遗传学第十二章遗传与发育ppt课件

1、 第十二章 遗传与发育一、遗传与发育一槪念 发育是基因按照特定的时间与空间进展程序化表达的过程。研讨基因对发育的调控作用的学科就是发育遗传学developmental genetics。 特化 决议二早期胚胎发育二早期胚胎发育 P3761、配子发育与受精、配子发育与受精 精卵构成、受精信号精卵构成、受精信号2、卵裂与囊胚构成、卵裂与囊胚构成 除哺乳动物以外，多数动物合子基除哺乳动物以外，多数动物合子基因组暂时不表达，即转录处于抑制形状。因组暂时不表达，即转录处于抑制形状。卵裂所需的物质主要来源于受精前储存卵裂所需的物质主要来源于受精前储存在卵细胞质中的母源性分子，包括在卵细胞质中的母源性分子，

2、包括mRNA和蛋白质等，及其受精后的翻译和蛋白质等，及其受精后的翻译产物。这些母源性物质可以支持受精卵产物。这些母源性物质可以支持受精卵发育到囊胚期发育到囊胚期Blastocyst )。3、胚轴建立与图式构成、胚轴建立与图式构成 背腹轴背腹轴(D-V)、前后轴、前后轴(A-P)、左右轴。、左右轴。 遗传控制发育的图式遗传控制发育的图式patternpattern，发育那么是基因按严厉的时间和空间顺发育那么是基因按严厉的时间和空间顺序表达的结果，是基因型与环境因子相序表达的结果，是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型的过程。互作用转化为相应表型的过程。 无脊椎动物和脊椎动物，如无脊椎动物和脊椎

3、动物，如线虫、果蝇和人类的发育途径根本一样，线虫、果蝇和人类的发育途径根本一样，控制发育的基因在进化上是保守的，在控制发育的基因在进化上是保守的，在构造和功能上有很高的同源性。构造和功能上有很高的同源性。研讨发育方式生物研讨发育方式生物二、果蝇早期胚胎发育的遗传控制二、果蝇早期胚胎发育的遗传控制( (一概论一概论 果蝇的生活周期从受精卵开场经过果蝇的生活周期从受精卵开场经过5 5个不个不同阶段的成体前同阶段的成体前pre-adultpre-adult发育发育, , 包括胚包括胚胎、三个幼虫期和蛹期胎、三个幼虫期和蛹期, ,最终构成成虫。最终构成成虫。果蝇卵的构造果蝇卵的构造具有前具有前ante

4、rioranterior、后后posteriorposterior、背背dorsaldorsal、腹腹ventralventral区。区。果蝇受精后果蝇受精后3 3小时的胚胎发育小时的胚胎发育 受精约受精约30min30min后后, ,受精卵中来自亲本配子的受精卵中来自亲本配子的核交融，构成合子核。核交融，构成合子核。 合子核约每合子核约每10 min10 min分裂一次，产生多分裂一次，产生多核细胞，生成合胞体胚盘核细胞，生成合胞体胚盘syncytial syncytial blastodermblastoderm 约约1010次分裂后次分裂后1h 30 min1h 30 min，产生约，产

5、生约512512个核，这些核往卵的外层迁移。个核，这些核往卵的外层迁移。 受精后约受精后约2.5h2.5h，卵的外表进展，卵的外表进展4 4次额外次额外的核分裂，在后极的核分裂，在后极posterior poleposterior pole组成组成的极细胞的极细胞pole cellpole cell成为种系细胞成为种系细胞germ germ cellscells的前体。的前体。 约约3h3h后，核包裹在膜中，在胚胎外表后，核包裹在膜中，在胚胎外表构成单层细胞构成单层细胞细胞胚盘细胞胚盘cellular cellular blastodermblastoderm, ,约约60006000个体细胞

6、。个体细胞。 约第约第1212次分裂周期，细胞开场迁移，次分裂周期，细胞开场迁移，胚盘进入原肠胚生成胚盘进入原肠胚生成gastralationgastralation期，期，并分化出外胚层并分化出外胚层ectodermectoderm、中胚层、中胚层mesodermmesoderm和内胚层和内胚层endodermendoderm。早期胚胎发育各时段的切片早期胚胎发育各时段的切片, , 荧光处为核荧光处为核DNADNA成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的 果蝇胚胎中的体节、分区和副体节parasegments，Ma，Mx和Lb表示将发育成头部的体节；T1-

