遺傳學(xué)第十二章遺傳與發(fā)育

遺傳學(xué)第十二章遺傳與發(fā)育第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日（二）早期胚胎發(fā)育P3761、配子發(fā)育與受精

精卵形成、受精信號2、卵裂與囊胚形成除哺乳動物以外，多數(shù)動物合子基因組暫時不表達(dá)，即轉(zhuǎn)錄處于抑制狀態(tài)。卵裂所需的物質(zhì)主要來源于受精前儲存在卵細(xì)胞質(zhì)中的母源性分子，包括mRNA和蛋白質(zhì)等，及其受精后的翻譯產(chǎn)物。這些母源性物質(zhì)能夠支持受精卵發(fā)育到囊胚期（Blastocyst)。3、胚軸建立與圖式形成

背腹軸(D-V)、前后軸(A-P)、左右軸。第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日◆遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern），發(fā)育則是基因按嚴(yán)格的時間和空間順序表達(dá)的結(jié)果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)表型的過程?！魺o脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類的發(fā)育途徑基本相同，控制發(fā)育的基因在進(jìn)化上是保守的，在結(jié)構(gòu)和功能上有很高的同源性。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日研究發(fā)育模式生物第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日二、果蠅早期胚胎發(fā)育的遺傳控制(一）概論◆果蠅的生活周期從受精卵開始經(jīng)過5個不同階段的成體前（pre-adult）發(fā)育,包括胚胎、三個幼蟲期和蛹期,最終形成成蟲。第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日果蠅卵的結(jié)構(gòu)具有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區(qū)。第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日果蠅受精后3小時的胚胎發(fā)育

受精約30min后,受精卵中來自親本配子的核融合，形成合子核。

合子核約每10min分裂一次，產(chǎn)生多核細(xì)胞，生成合胞體胚盤（syncytialblastoderm）

約10次分裂后（1h30min），產(chǎn)生約512個核，這些核往卵的外層遷移。

受精后約2.5h，卵的表面進(jìn)行4次額外的核分裂，在后極（posteriorpole）組成的極細(xì)胞（polecell）成為種系細(xì)胞（germcells）的前體。

約3h后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成單層細(xì)胞——細(xì)胞胚盤（cellularblastoderm）,約6000個體細(xì)胞。

約第12次分裂周期，細(xì)胞開始遷移，胚盤進(jìn)入原腸胚生成（gastralation）期，并分化出外胚層（ectoderm）、中胚層（mesoderm）和內(nèi)胚層（endoderm）。第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日早期胚胎發(fā)育各時段的切片,熒光處為核DNA第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日成蟲的頭、胸、腹部是從幼蟲的體節(jié)衍生的

果蠅胚胎中的體節(jié)、分區(qū)和副體節(jié)（parasegments），Ma，Mx和Lb表示將發(fā)育成頭部的體節(jié)；T1-T3是胸部體節(jié)；A1-A9為腹部體節(jié)，每個體節(jié)分為前（A）后（P）區(qū)；副體節(jié)代表早期的圖式特化第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日◆果蠅幼蟲的成蟲盤和成體結(jié)構(gòu)對照第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日（二）果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化

果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化是受一系列基因級聯(lián)(cascade)反應(yīng)調(diào)控的。參與果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化的基因有三類：母體效應(yīng)基因（maternal-effectgenes)、分節(jié)基因(segmentationgenes)、同源異形基因(homeoticgenes)。第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日1、母體效應(yīng)基因（maternal-effectgenes)

母性效應(yīng)基因編碼轉(zhuǎn)錄因子、受體和調(diào)節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物由滋養(yǎng)層細(xì)胞合成并輸送入卵母細(xì)胞中，由細(xì)胞骨架瞄定在細(xì)胞質(zhì)的不同區(qū)域，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。

母性效應(yīng)基因產(chǎn)物的梯度起始胚胎發(fā)育,突變研究指出，調(diào)節(jié)果蠅發(fā)育的母性效應(yīng)基因約40個。如：bicoid,nanos.第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表達(dá)產(chǎn)物的梯度決定第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日◆A-P軸的后端由nanos基因的作用決定第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日◆bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日2、分節(jié)基因

分節(jié)基因決定體節(jié)的形成。主要包括:裂隙基因（gapgene），成對規(guī)則基因（pair-rulegene）,體節(jié)極性基因(segmentpolarity).第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日裂隙基因（gapgene）的表達(dá)結(jié)果第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

