第十一章遺傳與發(fā)育

第十五章遺傳與發(fā)育

當(dāng)前第1頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)高等生物從受精卵開(kāi)始發(fā)育，經(jīng)過(guò)一系列細(xì)胞分裂和分化，長(zhǎng)成新的個(gè)體。這個(gè)過(guò)程通常稱(chēng)為個(gè)體發(fā)育。細(xì)胞怎么能發(fā)生分化呢？其中基因起什么作用？細(xì)胞質(zhì)又有什么影響？這些都是發(fā)育遺傳學(xué)研究的內(nèi)容。當(dāng)前第2頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)發(fā)育遺傳學(xué)概論胚胎學(xué)：（受精-出生）胚胎發(fā)育遺傳與發(fā)育：細(xì)胞核（染色體）-形態(tài)構(gòu)造因子細(xì)胞質(zhì)-胚胎缺陷當(dāng)前第3頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的作用一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用動(dòng)、植物的卵細(xì)胞雖然是單細(xì)胞的，但它的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除顯見(jiàn)的細(xì)胞器有分化外，還存在動(dòng)物極、植物極，灰色新月體和黃色新月體等分化。這些分化的物質(zhì)將來(lái)發(fā)育成什么組織和器官，大體上已經(jīng)確定。當(dāng)前第4頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)早在20世紀(jì)最初的20年中，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關(guān)注的焦點(diǎn)集中在相對(duì)簡(jiǎn)單的生物上則發(fā)育的現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因?yàn)檫@些生物的細(xì)胞數(shù)量更少，分布相對(duì)單一，變化也較好觀(guān)察。由于進(jìn)化的原因，細(xì)胞生命在發(fā)育的基本模式方面具有相當(dāng)大的同一性，所以利用位于生物復(fù)雜性階梯較低級(jí)位置上的物種來(lái)研究發(fā)育共通規(guī)律是可能的。模式生物的應(yīng)用尤其是當(dāng)在有不同發(fā)育特點(diǎn)的生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時(shí)，發(fā)育的普遍原理也就得以建立。因?yàn)閷?duì)這些生物的研究具有幫助我們理解生命世界一般規(guī)律的意義，所以它們被稱(chēng)為“模式生物”。

當(dāng)前第5頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)第一個(gè)被用作模式生物的是海膽（SeaUrchin），它的胚胎對(duì)早期發(fā)育生物學(xué)的發(fā)展有舉足輕重的作用。早在1875年，奧斯卡·赫特維格（OscerHertiwig,1849-1922）就開(kāi)始以海膽為材料研究受精過(guò)程中細(xì)胞核的作用，1890年后，海膽更在受精和早期胚胎發(fā)育的研究中起了重要作用。1891年，漢斯·德瑞熙（HansDriesh，1876－1941）在海膽中完成了海膽胚胎分裂實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)奠定了第一塊觀(guān)念里程碑。他在顯微鏡下把剛剛完成第一次分裂的海膽一分為二，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分開(kāi)后的兩個(gè)細(xì)胞各自形成了一個(gè)完整幼蟲(chóng)。這一實(shí)驗(yàn)的意義在于證明胚胎具有調(diào)整發(fā)育的能力，并使盛行一時(shí)的機(jī)械論發(fā)育思想完全破產(chǎn)。當(dāng)前第6頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)海膽卵的切割實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第8頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用

傘藻是一種大型的單細(xì)胞海生綠藻，細(xì)胞核在基部的假根內(nèi)。據(jù)研究，控制子實(shí)體形態(tài)的物質(zhì)是mRNA。它在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動(dòng)，編碼決定子實(shí)體形態(tài)的特殊蛋白質(zhì)的合成。

嫁接試驗(yàn)當(dāng)前第9頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)三、細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的相互依存在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)是相互依存、不可分割的；細(xì)胞核內(nèi)的“遺傳信息”決定著個(gè)體發(fā)育的方向和模式，為蛋白質(zhì)的合成提供模板(mRNA)以及其它各種重要的RNA，從而控制了細(xì)胞的代謝方式和分化程序；細(xì)胞質(zhì)則是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，并為DNA的復(fù)制、mRNA的轉(zhuǎn)錄以及tRNA、rRNA的合成提供原料和能量。另一方面，細(xì)胞質(zhì)中的一些物質(zhì)又能調(diào)節(jié)和制約核基因的活性，使得相同的細(xì)胞核由于不同的細(xì)胞質(zhì)的影響而導(dǎo)致細(xì)胞的分化。當(dāng)前第10頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)基因在細(xì)胞分化和細(xì)胞決定中的作用基因與發(fā)育過(guò)程個(gè)體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是不同基因被激活或被阻遏的過(guò)程。在發(fā)育的某個(gè)階段，某些基因被激活而得到表達(dá)，另一些基因則處于被阻遏狀態(tài)。在發(fā)育的另一階段，原來(lái)被阻遏的基因因激活而表達(dá)了，原來(lái)表達(dá)的基因卻被阻遏?；蚴欠竦玫奖磉_(dá)，可從它的表達(dá)產(chǎn)物一蛋白質(zhì)或轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA（差異顯示），或通過(guò)比較突變型與野生型的表型來(lái)推斷。

