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）。◆發(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，產生多核細胞，生成合胞體胚盤（syncytialblastoderm）

約10次分裂后（1h30min），產生約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、受體和調節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉錄，產物儲存在卵母細胞中，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。

母性效應基因產物的梯度起始胚胎發(fā)育,突變研究指出，調節(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)現與細胞凋亡有關的基因，如nur77，產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之比決定性別第七章遺傳與發(fā)育.mRNA的剪接方式決定性別

X∶A（autosome）調節(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基因產物扳動性別決定的層次剪接

Sxl存在時,tra剪接產生Tra,進入雌性途徑;沒有Sxl時，無功能的Tra產生,進入雄性途徑。

Tra存在時,dsx剪接產生Dsx-F,發(fā)育成雌性;無Tra時,剪接產生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。◆次級性別決定(secondarysexdetermination)即性別分化（sexdifferentiation