個副本的攜帶者有一些鐮狀細胞,在某些條件下對瘧疾產生抗性——這種模式不符合簡單的顯性/隱性標籤。
| 模式 | 其工作方式 | 引用的例子數據 |
|---|---|---|
| 常染色體顯性 | 來自任一父母的一個改變副本足以影響孩子 | 如果一位父母受影響,每個孩子50%的機率(MedlinePlus) |
| 常染色體隱性 | 必須兩個基因副本都攜帶變異才能使性狀出現 | 如果兩位父母都是攜帶者,每次懷孕25%的機率(MedlinePlus) |
| X連鎖 | 遺傳取決於父母和孩子的性別 | 受影響的父親傳遞給所有女兒,不傳遞給兒子(MedlinePlus) |
| Y連鎖 | 僅通過男性血統傳遞 | 只有男性受影響;受影響父親的所有兒子都繼承它(MedlinePlus) |
超越簡單模式
並非所有性狀都遵循簡潔的顯性或隱性規則。NIGMS指出,許多病症涉及多個基因和環境因素,使遺傳比單基因性狀更難預測。MedlinePlus補充說,對於這樣的病症,家族史和遺傳檢測結果有時可以細化——但不能完全確定——性狀被傳遞的機率。
表觀遺傳學增加了另一層:附著在DNA或DNA環繞的蛋白質上的化學標籤可以在不改變底層DNA序列本身的情況下開啟或關閉基因。NIGMS以吸煙為例,說明可以觸發這樣變化的環境因素。
沒有通用機制來說明顯性和隱性等位基因如何作用。
常見問題
- 基因和DNA之間有什麼區別?
- 根據MedlinePlus遺傳學,DNA是以雙螺旋結構儲存遺傳信息的化學分子;基因是DNA的特定片段,用作遺傳的基本單位,通常攜帶製造蛋白質的指令。
- 人類有多少個基因?
- 人類基因組計畫最初估計有20,000到25,000個蛋白質編碼基因。根據MedlinePlus,最近的估計約為19,900個,而NIGMS引用的數字約為20,000個。
- 性狀為顯性是什麼意思?
- 根據MedlinePlus,當一個人只有一個相關基因的改變副本時,顯性性狀或病症就會出現,這個副本來自任一父母。
- 遺傳學中的攜帶者是什麼?
- 根據MedlinePlus,攜帶者有隱性基因變異的一個副本,但通常不表現症狀;只有當一個人從每位父母那裡各繼承一個變異副本時,性狀或病症才會出現。
- 為什麼X連鎖病症影響兒子和女兒的方式不同?
- 兒子從父親獲得Y染色體,從母親獲得X染色體,而女兒從每位父母各獲得一條X染色體;根據MedlinePlus,這就是為什麼受影響的父親將X連鎖變異傳遞給所有女兒但不傳遞給兒子。
來源
- MedlinePlus Genetics — What is a gene?
- MedlinePlus Genetics — What is DNA?
- MedlinePlus Genetics — If a genetic disorder runs in my family, what are the chances that my children will have the condition?
- NIH National Institute of General Medical Sciences — What Is Genetics?
- University of Utah Genetic Science Learning Center — What are Dominant and Recessive?
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