细胞质遗传核外遗传

1、细胞质遗传(核外遗传) cytoplasmic inheritance,是指细胞核的染色体外遗传因子所决定的遗传现象 线粒体和叶绿体中存在DNA(1953-1964) 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,是细胞核外遗传体系,一、核外遗传的性质与特点,最早观察到不符合孟德尔遗传现象(非孟德尔遗传) 的是在紫茉莉中花斑叶遗传（1909） 推测细胞质中可能存在遗传物质 1953-1964相继证实线粒体和叶绿体中存在DNA 研究表明线粒体、叶绿体存在遗传系统，是半自主性细胞器,紫茉莉（Mirabilis jalapa）的花斑叶片。(转引自Russell,1992),子代性状取决于母本，与父本无关 这是由于

2、细胞器的分离规律不同于染色体分离规律所致 分离比也不是核基因分离比1：1,特点： 1、遗传物质通过细胞质从亲代传到子代 2、不出现孟德尔分离比 3、正反交结果不同 4、子代只表现母本特征，与父本无关,异核体测验（菌丝体融合）证明细胞质遗传 粗糙脉孢菌的野生型+突变型poky 异核体(细胞质混合） 分生孢子（野生型核） 分生孢子（poky突变型）,二、细胞内敏感性物质的遗传,1、草履虫放毒型的遗传 Kk(杂合子）经自体受精后转变为纯合子KK或kk草履虫素是颗粒产生的，但颗粒的存在有赖于核基因K的存在，kk + 是不稳定的，58代后颗粒会丢失。 图10-2,以上三个遗传实例充分证明某些遗传因子是通

3、过细胞质遗传的,三、母体影响,正反交情况下，子代结果不同，子代某些性状相同于雌性亲本 除核外遗传外，母体核基因的某些产物积累在卵母细胞的细胞质，使子代表现不是自身基因决定的性状而是与母体表型相同的性状称为母体影响,1、短暂的母体影响： 欧洲麦蛾幼虫皮肤色素（A有色-a无色），成虫眼色（A褐眼-a红眼）,母体形成的卵子细胞及之后的受精卵细胞质中存在母体基因A表达的产物，使aa基因型个体幼虫肤色为有色，但成虫表现为aa基因型的性状,2、持久的母体影响 椎实螺的遗传,四、线粒体遗传及 其分子基础,1、酵母的小菌落突变: 缺乏细胞色素ab及 细胞色素c氧化酶。 小菌落性状的遗传 因子存在于细胞质 线粒

4、体DNA的突变,2、线粒体基因组,（1）线粒体基因组的一般性质,高等植物mtDNA链长250Kb2000 Kb。 真菌、昆虫直到哺乳动物显示出一种趋势，即从低等到高等真核生物mtDNA越来越小，排列越来越紧密。如酵母：75Kb，粗糙脉孢菌：60Kb；曲霉：32Kb；爪蟾：17,533bp；牛：16,338bp；小鼠：16,295bp；人类16,569bp,多拷贝：如酵母细胞有1-45个线粒体，每个线粒体含10-30拟核，每个拟核4-5个线粒体DNA 人类细胞线粒体从几十（精子70多个）到几百甚至上千，每个线粒体含2-10个DNA 裸露的双链环状DNA分子（少数线性） DNA大小：植物200-2

5、500kb，大；动物从真菌、昆虫直到哺乳动物大 小（趋势） 半保留复制，复制受核DNA基因控制,mtDNA进行半保留复制， 其H链复制的起始点（OH） 与L链复制起始点（OL） 相隔2/3个mtDNA。 在静止期或分裂的细胞都 可能活跃复制，复制过程 H链先复制 复制受核基因的控制,线粒体DNA不仅能复制，且线粒体具有完整的遗传系统：有核糖体、tRNA，能转录和翻译 编码线粒体部分蛋白质（占少数），基因表达受核基因调控 大部分线粒体蛋白由核基因编码 线粒体为半自主性细胞器,（2）线粒体DNA的组成,不同物种的真核生物 线粒体基因组大小差 异很大 酵母和人类的mtDNA 基因组图,转引自Grif

6、fiths,A.J.F.et al.: MODERE GENETIC ANALYSIS,1999,W.H. Freeman and Company,人类线粒体DNA 16569bp，闭环双链状，、链 除D环外，几乎每个碱基都用于编码 编码区为保守序列，不同种系间75%的核苷酸同源性 共编码37个基因：13个蛋白基因、22个tRNA、2个rRNA 基因排列紧密，转录后的加工剪切发生在mt-tRNA前后，mt-tRNA的二级结构可能作为加工酶的识别信号。 1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定,1981年Anderson 等人完成了人类 线粒体基因组的 全部核苷

