第七章遗传与发育ppt课件

第七章 遗传与发育 一、概论 发育遗传学（ developmental genetics） 研 究生物发育过程中的基因及基因的相互作用对发 育的调控。 发育是生物的共同属性，贯穿每个生物体的 整个生活史。对有性生殖生物而言，则是从受精 卵开始到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化 ,是发育的关键的阶 段 , 如哺乳类的早期发育过程。 遗传控制发育的图式（ pattern）， 发育则 是基因按严格的时间和空间顺序表达的结果， 是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型 的过程。 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇 和人类的发育途径基本相同，控制发育的基因 在进化上是保守的，在结构和功能上有很高的 同源性。 发育中的主要的事件涉及细胞决定（ determination ）、 细胞分化（ differentiation） 和细胞间的相互作用（ cell-cell interaction）。 发育研究中模式生物的作用。 发育研究中常用的突变包括功能突变、条件致死突 变和功能获得突变。 模式生物 基因组的等价性（ genome equivalence） 细胞的全能性（ totipotency） 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重复个体 的全部发育阶段和产生所有细胞类型的能力。 植物的细胞全能性大于动物细胞。 Gurdon的爪蟾核移植实验。 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆 Dolly羊。 二、果蝇的发育 1、概论 果蝇的生活周期从受精卵开始经过 5个不同阶段的 成体前（ pre-adult） 发育 , 包括胚胎、三个幼虫期和 蛹期。 果蝇卵的结构 具有前（ anterior）、 后（ posterior）、 背（ dorsal）、 腹（ ventral） 区。 果蝇 受精后 3小时的胚胎发育 受精约 30min后 ,受精卵中来自亲本配子的核融合，形成合子 核。 合子核约每 10 min分裂一次，产生多核细胞，生成 合胞体 胚 盘（ syncytial blastoderm） 约 10次分裂后（ 1h 30 min）， 产生约 512个核，这些核往卵 的外层迁移。 受精后约 2.5h， 卵的表面进行 4次额外的核分裂，在后极（ posterior pole） 组成的极细胞（ pole cell） 成为种系细胞（ germ cells） 的前体。 约 3h后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成单层细胞 细 胞胚盘（ cellular blastoderm） ,约 6000个体细胞。 约第 12次分裂周期，细胞开始迁移，胚盘进入原肠胚生成（ gastralation） 期，并分化出外胚层（ ectoderm）、 中胚层（ mesoderm） 和内胚层（ endoderm）。 早期胚胎发育各时段的切片 , 荧光处为核 DNA 成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的 果蝇胚胎中的体节、分区和副体节（ parasegments）， Ma ， Mx和 Lb表示将发育成头部的体节； T1-T3是胸部体节； A1-A9 为腹部体节，每个体节分为前（ A） 后（ P） 区；副体节代表早 期的图式特化 果蝇幼虫的成虫盘和成体结构对照 2、 果蝇卵的极性形成、体节的分化 果蝇卵的极性形成、体节的分化是受一系列 基因 级联反应 调控的。 参与果蝇卵的极性形成、体节的分化的基因 有三类：母体效应基因（ maternal-effect genes)、 分节基因 (segmentation genes)、 同源异形基因 (homeotic genes)。 （ 1）母体效应基因（ maternal-effect genes) 母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译 的蛋白，在 卵子发生 （ oogenesis） 中转录，产物 储存在 卵母细胞 中，沿前 -后轴呈梯度（ gradient ） 分布。 母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育 ,突变研 究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约 40个。 如： bicoid, nanos. A-P轴前端由 bicoid mRNA及其表达产物的梯度决定 A-P轴的后端由 nanos基因的作用决定 bicoid和 nanos基因产物的协同作用生成早期胚胎 A-P轴 D-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白 在核内的梯度形成，而背部结构的形成则取决 于腹部基因蛋白 dpp的梯度 . (2) 分节基因 分节基因决定体节的形成。主要包括 : 裂隙基因（ gap gene）， 成对规则基因（ pair-rule gene） , 体节极性基因 (segment polarity). 裂隙基因（ gap gene）的 表达形成体节 成对规则基 因（ pair-rule gene） 的表达使 胚胎中段前后轴 形成 7个区带。 体节极性基 因 (segment polarity)的表达 使胚胎中段前后 轴进一步形成 14 个区带。 （ 3）同源异形基因（ homeotic genes） 主要包括触角足复合体 Antennapedia complex（ ANT -C） 和 双胸复合体 Bithorax complex（ BX-C）。 胚胎体节的划分确定后，同源异形基因负责确定每个体节的特征 结构。