遗传学核外遗传(细胞质遗传)ppt课件

1、第九章 核外遗传,核外遗传（extranuclear inheritance)也称细胞质遗传(cytoplasmic inheritance)。是指由核外（细胞质）的遗传物质所控制的遗传。,.,3,第一节 母性影响,.,4,一、短暂的母性影响 面粉蛾 野生型（A）：幼虫皮肤灰色，成虫眼睛深褐色 突变型（a）：幼虫皮肤白色，成虫眼睛红色。 杂合体（Aa）与隐性纯合体的正反交结果不一样, Aa x aa Aa x aa Aa aa Aa aa 幼虫 灰色 白色 灰色 灰色 成虫 褐眼 红眼 褐眼 红眼 原因：在色素产生过程中，由色氨酸到犬尿酸再到色素。 A可产生犬尿酸，a不产生犬尿酸。因此，Aa可

2、产生并在卵细胞中积累，使幼虫表现为灰色。,二、持久的母性影响 椎实螺外壳右旋（D）对左旋（d）显性。,X,P,F1,F2,F3,全右旋,右旋3:左旋1,DD,dd,Dd 右旋,反交：,P,X,DD,dd,Dd 左旋,F1,F2,F3,全右旋,右旋3:左旋1,特点： 不按自己的基因型发育，而是按母本的基因型（不是表型）发育。 自己的基因型推迟一代表现。 原因： 外壳旋转方向取决于卵裂时纺锤体的取向，而纺锤体的取向又取决于受精卵中细胞质的性质，受精卵中细胞质的性质是由母本基因型决定的。,.,9,第二节 真核生物的核外遗传,一、核外遗传的特征： 核外遗传也称细胞质遗传、染色体外遗传、非染色体遗传。

3、由于控制性状的遗传因子在细胞质内而不在细胞核内，因此它的遗传行为不符合孟德尔式遗传。 由于卵子中细胞质含量较多而精子细胞质含量极少，所以子代的细胞质主要来自于母本，因此核外遗传的特征是：子代获得母本的基因而表现为与母本相同的性状，不出现分离比。,核外遗传的主要遗传因子有： 与感染颗粒有关的遗传 线粒体 叶粒体,.,12,二、与感染颗粒有关的遗传 果蝇的CO2敏感型： 敏感型 x 野生型 敏感型 敏感型 x 野生型 野生型,极少数敏感型 极少数敏感型是由于精子带有极少的细胞质。 目前知道这是由于因子引起的，有人认为因子是一种病毒，称病毒。,草履虫的放毒型： 草履虫细胞内有大核和小核，大核主管营养

4、，小核主管遗传。 草履虫有两种生殖方式，无性生殖（裂殖）及有性生殖（接合生殖和自体受精）。,某些品系的草履虫能产生草履虫素，称放毒型； 草履虫素会杀死不放毒的草履虫（敏感型）。 草履虫的放毒型既与细胞质有关，也与细胞核有关。 即必须同时存在：细胞质因子颗粒及细胞核因子K基因才能保持稳定的放毒性状。 放毒型纯合子为：KK + 敏感型纯合子为：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,即KK + 是稳定的 kk + 是不稳定的，58代后颗粒会丢失 颗粒是草履虫的内共生细菌，是一种螺节姻缘杆菌 这是一个典型的草履虫-细菌-噬菌体的共生体系。这种通过感染而获得可遗传性状的现象称为遗

5、传感染。 草履虫除颗粒外，还有颗粒、颗粒等。,刚开始时是放毒型，58代后变为敏感型,三、与细胞器有关的遗传 线粒体(mitochondria)遗传： 线粒体基因组的大小及特征 1963年发现了线粒体DNA，为裸露环状（极少数线状）DNA分子。 动物细胞线粒体DNA一般在1439kb，但原生动物可达50kb。植物线粒体DNA比动物 线粒体DNA大，可达200kb2500kb。 线粒体基因组结构更象原核生物的基因组结构而与真核基因组有比较大的区别，如基因排列紧密、裸露、闭合环状等。 一个线粒体有1几个DNA分子。,.,18,线粒体简介,在细胞生物学中,线粒体(mitochondrion,来源于希腊

