（Non-Mendelian Inheritance）

Presentation on theme: "（Non-Mendelian Inheritance）"— Presentation transcript:

1 （Non-Mendelian Inheritance）
第十章 非孟德尔遗传 （Non-Mendelian Inheritance）

2 主要内容 第一节 非孟德尔遗传现象 第二节 母体效应 第三节 剂量补偿效应 第四节 基因组印迹 第五节 核外遗传

3 （Non-Mendelian Inheritance）
第一节 非孟德尔遗传现象 （Non-Mendelian Inheritance）

4 1、孟德尔遗传 分别来自父母方的等位基因构成基因型，控制生物性状； 等位基因间有显隐性关系；非等位基因存在基因互作。 性状: 遗传方式符合孟德尔遗传定律; 正反交时子代性状趋于一致。

5 孟德尔遗传规律的例外 公驴与母马骡子， 公马与母驴駃騠(jueti), 两者差异显著 亨廷顿病：常染色体显性遗传病
致病基因HD来自父亲，发病年龄小； 致病基因HD来自母亲，则发病年龄大。

6 掌握 2 、非孟德尔遗传 正反交时子代性状不一致， 只表现父方、母方性状或表现双亲性状, 但不符合孟德尔遗传定律的遗传方式。

7 细胞核遗传与细胞质遗传 DNA的分布 主要在染色体上 细胞质内 细胞核遗传 细胞质遗传 （染色体是DNA的主要载体） 生物的遗传

8 非孟德尔遗传类型 掌握 母体效应 剂量补偿效应 核遗传 基因组印迹 核外遗传

9 3、表观遗传变异（epigenetics variation）
遗传变异： 基因结构改变导致表型改变； 表观遗传变异： DNA序列不发生改变、 其它可遗传物质改变，导致表型改变； 在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。

10 表观遗传学 又称：实验遗传学、化学遗传学、 特异性遗传学、后遗传学、 表遗传学和基因外调节系统 通过：基因修饰，蛋白质与蛋白质、
DNA和其它分子的相互作用， 影响和调节：基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传。

11 表观遗传 不符合孟德尔的遗传规律 许多改变是可逆的，为疾病治疗提供前景 包括： X染色体失活； DNA甲基化； 染色质构象变化 ；
非编码RNA调控；

12 非孟德尔遗传和表观遗传 表观遗传 非孟德尔遗传 母体效应 核外遗传 X染色体失活； 剂量补偿效应 DNA甲基化； 基因组印迹
染色质构象变化； 非编码RNA调控； 非孟德尔遗传 母体效应 核外遗传 剂量补偿效应 基因组印迹

13 第二节 母 体 效 应 （Maternal Effect）

14 1、案例分析：椎实螺外壳旋转方向的遗传 外壳旋转方向： 右旋 左旋 雌雄同体，一般异体授精，单独饲养可自体授精
使螺壳的开口朝向自己，如果开口在右边即右旋，如果开口在左边即左旋。

15 椎实螺外壳旋转方向的遗传现象

16 为什么上述遗传现象不符合孟德尔遗传规律？
已知： 旋转方向由一对基因控制， 右旋（D）对左旋（d）为显性。

17 杂交试验的结果 正交组 右旋（D/D）♀×左旋（d/d）♂ F1 （D/d） 全为右旋 F2 （D/D D/d d/d） 全为右旋

18 反交组 左旋（d/d）♀×右旋（D/D）♂ F1 （D/d） 全为左旋 F2 （D/D D/d d/d） 全为右旋
原因：受到其母亲的基因型影响表现为左旋 F2延迟至F3才出现3：1的分离比。

19 、母体效应 掌握 定义：母体基因型决定后代表型的现象 即：子代的某一表型受到母亲基因型的影响，因此正反交不同。 分两类： 持久的母性影响
暂短的母性影响 遗传机制：母体基因的延迟表达

