（动物遗传育种与繁殖专业论文）黑腹果蝇卷翅突变体分子机理的研究.pdf

中国农业大学博士论文中文摘要 中文摘要 卷翅突变体是显性杂合子，卷翅基因对于果蝇生活力而言，是隐性致死的，但对于翅膀来 说，是显性，是比较典型的一因多效的例子。在畜牧生产中，许多人们感兴趣的数量性状，从 遗传的角度来看，除微效多基因影响外，也与基因的一因多效有关。因此，以果蝇为模式动物， 通过研究卷翅基因在果蝇不同发育阶段的作用机制，对于理解一因多效的遗传机制是很有意 义的。此外，卷翅突变体是果蝇遗传杂交实验中最常用的翅膀的显性标记，但对卷翅基因的 分子特征一直都不清楚，所以对卷翅基因分子特征的研究在果蝇遗传学上有着一定的意义。 本文通过群体遗传杂交实验和分子生物学技术对卷翅突变体的遗传规律及其分子机理进行 较为系统的研究。 群体遗传杂交实验部分，通过紫眼或红眼卷翅与野生型正反交、紫眼或红眼卷翅与野生 型杂交f 1 代自交、紫眼卷翅与残翅正反交、紫眼卷翅中紫眼基因与卷翅基因的遗传连锁分 析及紫眼卷翅与红眼卷翅正反交实验对紫眼卷翅的遗传规律进行研究，结果表明：1 ) 紫眼卷 翅或红眼卷翅是显性杂合子，紫眼或红眼卷翅自繁群是平衡致死系，杂合存活、纯合致死：2 ) 紫眼卷翅中紫眼基因与卷翅基因遗传不连锁：3 ) 紫眼卷翅与红眼卷翅中的两个卷翅基因为 等位基因，它们之间不能互补，在杂合状态f 是致死的。 分子生物学实验部分，通过对s y t 基因与a l p 2 3 b 基因之间的基因组区域、v e s t i g i a l 基因 编码序列及a l p 2 3 b 基因编码序列的扩增和测序，通过g e n e s c 软件及r t - p c r 对s ”基因 与a i p 2 3 b 基因之间的基因组区域进行基因预测及验证，通过荧光定量p c r 技术分幼虫和蛹 两个阶段对a i p 2 3 b 基因在野生型、紫眼卷翅及红眼卷翅中的表达量进行分析，结果表明：1 ) 在毋口基因与a i p 2 3 b 基因之问的基因组区域存在1 0 2 b p 碱基的缺失，该缺失存在于不同卷翅 品系的c 染色体上；在卷翅突变体中，v e s t i g 基因第三与第四外显子之间存在1 2 b p 的插入 序列：在卷翅突变体与野生型问a l p 2 3 b 基因编码序列没有差异。2 ) 以。一染色体上存在的 1 0 2 b p 缺失为d n a 标记，初步证实c 基因纯合型可导致果蝇胚胎期死亡，而位于c ) ，同源 染色体上的另一隐性致死基因的纯合会造成果蝇蛹期死亡。3 ) s y t 基因与a i p 2 3 b 基因之间 的基因组区域不存在基因。4 ) 在幼虫阶段，a i p 2 3 b 基因表达量在野生型、紫眼卷翅及红眼 卷翅间差异不显著( p 0 0 5 ) ：在蛹阶段，紫眼卷翅及红眼卷翅两个卷翅突变体中a i p 2 3 b 基 因表达量均高于野生型，其中红眼卷翅与野生型问a i p 2 3 b 基因表达量差异达到显著水平 r p ( 0 0 5 ) 。 在不同的卷翅品系中，在町”基因与a i p 2 3 b 基因之间的基因组区域及v e s t i g i a l 基因第三 与第四外显子之间分别发现了1 0 2 b p 碱基的缺失、1 2 b p 的插入序列，说明不同的卷翅品系的 产生分享着某些共同的遗传事件。在蛹阶段，a i p 2 3 b 基因在紫眼卷翅及红眼卷翅两个卷翅 品系中的高表达，可能与卷翅的形成有关，a i p 2 3 b 基因可能是潜在的c 基因的候选基因， 这些结果为深入研究卷翅的发育机制提供了依据。 关键词：黑腹果蝇卷翅突变体， 基因分子遗传机理 中国农业大学博i ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c u r l ym u t a t i o ni sd o m i n a n th e t e r o z y g o t e t h eg e n ef o rc u r l yi su s u a l l yl e t h a li nh o m o z y g o u sf o r m ， b u tc u r l yi sae a s i l yd i s t i n g u i s h a b l ed o m i n a n tm u t a n tw i n gc h a r a c t e r g i v e nt h eg e n ef o rc u r l yi s m u l t i f u n c t i o n a lo nd e v e l o p m e n t a l p r o c e s s i nd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ，g e n e t i c i s t sm a ye l u c i d a t e m o l e c u l a rm e c h a n i z eo f “o n eg e n e ，v e r s a t i l ef u n c t i o n b yi n v e s t i g a t i n gw h a tr o l ec yg e