20121008基因概念的发展(下)

null第三章 基因概念的发展（下）第三章 基因概念的发展（下）西莫尔·本泽尔卡尔·科伦斯null研究内容 顺反子 非等位基因之间的相互作用 核外基因组 第三节 顺反子（cistron）第三节 顺反子（cistron）null早期的基因概念：基因是一个功能单位，重组单位，突变单位。 发展的基因概念：1957年，美国分子生物学家西莫尔·本泽尔 (Seymour Benzer,1921--2007) 以T4噬菌体为，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）、突变子(muton)和重组子(recon)的概念。基因是一个功能单位，基因内部可突变和重组。 一个基因就是一个顺反子。概念的提出顺反子概念和基因内重组顺反子概念和基因内重组T4噬菌体： rII+能溶解B和K(λ)菌株；突变体rIIA只能溶解B菌株。 Benzer将两个rIIA突变型对B株进行混合感染，再让释放的子代噬菌体感染K株。出现了野生型噬菌体。nullnullnullnull基因的顺式(cis)排列和反式(trans)排列null果蝇中的顺反实验nullP1F1 M1M1M2M2M2 M1× F1都是野生型说明？F1都是突变型说明？问１：如何判断一个顺反子内的基因数目？M1M1 突变体M2M2突变体M1M2？null M1M2M2 M1×F1F2M1M2突变体M1M2突变体F2有少量野生型说明？＋问题2：如何判断同一基因内的突变是否发生在相同位点？nullF2全为突变型说明？F1F2×第四节 非等位基因之间 的相互作用第四节 非等位基因之间 的相互作用null互补效应（complementary effect） 积加作用（additive effect） 重叠作用（duplicate effect） 上位效应（epistasis effect） 抑制效应（suppression effect） 基因互作（interaction of genes）是指非等位基因之间通过相互作用影响同一性状现的现象。null1. 互补效应：不同对基因相互作用，出现了新的性状，这种基因作用称为互补效应，这两个基因称为互补基因。 基因互补效应--案例1 鸡冠形状的遗传胡桃冠 玫瑰冠 豌豆冠 单冠null鸡冠的遗传： 玫瑰冠 × 豌豆冠 RRpp rrPP 胡桃冠 RrPp 胡桃冠 玫瑰冠 豌豆冠 单冠 R-P- R-pp rrP- rrpp 9 : 3 : 3 : 1 基因互补效应--案例2 香豌豆的花色遗传 R基因P基因新性状香豌豆花色可能的生化机制2. 上位效应：某对等位基因的表现，受到另一对等位基因的影响，这种现象称上位效应。 类型：隐性上位（epistatic recessiveness） 显性上位（epistatic dominance）2. 上位效应：某对等位基因的表现，受到另一对等位基因的影响，这种现象称上位效应。 类型：隐性上位（epistatic recessiveness） 显性上位（epistatic dominance）基因的隐性上位效应--案例1 家兔毛色 null 灰色 × 白色 CCGG ccgg 灰色CcGg 灰色 黑色 白色 白色 C-G- C-gg ccG- ccgg 9 3 3 1当cc存在时，无论有无G/g，个体都表现出白毛的性状。 隐性上位：C和c中的隐性基因决定了另一对等位基因G和g的表现型的现象。C控制黑色素形成 G负责色素的分布家兔毛色遗传：null基因的隐性上位效应-- 案例2 孟买血型 当hh基因存在时，无论有无AB抗原编码基因，由于缺少前体H物质，不能表达出相应的抗原，hh个体都是O型。