6、语mitos线 + khondrion颗粒)是存在于大多数真核生物(包括植物,动物,真菌和原生生物)细胞中的细胞器.一些细胞,如原生生物锥体虫中,只有一个大的线粒体,但通常一个细胞中有成百上千个.细胞中线粒体的具体数目取决于细胞的代谢水平,代谢活动越旺盛,线粒体越多.线粒体可占到细胞质体积的25%.,.,20,线粒体的起源内共生学说,内共生学说是关于真核生物细胞中的细胞器,线粒体和叶绿体起源的学说.根据这个学说,它们起源于内共生于真核生物细胞中的原核生物.这种理论认为线粒体起源于好氧性细菌(很可能是接近于立克次体的变形菌门细菌),而叶绿体源于内共生的光合自养原核生物蓝藻.这个理论的证据非常完整

7、,目前已经被广泛接受.,.,21,证据,线粒体含有DNA,这些DNA与细胞核中的很不同,却类似细菌的DNA(环状及其大小). 线粒体具有和真核宿主细胞不同的遗传密码,这些密码与细菌和古菌中的很类似. 它们被两层或更多的膜所包被,其中最里面一层的成分与细胞中其它膜的都不同,而更接近于原核生物的细胞膜. 新的线粒体只能通过类似二分分裂的过程形成.一些核中编码的蛋白被转运到细胞器中,而线粒体的基因组相对于其它生物来说都小得多.这和内共生物形成后越来越依赖真核生物宿主相一致. 细胞器的大小与细菌相当. 细胞器的核糖体和细菌相似,都是70S.,.,22,线粒体-地球上重要的生命体,通过上面的解说,我想既

8、然这么重要的细胞器已经由一个自由生活的细菌通过内共生化转变成我们体内的一个能量工厂,或许会不会存在某一天,它会像那部电影里描述的那样,进化到可以控制人类的意识,甚至幻化成人型,最终脱离人类进而去消灭人类呢 而随着科学的发展,我们对这一个细胞器真正的起源和进化又会有哪些更深入的了解呢 线粒体的出现给细胞的进化带来了质的飞跃,也许正是它的出现,才会有今日的人类在地球上自由的生活.既然这个在我们细胞中已经寄生了上万年的细菌对我们是如此的重要,那么我们会不会担心这个细胞中的寄生虫会终有一天有了意识而离开我们呢 时间会证明一切.,线粒体基因组的遗传密码 线粒体有独立的蛋白质翻译系统，其核糖体大小也与原核

9、生物相似。 1979年发现线粒体遗传密码与通用密码有些不同。表现出遗传密码的不通用性。,线粒体的核质共同控制： 由于线粒体的DNA分子较小，所以能编码的遗传信息量有限，如人的线粒体基因组共编码13个mRNA，2个rRNA及22个tRNA，总共只有37个基因。 因此线粒体的蛋白质更多的是由核基因编码的，是一个典型的核质共同控制的细胞器。,控制区,tRNA基因,.,27,mtDNA突变率比nDNA高1020倍，其原因有以下几点： 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

10、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,.,28,线粒体遗传病（mitochondrial diseases）,线粒体病是由线粒体DNA异常所致(例如缺失,重复,突变)。 肌肉,心脏和大脑等需要高能量的组织特别容易发生线粒体病,但是听觉,胰腺和肝脏也有风险.,Mitochondrial inheritance,.,31,线粒体疾病典型系谱,.,32,Blame your mothers!,致病基因位于线粒体基因组上，由于受精卵的细胞质主要来自卵子，存在于细胞质中的线粒体也来自卵子，所以线粒体遗传病表现为母系遗传

11、，即男女均可患病，但只有女性患者的子代患病，男性患者子代正常。 Matrilineal inheritance In zygote formation, sperm pass on their nuclear genomes but not mtDNA - no paternally derived mtDNA in offspring,.,33,Mitochondrial disease,Incidence from 1:10.000 to 1:4000 Affecting most energy demanding tissues Central nervous system（中枢神经系统

12、） Heart（心脏） Skeletal muscle（骨骼肌） This is not always the case Mitochondrial diabetes（线粒体糖尿病） Liver and kidney disease（肝肾） Pearson syndrome Specific, but highly variable clinical features with various gene defects,.,34,Mitochondrial disease,例如： MERRF综合症肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病(MIM545000 ) 多系统紊乱，肌阵挛性癫痫，共济失调，轻度痴呆，