n ec o u l dp l a yo n d i f f e r e n td e v e l o p m e n t a lp e r i o d si nd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r t h e m u t a t i o ni st h em o s tc o m m o n l y u s e dd o m i n a n tm a r k e rf o rt h es e c o n dc h r o m o s o m eb a l a n c a r si nd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ，b u tl i t t l ei s k n o w na b o u tt h ec yg e n e f o rc o n s i d e r a t i o no ft h i s ，i ti sv e r y i n t e r e s t i n g i n d r o s o p h i l ag e n e t i c c o m m u n i t yt os t u d yo nm o l e c u l a rc h a r a c t e ro ft h ec yg e n e i nt h ep a p e r ，m e n d e l i a n sl a wo fc u r l y m u t a t i o na n di t sm o l e c u l a rm e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l yb ym e a n so fg e n e t i cc r o s sa n d m o l e c u l a rm e t h o d s g e n e t i cc r o s s e su s e di nt h es t u d yi n c l u d ec r o s s e so f t w oc u r l ys t r a i n sa n dw i l dt y p es t r a i n ，s e l f - c r o s s o ff 1c u r l yf l i e sf o r mc r o s so ft h et w oc u r l ys t r a i n sa n dt h ew i l dt y p es t r a i n c r o s so ft h et w oc u r l y s t r a i n s ，t h e s er e s u l t ss h o w e dt h a t ：1 ) c u r l yi sad o m i n a n th e t e r o z y g o u sc h a r a c t e r t h eg e n ef o rc u r l yi s u s u a l l yl e t h a l i nh o m o z y g o u sf o r m ，m e a n w h i l et h eh o m o l o g u eo fi t sc h r o m o s o m ei nt h ec u r l ys t o c k a l s oc o n t a i n sar e c e s s i v el e t h a l ，s ou n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ec u r l ym a i n t a i n si t s e l fi nab a l a n c e dl e t h a l s t o c k ；2 ) c u r l yg e n ei sn o tl i n k e dt op u r p l eg e n ei nt h ec u r l yf l i e sw i t hp u r p l ee y e s ；3 ) t w og e n eo f c u r l y f r o mt h ec u r l yf l i e sw i t hv e r m i l i o ne y e sa n dt h ec u r l yf l i e sw i t hp u r p l ee y e sa r ea l l e l e sw h o s e t r a n s - h e t e r o z y g o t ei sl e t h a l m o l e c u l a rm e t h o d sm a d ei nt h e p a p e rc o n t a i np c 蹦p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) ，s e q u e n c i n g ， r t - p c r ( r e v e r s et r a n s c r i p t a s e - p c 心g e n ep r e d i c t i o na n df q - p