《核外遗传学》PPT课件.ppt

1,第十章 核外遗传分析,第一节 核外遗传的性质与特点 第二节 母性影响 第三节 细胞内敏感物质的遗传 第四节 线粒体遗传及其分子基础 第五节 叶绿体遗传及其分子基础 第六节 核外遗传与植物雄性不育,2,3,共生基因组： 即共生微生物的基因组， 包括草履虫 kappa、果蝇-因子（CO2 敏感）、果蝇 SR-因子（性比）,细菌质粒：细菌染色体以外的环形DNA分子，如F因子、R因子、Col因子,4,核外遗传（extranuclear inheritance） 由核外基因所控制的遗传称为“核外遗传”, 也叫“非染色体遗传”（non-chromosome inheritance）。因为核外遗传不受孟德尔遗传规律支配, 故又叫“非孟德尔式遗传”（non-mendel inheritance）。 在高等生物中，染色体和染色体以外的遗传物质被核膜所隔开，染色体以外的遗传物质又是处在细胞质内的，所以核外遗传又称为细胞质遗传（cytoplasmic inheritance）。,第一节 核外遗传的性质与特点,5,细胞核遗传 由核基因所控制的遗传称为细胞核遗传，也叫“染色体遗传”，“核内遗传”。核内遗传因受孟德尔遗传规律所支配, 所以又称为孟德尔遗传。核内遗传在遗传物质的传递和控制中占有主导作用。 核-质互作遗传 由核基因和细胞质基因共同支配的遗传现象称核-质互作遗传(inheritance of nuclear-cytoplasm interaction),6,母体遗传 由雌性亲本细胞质遗传因子(基因)决定, 使子代表型与母体表型相同的现象叫母体遗传(maternal inheritance). 母体遗传的特点是正反交结果不同，子代性状都始终由母体决定。 母体影响 由于雌性亲本核基因表达产物在卵细胞质中暂时积累, 导致子代表型与母体表型相同的现象叫母体影响(maternal influence）或母性效应（maternal effect). 母体影响表面上受细胞质因子控制的, 实际上是受核基因控制的.,7,细胞器基因通过细胞质由一代传递给下一代。 遗传方式是非孟德尔式的，杂交后代不表现有规律的分离。,核外遗传的特点,3. 正反杂交结果不同，杂交子代的某些性状总是与母本相同或相似； 如果正、反交结果不一致，又不是性连锁遗传，就可判断为细胞质遗传。,8,4. 连续回交，母本的核基因组可被父本的基因组全部置换，但由母本细胞质基因组控制的性状不会消失（因为卵细胞每次提供一半核基因和提供全部细胞质，精细胞只提供和基因，不提供细胞质）。,9,5. 有细胞质中的附加体或共生微生物决定的性状，其表现类似病毒的转导或感染，即可传递给其他细胞。 6. 基因定位困难。 因为1）杂交后代不表现有比例的分离；2)带有保值基因的细胞器在细胞分裂时的分配不是均匀的。,10,核外遗传现象的发现 20 世纪初期，法国植物学家Correns 在紫茉莉中发现, 绿色叶母本 x 黄绿色叶父本 F1代全为绿色; 黄绿色叶母本 x 绿色叶父本 F1 代全为黄绿色。 20世纪40年代陆续在粗糙链胞酶、 酵母、草履虫、衣藻中发现, 由此推测, 细胞质内存在遗传物质 20世纪60年代以后, 陆续发现线立体、叶绿体内含有DNA, rRNA 和 tRNA .,11,第二节 母性影响,由于母体核基因表达产物在卵细胞细胞质中积累, 导致子代表型与母方表型相同的现象叫母体影响. 由于不是胞质基因表达的结果，所以母性影响不属于细胞质遗传或核外遗传。 