第二十四章基因調控和細胞的分化發(fā)育

1、第二十四章 基因調控和細胞的分化發(fā)育,在動物中有三種不同的模式形成： 一種是完全程序化的。以秀麗隱桿線蟲（C.elegans）為代表 第二種類型是無程序化，細胞的命運具有一定的隨機性，如哺乳動物。 第三種類型屬于前二者之間，為半程序化。如果蠅的成蟲盤（disk,模式形成的三種方式 1）鑲嵌式發(fā)育 例：線蟲（C.elegans) 2) 調節(jié)模式 例：脊椎動物，如哺乳類 3）半程序化 （自主特異和條件特異相結合） 例：果蠅的成蟲盤,自主特異化,條件特異化,A,E,A,C,E,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,自主和條件特異化,鑲嵌發(fā)育,調節(jié)發(fā)育,形成體,原基分布圖,ABCDE,ABCDE,從

2、分子水平來探討發(fā)育和分化的實質,其中心是： （1）細胞分化是由什么觸發(fā)； （2）一個個體各種細胞所含的基因組都是相 同的，為什么會分化為不同類型的細胞； （3）分化是否可逆？這些匯集到一點就是基 因表達的調控和分化、發(fā)育的關系,第一節(jié) 高等生物的細胞核是否有全能性,一. 植物細胞核的全能性 二. 兩棲動物的核移植 1950年Robert Briggs和Thomas King建立一種兩棲動物的核移植技術。他們還發(fā)現從蛙的囊胚（blastula）細胞中分離的核是保持著全能性。 John Gurdon用非洲爪蟾（Xenopus laevis）進行實驗出現了完全不同的結果,植物的細胞培養(yǎng) 用胡蘿的根尖

3、細胞可培養(yǎng)出一株完整的胡蘿卜,三、克隆羊的誕生,1996年7月Ian Wilmut克隆一頭名叫“ 多利”的小綿羊 用一頭母羊乳腺的細胞核移植到另一頭母羊的去核卵細胞中，經體外培養(yǎng)后，再移植到假孕母羊的子宮內發(fā)育而成。實驗一共移植了247個卵，多利是其中唯一成功的一頭,可見難度是很大的。 1.低血清培養(yǎng)（血清濃度由100%降低到0.5%) 2.綿羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表達,1997年英國蘇格蘭愛丁堡羅斯林研究所(Roslin Institute)的 Wilmut, I利用綿羊的乳腺細胞的細胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly,這是世界上第一例成年山羊體細胞克隆出的“元元”，但由于

4、肺部發(fā)育缺陷，它只存活了36小時零 3分鐘，就因呼吸衰竭而死亡,這是在日本誕生的克隆牛，此是繼“多利”羊后，科學家利用成年動物體細胞成功克隆的又一動物,美國得克薩斯農業(yè)和機械大學的科研人員于2001年9月成功地克隆了5只豬,美國科學家已連續(xù)培養(yǎng)出6代克隆鼠,世界上第一只克隆猴“泰特拉”在 美國俄勒岡靈長類動物中心誕生,2002年2月21日nature報道美國得克薩斯農業(yè)和機械大學獸醫(yī)學院的馬克韋斯特霍欣等成功地克隆出了小貓“茜茜,茜茜的供體,茜茜和她的 代孕媽媽,茜茜,克隆羊的成功有著極重要的意義,1）在理論上充分證明了動物的細胞核有著全能性，發(fā)育是可逆的，從而結束了幾十年來的爭論； （2）建

5、立了高等哺乳動物體細胞克隆的方法，為搶救頻臨滅絕的珍稀動物和大量繁殖優(yōu)良品種奠定了基礎； （3）引發(fā)了人們對克隆人這一敏感問題的廣泛注意,第二節(jié) 線蟲（C.elegans）的發(fā)育模式,C.elegans : 體長僅1mm,生命周期僅3天。 1. 2n=12， 2. 基因組僅有8107bp，約有13,500個基因。 3. 與原核相似，有25%左右的基因產生多順反子 mRNA（Polycistronic mRNA） 4. 是其基因組中非重復序列達83%，E.coli為100% 而高等的真核生物都在50%以下； 5.大部分是XX型，為可以自體受精的兩性體（hermaphrodites）,XO 型為雄

6、體(突變型,約占 1/500)。 C.elegans 成體由959個細胞組成,第三節(jié) 果蠅的早期發(fā)育,一卵子的發(fā)生 濾泡細胞是體細胞， 滋養(yǎng)細胞和卵母細胞是生殖細胞 互連細胞（interconnected cell）， 連接處稱胞質橋（cytoplasmic bridges） 或稱為環(huán)溝（ring canals,濾泡細胞,滋養(yǎng)細胞,果蠅卵泡外表面含有一層濾泡細胞，它包圍在滋養(yǎng)細胞的四周，滋養(yǎng)細胞緊靠著卵母細胞。滋養(yǎng)細胞通過胞質橋彼此相連，也和卵母細胞的兩側相通。濾泡細胞是體細胞，滋養(yǎng)細胞和卵母細胞是生殖細胞,受精卵,合胞體胚囊,分裂18次,細胞胚囊,控制發(fā)育的三類基因： 1、 母體基因(mat