13、耳聋，脊髓退化。大量团块状线粒体聚集于肌细胞中（可被特异性染料染成红色，破碎红纤维）。大脑卵圆核与齿状核有神经元的缺失。 突变名称：,当线粒体中90%存在这种突变，将出现典型症状，当突变比例下降时，症状也随之变轻。,.,36,MELAS (MIM540000),Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis, and Stroke-like episodes 线粒体性脑肌病,乳酸酸中毒,卒中样发作综合征 病者除有肌无力外，伴发肌阵挛癫痫、共济失调、视神经萎缩、周围神经病以及神经性耳聋和智能低下等症。 癫痫发作和发作性呕吐为此型病者最常见症状。,

14、.,37,Kearns-Sayre综合征,慢性进行性外眼肌麻痹, 心传导阻滞（Cardiac conduction block）, 色素性视网膜炎（Retinopathy）, 中枢神经系统变性 20岁前起病 Onset before age 20 尚可有身材矮小，共济失调（ Cerebellar ataxia ），神经性耳聋和甲状腺机能减退等异常。,.,38,以上三种统属于： 线粒体肌病（mitochondrial myopathies） 由线粒体代谢过程中某些酶缺乏所引起的 一组遗传性疾病。肌肉病理的共同特点为 破红肌纤维（ragged redfibers，RRF）。,视神经与视网膜神经元退

15、化，发病较早(平均年龄27岁)，表现为急性亚急性视力减退，导致失明。男性发病率为女性4-5倍，原因不明。 9个线粒体基因突变与该病有关，突变种类达18种。 主要突变类型： MTND1*LHON3460A (50%-70%) MTND4*LHON11778A MTND6*LHON14484G (ND: 呼吸链复合物)使编码呼吸链NADH脱氢酶活性降低，线粒体产能下降，因而对需能量多的视神经组织损害最大，久之导致视神经细胞退行性变，直至萎缩。,Leber遗传性视神经病（LHON,1987,wallace）,.,40,医源性线粒体功能缺陷,线粒体毒性药物，如抗癌药、抗癫痫药、抗病毒逆转录酶（特别是抗

16、HIV）药、治疗高乳酸血症和多脏器衰竭的肉毒碱等造成的线粒体DNA损伤和细胞功能障碍。 因母亲感染HIV接受抗病毒治疗，未感染的新生儿身上发生线粒体功能缺陷。,.,41,医源性线粒体功能缺陷,有助于预防药物的毒副作用 例：药物中毒性耳聋（千手观音）,截止至1990年,中国已有聋哑儿童182万多人,其中因滥用抗生素而引起药物中毒性耳聋的患儿就超过50%,且这种态势仍以每年4万人的速度增长。 “Nature”上的研究文章表明：氨基甙类抗生素导致的耳聋和线粒体A1555G的单核苷酸多态密切相关。,.,42,氨基甙类抗生素,耳蜗神经损害:听力减退或耳聋 (发生慢) 发生率: 新霉素卡那霉素丁胺卡那霉素

17、 西梭霉素庆大霉素妥布霉素链霉素,.,43,线粒体遗传病的传递特点,1、母系遗传 线粒体基因组的遗传表现出典型的母系遗传的特点：只有女性患者可将致病基因传递给后代，而后代无论男女均可发病。精子的线粒体外膜上存在有泛素，当精子进入卵子后，受精卵以一种主动的方式降解了来自精子的线粒体及其中的DNA。,.,44,突变所产生的效应取决于该细胞中野生型和突变型线粒体DNA的比例，只有突变型DNA达到一定数量（阈值）才足以引起细胞的功能障碍，这种现象称为阈值效应。阈值效应的一个表现就是在某些线粒体遗传病的家系中，有些个体起初并没有临床症状，但随年龄增加由于自发突变、环境选择等原因，突变型DNA逐渐积累，线

18、粒体的能量代谢功能持续性下降，最终出现临床症状。,2、阈值效应（threshold effects）,.,45,卵子发生过程中只有少量线粒体DNA被传递给子代细胞的现象，称为瓶颈现象。如传递突变型则发病。,3、遗传瓶颈（genetic bottleneck）,线粒体DNA突变所产生的表型极为多态。在一个家系中，患病个体的表现可以完全不同；有的以血管病变为主，如中风、冠心病等；有的表现为不同程度的肌无力；有的以精神症状为主；有的以眼科疾病为突出表现。发病的年龄差异也很大。,4、表型的高度多态（polymorphism）,.,47,一个孩子两个妈替换线粒体DNA可使婴儿无遗传病,.,48,线粒体夏

