分子遗传学20核外遗传

二十章 核外遗传信息的传递 第一 节 核外基因组的结构 一 .线粒体基因组 （ 一 ） mtDNA的基因组成 (1)闭合环状 DNA (2) 基因数目和排列顺序相同 （ 3） 有 D环 和 2个复制起始点 （ 5） 基因间没有间隔 ， 因此每个基因不可 能都有自己的起动子 （ 6） 某些蛋白质的密码子与核基因通用 密码子不同； （ 7） mtDNA主要编码 rRNA和 tRNA分子 ， 氧化呼吸所需要的酶类少部分亚基 。 mtDNA密码子与核基因密码子的差异 （ 1） AUA编码 Met， 而不是 Ile； （ 2） UGA编码 Trp， 而不是终止密码子 （ 3） AGA， AGG编码 Arg， 而不是终止密 码子 。 表 20 - 2 在线粒体中密码子的改变 生物 密码子 MtDNA 编码 核密码 共同 UGA Trp 终止 哺乳动物 AGA/AGG 终止 Arg 哺乳动物 AUA Met( 起始 ) Ile 果蝇 AUA Met Ile 果蝇 AGA Ser Arg 纤毛虫 UAA/UAG Glu 终止 另一类纤毛虫 UGA/UAG Cys 终止 酵母 AUA Met( 延伸 ) Ile 酵母 CCA Thr Leu 酵母 CUG Ser Leu 酵母 UAG Ser 终止 支原体 UGA Trp 终止 C y t b D - l o o p N D 6 N D 5 1 2 S r R N A 1 6 S r R N A N D 4 N D 4 L N D 1 N D 3 C O 3 A T P a s e 6 N D 2 A T P a s e 8 C O 2 C O 1 T R N A g e n e s ; C o d i n g r e g i o n s , I n d i c a t e s d i r e c t i o n o f g e n e , 5 t o 3 CO: c y t o c h r o m e o x i d a s e ; N D : N A D H d e h y d r o g e n a s e G i g . H u m a n m i t o c h o n d r i a l D N A h a s 2 2 t R N A g e n e s , 2 r R N A g e n e s , a h d 1 3 p r o t e i n - c o d i n g r e g i o n s . 1 4 o f t h e 1 5 p r o t e i n - c o d i n g o r r R N A - c o d i n g r e g i o n s a r e t r a n s c r i b e d i n t h e s a m e d i r e c t i o n . 1 4 o f t h e t R N A g e n e s a r e e x p r e s s e d i n t h e c l o c k w i s e d i r e c t i o n a n d 8 a r e r e a d c o u n t r c l o c k w i s e . (二 ) 线粒体核糖体 表 2 0 - 4 人类和酵母线粒体核糖体和细胞质核糖体的大小 人类 ( H e L a ) 酵母成分 mt c y t o mt C y t o 核糖体 60S 74S 75S 80S 大亚基 45S 60S 53S 60S 小亚基 35S 40S 35S 40S 核糖体 大亚基 16S 28S 21S 26S 小亚基 12S 18S 15S 18S (三 )线粒体蛋白质的合成 表 2 0 - 5 酵母线粒体中合成的酶亚基 亚基酶 分子量 ( K d a ) 线粒体中合成 细胞质中合成 A T P a s e ( 对寡霉素敏 感 ) 340 A T P a s e 6 、 8 、 9 (FO 膜因子 ) A T P 1 、 2 、 3 、 4 、 7 （ F 1 A T P a s e ） 细胞色素 C 氧 化酶 137 C O 1 、 2 、 3 C O 4 、 5 、 6 、 7 细胞色素 bc1 复合物 160 细胞色素 b 脱辅 基蛋白 6 个亚基 线粒体的复制 线粒体的起源 内共生假说 1970， Margulis，真核细 胞祖先是种吞噬细胞； 线粒体祖先是种革兰氏 阴性菌。前者吞后者 细胞分化假说 原始的原核细胞质膜内 陷包被 DNA，然后再分 化形成独立的细胞器。 二 . 