第八章非孟德尔遗传课件

第九章非孟德尔遗传第一节非孟德尔遗传现象非孟德尔遗传大体上包括4部分内容：母体效应（maternal effect）剂量补偿效应（dosage compensation）基因组印迹（genomic imprinting）核外遗传（extranuclear inheritance）分类及区别母体效应、剂量补偿效应和基因组印迹3种非孟德尔遗传是细胞核染色体基因作用的结果。剂量补偿效应和基因组印迹也称为表遗传学（epigenetics）。核外遗传是指位于细胞质中线粒体、叶绿体、质体及其他细胞质微粒上的基因控制的遗传作用模式。孟德尔遗传由孟德尔基因（遗传方式符合孟德尔定律）控制的性状，其正交和反交子代性状表现总是趋于一致，称为孟德尔遗传。如：豌豆的7对性状的遗传等非孟德尔遗传正交和反交子代性状表现不一致，或只现父本性状（或只表现母本性状），或表现了双亲性状而不符合孟德尔遗传定律的基因比例，称为非孟德尔遗传。母系遗传由核外基因控制的性状，其遗传方式不服从孟德尔定律，正交和反交子代性状总是表现母本性状的特征，称为母系遗传（maternal inheritance）。如：紫茉莉的母系遗传第二节母体效应1924年，波意可特(A.E.Boycott)和代维(C.Diver)报道锥实螺螺壳表现“延迟”的孟德尔式遗传。斯图蒂文特(A.H.Stutevant)指出锥实螺螺壳的旋向由卵细胞质决定,因而是由母体的基因型所控制的,这是遗传学中发现的首例“母体效应”。母性效应（maternal effect）又称为母性影响，是指子代某一性状的表现由母体的核基因型或积累在卵子中的核基因的产物所决定，而不受本身基因型的支配，从而导致子代表型与母本表型相同的现象。母体效应的分类一、短暂的母性影响欧洲麦粉蛾幼虫的肤色、成虫复眼颜色的遗传二、持久的母性影响椎实螺外壳旋转方向的遗传一、麦粉蛾的遗传正反交效果不一致，不符合孟德尔定律的遗传模式。二、椎实螺的遗传椎实螺是一种、同体的软体动物，每一个体又能同时产生卵子和精子，但一般通过异体受精进行繁殖。椎实螺即可进行异体杂交、又可单独进行个体的自体受精。椎实螺外壳的旋转方向有左旋和右旋之分，属于一对相对性状。原因：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。右旋受精卵纺锤体向中线右侧分裂；左旋受精卵纺锤体向中线左侧分裂。母体基因型受精卵纺锤体分裂方向 椎实螺外壳旋转方向。是由受精前母体卵细胞状态决定子代性状的，也称为前定作用或延迟遗传，是细胞核遗传。短暂的母性影响只影响子代个体的幼龄期；持久的母性影响影响子代个体终身。第三节剂量补偿效应真核生物的异染色质高度凝聚，不具转录活性。在哺乳动物中，细胞质中的某些调节因子能使两条X染色体中的一条异染色质化。只有一条X染色体具有活性，这样就使得雌、雄动物之间虽然X染色体的数量不同，但X染色体上基因产物的剂量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿。1949年，Murray Barr首先在雌猫细胞核中观察到了高度凝聚的X染色体，而在雄猫中未发现这一现象。因此，将XX个体中失活的那条X染色体命名为巴氏小体（Barr body)。Stained sex chromatin in the nuclei of human cells showing the female-indicative Barr body(bright spot)and the male-indicative Y body(bright spot)Barr body in epidermal spinous cell layer nuclear appendage in white blood cellsLeft:Barr body(arrows)in the epidermal spinous cell layerRight:Nuclear appendage(drumstick)identified by arrow in white blood cells.(Reproduced,with permission,from Grumbach MM,Barr ML:Cytologic tests of chromosomal sex in relation to sex anomalies in man.Recent Prog Horm Res 1958:14:255.)X inactivation and the tortoiseshell catCalico catX连锁的B基因控制黑色毛斑，b基因控制橙色毛皮。三色猫大多数是B和b基因的嵌合的雌性猫。患病的雄猫不能生育，有多余的X染色体(XXY，XXXY等)XXXXY，Klinefelters syndromeXYY karyotypeDown syndrome第四节基因组印迹或称亲本印迹（parent imprinting）是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。