20 锥实螺的外壳旋转方向的遗传 ---持久的母性影响 试验结果解释 受精卵进行螺旋式卵裂， 成体外壳的旋向取决于最初两次卵裂中纺锤体的方向， 倾向右侧45°为右旋，倾向左侧45°为左旋。

21 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 左旋 右旋 椎实螺的卵裂方式

22 纺锤体方向取决于卵细胞质特性， 即:取决于母体染色体上的基因， 子代的基因型不能对之作改变， 要等到子代产生卵细胞，才能决定下一代的表型，所以延迟了一代。

23 母体基因型如何影响下一代？ 卵细胞由其周围滋养细胞提供营养； 滋养细胞的基因产物可进入卵细胞，影响未受精卵及胚胎的外壳旋转方向；

24 母体D/D，卵细胞有D产物，后代为右旋；
母体D/d，卵细胞有D和d产物，D对d为显性，后代亦为右旋； 母体d/d，卵细胞有d产物，后代为左旋。

25 锥实螺的外壳旋转方向的遗传

26 麦粉蛾眼色的遗传 ---暂短的母性影响 麦粉蛾色素： 由犬尿氨酸衍生的犬尿素形成。 A控制犬尿素合成 野生型（AA/Aa）:
幼虫皮肤有色，成虫复眼深褐色 突变型（aa） ： 幼虫皮肤无色，成虫复眼红色（缺乏犬尿素）

27 杂合体（Aa）雌蛾的卵母细胞在减数分裂完成前合成并积累了犬尿素，其形成的A或a卵细胞都有足量的犬尿素，所以复眼棕褐色。

28 (a) 杂合体雄性麦粉蛾的测交 (b) 杂合体雌性麦粉蛾的测交
麦粉蛾的眼色遗传 母体效应的遗传机制 (a) 杂合体雄性麦粉蛾的测交 (b) 杂合体雌性麦粉蛾的测交

29 （Dosage Compensation）
第三节 剂量补偿效应 （Dosage Compensation）

30 1、常、异染色质的区别 常染色质 异染色质 部位 核中央 核周缘 染色 浅亮 深 纤维直径 10nm 25nm 螺旋化 低、伸展DNA
高、颗粒状 DNA 单一或中度重复 高度重复 转录活性 有 无 复制 早 晚

31 异染色质分两种类型 ①组成性异染色质： 一条染色体：有常染色质区段， 也有异染色体区段 除复制期外，各细胞周期、各种细胞中都处于凝缩状态；
高度重复序列、不转录；着丝粒、端粒； 功能：染色体结构形成及染色体配对

32 ②兼性异染色质： 某些细胞或发育阶段呈浓缩状态 如：哺乳动物的X染色体 雄性：1个染色体，常染色质； 雌性：2个X染色体， 一条是常染色质，

33 另一条在胚胎发育到一定时间 变为凝缩的异染色质； 所以，间期核中有1个X染色体呈现为浓染小体，位于核周缘，称X染色质； 上皮细胞中形成巴氏小体、 多核白细胞中形成“鼓槌”。

34 巴氏小体 （Barr小体） X染色质 1949，Barr等，雌猫神经元间期细胞核 掌握
在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体，此即为巴氏小体。通常位于间期核膜边缘。

35 2、X染色体失活的假说（Lyon假说） 1961年，Mary Lyon提出： ① 雌性哺乳动物体细胞中， 两条X染色体中仅有一条有活性， 另一条在遗传上失活，间期中异固缩为X染色质；

36 ② 失活发生在胚胎早期。 此前两条X染色体都具有活性； ③ 失活是随机的，又是恒定的。 ④ 形成生殖细胞时，失活X染色体可恢复。

37 X染色体随机失活

38 Lyon化现象意义 两性X连锁基因产物的数量保持在 相同水平上, 这种效应称为： X染色质的剂量补偿效应

39  补偿方式 哺乳动物 X染色体随机失活或父源X染色体失活； 有袋动物 父源X染色体失活； 黑腹果蝇 雄性个体X染色体基因表达水平加倍； 秀丽线虫 雌性个体两条X基因表达水平减半；