叶绿体基因组 （ 一 ） 结构 SSC IR A IR B S S C : s h o r t s i n g l e c o p y s e q u e n c e L S C : l o n g s i n g l e c o p y s e q u e n c e I R : i n v e r t e d r e p e a t s L S C F i g . 1 9 - T h e c h l o r o p l a s t g e n o m e i s a c i r c l e , d i v i d e d b y t w o i n v e r t e d r e p e a t s i n t o t h e s h o r t s i n g l e c o p y s e q u e n c e a n d l o n g s i n g l e c o p y s e q u e n c e ( G E N E S F i g 2 4 . 3 ) 叶绿体基因组 cp DNA的基因组成 表 2 0 - 6 叶绿体基因组的组成 地钱 烟草 水稻 反向重复序列 1 0 ， 058 2 5 ， 339 2 0 ， 798 短单拷贝序列 1 9 ， 813 1 8 ， 482 1 2 ， 335 长单拷贝序列 8 1 ， 095 8 6 ， 684 8 0 ， 592 总基因组 1 2 1 ， 024 1 5 5 ， 844 1 3 4 ， 525 参考 B L e w i n : G E N E S . 1 9 9 7 , T a b l e 2 4 。 3 cpDNA基因组成有以下特点： （ 1） 基因组由两个 IR和一个 SSC及一个 LS （ 2） IRA和 IRB， 编码相同 ， 方向相反 。 （ 3） cpDNA启动子和原核生物的相似 ， 基因产 生单顺反子或多顺反子的 mRNA； （ 4） 不同 cpDNA基因组成和数目几乎是相同的 ， 产物多为类囊体的成分或和氧化还原反应有关； （ 5） 其 tRNA基因中有内含子 ， 有的位于 D环上 ， 此和原核及真核生物核 tRNA都 不相同； （ 6） 所有叶绿体基因转录的 mRNA都由叶绿体 核糖体翻译 。 表 2 0 - 7 叶绿体基因组编码的各种蛋白 基因 类型 拷贝 1 6 s 1 2 2 3 s 1 2 4 . 5 s 1 2 5s 1 2 R N A - 编码 t R N A 30 37 r- 蛋白 19 22 RNA 聚合酶 3 3 基因表达 其它 2 2 光系统 2 2 光系统 7 7 细胞色素 b/f 3 3 类囊体膜 H + - A T P a s e 6 6 N A D H 脱氢酶 6 6 铁氧化还原酶 3 3 核酮糖 BP 羧化酶 1 1 其它 未鉴定 29 29 总计 110 124 参考 B L e w i n : G E N E S . 1 9 9 7 , T a b l e 2 4 。 2 第二节 核外遗传 一 . 核外遗传的特点 (1) 正反交的结果不同 。 通常显示逐代出现 单亲遗传 （ uniparental inheritance） 的现象 ， 如 母体遗传 （ maternal inheritance） 。 (2) 不出现分离比 ， 即非孟德尔式遗传； (3) 母本的表型决定了所有 F1代的表型； (4) 遗传物质在细胞器上 ， 不受核移植的影 响； (5) 不能进行遗传作图； （一）叶绿体系统的核外遗传 1909年由 Carl Corrans发现（ irabilis jalapa） 表 2 0 - 8 紫茉莉花斑植物杂交的结果 母本枝条表型 父本枝条表型 后代表型 白色 白色 绿色 白色 白色 花斑 白色 白色 绿色 绿色 绿色 绿色 花斑 绿色 白色 花斑，绿色，白色 绿色 花斑，绿色，白色 花斑 花斑 花斑，绿色，白色 1） 1909， Carl Corrans，非孟德尔遗传发现 者，洗澡花（紫茉莉）花斑枝条 （二）真菌的细胞质遗传 1 小菌落脉孢菌 (Neurospora) 的遗传 1952年 Mary Mitchell分离了脉胞菌的 小菌落 （ poky） poky 野生型 后代全部为 poky。 野生型 poky 后代全部为野生型 。 核外突变 （ extranuclear mutaation） 或 细胞质突变 （ cytoplasmic mutation） 酵母小菌落 (peptite)突变 1940， Boris Ephrnssi 在正常的细胞群体中有 0.1% 1% 的细胞会自发变成小菌落 。 在插入 剂 （ 如：溴化乙锭 ， EB） 存在时 100%的细胞都变成小菌落 。 