第七章 遺傳與發(fā)育.課件

第七章遺傳與發(fā)育一、概論

發(fā)育遺傳學(xué)（developmentalgenetics）研究生物發(fā)育過程中的基因及基因的相互作用對(duì)發(fā)育的調(diào)控?！舭l(fā)育是生物的共同屬性，貫穿每個(gè)生物體的整個(gè)生活史。對(duì)有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個(gè)體正常死亡。其中早期胚胎發(fā)育過程包括受精、卵裂和胚層分化,是發(fā)育的關(guān)鍵的階段,如哺乳類的早期發(fā)育過程。第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.◆遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern），發(fā)育則是基因按嚴(yán)格的時(shí)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(dòng)物和脊椎動(dòng)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。第七章遺傳與發(fā)育.◆發(fā)育中的主要的事件涉及細(xì)胞決定（determination）、細(xì)胞分化（differentiation）和細(xì)胞間的相互作用（cell-cellinteraction）?！舭l(fā)育研究中模式生物的作用?！舭l(fā)育研究中常用的突變包括功能突變、條件致死突變和功能獲得突變。第七章遺傳與發(fā)育.模式生物第七章遺傳與發(fā)育.●基因組的等價(jià)性（genomeequivalence）——細(xì)胞的全能性（totipotency）

◆細(xì)胞的全能性指生物體的每個(gè)細(xì)胞都具有能重復(fù)個(gè)體的全部發(fā)育階段和產(chǎn)生所有細(xì)胞類型的能力。

植物的細(xì)胞全能性大于動(dòng)物細(xì)胞。

◆Gurdon的爪蟾核移植實(shí)驗(yàn)。

◆第一個(gè)哺乳類乳腺細(xì)胞核的遺傳克隆——Dolly羊。

第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.二、果蠅的發(fā)育1、概論◆果蠅的生活周期從受精卵開始經(jīng)過5個(gè)不同階段的成體前（pre-adult）發(fā)育,包括胚胎、三個(gè)幼蟲期和蛹期。第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.果蠅卵的結(jié)構(gòu)具有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區(qū)。第七章遺傳與發(fā)育.果蠅受精后3小時(shí)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(gè)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(gè)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）。第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.早期胚胎發(fā)育各時(shí)段的切片,熒光處為核DNA第七章遺傳與發(fā)育.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(gè)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七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.◆果蠅幼蟲的成蟲盤和成體結(jié)構(gòu)對(duì)照第七章遺傳與發(fā)育.2、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(jí)聯(lián)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)。第七章遺傳與發(fā)育.（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)物儲(chǔ)存在卵母細(xì)胞中，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(gè)。如：bicoid,nanos.第七章遺傳與發(fā)育.◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表達(dá)產(chǎn)物的梯度決定第七章遺傳與發(fā)育.◆A-P軸的后端由nanos基因的作用決定第七章遺傳與發(fā)育.◆bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸第七章遺傳與發(fā)育.◆D-V軸建成中，腹部結(jié)構(gòu)按背部基因蛋白在核內(nèi)的梯度形成，而背部結(jié)構(gòu)的形成則取決于腹部基因蛋白dpp的梯度.第七章遺傳與發(fā)育.(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(duì)規(guī)則基因（pair-rulegene）,體節(jié)極性基因(segmentpolarity).第七章遺傳與發(fā)育.裂隙基因（gapgene）的表達(dá)形成體節(jié)第七章遺傳與發(fā)育.

成對(duì)規(guī)則基因（pair-rulegene）的表達(dá)使胚胎中段前后軸形成7個(gè)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(gè)區(qū)帶。第七章遺傳與發(fā)育.（3）同源異形基因（homeoticgenes）主要包括觸角足復(fù)合體Antennapediacomplex（ANT-C）和雙胸復(fù)合體Bithoraxcomplex（BX-C）。第七章遺傳與發(fā)育.

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(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)。若發(fā)生突變，會(huì)使一個(gè)體節(jié)上長(zhǎng)出另一個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)，如ANT-C基因的突變使觸須變成腿和四翅果蠅。第七章遺傳與發(fā)育.

同源異形基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有同源異形框。有多個(gè)啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。有多個(gè)內(nèi)含子。同源異形基因之間的相互作用。

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。第七章遺傳與發(fā)育.三、線蟲的發(fā)育1、秀麗隱桿線蟲（canorhabditiselegans）是研究發(fā)育過程很有用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。是一種在土壤里生活的蠕蟲，體長(zhǎng)1mm,身體透明,可實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。生活周期約2d，包括胚胎期（約16hr），4個(gè)幼蟲期L1-L4和成體期。第七章遺傳與發(fā)育.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第七章遺傳與發(fā)育.