母性影响分为： 短暂性的母性影响（short maternal influence) 持久性的母性影响（Lasting Maternal Influence。 前者仅影响子代个体的幼龄期， 而后者则影响子代个体的终生。,12,短暂母性影响举例, 禾谷类作物害虫麦粉蛾,颜色变化的原因：细胞质中有一种叫犬尿素的物质，由核基因 A 控制，aa 因缺乏合成犬尿素的能力，所以幼虫皮肤无色，成虫复眼红色。,表型,13,与孟德尔的显性规律一致,AA 与 aa 正、反杂交结果,14,Aa 与 aa 正、反测交结果,A B C D,A, B 细胞质来源相同，Aa，aa 肤色相同，因为B为母质决定；,C, D 细胞质来源相同, 但 Aa，aa 肤色不同，因为C 有显性基因 A，D 无显性基因A,15,持久母性影响举例,椎实螺（Lymnaea），腹足纲, 椎实螺科动物，生活在水草丛生的小河、沟渠、池塘等内，是肝片吸虫的中间寄主，可使牛、羊致病 (肝片吸虫病)。螺壳形状为椭圆锥形。 椎实螺是雌、雄同体，混养时进行异体受精(两个个体相互交换精子), 同时又各自产生卵子。单个饲养时，各自进行自体受精。, 椎实螺外壳旋向的遗传,16,椎实螺的外壳有右旋和左旋之分。拿一个螺壳，使开口朝向自己, 开口在你的右边，为右旋；开口在你的左边，是左旋。,右旋,17,右旋(DD)对左旋(dd)为显性. 正交：DD（右）dd（左）Dd（右） 反交：dd（左）DD（右）Dd（左） 正反交结果不同，F1 表型总是由母本的基因型控制,18,P,DD(右旋),dd (左旋),卵D,精子D,精子d,F1自体受精，F2虽然是1DD: 2Dd: 1dd的分离，但表型都由母亲的基因型决定，所以全是右旋。,卵d,Dd(右),Dd(左),F2,1DD,2Dd,1dd,1DD,2Dd,1dd,F3,右,右,左,右,右,左,F1,F2 代全为右旋， F3 出现1/4左旋, 表明雌性亲本D基因产物在卵细胞内暂时积累，在一定时间内显示木本的形状,右 右 右 右 右 右,19,上例父亲的显性基因 D（精子）F1不表，到 F2 才表现的现象，叫延迟遗传（delayed inheritance）。 卵细胞质的特性可影响胚胎发育。不论是短暂的，还是持久的母体影响，卵细胞细胞质的特性实质上是受母体的核基因所控制的，所以母性影响也叫假细胞质遗传（pseudo-cytoplasmic inheritance）。,20,螺类受精卵分裂是螺旋式的，成体螺壳的方向受 最初两次卵裂时纺锤体的方向决定， 并受精前的母体基因型决定。,右旋、左旋螺壳形成的机理,21,22,60度,120度,23,第三节 细胞内敏感物质的遗传,24,草履虫（ ）一种小原生动物 含一大营养核与两小生殖核(二倍体), 生殖方式有无性生殖与有性生殖, 有性生殖又分为结合生殖与自体受精。,1. 草履虫放毒型的遗传,无性生殖: 通过细胞分裂直接形成两个子代个体, 子代基因型与亲代保持一致. 接合生殖: 二纯合体接合后成为杂合体。KK kk Kk 自体受精: 杂合体(Kk)自体受精后变为纯合体, KkKK, kk,25,26,27,草履虫的表型,放毒型：含卡巴粒, 能产生一种叫草履虫素(paramecin) 的毒素，对敏感型品系有毒害作用。 敏感型：不含卡巴粒, 不产生草履虫素, 对放毒型产生的草履虫素敏感.,放毒型的遗传基础 含细胞质因子卡巴粒 (kappa)，产生草履虫素。 有核基因 K， 决定 kappa 的增殖, 但不能产生 kappa。