分类 (1) 核基因突变型 分离型 (2) 中性型 mtDNA丢失 (3) 抑制型 mtDNA突变 酵母小菌落 表 20 - 9 酵母小菌落的类型和特点 小菌落 类型 符号 产生 原因 与野生型 杂交 二倍体表型 四分体的基因型 ， 表型和分离比 分离型 pet - 核基 因突 变 pet - pet pet - /pet ( 正常 ) 小菌落 ( pet - ) : 大菌落 =2:2 中性型 P - N M t D N A 丢失 P - N P N P - N / P N ( 正常 ) 全为大菌落 P N 抑制型 P - S M t D N A 突变 P - S P S P - S / P S ( 部分呼吸 ) 小菌落 P - S ( 迅 速形成孢子 ) 小菌落 P - S ( 长 时间分裂 ) 比例不等 (1 99%) 正常线粒体 小菌落线粒体 (三 ) 衣藻的核外遗传 1954年 Rrth Sager等 研究了单细胞藻类衣藻 （ chlamydomonas reinhardi） 红霉素抗性 （ eryr） （ erythromycin resistance） 链霉素的抗性 （ smr） 。 野生型是链霉素 -敏感型 （ sms） 。 Mt ( mating type) smr mt+ sm-s mt- 全部后代 （ 95%） smr sms mt+ smr mt- 全部后代 （ 95%） sms 表 2 0 - 1 0 衣藻杂交后代的 c p D N A 的浮力密度 杂交 合子 c p D N A 的浮力密度 14N mt + 1 4 N mt - 1 . 6 9 15N mt + 1 5 N mt - 1 . 7 0 15N mt + 1 4 N mt - 1 . 7 0 14N mt + 1 5 N mt - 1 . 6 9 R u t h S a g e r : C y t o p l a s m i c G e n e a n d O r g a n e l l e s , A c a d e m i c P r e s s ( a ) K i l l e r y e a s t ( b ) S e n s i t i v e y e a s t or L v i ru s e s M v i ru s e s V i r u s c ap s i d O n e 4 . 5 k b T w o i d e n t i c a l 1 . 8 k b L v i ru s e s o n l y ; N o L o r M v i r u s e s d o u b l e - s t rad ed d o u b l e - s t rad ed n o M v i ru s e s RN A g en o me R N A g e n o me Fi g . T h e k i l l e r p h en o m en o n i n y eas t . L-dsRNA 编码 L和 M病毒蛋 白， RNA pol M-dsRNA,编码杀伤性蛋白 第三节 母体影响 （ maternal effect） 母体的基因型决定后代表型的现象称为 母体影响 （ maternal effect） / d o r / Y 回交 ： / d o r dor /Y 红眼 黄眼 红眼 黄眼 / dor /Y / dor dor / d o r /Y dor /Y 互交 红眼 黄眼 红眼 黄眼 / / dor / Y d o r / Y 红眼 红眼 红眼 黄眼 反交： d o r / d o r /Y 黄眼 红眼 / d o r dor /Y 5 0 % 致死 胚胎致死 图 2 0 - 果蝇眼色的母体影响 第四节 真核细胞中的质粒 2环 （ two-micron circle） 三系二区制种法 。 (1)雄性不育系 ， 以符号 （ s） rfrf来表示 。 （ s） 是指 (sterility)， rf（ restere fertile） 是表示 雄性不育 得到恢复 。 （ 2） 保持系：以符号 （ n） rfrf来表示 。 （ N for normal)来表示 。 （ 3） 恢复系： （ N） RfRf， 图 2 0 - 玉米的三系两区育种 ( S ) r f r f ( N ) r fr f ( S ) r f r f ( N ) R fR f 水稻专家 袁隆平 脉胞菌中一种衰老品系 Kalilo品系 9Kb的线粒体质粒 K al D N A 9 k b 线性质粒 正常品系的 K a l i l o 品系的 线粒体 D N A 线粒体 DNA 图 1 9 - 脉孢菌衰老品系的 m t D N A 中插入了 K a l i l o 线性质粒