c r ( f l u o r e s c e n c eq u a n t i t a t i v ep o l y m e r a s e c h a i nr e a c t i o n ) ，w h i c ha l lw e r eu s e dt od e t e c td i f f e r e n c ea tm e l e e u l a rl e v e lb e t w e e nc u r l ys t r a i n sa n d w i l dt y p es t r a i n t h e s er e s u l t sr e v e a l e dt h a t ：1 ) a1 0 2 一b pd e l e t i o nw h i c hi sl o c a t e db e t w e e nt h eg e n e s s y n a p t o t a g m i n ( s v oa n da c f i v i nl i k ep r o t e i na t2 3 b 口l p 2 3 功o nt h ed r o s o p h i l am e l a n o g a s t e rg e n o m e h a db e e nf o u n dt ob ec o m m o n l yc o n t a i n e do nc yc h r o m o s o m ei nt h r e ed i f f e r e n tc u r l ym u t a n t sw h i l ea 1 2 b pi n s e a i o nl o c a t e da ti n t r o nb e t w e e nt h et h i r da n dt h ef o u r t he x o n sw a sf o u n dt oa s s o c i a t e dw i t hc y c h r o r a o s o t _ r l ei nt h r e ed i f f e r e n tc u r l ym u t a n t s 2 ) i tw a se s t a b l i s h e d th a tc yg e n ei sl e t h a li ne m b r y op e r i o d a n da n o t h e rl e t h a lo nt h ec yh o m o l o g yc h r o m o s o m ei sm a i n l yl e t h a li np u p ap e r i o d 3 ) n ot r a n s c r i p t i o n a l g e n ec a nb ed e t e r m i n e do ne n e ss y n a p t o t a g m i n ( s y oa n da e t i v i nl i k ep r o t e i na t2 3 b 凹l p 2 3 研o nt h e d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e rg e n o m e ，4 1e x p r e s s i o nl e v e lf o ra i p 2 3 bg e n ei nw i l dt y p ei sn o th i g h e rt h a n t h a ti nt w oc u r l ys t r a i n so nl a r v a lp e r i o d ，b u te x p r e s s i o nl e v e lf o ra i p 2 3 bg e n ei nt w oc u r l ys t r a i n si s h j g h e rt h a nt h a ti nw i l dt y p es t r a i n a 1 1a b o v e dm e n t i o n e ds h o w e dt h a ts o m ec o m m o nc h a r a c t e ra td n al e v e la r ec o n t a i n e do nc v c h r o m o s o m e ，i ts u g g e s t e dt h a td i f f e r e n tc u r l ym u t a t i o n sc o u l ds h a r es o m ec o m m o no r i g i n i n t e r e s t i n g l y ， a b n o r m a le x p r e s s i o no fa i p 2 3 bg e n ec o u l db er e s p o n s i b l ef o rc u r l yw i n g i si tp o s s i b l et h ed e l e t i o n s o m e h o we f f e c t sap r o m o t e r e n h a n c e ri nt h ea c t i v