40

41

42 了解 Lyon假说的验证 （1）三色猫（三玳瑁猫） 雌性腹部白色， 背部和头部散布橙色和黑色的斑块。 原因：X连锁基因杂合体 XBXb
B基因产生黑斑，b基因产生橙色斑。 XB和Xb随机失活，有活性的基因表现出相应的斑块，形成黑黄相间的斑块。

43 （2）毛色镶嵌小鼠 黑白斑毛色镶嵌雌性小鼠 基因型为XBXb, B黑斑，b白斑； XB和Xb随机失活，形成黑白相间的斑块。

44

45 （3）人类的6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G-6PD）
G-6PD基因位于X染色体； 男女活性相同； G-6PD电泳分出快型F和慢型S（仅差1AA）， 由一对等位基因F和S编码。

46 胰酶处理F/S型女人皮肤组织； 分成单个细胞进行单克隆培养； 从各克隆取样电泳，每个克隆都只有一条带。 G-6PD的电泳检测

47 （4）、人类的自毁容貌综合征 原因：X染色体上缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖酰转移酶(HPRT) ，X连锁病 实验：
培养XHPRT+XHPRT-女性上皮细胞，建立细胞克隆，测酶活性。 一半产生HPRT，另一半不产生。

48 (Lesch-Nyhan syndrome)
人类的自毁容貌综合征 (Lesch-Nyhan syndrome) Behavioural abnormalities: Compulsive, aggressive behaviour takes many forms, the most striking of which is self-injury through biting. The lips, the inside of the mouth and the fingers are favorite targets.

49 4、X染色体失活的机制 失活机制不完全清楚； Xic：X-inactivation center X染色体失活中心 Xic与X染色体保持数量和行为的一致性； Xic丢失会影响萊昂化，胚胎不能存活。

50 X染色体失活分 起始、维持、扩散3个阶段。 Xic的失活作用

51 为什么XXX和XO女性异常？ 1974 Lyon提出新莱昂假说： X染色体失活只是部分失活 1991 在失活X染色体Xic位点发现有活性基因- XIST(X-inactive specific transcript) 近年，发现失活X染色体上几个活性基因

52 XIST基因的表达

53 小结 重点：非孟德尔遗传及类型 母体效应 X染色体失活假说 思考题： 以母体效应和剂量补偿效应为例分析：
非孟德尔遗传与孟德尔遗传不同的原因是什么？

54 复习 非孟德尔遗传类型 母体效应 剂量补偿效应 基因组印记 核外遗传 核遗传

55 第四节 基 因 组 印 记 (Genomic Imprinting)

56 案例：小鼠类胰岛素生长因子2(Igf-2 ) 的遗传

57 主要内容 1. 基因组印记 2. 印记遗传特点 3. 基因印记过程 4. 印记基因的分布 5. 基因印记的机制

58 1. 基因组印记 ※印记遗传： 分别来自父母方的两个等位基因中只有一方呈现表达，另一方被印记，即不表达或表达甚微，这种遗传方式称为～。

59 ※基因组印记： 动物基因组依靠单亲传递遗传信息的现象称为～。 即：基因组在传递信息的过程中对基因或DNA片段打下标识、烙印的过程。 →基因组印记不服从孟德尔定律， 是一种典型的非孟德尔遗传。

60 2.印记遗传特点 印记基因：出现印记遗传的基因。 如果母源染色体的基因被印记(即基因失活、不表达)，则父源染色体上的等位基因得到表达；
如果父源染色体的基因被印记，则母源染色体上的等位基因得到表达。

61 母系印记、父系遗传： 母系基因不表达，父系表达； 父系印记、母系遗传： 父系基因不表达，母系表达；

62 体色的印记遗传 子代全部 与父亲相同 子代全部 与母亲相同
左 右 体色的印记遗传 假设：父亲基因产生色素，母亲基因不产生色素 左侧：色素基因为母系印记（母系等位基因失活） 右侧：色素基因为父系印记（父系等位基因失活） 子代全部 与父亲相同 子代全部 与母亲相同

