遺傳與發(fā)育課件

1、第十一章 遺傳與發(fā)育第十五章 遺傳與發(fā)育 高等生物從受精卵開始發(fā)育，經(jīng)過一系列細胞分裂和分化，長成新的個體。這個過程通常稱為個體發(fā)育。細胞怎么能發(fā)生分化呢？其中基因起什么作用？細胞質(zhì)又有什么影響？這些都是發(fā)育遺傳學(xué)研究的內(nèi)容。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：細胞核（染色體）-形態(tài)構(gòu)造因子細胞質(zhì)-胚胎缺陷細胞核和細胞質(zhì)在個體發(fā)育中的作用 一、細胞質(zhì)在細胞生長和分化中的作用 動、植物的卵細胞雖然是單細胞的，但它的細胞質(zhì)內(nèi)除顯見的細胞器有分化外，還存在動物極、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)將來發(fā)育成什么組織和器官，大體上已經(jīng)確定。 早在20世紀最

2、初的20年中，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關(guān)注的焦點集中在相對簡單的生物上則發(fā)育的現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因為這些生物的細胞數(shù)量更少，分布相對單一，變化也較好觀察。由于進化的原因，細胞生命在發(fā)育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位于生物復(fù)雜性階梯較低級位置上的物種來研究發(fā)育共通規(guī)律是可能的。模式生物的應(yīng)用尤其是當在有不同發(fā)育特點的生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時，發(fā)育的普遍原理也就得以建立。因為對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，所以它們被稱為“模式生物”。第一個被用作模式生物的是海膽（Sea Urchin），它的胚胎對早期發(fā)育生物學(xué)的發(fā)展有舉足輕重的作用。早在1875年

3、，奧斯卡赫特維格（Oscer Hertiwig, 1849-1922）就開始以海膽為材料研究受精過程中細胞核的作用，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（Hans Driesh，18761941）在海膽中完成了海膽胚胎分裂實驗，為現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)奠定了第一塊觀念里程碑。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)，分開后的兩個細胞各自形成了一個完整幼蟲。這一實驗的意義在于證明胚胎具有調(diào)整發(fā)育的能力，并使盛行一時的機械論發(fā)育思想完全破產(chǎn)。 海膽卵的切割實驗 二、細胞核在細胞生長和分化中的作用 傘藻是一種大型的單細胞海生綠藻，細胞核在基部的

4、假根內(nèi)。據(jù)研究，控制子實體形態(tài)的物質(zhì)是mRNA。它在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動，編碼決定子實體形態(tài)的特殊蛋白質(zhì)的合成。 嫁接試驗三、細胞核和細胞質(zhì)在個體發(fā)育中的相互依存 在個體發(fā)育過程中，細胞核和細胞質(zhì)是相互依存、不可分割的；細胞核內(nèi)的“遺傳信息”決定著個體發(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，從而控制了細胞的代謝方式和分化程序；細胞質(zhì)則是蛋白質(zhì)合成的場所，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，使得相同的細胞核由于不同的細胞質(zhì)的影響而導(dǎo)致細胞的分化。 第二節(jié)

5、基因在細胞分化和細胞決定中的作用 基因與發(fā)育過程 個體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變的過程，實質(zhì)上是不同基因被激活或被阻遏的過程。在發(fā)育的某個階段，某些基因被激活而得到表達，另一些基因則處于被阻遏狀態(tài)。在發(fā)育的另一階段，原來被阻遏的基因因激活而表達了，原來表達的基因卻被阻遏?；蚴欠竦玫奖磉_，可從它的表達產(chǎn)物一蛋白質(zhì)或轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA（差異顯示），或通過比較突變型與野生型的表型來推斷。 一、單細胞生物的細胞分化與發(fā)育的調(diào)控 分化與發(fā)育比較簡單 芽孢 RNA聚合酶：2二、多細胞生物細胞分化與細胞決定 自主特化 條件特化 合胞特化例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個基因