i n - l i k ep r o t e i n ，r e s u l t i n gi na b n o r m a le x p r e s s i o no r l a c kt h e r eo fi nt h ew i n gd i s c s ，b u tt h i sn e e dm o r ee v i d e n c et os u p p o at h eh y p o t h e s i s k e yw o r d s ：d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r , c u r l ym u t a t i o n ，o ，g e n e ，m o l e c u l a rm e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 枷南 时间： 年b 月j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学呵以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 栖佛 i 即 时帆年占月7 日 f 删： 年二月7 日 2 卅南。j 中国农业大学博士学位论文文献综述 1 黑腹果蝇 第一章文献综述 果蝇广泛地存在于全球温带及热带气候区，而且由于其主食为腐烂的水果，因此在人类的栖 息地内如果园、菜市场等地区内皆可见其踪迹。黑腹果蝇( d r o s o p h i l a m e l a n o g a s t 们是双翅目昆虫， 特点：生活史短、易饲养、繁殖快、染色体少、突变型多、个体小，是一种很好的遗传学实验材 料和模式生物。 黑腹果蝇是完全变态的昆虫，生活史分为胚胎、一龄幼虫、二龄幼虫、二龄幼虫、蛹、成 虫几个阶段( 图1 1 ) ，培养的最适环境是温度2 5 c ，相对湿度6 0 。 图卜1 黑腹果蝇的生活史( 资料来源：w v c w f l y m o v e c o m ) f i g u r el - 1 l i f ec y c l eo f d r o s o p h i l am e l a n o g a s k r 黑腹果蝇的雌果蝇和雄果蝇在外形上有比较明显的区别( 图1 - 2 ) ，最明显的差别在于雌果蝇 个体较大，腹部背面有五条黑条纹，而雄果蝇个体较小，腹部背面有三条黑条纹，最后一条极宽， 并延伸到腹面( 图l - 2 ) 。 图卜2 黑腹果蝇的雌果蝇( 左) 和雄果蝇( 右) f i g u r ei 一2 f e m a l ea n dm a l ef l i e so f d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r 中国农业大学博士学位论文文献综述 黑腹果蝇共有4 对染色体，其中有3 对是常染色体，一对为性染色体。性染色体在雌性果蝇 中形态是一致的，为x x 染色体；在雄性果蝇中，它们的形态不一致，其中一条与雌性的x 染色体 相似，另一条染色体j i l f j 不相似，为y 染色体，因此雄性果蝇的性染色体为x y 染色体( 图1 3 ) 。 b r i d g e s 的基因平衡学说认为，果蝇的性别决定于x 染色体和常染色体( a ) 两者之间的平衡关系。 如果x a 等于1 ，则个体发育成正常的雌体；如果x a 等于0 5 ，则个体发育成正常雄体；若x a 大于l ，则个体发育成超雌；x a 小于0 5 ，则发育成超雄；若x a 在0 5 l 之间，则发育成中间性 别的个体。平衡理沦成立的一个很重要的前提是，在常染色体上存在有决定性别的基因，而且是 决定雄性的基因( 张青文，2 0 0 0 ) 。 擎然 图卜3 果蝇的染色体( 资料来源：w w w 1 1 i y b a n e t ) 雌果蝇的性染色体为x x 雄果蝇的性染色体为x y f i g u r e1 - 3c h r o m o s o m e so f d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r 2 果蝇遗传学的研究进展 果蝇遗传学的研究主要经历孟德尔经典遗传学阶段，细胞遗传学阶段及分子遗传学阶段。 2 1 孟德尔经典遗传学阶段 孟德尔经典遗传学阶段，主要是以果蝇为实验材料，验证了分离定律和自由组合定律，同时 摩尔根等人根据所积累的丰富材料，纠正了孟德尔遗传学存在的一些局限性，丰富了显性观点， 阐明显性与隐性是相对的有条件的。这个阶段最重要成果是摩尔根等人通过对白眼果蝇突变体 的研究发现了经典遗传学的第三大定律：连锁与交换定律。 2 2 细胞遗传学阶段 果蝇细胞遗传学是戍州孟德尔遗传学原理，在细胞水平上研究分离、重组、交换、突变、性 染色体与性别决定、基因在染色体上排列等遗传现象及染色体遗传学基础，以及染色体畸变等染 色体行为的遗传学效应。 中国农业大学搏十学位论文文献综述 b r i d g e s 先后以黑腹果蝇为实验材料，发现了染色体的缺失、复制和易位现象，s t u r t c e v a n t 发现了染色体的倒位现象( s t u r t e e v a n t ，1 9 3 1 ) 。