G 非孟德尔遗传

1. G非孟德尔遗传

2. 第一节 母性影响 • 有些性状的遗传，正、反交的结果不同，子代的表型受母本基因型的影响，与母本的表型相同，这种现象叫做母性影响（maternal effect）。 • 母性影响有两种类型： • 一种是母本基因型对子代的影响仅体现在子代个体生长发育的幼龄期，叫做短暂的母性影响； • 另一种则影响到子代个体的终生，叫做持久的母性影响。

3. 一、短暂的母性影响 • 麦粉蛾（Ephestia Kuehniella）：生活在谷物颗粒中的一种昆虫， • 野生型麦粉蛾幼虫的皮肤有色，成虫的复眼为棕褐色。 • 突变型个体幼虫皮肤无色，成虫的复眼为红色。 • 麦粉蛾皮肤和复眼的颜色均与色素的合成有关，取决于一种叫做犬尿素的物质是否能够形成。遗传试验表明，该性状受一对等位基因A和a控制，纯合的野生型和突变型个体的基因型分别为AA和aa。

5. 正交（♀ aa×Aa ♂）：无论幼虫的肤色还是成虫复眼的眼色，均与根据基因型推导出的结果一致，即Aa幼虫皮肤有色、成虫复眼为棕褐色，aa幼虫皮肤无色、成虫复眼为红色。 • 反交（♀Aa×aa♂）：后代中无论是Aa还是aa基因型的个体，幼虫皮肤均表现为有色，与母本的表型相同，这显然不符合1：1的孟德尔分离比；但到了成虫，aa个体的复眼没有表现为棕褐色，而是表现为红色，Aa个体的复眼表现为棕褐色。 • 可见，母本基因型对后代的性状有影响（如皮肤有色），但这种影响仅限于幼虫期，成年以后性状仍由基因型决定。这种母本基因型对后代的影响是短暂的，故称短暂的母性影响。

6. 解释： • 反交后代中，aa个体幼虫的体色受母本基因型的影响，当Aa 母蛾产卵时，无论携带A等位基因的卵还是携带a等位基因的卵，细胞质中都含有足量的犬尿素，使得后代aa型个体的皮肤有色，即幼虫的肤色是由于母本所产卵中所包含的犬尿素所造成的，不受幼虫自身基因（a）表达的产物的控制； • aa个体无A基因，不能自己制造犬尿素，故此随着个体的发育，犬尿素逐渐耗尽，aa成虫的复眼发育为红色，仍由基因型决定。

7. 二、持久的母性影响 • 椎实螺（Limneae peregra）是一种软体动物，其贝壳的螺旋方向有左旋和右旋两种（图6-2），受一对等位基因控制，右旋(D)对左旋（d）是显性。 • 正反交的结果不同：

9. F1椎实螺壳螺旋的方向与母本螺壳的旋转方向相同，母本的基因型决定子一代的表型，而且终生不变，这种遗传方式称为持久的母性影响。F1椎实螺壳螺旋的方向与母本螺壳的旋转方向相同，母本的基因型决定子一代的表型，而且终生不变，这种遗传方式称为持久的母性影响。 • 正交：F1自体受精时，由于母本基因型均为Dd（右旋），故而F2均右旋；而F2在自体受精产生F3时，dd作为亲本的后代为左旋，其余DD、Dd作亲本的后代均为右旋，均证明了椎实螺旋转方向呈母性影响遗传。 • 反交：尽管F1从表型上为左旋，但基因型为Dd，母本所产卵中包含右旋物质，故此F2个体均表现右旋，但F2自体受精产生F3代的情况与正交相同。

10. 椎实螺壳旋转方向取决于椎实螺胚胎发育早期第一次卵裂时纺锤体的方向（图6-4）：椎实螺壳旋转方向取决于椎实螺胚胎发育早期第一次卵裂时纺锤体的方向（图6-4）： • 母本为右旋（基因型为DD或Dd）的椎实螺所产的卵，胞质中包含由母体滋养层细胞所产生的决定细胞分裂时纺锤体方向的物质，使螺壳发育为右旋；反之为左旋（图6-5）；一旦形成之后，螺壳的这种旋转方向不再受个体基因型的影响，子代的螺壳方向与母本基因型所决定的表型相同。

11. 左旋 右旋

13. 无论是短暂的母性影响，还是持久的母性影响，虽然直接原因是细胞质中的物质，但归根结底还是受母本的基因型所控制的，仍属于核基因控制的性状，与后面将要讲的核外遗传不同。

14. 第二节 印记遗传 一、基因组印记的概念 • 后代中该基因的2个等位基因是否表达与其是来自父本、还是来自母本有关，这种后代中来自亲本的两个等位基因只有一个表达的现象称为基因组印记（genomic imprinting）。 • 若只有来自母本的等位基因表达，则称为母本表达、父本印记，否则为父本表达、母本印记。呈印记遗传的基因称为印记基因（imprinted gene）。

