现代遗传学.基因与发育（精品PPT）.ppt

第十章 基因与发育 性别决定 个体发育 -基因按时空顺序表达的结果 第一节 发育遗传学 n什么是发育？ n细胞的分化 n细胞凋亡 n生物形态的建成 n性别分化与繁殖 什么是发育 n从生物学角度来说，发育是生物的细胞分裂， 分化，形态建成，生长繁殖的一系列过程。 n从遗传学角度来说，发育是基因按照特定的时 间，空间程序表达的过程。研究基因对发育的 调控作用的学科就是发育遗传学（ Developmental Genetics) 。 发育遗传学的研究特点 n发育是生物的共同属性 发育是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 发育遗传学的研究特点 n发育是基因型与环境因子的相互作用 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。 发育遗传学的研究特点 n发育调控基因具有保守性 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。 发育遗传学的研究特点 n发育中基因之间的作用 生物发育过程中的基因与基因的相互作用对 执行了发育进程的调控。 个体发育的生物学功能 n细胞分化的多样性功能 细胞分化 形态建成 生长 n生命的延续性功能 性别分化 繁殖 细胞定向（commitment） n决定（determination）: 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调控 下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了这些 细胞的分化命运。 例如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经定位 ，并确定了特定细胞的形态建成等命运。 n特化（specification）： 细胞或组织按照已经被决定的命运自主地进行分 化，形成特异性组织或细胞地过程。 例如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成特 定的组织，形成体节，器官等不同形态。 决定细胞命运的三个途径 n自主特化(autonomous specification): 大部分 无脊椎动物的特性(由细胞 继承合子细胞质不 同部分，从而使细胞有不同命运) n条件特化(conditional specification)：所有脊椎 动物和少部分无脊椎动物的特性（通过与周围 细胞 的 相互作用决定细胞命运。） n合胞特化 (syncytial specification)：大部分昆 虫纲无脊椎动物的特性（由母体细胞质相互 作用决定） 第二节 细胞分化的基因作用 n基因的等价性（genome equivalence） 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具有相同 表达的能力。 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。 n例如： n Gurdon的爪蟾核移植实验 n 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆 Dolly羊 双重开关（binary switch） 双重开关（binary switch）：在不同发育途径的决 定点上，具有多向分化功能起核心作用的基因。 例如： n无脊椎动物和脊椎动物中控制肌肉细胞的决 定和分化的 myo-D基因基因家族 n 无脊椎动物和脊椎动物中的眼形成基因 无眼/小眼基因 例如：控制肌肉细胞的决定和分化的 myo-D基因家族 n脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和氨基 酸序列相似，进化上高度保守。 nmyo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基酸组 成，其中含有HLH域。 nmyo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达，是决 定的开关基因myo-D与myf5共同作用维持成肌细胞 的一致性所有4种因子协同作用起始肌肉细胞的分 化myogenin维持分化的成体表型。 例如：眼形成的主调控基因：无眼（eyeless ）/小眼（small eye）基因 1995年Walter Gehring及其同事建立了果蝇的无眼 基因和小鼠的小眼Small/pax6基因额外拷贝的转基因果蝇 ，实现了这两个基因的异位表达（ectopic expression） 。 无眼基因异位表达的结果在转基因果蝇的腿上长 出了完整的果蝇复眼 小鼠Small/pax6在转基因果蝇中的表达，证明了 无脊椎和脊椎动物的眼形成基因在分子水平上是同源的。 细胞编程性死亡（programmed cell death,PCD） 多细胞生物的一些细胞在发育中不再为生物 体所需或受到损伤时，会激活遗传控制的自杀 机制死亡。这种自我毁灭的死亡称为细胞编程 性死亡。 细胞凋亡（apoptosis）是编程性死亡的一 种方式。 n细胞编程性死亡(programmed cell death)在生物发 育中具有重要作用，有关基因发生突变，就会引起发 育异常。 例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细胞进入编程性 死亡。人的指（脚）蹼细胞在胚胎56天后进入编程性 死亡。 本该死亡的基因不死亡，导致癌的形成或自身免疫性疾 病。 本该不进入死亡程序的细胞发生死亡，引起中风或老年 性痴呆等疾病。 