7、酸序列的 测定。,13个蛋白基因编码: 3个为构成细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体）催化活性中心的亚单位（COX、COX和COX） 2个为ATP合酶复合体（复合体）F0部分的2个亚基（A6和A8） 7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6） 1个编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素c还原酶复合体（复合体）中细胞色素b的亚基,脊椎动物mtDNA全序列结构的共同特点是： 基因数目和排列顺序相同，两条链均有编码功能 其中2个rRNAs，14个tRNAs和12个蛋白质基因在重链上（H），另8个tRNAs基因和1个蛋白质基因在

8、轻链（L）上 有一个D环，与mtDNA的复制有关 有2个复制起始点，分别复制H和L链 基因间没有间隔， tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间 某些蛋白质的密码子与核基因通用密码子不同 线粒体中的tRNA兼用性（反密码子摆动）更大 mtDNA仅编码氧化呼吸酶类少部分亚基,mtDNA中的密码子与通用密码子的某些差异 AUA成为起始密码子，而不是通用的Ile密码子； UGA是色氨酸（Trp）密码子，而不是终止密码子； AGA，AGG在哺乳动物mtDNA中是终止密码子，而不是精氨酸（Arg）密码子。,线粒体中的tRNA兼用性（反密码子摆动）更大 有些氨基酸的4个密码子的前两个碱基相同，组

9、成了四密码子家族盒，由两个tRNAs来阅读（细胞质tRNA） 线粒体tRNAs，1个tRNA可以阅读四密码子家族盒中所有的4个密码子,线粒体基因组含有二个rRNA基因，但在不同的生物中这两个基因组成不同 人类细胞，小的（12S）和大的（16S）rRNAs紧密地连接在一起，在其间隔一个tRNA基因 链孢霉中两个基因相隔6Kb 在酵母中两个基因相隔25-30Kb，大量的tRNA位于些间隔区 链孢霉和酵母的rRNA基因中含有内含子 在四膜虫中有一个额外的大rRNA基因拷贝，但小rRNA基因却没有,线粒体基因转录特点 与核基因转录比较，mtDNA的转录有以下特点： 1.两条链均有编码功能 2.两条链从

10、D-环区的启动子处同时开始以相同速率转录，L链按顺时针方向转录，H链按逆时针方向转录 3.mtDNA的基因之间无终止子 4.tRNA基因通常位于mRNA基因和rRNA基因之间,酵母线粒体DNA（78kb） 基因间有大段非编码序列 两个rRNA基因相距25-30Kb,大rRNA基因有内含子 两个蛋白质基因有内含子（细胞色素氧化酶亚基I基因、cytb），且内含子序列具有自我剪切作用,植物线粒体DNA 细胞色素c氧化酶（COX）复合体的大亚单位的COX、COX和COX基因 ATPase复合体的4个亚单位基因 核糖体小亚基蛋白的rps4、rps13、rps14基因 NADH-辅酶Q氧还酶复合体的几个亚

11、单位基因 3个rRNA（5S、18S、26S）基因 一些tRNA基因,（3）线粒体的蛋白质合成 线粒体有它们自己蛋白合成系统，且与细菌蛋白质合成系统相似，在很多的情况下线粒体蛋白质合成体系的成分和细菌的相关成分在体外可以互换； 线粒体mRNA没有5端的帽结构； 线粒体核糖体较细胞质核糖体小,mtDNA中的密码子与通用密码子的某些差异 密码子-反密码子配对比较宽松， tRNA反密码子第三位1种碱基可以识别密码子第三位上的4个核苷酸，1个tRNA可以阅读四密码子家族盒中所有的4个密码子,人类线粒体基因突变与疾病 1988年Wallace等发现Leber视神经病的发生与线粒体DNA突变有关（mtDN

12、A G11778A,1988，Wallace,ND4精 组) Preznat,于1993发现mtDNA 12rSRNA基因A1555G突变与氨基糖苷类抗生素敏感性耳聋有关,线粒体DNA突变率比核基因高10-20倍 mtDNA中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域 mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合 mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧离子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤 mtDNA复制频率较高，复制时不对称 缺乏有效的DNA损伤修复能力,线粒体DNA突变的类型 点突变 大片段重组 mtDNA数量减少 mtDNA突变的修复,确定一