15. 二、印记遗传现象 • 在20世纪80年代，Solter和Surani：在哺乳动物中，来自单亲遗传物质的二倍体胚胎，即孤雄生殖胚胎或孤雌生殖胚胎，不能够完成个体发育，证明存在印记。 • 第一个被发现的印记基因：外源基因（Rsvlgmyc）。内源性印记基因方面，1991年Dechiara等（1991）发现IGF2（insulin-like growth factor 2，胰岛素样生长因子2）是母本印记的。 • 小鼠矮小型性状的遗传 • 绵羊美臀性状的遗传

16. 小鼠矮小型性状的遗传 来自母本的（即母源的）等位基因不表达，而来自父本的（即父源的）等位基因表达。（1）正交试验的后代，父源的等位基因Igf2m表达,因此个体表现为矮小；（2）反交试验的后代，父源的等位基因Igf2＋表达，来自母本的突变等位基因（Igf2m）不表达，因而F1代小鼠表现为正常体型。 可见，这种小鼠的矮小型性状的形成与IGF2基因的母本印记有关，在这种情况下，F1小鼠的表型只取决于来自的父本等位基因是正常还是发生了突变。

17. 绵羊美臀性状的遗传 绵羊美臀性状的遗传呈现出一种独特的亲本来源依赖的方式，称为父本极性超显性遗传（paternal polar overdominance ），即只有当个体的突变等位基因C来自父本，且杂合（基因型为CpatNmat）才表现美臀性状，其余基因型个体（NpatCmat，CC和NN）均不表现美臀特征。位于18号染色体端粒一端DLK1（Delta, Drosophila, Homolog-like 1）和MEG3（Maternally Expressed Gene 3，又名GTL2）基因之间一个A到G的突变（图6-8 ）与该性状的产生有关。

18. 印记基因的特征 • 在染色体上成簇分布。研究发现，大约80％的印记基因与其它印记基因聚集在染色体的同一区段，如小鼠的7号染色体、人的11号染色体和15号染色体上均成簇分布着印记基因。 • 印记基因所处位置的DNA序列有两个特点（图6-9）： • 通常富含CpG岛（CpG island, 一段大于500bp的DNA序列中CpG的含量较高且一般不发生C的甲基化）。 • 在CpG岛内或附近常见成簇分布的直向重复序列（图6-9箭头所示）。

19. 大量的印记基因的父本和母本等位基因之间存在着DNA甲基化的差别。大量的印记基因的父本和母本等位基因之间存在着DNA甲基化的差别。

20. 处于印记区的DNA在细胞周期的S期，复制时不同步。对于大多数印记基因来说，父源等位基因DNA的复制早于母源等位基因DNA。

21. 基因组印记的抹除、重建与维持

22. 原始生殖细胞在进入生殖嵴后不久即开始发生印记的抹除 。 • 印记的重建：发生在减数分裂之前。在雌性生殖细胞系，印记的重建发生在生长的卵母细胞，各种各样的印记基因在特定的阶段，在卵母细胞减数分裂的前期Ⅰ、从原始卵泡到有腔卵泡不同步地获得印记标记。雄性生殖细胞系早在二倍体的精原细胞即建立印记标记 。 • 印记的维持：经过受精作用所形成的胚胎发育至原肠期时，基因组的印记完全建立并维持。

23. 印记异常 • 印记的丧失（LOI, loss of imprinting）指由于表观遗传修饰的改变导致通常沉默的基因被活化，通常活化的基因被异常印记（沉默）的现象。 如IGF2的LOI，Wilms’ Tumor • 人的几种神经行为和发育异常与特定的印记区和印记基因有关。

24. a: 15q11-q13, paternal deletion, 1/10000, 智力低下，发育迟缓，巨舌，极度肥胖，矮小，小手、小脚等 b: 15q11-q13, maternal deletion，常笑，严重的发育滞后，共济失调，异常的拍手动作，小头，宽嘴等

25. 在人工辅助生殖中，体外培养容易使胚胎在发育的早期发生印记的异常 • 在体细胞克隆哺乳动物中也发现了印记异常

26. 第三节 哺乳动物X染色体随机失活 • 哺乳动物的性染色体是X和Y，雌性哺乳动物（XX）有两条X染色体，雄性哺乳动物（XY）有一条X染色体和一条Y染色体。由于Y染色体上携带的基因极少，对于X染色体连锁的基因理论上就会产生遗传剂量问题，造成雌、雄两性个体在基因的拷贝数上剂量的不平衡。 • 哺乳动物采用的是雌性个体随机失活一条X染色体的方法。这种通过改变基因的活性，达到雌雄个体基因拷贝数平衡的机制称为剂量补偿（dosage compensation）。