细胞病理性死亡(necrosis) (如:机械损伤,化学毒品) 细胞病理性死亡细胞病理性死亡 细胞肿胀 细胞内容物泄漏 并导致炎症 由巨噬细胞吞噬 细胞凋亡的特征 细胞收缩 线粒体破裂, 并释放细胞色素C 细胞核中的染色质降解 通常隐藏在细胞膜中的磷脂酰丝氨酸暴露 到表面 细胞碎片被周围细胞吸收 吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生 调控细胞调亡的基因 n1）秀丽新小杆线虫：ced基因 n2）昆虫的Reaper基因 n3）哺乳动物的细胞凋亡基因 ICE基因 bcl-2基因 bax基因 MCL-1基因 Bcl-XL 细胞凋亡在生物发育中的作用 n当调控细胞凋亡的相关基因发生突变而打乱细 胞死亡程序时，可造成发育异常或引起肿瘤 细胞凋亡与线粒体 n线粒体在凋亡的表现 n释放细胞色素C n电子传递改变 n细胞氧化还原作用改变 第三节 胚胎发育 卵裂（cleavage）:受精卵不断分裂成较小细 胞，形成l卵裂球或囊胚的过程。 受精卵 2个细胞 4个细胞 8个细胞 桑葚胚 囊胚 内细胞团 胚泡腔 滋养细胞 胚 胎 n原肠胚（gastrulation）: 三种原始胚层的形成 (germlayer) 神经胚(neurulation) : 形成基本的躯干规划 中胚层(mesoderm): 结缔组织，骨，血液，心 ，平滑肌，睾丸，卵巢 外胚层(ectoderm)：表皮，毛发，甲 内胚层（endoderm）：消化道，尿道，肝，胆 ，胰腺 人的发育过程 Fig 25.1 Embryonic development of the marine animal Amphioxus, a protochordate. 囊胚腔的功能 n为原肠胚形成过程中细胞的迁移提供空间 n把将要形成的内胚层器官的细胞拖入胚胎内部 ，外胚层细胞置于四周。 Vogt (1929)fate map 母系基因在发育中的作用： 在受精前，发育已经开始 ，雌性生殖系统基因 的 表达产生营养物质和 决 定因子，转运至卵中，为 卵的进一步发育打下 基 础分子水平的母爱。 在某些物种中，这些来 自于母亲的基因产物决 定了胚胎发育的基本结构 ，例如头尾，肚腹的 确 定。称为 maternal-effect genes。 dl dl + + X Mutation embryo due to maternal effect dl dl X + + Wide-type embryo dl ,dorsal gene 是果蝇母系影响基因之一 干细胞(Stem cell) n定义 n特点 n分类 q全能干细胞 q多能干细胞 q专能干细胞 干细胞（stem cell） 干细胞：能不断增殖更新自身，具有全能分化能力,又可 产生各种分化类型的子代细胞。 n全能干细胞（totipotent）: 能够分化产生各种细胞直 至个体的细胞，例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。 n多能干细胞（pluripotent stem cell）:具有多种分化 能力的细胞。例如不同胚层的特异性细胞可以分化形 成特定的组织何器官。 n多效干细胞（multipotent stem cell）：具有专一分 化能力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞 干细胞自我更新的方式 n不均一分裂，多见于单细胞生物和无脊椎动物 n总体不均一，多见于哺乳动物 不管是哪一种方式都受到多种反馈调节和细胞 间相互作用的调节 n1998年11月，美国Wisconsin-Medison University的James.A.Thomson从人类胚胎 的囊胚期内细胞群中直接分离了多能干细胞。 n同时美国John-Hopkins Bayview Hospital 的John.D.Gearhart从终止妊娠的胎儿组织中 原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞进行 培养，得到多能干细胞。 特异组织中分离出干细胞 Vincent Tropepe(science vol 287.2000.3) 从成年小鼠的眼睛中鉴定出一种干细胞。这些 细胞的克隆可以分化出视网膜特异的细胞类型 ，包括视杆细胞，双极细胞，Miiller胶质细胞 细胞核的去分化 n高度分化的细胞核在一定的条件下，可能脱离 原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全 能干细胞能力。 例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去了核的卵 中，发育成蝌蚪。 克隆羊多利等。 原来认为的专能干细胞可以分化成 毫不相关的细胞类型 q1997年4月,Martin.A.Eglitis nHematopoietic cells-microglia and macroglia in brain q1999年2月,Christopher.R.R.Bjornorson nNeural stem cells-blood cells q1999年4月,Mark.F.Pittenger nHuman mesenchymal stem cells- bone,cartilage,fat,tendon,muscle and stroma q1999年5月,B.E.Petersen nbone marrow stem cells-hepatic oval cells 人胚胎干细胞技术对基础研究和临 床应用的影响 n用于修复甚至替换丧失功能的组织和器官。 n体外研究人胚胎的发育和不正常发育。 n新人类基因的发现。 n药物筛选和致畸实验。 n基因治疗的细胞源 可自我复制更新，持久 发挥作用。 人胚胎干细胞面临的技术难题 n胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持它在体外 扩增时不分化？ n如何定向诱导干细胞分化？ n由胚胎干细胞在体外发育成完整的器官尤其是象心、 肝、肾、肺等大型精密复杂的器官还需要技术上的突 破。 n如何克服免疫排斥反应? n胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如何？ 第 四节：基因在胚胎极性生成中的作用 n在胚胎发育过程中， 各种类型的细胞沿前-后 和背-腹轴特化，进一步生成各种器官和组织 。