《基因与发育》PPT课件.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 DevelopmentalGenetics 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genomeequivalence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binaryswitch 双重开关binaryswitch 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 smalleye 基因 1995年WalterGehring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 ectopicexpression 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 autonomousspecification 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 conditionalspecification 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 syncytialspecification 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 Caenorhabditiselegans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 programmedcelldeath 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 programmmedcelldeath 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 celldeathabnormal 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 EmbryonicdevelopmentofthemarineanimalAmphioxus aprotochordate 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 Stemcell 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 embryonicstemcell 多能干细胞 pluripotentstemcell 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 multipotentstemcell 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 MedisonUniversity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 HopkinsBayviewHospital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 VincentTropepe sciencevol287 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 EglitisHematopoieticcells microgliaandmacrogliainbrain1999年2月 Christopher R R BjornorsonNeuralstemcells bloodcells1999年4月 Mark F PittengerHumanmesenchymalstemcells bone cartilage fat tendon muscleandstroma1999年5月 B E Petersenbonemarrowstemcells hepaticovalcells 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 patternformation 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 embryonicaxes 形成和相关细胞的分化胚轴 前 后轴 anterior posterioraxis 背 腹轴 dorsal ventralaxis 中 侧轴 或左 右轴 mediolateralaxis 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 posterioraxis 背腹轴 dorso ventralaxis 远近轴 proximo distalaxis 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 innercellmass 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 maternaleffectgene 裂隙基因 gapgene 成对规则基因 pair rulegene 体节极性基因 segmentpolaritygene 同源异形基因 homeoticgene 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 effectgenes dldl X Mutationembryoduetomaternaleffect dldl X Wide typeembryo dl dorsalgene是果蝇母系影响基因之一 胚胎 命运图 母性效应基因 maternal effectgenes 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 zygoticgenes 又称为分节基因 segmentationgenes 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 gapgenes 成对规则基因 pair rulegenes 和体节极性基因 segmentpolaritygenes 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gapgene 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 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 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bicoidmRNA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 stripepattern segmentpolarity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 genetichierarchy 同源异形基因 homeoticgenes 或选择者基因 selectorgenes 主要包括Antennapediacomplex ANT C 和Bithoraxcomplex 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 homeobox 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 28 C 32 C 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 ADiploid Haploid两栖类zz zwxx 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sxl tra dsxX 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testisdeterminingfactor 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 XgYXgXgXgXgXgaYXgaXgXgaXg 拟常染色体区 XgXg和XgY婚配 生有一个XgaXg的女儿XgXgXgXXgaXgXga Testisdetermination Discovery 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 ZiXX 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XAXAXBXB XAXB男性有XAY XBY提取G6PD 电泳 A B FFFMM 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 chromosomeinactivationcentre 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RPS4X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MIC2XgSTSX抗原血型酯酶Xp22 32 7 性相关遗传 1 伴性遗传 sex1inkedinheritance 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 sexinfluenceddominance 是指基