27. 哺乳动物X染色体随机失活现象 • 玳瑁猫（calico cat）的皮毛颜色：玳瑁猫的皮毛除白色外，呈现出橙色与黑色镶嵌存在的现象。仅见于雌猫（图6-11）。

29. 1949年，Maurice Barr首先在雌猫细胞分裂间期的神经细胞细胞核中，观察到一个深染的小体，其位置靠近核膜（位于细胞核的周边）；而在雄猫类似细胞中未发现。后人称之为性染色体，并以发现者的名字命名为巴氏小体（Barr body）。 • 1961年，Mary F. Lyon 在 Nature发表论文，提出了莱昂假说（Lyon hypothesis）

30. 莱昂假说 • 巴氏小体是一个遗传上失活的X染色体，在小鼠中，该过程发生于受精后的第16天，由正常X染色体通过失活而产生，该过程称为莱昂化； • 来自父本或母本的X染色体都有可能发生失活，其选择是随机的，而且细胞之间具有独立性； • 从同一细胞系形成的组织失活同一条X染色体。莱昂化是使X连锁基因的效应最小化的一种方式，通过X染色体的随机失活，使雌雄哺乳动物X-连锁基因的表达同等化。

32. 玳瑁猫皮毛颜色形成的机制：毛的颜色由X染色体上的一对等位基因（B和b）控制，分别使毛色呈现黑色和橙色。基因型为XBXb的雌猫在发育过程中发生了一条X染色体的随机失活，致使该染色体上控制玳瑁猫毛色的基因不表达：玳瑁猫皮毛颜色形成的机制：毛的颜色由X染色体上的一对等位基因（B和b）控制，分别使毛色呈现黑色和橙色。基因型为XBXb的雌猫在发育过程中发生了一条X染色体的随机失活，致使该染色体上控制玳瑁猫毛色的基因不表达： • 若携带B等位基因的X染色体失活，B等位基因不表达，b表达，则毛色为橙色；相反，若携带b等位基因的X染色体失活，则b等位基因不表达，B表达，毛色为黑色。 • 由于不同的胚胎细胞对要失活的X染色体的选择具有随机性，而且细胞之间不存在依赖性，因而造成了玳瑁猫毛色分布的镶嵌性。

33. 其它支持莱昂假说的例子 • 人无汗性外胚层发育不良 • 人红-绿色盲的遗传 • 人成纤维细胞克隆中6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6pD）的表达

34. X染色体随机失活的机制 • X染色体随机失活过程包括：X染色体数量的确定（counting），即将失活的X染色体的选择，失活的起始和失活的维持等过程。 • 在小鼠，有随机的和印记的两种形式的X染色体随机失活。前者发生发生在体细胞中，后者发生在胚外组织（trophectoderm and primitive endoderm）中。

35. X染色体随机失活由即将失活的X染色体上的X染色体失活中心（X inactivation center, Xic）控制。Xic包括X失活特异的转录子基因（Xist）、Tsix基因和X-控制元件（X-controlling element, Xce）。即将失活的X染色体表达Xist基因，产物为RNA；Xist RNA逐渐由Xist向两个方向包被（coating）该X染色体,致使X染色体发生异染色质化，最后的结果是转录沉默，X-连锁的基因不表达。

36. 第四节 表观遗传 一、表观遗传的由来： 基因表达的改变不依赖于DNA核苷酸序列的改变，而是受DNA的甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA等的作用，而且这种改变能通过细胞的有丝分裂或减数分裂向后代遗传的现象称为表观遗传（epigenetic），所发生的修饰称为表观遗传修饰（epigenetic modification）。

37. 表观遗传学主要是对DNA甲基化及组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA等表观遗传修饰及其与基因组印记、X染色体随机失活、基因组的稳定性以及基因沉默等关系进行研究的一门新兴学科。表观遗传学主要是对DNA甲基化及组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA等表观遗传修饰及其与基因组印记、X染色体随机失活、基因组的稳定性以及基因沉默等关系进行研究的一门新兴学科。 • 其中，表观遗传学与肿瘤发生、表观遗传学与营养、表观基因组等内容是当前研究的重要领域。

38. 二、表观遗传现象 • 副突变（paramutation） • 玉米的b1基因 • 小鼠的Kit副突变

39. b1编码一种启动紫色花青素合成的转录因子。在该座位B-Ⅰ等位基因纯合体的植株b1的表达水平很高，表型为深紫色；而B′等位基因纯合子植株b1的表达较弱，表型为轻微的着色。b1编码一种启动紫色花青素合成的转录因子。在该座位B-Ⅰ等位基因纯合体的植株b1的表达水平很高，表型为深紫色；而B′等位基因纯合子植株b1的表达较弱，表型为轻微的着色。 B-Ⅰ和B′这2个等位基因的DNA序列完全相同，这样的两株玉米杂交获得的后代中两个等位基因B-Ⅰ和B′相互作用，B′将B-Ⅰ副突变为B′，表现为植株均轻微着色（说明b1的表达水平较低）。由B-Ⅰ副突变成的等位基因（记为B′*）和亲本的B′等位基因一样在后代中都能将B-Ⅰ副突变成B′。