HhAi × HhBi hhBi × HHAi Hhii HhAB H 基因I 基因 i 基因隐性上位效应的可能的生化机制h 基因基因的显性上位效应 --案例1 燕麦颖壳颜色基因的显性上位效应 --案例1 燕麦颖壳颜色 燕麦穎壳颜色遗传： 黑色 × 黄色 BByy bbYY 黑色BbYy 黑色 黑色 黄色 白色 B-Y- B-yy bbY- bbyy 9 3 3 1 12 : 3 : 1B控制黑色素的形成 Y控制黄色素的形成null B基因 色素前体 黑色 黑色 色素前体 黄色 Y基因 显性上位：B和b中的显性基因B可以遮盖另一对等位基因Y和y的表现，从而决定表现型的现象。显性上位效应的可能的生化机制3. 抑制效应：两对非等位基因中，其中一对并不直接调控表型，而是对另一对等位基因的表达有抑制作用。这种基因之间的作用关系被称为抑制效应，该调控基因被称为抑制基因。3. 抑制效应：两对非等位基因中，其中一对并不直接调控表型，而是对另一对等位基因的表达有抑制作用。这种基因之间的作用关系被称为抑制效应，该调控基因被称为抑制基因。null欧洲白茧 × 黄茧 IIyy iiYY 白蚕茧 IiYy 白茧 白蚕 白茧 黄茧 I-Y- I-yy iiyy iiY- 9 3 1 3 13 ： 3显性的I是抑制基因；Y是色素合成基因； I抑制Y，i不抑制Y。nullY基因Y基因i 基因I 基因抑制效应的可能的生化机制null发生基因相互作用的非等位基因仍然遵循孟德尔分离和自由组合定律，后代的基因型及其比例是可预计的。 基因相互之间的作用体现在表型比例的变化上，它们往往与基因型比例不相一致。造成两者不同的原因是非等位基因直接或间接地共同调控了同一表型。 null问题：在一种植物中，种子的颜色由A，B，C，D四个基因控制，它们的突变体等位基因a，b，c，d不能完成相应的催化合成作用。一株基因型为AaBbCcDd的植株和一株基因型为AaBbCcdd的植株进行杂交，请问： 1）亲本的种子的颜色是什么？ 2）子一代中白色种子的比例占多少？基因型是什么？ 3）红色、蓝色和紫色种子的比例又是多少？对应的基因型是什么？ ABCDnull第五节 核外基因组第五节 核外基因组荧光显微镜下的烟草细胞 黄色的是细胞质，红色的是叶绿体。 null研究内容 核外遗传：由细胞质基因控制的性状的遗传，分为线粒体遗传和叶绿体遗传等； 核质互作：由细胞质基因和细胞核基因互作控制的性状的遗传； 母性影响：由核基因的产物积累在卵细胞中的物质所引起的一种遗传现象。 1. 核外遗传也称细胞质遗传、非染色体遗传，非孟德尔遗传。即由细胞质基因所决定的遗传现象和遗传规律。1. 核外遗传也称细胞质遗传、非染色体遗传，非孟德尔遗传。即由细胞质基因所决定的遗传现象和遗传规律。类型：叶绿体遗传和线粒体遗传。 特点：非孟德尔遗传方式，杂交后代没有特定分离比（基因型/表现型）；正交和反交的遗传结果不同；连续回交能将母本的核基因几乎全部置换，但母本的细胞质基因及其控制的性状不受改变。（1）叶绿体遗传的发现 -- 植物枝叶色斑的形成（1）叶绿体遗传的发现 -- 植物枝叶色斑的形成紫茉莉花斑枝条的杂交实验紫茉莉花斑枝条的杂交实验null紫茉莉枝条的花斑遗传遵循母系遗传的特点。null 绿色 × 色斑 绿色， 色斑， 白色 花斑叶性状主要通过细胞质遗传，但精子中带有少量的细胞质，少数叶绿体可以通过精子向后代传递。天竺葵枝条色斑杂交实验--遵循双系遗传（biparentalinheritance）null叶绿体基因组叶绿体是绿色植物特有的核外遗传结构；遵循非孟德尔式遗传； 一个叶绿体内含一到数十个叶绿体基因组不等；叶绿体基因组和细菌基因组极为相似； 高等植物叶绿体基因组编码60多种蛋白质，涉及转录，翻译，光合作用和氨基酸、色素等小分子的生物合成； 叶绿体的生命活动仍依赖于大量的核基因组基因，半自主性细胞器；（2）线粒体遗传的发现 -- 小菌落酵母的杂交实验（2）线粒体遗传的发现 -- 小菌落酵母的杂交实验小菌落酵母：在含有葡萄糖的营养丰富的培养基上只能形成小克隆的突变型酵母菌。其原因是葡萄糖代谢缺陷。 