第七章細胞質遺傳細胞質遺傳是指由細胞質內的基因所控制的遺傳由于細胞質的基因存在于染色體之外且多經母方傳遞,所以也稱核外或母系遺傳,可分為細胞器介導和非細胞器介導其本質原因是雌配子即卵細胞體積大且細胞質內容豐富,而雄配子高度特化,細胞質內容較少或降解,因此細胞質成分主要或僅由雌配子提供細胞器介導的細胞質遺傳

以線粒體為基礎的細胞質遺傳以葉綠體為基礎的細胞質遺傳非細胞器介導的細胞質遺傳

感染顆粒為基礎的細胞質遺傳

質粒為基礎的細胞質遺傳胞質中其它的細胞器因不含編碼基因的DNA故不介導細胞質遺傳,這些細胞器的表型由核基因決定出芽酵母線粒體(Dev.Cell21,700)線粒體(Mitochondrion)新的線粒體通過分裂形成,不同線粒體間可融合,常相互連接成網且與內質網接觸線粒體基因組線粒體雖編碼兩個mrRNA,

二十幾個mtRNA以及十幾個參與氧化磷酸化的線粒體蛋白(CytB,COI,II,III,ATPase兩亞基,NADHD七亞基),但其余RNA和大部分蛋白質由核基因組編碼并運輸至線粒體內線粒體基因組的復制作為細胞器基因組的典型特征,線粒體是半獨立性的遺傳系統,依賴核基因組半自主復制,為D環復制,雙鏈在H鏈ori解開,合成引物RNA以H鏈為模版起始復制新L鏈,在復制區的舊L鏈因此游離散開形成幾百堿基長的D環,當環因復制拓展至舊L鏈的ori時新H鏈的合成開始線粒體DNA為半裸露雙鏈環狀或線狀分子,一個線粒體有1至多個DNA分子,通常與內膜相連。動物細胞線粒體DNA一般在14~39kb。有些密碼子的含義在不同物種內不盡相同,與核基因密碼子也不同,如AUA通常編碼Ile,但在線粒體內編碼Met人成纖維細胞線粒體DNA(BiochimBiophys

Acta1763,466)

mtDNA較裸露，復制頻率較高，位于線粒體附近，直接暴露于呼吸鏈代謝產生的超氧離子和電子傳遞產生的羥自由基中，極易受氧化損傷,缺乏高效的修復系統,變異率較高但哺乳動物細胞不自發丟失mtDNA,除非長期用其復制酶的抑制劑處理或敲除關鍵性的維持基因如其組裝蛋白mtTFA線粒體遺傳缺陷線粒體疾患是由線粒體DNA或編碼線粒體成分的染色體基因異常所致。由于通常只有雌性因卵細胞含有未被降解的細胞質才能傳遞線粒體,所以前者異常所導致的表型為典型的細胞質遺傳,只有女性可將變異基因傳遞給兒女,所產生的表型極為多態。在一個家系中，個體的表現可以完全不同,

例如：MTTK*MERRF8344G線粒體轉運RNA基因賴氨酸疾患縮寫變異位置原堿基多系統紊亂，肌陣攣失調，耳聾，脊髓退化，部分神經元缺失，大量線粒體聚集于肌細胞，當線粒體九成存在變異，將出現典型表型，當變異比例下降時，表型也隨之改善典型的線粒體遺傳線粒體變異所產生的效應取決于細胞中野生型和變異型線粒體DNA的比例，只有變異型DNA達到一定比例才引起細胞的功能障礙，這種現象稱為閾值效應。閾值效應的一個表現就是在某些線粒體遺傳缺陷的家系中，有些個體起初并沒有臨床癥狀，但隨年齡增加由于變異型DNA逐漸積累，線粒體的功能持續性下降，最終出現表型。與此相關,子代不同個體之間的表型常也差異顯著,這是由于卵子發生中只有少量線粒體DNA被傳遞給子代細胞，稱為瓶頸現象,如傳遞變異型則出現表型,否則為正常多態型線粒體疾患示例與裂殖酵母(S.