若发生突变，会使一个体节上长出另一个体节的特征结构，如 ANT-C基因的突变使触须变成腿和四翅果蝇。 同源异形基因的结构特点： v具有同源异形框。 v有多个启动子和转录起始点。 v有多个内含子。 v同源异形基因之间的相互作用。 哺乳类中的同源异形基因复合体称为 Hox基因 簇，与果蝇中的同源异形基因有同源性。 三、线虫的发育 1、 秀丽隐杆线虫（ canorhabditis elegans） 是研究发 育过程很有用的实验动物。 v是一种在土壤里生活的蠕虫，体长 1mm,身体透明 ,可实验室 培养。 生活周期约 2d， 包括胚胎期（约 16hr）， 4个幼虫期 L1-L4 和成体期。 v成体有两种性别：雌雄同体（ hermaphrodities） 为 12， XX， 产生卵子和精子；雄体为 11， XO v 雌雄同体的 C.elegans由 959个体细胞和约 2000 个种系细胞组成 v C elegans基因组全序列已测定，由 9.710 4kb组成 ,2n=12。 单倍体基因组含有约 15000个基因 vC.elegans的胚胎发育中 , 最早的胚胎分裂是不对称的 , 第一次有丝分裂产生大的 AB和小的 P1子细胞 ,28细胞期开 始原肠形成 P1-P4为接受了种系颗粒（ germ line granules ） 的性细胞系的前体细胞。 早期卵裂期间，不对称分裂产生一个 “ 分化的 ” 子细胞 ,称为奠基者细胞（ founder cells），以 AB.MS.E.C和 D表示 ,和一个干细胞 （ P1-P4细胞系） 进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体的 959个体细胞。 2、细胞谱系示意图（ lineage diagram） 表明每个体 细胞的生活史 雌雄同体的 C.elegans的完整的细胞谱系 卵孔（ vulva） 形成的遗传分析 C.elegans的生殖系统 细胞通过信号分子来改变其它细胞基因组 基因的表达活性，来影响靶细胞的发育命运， 最终产生细胞结构和功能的分化。 卵孔的决定大致分为三个阶段： （ 1）锚定细胞的决定 由二龄幼虫期 Z1.ppp和 Z4.aaa两个细胞相 互作用，其中 Z1.ppp分化为生殖腺锚定细胞 (AC)。此过程中， Lin-12基因起着决定作用。 （ 2） AC与 6个 Pn.p细胞相互作用确定初级 卵孔细胞和次级卵孔细胞的形成。 在锚定细胞（ anchor cell,AC ）中 ,lin-3被激活 , 分泌一种与脊椎动物的 表皮生长因子 相关的 Lin-3蛋白 , 作为信 号分子；前体细胞则表达由 let-23基因 编码的细胞表面受体 Let-23蛋白。 Lin-3 与 Let-23连接，扳动前体细胞 p5p,p6p和 p7p形成初级卵孔细胞或次级卵孔细胞。 其中 P6.p与 AC最近，接受的信号最强， P6.p 中的 vul基因被激活，最终分化为初 级卵孔细胞。 P5.p和 P7.p接受信号相对较 少，而分化发育为次级卵孔细胞。 （ 3）真皮细胞的形成 P3.p,P4.p,P8.p与 AC距离远，没有接 受到信号分子，细胞中 muv基因表达， 导致发育为环绕卵孔的真皮细胞 . 初级和次级外阴细胞在 Muv或 Vul基因的作用下特 化为 外阴 或 表皮细胞 细胞程序性死亡（ programmed cell death， PCD） PCD指多细胞生物体的一些细胞不再为生物体所 需或受到损伤时，会激活受遗传控制的自杀机制而 自我毁灭的过程。 PCD通常采取细胞凋亡（ apoptosis） 的形式 C.elegans的 PCD遗传途径 C.elegans发育过程中，细胞死亡的数目是相同的，不 仅如此，死亡发生的时间和死亡的细胞类型也是相同的。 雌雄同体的 131个细胞进入 PCD至少有 14个基因起作用 ，其中 ced-9基因为双向开关。 ced-9激活，抑制 ced-3和 ced-4 基因的表达，细胞存活。 Ced-9失活， ced-3和 ced-4基因表达 ，细胞死亡。 哺乳动物中也发现与细胞凋亡有关的基因 ，如 nur77， 产物为核甾体激素受体家族中的一 员，其结构特征为一个保守的锌指域。 C.elegans ced-9基因与人体癌基因 bcl-2同 源，同源性为 23%。 Bcl-2基因可以置换线虫的 ced-9基因，将 bcl-2基因转入 ced-9基因突变型细 胞后，可使细胞免于死亡。 四、性别决定 1、果蝇的性别决定 常染色体和性染色体套数之比决定性别 mRNA的剪接方式决定性别 XA （ autosome） 调节性别决定途径中 sxl基因的 表达 XA 1,激活 sxl的表达 ,进入雌性决定途径； XA 0.5,sxl不表达，进入雄性决定途径。 sxl基因产物扳动性别决定的层次剪接 Sxl存在时 ,tra剪接产生 Tra, 进入雌性途径 ; 没有 Sxl时， 无功能的 Tra产生 , 进入雄性途径。 Tra存在时 ,dsx剪接产生 Dsx-F, 发育成雌性 ; 无 Tra时 , 剪接产生 Dsx-M, 发育成雄蝇。 果蝇与人 性别决定的比较 2、 哺乳动物的性别决定 初级性决定（ primary sex determination） 指性腺 的决定，取决于性染色体 X、 Y， 雄性为 XY， 雌性为 XX。 次级性别决定 (secondary sex determination)即性别 分化（ sex differentiation） 指性腺分泌的激素决定。 3、 Y染色体上的睾丸决定基因 人的 Y染色体包括拟常染色质区（ pseudoautosomal regions， PARs）， Y的非重组区（ non- recombining regions of the Y， NRY）， SRY（ sex- determining regions of the Y） 等， SRY编码睾丸决定因子 （ testis-determining factors， TDF） 人群中发现的罕见的 XY， SRY+的女性和 XX， SRY- 的男性表