09第十章兰州大学分子生物学基因与发育.ppt

第十章基因与发育,一、免疫系统发育及免疫球蛋白基因表达二、果蝇的发育与调控三、高等植物花发育的基因调控,一、免疫球蛋白基因表达,1.脊椎动物免疫系统（体液免疫）,2.脊椎动物免疫系统（细胞免疫）,MHC：majorhiscompatibilitycomplex主要组织相容性复合体,克隆选择学说,机体内有能产生各种各样抗体的B细胞，外来抗原能激活其中一种或几种B细胞，它们被激活后扩增，产生大量的针对性的抗体（每一个B细胞克隆产生针对一种抗原表位的抗体）。T细胞的情况也类似，针对外来抗原的T细胞被激活。,抗体的类型,人体内有多于11071109种结构不同的抗体分子，每一种都有其独特的氨基酸序列和独特的抗原结合部位。,记忆细胞与次级免疫应答,初级免疫应答完成之后，机体会保留一些特殊的携带相应抗体的B细胞和相应受体的T细胞，这些细胞处于成熟细胞和非成熟细胞的过渡状态，它们还没有获得成熟细胞的所有特性。这些细胞称为记忆细胞，它们的寿命很长。当再次遇到相同抗原时，它们能快速地产生次级免疫应答。,抗原,凡能刺激机体引起免疫反应的物质称为抗原（antigen）。抗原可刺激机体产生相应的抗体或致敏淋巴细胞，这种性质称为免疫原性；同时，抗原又可以与相应的抗体或致敏的淋巴细胞发生特异性的结合，这种性质称为反应原性。抗原必须基本上是异质性物质，还必须是大分子。一般分子量40000时免疫原性较强。人们把只有反应原性但没有免疫原性的物质称为半抗原。半抗原只有与某些大分子偶联后，才具有免疫原性。,抗原决定簇,抗原分子上的特异性化学基团叫做抗原决定簇，它可决定刺激机体产生抗体和致敏淋巴细胞的特异性，并能与相应的抗体或致敏淋巴细胞发生特异性的反应。抗原决定簇都必须含有一定的特异的结构。在天然抗原中，构成蛋白质抗原决定簇所含的氨基酸约5个，其中有一个氨基酸不同即可构成不同的抗原。碳水化合物抗原所含的己糖约6个；核酸半抗原中的一个抗原决定簇包括68个核苷酸。,（抗原表位）,抗体分子IgG的结构,抗体分子中最主要的IgG是由两条轻链和两条重链组成。每一条链有两个区域，一个是可变区，其序列在不同免疫球蛋白中差异很大；另一个是恒定区，它在一族免疫球蛋白中序列事实上是恒定的。,免疫球蛋白基因的结构,轻链和重链由3个独立的多基因家族编码，其中两个家族编码轻链（和），一个家族编码重链。对于全部三类多肽链（重链、轻链和轻链），可变区的多样性由相似的机制产生。这些多肽链的基因分为几种片段。决定轻链的基因家族上有L、V、J、C四类基因片段，L代表前导片段（leadersegment），V代表可变片段（variablesegment），J代表连接片段（joiningsegment），C代表恒定片段（constantsegment）。决定重链的基因族上共有L、V、D、J、C五类基因片段，其中D代表多样性片段（diversitysegment）。,人免疫球蛋白基因的结构,人IgG轻链的DNA的组织结构显示，在未分化的细胞中，这个多肽链的编码信息分为三种片段。V片段编码可变区的前95个氨基酸残基，J片段编码可变区剩余的12个残基，C片段编码恒定区。人基因组含有约300个不同的V片段，4个不同的J片段，1个C片段。每一个V片段前面还有一个L片段。,小鼠免疫球蛋白基因的结构,小鼠的、和重链的基因家族分别位于第6、12和16号染色体上。小鼠的重链和链基因族各有V片段约200个，链的V片段有5个；J片段有5个；D片段有12个。随着淋巴细胞的发育成熟，胚原型DNA将发生基因重排而形成表达型DNA。