1 9 3 8 年，b r i d g e s 发表了第一张多线染色体图谱 ( b r i d g e s ，1 9 3 8 ) 。它是如此的精确，直到今天仍在使用它。在做了大量的染色体重排的工作后， b r i d g e s 也构建了细胞发生学的图谱，把基因排放在特定的部分甚至特定的带。现在知道这些图 绘制的相当精确，把基因定位在小于1 0 0 k b 的范围内。 1 9 1 8 年，m u l l e r 介绍了平衡致死系的概念，染色体的倒置行为的交换抑制效应，可以保存带 有致死基因的品系。其后，m u l l e r 认为辐射可引起基因的损坏和突变的发生，包括染色体的重排 事件，可能是由于x 射线诱导造成的( m u l l e r , 1 9 2 7 ) 。1 9 7 0 年由d l l i n d s l e y & l s a n d i e r 和1 4 个合 作人员系统地阐述，如何利用这种方法产生一系列的缺失( l i n d s l e y , e ta , 1 9 7 2 ) 。最近，王文等在 果蝇自然群体中研究染色体上碱基变异时，证明了在果蝇四号染色体上的存在重组现象，修止了 果蝇第四号染色体上没有重组和交换的传统的遗传学观点( w e nw a n g ，e ta l ，2 0 0 2 ；2 0 0 4 ) 。然而果 蝇细胞遗传学研究阶段最重要的成果是摩尔根等人在完善和丰富了孟德尔遗传学的同时，把盂德 尔假设的遗传冈子具体落实到细胞核的染色体上，提出了著名的染色体基因学说，从而建立起了 整个遗传学大厦的基石。 2 3 分子遗传学阶段 分子遗传学是一门新兴科学，以1 9 4 4 年，a v e r y 等人的肺炎球菌转化实验为标志，而里程碑 式的事件是1 9 5 3 年，w a g o n 和c r i c k 提出的d n a 双螺旋结构模型，开创了分子遗传学的新纪 元。之后，s a n g e r 确立了d n a 序列分析的新策略和新方法，从而使分子遗传学进入一个崭新的时 代。分子遗传学是通过生物大分子( 主要是核苷酸、蛋白) 在遗传中的变化如化学、生化结构、生 物功能等活动规律来揭示生命在分子水平上的遗传规律，而果蝇分子遗传学方的研究集中在基 因组和基因的组织结构、定位、功能、表达及调控等，主要包括发育、神经、免疫等方面基因及 其调控的研究。这里简要介绍p 转座元件口e l e m e n t ) 及其应用、果蝇早期胚胎发育的遗传控制及 果蝇基因组方面的一些研究进展。 2 3 1p 转座元件及其应用 5 0 年代初期，m c c l i n t o c k 通过对玉米遗传现象的细微研究，首先发现了能在基因组内不同区 域转移的控制成分。随后，可转移遗传成分在果蝇中发现。1 9 8 2 ，r u b i n 等应用p 转座元件在果 蝇上进行转化实验，获得了转基因果蝇( r u b i n ，e ta l ，1 9 8 2 ) 。p 转座元什全长2 9 0 7 b p 有4 个外显子 ( e x o n 0 ，3 5 7 b p ：e x o n l ，6 6 7 b p ；e x o n 2 ，7 2 5 b p ；e x o n 3 ，5 6 8 b p ) ，3 个内含子( i n t r o n o ，5 9 b p ： i n t m n l ，5 4 b p ；i n t r o n 2 ，1 9 1 b p ) 。p 元件两端有3 1 b p 反向末端重复序列和1 l b p 反向亚末端重复序 列，其中术端重复区域是转座酶结合部位，一旦结合则抑制转录若再与g t p 结台则激活p 元件转座。p 元件的四个外显子都是转座作州所必须的，因此只有完整的p 元件才有转座功能。 内部缺失的p 元件，只要细胞l = | 有完整的p 元件，也能实现转座。在果蝇的p 转座元什被川于 转化厉不久，人们就意识转座元什也可川丁标签基因或插入突变。转座元件应州之初，转化载体 种类单一，携带要么是控制眼睛颜色的野生型等位基因( r y + ) 要么是抗g 4 1 8 的新霉素( n e o + ) 基因( c o o l e y ，e ta l ，1 9 8 8 ) 。随着增强子诱捕技术的发展，依靠插入位点0 一半乳糖苷酶( l a c z ) 的组织特异性表达，转座元什的应川越来越r _ 泛。最近，绿色荧光蛋白( g f p ) 及其衍生物，高 中国农业大学博士学位论文文献综述 亮度荧光e g f p 已经代替了l a c z ，使得检测突变更为容易( r a l p hj g ，1 9 9 7 ) 。 总之，转座p 元件的发现及其应用，使遗传学家可以通过反向遗传学方法即基因到表型研究 基因的功能，一些可用于反向遗传学研究的专一性转座p 元件己被构建( 图卜4 ) ( m e l i s s a , e t a l ，2 0 0 2 ) 。 4 中国农业大学博士学位论文 文献综述 e m 舯澍1 邮 p 旧 1 1 4 嘶嘶 e l l | h 呦 雌删 i 0 触嘲 由t 咖 p 删 口点2 。