雌雄同體的C.elegans由959個(gè)體細(xì)胞和約2000個(gè)種系細(xì)胞組成

C．elegans基因組全序列已測(cè)定，由9.7×104kb組成,2n=12。單倍體基因組含有約15000個(gè)基因第七章遺傳與發(fā)育.C.elegans的胚胎發(fā)育中,最早的胚胎分裂是不對(duì)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七章遺傳與發(fā)育.

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(duì)稱分裂產(chǎn)生一個(gè)“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(gè)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(gè)體細(xì)胞。第七章遺傳與發(fā)育.2、細(xì)胞譜系示意圖（lineagediagram）表明每個(gè)體細(xì)胞的生活史第七章遺傳與發(fā)育.

雌雄同體的C.elegans的完整的細(xì)胞譜系第七章遺傳與發(fā)育.◆卵孔（vulva）形成的遺傳分析

C.elegans的生殖系統(tǒng)第七章遺傳與發(fā)育.

細(xì)胞通過信號(hào)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(yùn)，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(gè)階段：（1）錨定細(xì)胞的決定由二齡幼蟲期Z1.ppp和Z4.aaa兩個(gè)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。第七章遺傳與發(fā)育.（2）AC與6個(gè)Pn.p細(xì)胞相互作用確定初級(jí)卵孔細(xì)胞和次級(jí)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(dòng)物的表皮生長(zhǎng)因子相關(guān)的Lin-3蛋白,作為信號(hào)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(dòng)前體細(xì)胞p5p,p6p和p7p形成初級(jí)卵孔細(xì)胞或次級(jí)卵孔細(xì)胞。第七章遺傳與發(fā)育.

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

P3.p,P4.p,P8.p與AC距離遠(yuǎn)，沒有接受到信號(hào)分子，細(xì)胞中muv基因表達(dá)，導(dǎo)致發(fā)育為環(huán)繞卵孔的真皮細(xì)胞.第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.

初級(jí)和次級(jí)外陰細(xì)胞在Muv或Vul基因的作用下特化為外陰或表皮細(xì)胞第七章遺傳與發(fā)育.細(xì)胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）◆PCD指多細(xì)胞生物體的一些細(xì)胞不再為生物體所需或受到損傷時(shí)，會(huì)激活受遺傳控制的自殺機(jī)制而自我毀滅的過程。PCD通常采取細(xì)胞凋亡（apoptosis）的形式◆C.elegans的PCD遺傳途徑第七章遺傳與發(fā)育.

C.elegans發(fā)育過程中，細(xì)胞死亡的數(shù)目是相同的，不僅如此，死亡發(fā)生的時(shí)間和死亡的細(xì)胞類型也是相同的。

雌雄同體的131個(gè)細(xì)胞進(jìn)入PCD至少有14個(gè)基因起作用，其中ced-9基因?yàn)殡p向開關(guān)。ced-9激活，抑制ced-3和ced-4基因的表達(dá)，細(xì)胞存活。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表達(dá)，細(xì)胞死亡。

第七章遺傳與發(fā)育.

哺乳動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞凋亡有關(guān)的基因，如nur77，產(chǎn)物為核甾體激素受體家族中的一員，其結(jié)構(gòu)特征為一個(gè)保守的鋅指域。

C.elegansced-9基因與人體癌基因bcl-2同源，同源性為23%。Bcl-2基因可以置換線蟲的ced-9基因，將bcl-2基因轉(zhuǎn)入ced-9基因突變型細(xì)胞后，可使細(xì)胞免于死亡。第七章遺傳與發(fā)育.四、性別決定1、果蠅的性別決定常染色體和性染色體套數(shù)之比決定性別第七章遺傳與發(fā)育.mRNA的剪接方式?jīng)Q定性別

X∶A（autosome）調(diào)節(jié)性別決定途徑中sxl基因的表達(dá)∶X∶A＝1,激活sxl的表達(dá),進(jìn)入雌性決定途徑；X∶A＝0.5,sxl不表達(dá)，進(jìn)入雄性決定途徑。第七章遺傳與發(fā)育.

sxl基因產(chǎn)物扳動(dòng)性別決定的層次剪接

Sxl存在時(shí),tra剪接產(chǎn)生Tra,進(jìn)入雌性途徑;沒有Sxl時(shí)，無功能的Tra產(chǎn)生,進(jìn)入雄性途徑。

Tra存在時(shí),dsx剪接產(chǎn)生Dsx-F,發(fā)育成雌性;無Tra時(shí),剪接產(chǎn)生Dsx-M,發(fā)育成雄蠅。第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.果蠅與人性別決定的比較第七章遺傳與發(fā)育.2、哺乳動(dòng)物的性別決定◆初級(jí)性決定（primarysexdetermination）指性腺的決定，取決于性染色體X、Y，雄性為XY，雌性為XX?！舸渭?jí)性別決定(secondarysexdetermination)即性別分化（sexdifferentiation