重链基因经重排后成表达型DNA；同样轻链也经重排后产生表达型DNA。这样每一种淋巴细胞能且仅能产生一种抗体。,Ig基因随B细胞发育阶段重排,鼠胚系Ig基因的构成,人胚系Ig基因的构成,人IgG轻链基因的重排,人IgG轻链基因的重排,免疫球蛋白基因重排的机制,重组信号序列（RSS）（recombinationsignalsequence）,RAG1与RAG2：重组激活基因产物（recombjnationactivatinggene，RAG）,Ig基因各片段之间的反向重复序列,小鼠Ig重链的基因重排、转录与合成的顺序,小鼠Ig重链的基因重排、转录与合成的顺序（续）,抗体的同型转换机制1,重组转换（DNA缺失）,抗体的同型转换机制2,原始转录本的选择性拼接,膜结合抗体与分泌型抗体的转换,免疫球蛋白表达的等位排斥和同型排斥,等位排斥：一个B淋巴细胞只能产生一种抗体。对于重链基因来说，一个染色体上重链基因重排成功会抑制另一个染色体上重链基因的重排，如果第一个染色体上的重链基因重排失败，则另一个染色体上的重链基因发生重排。只有重排成功的基因才能表达。同型排斥：对于轻链基因来说，先进行基因重排，只有当两个染色体上的基因都重排失败后，才会进行基因的重排。所以一个B淋巴细胞中产生的抗体，要么两条轻链都是链，要么都是链。,增强子与Ig基因表达,每一个V片段的前面有一个前导区（L），V和L之间是一个内含子，每一个L前面有一个启动子，在J区和C区之间有一个增强子。只有重排成功，增强子才能激活离它最近的启动子启动转录。这个启动子只在B淋巴细胞中起作用。,体细胞突变增加Ig的多样性,比较表达免疫球蛋白的基因序列和生殖细胞中相对应的基因序列，发现了体细胞突变现象。突变主要在可变区产生，这增加了Ig的多样性。,二、果蝇的发育与调控,果蝇是小型蝇类动物，体长只有几个毫米。作为实验动物，果蝇有很多优点。首先是饲养容易，用一只牛奶瓶，放一些捣烂的香蕉，就可以饲养数百甚至上千只果蝇。第二是繁殖快，在25左右温度下十几天就繁殖一代，一只雌果蝇一代能繁殖数百只。果蝇只有4对染色体，数量少而且形状有明显差别；果蝇性状变异很多，比如眼睛的颜色、翅膀的形状等性状都有多种变异，这些特点对遗传学研究也有很大好处。,果蝇卵母细胞的发育,在卵巢管中，卵原细胞经过4次有丝分裂成为16个细胞，称为并合体的这些细胞通过胞质桥构成内部连接，其中之一以后将发育成卵母细胞（oocyte），其余15个姐妹细胞将发育成抚育细胞。卵母细胞为二倍体，完成减数分裂后为单倍体。,抚育细胞因多次进行DNA复制而成为多倍体。抚育细胞为卵母细胞提供大量的核糖体和包裹在核糖体颗粒中的mRNA，这些mRNA在卵母细胞中的翻译产物将指导胚胎发育的某些过程。滤泡（卵泡）细胞为卵母细胞提供大量的营养物质。,果蝇发育过程中的体节分化,受精卵的发育首先要建立前后、背腹的极性。,受精卵发育成囊胚,一个雄核，一个雌核。,极浆区域（polarplasm）的细胞为生殖细胞的祖细胞。,果蝇胚胎发育中的三类基因,母源基因（母体效应基因）（maternal-effectgenes）,母源基因决定胚的极性，即胚的头尾和背腹轴。这类基因突变时将改变胚发育的模式，如纯合双尾雌性突变体产生具有两个腹部的对称胚。这种突变只受母本基因的影响，而与父本基因无关。这种突变是由存在于卵内的来自母体的mRNA调节的，编码这些mRNA的基因称为母源基因，受这些mRNA翻译产生的蛋白质调节的受精卵基因叫间隙基因（Gap基因）。