,28,卡巴粒(Kappa) 直径约0.20.8(与一个小型细胞相当), 两层膜包围的包涵体(inclusion)，内层是典型的细胞膜，外层像细菌的细胞壁。每一细胞约有2001600个卡巴粒。 呈 Feulgen 染色阳性（染成紫红色), 表明其化学本质为 DNA. 有相对的自主性和连续性，可一代一代地传递，但必须有核基因 K 的存在。 可产生草履虫素(毒素).,29,因为没有 kappa 的草履虫(敏感型草履虫)也能正常生长，所以Kappa 不是草履虫自身生长发育所必须的，可能是一种细菌, 在过去某一时期和草履虫发生了共生关系，而成为草履虫的一种附属物。 Kappa 可能源自细菌的证据: 1) DNA碱基比、RNA、蛋白质和脂类等物质的含量与一般细菌的含量相似；2）所含细胞色素与宿主草履虫不同，但与某些细菌的相似。,30,放毒型和敏感型短时接合生殖及自体受精的后果,短时间结合只发生小核交换，无细胞质交换 F1 代核基因一致。但一半为放毒型，一半为敏感型。,31,小核与细胞质都发生交换， kk基因型由于不能使 kappa 复制，分裂几代后，kappa 逐渐稀释至0，所以是暂时的放毒型，后成为敏感型,放毒型和敏感型长时接合生殖及自体受精的后果,32,Kk 自体受精 如何形成 KK 和 kk,33,敏感系: 被 CO2 麻醉后不能恢复; 抗性系: 被 CO2 麻醉后可完全恢复,抗性品系 (),敏感品系 (),敏感品系 (),抗性品系 (),X,抗性品系,敏感品系,原因: 敏感品系细胞质有一种称作 sigma ()病毒, 是一种感染因子, 通过雌性亲本的卵细胞质传递给子代。,2. 果蝇 CO2 敏感性遗传,X,34,3. 性比雌蝇的性比因子遗传,一种雌蝇 X 正常雄蝇 全部 或 大部分为雌蝇 ( 雄蝇在胚胎发育早期死亡) 原因: 细胞质存在类似于 sigma 病毒的螺旋体，这种决定果蝇性别的螺旋体叫性比因子。 上述可产生大量雌蝇的雌蝇叫作性比雌蝇. 性比雌蝇与正常雄蝇交配, F1代雄雌比例远远小于1/1 的现象叫性比遗传。,35,第四节 线粒体遗传及其遗传基础,36,野生型酵母生长快, 形成的菌落较大, 所以称大菌落（grande） 20 世纪40 年代，法国学者埃弗雷西(B. Ephrassi）在面包酵母中发现了一种突变型生长缓慢, 形成的菌落很小, 所以称小菌落突变体（petite mutant）。 后来发现该突变体缺少 细胞色素 a, b 和细胞色素c氧化酶, 是线立体基因全部丢失(突变)的结果。,1.1 酵母的小菌落遗传,1. 线粒体遗传,37,38,正常 mt,缺失 mt,核基因A,正常酵母的某些线粒体的DNA具缺失突变,A,n,A,n,线粒体DNA完全缺失，发育为可真实遗传的小菌落,a,n,交配型a，正常菌落,2n,质、核融合,Aa,A,A,a,a,减数分裂时， 线粒体随机分配到4个子囊孢子中,形成的菌落全部为正常菌落、 小菌落消失是因为所有孢子都有正常线粒体，说明酵母小菌落是由线粒体控制的，,39,A,a,（+） （小菌落）,（） （野生型）,A,A,A,A,a,a,a,a,核基因 A：a=1：1，表型全部为小菌落,40,41,营养细胞含一个单倍体核，一个叶绿体，20 个线粒体. 交配型由核内等位基因 mt+ / mt 控制。 Sm-2 突变体，对链霉素具高度抗性 (Str r）. Sm-2 突变体与野生型杂交，子代对 Str 抗性依母本的交配型不同而异： 基因型为 Strr /mt+ 的母本 X 野生型 子代全表现为 Strr； 基因型为 Strr/ mt 的母本X 野生型 子代几乎全部为Strs，显示非孟德尔遗传。