峨 m 虚n b p 酬陬羽 圈卜4 用于反向遗传学研究构建的p 元件的示意团( m e l i s s a ，e ta l ，2 0 0 2 ) 图中黑色箭头表示p 元件的末端。p p z ) 元件上携带有一个r o s y ( 图中用紫色表示) ，而其余所有载体元件上都携带 有一个m i n i - w h i t e 标记( 图中用红色表示) ，其中的三个元件上同时还携带有一个? e o 基因( 图中用绿色表示) 。 p p z 】和爿l a c w 为增强子诱捕构建的元件，其一端都带有一个a c z 基冈( 图中用蓝色表示) 。p e p 元件的一端 带有一段上游激活序列( u s a 。图中用橙色表示) ，可用于监测目标基因的表达情况。p p z ) 、爿l a c w 】和p e p ) 每 个元件都带有一个质粒体，每个质粒体上又带有一段太肠杆菌的复制起点序列和一个抗k a n 或k a n a m y c i n 或a 印 或a m p i c i l l i n 的基因。p g t ! ) 的一端，f ：带有一个缺少启动了的g a l 4 幕因( 图中用棕色表示) ，同时携带的 口f 日f w h i f p 标记缺少p o l ya 信号序列。川s u p 0 r p ) 元件上m i n i w h i t e 标记的侧翼卡一段序列( 图中用粉红色来 表示) 是用来防止产生位置效应同时该元件上还携带有一个y e h o w 基冈( 图中用黄色表示) 。 f i g u r e l - 4p - e l e m e n tc o n s t r u c t su s e df o rr e v e r s eg e n e t i c si nd r o s o p h i l a t h ep e l e m e n tc o n s t r u c t sd e s c d b e di nt h et e x ta r es h o w ni ns c h e m a t i cf o r m , w i t ht h em a i nf e a t u r e sr e p r e s e n t e d b l a e k a r r o w sr e p r e s e n tt h ep - e l e m e n te n d s p p z h a sar o s ym a r k e r ( p u r p l e ) ；a l lo t h e rc o n s t r u e sh a v eam i n i - w h i t e m a r k e r ( r e d ) t h r e eo f t h ec o n s t r u c t sa l s oc a r r ya 月e dg e n e ( g r e e n ) w h i c hp r o v i d e ss e l e c t a b l er e s i s t a n c et ot h ea n t i b i o t i c g 4 1 8p p z a n dp l a c w a r ee n h a n c e r - t r a pc o n s t r u c t st h a tc a r r y al a c z g e n e ( b l u e ) a to n ee n d e p ) h a sa l lu p s t r e a m a c t i v a t i n gs e q u e n c e ( u a s ) ( o r a n g e ) a to n ee n df o ru s ei nt a r g e t e dm i s e x p r e s s i o ns c r e e n s p p z ，p l a c w a n d p e p ) e a c ha l s oh a v ea p l a s m i db a c k b o n ew i t ha ne s c h e r i c h i ac o l io r i g i no fr e p l i c a t i o n ( o r i la n da l la n t i b i o t i cr e s i s t a n c eg e n e ( 妇h ，k a n a m y c i n ；a m p a m p i c i l l i n ) p g t i h a sap r o m o t e r l e s sg a l 4g e n t ( b r o w n ) a to n ee n dt h em i n i w h i t em a r k e r o np gi t ：l a c k sap o l y a d e n y l a t i o ns i g n a ls e q u e n c et h em i n i w h i t eg e n ei np s u p o r - p i sf l a n k e db ys e q u e n c e st h a t p r o t e c ta g a i n s tp o s i t i o ne f f e c t s ( p i n k ) t h i sc o n s t r u c ta l s oc a r r i e sa y e l l o wg e n e ( y e l l o w ) m a p sa n ds e q u e n c e so f e a c ho f t h e s ee l e m e n t sa r e a v a i l a b l ef r o mf l y b a s e ( s e eo n l i n el i n k sb o x ) 5 中国农业大学博士学位论文文献综述 2 3 2 果蝇早期胚胎发育的遗传控制 在所有动物中由一个单细胞台子发育成复杂的多细胞组织是最基本的生物学过程。