當(dāng)前第11頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)一、單細(xì)胞生物的細(xì)胞分化與發(fā)育的調(diào)控

分化與發(fā)育比較簡(jiǎn)單

芽孢

RNA聚合酶：α2ββ’σ

二、多細(xì)胞生物細(xì)胞分化與細(xì)胞決定

自主特化

條件特化

合胞特化當(dāng)前第12頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)例1噬菌體的分化和自然裝配控制T4噬菌體各“部件”的合成以及裝配，需要70個(gè)基因。大致分成二類(lèi)：早期基因:主要控制早期侵染行為，產(chǎn)生早期的mRNA，編碼合成噬菌體DNA的酶等。晚期基因：主要控制蛋白質(zhì)“部件”的合成，裝配新噬菌體并產(chǎn)生溶菌酶。無(wú)論早期基因或晚期基因發(fā)生突變，不能形成完整的噬菌體。當(dāng)前第13頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)2、細(xì)胞粘菌的發(fā)育控制在盤(pán)基網(wǎng)柄菌的不同發(fā)育階段，由不同的階段性專(zhuān)一酶，分別在發(fā)育的早期、中期、晚期發(fā)揮作用：早期酶：N-乙酰葡萄糖胺酶α-甘露糖苷酶中期酶：蘇氨酸脫氨酶海藻糖磷酸合成酶晚期酶：堿性磷酸酯酶β-葡萄糖苷酶當(dāng)前第14頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)3、高等植物發(fā)育中基因的順序表達(dá)高等植物發(fā)育中基因的表達(dá)在時(shí)間和空間上都是受到精確控制的。某一特定發(fā)育時(shí)期某些mRNA及蛋白質(zhì)合成的變化，即有關(guān)基因根據(jù)植物發(fā)育的需要依次表達(dá)的結(jié)果。

大豆種子發(fā)育過(guò)程中七種不同類(lèi)型mRNA出現(xiàn)時(shí)間及相對(duì)數(shù)量。線(xiàn)條粗細(xì)代表mRNA的相對(duì)含量當(dāng)前第15頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)4、高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá)人的血紅蛋白是由兩條相同的鏈和兩條相同的β鏈聚合而成的四聚體，即22。鏈基因簇包括一個(gè)活性基因、2個(gè)活性基因、1個(gè)假基因、2個(gè)假基因。β鏈基因簇含有5個(gè)功能性基因(1，2，1和1β基因)、1個(gè)β假基因。在人的一生中，血紅蛋白的鏈要經(jīng)歷多次變化，即這些不同的鏈?zhǔn)窃诎l(fā)育的不同時(shí)期表達(dá)的胚胎期(8周前)：22

22

22

胎兒期(3-9個(gè)月)：22

成人期(自出生開(kāi)始)：2222

當(dāng)前第16頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)三、秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)的細(xì)胞特化-一種是完全程序化的發(fā)育模式C.elegans:體長(zhǎng)1mm，生命周期3天，胚胎發(fā)生期16小時(shí)。 1.2n=12，基因組8×107bp，約13,500個(gè)基因，相當(dāng)于人的1/30。2.1090個(gè)體細(xì)胞，131個(gè)進(jìn)入程序性死亡，成體由959個(gè)細(xì)胞組成。3.與原核相似25%左右的基因產(chǎn)生多順?lè)醋觤RNA4.基因組中非重復(fù)序列達(dá)83%，E.coli為100%，真核生物都在50%以下；5.大部分是XX型自體受精的兩性體,XO型為雄體(突變型,約占1/500)。

當(dāng)前第17頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)五、個(gè)體發(fā)育的階段性個(gè)體發(fā)育存在階段性，在個(gè)體發(fā)育的過(guò)程中，各種性狀的發(fā)育，從受精卵開(kāi)始分裂時(shí)就開(kāi)始了。這種個(gè)體發(fā)育的階段性實(shí)質(zhì)上是不同基因的被激活或被阻遏的過(guò)程。四、細(xì)胞程序性死亡與細(xì)胞凋亡當(dāng)前第18頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)四、環(huán)境條件的影響生物個(gè)體的發(fā)育，與個(gè)體所處的環(huán)境條件密切相關(guān)。環(huán)境中的很多生物及非生物因子，都可以調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，影響個(gè)體發(fā)育。