Pombe)和其它生物不同,出芽酵母(S.Cerevisiae)可不依賴正常的線粒體生存,但生長緩慢,1-2%的菌落自發缺失或產生變異的mtDNA,或產生控制線粒體功能特定染色體基因的變異型,形成1/2-1/3大小可穩定遺傳的小(Petite)菌落,分為:分離型–源于染色體基因的變異,與正常菌落雜交后

其子代菌落大小呈2:2孟德爾式分離中性–源于細胞質線粒體基因的變異,與正常菌落雜

交后其子代菌落由于獲得正常菌落的細胞質而

大小恢復正常葉綠體(Chloroplast)遺傳與線粒體相似，葉綠體基因組也是雙鏈環狀DNA,大小在一到幾百kb,編碼tRNA,rRNA以及部分葉綠體蛋白,其余成分由染色體基因編碼。一個葉綠體通常含10~30個DNA分子,其遺傳也是由核質共同控制。由葉綠體或其它細胞質基因異常所導致的表型為典型的細胞質遺傳,只有雌性植株可將變異基因傳遞,而由染色體基因異常所導致的表型為孟德爾遺傳葉綠體細胞質遺傳的典型示例,也是首次報道的非孟德爾式遺傳現象,是紫茉莉枝葉顏色取決于母本,而與提供花粉的父本表型無關。若雌株葉綠體基因變異，前質體向葉綠體發育受抑，則授粉后發育的莖葉不再為綠色；若正常與變異的葉綠體并存，因胞質分離與重組，授粉后所發育的莖葉將為花斑色植物雄性不育

在植物界較為普遍，是指植物花粉敗育，花蕊發育不正常，不能產生可育的花粉，但能產生正常的卵細胞，可接受外來花粉。根據其遺傳基礎可分為核基因決定型,細胞質基因決定型,核質互作型

細胞質決定型與正常型雜交后代仍為不育,表現為母系遺傳

核質互作型存在使花粉敗育的細胞質基因,與一般的正常型雜交后代仍為不育,但是有極少數正常型品種攜帶由染色體編碼的恢復基因,雜交后為可育

不育系：指細胞質決定型,其細胞核沒有相應的恢復基因。

保持系：與不育系雜交，使其產籽但保持不育系特性的品系。保持系細胞質基因正常,所以花粉正常,但細胞核沒有相應的恢復基因。

恢復系：細胞核有恢復基因,

與不育系雜交可使后者變為可育

二區三系法:一區：不育系x保持系;二區：不育系x恢復系

與感染顆粒有關的細胞質遺傳

果蠅的CO2敏感型：敏感型♀x野生型♂敏感型敏感型♂x野生型♀野生型,極少數敏感型極少數敏感型是由于精子帶有極少的細胞質目前知道這是由于σ因子引起，敏感型個體的細胞質中含有σ因子,有人認為它是一種病毒放毒型的草履蟲含κ顆粒,能產生草履蟲素,殺死不放毒的敏感型草履蟲。κ顆粒是內共生菌，是螺節姻緣桿菌,這種通過感染而獲得遺傳性狀的現象稱為遺傳感染但此表型既與細胞質也與細胞核有關,必須同時存在胞質因子κ及核基因K才能保持穩定的放毒性狀,而kk+κ是不穩定的放毒型純合子為：KK+κ

敏感型為：kk質粒介導的細胞質遺傳質粒是存在于細胞中能自我復制的非染色體遺傳元件,絕大多數為雙鏈閉合環狀小分子DNA,最小僅2kb，含一個基因，最大達400kb，含數百基因。嚴謹型質粒拷貝數在1至10個,松弛型質粒拷貝數在幾十至幾百個大多數質粒在染色體外的細胞質中游離,一般只能通過細胞分裂或轉化來傳遞。但也有一些被稱為附加體的質粒能夠整合到宿主細胞的染色體DNA上,隨宿主染色體的復制而復制。附加體既能以游離的形式存在于細胞質中，也能重組在染色體上，如可通過接合來傳遞的F因子玉米線粒體的S1和S2質粒酵母細胞的2

質粒細菌的質粒:通常不是必須,所以易丟失,但可賦予細菌特殊的功能，如介導菌間接合和自傳遞的F因子、抗性R因子等母性影響(MaternalEffect)概念:子代的表型受母親基因型影響,未受自身基因型控制,或在早期發育階段受母親基因型和自身基因型雙重影響短暫的母性影響麥粉蛾野生型為顯性：幼蟲皮膚有色，成蟲復眼褐色變異型為隱性：幼蟲皮膚無色，成蟲復眼紅色隱性純合體與雜合體的正反交結果對于幼體不同,但對成體相同♀隱性純合體x♂雜合體♀雜合體x♂隱性純合體????幼蟲有色無色有色有色成蟲褐眼紅眼褐眼紅眼原因：雖然隱性純合體因變異而缺乏合成色素的前體,但幼蟲可使用卵細胞預積累的色素而呈有色,而成體已消耗完預積累的色素,所以只影響早期發育階段的表型持久的母性影響雖然椎實螺外殼右旋(D)對左旋(d)顯性,但旋向取決于母本的基因型,而不是由自身基因型決定