63 印记基因：小鼠类胰岛素生长因子2(Igf-2 )
影响动物生长，特别是体型大小 Igf-2m： Igf-2突变体，失去原有影响生长功能，导致矮小型小鼠 能否产生矮小型小鼠， 取决于Igf-2m的印记情况

64 正反交试验 正交 ♂Igf-2 / Igf-2 ×♀Igf-2m / Igf-2m ↓ Igf-2 / Igf-2m ▲ （正常小鼠）

65 （矮小型小鼠） 反交 ♂Igf-2m / Igf-2m × ♀Igf-2 / Igf-2 ↓ Igf-2m /Igf-2▲

66 小鼠类胰岛素生长因子2(Igf-2 ) 的遗传 正交 反交 倭仓鼠

67 Igf-2试验结果表明： 正反交结果不一样，不符合孟德尔遗传； 都是母源的基因被印记，是一种母系印记； 被印记的母系基因表达受抑制，失去生物学功能；没有被印记的父系基因正常表达。

68 3. 基因印记过程 基因印记过程的三个阶段

69 基因印记过程分为三个阶段： 建立阶段——配子形成时期建立。母系印记：卵子形成中建立；父系印记：精子形成中建立 维持阶段——胚胎和个体的体细胞。已印记的基因继续维持被印记的状态，没印记的等位基因表达。 抹除与重建阶段——新配子形成过程中，原有印记全部抹除、重新建立。如：母系印记的雌性等位基因重新被印记，雄性不再被印记。

70 基因组印记的转变

71 基因组印记的转变

72 4. 印记基因的分布 印记基因广泛分布在基因组中，可以发生在一个基因、一个染色体区段上等。 哺乳动物、昆虫、植物：均发现 鸟类：未发现
了解 印记基因广泛分布在基因组中，可以发生在一个基因、一个染色体区段上等。 哺乳动物、昆虫、植物：均发现 鸟类：未发现 重要印记基因：Igf-2、H19、Igf2r

73 小鼠的印记基因

74 图：鼠7号染色体的印记基因Igf2和H19 说明： Igf2为父系表达基因，H19为母系表达基因；Igf2和H19相距100kb，有相同的转录方向。

75 IGF2R 印记的进化 Note: 黑色：没有印记 绿色：父系印记 红色：印记丢失

76 灵长类 啮齿类 偶蹄类 有袋类

77 5. 基因印记的机制 配子在形成过程中被打上标记 DNA的甲基化，阻止基因的转录 低甲基化或不甲基化：转录活跃的基因；
了解 配子在形成过程中被打上标记 DNA的甲基化，阻止基因的转录 低甲基化或不甲基化：转录活跃的基因； 高度甲基化：不表达的基因；

78 甲基化导致基因组印记

79 Proteins complexed with DNA allow for more “open” structure; can be transcribed….
Methylation leads to change in chromatin structure; more condensed state is transcriptionally inactive…genes are ‘off’…

80 小结 复习思考题 概念：印记遗传；基因组印记 印记遗传特点； 基因印记的过程和原因 通过哪种研究方法判断动物的遗传方式为印记遗传？
如何在动物遗传育种中应用印记遗传？

81 (Extranuclear Inheritance)
第五节 核 外 遗 传 (Extranuclear Inheritance)

82 1. 核外遗传物质与核外遗传学 核外DNA类型 动物：线粒体 植物：线粒体、叶绿体 原核生物：质粒

83 通常把所有细胞器和细胞质颗粒中的遗传物质，统称为核外遗传物质或细胞质基因组。
把细胞质基因所决定的遗传现象和遗传规律称为细胞质遗传。 研究细胞核染色体以外的遗传物质的结构、功能及遗传信息传递规律的遗传学分支学科称为核外遗传学。

