[农学]第06章 基因与发育.ppt

第六章 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 一、发育遗传学 什么是发育？ 细胞的分化 细胞凋亡 生物形态的建成 性别分化与繁殖 1、什么是发育 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 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) 2、发育遗传学的研究特点 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 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 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 作用执行了对发育进程的调控 个体发育的生物学功能 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长 生命的延续性功能 性别分化 繁殖 二、细胞定向(commitment) 和细胞分化 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 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的过程 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 细胞分化的基因作用 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 例如： 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 双重开关binary switch 双重开关binary switch：在不同发育途径的 决定点上，起核心作用的基因具有多向分化功能 例如： 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基因家族 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 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 myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基 酸组成，其中含有HLH域 myo-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 1、单细胞生物 芽孢 革兰氏阳性杆菌 营养细胞 RNA聚合酶的结构是2 2、多细胞生物 (1)自主特化(autonomous specification) 这是大部分无脊椎动物的特性 合子卵裂产生的子细胞获得了合子细胞 质的不同部分，从而使不同的子细胞有 不同的发育命运，这是由该细胞的细胞 质成分决定的，而与其四周的细胞无关 (2)条件特化(conditional specification) 这是所有脊椎动物和少数无脊椎动物的 特性 是通过与周围细胞的相互作用来决定分 化的命运；这种特化途径取决于细胞在 胚胎中所处的位置 (3)合胞特化(syncytial specification) 这是大部分昆虫纲的无脊椎动物的特性 在合胞体胚层生成细胞膜分隔细胞核之 前，由母体细胞质相互作用所决定，即 细胞的命运是在形成细胞之前就已被定 向了 3、秀丽新小杆线虫 Caenorhabditis elegans 生活在土壤中的蠕虫，1mm，透明，胚 胎期16h，一个世代3d 雄性： 雌雄同体：产精子很少，自体受精，异 体受精(很少) 蛋白质基因19141个，tRNA基因877个， 体细胞1090个 4、细胞程序性死亡 (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 的死亡称为细胞程序性死亡 细胞凋亡(apoptosis)是程序性死亡的一 种方式，生理性死亡 细胞坏死：病理性死亡 细胞程序性死亡(programmmed 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 胞进入程序性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入程序性死亡 本该死亡的细胞不死亡，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 (1)细胞病理性死亡 (如:机械损伤,化学毒品) 细胞肿胀 细胞内容物泄漏 并导致炎症 (2)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 细胞凋亡与线粒体 线粒体在凋亡的表现 释放细胞色素C 电子传递改变 细胞氧化还原作用改变 细胞凋亡基因 ICE 基因：表达白细胞介素转移酶(半胱 氨酸蛋白水解酶)，诱导细胞凋亡 bax基因抑制bcl-2，诱导细胞死亡 bcl-2：人的原癌基因，促使细胞生长 ced-9(cell death abnormal)：线虫中与人 bcl-2的同源基因 Bcl-XL 三、胚胎发育 卵裂cleavage：受精卵不断分裂成较小细胞，形 成卵裂球或囊胚的过程 受精卵2个细胞4个细胞8个细胞 盘状胚囊(双层) 桑椹胚 囊胚(中空) 胚泡腔 滋养细胞(其它胚泡细胞分化成) 内细胞团 胚 胎 原肠胚gastrulation 原始胚层germlayer 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 Embry onic develo pment of the marine animal Amphi oxus, a protoc hordat e. 人的发育过程 囊胚腔的功能 为原肠胚形成过程中细胞的迁移提供空 间 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 干细胞(Stem cell) 定义 特点 分类 全能干细胞：胚胎干细胞，卵裂球 多能干细胞：内细胞团 的一些细胞 多效干细胞：专能干细胞 干细胞：既能不断增殖更新自身，并保持着 全能分化的特性，又可产生各种分化类型的 子代细胞 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) 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和器官 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 细胞核的去分化 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 1998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 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 原来认为的专能干细胞可以分 化成毫不相关的细胞类型 1997年4月,Martin.A.Eglitis Hematopoietic cells-microglia and macroglia in brain 1999年2月,Christopher.R.R.Bjornorson Neural stem cells-blood cells 1999年4月,Mark.F.Pittenger Human mesenchymal stem cells- bone,cartilage,fat,tendon,muscle and stroma 1999年5月,B.E.Petersen bone marrow stem cells-hepatic oval cells 干细胞自我更新的方式 不均一分裂，多见于单细胞生物和无脊 椎动物 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 人胚胎干细胞技术对基础研究 和临床应用的影响 用于修复甚至替换丧失功能的组织和器 官 体外研究人胚胎的发育和不正常发育 新人类基因的发现 药物筛选和致畸实验 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 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？ 