40. 导致玉米b1座位副突变产生的关键DNA序列是位于该座位上游约100kb处，7个大小为853bp序列的串状重复。B-Ⅰ和B′等位基因虽然都有这7个拷贝的串状重复，但其表观遗传修饰不同：前者的DNA具有不同的甲基化型式，与B′相比其染色质处于一种更加开放的状态，也可能包含增强子序列，具有促进b1表达的作用。 • 上述7个串状重复序列的2条链都转录，产生双链RNA（dsRNA）；一种依赖于RNA的RNA聚合酶[Mop1(mediator of paramutation 1)]可能与一种25nt的siRNA的产生有关,也是形成副突变不可缺少的。

41. Kit座位编码一种酪氨酸激酶受体，在黑素生成、生殖细胞分化和血细胞生成中起重要作用。Kit基因敲除的小鼠出生后不久死亡，但杂合体小鼠能存活并表现为尾尖和四只足白色。将这样的小鼠互交或与野生型（Kit＋/＋）杂交，后代中许多从遗传上来看基因型为野生型的小鼠中，也表现出尾尖和四只足白色，与杂合体小鼠的表型一致 小鼠Kit座位副突变状态的遗传也与RNA有关。但其作用方式似与玉米b1位点不同。M. Rassoulzadegan推测，RNA分子通过配子传递给后代，由此引发了后代中副突变个体Kit mRNA的降解。因此，小鼠Kit座位的副突变似乎是一种转录后的沉默机制。

42. 副突变具有3个主要特征： • 在杂交后代中新建立的表达状态传递给随后的世代中，即便最初发布指令的等位基因或序列未向下遗传，这种副突变状态仍然维持。 • 改变的座位（如B′*, Kit*）继续对同源的序列发布相似的指令。 • 所影响的等位基因或序列没有发生改变，说明上述指令和记忆是通过表观遗传机制介导的。

43. 小鼠Agouti基因的表达与IAP的甲基化有关 • Agouti编码一种旁分泌的信号分子，使黑素细胞产生黄色浅黑素而非黑色真黑素。该基因通常只在皮肤中表达，其在毛囊中的表达使小鼠的毛色表现为野鼠色（Agouti），即黑色的毛杆的近尖端有一黄色的带。通常调控该基因表达的启动子在agouti基因的第二外显子中。 • Avy (存活的黄色agouti) 等位基因与Agouti的不同在于，在前者的上游约100kb处有一个IAP（intra-cisternal A particle）转座元件的插入（图6-15）

45. 在该等位基因IAP的近端有一个隐藏的启动子， • 当IAP不发生甲基化时，该启动子能够启动组成性的agouti异位表达，使得小鼠皮毛为黄色，肥胖，糖尿病和产生肿瘤。 • 反之，则仅从agouti自身的启动子表达，小鼠表现为褐色。基因型同为Avy/a的小鼠，由于IAP甲基化程度不同呈现从黄色到褐色的广泛分布（图6-15,b）

47. 不仅如此，Avy/a母鼠与a/a的杂交所生的基因型为Avy/a后代的毛色与母鼠（ Avy/a）妊娠期间饲料中是否添加叶酸、VB 12、胆碱和甜菜碱有关（图6-16）。 • 添加这些物质的妊娠母鼠，其基因型为Avy/a的后代毛色较深，呈现棕色的假agouti表型，是由于从IAP隐藏的启动子的转录水平低所致。

49. 果蝇眼色的位置效应花斑（position effect variegation, PEV） • 1930年，H. J. Muller首次描述了果蝇的白色眼色基因（white＋，简写为w＋）突变。w＋基因位于X染色体远端的常染色质区。该基因突变以后导致了该基因在细胞与细胞之间表达上的显著区别，表现在果蝇复眼上为白眼与红眼的镶嵌分布（图6-17），有些突变表现为在果蝇成体的复眼上大片的白色小眼处邻接着大片的红色小眼。

50. 这种镶嵌表型是由染色体位置效应造成的：一个染色体重排断裂点将w＋基因从其正常的常染色质位置置于异染色质附近，该基因所处的这种局部异染色质环境，使其不表达。这种镶嵌表型是由染色体位置效应造成的：一个染色体重排断裂点将w＋基因从其正常的常染色质位置置于异染色质附近，该基因所处的这种局部异染色质环境，使其不表达。