19、娃,1967年，美国伯克利加州大学地生物化学与分子生物学教授艾伦?威尔逊和萨里奇选择了其祖先来自非洲、欧洲、中东和亚洲地妇女，以及新几内亚地澳大利亚地土著妇女共147人，根据她们生产婴儿时地胎盘，发现不同类型地线粒体DNA，有些互相接近，有些则差别很大。据此，他们做了一个表示其相互亲缘关系地“系统树”。结果是这株“树”来自单一地共同祖先，而后很快分成两支，一支地线粒体DNA都是从非洲祖先而来地个体；另一支则来自非洲、亚洲、澳洲、高加索和巴布亚新几内亚地祖先。对于这种情况地最简单地解释是，其共同祖先来自非洲。1987年初，卡恩?斯通金和威尔逊等人提出，将所有婴儿地线粒体DNA向前追踪，最后会追到

20、大约20万年(14万-29万年)前生活在非洲地一个妇女，即现今全世界人地祖先。,.,49,.,50,.,51,.,52,.,53,.,54,值得中国人民注意地是，既然整个人类拥有着共同地祖先，那么中国人就并非由“北京猿人”进化而来，而是从非洲走出来。在二00六年八月份，美国斯坦福大学和俄罗斯科学学会地联合研究结论发表於“人类基因”杂志上即目前全世界人类60多亿人口来源，是在大约7万年前一次地球灾难性灭绝後，剩下约2千多人，全部在非洲。威尔逊小组认为，当“夏娃”地后代们来到世界各地时，各地已有许多古人类在生息，如欧洲地尼安德特人，中国地北京人等，但他们并没有与当地土著地古人类混合交融，而是“完全

21、取代了”他们，这是因为，如果现代人地祖先与土著古人类混合地话，那些古人类就会将自身地、与“夏娃”不同地线粒体DNA遗传下来，现代居民中也就会出现许多种线粒体DNA。可事实上，现代各种族居民地线粒体DNA是高度一致地，都来自同一个女性祖先“夏娃”，除此之外不存在着其它来源地线粒体DNA。,.,56,诺亚方舟,叶绿体（chloroplast)遗传 叶绿体基因组的大小及特征 与线粒体DNA的结构相似，叶绿体DNA也是双链环状DNA分子。其大小在120217kb之间。一个叶绿体通常含有1030个DNA分子。 与线粒体基因组结构相似，叶绿体基因组更象原核生物的基因组结构而与真核基因组有比较大的区别，如基

22、因排列紧密、裸露、闭合环状等。与线粒体不同的是含有重复序列。 与线粒体相似，叶绿体的遗传也是由核质共同控制的。,.,58,第三节 原核生物的细胞质遗传,原核生物除了含有核染色体（类核体）外，有时还含有某些小分子DNA质粒（plasmid） 质粒的大小： 最小只有2kb，含一个基因，最大达400kb，含600个基因。 质粒结构特征： 绝大多数质粒为双链闭合环状DNA（cccDNA)分子，少数为双链RNA。由于分子扭力的作用，cccDNA被扭曲成超螺旋结构。,SC or CCC,OC,L,SC,质粒的功能： 对于细菌来说，质粒不是必须的。但质粒可赋予细菌特殊的功能，如F因子（育性）、R因子（抗性）等。 功能不明的质粒称隐蔽质粒。 质粒的复制： 质粒可在细胞中自主复制而存在于细胞中。 严紧型质粒：拷贝数在110个。 松弛型质粒：拷贝数在几十几百个。,质粒的转移： 少数质粒如F因子可通过接合转移，而大多数质粒不能通过接合转移。这些质粒只能通过细胞分裂或转化在细胞间传递。 附加体 既能以游离的形式存在于细胞质中，也能重组在核染色体上的质粒称附加体，如F因子。 质粒的丢失与消失： 由于质粒不是细菌生活所必须的遗传成分。所以质粒容易丢失。在细菌培养时，要保持质粒必须加上适当的选择压力。 质粒的消失是指人为地消除质粒。,.,65,第四节 植物的雄性不育,一、植物雄性不育（