1940，Boris Ephrnssi将自发形成的小菌落酵母菌分为三类： (1) 分离型－核基因突变型 (2) 中性型－mtDNA丢失 (3) 抑制型－mtDNA突变null小菌落酵母菌的遗传 neutral petite♀ × WT♂ all WTs suppresive petite♀ × WT♂ all petites 正反交结果一致。null中性菌落中不含mtDNA，形成合子后子代只继承了正常亲本的完整mtDNA。 抑制菌落中mtDNA出现了大段突变，比完整mtDNA具有复制上的优势，可以先“抑制”正常mtDNA的作用，形成小菌落酵母菌后代。但是合子经过多次分裂后，携带正常mtDNA的酵母菌由于具有生存力优势，可以取代小菌落克隆而被大量复制出来。mtDNA的结构和组成特点mtDNA的结构和组成特点线粒体遗传遵循非孟德尔遗传的特点，在绝大多数物种中遵循母系遗传； 一个线粒体中通常有多份mtDNA拷贝； 各物种线粒体基因组大小不一，植物的较大，但是mtDNA编码基因数目远少于叶绿体； 以人的mtDNA为例，在全长16’569bp的序列中，总共编码呼吸链相关的13个蛋白分子，22个tRNA分子和2个rRNA分子； 线粒体的生命活动同样需要大量核基因组编码产物进行维持，同属于半自主性细胞器；正常酵母菌线粒体 小菌落酵母菌线粒体正常酵母菌线粒体 小菌落酵母菌线粒体在mtDNA发生大段缺失甚至完全丢失的突变型酵母菌中，线粒体结构并没有丢失，线粒体仍然维持着良好的双层膜结构，可以进行分裂和融合，说明核基因组对维持线粒体的结构和功能具有主导性的作用。同样，在叶绿体中也有类似现象。细胞器遗传特点- 双亲贡献的不均等性和表型的不规律分离细胞器遗传特点- 双亲贡献的不均等性和表型的不规律分离父母双方的遗传物质不能均等地分配到子代细胞中，导致了表型发生的随机性。如果仅有母亲的遗传物质进入子代细胞中，我们称这种遗传方式为母性遗传（maternal inheritance）。mtDNA在分子进化研究中的作用mtDNA在分子进化研究中的作用与核DNA相比， mtDNA具有以下优点，是研究种系发生的良好材料： 1）突变率高； 2）母性遗传且不发生基因重组； 3）基因组小，基本没有基因间间隔序列和内含子； 因此，比较mtDNA可以较容易地检查出在较短时期内基因发生的变化，有利于比较不同物种的相同基因之间的差别，确定物种的进化关系。线粒体遗传的特例线粒体遗传的特例线粒体遵循母系遗传的原因：数量对比和特异性线粒体降解； 父系遗漏（paternal leakage）的案例：在一个患有严重运动耐受能力低下的男性的肌细胞线粒体中发现了来自于他父亲和叔叔的特征性mtDNA。（Schwartz, et al. Paternal inheritance of mitochondrial DNA. N Engl J Med, 2002, 8.)null患者肌肉细胞mtDNA的ND2基因具有2bp的缺失突变，ND2是呼吸链复合物I的蛋白编码基因； 患者从父亲那里继承了带有突变的mtDNA；null患者从父亲那里继承了少量携带ND2突变基因的mtDNA，受精卵内具有两种不同的mtDNA（异序性）。在个体发育的过程中，伴随着胞质分裂的不均匀分配，突变型mtDNA累积到了肌肉细胞中，占肌肉细胞mtDNA的90%以上，导致肌肉细胞呼吸链功能丧失；引起运动耐受能力低下和乳酸中毒。但在其它细胞（如血细胞）中，正常的mtDNA占据主导地位，因此在其它器官中没有发现线粒体疾病症状。Maternal mitochondrial Paternal mitochondrialmtDNA与疾病线粒体是真核细胞内部至关重要的细胞器，是能量生成的场所，还参与细胞内部分脂肪酸和蛋白质的生物合成。 如果DNA突变发生在呼吸链相关蛋白的线粒体基因中，会导致线粒体不能正常进行有氧呼吸，ATP产物缺失，不能维持细胞正常的生理活动，引起肌、脑、神经等系统的疾病。 