7、T3是胸部体节；A1-A9为腹部体节，每个体节分为前A后P区；副体节代表早期的图式特化 果蝇幼虫的成虫盘和成体构造对照二果蝇卵的极性构成、体节的分化二果蝇卵的极性构成、体节的分化 果蝇卵的极性构成、体节的分化是受一果蝇卵的极性构成、体节的分化是受一系列基因级联系列基因级联(cascade)(cascade)反响调控的。反响调控的。 参与果蝇卵的极性构成、体节的分化的参与果蝇卵的极性构成、体节的分化的基因有三类：母体效应基因基因有三类：母体效应基因maternal-maternal-effect genes)effect genes)、分节基因、分节基因(segmentation (segmen

8、tation genes)genes)、同源异形基因、同源异形基因 (homeotic genes) (homeotic genes)。1 1、母体效应基因、母体效应基因maternal-effect genes)maternal-effect genes) 母性效应基因编码转录因子、受体和母性效应基因编码转录因子、受体和调理翻译的蛋白，在卵子发生调理翻译的蛋白，在卵子发生oogenesisoogenesis中转录，产物由滋养层细中转录，产物由滋养层细胞合成并保送入卵母细胞中，由细胞骨架胞合成并保送入卵母细胞中，由细胞骨架瞄定在细胞质的不同区域，沿前瞄定在细胞质的不同区域，沿前- -后轴呈后轴

9、呈梯度梯度gradientgradient分布。分布。 母性效应基因产物的梯度起始胚胎发母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育育, ,突变研讨指出，调理果蝇发育的母性突变研讨指出，调理果蝇发育的母性效应基因约效应基因约4040个。如：个。如：bicoid, nanos.bicoid, nanos. A-P A-P轴前端由轴前端由bicoid mRNAbicoid mRNA及其表达产物的梯度及其表达产物的梯度决议决议 A-P A-P轴的后端由轴的后端由nanosnanos基因的作用决议基因的作用决议 bicoid bicoid和和nanosnanos基因产物的协同作用生成早基因产物的协同作用生成早期

10、胚胎期胚胎A-PA-P轴轴2 2、 分节基因分节基因 分节基因决议体节的构成。主要包括分节基因决议体节的构成。主要包括: :裂隙基因裂隙基因gap genegap gene，成对规那么基因成对规那么基因pair-rule genepair-rule gene, ,体节极性基因体节极性基因(segment polarity).(segment polarity).裂隙基因裂隙基因gap genegap gene的表达结果的表达结果 成对规那么基因pair-rule gene的表达使胚胎中段前后轴构成7个区带。 体节极性基因(segment polarity)的表达使胚胎中段前后轴进一步构成14个

11、区带。3 3、同源异形基因、同源异形基因homeotic geneshomeotic genes 主要包括触角足复合体主要包括触角足复合体 Antennapedia Antennapedia complexcomplexANTP-CANTP-C和和 双胸复合体双胸复合体 Bithorax Bithorax complexcomplexBX-CBX-C。 胚胎体节的划分确定后，同源异形基因担任确定每个体节的特征构造。假设发生突变，会使一个体节上长出另一个体节的特征构造，如Pb基因的突变使触须变成腿和UbX突变成四翅果蝇。 同源异形基因的构造特点：具有同源异形框。有多个启动子和转录起始点。有多个内

12、含子。同源异形基因之间的相互排斥。 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。 同源异形基因族的保守性同源异形基因族的保守性基因构造和组织方式的保守性基因构造和组织方式的保守性基因表达图谱的保守性基因表达图谱的保守性基因功能的保守性基因功能的保守性三、线虫的发育三、线虫的发育一最简单的多细胞方式动物一最简单的多细胞方式动物-线虫线虫 canorhabditis eleganscanorhabditis elegans。是一种在土壤里生活的蠕虫，体长是一种在土壤里生活的蠕虫，体长1mm,1mm,身体透明身体透明, ,可实验可实验室培育。生活周期约室培育。生活周

