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（developmentalgenetics）研究生物發(fā)育過程中的基因及基因的相互作用對發(fā)育的調(diào)控?！舭l(fā)育是生物的共同屬性，貫穿每個生物體的整個生活史。對有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個體正常死亡。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)育則是基因按嚴格的時間和空間順序表達的結果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉化為相應表型的過程?！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)育的基因在進化上是保守的，在結構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胞決定（determination）、細胞分化（differentiation）和細胞間的相互作用（cell-cellinteraction）?！舭l(fā)育研究中模式生物的作用。◆發(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.●基因組的等價性（genomeequivalence）——細胞的全能性（totipotency）

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

植物的細胞全能性大于動物細胞。

◆Gurdon的爪蟾核移植實驗。

◆第一個哺乳類乳腺細胞核的遺傳克隆——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。第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.果蠅卵的結構具有前（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，卵的表面進行4次額外的核分裂，在后極（posteriorpole）組成的極細胞（polecell）成為種系細胞（germcells）的前體。

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

約第12次分裂周期，細胞開始遷移，胚盤進入原腸胚生成（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構對照第七章遺傳與發(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聯(lián)反應調(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）母體效應基因（maternal-effectgenes)

母性效應基因編碼轉錄因子、受體和調(diào)節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉錄，產(chǎn)物儲存在卵母細胞中，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。

母性效應基因產(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)育的母性效應基因約40個。如：bicoid,nanos.第七章遺傳與發(fā)育.◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表達產(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，腹部結構按背部基因蛋白在核內(nèi)的梯度形成，而背部結構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）的表達形成體節(jié)第七章遺傳與發(fā)育.

成對規(guī)則基因（pair-rulegene）的表達使胚胎中段前后軸形成7個區(qū)帶。體節(jié)極性基因(segmentpolarity)的表達使胚胎中段前后軸進一步形成14個區(qū)帶。第七章遺傳與發(fā)育.（3）同源異形基因（homeoticgenes）主要包括觸角足復合體Antennapediacomplex（ANT-C）和雙胸復合體Bithoraxcomplex（BX-C）。第七章遺傳與發(fā)育.

胚胎體節(jié)的劃分確定后，同源異形基因負責確定每個體節(jié)的特征結構。若發(fā)生突變，會使一個體節(jié)上長出另一個體節(jié)的特征結構，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.

同源異形基因的結構特點：具有同源異形框。有多個啟動子和轉錄起始點。有多個內(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)育過程很有用的實驗動物。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個體細胞和約2000個種系細胞組成

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稱的,第一次有絲分裂產(chǎn)生大的AB和小的P1子細胞,28細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）的性細胞系的前體細胞。

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

進一步的細胞分裂最終產(chǎn)生雌雄同體的959個體細胞。第七章遺傳與發(fā)育.2、細胞譜系示意圖（lineagediagram）表明每個體細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.

細胞通過信號分子來改變其它細胞基因組基因的表達活性，來影響靶細胞的發(fā)育命運，最終產(chǎn)生細胞結構和功能的分化。卵孔的決定大致分為三個階段：（1）錨定細胞的決定由二齡幼蟲期Z1.ppp和Z4.aaa兩個細胞相互作用，其中Z1.ppp分化為生殖腺錨定細胞

(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Pn.p細胞相互作用確定初級卵孔細胞和次級卵孔細胞的形成。

在錨定細胞（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關的Lin-3蛋白,作為信號分子；前體細胞則表達由let-23基因編碼的細胞表面受體Let-23蛋白。Lin-3與Let-23連接，扳動前體細胞p5p,p6p和p7p形成初級卵孔細胞或次級卵孔細胞。第七章遺傳與發(fā)育.

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)育為次級卵孔細胞。（3）真皮細胞的形成

P3.p,P4.p,P8.p與AC距離遠，沒有接受到信號分子，細胞中muv基因表達，導致發(fā)育為環(huán)繞卵孔的真皮細胞.第七章遺傳與發(fā)育.第七章遺傳與發(fā)育.

初級和次級外陰細胞在Muv或Vul基因的作用下特化為外陰或表皮細胞第七章遺傳與發(fā)育.細胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）◆PCD指多細胞生物體的一些細胞不再為生物體所需或受到損傷時，會激活受遺傳控制的自殺機制而自我毀滅的過程。PCD通常采取細胞凋亡（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，細胞死亡的數(shù)目是相同的，不僅如此，死亡發(fā)生的時間和死亡的細胞類型也是相同的。

雌雄同體的131個細胞進入PCD至少有14個基因起作用，其中ced-9基因為雙向開關。ced-9激活，抑制ced-3和ced-4基因的表達，細胞存活。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表達，細胞死亡。

第七章遺傳與發(fā)育.

哺乳動物中也發(fā)現(xiàn)與細胞凋亡有關的基因，如nur77，產(chǎn)物為核甾體激素受體家族中的一員，其結構特征為一個保守的鋅指域。

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基因轉入ced-9基因突變型細胞后，可使細胞免于死亡。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∶X∶A＝1,激活sxl的表達,進入雌性決定途徑；X∶A＝0.5,sxl不表達，進入雄性決定途徑。第七章遺傳與發(fā)育.

sxl基因產(chǎn)物扳動性別決定的層次剪接

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

Tra存在時,dsx剪接產(chǎn)生Dsx-F,發(fā)育成雌性;無Tra時,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、哺乳動物的性別決定◆初級性決定（primarysexdetermination）指性腺的決定，取決于性染色體X、Y，雄性為XY，雌性為XX?！舸渭壭詣e決定(secondarysexdetermination)即性別分化（sexdifferentiation