与线粒体功能缺陷相关的人类疾病包括线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病，老年性痴呆、帕金森病、Ⅱ型糖尿病、心肌病及衰老等，可以统称为线粒体疾病。在衰老和退行性疾病中，呼吸链产生的氧自由基不能被及时清除，影响线粒体基因积累突变，因此线粒体功能也和衰老疾病有关。mtDNA与疾病mt DNA 突变mt DNA 突变点突变 (point mutation)：病理性点突变是单一的核苷酸改变，所造成的疾病为母系遗传，但同一种点突变，对不同患者可造成不同的临床表现。 缺失 (deletion)：mtDNA 部分缺失，使基因组缩短。单发缺失多为散发性，多发缺失可呈常染色体显性或隐性遗传，提示由核 DNA 突变影响线粒体功能所致。 重复 (duplication)：指多余的 mtDNA 以数以千计的核苷酸插入基因组，从而使体积增大。 丢失 (depletion)：指线粒体内 mtDNA 的拷贝数减少。nullmtDNA的点突变 编码基因点突变：视觉神经性疾病：11778密码突变，arg--his。 rRNA基因点突变：氨基甙类诱导的耳聋和家族性耳聋：12S rRNA基因上第1555位A到G的突变。 tRNA基因点突变：肌阵挛性癫痫合并破碎红纤维（myoclonic epilepsy and ragged red fiber，MERRF），由线粒体DNA上tRNA Lys 基因的第8344位A到G的点突变（A8344G）引起。 线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作（MELAS），由线粒体DNA上的tRNA Leu（UUR）基因第3243位发生Ｔ到Ｇ的点突变引起。nullLeber遗传性视神经病 视网膜色素变性肌阵挛性癫痫脑肌病null4977bp片段的缺失：在老年人的多种组织中线粒体DNA是上常发现在8483与13459之间的4977片段出现发生缺失，造成心肌炎。缺失部位包含ATPase8、ATPase6、COⅢ、ND3、ND4 、 ND5等基因。研究发现8470～8482和13447～13459的核酸序列为完全相同的13bp重复序列，这段序列很可能是mtDNA缺失的结构基础。 缺失的发生会影响线粒体的呼吸功能。缺失突变型mtDNA比完整的野生型mtDNA长度小，其复制速度快，具有增殖优势，导致细胞中缺失突变mtDNA分子比例随年龄增长渐进性积累增加。细胞可以通过反馈增加线粒体的个数或mtDNA的拷贝数来弥补mtDNA氧化损伤对细胞造成的影响，然而这种弥补是有限度的。 mtDNA的缺失2. 核质互作：真核细胞中细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制。2. 核质互作：真核细胞中细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制。有序的核质互作是线粒体、叶绿体以及细胞整体生命活动的必要保证。 在作物育种中，利用核质互作筛选雄性不育系植株是杂交育种的关键步骤。利用核质互作培育杂交植物-- 　　　　 禾谷类植物的雄性不育系 禾谷类（玉米，高粱，水稻等）的可育性由核质互作决定，S/N表示的是细胞质遗传组成，S型不可育，N型可育，S/N遵循母系遗传；r/R表示的是染色体的遗传组成，rr不可育，RR可育，遵循孟德尔遗传。 雄性不育系 S(rr)：具有雄性不育特性的品系，雌穗正常。 雄性不育恢复系 N(RR), S(RR)：正常可育，用恢复系的花粉给不育系授粉，后代恢复可育性。 雄性不育保持系 N(rr)：正常可育，用保持系的花粉给不育系授粉，后代仍能保持雄性不育的特性。