7、ernal gene) 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,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(gap gene) 將胚胎分成對應于副體節(jié)的主要區(qū)域 4) 配對法則基因(pair-rule genes) 確定胚胎中的副體節(jié) 5) 體節(jié)極化基因(segment polarity genes) 負責副體節(jié)中細胞類型的特異化 突變引起體

8、節(jié)特定區(qū)域的缺失,果蠅幼蟲和成蟲的體節(jié)和副節(jié),3、影響體節(jié)一致性的基因- 同源異形選擇者基因(homeotic selector genes) (1)觸角足復合體(ANT-C) 該基因的突變使觸角變成了第二對腿 (2)雙胸復合體( BX-C ) 含有幾組控制胸節(jié)發(fā)育的同源異形基因，若發(fā)生突變會導致腹部形態(tài)的改變,母體基因： 座標基因,前后軸 背復軸,合子基因,分節(jié)基因,同源異形 基因,裂缺基因 配對規(guī)則基因 體節(jié)極性基因,ANT-C BX-C,分化,前后軸有關的系統(tǒng),1.前部系統(tǒng)（anterior system） 是負責頭和胸的發(fā)育。 關鍵的基因是bicoid(兩頭尖)，其基因產物是一種序列特

9、異DNA結合蛋白，作為決定前部結構的轉錄因子。 2.后部系統(tǒng)（posterior system） 負責腹部分節(jié)的一組基因，nanos (侏儒) ，其突變產生的胚胎腹節(jié)有缺陷，但極性正常。 3.未端系統(tǒng)（terminal system） 是負責卵的最前部（ 吻部）和最后部（尾節(jié)）的發(fā)育。 已發(fā)現了7個基因，關鍵的基因是torso (中段) ，它編碼一個跨膜受體,果蠅的發(fā)育主要分三個階段,卵、幼蟲和成體果蠅。 在發(fā)育的開始在卵中沿著前后軸（anterior-posterior）和背腹軸（dorsal-vontral）建立一個梯度。 前后軸系統(tǒng)沿著幼蟲的體長控制位置信息，而同時腹背系統(tǒng)調節(jié)組織的分化

10、，中胚層、經神外胚層和背部外胚層,BCD蛋白是Bicoid 的產物，HBM是hunchback的產物 BCD是一種序列特DNA結合蛋白，作為決定前部結構的轉錄因子。由于Bicoid mRNA位于早期卵裂胚的前部，因而前部的一些基因被激活。bcdmRNA是在滋養(yǎng)細胞中產生的，然后通過胞質間橋轉運到卵母細胞的前部區(qū) nos mRNA位于卵母細胞的后極，而此基因的產物是一個轉錄的阻遏物。在這些基因中，由于nanos的存在hb的mRNA不能翻譯成蛋白。即hb受到bcd和nos產物的共同調控,形成素,經分子雜交bcdmRNA定位于前部,經免疫雜交BCD蛋白定位于前部,經分子雜交nosmRNA定位于后部,

11、經分子雜交NOS蛋白定位于后部,a)野生型 (b)bcd母體效應致死突變型： 兩端和胸節(jié)缺失,頭溝的位置,背腹軸的調節(jié),背腹極性是在gurken mRNA定位在卵母細胞的背側之后才得以建立。 gurken 編碼的蛋白和生長因子TGF相似。在此途經中的下一個座位是torpedo(top)，它編碼果蠅的EGF受體，在濾泡細胞中表達。當配基Gurken以跨膜的形式延伸到卵母細胞的胞外區(qū)，與濾泡細胞質膜上的受體Torpedo相互作用，結果這個途經從卵母細胞移到濾泡細胞。 Toll是一個將信號傳入卵母細胞中的重要的基因 Dorsal和Cactus形成了一對相互作用的蛋白，它們與轉錄因子NF-kB和它的調節(jié)蛋白IkB相關聯。 它可激活腹部結構發(fā)育所需的lwist和snail基因，而可以抑制背部發(fā)育所需的dpp和zen基因,在果蠅早期胚中位置信息建立了背腹軸 核梯度和DL蛋白(dolsa的產物)的胞質定位。SPZ配體和TOLL受體結合，通過TUB和PLL兩種蛋白激活單個的傳導級聯，使DL磷酸化，并從CACT中釋放出，然后能移入核，在核中它作為DV主要基因的轉錄因子。 CACT(cactus仙人掌,spaetzle,卵周膜,卵周液