第十一章 遗传与发育.ppt

第十一章遗传与发育 第十五章遗传与发育 高等生物从受精卵开始发育 经过一系列细胞分裂和分化 长成新的个体 这个过程通常称为个体发育 细胞怎么能发生分化呢 其中基因起什么作用 细胞质又有什么影响 这些都是发育遗传学研究的内容 第一节发育遗传学概论 胚胎学 受精 出生 胚胎发育遗传与发育 细胞核 染色体 形态构造因子细胞质 胚胎缺陷 细胞核和细胞质在个体发育中的作用一 细胞质在细胞生长和分化中的作用动 植物的卵细胞虽然是单细胞的 但它的细胞质内除显见的细胞器有分化外 还存在动物极 植物极 灰色新月体和黄色新月体等分化 这些分化的物质将来发育成什么组织和器官 大体上已经确定 早在20世纪最初的20年中 人们就发现 如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答 因为这些生物的细胞数量更少 分布相对单一 变化也较好观察 由于进化的原因 细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性 所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的 模式生物的应用 尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时 发育的普遍原理也就得以建立 因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义 所以它们被称为 模式生物 第一个被用作模式生物的是海胆 SeaUrchin 它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用 早在1875年 奥斯卡 赫特维格 OscerHertiwig 1849 1922 就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用 1890年后 海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起了重要作用 1891年 汉斯 德瑞熙 HansDriesh 1876 1941 在海胆中完成了海胆胚胎分裂实验 为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑 他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二 结果发现 分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫 这一实验的意义在于证明胚胎具有调整发育的能力 并使盛行一时的机械论发育思想完全破产 海胆卵的切割实验 二 细胞核在细胞生长和分化中的作用伞藻是一种大型的单细胞海生绿藻 细胞核在基部的假根内 据研究 控制子实体形态的物质是mRNA 它在核内形成后迅速向藻体上部移动 编码决定子实体形态的特殊蛋白质的合成 嫁接试验 三 细胞核和细胞质在个体发育中的相互依存在个体发育过程中 细胞核和细胞质是相互依存 不可分割的 细胞核内的 遗传信息 决定着个体发育的方向和模式 为蛋白质的合成提供模板 mRNA 以及其它各种重要的RNA 从而控制了细胞的代谢方式和分化程序 细胞质则是蛋白质合成的场所 并为DNA的复制 mRNA的转录以及tRNA rRNA的合成提供原料和能量 另一方面 细胞质中的一些物质又能调节和制约核基因的活性 使得相同的细胞核由于不同的细胞质的影响而导致细胞的分化 第二节基因在细胞分化和细胞决定中的作用 基因与发育过程个体发育阶段性转变的过程 实质上是不同基因被激活或被阻遏的过程 在发育的某个阶段 某些基因被激活而得到表达 另一些基因则处于被阻遏状态 在发育的另一阶段 原来被阻遏的基因因激活而表达了 原来表达的基因却被阻遏 基因是否得到表达 可从它的表达产物一蛋白质或转录产物mRNA 差异显示 或通过比较突变型与野生型的表型来推断 一 单细胞生物的细胞分化与发育的调控分化与发育比较简单芽孢RNA聚合酶 2 二 多细胞生物细胞分化与细胞决定自主特化条件特化合胞特化 例1噬菌体的分化和自然装配控制T4噬菌体各 部件 的合成以及装配 需要70个基因 大致分成二类 早期基因 