,果蝇双尾雌性突变体,野生型胚胎双尾突变体胚胎,果蝇胚胎发育中的三类基因,分节基因包括间隙基因（gapgenes）、成对控制基因（pairrulegenes）和分节极性基因（segmentpolaritygenes）。分节基因在受精之后表达。这类基因决定胚胎分节的数量及其极性。如纯合fushitarazu（ftz，没有足够体节。是成对控制基因）突变体的体节数只有野生型体节数的一半。,分节基因（segmentationgenes）,果蝇纯合fushitarazu突变体,（上图）野生型囊胚中ftz转录本的原位观察。基因在7个条纹处表达，每个条纹约宽34个细胞。,果蝇胚胎发育中的三类基因,同源异型基因（homeoticgenes）,这类基因决定体节的发育方向，但不影响体节的数量、极性或大小。这些基因的突变引起身体的一个部分发育出另一部分的表型。如触角突变体（antp）会在头上长出腿来而不是触角；双胸突变体（bx）会将T3体节转变成正常的T2体节，使果蝇长出两对翅膀。,果蝇的同源异型突变,触角突变体,野生型,野生型双胸突变体,三类基因之间的调控关系,调控胚胎发育的4条信号途径,前端系统负责头和胸的发育。后端系统负责腹部的体节。末端系统负责产生顶节（在头部）和尾节（在尾部）。背腹系统决定组织类型的发育（中胚层、神经外胚层、外胚层）。,4条信号途径在卵外起始，每一条途径导致卵中产生形态发生素。,母体系统从卵外起始,形态发生素,在卵母细胞中由母源基因mRNA定位建立梯度,NanosmRNA和Nanos蛋白定位在卵后部,形态发生素Bicoid蛋白和Nanos蛋白的作用,形态发生素是一种蛋白质，它的局部聚集（或活动）左右着周围区域的命运并以此形成特殊的结构。Bicoid蛋白浓度梯度能激活前部驼背基因（hunchback）转录，而Nanos蛋白阻止驼背基因mRNA在后部的翻译。驼背蛋白抑制knirps和（很可能）giant基因的表达，这些基因对于腹部结构的形成是必要的。驼背蛋白最基本的功能是：通过抑制前部knirps和giant基因的表达来抑制前端区域内腹部结构的形成。,不同类型基因控制的内容,母源基因：建立从前部和后部极性的梯度,间隙基因：定义卵中4个较宽的区域,成对控制基因：定义7个条纹（每个条纹是一对体节）,体节极性基因：定义14个条纹（每个条纹是一个体节）,Toll受体在背腹发育中的作用,Toll受体存在于在卵母细胞周围，但将要形成腹侧附近的滤泡细胞分泌出spatzle因子，激活了腹侧的Toll受体。,Dorsal蛋白主要存在于胚盘的腹侧细胞核内，阻止腹侧的细胞发育成背侧的结构。,背腹发育需要3个定位系统的连续作用,鱼雷蛋白,背脊蛋白,背腹发育需要3个定位系统的连续作用,gurkenmRNA定位在背侧，翻译出的Gurken蛋白与背侧的滤泡细胞上的Torpedo受体结合，将信号传入滤泡细胞，抑制背侧滤泡细胞表达Spatzle配体。腹侧的滤泡细胞表达出Spatzle配体与腹侧的Toll受体结合，使得Dorsal蛋白集中到腹侧细胞核内，Dorsal蛋白抑制Dpp蛋白的表达，阻止腹侧细胞发育成背侧结构。而背侧Dpp蛋白的表达是背侧发育必需的。,Dorsal蛋白定位在腹侧细胞核内,腹侧的细胞核表现出红点，而背侧的细胞核表现为阴影。,果蝇的同源异型基因家族,果蝇的同源异型基因可分为两个大的基因家族：一个是双胸复合物（bithoraxcomplex，BX-C），它控制胸和腹部体节的发育；另一个是触角复合物（antennapediacomplex，ANT-C），它控制头和胸的发育。