6、。大致分成二類：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。 2、細胞粘菌的發(fā)育控制 在盤基網(wǎng)柄菌的不同發(fā)育階段，由不同的階段性專一酶，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 -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 -葡萄糖苷酶 3、高等植物發(fā)育中基因的順序表達 高等植物發(fā)育中基因的表達在時間和空間上都是受到精確控制的。某一特定發(fā)育時期某些mRNA及蛋白質(zhì)合成的變化，即有關(guān)基因

7、根據(jù)植物發(fā)育的需要依次表達的結(jié)果。 大豆種子發(fā)育過程中七種不同類型mRNA出現(xiàn)時間及相對數(shù)量。線條粗細代表mRNA的相對含量 4、高等動物發(fā)育中基因的順序表達 人的血紅蛋白是由兩條相同的鏈和兩條相同的鏈聚合而成的四聚體，即22。鏈基因簇包括一個活性基因、2個活性基因、1個假基因、2個假基因。鏈基因簇含有5個功能性基因(1，2，1和1基因)、1個假基因。在人的一生中，血紅蛋白的鏈要經(jīng)歷多次變化，即這些不同的鏈是在發(fā)育的不同時期表達的胚胎期(8周前)：22 22 22 胎兒期(3-9個月)：22 成人期(自出生開始)：22 22 三、秀麗隱桿線蟲的細胞特化-一種是完全程序化的發(fā)育模式C.elega

8、ns : 體長1mm，生命周期3天，胚胎發(fā)生期16小時。 1. 2n=12，基因組8107bp，約13,500個基因，相當于人的1/30。2. 1090個體細胞，131個進入程序性死亡，成體由959個細胞組成。3. 與原核相似25%左右的基因產(chǎn)生多順反子mRNA4. 基因組中非重復(fù)序列達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)。 五、個體發(fā)育的階段性 個體發(fā)育存在階段性，在個體發(fā)育的過程中，各種性狀的發(fā)育，從受精卵開始分裂時就開始了。這種個體發(fā)育的階段性實質(zhì)上是不同基因的被激活或被阻遏的過程。四、細胞程

9、序性死亡與細胞凋亡四、環(huán)境條件的影響 生物個體的發(fā)育，與個體所處的環(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，影響個體發(fā)育。 二、基因與發(fā)育模式 個體發(fā)育所經(jīng)歷的不同階段，總是遵循預(yù)定的方向和模式。這是由個體的基因所決定的。同形異位基因就是其中的一種主要類型。同形異位基因控制個體的發(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。果蠅的觸角腳突變，能夠使果蠅頭上觸角部位長出腳來。這種腳與正常的腳形態(tài)相同，但生長的位置卻完全不同。這種現(xiàn)象稱為同形異位現(xiàn)象。目前已在果蠅、動物、真菌、植物及人類等幾乎所有真核生物中發(fā)現(xiàn)有同形異位基因的存在。受同形異位基因

10、調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基因包括控制細胞分裂，紡錘體形成和取向，細胞分化等發(fā)育過程的基因。目前對這些結(jié)構(gòu)基因的鑒定和克隆的報道還不多。 第三節(jié)早期胚胎發(fā)育一、受精 卵原細胞初級卵母細胞（二倍體 ） 1成熟卵+3極體。 分裂在排卵前進行，在精子穿入的刺激下完成分裂。精原細胞多次有絲分裂，部分細胞停止分裂，吸取營養(yǎng)，胞體增大，變?yōu)槌跫壘讣毎ǘ扼w）。初級精母細胞成熟分裂 產(chǎn)生精細胞 經(jīng)復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化精子。精子：抗受精素（antifertilizin），專一性糖蛋白。卵子：受精素（fertiLinn）。通過這兩種蛋白質(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透明帶而進人卵膜周圍間隙，附于卵膜表面，