13、个mtDNA是否为致病性突变的标准： 突变发生于高度保守的序列或发生突变的位点有明显的功能重要性 该突变可引起呼吸链缺损 正常人群中未发现该mtDNA突变类型，在来自不同家系但有类似表型的患者中发现相同的突变 有异质性的存在，而且异质性程度与疾病严重程度呈正相关。,点突变 已知的疾病中，2/3的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的tRNA和rRNA基因上 1/3点突变发生于编码mRNA的基因,大片段重组 缺失和重复，以缺失为主 如：848313459之间5.0kb的缺失（KS综合症） 863716073之间7.4kb缺失（与衰老有关的退行性疾病） 4977bp 、7345bp和7599bp缺

14、失与精子活动力障碍有关（ Kao et al）,mtDNA数量减少 AD或AR遗传，与nDNA有关,线粒体基因病的遗传特点 母系遗传 在精卵结合时，卵母细胞拥有上百万拷贝的mtDNA，而精子中只有很少的线粒体，受精时几乎不进入受精卵，因此，受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子。 表现为母系遗传（maternal inheritance），即母亲将mtDNA传递给她的儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。,多质性 人体不同类型的细胞含线粒体数目不同，通常有成百上千个，而每个线粒体中有210个mtDNA分子，由于线粒体的大量中性突变，因此，绝大多数细胞中有多种mtDNA拷贝，其拷

15、贝数存在器官组织的差异性。,异质性 如果同一组织或细胞中的mtDNA分子都是一致的，称为同质性（homoplasmy）。 在克隆和测序的研究中发现一些个体同时存在两种或两种以上类型的mtDNA，这是由于mtDNA发生突变，导致一个细胞内同时存在野生型mtDNA和突变型mtDNA，称为异质性（heteroplasmy）。 野生型mtDNA对突变型mtDNA有保护和补偿作用，因此，mtDNA突变时并不立即产生严重后果。,遗传瓶颈效应 异质性在亲子代之间的传递非常复杂，人类的每个卵母细胞中大约有10万个mtDNA，但只有随机的一小部分（2-200个）可以进入成熟的卵细胞传给子代，这种卵细胞形成期mt

16、DNA数量剧减的过程称为“遗传瓶颈效应”。 瓶颈效应限制了下传的mtDNA的数量和种类，造成子代个体间明显的异质性差异，甚至同卵双生子也可表现为不同的异质性水平。,阈值效应 mtDNA突变可以影响线粒体OXPHOS的功能，引起ATP合成障碍，导致疾病发生。 突变型mtDNA的表达受细胞中线粒体的异质性水平。即表型依赖于细胞内突变型和野生型mtDNA的相对比例 阈值：引起特定组织器官功能障碍的突变mtDNA的最少数量称阈值。,阈值是一个相对概念，个体差异很大。 例如，缺失5kb的变异的mtDNA比率达60%，就急剧地丧失产生能量的能力。 线粒体脑肌病合并乳酸血症及卒中样发作(MELAS)患者tR

17、NA点突变的mtDNA达到90%以上，能量代谢急剧下降。,不同的组织器官对能量的依赖程度不同，阈值不同 中枢神经系统对ATP依赖程度最高，对OXPHOS缺陷敏感，易受阈值效应的影响而受累。 同一组织在不同功能状态对 OXPHOS 损伤的敏感性也不同。如线粒体脑疾病患者在癫痫突然发作时，对ATP的需求骤然增高，脑细胞中高水平的突变型 mtDNA无法满足这一需要，导致细胞死亡，表现为梗塞或梗死。,突变mtDNA随年龄增加在细胞中逐渐积累，因而线粒体疾病常表现为与年龄相关的渐进性加重。 在一个伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF）家系中，有85%突变mtDNA的个体在20岁时症状很轻微，但在60岁

18、时临床症状却相当严重。,不均等的有丝分裂分离 细胞分裂时，突变型和野生型mtDNA发生分离，随机地分配到子细胞中，使子细胞拥有不同比例的突变型mtDNA分子。这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。 在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。,例1 Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）于1871年由Leber医生首次报道。 主要症状为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经