,1.2 莱因衣藻链霉素抗性的遗传,42,Mt+ Strr Mt Strs Mt Strr MtStrs 突变体 野生型 突变体 野生型 Mt+ Strr Mt Str s,由线粒体和叶绿体基因控制的遗传。 mt+ 亲本的叶绿体DNA正常，可以遗传 mt 亲本的叶绿 DNA 在合子中降解, 由于抗 Str 基因位于叶绿体基因组上， 所以在 mt- 亲本中，抗Str 基因 随叶绿体DNA解体而解体，所以转变为链霉素敏感型。,（str 敏感型）,（str 抗性）,43,1.3 链孢霉缓慢生长突变型（Poky）的遗传,正交：,A,a,A,A,A,A,a,a,a,a,正常 mt,缺失 mt,接合时只提供核,（+） （野生型）,（） （poky）,子囊孢子从“+” 接合型那里得到正常线粒体，全部野生型。 核基因 A：a=1：1,44,反交：,A,a,（+） （poky）,（） （野生型）,A,A,A,A,a,a,a,a,核基因 A：a=1：1，表型全部为poky突变,45,野生型与 poky 突变体的菌丝融合 异核体异核体内两种不同核形成两种不同的分生孢子不同的菌株： 有野生型核的菌株表现出 poky 小菌落性状, 有 poky 小菌落性状的菌株却表现出野生型菌落的性状.,1.4 粗糙脉孢菌 poky 小菌落遗传,46,A B C D,A/B、C/D 核同，质不同，表型不同； A/D 、B/C 质同，核不同，表型相同,47,A/B、C/D 核同质不同，表型不同； A/D 、B/C 质同核不同，但表型相同。此种现象表明：小菌落这一表型不受核（基因）影响, 而受某些核外遗传因子（基因）的控制. 这种遗传因子位于细胞质内, 并通过异核体的细胞质传递给子代.,48,一般特征,DNA 双链，多数环状,少数线性 基因组大小：动物: 14-19kb; 真菌:17-176kb; 原生动物: 50kb; 植物: 200-2500kb; 线粒体数目/cell: 酵母50个；鼠500个；人800个/细胞。、 mtDNA 数目/线粒体： 酵母 40-150 个。,2. 线粒体的基因组,49,mtDNA 多数 不含重复序列，但含短的核苷酸序列. mtDNA浮力密度较核DNA低。 G、C 含量小于A、T含量 两条单链密度不同，有轻（L)、重链（H）之分。 分子量小，仅为核DNA的十万分之一,50,mtDNA 能进行半保留性复制，复制方式多样（式, D 环式或滚环式），并受环境的调节; 同一细胞内的线粒体可采用其中一种，或多种方式同时复制，复制与细胞分裂同步.,D 环式复制,51,mtDNA 复制与核内 DNA复制彼此独立进行，但 mtDNA 复制受核基因控制, 因为 mtDNA 复制所需酶是由核基因编码. 不同生物 mtDNA 都包含下列与呼吸和抗药性相关的基因: 1) 细胞色素氧化酶; 2) 细胞色素b-c1复合物; 3) ATPase : 4) 膜蛋白; 5) 抗氯霉素、红霉素，寡霉素基因,52,线粒体有自己的核糖体系统, 核糖体大小为 55S-80S，由 2 个亚基组成，每个亚基含一个 rRNA 分子. 线粒体的 rRNA 与 tRNA均由 mtDNA 编码。 不同生物线粒体翻译系统的部分密码子有所不同， 与细胞质翻译系统密码子相比也存在差异（表10-4）,线粒体 DNA 的转录与翻译系统,53,54,线粒体中蛋白质合成受红霉素、氯霉素的抑制，而真核生物细胞质中蛋白质合成受放线菌酮(cyclohe ximide)抑制. 