主要控制早期侵染行为 产生早期的mRNA 编码合成噬菌体DNA的酶等 晚期基因 主要控制蛋白质 部件 的合成 装配新噬菌体并产生溶菌酶 无论早期基因或晚期基因发生突变 不能形成完整的噬菌体 2 细胞粘菌的发育控制在盘基网柄菌的不同发育阶段 由不同的阶段性专一酶 分别在发育的早期 中期 晚期发挥作用 早期酶 N 乙酰葡萄糖胺酶 甘露糖苷酶中期酶 苏氨酸脱氨酶海藻糖磷酸合成酶晚期酶 碱性磷酸酯酶 葡萄糖苷酶 3 高等植物发育中基因的顺序表达高等植物发育中基因的表达在时间和空间上都是受到精确控制的 某一特定发育时期某些mRNA及蛋白质合成的变化 即有关基因根据植物发育的需要依次表达的结果 大豆种子发育过程中七种不同类型mRNA出现时间及相对数量 线条粗细代表mRNA的相对含量 4 高等动物发育中基因的顺序表达人的血红蛋白是由两条相同的 链和两条相同的 链聚合而成的四聚体 即 2 2 链基因簇包括一个活性 基因 2个活性 基因 1个 假基因 2个 假基因 链基因簇含有5个功能性基因 1 2 1 和1 基因 1个 假基因 在人的一生中 血红蛋白的链要经历多次变化 即这些不同的链是在发育的不同时期表达的胚胎期 8周前 2 2 2 2 2 2胎儿期 3 9个月 2 2成人期 自出生开始 2 2 2 2 三 秀丽隐杆线虫的细胞特化 一种是完全程序化的发育模式 C elegans 体长1mm 生命周期3天 胚胎发生期16小时 1 2n 12 基因组8 107bp 约13 500个基因 相当于人的1 30 2 1090个体细胞 131个进入程序性死亡 成体由959个细胞组成 3 与原核相似25 左右的基因产生多顺反子mRNA4 基因组中非重复序列达83 E coli为100 真核生物都在50 以下 5 大部分是XX型自体受精的两性体 XO型为雄体 突变型 约占1 500 五 个体发育的阶段性个体发育存在阶段性 在个体发育的过程中 各种性状的发育 从受精卵开始分裂时就开始了 这种个体发育的阶段性实质上是不同基因的被激活或被阻遏的过程 四 细胞程序性死亡与细胞凋亡 四 环境条件的影响生物个体的发育 与个体所处的环境条件密切相关 环境中的很多生物及非生物因子 都可以调控相关基因的表达 影响个体发育 二 基因与发育模式个体发育所经历的不同阶段 总是遵循预定的方向和模式 这是由个体的基因所决定的 同形异位基因就是其中的一种主要类型 同形异位基因控制个体的发育模式 组织和器官的形成 同形异位基因最早发现于果蝇胚胎发育中 果蝇的触角脚突变 能够使果蝇头上触角部位长出脚来 这种脚与正常的脚形态相同 但生长的位置却完全不同 这种现象称为同形异位现象 目前已在果蝇 动物 真菌 植物及人类等几乎所有真核生物中发现有同形异位基因的存在 受同形异位基因调节的结构基因包括控制细胞分裂 纺锤体形成和取向 细胞分化等发育过程的基因 目前对这些结构基因的鉴定和克隆的报道还不多 第三节早期胚胎发育 一 受精 卵原细胞 初级卵母细胞 二倍体 1成熟卵 3极体 分裂 在排卵前进行 在精子穿入的刺激下完成分裂 精原细胞 多次有丝分裂 部分细胞停止分裂 吸取营养 胞体增大 变为初级精母细胞 二倍体 初级精母细胞 成熟分裂 产生精细胞 经复杂的形态结构变化 精子 精子 抗受精素 antifertilizin 专一性糖蛋白 卵子 受精素 fertiLinn 通过这两种蛋白质之间的反应 获能被激活的精子顶体酶使精子得以穿过透明带而进人卵膜周围间隙 附于卵膜表面 然后精子和卵子的细胞膜相互融合 精子的细胞核和细胞质进人卵内 旋转180 细胞核膨大变圆 成为雄原核 精子的穿人刺激次级卵母细胞生成卵子 其细胞核称为雌原核 雌原核和雄原核移动至细胞中部 核膜消失 细胞核合二为一完成受精 二 卵裂 受精卵形成后即不断分裂成较小的细胞 这个过程称为卵裂 cleavage 卵裂的速度很快 每卵裂一次所需的时间依物种而异 卵裂产生的细胞称为卵裂球 blastomere 卵裂球只是数量增多 每个卵裂球没有生长 总体没有增大 斑马鱼15s海胆30s蛙60s小鼠10 20h 三 胚层分化 第四节基因在胚胎极性生成中的作用 滤泡细胞 滋养细胞 果蝇卵泡外表面含有一层滤泡细胞 它包围在滋养细胞的四周 滋养细胞紧靠着卵母细胞 滋养细胞通过胞质桥彼此相连 也和卵母细胞的两侧相通 滤泡细胞是体细胞 滋养细胞和卵母细胞是生殖细胞 