From：Genomic Imprinting Methods and Protocols特点基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。小鼠中发现的印迹基因及遗传模式基因遗传模式基因功能Igf2H19Igf2rInsulin-2GnasRasgrf1Peg3/Pw1其他父系遗传母系遗传母系遗传父系遗传父系遗传父系遗传父系遗传类胰岛素生长因子2不翻译的RNA类胰岛素生长因子2受体胰岛素GaGTP交换蛋白NF-B调节Igf2基因突变导致矮小型小鼠的遗传正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。基因印迹过程的三个阶段1、印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。2、印记的维持3、印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。印迹维持印迹维持基因印迹过程的三个阶段Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2合子合子囊胚受受精精印迹去除印迹去除印印 迹迹 形形 成成基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。如：DNA甲基化修饰可阻止基因的转录。“臃肿的年轻人”狄更斯小说匹克威克外传书中描述过一个肥胖、红光满面但又常处于困倦状态的男孩，后来这孩子又被形容成“臃肿的年轻人”，其胃口如蟒蛇般大 普拉德威利综合症（PWS）狄更斯所描绘的肥胖、臃肿、嗜睡、好吃等行为特征与1956年普拉德和威利医生撰文描述的甚为相似一群小个子肥胖孩子，外生殖器发育不良，脊柱侧弯，婴儿期因肌张力低下常需人工喂养，生长迟缓。1972年，此病被正式命名为普拉德威利综合症（PWS）。据国外统计，PWS的发病率约为1/15,000“一个学习差的小个子肥胖儿童一个学习差的小个子肥胖儿童”中山医学院医学遗传学研究室接待了一位由附属医院儿科介绍来的病人，临床医生怀疑其为PWS。患者母亲介绍：她的儿子现年8岁半，读小学一年级，学习非常差，各科成绩总是班上的倒数第一名，吃的多，个子矮胖、严重超重。这位母亲多年来一直觉得自己的儿子智力明显落后，近几年带着儿子到处求医，一直没有明确诊断。经过询问还得知，患儿出生后哭声微弱，无力吸食母亲的奶水，是靠人工辅助喂养长大的，生长发育较同龄儿童慢，但到两三岁后，胃口奇佳，食量大增过度肥胖，个子却较矮小。对患儿进行了基本体格检查，发现有隐睾，阴茎明显短小，讲话不够清晰，当被问及“1加1等于几”、“2加2等于几”时全部回答错误。家庭调查显示，患儿父母表现正常，非近亲结婚，家族中也没有类似症状的病人。最后，经特异的DNA单体型分析和甲基化特异性PCR检测，该患儿被确诊为缺失型普拉德威利综合症。Prader-Willi patientAngelman patient安格尔曼综合征病人以重度精神发育障碍、步态失调和发作性大笑为主要临床症状。Prader-Willi patient and chromosome 15q11-q13 deletion1515 del(15)1011121421242610111214212426ASPW缺失缺失原因PWS是一种遗传性综合征，影响神经及内分泌系统患者最明显的病理特征是过度肥胖和不同程度的智力低下。少数严重智障或智力基本正常。后期并发症包括高血压、心血管病变及糖尿病。原因至今已明确多种不同的分子缺陷均可导致PWS的发生如上述的15q11-q13缺失、该区域内印记中心突变以及母源15号染色体单亲二倍体（UPD）等。PWS、AS产生的遗传机制AS基因为母本表达、父本印迹PW基因为为父本表达、母本印迹10111214212426ASPW10111214212426缺失缺失PWS、AS产生的遗传机制ASPWASPWASPWASPWASPWPWS综合征ASPWAS综合征PWS、AS综合征ASPW表遗传学介绍Epigenetics:The Science Of Change Environmental Health Perspectives Volume 114,Number 3,March 2006 表遗传主要研究非DNA序列变化引起的可遗传的基因表达调控变化。染色质结构对基因表达的调控主要是通过DNA甲基化修饰和组蛋白翻译后修饰进行的。这些组蛋白修饰是位点特异性的，一起构成了所谓的“组蛋白密码”。Eccleston,A.,et al.,Epigenetics.Nature,2007.447(7143):p.395-395.Jenuwein,T.and C.D.Allis,Translating the histone code.Science,2001.293(5532):p.1074-1080.组蛋白修饰与基因调控组蛋白基因表达调控区域乙酰化增加与转录活化相关，而组蛋白甲基化基本发生在异染色质转录沉默区域，但是组蛋白H3K4的甲基化也经常发生在染色质转录活跃区域。与此相反的是，H3K9的甲基化通常会导致转录抑制，这种甲基化会抑制H3尾部几个赖氨酸的乙酰化，而H3K4的甲基化会促进H3的乙酰化。