利用核质互作培育杂交植物-- 　　　　 禾谷类植物的雄性不育系 null不育系和恢复系杂交得到雄性可育的F1代 不育系和保持系杂交得到雄性不育的F1代null1930年9月出生于北京，汉族，江西德安人。1953年毕业于西南农学院，分配到湖南安江农校任教。1964年开始杂交水稻研究。 1995年5月，当选为中国工程院院士。 2001年2月，获首届“国家最高科学技术奖”。 2004年10月，中国超级杂交稻研究第二期目标现场实测在深圳市龙岗区进行。每亩高达847公斤，标志着中国超级杂交稻育种研究继续领跑世界。　 2011年9月，袁隆平指导的“Y两优2号”百亩超级杂交稻试验田平均亩产926.6公斤，这标志着超级稻第三期目标亩产900公斤高产攻关获得成功。 杂交水稻之父 袁隆平 三系杂交水稻杂交水稻的育种方向--“两系”杂交稻 杂交水稻的育种方向--“两系”杂交稻 张启发水稻光敏感核不育基因的发现 光敏感雄性核不育水稻农垦58S具有长日照条件下不育，短日照条件下可育的育性转换特性。 控制水稻光敏感核不育的基因pms3是一个长链非编码RNA，光敏感核不育水稻与正常水稻品种在pms3区间存在一个碱基的突变。在长日条件下的正常水稻中，该基因的表达量能保证水稻花粉正常发育，雄性可育；而在光敏感核不育水稻中，pms3基因区间的碱基突变导致该基因本身启动子区间发生甲基化修饰，表达量下降，不能满足水稻花粉发育对该表达产物的需求，从而在长日照条件下雄性不育。 Ding JH, et al., PNAS. 2012,109: 2654-2659水稻光温敏核不育基因的发现 水稻光温敏核不育基因的发现 “培矮64S”是以粳稻光敏不育系“农垦58S”为供体，以“培矮64”为受体，以回交选育成的籼型温敏核不育系。由于其广亲和性及良好的农艺性状，“培矮64S”已成为了推广面积最大的两系杂交稻不育系亲本。“培矮64S”温敏不育性主要受第12染色体的一个主效基因座p/tms12-1控制。p/tms12-1是一个非编码RNA基因，它的原始转录本经过至少2次加工产生一个小RNA。与正常水稻品种相比，温敏不育水稻在该小RNA序列内存在一个单碱基突变。 Zhou H, et al., Cell Research，2012，22:649–660 null　 3.母性影响：子代的某一表型受到母亲基因型的影响，而和母亲的基因型所控制的表型一样。因此正反交不同，但不是细胞质遗传，与细胞质遗传类似，这种遗传不是由细胞质基因组所决定的，而是由核基因的产物积累在卵细胞中的物质所决定的。 锥实螺的外壳旋转方向的遗传就是母性影响的一个比较典型的例证。 尖头向上，面对螺口，开口在左边为左旋 （dd），开口在右边的为右旋（DD）。null椎实螺外壳旋转方向是由受精卵分裂时纺锤体分裂方向决定的，并由受精前的母体基因型决定。   　原因：左旋--受精卵纺锤体向中线左侧分裂；   　　 右旋--受精卵纺锤体向中线右侧分裂。   母体基因型受精卵纺锤体分裂方向决定椎实螺外壳旋转方向 椎实螺外壳旋转方向是由受精卵分裂时纺锤体分裂方向决定的，并由受精前的母体基因型决定。   　原因：左旋--受精卵纺锤体向中线左侧分裂；   　　 右旋--受精卵纺锤体向中线右侧分裂。   母体基因型受精卵纺锤体分裂方向决定椎实螺外壳旋转方向 null基因的遗传行为方式 基因的等位性和复等位 基因可以在染色体上移动 基因之间可以相互作用 基因可以位于细胞质中基因的结构与功能 基因可以成簇排列 基因可以没有功能 基因可以重叠 基因可以断裂 基因的概念 功能(functional unit) 突变(mutation unit) 交换(cross-over unit) “三位一体”的 最小的 不可分割的 基本的遗传单位 基因概念的新发展本章小结null参考文献 刘祖洞 遗传学 Principle of genetics, chapter 4, 15, 19 Molecular Biology of the Cell，chapter 14