第7章 基因与发育

第七章基因与发育,性别决定个体发育-基因按时空顺序表达的结果,性别的决定机制,性别决定的类型,环境决定型：较低等的生物中：某些两栖类、鱼类基因决定型：大多数的生物,昆虫：X:ADiploidHaploid两栖类zz/zwxx/xy鸟类zz/zw哺乳类：xx/xy,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,果蝇性别决定：,哺乳类性别决定基因,Testisdetermination,Discovery,XYSRY+女性XXSRY-男性在小鼠的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。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，着正常情况下，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。,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。,X染色体失活作为基因剂量补偿机制,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：ABFFFMM,XAXB个体组织打碎分离细胞,AB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,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,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,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)。,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。,发育遗传学的研究特点,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对执行了发育进程的调控。,个体发育的生物学功能,细胞分化的多样性功能细胞分化形态建成生长生命的延续性功能性别分化繁殖,细胞定向（commitment）,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地过程。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，具有多向分化功能起核心作用的基因。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。,细胞编程性死亡（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编程性死亡。细胞凋亡（apoptosis）是编程性死亡的一种方式。,细胞编程性死亡(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，尾巴的细胞进入编程性死亡。人的指（脚）蹼细胞在胚胎56天后进入编程性死亡。本该死亡的基因不死亡，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。,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,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,Bcl-XL,细胞凋亡基因,ICE基因：表达白介素转移酶，诱导细胞凋亡。bax基因抑制bcl-2，诱导细胞死亡。bcl-2人的原原癌基因，促使细胞生长。ced-9线虫中与人bcl-2的同源基因。,胚胎发育,卵裂（cleavage）:受精卵不断分裂成较小细胞，形成l卵裂球或囊胚的过程。受精卵2个细胞4个细胞8个细胞桑葚胚囊胚内细胞团胚泡腔滋养细胞胚胎,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。,人的发育过程,Fig25.1EmbryonicdevelopmentofthemarineanimalAmphioxus,aprotochordate.,2003JohnWileyandSonsPublishers,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。,Vogt(1929)fatemap,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,干细胞(Stemcell),定义特点分类全能干细胞多能干细胞专能干细胞,干细胞（stemcell）,干细胞：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。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何器官。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,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,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,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。,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,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？,模式形成（patternformation）（图式形成）,胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞有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-posterioracis)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。,胚胎,命运图,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(homoeoticgene),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）,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