遗传和个体发育细胞生物学专家讲座

第十二章遗传与个体发育

第一节细胞质在遗传中作用一、细胞质不均一性和细胞分化1、海胆切割试验：

海胆受精卵最初两次分裂沿着对称轴进行，形成4个细胞所含物质基本上一致。沿对称轴分开，每个细胞可正常发育并长成小幼虫。水平分开上半部分发育成空心球形胚，表面长着许多纤毛，但不能再往前发育，许多天后死亡；下半部分发育成一个比较复杂但不完整胚胎，它没有纤毛，能分化出内胚层，很快也死亡。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第1页一、细胞质不均一性和细胞分化2、角贝早期发育：角贝细胞质能够分为三层:

动物极上方三层色素区A

植物极→极叶→受精卵分裂为B分裂球→A或B吸收极叶→形成极叶→ABCD4个分裂球中1个吸收极叶→发育成正常个体。假如除去极叶，卵只能发育成有部分欠缺胚体。使用角贝近缘种，发觉除去极叶后产生畸形胚，与正常胚相比较，发觉RNA合成速率不一样，深入研究发觉，是因为mRNA合成降低。所以，极叶细胞质能调整核基因活性，以某种形式影响基因作用，从而诱导了细胞分化。3、果蝇极细胞质移植试验：略遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第2页二、细胞质对染色体行为影响

小麦瘿蚊三、细胞质对性染色体影响：X染色体失活1、人巴氏小体2、三色猫（玳瑁猫）：毛皮上有三种颜色，黄色、黑色和白色。

黄色：XO黑色：Xo

在不是黄色和黑色地方就是白色。

白色：由常染色体上不完全显性基因S和s决定。SS纯合体白色分布全身，Ss白色限于腹部和四肢。三色猫基因型应为：OoS-，

X随机失活，细胞会产生黄色或黑色花斑。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第3页第二节细胞分化可逆性个体发育：细胞分裂分化过程。一个受精卵是有全能性，它能够产生各种类型细胞。在个体发育什么阶段，细胞全能性受到了限制呢？一直认为植物细胞含有全能性（认为条件下完成）动物细胞不含有全能性。直到1997年2月，苏格兰学者用体细胞核移植技术培养成“多莉”绵羊，这一动物细胞无全能性观点才发生动摇。其实，我们看到，壁虎再生失去尾巴，涡虫、蚯蚓能够再生失去部分都说明动物细胞是含有全能性，只不过是能够再生组织和器官在数目和种类上是有限，尤其是高等动物。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第4页一、植物组织培养

植物组织培养:在体外人工培养植物组织和细胞技术。例：胡萝卜韧皮部单个细胞重新发育成一个完整个体。现在小麦、玉米、水稻等很多植物都能够经过组织培养取得愈伤组织，产生新个体。所以，分化细胞，能够从高度分化状态回复过来（脱分化），重新再分化，形成植株，即植物细胞含有全能性。实践上意义：有利于突变植株取得，可缩短育种进程（诱变培养细胞，筛选需要突变型，分化为成熟植株）；快速无性繁殖（试管苗）；单体培养快速取得纯合个体。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第5页遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第6页二、动物核移植试验

（一）移植开端

1938年汉斯.施佩曼提出他称之为“奇异试验”构想：从发育到后期胚胎（成熟或未成熟胚胎均可）中取出细胞核，将其移植到一个卵子中。

1952年，研究细胞全能性第一个人R.Briggs（罗伯特.布里格斯）豹纹蛙→囊胚期细胞核→去核同种蛙卵→卵发育成个体（即克隆）胚胎后期到蝌蚪、成蛙细胞→细胞核去核同种蛙卵→失败.

认为胚胎早期细胞核含有全能性，而胚胎以后各个时期细胞核难以表达全能性，即分化难以逆转，多数生物学家转向以未成熟胚胎细胞克隆动物领域。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第7页二、动物核移植试验（二）胚胎细胞核移植—胚胎细胞克隆胚胎早期（囊胚期）细胞核移入去核异种动物受精卵中，使受精卵发育成个体过程。我国童第周和美籍华人牛满江教授在鱼类和两栖类中进行核移植，成功地得到了核质杂交品种。鲤鱼生长快速、个体大、肉质粗厚、味道差。鲫鱼肉细味美，但个体小。二者杂交，子一代雄性不育，无法繁殖。