♀♂XPF1F2F3右旋右旋3:左旋1DD

ddDd右旋♀♂XDDddDd左旋特征：不按自己的基因型發育，而是按母本的基因型(不是表型)發育自己的基因型推遲一代表現原因：外殼旋轉方向取決于受精卵卵裂時紡錘體的取向，而紡錘體的取向取決于細胞質，卵胞質的性質是由母本基因型決定的,因此,母本基因型決定外殼旋向。由于旋向固定,所以稱持久的母性影響持久的母性影響與經典細胞質遺傳的相同之處:

子代表型由母親基因型決定母性影響與經典細胞質遺傳的不同之處:

母性影響的性狀是由核基因型控制,因此最終還是會

表現出孟德爾遺傳的特征,雖影響子代早期發育或此

生的表型,但在隨后世代還是會出現孟德爾分離比。

相反,經典細胞質遺傳的性狀是由胞質基因型控制,

在連續的世代皆表現出穩定的母系性狀和非孟德爾

分離性細胞質遺傳的特征正反交表型不一致,通常只表現母方性狀,而由核基因控制的性狀正反交表型一致,此外連續回交雖能置換核基因,但母本胞質基因及所控制的性狀不被置換,利用這些差異可以區分核遺傳與細胞質遺傳不出現孟德爾式分離且可呈現細胞質基因的如下特征: 細胞質異質性-同一細胞內細胞器含有不同基因型

細胞質分離與重組-不同基因型在子細胞中的分配

與比例存在差異,導致細胞間的表型差異發育與遺傳線蟲發育線蟲：1mm、透明、三天一世代、約兩萬基因、

1090-131=959體細胞、302神經元、譜系固定

受精卵

AB

P

EMS

P

MS

E

C

P

D

P

肌

干細胞肌

腸道神經元腺體BA

CSEP花萼花瓣雄蕊心皮

A

AB

BC

C花萼花瓣雄蕊心皮A-B-:皆為雄蕊A-C-：花萼和心皮被葉取代B-C-：皆為花萼A-B-C-：皆為葉花發育(PlantSystematics,2th

edition)母源效應(Maternaleffect)基因間隙(Gap)基因成對控制(Pairrule)基因體節極性(Segmentpolarity)基因同源異形(Homeotic)基因果蠅發育上述各級控制體節形成的基因產物多為轉錄調控因子,在胚胎內各自區域表達而非均勻分布許多動物卵中與胚胎發育直接相關的母源效應基因產物在胞質中呈不均勻分布,如Bicoid

mRNA由滋養細胞分泌入卵母細胞后,被其結合蛋白運輸到卵細胞前端,所以Bicoid蛋白在果蠅卵中由前到后濃度遞減,控制胚胎前端結構的形成;而NanosmRNA由滋養細胞分泌入卵母細胞后,被運輸到卵后端,所以Nanos蛋白由前到后濃度遞增,控制胚胎后端結構的形成，變異時腹部缺失果蠅母源效應基因與背腹軸極性形成果蠅初始發育有昆蟲綱獨特特征，第九次核分裂后細胞核遷移至合胞體胚盤的皮質層。母源性Toll是合胞體胚盤全細胞膜跨膜受體,結合卵腹側濾泡細胞母源性配體Spz,藉磷酸化引起母源性Dorsal在合胞體腹側分布到核內，形成核分布的背腹軸濃度梯度，激活腹極性基因Twist和Snail表達，抑制背極性基因，卻在合胞體背側分布于細胞質因此不調控轉錄。當Dorsal基因缺失時,胚胎缺失腹側而只有背側絨毛TOLL受體母源配體DORSAL濃度背腹果蠅母源效應基因與前后軸極性形成因卵母細胞核缺乏轉錄活性,所以果蠅胚胎軸極性形成和初始分節是由約五十個母源效應基因而非胚胎本身基因控制。這些基因的轉錄和翻譯產物或在母體細胞表達然后運入卵細胞，或在雌生殖系細胞即滋養細胞或卵內表達，所以在受精前即已儲存于卵細胞質,控制前后和背腹軸極性形成Bicoid