84

85 2. 线粒体DNA （mtDNA）的结构与功能 2.1 线粒体的功能 氧化磷酸化的场所，
提供生物体内合成、呼吸、分泌、机械运动等所需的化学能。 线粒体基因与氧化磷酸化作用密切相关， 很多神经肌肉疾病都同线粒体基因有关， 例如，遗传性视神经病、老年痴呆症、线粒体脑肌病、母系遗传糖尿病等。

86 2.2 mtDNA结构及功能 1963，首先鸡胚细胞发现 线粒体存在于所有组织细胞中，无组织特异性
不同物种大小相差悬殊： 哺乳动物最小，果蝇和蛙的稍大，酵母的更大，植物最大。 人、大鼠、小鼠：16.5kb左右 除少数低等真核生物的线粒体DNA是线状外，一般都呈环状。小鼠每个肝细胞含1000—2000个线粒体，线粒体DNA（mtDNA）在线粒体中是多拷贝的，平均为2.6个。 

87 mtDNA基本结构 一般呈裸露的双链环状，共价、闭合 没有重复序列 浮力密度比较低，G、C含量较低 一条为重链（H链），一条为轻链(L链）

88 mtDNA环状结构

89 举例：人mtDNA 1981，Anderson等，全基因组序列测定，共16569bp
没有内含子，只有87个核苷酸不参与基因的组成。可分为编码区和非编码区 编码区37个基因，其中：13个多肽，22个tRNA，2个rRNA 非编码区为基因组的控制区（或称取代环）

90 线粒体基因组 一条为重连，一条为轻连。基因编码物各不相同。 多数情况下，几乎不含终止密码，mRNA在特定区域加PolyA。 转录与翻译均在线粒体中进行。 DNA不与组蛋白结合。

91 复制 从非编码区的重链复制起点（OH）开始，沿轻链顺时针方向延伸，直至延伸到轻链复制起点（OL）时，轻链才开始复制。
2.3 线粒体DNA的功能 复制 从非编码区的重链复制起点（OH）开始，沿轻链顺时针方向延伸，直至延伸到轻链复制起点（OL）时，轻链才开始复制。 转录 重链启动子（HSP）和轻链启动子（LSP）都在非编码区，重链编码除ND6以外的其它12条个tRNA基因。

92 翻译 tRNA 、rRNA 、mRNA均由线粒体自身合成；翻译所需的各种蛋白，包括氨酰-tRNA 、RNA合成酶 、核糖体蛋白等核基因编码。
mtDNA的遗传密码不仅与真核和原核基因有一定差异，甚至不同种属的线粒体所用的遗传密码也有所不同。

93 遗传密码子的比较

94 线粒体的双重遗传控制 线粒体发育受核基因和线粒体基因双重调控
例如，线粒体最主要的功能是进行有氧呼吸合成ATP，线粒体内膜呼吸链复合体的亚基，小部分由线粒体基因编码，大部分由核基因编码 

95 3. 线粒体DNA遗传特征及基因效应分析方法 母系遗传（不符合经典遗传定律） 具有半自主性 mtDNA遗传特征
突变率极高（比核基因大10-20倍） 主要编码与氧化磷酸化过程相关的酶系 基因转移。核基因组内随机插有mtDNA，称为核mtDNA mtDNA遗传特征

96 ①非孟德尔现象 并非所有的非孟德尔现象都是核外基因的效应，但核外基因的效应必然表现出非孟德尔现象。
基因效应的分析方法 ①非孟德尔现象 并非所有的非孟德尔现象都是核外基因的效应，但核外基因的效应必然表现出非孟德尔现象。 ②正反交结果不同 精子含线粒体极少，卵子含线粒体很多，表现出母系遗传的特征。但正反交结果不同不一定是核外基因的效应，例如母体效应、伴性遗传。 ③F2代混合家系分析 ④核移植后代的分析

97 图 F2代混合家系分析

98 小结 掌握： mtDNA基本结构 mtDNA主要遗传特征 分析mtDNA遗传方式的主要方法 思考题： 1. mtDNA的主要遗传特征是什么？