當(dāng)前第19頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)二、基因與發(fā)育模式

個(gè)體發(fā)育所經(jīng)歷的不同階段，總是遵循預(yù)定的方向和模式。這是由個(gè)體的基因所決定的。同形異位基因就是其中的一種主要類(lèi)型。同形異位基因控制個(gè)體的發(fā)育模式、組織和器官的形成。同形異位基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅胚胎發(fā)育中。當(dāng)前第20頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)果蠅的觸角腳突變，能夠使果蠅頭上觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái)。這種腳與正常的腳形態(tài)相同，但生長(zhǎng)的位置卻完全不同。這種現(xiàn)象稱(chēng)為同形異位現(xiàn)象。目前已在果蠅、動(dòng)物、真菌、植物及人類(lèi)等幾乎所有真核生物中發(fā)現(xiàn)有同形異位基因的存在。當(dāng)前第21頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)受同形異位基因調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基因包括控制細(xì)胞分裂，紡錘體形成和取向，細(xì)胞分化等發(fā)育過(guò)程的基因。目前對(duì)這些結(jié)構(gòu)基因的鑒定和克隆的報(bào)道還不多。

當(dāng)前第22頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)第三節(jié)早期胚胎發(fā)育一、受精卵原細(xì)胞→初級(jí)卵母細(xì)胞（二倍體）→1成熟卵+3極體。

分裂Ⅰ在排卵前進(jìn)行，在精子穿入的刺激下完成分裂Ⅱ。精原細(xì)胞→多次有絲分裂，部分細(xì)胞停止分裂，吸取營(yíng)養(yǎng)，胞體增大，變?yōu)槌跫?jí)精母細(xì)胞（二倍體）。初級(jí)精母細(xì)胞→成熟分裂→產(chǎn)生精細(xì)胞→經(jīng)復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化→精子。

精子：抗受精素（antifertilizin），專(zhuān)一性糖蛋白。卵子：受精素（fertiLinn）。通過(guò)這兩種蛋白質(zhì)之間的反應(yīng)，獲能被激活的精子頂體酶使精子得以穿過(guò)透明帶而進(jìn)人卵膜周?chē)g隙，附于卵膜表面，然后精子和卵子的細(xì)胞膜相互融合。精子的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)進(jìn)人卵內(nèi)，旋轉(zhuǎn)180”，細(xì)胞核膨大變圓，成為雄原核。精子的穿人刺激次級(jí)卵母細(xì)胞生成卵子，其細(xì)胞核稱(chēng)為雌原核。雌原核和雄原核移動(dòng)至細(xì)胞中部，核膜消失，細(xì)胞核合二為一完成受精。

當(dāng)前第23頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)二、卵裂

受精卵形成后即不斷分裂成較小的細(xì)胞，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為卵裂（cleavage）。卵裂的速度很快，每卵裂一次所需的時(shí)間依物種而異。卵裂產(chǎn)生的細(xì)胞稱(chēng)為卵裂球（blastomere）。卵裂球只是數(shù)量增多，每個(gè)卵裂球沒(méi)有生長(zhǎng)，總體沒(méi)有增大。斑馬魚(yú)15s海膽30s蛙60s小鼠10～20h

當(dāng)前第25頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第26頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第27頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)三、胚層分化當(dāng)前第28頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第29頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)第四節(jié)基因在胚胎極性生成中的作用當(dāng)前第30頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)濾泡細(xì)胞滋養(yǎng)細(xì)胞果蠅卵泡外表面含有一層濾泡細(xì)胞，它包圍在滋養(yǎng)細(xì)胞的四周，滋養(yǎng)細(xì)胞緊靠著卵母細(xì)胞。滋養(yǎng)細(xì)胞通過(guò)胞質(zhì)橋彼此相連，也和卵母細(xì)胞的兩側(cè)相通。濾泡細(xì)胞是體細(xì)胞，滋養(yǎng)細(xì)胞和卵母細(xì)胞是生殖細(xì)胞果蠅胚胎的早期發(fā)育

