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生物
线粒体和叶绿体DNA的遗传
线粒体和叶绿体DNA及其遗传不遵循孟德尔模式的原因。
介绍
如果你被要求指出含有DNA的细胞器,你会说什么?如果你说细胞核,你肯定会得到全部分数。但是,细胞核不是大多数细胞中的DNA的唯一来源。
相反,DNA也存在于大多数植物和动物细胞的线粒体中,以及植物细胞的叶绿体中。在这里,我们将探讨线粒体和叶绿体DNA是如何遗传的。
线粒体和叶绿体DNA
在线粒体和叶绿体中发现的DNA分子是小而h环状的,很像一个典型细菌的DNA。通常在单个线粒体或叶绿体中有许多DNA副本。
线粒体和叶绿体DNA与细菌DNA的相似是一条支持内共生学说的重要线索,其表明线粒体和叶绿体起源于自由生存的原核细胞。
非核DNA如何被继承?
以下是线粒体和叶绿体DNA与核DNA不同之处:
- 高拷贝数 线粒体或叶绿体具有多个DNA副本,一个典型的细胞具有许多线粒体(在植物细胞的情况下,叶绿体)。因此,细胞通常有许多——通常数千个——线粒体和叶绿体DNA拷贝。
- 随机分离 线粒体和叶绿体(及其携带的基因)在有丝和减数分裂期间随机分布到子细胞。当细胞分裂时,恰好位于分裂沟或细胞板对侧的细胞器将最终位于不同的子细胞中
。 - 单亲遗传 非核DNA通常是单亲遗传的,这意味着后代只从男性或女性父母那里获得DNA,而不是两者
。例如,在人类中,儿童从母亲那里获得线粒体DNA(但不从他们的父亲)。
叶绿体继承:早期实验
在20世纪之末,德国植物学家卡尔科伦斯使用紫茉莉(Mirabilis jalapa)进行了一系列基因实验。 我们现在知道他的工作表明,叶绿体DNA是如何从细胞从母体转移到后代的,尽管科伦斯本人当时不知道 !
科伦斯的实验
科伦斯所种植的 Mirabilis 植物有三种类型:纯绿色、纯白色或杂色(斑驳的绿色和白色)。绿色和白色的树枝可能会出现在杂色植物上,但杂色的树枝没有出现在绿色或白色的植物上 。
科伦斯对这种颜色特征很奇怪,他在不同颜色的植物之间进行了一些杂交。他发现 :
- 提供卵细胞的树枝(雌性)决定了后代的颜色。
- 纯绿色或纯白色的雌性亲本树枝只相应地产生纯绿或纯白的后代。
- 杂色的雌性亲本可以产生全本三种后代,但不能产生任何可以预测的比率。
科伦斯推测,卵细胞细胞质中的某些因素必须决定后代的颜色。实际上是一个不同的德国植物学家,厄温鲍尔,提出细胞质中的叶绿体可能携带遗传因子(基因) 。
鲍尔认为,在杂色植物中,一些叶绿体一定有突变,导致它们无法变绿(产生色素)。今天,我们知道这个假设是完全正确的!
解释科伦斯的实验结果
叶绿体遗传的概念是如何使杂色植物变斑驳的呢?让我们追踪一个受精卵(1细胞胚胎)与其从卵细胞继承的叶绿体混合物。有些叶绿体是绿色的,而另一些是白色的。当受精卵经过多轮有丝分裂形成胚胎,然后形成一个植物,叶绿体也分裂,并随机分布到每个子细胞。
经过许多细胞分裂,一些细胞含有一套正常的叶绿体,产生绿色块。其他细胞将得到一套纯非功能性叶绿体(产生白色块)。其他将具有正常和非功能性叶绿体的组合,产生一些绿色块,导致纯绿色和纯白色区域 。
那么母本继承模式呢?植物在发育后期制造生殖细胞,将分支尖端的细胞转化为产生配子的细胞。纯绿色的树枝会使卵细胞具有绿色叶绿体,产生纯绿色的后代。类似地,纯白的分支将产生只含有白色叶绿体的卵细胞,并产生纯白色的后代。
如果树枝是杂色的,它有混合的细胞,有些只有功能性叶绿体,有些只有非功能性叶绿体,有些含有叶绿体混合物。这三种细胞类型都可能产生卵细胞,导致绿色后代、白色后代和变异后代以不可预测的比例出现 。
线粒体遗传
线粒体,像叶绿体一样,往往只从父母一方或另一方继承(或至少是从父母双方不等地继承) 。就人类而言,是母亲通过卵子的细胞质向受精卵或单细胞胚胎贡献线粒体。精子确实含有线粒体,但它们通常不被受精卵遗传。曾有过人类系线粒体父系遗传的案例被报道,但这是极端少见的 。
人类的母本线粒体遗传
由于线粒体是从一个人的母亲继承下来的,它们提供了一种追踪母系祖先的方法(不间断的女性祖先链的血统线)。
要了解线粒体如何连接你和你母亲的母亲的母亲们,想一想你的线粒体来自哪里。你从你母亲那里得到它们,从产生你的卵细胞的细胞质中。母亲从哪儿弄到她的线粒体?从 她 的母亲,即,你的外祖母 。
如果你继续问这个问题,你可以通过你的家谱向前追溯,跟随你的母系祖先,跟踪你的线粒体DNA的传输路线。
如上图所示,线粒体DNA的遗传模式与核DNA的遗传模式不同。一个人的核DNA是从许多不同的祖先继承的片段的"拼凑",而一个人的线粒体DNA是通过女性祖先的单一、不间断的线性遗传的。
线粒体突变和人类疾病
线粒体DNA的突变可能导致人类遗传性疾病。例如,线粒体DNA中的大缺失会导致一种称为卡恩斯-赛雷综合征的疾病。这些缺失使线粒体不能进行提取能量的工作。卡恩斯-赛雷综合征可引起肌肉无力,包括那些控制眼睑和眼球运动,以及视网膜退化和心脏病发展等症状 。
线粒体突变引起的遗传性疾病不会从父亲传染给孩子,因为线粒体仅由母亲提供。事实上,这些疾病通过以下方式之一从母亲传给孩子 :
- 由线粒体突变引起的疾病患者缺乏正常的线粒体(并且只有异常的,带有突变的线粒体)。在这种情况下,受影响的母亲总是会传给她的孩子携带带有突变的线粒体。
- 当一个人既有正常和异常的线粒体时,后代可能带有线粒体疾病。在这种情况下,正常和带有突变的线粒体在减数分裂间可能随机进入卵子。获得较大比例的突变线粒体的后代可能患有严重疾病,而获得较少突变线粒体的儿童可能有轻度或无疾病
。