这两个复合物均位于第三染色体上，这两个复合物统称为同源转换基因群（Hom-C）。,两个基因家族的成员,ANT-C包括：1.唇基因（lab）和变形基因（Dfd）特化头部分节2.性梳诱导基因（Scr）和触角（足）基因（Antp）特化胸部分节3.口器（足）基因（pb）主要在成年期起作用，但它缺失时，口部触须转化成腿BX-C包括：1.超双胸基因（Ubx）2.腹A基因（abdA）和腹B基因（abdB）3.还有一个同源异型基因caudal。,同源异型盒和同源结构域,在同源异型基因、分节基因和母源基因中都有这个共同的DNA片段。比较Antp、ftz、Ubx基因外显子3端的DNA序列，发现了一段180bp的保守序列，称其为同源异型盒（homeobox，HB），这3个同源异型盒之间的同源性达7579%；由该序列推测出的相应氨基酸序列表明蛋白水平上保守程度更高，达7587%。同源异型盒编码的相应肽段叫同源结构域（homeodomain，HD），其显著特点是碱性氨基酸残基含量高达30%。,同源异型基因的表达,果蝇的两大基因复合物ANT-C和BX-C中各基因依次排列在第三染色体的右臂上，排列的顺序为从lab至AbdB，表达的顺序也是从lab至AbdB。,同源异型基因之间的调控,同源异型基因之间也有调控作用，如Antp对其后的Ubx、AbdA等是正调控，而到发育后期，Ubx、AbdA反过来对前面的Antp起负调控作用。总之，前部同源异型基因的表达受较后部同源异型基因表达的抑制，即Antp受Ubx抑制，Ubx受AbdA抑制，AbdA受AbdB抑制。,Antp突变对体节分化的影响,Antp的功能是特化第二胸节，当其显性突变时，它在头部和胸部都表达，头部的成虫盘特化成胸，头窝里长出腿而不是触角；当其隐性突变时，不能抑制Antp在第三胸节表达，致使第三胸节形成像第二胸节一样的翅膀。如果整个BX-C缺失，Antp在整个腹部表达，使整个腹部表皮与第二胸节相同，但幼虫不能存活。,其它物种中的同源异型盒,用同源异型盒作探针进一步杂交试验发现，HB序列也存在于环节动物、脊椎动物、鼠和人类基因组中，果蝇Antp基因和非洲爪蟾MM3基因的HB编码多肽中，60个氨基酸残基有59个是相同的。鼠和人的同源异型基因分为4个基因簇，分布在4个不同的染色体上，这些基因叫同源盒基因（homeoboxgenes，Hox）。,脊椎动物中的Hox的结构和功能,脊椎动物中的Hox的结构和功能均可与果蝇中的Hom相对应，像lab负责果蝇体节最前部的发育那样，鼠染色体的对应位点也负责最前部的发育；abdB负责果蝇最后部的发育，鼠对应位点也负责最后部的发育。由于脊椎动物细胞分化与个体发育的复杂性远超过果蝇，故很难看到自然发生的同源异形突变。,三、高等植物花发育的基因调控,拟南芥花器官的结构花有四轮不同的花器官：花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊（心皮）,花器官发育的ABC模型,只有A组基因表达的部位（第一轮）分化产生花萼；A组和B组基因都表达的部位（第二轮）分化产生花瓣；B组和C组基因都表达的部位（第三轮）分化产生雄蕊；只有C组基因表达的部位（第四轮）分化产生心皮。,四轮不同花器官的发育由一些同源异型基因控制。这些同源异型基因可分为三组：A、B、C。A基因在第一轮和第二轮表达，B基因在第二轮和第三轮表达，C基因在第三轮和第四轮表达。,花器官发育的ABC模型,花器官发育的ABC模型,ABC模型有3个基本原则：第一，每一个类型的同源异型基因作用于相邻的两个轮，当基因突变时其所决定的花器官表型发生改变；第二，花同源异型基因的联合作用决定器官的发育；第三，A类和C类的基因表达不相互重叠。