果蝇胚胎的早期发育 受精卵 合胞体胚囊 分裂1 8次 细胞胚囊 控制发育的三类基因 1 母体基因 maternalgene 1 影响前 后极性的基因有bicoid bcd 两头尖 的前部群有nanos nos 侏儒 的后部群有torso 中段 和caudal的端部群2 影响背腹极性的基因dorsal dal 和toll 2 影响身体分节的基因1 合子基因 zygotic 2 副节 parasegments 3 裂缺基因 gapgene 将胚胎分成对应于副体节的主要区域4 配对法则基因 pair rulegenes 确定胚胎中的副体节5 体节极化基因 segmentpolaritygenes 负责副体节中细胞类型的特异化突变引起体节特定区域的缺失 果蝇幼虫和成虫的体节和副节 3 影响体节一致性的基因 同源异形基因 homeoticselectorgenes 1 触角足复合体 ANT C 该基因的突变使触角变成了第二对腿 2 双胸复合体 BX C 含有几组控制胸节发育的同源异形基因 若发生突变会导致腹部形态的改变 第五节性决定 一 果蝇的性别决定 一 果蝇Y染色体的功能 二 性指数的作用 三 Sxl基因是主开关 四 Sx1控制体细胞性别分化基因 五 剂量补偿作用 二 哺乳动物性别决定 哺乳动物性决定 初级性决定 性染色体的决定次级性决定 性腺决定 次级性征通常是由性腺分泌的激素所决定的 胎兔的性腺在分化之前加以切除的实验结果表明 在没有性腺的情况下 不管其核型是XX还是XY 发育生成的兔子是雌性 都有输卵管 子宫和阴道而没有阴茎和雄性的生殖结构 三 Y染色体的睾丸决定基因 1 经测序分析 发现SRY含79个氨基酸的模体 且和高泳动蛋白 Highmobilitygroup HMG 同源 具有DNA结合蛋白的特点调控的功能 2 哺乳动物中SRY仅在雄性中存在 3 小鼠Sry表达的时空性符合Tdy的决定作用 4 经分子杂交发现XY雌鼠缺失了Sry序列 XY性反转小鼠Y染色体片断易位到X染色体上 5 在46xy女性的SRY编码序列中曾发现过错义 无义和移码突变 6 Koopman等将含有Sry的DNA片断导入XY雌性胎鼠中 结果部分转基因鼠产生了性反转 在胚胎发育的第一个月 胎儿并无两性分化 在形态上是中性的 胚胎时期的原始性腺由两部分组成 其中包括有原始卵巢组织和睾丸组织 此外 在中性胚胎中存有两条生殖导管 有性别已经分化了的正常个体中 两种性腺组织和导管只有其中一套发育 非雌即雄 人类的性别决定与一种叫HY抗原的物质有关 它是一种含有162个氨基酸的蛋白质 存在于雄性个体所有组织的细胞膜上 它能使处于中性状态的性原基分化发育成睾丸 如果没有这种抗原存在 原始性腺将发育成卵巢 睾丸决定基因是HY抗原的结构基因 以后的性别分化就依赖于雌 雄激素的作用 雄性激素睾丸酮由睾丸产生 1 决定输精管 精囊腺 附睾的分化 2 在5 还原酶作用下产生二氢睾丸酮 决定前列腺和外处殖器的发育 3 睾丸酮能否发挥作用还取决于靶细胞上是否含有雄性激素的受体 雌性激素由卵巢产生 促进女性内外玫殖器管的发育 维持正常月经 有悖于SRY Sry决定睾丸发育的报道 1 人类家族性XX性反转男性的某些病例并不存在SRY基因 但有的可发育成正常的男性 2 报道15例带有两性或女性外生殖器的XY患者发现有Xp部分重复 但SRY基因都是明显正常的 3 南美仓鼠Akodone有两种Y染色体 一种Y染色体不能诱导性腺分化 产生不育的XY雌鼠 经Sry测定发现是因为在性分化阶段Sry未能表达 4 在Ellobius属的鼹 田鼠 mole vole 两个种中是没有Sry的 但性别依然可以分化 5 Talpa属所有雌鼠都没有Sry 性腺却发育成卵睾 ovotestes 新提出的一个人类性别决定和分化的模型 四 环境因子与性决定 一 爬行类的温度性别决定大部分由性染色体决定但某些龟鳖类和所有的鳄鱼 性别受精后的环境因子决定 这些爬行类在发育某个时期内卵的温度是性别的决定因子 当卵在22 27 温度中孵化时 只产生一种性别 当卵在30 以上的温度中孵化时 则产生另一种性别 只在很小的温度范围内同一批卵才会孵化出雌性和雄性两种个体 二 后螠的位置性别决定 后螠雌虫体大 体形像一颗豆子 宽10cm 口吻很长 可达1m 远端分叉 雄虫很小只有1 3mm长 生活在雌虫的子宫中 像一