19、、心血管、骨骼肌等系统异常。 患者多在1820岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显。,一个LHON的典型系谱,诱发LHON的mtDNA突变均为点突变 G11778A（1988，Wallace,ND4精 组)、G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cytb）等4个位点对LHON也有重要作用。 Leber氏遗传性视神经萎缩遗传性状研究 瞿 佳 管敏鑫（国家科技进步奖二等奖，浙江省科学技术一等奖，浙江省医药卫生科技创新奖一等奖）,例2 氨基糖甙类抗生素诱发的耳聋 链霉素、庆大霉素、卡那霉素、拓普

20、霉素、新霉素致耳聋 1993年（Prezant)发现A1555G（12SrRNA)突变 又发现A7445G、A1438G、A3243G、A8363G、G15915A突变,管敏鑫教授 第一次发现了核基因对线粒体DNA致聋相关突变A1555G临床表型的决定性作用 发现核修饰基因对线粒体DNA突变分子耳聋外显率的影响，并发现三个新的修饰基因 第一次发现氨基糖甙类相关致聋位点C1494T,A1555G突变,1993年Prezant等人首先在一个阿拉伯以色列非综合征母系遗传的家系中发现mtDNA 12S rRNA基因A1555G突变。 Guan等人从阿拉伯以色列家系中有mtDNA A1555G突变的耳聋

21、病人取得淋巴细胞系进行功能研究。 现在已经发现全世界不同种族的人群中携带A1555G突变的家系有1000多例,浙江省各地市聋校A1555G突变筛查情况,环 境 因 素 （氨基糖甙类抗生素等）,mtDNA突变,遗 传 因 素,线粒体基因,核基因,线粒体功能缺失,内耳、前庭细胞,ATP合成 自由基生成 氧化还原平衡破坏,凋亡,功能缺失,听力下降,利用基因诊断的方法可以常规地对患者进行A1555G突变位点的筛查，如果该突变阳性，则要给他们发用药指南，提醒该患者及其所有的母系亲属避免使用氨基糖甙类抗生素，从而减少该家系耳聋的患病人数，降低耳聋的发病率。此项研究可以避免全国至少100万人口因用氨基糖甙类

22、抗生素而导致耳聋，具有深远的社会意义。,五、叶绿体遗传及其分子基础,叶绿体是植物细胞中特有的细胞器，起光能转换作用 1、衣藻的叶绿体遗传 依藻（单细胞），一个单倍体核、一个叶绿体、约20个线粒体 无性生殖为主 有时有性生殖：mt+ mt- (不同的交配型) 合子 （减数分裂） 4个单倍体（核基因2：2分离）,mt+ sm-r mt-sm-s(链霉素抗性） 合子 4个单倍体（子代）全部抗性 mt+ sm-s mt-sm-r(链霉素敏感）母性 合子 4个单倍体（子代）全部敏感 实验证明mt+ 亲本的叶绿体DNA传递下来了,衣藻的一些遗传表现为母性遗传，如链霉素抗性,2、叶绿体遗传的分子基础 （1）

23、叶绿体DNA 裸露的环状双链分子， 120kb190kb之间,叶绿体中ctDNA的拷贝数是多拷贝的，不同的生物拷贝数不同， 大多数植物ctDNA含有两个反向重复序列，之间有两段非重复序，在复性过程中两个重复序列恰好互补形成双链，非重复区形成单链环 ctDNA的复制是以半保留复制的，可能与线粒体相似 叶绿体基因组含有自已的转录翻译系统,（2）叶绿体DNA的基因组成 从地钱、烟草和水稻叶绿体全序列分析（表20-6）表明ctDNA基因组成有以下特点：,基因组由两个反向重复序列（IR） 和一个短单拷贝序列（SSC）及一个 长单拷贝序列（LSC）组成； IRA和IRB长各10-24Kb，编码相同，方向相反； ctDNA启动子和原核生物的相似； 尽管ctDNA大小各不相同，但基因组成是相似的，而且所有基因的数目几乎是相同的，它们大部分产物是类囊体的成分或和氧化还原反应有关（表10-5）； tRNA基因,约3032个，有内合子存在； 所有叶绿体基因转录的mRNA都由叶绿体核糖体翻译。,（3）叶绿体遗传系统与核遗传系统的关系 叶绿体蛋白分为三类： 一是叶绿体DNA编码的 二是核DNA编码的 三是核DNA和叶绿体DNA共同编码的（亚基） 叶绿体也是半自主性细胞器,叶绿体中所有的核糖体与线粒体核糖体、胞质核糖体完全不同。它们的沉降系数