Wang,H.B.,et al.,Purification and functional characterization of a histone H3-lysine 4-specific methyltransferase.Molecular Cell,2001.8(6):p.1207-1217.One Epigenetic Mechanism for repressing transcriptionEpigenomea.Igf-2基因调控区突变与猪的育种父源表达的印迹基因Igf-2等对肌肉量有显著影响，只有来自父本的Igf-2基因才能在子代中表达。Carine Nezer等发现在猪的Igf-2位点一个GA（相应于人Igf-2 基因第2外显子）的点突变可以影响猪的生长性能、瘦肉率和脂肪沉积。Anne-Sophie Van Laere等发现，猪IGF2调节区的突变可以产生影响肌肉生长的QTL，并证明这个QTL是由IGF2第3内含子上的一个单碱基替代所形成的。由于这个突变出现在CpG岛（印迹基因的差异甲基化区域）上，会使印迹状态发生改变从而影响基因的表达调控。这个QTL对瘦肉率有15%30%的影响，对背膘厚有10%20%的影响 b.孤雌生殖的小鼠Feminine pedigree.Kaguya,named for a fairy-tale girl found in a bamboo shoot,is the first mammal born without a genetic contribution from sperm.a,b,Parthenogenetic pups at birth with normal phenotypes.Of these the pup shown in a grew up a normal adult with reproductive competence(see e),and that in b was used forgene expression analysis.c,d,Growth-retarded parthenotes at day 19.5 of gestation,which died soon after the pup shown in c and just before that in d.i,Schematic representation of the H19Igf2 locus in H19 wt,H19 D13(ref.10)and H19 D3(ref.18)mutants.Only maternal alleles of each mutant are shown.The H19 D13 mutant mice were used in the present study and the H19 D3 mutants were used in our previous manuscript.The EcoRI fragment(210 kb to 250 base pairs)contains the differentially methylated region.h,Genotype analysis by PCR showing the parthenotes containing an ng allele in which the H19 gene was deleted with the neo cassette and an fg allele of the wild type.c.哺乳动物的表型突变现象1999 年11 月澳大利亚悉尼大学的Mo rgan HD等利用基因型完全相同的小鼠进行自交实验,这种小鼠它们的基因型虽然相同,但其毛色却差异很大,从黄色到不同组合的杂色不等。实验发现,新生小鼠的毛色基本上与雌鼠一致,而与雄鼠关系不大。黄色雌鼠后代的毛色多为黄色,杂色雌鼠的后代多为杂色,其表型分布完全不符合孟德尔遗传分离和自由组合规律。该研究小组发现,小鼠毛色的差异取决于一段调节基因片段的甲基化程度,该片段位于毛色控制基因agout i 的上游。本实验结果表明,甲基化的DNA 片段通过生殖细胞传给了后代,这一表型变化并没有改变DNA 的序列。A pup of a different color.Supplementation of maternal diet with genistein and other compounds induced alterations in DNA methylation that were reflected in offspring coat color changes.image:Randy Jirtle d.Epigenetics and Different Aspects of LifeEnvironment-organism interactionManel Esteller,director of the Cancer Epigenetics Laboratory at the Spanish National Cancer Center in Madrid,and his