但是随着研究的深入和克隆出的花同源异型基因数量的增加，出现了许多该模型无法解释的现象。,E组基因,通过调控ABC基因的表达，可以人为地操作每轮花器官发育状态，但是，却无法使叶片转变成花器官。由此可见，这些基因虽然对花器官的发育至关重要，但是它们并不是营养器官转化成花器官的充分条件。这预示着由营养器官向花器官转变还有另一类花特征基因参与。最近，在寻找与ABC类基因相互作用的蛋白时发现了SEPALLATA（SEP）基因。人们将这类基因称为E组基因。,花器官决定的四聚体模型,通过对这些基因表达蛋白的相互作用的研究，人们推测这些复合体以四聚体形式存在：2A+2SEP决定萼片；A+2B+SEP决定花瓣；2B+C+SEP决定雄蕊；2C+2SEP决定心皮。SEP和ABC基因都是同源异型的MADS-box转录因子。另有主要影响胚珠发育的基因称为D组基因。,同源域基因（同源异型基因）,科学家最早在1990年利用转座子标签的方法从金鱼草中分离并克隆出同源域基因DEFA（deficiens）。研究发现，该基因编码的蛋白质与两个已知的转录因子，即哺乳动物中的SRF（serumresponsefactor）和酵母中的MCM（minichromosomemaintenancegene）的一个保守区域有很高的同源性，这一区域由5658个氨基酸残基组成，参与二聚体化并与DNA结合。后来又发现了很多具有这一保守区域的转录因子，包括AG（agamous）。后来将这个保守的区域命名为MADS盒。具有MADS盒的蛋白质都是转录因子，它们的基因都被归入同源域基因家族。,拟南芥一些基因在花中的表达部位,E组基因,C组基因,A组基因,B组基因,SUPERMAN,AP1基因,AP1（APETALA1）基因在任何花器官分化之前，于花原基中高水平表达，它在叶原基中并不表达。AP1编码的是一个转录因子，该转录因子是一个MADS结构域蛋白家族成员。AP1是促进成花的一个主要基因。AP1基因突变会导致无花瓣，说明它也影响花器官的形成。AP1既是花分生组织的特征基因，又是花器官的特征基因。在花分化初期，它在整个花原基里表达；在花器官分化阶段，AP1在萼片和花瓣中表达。用35S:AP1转化的拟南芥表现出次级花序枝转变成单花，以及出现顶花等表型。AP1基因的功能是在时间上、空间上调节花分生组织的形成与花器官的确认与发生。,AP2基因,AP2（APETALA2）基因属于ABC模式中的A类基因，属于同源异型基因。AP2突变会使得花萼变成心皮，花瓣变成雄蕊。AP2也含有MADS盒，其表达产物也是一个转录因子。AP2的表达不局限于花，在叶原基中也有表达。AP2在花的发端中也起作用。根据ABC模式，A类基因抑制C类基因在花的第一、第二轮表达，而C类基因抑制A类基因在第三、第四轮表达。但原位杂交显示，AP2基因在四轮中均有表达，反而AP1的表达受到AG（C类基因）的抑制。,参与诱导开花信号产生、传递和感知的基因,拟南芥是一种兼性的长日植物，在长日照条件下要比在短日照条件下开花早得多，可见长日照能促进开花基因的表达。植物感受光周期的部位是叶片，而发生反应的部位是茎端。叶片感受光周期后，产生的信号通过输导组织由叶片传递到茎端，使茎端分生组织发生分化，由茎端分生组织转变成花分生组织，导致开花。长日照条件能促进开花基因表达，导致开花。反过来说，如果能人为促进某个基因表达，使得拟南芥在短日条件下提前开花，说明这个基因是开花基