轴的特化过程是基因作用的结果。 模式形成（pattern formation） （图式形成） n胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞有分别构成不 同的组织、器官，并形成有序的空间结构的过程 n动物最初的模式形成主要涉及胚轴(embryonic axes) 形成和相关细胞的分化 n胚轴：前后轴(anterior-posterior axis) 背腹轴(dorsal-ventral axis) 中侧轴（或左右轴） (mediolateral axis) 脊椎动物的躯体规划第一步是体轴的 决定。 体轴分: 头尾轴(antero-posterior axis) 背腹轴(dorso-ventral axis) 远近轴(proximo-distal axis） 两栖类：首先被决定的是动植物极（即 头尾）。 鸟类：首先决定背腹极，头尾轴则根据重 力和排卵时的旋转决定。 哺乳类：根据胚胎内细胞团（inner cell mass）分隔的位置决定背腹面，头尾可 能是在排卵时被决定，还不清楚哺乳类 是如何决定左右。 胚胎 命运图 第五节 决定胚胎极性的基因 n母体效应基因(maternal effect gene) n裂隙基因（gap gene） n成对规则基因（pair-rule gene ） n体节极性基因(segment polarity gene) n同源异形基因(homoeotic gene) 母性效应基因和分节基因相互作用决定体轴（ A-P，D-V）的形成（11-24） A-P轴前端由bicoid mRNA及其表达产物的梯度决定（11-25 ） A-P轴的后端由nanos基因的作用决定（11-26） bicoid和nanos基因产物的协同作用生成早期胚胎A-P轴（ 11-27） 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（11-28 ） 分节基因决定体节形成（11-29 ） 分节基因的突变效应 gap基因的表达形成的体节 pair-rule基因表达的条纹图式（stripe pattern） segment polarity基因的表达产生14条条纹 (homeotic) 基因的表达决定每个体节的结构如触角、口、腿、翅、胸部和 腹部等（本节第二部分） 体节形成中的遗传层次（genetic hierarchy） 母性效应基因（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。 合子基因（zygotic genes），又称为分节基因（ segmentation genes） 分节基因在受精后依赖于母性效应蛋白的分布转 录。 根据突变分析，分节基因约有60个,可分为三类 ，即裂隙基因（gap genes）、成对规则基因（pair -rule genes）和体节极性基因（segment polarity genes） 裂隙基因 n受母体效应基因的调控，在胚胎一定区域内表 达（2个体节），该基因突变，使得胚胎体节 出现裂隙。 例如： Hunchback基因生成头胸，抑制腹部的基因。 突变时，不生成口和胸。是受bcd基因调控的 gap gene . 成对规则基因 n受裂隙基因调控，体节间隔的特定基因。突变 时胚胎的体节有缺失的现象。 例如：ftz基因，转录1.8kbRNA,突变时，由于7 个体节相关的细胞死亡，体节减少了一半。 体节极性基因 n受成对规则基因调控，保持体节中的重复结构 的一致性。 例如：engrail基因，保持前后体节的分界，该基 因突变时，缺失每一体节的后半部分。 同源异形基因（homeotic genes）或选择者基因 （selector genes）, 主要包括Antennapedia complex（ANT-C）和 Bithorax complex（BX-C ）（11-19） 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（11-20）和四翅果蝇（11-21） n 同源异形基因受成对规则基因和裂隙基 因调控：同源异形基因序列中有180个核 苷酸的保守序列，称为同源异形框（ homeo box），编码的60个氨基酸残基为 同源异形基因编码的蛋白质的同源异形域 （homeodomain），是与DNA结合的motif ，起转录调控作用。 生物学功能是保持特定体节的结构特征 。 同源异形基因家族 n BX-C 约300kb, 仅含三个同源异形基因（ ubx,abdA,abdB）, 但许多突变影响调控区（11-22） n 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（11-23） 第六节 性别的决定机制 性别决定的类型 环境决定型： 较低等的生物中：某些两栖类 、鱼类 基因决定型： 大多数的生物 n昆虫： X:A DiploidHaploid n两栖类 zz/zw xx/xy n鸟类 zz/zw n哺乳类： xx/xy 性别决定的步骤 染色体水平： 受精时决定 基因水平： 性别决定基因发生作用 发育水平： 原始细胞发育成卵巢或者精巢 果蝇性别决定： 哺乳类性别决定基因 Testis determination Discovery SOX gene Family HMG(High Mobility Group) box SRY ( Sex Determing region of the Y ) TDF (Testis Determing Factor) Y Chromosome XY SRY - 女性 XX SRY + 男性 在小鼠的17号染色体上发现了tas基因，当它突 变或缺失时，具有正常Y染色体的小鼠不能表 现出雄性。 Z基因抑制睾丸形成和促进卵巢形成， SRY蛋白抑制Z基因活性，着正常情况下，表 现雄性。但是当Z基因突变，SRY蛋白不能抑 制Z基因，则显示雌性。 正常女性有两条X染色体，正常男性 只有一条，在进化过程中，这种差 异引起基因剂量补偿。 X染色体失活作为基因剂量补偿机制