colleagues evaluated 40 pairs of identical twins,ranging in age from 3 to 74,and found a striking trend,described in the 26 July 2005 issue of Proceedings of the National Academy of Sciences.Younger twin pairs and those who shared similar lifestyles and spent more years together had very similar DNA methylation and histone acetylation patterns.But older twins,especially those who had different lifestyles and had spent fewer years of their lives together,had much different patterns in many different tissues,such as lymphocytes,epithelial mouth cells,intra-abdominal fat,and selected muscles.e.Maternal Behaviour and EpigeneticsA female rat carrying one of her pupsA female rat suckling pups母性与表观遗传The licking,grooming,and nursing methods that mother rats use with their pups can affect the long-term behavior of their offspringAnd those results can be tied to changes in DNA methylation and histone acetylation at a glucocorticoid receptor gene promoter in the pups hippocampus.Moshe Szyf,a professor in McGill Universitys Department of Pharmacology and Therapeutics August 2004 issue of Nature NeuroscienceNeuroscienceMothering style and methylationSapolsky,R.M.,Mothering style and methylation.Nat Neurosci,2004.7(8):p.791-2.Sapolsky,R.M.,Mothering style and methylation.Nat Neurosci,2004.7(8):p.791-2.Figure 1 A cascade by which a constellation of traits in the adult rat is induced by the mothering style to which the rat was exposed as a pup.Mothering characterized by high levels of licking and grooming produces two interacting pathways of changes in the pup.In the first,increased serotonin tone in the hippocampus leads to increased expression of the transcription factor NGF1-A.In the second,the first exon of the glucocorticoid receptor gene in the hippocampus is demethylated,and the histones surrounding it are acetylated.The result is a glucocorticoid receptor gene that is permanently more open to transcriptional activation by NGF1-A.This produces higher numbers of glucocorticoid receptors in the hippocampus of the rat as an adult,which gives rise to other distinctive endocrine and behavioral features.