l e w i s 等 成功揭示了果蝇甲期胚胎发育的遗传控制，为其他动物的发育研究提供了模式( l e w i s ，1 9 7 8 ) 。果 蝇从一个受精卵发育成一个多细胞的个体，涉及许多基因这些基因的表达受到时间和空间上 的限制。体节结构的产生是胚胎成型的关键，其标志是：1 ) 梯度的建立：2 ) 间隔条带的形成。 果蝇早期胚胎的发育是通过级联的方式调控，包括三大类基因即母体基因、分节基因及同源 异形基因。母体基因是在母体中表达，但其产物可影响卵母细胞承j 胚胎的发育。母体基因是调控 阶梯最上级的基因，通常是在卵母细胞周围的滋养细胞中表达，然后其m r n a 或蛋白被输送到 卵母细胞中，这些基因决定了甲期发育的极性和胚胎前后、背腹两个主轴 ( 1 n g h a m ，1 9 8 8 ；n u s s l e i n - v o l h a r d ，1 9 9 1 ；j o h n s t o n ，e t a l ，1 9 9 2 ) 。分节基因( s e g m e n t a t i o n g e n e s ) ，其功能是 进一步强化体节形成，按它们影响范围的大小，可以分为间隙基因( g a pg e n e s ) ，对称基因 ( p a i r - r u l eg e n e s ) 和体节极性基冈( s e g m e n tp o l a r i t yg e n e s ) ，三类基因将胚胎前后轴细分成更小的 间隔。这三类基因有着类似等级关系：间隙基因控制对称基因：对称基因控制体节极性基因。每 类基因中的个别基因义受同组基因的控制。 间隙基因的表达依赖于母体基因，母体基因产物形成的梯度可以活化或抑制间隙基因。间隙 基因在沿前后轴的广泛区域内表达，将胚胎划分为三个大区( a k a m ，1 9 8 9 a ；g a u | 乱a l ，1 9 8 9 ；p a n k r a t z e ta l ，1 9 8 9 ) 。间隙基因产物在它们各自的表达区内形成浓度梯度，这些梯度提供的位置信息指导 着对称基因的表达( a k a m 。1 9 8 9 b ；p a n k r a t z e ta l ，1 9 9 0 ) 。 所有对称基因表达的基本模式是在环绕胚胎的7 条均匀间隔的细胞中表达，使囊胚细胞分化 时沿前后轴产生精确的条带。而体节极性基因的产物是一些信号分子如w i n g l e s s ( w g ) ，功能似形 态发生素，诱导分化和产生不同分化模式。在发育过程中，体节极性基因产物( 信号分子或形态 发生素) 通过浓度梯度的方式为细胞设定了位置域，在细胞间介导信号转导( 图卜5 ) ，协同同源 异形基因决定了细胞分化的类型( t e t s u y a t a b a t a , 2 0 0 1 ) 。 分节基因的活动使胚胎分化成一系列重复的亚体节，每一亚体节的性质与形态特征刚决定 于同源异形基因( a k a m ，e ta l ，1 9 8 i ) 。同源异形基因控制同源组织和器官的分化如果蝇中的腿和眼 睛。同源异形基因最早在囊胚期开始转录，依赖于母体与间隙基因的作用( w h i t e e t a l ，1 9 8 6 ；h a r d i n g ，e ta l ，1 9 8 8 ；i r i s h ，e ta 1 ，1 9 8 9 ) 。同源异形基因一般在染色体上以基因蔟的形式存在， 称为复合位点。果蝇有两个复合位点，一个是控制头胸部体节a n t e n n a p e d i a 复合位点( a n t - o 及 控制胸，腹部体节的b i t h o r a x 复合位点( b x - c ) ( g e h r i n g , e ta l ，1 9 8 6 ；m c g i n n s ，e ta l ，1 9 9 2 ) 。这些复合位 点比较大，其中任何位点发生突变，都会导致体节发育的畸形，例如b x - c 的突变可使第三胸节 ( 生长平衡棒) 变成第二胸 ，( 生跃民翅) ，导致成虫有两对翅膀。a n t - c 的突变可使触角生k 成k 足。 6 中国农业大学博士学位论文 文献综述 厂、，_ 、厂、厂、 m o p l ”驴 e x p r e s $ 1r i g b 廓嗣弼 自峰链峰照阳i 。j j l 、 又jl 血 人一 m d p l x ) g d e x p r 刚n g p r o l i f e r a t i o np r o h f e 日曲n 图卜5 形态发生素运动方式的模式图( t e t s u y a t a b a t a , 2 0 0 1 ) a 图表示形态发生素在细胞间的扩散： b 图表示通过胞吞转移作用彩态发生素跨细胞转运： c 图表示形态发 生素在细胞增长过程中的转移。 