當(dāng)前第31頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)受精卵合胞體胚囊分裂1~8次細(xì)胞胚囊當(dāng)前第32頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)控制發(fā)育的三類(lèi)基因：1、母體基因(maternalgene)1)影響前-后極性的基因有bicoid(bcd)(兩頭尖)的前部群有nanos(nos)(侏儒)的后部群有torso(中段)和caudal的端部群2)影響背腹極性的基因dorsal(dal)和toll當(dāng)前第33頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)2、影響身體分節(jié)的基因1)合子基因(zygotic)2)副節(jié)(parasegments)3)裂缺基因(gapgene)將胚胎分成對(duì)應(yīng)于副體節(jié)的主要區(qū)域4)配對(duì)法則基因(pair-rulegenes)確定胚胎中的副體節(jié)5)體節(jié)極化基因(segmentpolaritygenes)負(fù)責(zé)副體節(jié)中細(xì)胞類(lèi)型的特異化突變引起體節(jié)特定區(qū)域的缺失當(dāng)前第34頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)果蠅幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)的體節(jié)和副節(jié)當(dāng)前第35頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)3、影響體節(jié)一致性的基因----同源異形基因(homeoticselectorgenes)(1)觸角足復(fù)合體(ANT-C)該基因的突變使觸角變成了第二對(duì)腿(2)雙胸復(fù)合體(BX-C)含有幾組控制胸節(jié)發(fā)育的同源異形基因，若發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致腹部形態(tài)的改變

當(dāng)前第36頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)

第五節(jié)性決定一．果蠅的性別決定(一)果蠅Y染色體的功能(二)性指數(shù)的作用(三)Sxl基因是主開(kāi)關(guān)(四)Sx1控制體細(xì)胞性別分化基因(五)劑量補(bǔ)償作用當(dāng)前第37頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第38頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第39頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)

二、哺乳動(dòng)物性別決定哺乳動(dòng)物性決定：初級(jí)性決定，性染色體的決定次級(jí)性決定，性腺?zèng)Q定。當(dāng)前第40頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)次級(jí)性征通常是由性腺分泌的激素所決定的。胎兔的性腺在分化之前加以切除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有性腺的情況下，不管其核型是XX還是XY，發(fā)育生成的兔子是雌性，都有輸卵管、子宮和陰道而沒(méi)有陰莖和雄性的生殖結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第41頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)三、Y染色體的睪丸決定基因

當(dāng)前第42頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)（1）經(jīng)測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)SRY含79個(gè)氨基酸的模體，且和高泳動(dòng)蛋白（Highmobilitygroup,HMG）同源，具有DNA結(jié)合蛋白的特點(diǎn)調(diào)控的功能；（2）哺乳動(dòng)物中SRY僅在雄性中存在；（3）小鼠Sry表達(dá)的時(shí)空性符合Tdy的決定作用；（4）經(jīng)分子雜交發(fā)現(xiàn)XY雌鼠缺失了Sry序列。XY性反轉(zhuǎn)小鼠Y染色體片斷易位到X染色體上；（5）在46xy女性的SRY編碼序列中曾發(fā)現(xiàn)過(guò)錯(cuò)義，無(wú)義和移碼突變；（6）Koopman等將含有Sry的DNA片斷導(dǎo)入XY雌性胎鼠中，結(jié)果部分轉(zhuǎn)基因鼠產(chǎn)生了性反轉(zhuǎn)。當(dāng)前第43頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第44頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第45頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)在胚胎發(fā)育的第一個(gè)月，胎兒并無(wú)兩性分化，在形態(tài)上是中性的。胚胎時(shí)期的原始性腺由兩部分組成，其中包括有原始卵巢組織和睪丸組織。此外，在中性胚胎中存有兩條生殖導(dǎo)管。有性別已經(jīng)分化了的正常個(gè)體中，兩種性腺組織和導(dǎo)管只有其中一套發(fā)育，非雌即雄。當(dāng)前第46頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第47頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)人類(lèi)的性別決定與一種叫HY抗原的物質(zhì)有關(guān)，它是一種含有162個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，存在于雄性個(gè)體所有組織的細(xì)胞膜上，它能使處于中性狀態(tài)的性原基分化發(fā)育成睪丸，如果沒(méi)有這種抗原存在，原始性腺將發(fā)育成卵巢。（睪丸決定基因是HY抗原的結(jié)構(gòu)基因）。以后的性別分化就依賴(lài)于雌、雄激素的作用。當(dāng)前第48頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)當(dāng)前第49頁(yè)\共有54頁(yè)\編于星期五\10點(diǎn)雄性激素睪丸酮由睪丸產(chǎn)生，(1)決定輸精管、精囊腺、附睪的分化。(2)在5α還原酶作用下產(chǎn)生二氫睪丸酮，決定前列腺和外處殖器的發(fā)育。(3)睪丸酮能否發(fā)揮作