11、然后精子和卵子的細胞膜相互融合。精子的細胞核和細胞質(zhì)進人卵內(nèi)，旋轉(zhuǎn)180”，細胞核膨大變圓，成為雄原核。精子的穿人刺激次級卵母細胞生成卵子，其細胞核稱為雌原核。雌原核和雄原核移動至細胞中部，核膜消失，細胞核合二為一完成受精。 二、卵裂 受精卵形成后即不斷分裂成較小的細胞，這個過程稱為卵裂（cleavage）。卵裂的速度很快，每卵裂一次所需的時間依物種而異。卵裂產(chǎn)生的細胞稱為卵裂球（blastomere）。卵裂球只是數(shù)量增多，每個卵裂球沒有生長，總體沒有增大。 斑馬魚15s海膽30s蛙60s小鼠1020h 三、胚層分化第四節(jié) 基因在胚胎極性生成中的作用濾泡細胞滋養(yǎng)細胞果蠅卵泡外表面含有一層濾泡細

12、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(zhì)橋彼此相連，也和卵母細胞的兩側(cè)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果蠅胚胎的早期發(fā)育 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(maternal 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toll2、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 g

13、ene)將胚胎分成對應(yīng)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(zé)副體節(jié)中細胞類型的特異化突變引起體節(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-同源異形基因(homeotic selector genes) (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)生突變會導(dǎo)致腹部形態(tài)的改變 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 (

14、三) Sxl基因是主開關(guān)(四) Sx1控制體細胞性別分化基因(五) 劑量補償作用 二、哺乳動物性別決定哺乳動物性決定：初級性決定，性染色體的決定次級性決定，性腺決定。 次級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驗結(jié)果表明，在沒有性腺的情況下，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、子宮和陰道而沒有陰莖和雄性的生殖結(jié)構(gòu)。三、Y染色體的睪丸決定基因 （1）經(jīng)測序分析，發(fā)現(xiàn)SRY含79個氨基酸的模體， 且和高泳動蛋白（High mobility group, HMG） 同源，具有DNA結(jié)合蛋白的特點調(diào)控的功能；（2）哺乳動物中SRY僅在雄性中存在；（

15、3）小鼠Sry表達的時空性符合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)過錯義， 無義和移碼突變；（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)。 在胚胎發(fā)育的第一個月，胎兒并無兩性分化，在形態(tài)上是中性的。胚胎時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。 人類的性別決定與一種叫HY抗原的物質(zhì)有關(guān)，它是一

16、種含有162個氨基酸的蛋白質(zhì)，存在于雄性個體所有組織的細胞膜上，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于雌、雄激素的作用。 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5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)揮作用還取決于靶細胞上是否含有雄性激素的受體。 雌性激素由卵巢產(chǎn)生:促進女性內(nèi)外玫殖器管的發(fā)育，維持正常月經(jīng)。有悖于SRY/Sry決定睪丸發(fā)育的報道：（1）人類家族性XX性反轉(zhuǎn)男性的某些病例并不存 在SRY基因，但有的可發(fā)

17、育成正常的男性；（2）報道15例帶有兩性或女性外生殖器的XY患者 發(fā)現(xiàn)有Xp部分重復(fù)，但SRY基因都是明顯正常的.（3）南美倉鼠Akodone有兩種Y染色體；一種Y染色體不能誘導(dǎo)性腺分化，產(chǎn)生不育的XY雌鼠。經(jīng)Sry 測定發(fā)現(xiàn)是因為在性分化階段Sry未能表達；（4）在Ellobius屬的鼴田鼠（mole-vole）兩個種中 是沒有Sry的，但性別依然可以分化；（5）Talpa屬所有雌鼠都沒有Sry，性腺卻發(fā)育成卵睪（ovotestes）。 新提出的一個人類性別決定和分化的模型 四、環(huán)境因子與性決定（一）爬行類的溫度性別決定 大部分由性染色體決定 但某些龜鱉類和所有的鱷魚：性別受精后的環(huán)境因子決定。這些爬行類在發(fā)育某個時期內(nèi)卵的溫度是性別的決定因子。當卵在2227溫度中孵化時，只產(chǎn)生一種性別；當卵在30以上的溫度中孵化時，則產(chǎn)生另一種性別。只在很小的溫度范圍內(nèi)同一批卵才會孵化出雌性和雄性兩種個體。 （二）后螠的位置性別決定 后螠雌蟲體大，體形像一顆豆子，寬10cm，口吻很長，可達1m，遠端分叉。雄蟲很小只有13mm長，生活在雌蟲的子宮中