线粒体有自己的 DNA, rRNA、 tRNA，核糖体、密码子系统及相关的酶等，所以能独立进行复制、转录、蛋白质合成，重组。,55,56,线粒体虽能独立进行复制、转录及蛋白质合成，但线粒体中的蛋白质除少数由自身基因组编码外，大多数由核基因编码，并且在细胞质的核糖体上合成, 然后被转运到线粒体（如线粒体核糖体蛋白, RNA聚合酶, 氨酰-tRNA合成酶, 柠檬酸三羧酸循环酶, 膜结合酶复合物等）, 所以说线粒体的遗传是半自主性的.,57,58,环状 DNA 分子，长 26, 84kb，基因间被大段(25kb)非编码序列隔开； 部分基因有内含子（如细胞色素氧化酶亚基 1 的基因), 这些内含子具有将它们自身从 RNA 转录物中剪出去的相关序列 某些基因在有的品系中有内含子，在另一个品系中没有内含子，这种内含子叫随意内含子(optioual intror)，随意内含子可能和转座子一样，可在基因组内进出。,酵母线粒体基因组,59,60,16.569kb，.比酵母 mtDNA 分子小， 基因排列紧密，无内含子. 密码子/反密码子配对不严谨，许多tRNA 可以识别密码子第三位置上 4 个碱基(A, U, G, C)中任何一个，这样使得一个 tRNA 可以与 4 个密码子中的任何一个配对(因为发现仅有 22 tRNA 分子用于线粒体蛋白质合成） 人类线粒体基因组中有部分密码子定义的氨基酸与核基因的不同（表14-3）,人类线粒体基因组,61,62,mtDNA 两条链从各自的单一启动子区开始复制，产生两条 RNA分子，各含一条DNA单链的全部拷贝，因此转录是完全对称的。 重链原始转录产物经核酸酶切割 产生 2 个 rRNA、14个tRNA、10个含 polyA 的 RNA。 轻链原始转录产物经核酸酶切割 产生 8 个 tRNA，1个含 polyA 的 RNA，即线粒体 mRNA,63,64,65,66,200kb - 2500kb. 环状 +线状，线形分子占大多数, 由主基因组(master)和主基因衍生的一系列大小分子组成 含叶绿体的 16S rRNA、二个 tRNA 及 1, 5 - 二磷酸羧化酶大亚基的基因, 基因排列是非连续性的，表现为独立转录，但存在多顺反子共转录现象。 有些基因（如 cox和 nad 基因）有内含子,高等植物线粒体的基因组,67,mtDNA 编码的基因包含： 1）线粒体 5S、18S、26S rRNA及tRNA的基因 2）F0-F1复合物的 4个亚单位的基因； 3）核糖体蛋白小亚单位rps4、rps13、rps14 基因； 4）NADH-辅酶Q氧化还原酶复合物的亚单位基因； 5）细胞色素氧化酶复合物大亚单位 cox、 cox、cox 的基因；,68,第五节 叶绿体遗传及其分子基础,69,紫茉莉（Mirabilis jalaba），俗称胭脂花。多数枝条、叶子为绿色， 少数枝条为白色，上面的叶子也为白色。还有部分枝条呈花斑状（白色、绿色斑片相间排列），其上长出的叶片也是花斑状。不论是绿色枝条、白色枝条或花斑枝条，其上都可开花。,1.1 紫茉莉叶色与花色的遗传,1. 叶绿体的遗传实例,1909年，德国植物学家 Correns（重新发现孟德尔规律者之一）用不同枝条上的花粉进行授粉，得到如下结果：,70,71,72,枝条和叶片的颜色是由叶绿体的叶绿素决定的。绿色叶和花斑叶的绿色部分含有正常叶绿体，白色叶和花斑叶的白色部分缺乏正常叶绿体. 由于叶绿体存在于细胞质中，在受精过程中，卵子(雌配子)提供全部细胞质，而精子(雄配子)通常不含或含极少量细胞质. 所以后代的性状与母本相同. 