成對規(guī)則基因（pair-rulegene）的表達(dá)使胚胎中段前后軸形成7個區(qū)帶。體節(jié)極性基因(segmentpolarity)的表達(dá)使胚胎中段前后軸進(jìn)一步形成14個區(qū)帶。第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日3、同源異形基因（homeoticgenes）主要包括觸角足復(fù)合體Antennapediacomplex（ANTP-C）和雙胸復(fù)合體Bithoraxcomplex（BX-C）。第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

胚胎體節(jié)的劃分確定后，同源異形基因負(fù)責(zé)確定每個體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)。若發(fā)生突變，會使一個體節(jié)上長出另一個體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)，如Pb基因的突變使觸須變成腿和UbX突變成四翅果蠅。第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

同源異形基因的結(jié)構(gòu)特點：具有同源異形框。有多個啟動子和轉(zhuǎn)錄起始點。有多個內(nèi)含子。同源異形基因之間的相互排斥。

哺乳類中的同源異形基因復(fù)合體稱為Hox基因簇，與果蠅中的同源異形基因有同源性。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

同源異形基因族的保守性基因結(jié)構(gòu)和組織形式的保守性基因表達(dá)圖譜的保守性基因功能的保守性第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日三、線蟲的發(fā)育（一）最簡單的多細(xì)胞模式動物--線蟲（canorhabditiselegans）。是一種在土壤里生活的蠕蟲，體長1mm,身體透明,可實驗室培養(yǎng)。生活周期約2d，包括胚胎期（約16hr），4個幼蟲期L1-L4和成體期。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日成體有兩種性別：雌雄同體（hermaphrodities）為12，XX，產(chǎn)生卵子和精子；雄體為11，XO第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

雌雄同體的C.elegans有959個體細(xì)胞.C．elegans基因組全序列已測定，由9.7×104kb組成,2n=12。單倍體基因組含有約15000個基因。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日C.elegans的胚胎發(fā)育中,最早的胚胎分裂是不對稱的,第一次有絲分裂產(chǎn)生大的AB和小的P1子細(xì)胞,28細(xì)胞期開始原腸形成第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

P1-P4為接受了種系顆粒（germlinegranules）的性細(xì)胞系的前體細(xì)胞。

早期卵裂期間，不對稱分裂產(chǎn)生一個“分化的”子細(xì)胞,稱為奠基者細(xì)胞（foundercells），以AB.MS.E.C和D表示,和一個干細(xì)胞（P1-P4細(xì)胞系）

進(jìn)一步的細(xì)胞分裂最終產(chǎn)生雌雄同體的959個體細(xì)胞。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日（二）細(xì)胞譜系示意圖（lineagediagram）表明每個體細(xì)胞的生活史第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

雌雄同體的C.elegans的完整的細(xì)胞譜系第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日（三）卵孔（vulva）形成的遺傳分析1、C.elegans的生殖系統(tǒng)第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日2、卵孔的發(fā)育方式：細(xì)胞通過信號分子來改變其它細(xì)胞基因組基因的表達(dá)活性，來影響靶細(xì)胞的發(fā)育命運，最終產(chǎn)生細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的分化。卵孔的決定大致分為三個階段：（1）錨定細(xì)胞的決定由二齡幼蟲期Z1.ppp和Z4.aaa兩個細(xì)胞相互作用，其中Z1.ppp分化為生殖腺錨定細(xì)胞

(AC)。此過程中，Lin-12基因起著決定作用。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日（2）AC與6個Pn.p細(xì)胞相互作用確定初級卵孔細(xì)胞和次級卵孔細(xì)胞的形成。

在錨定細(xì)胞（anchorcell,AC）中,lin-3被激活,分泌一種與脊椎動物的表皮生長因子相似的Lin-3蛋白,作為信號分子；前體細(xì)胞則表達(dá)由let-23基因編碼的細(xì)胞表面受體Let-23蛋白。Lin-3與Let-23連接，扳動前體細(xì)胞p5p,p6p和p7p形成初級卵孔細(xì)胞或次級卵孔細(xì)胞。第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期日

其中P6.p與AC最近，接受的信號最強，P6.p中的vul基因被激活，最終分化為初級卵孔細(xì)胞。P5.p和P7.p接受信號相對較少，而分化發(fā)育為次級卵孔細(xì)胞。（3）真皮細(xì)胞的形成

P3.p,P4.p