f i g u r e1 - 5m o d e l sf o rm o v e m e n to f t h em o r p h o g e nm o l e c u l e n i d i f f u s i o n t h r o u g h t h ee x t r a c e l l u l a rs p a c eb lp l a n a r i r a n s c y t o s i sc i d i s p l a c e m e n t d u r i n gg r o w t h 2 3 3 果蝇基因组 2 0 0 0 年3 月，在著名的科学杂志 公布了第一版黑腹果蝇基因组的全序列，成为9 0 年内组织研究的里程碑( m a r k e ta l ，2 0 0 0 ) 。果蝇使我们在对动物基因组的理解产生了根本的理论和 技术上的突破。果蝇基因组全长1 8 0 m b p ，包括常染色区的1 2 0 m b p 、异染色区的6 0 m b p ( 简单- 的重复序列、转座元件和r r n a 基因) ( 图卜6 ) ，编码基因估计1 3 6 0 1 个( 表卜1 ) 。 m b2 3 0 2 1 。42 4 4器。02 1 82 0 。0 。2 5 4 1 。oe 2 8 。2 h e t e r o g h r o m a t i n - e u c h r o m a 翻 ：) c o n 的m 盯e 霎黔锄 l 4 群黼i # # 1 1 、| 霪i | 豳霍豳y3 ： 图1 - 6 果蝇蜒闭组( m a r k ，c ta l ，2 0 0 0 ) f i g u r ei 6 t h e d r o s o p h i l a m e l a n o g a s t e rg e n o m e 4 0 9 x a n y 中国农业大学博：i ：学位论文 义献综述 表i - i同时应用g e l l e $ c a l l 和g e n i e 软件预测果蝇基因的结果( m a r k , e ta l ，2 0 0 0 ) t a b l e1 - l s u m m a r yo f t h eg e n ep r e d i c t i o n si nd r o s o p h i l ag e n ep r e d i c t i o np r o g r a m sw e r eu s e di n c o m b i n a t i o nw i t hs e a r c h e so f p r o t e i na n de s l d a t a b a s e s 注：+ 表示g e n i ea n dg e n s e a n 同时预测出的，有重叠但井不完全相毗侏示g e n i e 预测到的基因但g e n s c a n 没有预测到，l 表示g e n s c a n 预 测到的但g e n i e 并束预测有的基因，表示没有被预铡但在数据库中已经清楚基因结构的基因 + g e n i ea n do e n s c a nm a t c h e so v e r l a p p e db u tw e r en o tn e c e s s a r i l yi d e n t i c a l ? g e n i ep r e d i c t i o n si nr e g i o n sn o t p r e d i c t e db yg e n s c a nl ：g e n s c a n p r e d i c t i o n si nr e g i o n sn o tp r e d i c t e db yg e n i e ；i nt h ea b s e n c eo f d a t a b o s em a t c h e s ，4 0 0 0c r e n s c w ip r e d i c t i o n sw e l en o ti n c l u d e di nt h ea n n o t a t e d g e n es e t g e n es t r u c t u r e sd e f i n n e db a s e d o t ld a t a b a s e m a t c h e s i n t h e a b s e n e eo f g e n ep r e d i c t i o n s 从摩尔根发现白眼果蝇突变体到果蝇基因组测序工作的完成，在不足百年的时间里，果蝇遗 传学的发展从表型遗传规律的研究到分子水平遗传基础的研究，始终处于遗传学发展的前沿和中 心，为其他动物遗传学的研究提供了模式。表1 - 2 列出了果蝇遗传学研究中的一些主要事件( 表 1 - 2 ) ： 表1 - 2 果蝇遗传学研究中的主要事件 t a b l e l - 2 m a j o re v e n t si nd e v e l o p m e n t