mRNA

Bicoid蛋白

BicoidmRNA導入變異型所示區域頂

頭

胸

腹

尾野生型

變異型正常頭雙頭(DevelopmentalBiology,6th

edition)Bicoid變異時頭胸缺失轉化為腹，頂區轉化為尾節與母性影響相近，子代表型由母親基因型決定，母源效應基因純合變異的卵細胞即使與正常精細胞融合，子代早期發育仍異常。雖是核基因介導的染色質遺傳，卻與胞質遺傳表型相近，正常細胞卵裂極胞質可恢復其正常Bicoid是含有同源域的兼具DNA和RNA結合能力的轉錄因子,可結合CaudalmRNA的3’UTR,從而與mRNA5’帽結合蛋白eIF4E相互作用,進而阻礙核糖體亞基在5’UTR的組裝,以抑制翻譯,所以Caudal分布在Bicoid水平較低的胚胎后端母源效應基因產物對間隙基因的轉錄激活或抑制使間隙基因在胚胎中呈梯度分布。間隙基因變異會丟失胚胎成串的副體節即一個未來真正體節的后半部與其后相鄰體節前半部形成的帶,從而出現較寬間隙。如Hunchback控制頭胸結構，其轉錄依賴Bicoid，Nanos抑制其mRNAPolyA形成進而抑制其翻譯成對控制基因一般以兩個副體節為單位相互間隔一個副體節表達,在胚盤期開始沿前后軸呈垂直的七個條帶分布,如含Homeobox的成對控制轉錄因子Evenskipped即是如此，在奇數副體節表達，其變異會導致每隔一個體節缺失一部分，在較高濃度處激活體節極性基因Engrailed表達,而在低濃度處Wingless基因表達Evenskipped基因內不同調節區域控制不同條帶表達Evenskipped基因內控制各條帶的各增強子區結合不同的轉錄因子，如條帶2的增強子區含有與轉錄因子Bicoid、Hunchback(激活)、Kruppel、Giant(抑制)結合的序列(上)。在所示間隙基因表達減少或較低之處條帶3-5形成(下)(DevelopmentalBiology,6th

edition)發育到囊胚期時,體節極性基因受成對控制基因的調控,把各體節再劃分為更小的條帶,在副體節中劃分最后的可見的體節分界線,其變異會導致每個最后的體節都缺失一部分區域,而被該體節的另一部分區域鏡像構造所替代。

如Engrailed的作用是保持前后體節間的分界,在每一副體節最前端的一列細胞內表達,其變異會導致前后體節融合,即每一體節的后半部被后一體節的前半部的結構替代,它恰好在Wingless表達區帶之后表達,所以這兩個基因表達區域的界限正好決定副體節的界線。成熟體節由各副體節的后區和鄰后副體節的前區形成受成對控制和間隙基因調控，同源異形基因在體節的劃分確定后,負責決定各體節的特征結構,如某個特定的體節是發育成無翅的前胸,有翅的中胸,還是有平衡器的后胸。Ubx缺失時,本應長平衡棒的第三胸節卻長出一對翅膀,形成有兩對翅膀的果蠅,而ANT-C的缺失會使觸角轉變為腿。果蠅的大多數同源異形基因都在第三染色體上,在染色體上的排列順序大致反映它們在表達上的時空順序發育(Development)和分化(Differentiation)的基因調控發育是生物體不同基因按特定時空表達即受基因調控而逐漸實現表型的過程,如果蠅發育時不同基因先后被激活的級聯反應,發育各階段相同細胞類型的前體干細胞經分裂后在形態,結構和功能上形成穩定差異的不同細胞類群,即向不同譜系終末細胞的成熟稱分化分化是由于基因的選擇性表達,是發育的基礎細胞的轉分化某分化細胞類型轉變為另一分化類型的現象稱轉分化。此過程往往經歷去分化和再分化,在體外可被轉錄因子誘導，如控制肌形成的MyoD可誘導成纖維細胞轉分化為肌細胞堿性螺旋-轉角-螺旋(basichelix-loop-helix,bHLH)轉錄因子藉螺旋-轉角-螺旋相互結合，藉堿性區與靶基因結合，對于分化作用關鍵，如MyoD和Myogenin決定肌分化，抑制增殖，Neurogenin決定神經元分化bHLH功能被含螺旋-轉角-螺旋卻無相鄰堿性區的Id(InhibitorofdifferentiationorDNAbinding)結合所封閉，因此Id抑制肌和神經元分化

成肌細胞肌細胞

成纖維細胞MyoDbHLH轉錄因子細胞的去分化和全能性已分化細胞回到未分化的原始狀態,稱為去分化如高度分化的植物組織可失去分化細胞的結構特征而去分化后發育為完整植株，也就是說植物體細胞尤其是細胞核具有全能性已分化的動物細胞雖然其細胞核具有編程去分化的所有