13、期约2d2d，包括胚胎期约，包括胚胎期约16hr16hr，4 4个幼个幼虫期虫期L1-L4L1-L4和成体期。和成体期。v成体有两种性别：雌雄同体成体有两种性别：雌雄同体hermaphroditieshermaphroditiesv 为为1212，XXXX，产生卵子和精子；雄体为，产生卵子和精子；雄体为1111，XOXOv 雌雄同体的雌雄同体的C.elegansC.elegans有有959959个体细胞个体细胞. .v C Celeganselegans基因组全序列已测定，由基因组全序列已测定，由9.79.7104kb104kb组成组成,2n=12,2n=12。单倍体基因组含有约。单倍体基因组

14、含有约1500015000个基因。个基因。vC.elegansC.elegans的胚胎发育中的胚胎发育中, , 最早的胚胎分裂是不对称的最早的胚胎分裂是不对称的, , 第一次有丝分裂产生大的第一次有丝分裂产生大的ABAB和小的和小的P1P1子细胞子细胞,28,28细胞期开细胞期开场原肠构成场原肠构成 P1-P4 P1-P4为接受了种系颗粒为接受了种系颗粒germ line germ line granulesgranules的性细胞系的前体细胞。的性细胞系的前体细胞。 早期卵裂期间，不对称分裂产生一个早期卵裂期间，不对称分裂产生一个“分化的子细胞分化的子细胞, ,称为奠基者细胞称为奠基者细胞f

15、ounder founder cellscells，以，以AB.MS.E.CAB.MS.E.C和和D D表示表示, ,和一个干细胞和一个干细胞P1-P4P1-P4细胞系细胞系 进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体的的959959个体细胞。个体细胞。二细胞谱系表示图二细胞谱系表示图lineage diagramlineage diagram阐明每阐明每个体细胞的生活史个体细胞的生活史 雌雄同体的雌雄同体的C.elegansC.elegans的完好的细胞谱系的完好的细胞谱系三三 卵孔卵孔vulvavulva构成的遗传分析构成的遗传分析1 1、 C.elegans C.e

16、legans的生殖系统的生殖系统2 2、卵孔的发育方式：、卵孔的发育方式： 细胞经过信号分子来改动其它细胞基因组细胞经过信号分子来改动其它细胞基因组 基因的表达活性，来影响靶细胞的发育命运，基因的表达活性，来影响靶细胞的发育命运，最终产生细胞构造和功能的分化。最终产生细胞构造和功能的分化。 卵孔的决议大致分为三个阶段：卵孔的决议大致分为三个阶段：1 1锚定细胞的决议锚定细胞的决议 由二龄幼虫期由二龄幼虫期Z1.pppZ1.ppp和和Z4.aaaZ4.aaa两个细胞相两个细胞相互作用，其中互作用，其中Z1.pppZ1.ppp分化为生殖腺锚定细胞分化为生殖腺锚定细胞 (AC) (AC)。此过程中，

17、。此过程中，Lin-12Lin-12基因起着决议作用。基因起着决议作用。2 2ACAC与与6 6个个Pn.pPn.p细胞相互作用确定初级卵孔细细胞相互作用确定初级卵孔细胞和次级卵孔细胞的构成。胞和次级卵孔细胞的构成。 在锚定细胞在锚定细胞anchor cell,AC anchor cell,AC 中中,lin-3,lin-3被激活被激活, , 分泌一种与脊椎动物的表皮分泌一种与脊椎动物的表皮生长因子类似的生长因子类似的Lin-3Lin-3蛋白蛋白, , 作为信号分子；作为信号分子；前体细胞那么表达由前体细胞那么表达由let-23let-23基因编码的细胞外基因编码的细胞外表受体表受体Let-23Let-23蛋白。蛋白。Lin-3Lin-3与与Let-23Let-23衔接，扳衔接，扳动前体细胞动前体细胞p5p,p6pp5p,p6p和和p7pp7p构成初级卵孔细胞或构成初级卵孔细胞或次级卵孔细胞。次级卵孔细胞。 其中P6.p与AC最近，接受的信号最强， P6.p 中的vul基因被激活，最终分化为初级卵孔细胞。P5.p和P7.p接受信号相对较少，而分化发育为次级卵孔细胞。