是典型的细胞质遗传，或母体（系）遗传。 因为叶绿体在胞质分裂时是随机分配, 所以花斑状表型。,紫茉莉叶色遗传的内在原因,73,1.2 玉米埃型条斑的遗传,玉米埃型条斑( iojap, ij) 基因位于七号染色体上，控制叶绿素合成，绿色（ Ij ）对 白色（ij ）为显性， 纯合隐性（ijij）为白色。白化苗，或茎、叶上形成白绿条斑， 是因为 ijij 不能形成叶绿素之缘故。 绿色母本 x 条斑型父本 后代呈孟德尔分离。 条斑型母本 x 绿色父本 后代呈非孟德尔分离。,74,绿色,绿色母本与条斑型父本杂交,3 绿 :1条斑，为孟德尔比数。条斑型形成的原因是：虽从卵子得到正常叶绿体，但ii不能继续形成正常叶绿体，受精卵在细胞分裂过程中，叶绿体逐渐稀释至无叶绿体。,75,纯合条斑母本与绿色父本杂交,减数分裂时, 叶绿体随机分配, 母本形成 3 种类型的配子, 与雄配子结合, F1 出现绿: 白: 条斑 3 种表型(1:1:1), 为非孟德尔遗传, ijij（纯合条斑） IjIj（绿色）,76,减数分裂时, 叶绿体随机分配, 母本形成 6 种类型的配子, 与雄配子结合, F1 出现 绿: 白: 条斑3种表型(1:1:1), 也为非孟德尔遗传,杂合条斑母本与纯合绿色父本杂交,雌配子一旦出现埃型条斑纯合（i， 如 a,b），就可通过母本遗传下去，不再受核基因控制，即便有显性(I)基因存在也不能 “矫正” (如A, B)，表明叶绿体有遗传上的自主性。,a,b,77,裸露环状双链分子, 120kb-217kb, 10个 ctDNA /叶绿体，ctDNA 不含 5-甲基胞嘧啶. 叶绿体有自己的转录、翻译系统。 核糖体 50S 和 30S 小亚基的 rRNA (23S, 4.5S, 5S, 16S), 1/3 的核糖体蛋白及 30多个 tRNA 均由 ctDNA 自身编码，但 ctDNA 复制所必需的复制酶及参与蛋白质合成的组分由核基因编码。,叶绿体基因组（ctDNA）,2. 叶绿体遗传的分子基础,78,ctDNA 中， 4 种 rRNA 基因以 16S 23S4.5S5S 的顺序构成两个反向重复序列； 两个反向重复序列(rDNA) 之间被两段大小不等的非重复序列隔开。由于两重复序列的方向相反，复性时两条单链的重复区相互配对形成双链，两个重复间的非重复区形成两个大小不等的环.,79,20 种叶绿体核糖体蛋白； RNA聚合酶亚基； 光系统与中部分蛋白； ATPase 亚基； 电子传递链复合物部分成分； RuBp 酶大亚基（1,5-二醛酸核酮糖羧化酶）,ctDNA 基因组编码的蛋白质有：,80,1, 5 -二磷酸核酮糖羧化酶的小亚基; 光合系统中的叶绿素蛋白 chl a/b ATPase 偶联因子（coupling factor，CF) CF1 中 的、亚基， 与 CF0 中的亚基。 ATP酶位于类囊膜外侧。ATP酶分为 CF1 和 CF0 两部分。CF0 插在膜中，起质子通道作用,细胞核 DNA 为叶绿体编码的蛋白质,81,82,叶绿体也是一种半自主性遗传细胞器。 因为叶绿体遗传系统离不开细胞核遗传系统。 叶绿体部分蛋白质的合成受核基因支配。,叶绿体遗传系统与细胞核遗传系统的关系,83,第六节 核外遗传与植物雄性不育,因基因突变引起雄蕊发育异常, 不能产生可育花粉, 最终导致不能结实的现象叫雄性不育(male sterility).,雄性不育可自发产生，也可通过人工诱导产生。,植物雄性不育分为：细胞核雄性不育, 细胞质雄性不育 和 核-质互作不育(三型说).,84,核雄性不育(nucl