如何定向诱导干细胞分化？ 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 如何克服免疫排斥反应? 胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如 何？ 四、基因在胚胎极性生成中的作用 模式形成(pattern formation)(图式形成) ：胚胎形成不同类型的细胞，而这些细 胞分别构成不同的组织、器官，并形成 有序的空间结构的过程 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 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 决定胚胎极性的基因 母体效应基因(maternal effect gene) 裂隙基因(gap gene) 成对规则基因(pair-rule gene) 体节极性基因(segment polarity gene) 同源异形基因(homeotic gene) 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 胚胎 命运图 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 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 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1.8kb RNA，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 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 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) 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) 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 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) 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) 五、性别的决定机制 1、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 温度决定型：一些龟鳖 28C()32C()、鳄鱼 位置决定型(后螠)：自由游泳(中性)、海 底(雌)、口吻(雄) 基因决定型： 大多数的生物 昆虫 X:A DiploidHaploid 两栖类 zz/zw xx/xy 鸟类 zz/zw 哺乳类 xx/xy 1、性染色体数目 蝗虫：，2n=24(XX)， 2n=23(XO) 2、性指数=性染色体(X)/常染色体组数 (A) 3、染色体组倍性 蜜蜂： 2n=32，分为皇蜂和工蜂() n=16， 4、X染色体是否杂合 小茧蜂： ， 2n=20； ， n=10 杂合：XaXb或XaXc或XbXc为 纯合： XaXa或XbXb或XcXc为 5、X/Y比 少数植物为雌雄异株，有性染色体，属 XY型 女娄菜： 由X/Y比决定 酸模： 雌雄同株，18A+XX+YY， X/Y=1 雌雄异株，为18A+XX+Y， X/Y=2 为18A+X+YY， X/Y=0.5 2、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 3、果蝇性别决定 果蝇的性别是由X染色体的雌性决定因子 同常染色体的雄性决定因子之间的平衡 关系所决定的 ：2X：2A ：1X：2A；XO(不育) 雌雄嵌合体gynandromorphism，X染色体 上有曙红眼和小型翅基因 X：A比值高时，激活sxltra dsx X：A比值低时， sxl失活 4、哺乳类性别决定基因 性决定分初级性决定(性腺的决定)和次级 性决定(性腺以外的身体表型) 雌性：XX、XO 雄性：XY 睾丸决定因子testis determining factor， TDF Y染色体上有一区段与X染色体具有 同源基因，在Y上的基因通常不表达，但 可以象常染色体一样，在X和Y之间发生 交换，这个区段称为拟常染色体区 Xg Y Xg Xg Xg Xg Xg a Y Xga Xg Xga Xg 拟常染色体区 Xg Xg 和Xg Y婚配，生有一个Xg a Xg的女儿 Xg Xg Xg X Xg a Xg Xg a Testis determination Discovery SOX gene Family HMG(High Mobility Group) box SRY ( Sex Determing region of the Y ) TDF (Testis Determing Factor) Y Chromosome 5、Z-基因模型 (1) SRY基因的功能是抑制调节基因Z， 而Z基因是一个雄性发育途径的抑制物 (2) Z基因突变有不同程度的渗漏 (3) Zi基因突变是组成型突变，对SRY的 抑制不敏感 XY、SRY+：女性性反转，Tfm-， Zi XX、SRY-：男性性反转，Z- 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，在正常情况下 ，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 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 6、X染色体失活作为基因剂量 补偿机制 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 1961年，Lyon提出Lyon假说，认为异固 缩的X染色体是功能失活的，可能来源于 父亲或母亲 证据：雌鼠的镶嵌型表型和某些性连锁 突变的杂合性有关 LYON 假说：X染色体失活 正常女性的体细胞染色，有一个染色较 深的异固缩点，被成为巴氏小体；这是 女性一条失活的X染色体 Lyon假说：受精卵发育到胚胎早期，女 性的两条X染色体在分化的各类细胞中， 其中的一条X染色体随机失活 G-6PD 葡萄糖6磷酸脱氢酶 有A，B两种类型，基因在X染色体上 女性有X AXA XBXB，XAXB 男性有XAY，XBY 提取G6PD，电泳： A B F F F M M XAXB 个体组织打碎分离细胞 A B 细胞系1 细胞系2 细胞系3 失活中心(X-chromosome inactivation centre, XIC) Xq13, 产生失活信号，关闭X染色 体上基因，在XIC区内有一个失活特 异转录子(XIST)，编码不是蛋白，而 是许多终止信号的RNA，调控了X染 色体失活 逃避失活基因 失活的X染色体上RPS4 X基因仍 在表达，正常女性有双份产物，被 称为逃避失活基因 X染色体上逃避失活的基因还有 MIC2 Xg STS X 抗原 血型 酯酶 Xp22.32 7、性相关遗传 (1)伴性遗传(sex 1inked inheritance)是 指控制性状的基因在性染色体上，其 遗传的特点由性染色体遗传规律所决 定。基因的表达常不受性激素的影响 伴性遗传最早是1910年由Morgan和他 的学生在果蝇白眼突变体的研究中发 现的 (2) 从性遗传(sex influenced dominance) 是指基因在常染色体上，但由于受到性 激素的作用