药物与母性的变化The researchers found that the effects werent written in stoneGiving the drug trichostatin A to older pups could help reverse the effects of poor maternal care received when they were younger.Szyf also demonstrated that giving the amino acid L-methionine to older pups could negate the benefits of high-quality maternal care received when they were younger.6 June 2003 Journal of Biological Chemistry and the 23 November 2005 Journal of Neurosciencef.环境污染与表遗传变化镍的表观遗传学效应人与动物的强致癌剂（肺癌与鼻咽癌）未表现致突变性或仅存在弱诱变性（非遗传毒性致癌剂）可诱发DNA甲基化和组蛋白H4的普遍去乙酰化可在核内选择性地结合异染色质（与组蛋白和非组蛋白结合）砷暴露与表观遗传改变砷为常见污染物和人类致癌剂可诱发皮肤、肝脏、肺、膀胱和前列腺癌，其中肝脏是重要靶器官经典遗传毒性测试系统中不诱发点突变，但导致DNA大片段缺失其在体内代谢过程中被甲基化，使DNA甲基化的供体SAM（S-腺苷甲硫氨酸）含量降低，导致甲基化模式改变g.环境雌激素的表观遗传学效应一、HSP90与DES的表观遗传学效应1、HSP90可以修饰若干基因的染色质构象（如：增加甲基转移酶SMYD3的活性）可倡导WNT信号系统的靶基因、雌激素受体（ER）靶基因的调控注：注：WNTs指导器官、组织的细胞行为和形成形成指导器官、组织的细胞行为和形成形成DES的表观遗传学效应DES（二乙基乙烯雌酚）20世纪4070年代，在美国广泛用于孕妇防范流产1971年，发现0.1%的雌性后代在青春期出现阴道明细胞腺癌，95%出现良性生殖道（器官）形成与功能异常被暴露的妇女随年龄增长而进入生殖器官癌症高发期，其患其他疾病的概率也出现增加趋势DES被确认为：经胎盘直接对发育中的胚胎发挥作用的化学致癌物，跨代引起子宫癌、发育异常和肿瘤发生2005年，Ruden模型：正常：PGCs特异染色质区的CpG被甲基化，启动子宫癌的基因（e.g.c-fos的增强子区域）处于非活化状态DES暴露：低甲基化其他环境雌激素的表观遗传效应雌二醇可引起卵黄蛋白原基因启动子区CpG和雌二醇响应元件的去甲基化，提高产蛋母鸡肝脏的卵黄蛋白原基因的表达雌二醇类似物都可能具有类似作用（内分泌扰乱物）植物雌激素黄豆中的金雀异黄素（Genistein）在营养补充和医疗上都以超生理浓度使用其可通过维持DNA甲基化模式而降低若干癌症的危险度但围产期暴露则导致癌症危险度提高相同剂量的DES或genistein对1-5d雌性CD-1小鼠处理，18月龄时，子宫腺癌发病率分别达到31%和35%Genistein能显著改变小鼠某些特异基因的CpG岛的甲基化其他：DDT及其同类物，因含有甲氧氯而具有雌激素活性第五节核外遗传1909年，柯林斯首先报道了紫茉莉镶嵌叶的遗传不符合孟德尔定律，而是表现为母本的表型。紫紫茉莉镶嵌叶花斑的遗传是由核外基因组叶绿体基因所控制，其遗传方式为母系遗传。1909，Carl Corrans，非孟德尔遗传发现者，洗澡花（紫茉莉）花斑枝条（一）叶绿体系统的核外遗传1909年由Carl Corrans发现（irabilis jalapa）杂种植株所表现的性状完全由母本枝条所决定的，与提供花粉枝条无关。由此可知，决定枝条和叶色的遗传物质是通过母本传递的。花斑枝条的绿叶细胞含有正常的绿色质体花斑枝条的绿叶细胞含有正常的绿色质体(即即叶绿体叶绿体)，白细胞只含无叶绿素的白色质体，白细胞只含无叶绿素的白色质体(白白色体色体)，而在绿白组织之间的交界区域，某些，而在绿白组织之间的交界区域，某些细胞里既有叶绿体，又有白色体。细胞里既有叶绿体，又有白色体。线线粒粒体体电电镜镜照照片片（二）线粒体遗传（二）线粒体遗传1981年，年，Anderson完成了人线粒体基完成了人线粒体基因组全序列的测定。因组全序列的测定。双链双链16569bp，其中其中一条为重连，一条一条为重连，一条为轻连。基因编码为轻连。基因编码物各不相同。物各不相同。2种种rRNA；22种种tRNA；13种蛋白质。种蛋白质。基因中不含非编码基因中不含非编码序列，多数情况下，序列，多数情况下，几乎不含终止密码，几乎不含终止密码，mRNA在特定区域在特定区域加加PolyA。转录与翻译均在线转录与翻译均在线粒体中进行。粒体中进行。DNA不与组蛋白结不与组蛋白结合合。线粒体基因组线粒体线粒体DNA的遗传特点的遗传特点1、具有半自主性、具有半自主性2、部分遗传密码与核不同、部分遗传密码与核不同3、母系遗传（不符合经典遗传定律）、母系遗传（不符合经典遗传定律）4、在细胞分裂间经过复制和分离、在细胞分裂间经过复制和分离5、突变率极高（比核基因大、突变率极高（比核基因大10-20倍）倍）6、主要编码与氧化磷酸化过程相关的酶系、主要编码与氧化磷酸化过程相关的酶系