鲤鱼囊胚细胞鲫鱼受精卵↓↓含有生殖能力取核去核受精卵肌肉蛋白含量比鲤鱼高↘↙3.78%

融合→培育→杂交鱼→脂肪含量比鲤鱼高

5.58%遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第8页1除核2注核3注核4注核5

注核6电击遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第9页（三）体细胞核移植—体细胞克隆

动物体细胞克隆技术又称体细胞核移植技术或无性繁殖技术，它是用动物特定发育阶段核供体（体细胞核）及对应核受体（去核原核胚或成熟卵母细胞、卵细胞）不经过有性繁殖过程，进行体外重构，并经过重构胚胚胎移植，从而到达扩繁同基因型动物种群目标。

1、体细胞克隆类型

（1）同种体细胞核移植：科学家用取自一只6岁成羊乳腺细胞培育成功一只克隆羊，开创了成年哺乳动物克隆先河。

（2）异种体细胞核移植：陈大元等将大熊猫子宫上皮细胞、骨骼肌细胞和乳腺上皮细胞细胞核移入去核兔卵母细胞后，分别有9.9%、6.8%和11.7%重构卵发育到囊胚，染色体、线粒体DNA和核DNA分析均证实异种重构胚核遗传物质来自大熊猫供体细胞。这不但开创了大熊猫体细胞移核先例，而且也是首次大熊猫体细胞核异种移核。对大熊猫快繁及保护提供了一线希望。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第10页（三）体细胞核移植—体细胞克隆2、体细胞克隆普通方法

胎儿细胞或成年动物已分化细胞作为核供体，进行细胞核移植，得到与供体细胞含有同性质动物过程。克隆羊“多莉”克隆方法以下：A羊乳腺细胞B羊未受精卵↓↓取出细胞核除去细胞核卵

↘融合

↙显微注射↓电击融合早期胚胎发育↓胚胎移植到C羊子宫↓

C羊分娩产下“多莉”与A羊同遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第11页山东皮肤细胞克隆牛北京克隆牛欣欣欣欣之母莱阳农学院克隆牛遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第12页（四）关于克隆人

1997年,克隆(即无性繁殖)羊“多莉”问世,让人们听到了克隆人脚步声。因为克隆人不单纯是科技问题,更是对人类社会及其未来命运有着非同寻常影响,所以国外各界人士纷纷从科学、哲学(包含科技哲学、价值哲学、伦理学、宗教哲学)、社会学、法学、心理学等不一样角度，对克隆人问题展开了广泛探讨。克隆人“三疯子”科学家是：美国“克隆基金”主任布瓦瑟利耶、肯塔基州列克星顿大学激素学院院长扎沃斯和意大利科学家安蒂诺里。因为此三人是克隆人坚定推崇者，所以被学术界称为“科学疯子”。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第13页（四）关于克隆人

1、克隆人就在我们身边（1）体细胞克隆人过程—人造人（2）同卵双胞胎产生过程—天然克隆人

同卵双胞胎—由同一个受精卵一分二，而二个细胞各自发育形成二个独立个体，二个人不但细胞核、细胞质完全相同，而在完全相同子宫环境发育成长，比由克隆技术产生克隆人有更完美吻合度。这个完美天然克隆人是一个更为完美克隆人，真正意义上克隆人—同卵双胞胎遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第14页（四）关于克隆人遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第15页天然克隆人遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第16页（四）关于克隆人

2、治疗性克隆与生殖性克隆

治疗性克隆:体细胞核→卵细胞→新细胞→“桑椹”→胚胎干细胞→克隆人体器官，供医学研究，处理器官移植供体不足问题等。

比如：治疗性克隆希望使用病人自己细胞中遗传物质来产生胰岛以治疗糖尿病,或者产生神经细胞来修复受损脊髓。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第17页2、治疗性克隆与生殖性克隆

生殖性克隆:即通常所说克隆人。体细胞核→卵细胞→新细胞→“桑椹”(胚胎干细胞)→胚胎植入到一个女性子宫→婴儿假如干细胞保留时间超出14天，它就可能长出神经元，此时，这一细胞就有了生命意义。据报道，1999.11（1998.11）美国科学家在马萨诸塞州细胞技术企业，用人皮肤细胞克隆出首个人类胚胎，12天后把它焚化烧毁。当前国际上已对治疗性克隆要求了三条标准。一是取得材料卵子、体细胞，必须是自愿，不能是骗来，不能是买来，提供者有知情权。二是胚胎细胞保留时间不能超出14天，超出了，就被视为动机不纯，有克隆人之嫌。三是不能将克隆胚胎细胞植入人体子宫。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第18页辽宁省计划生育研究院王彤博士等人在我国首次完成人类全胚胎体外培养取得成功。当前止共培养成活28例人类胚胎.存活最常至今22天.左图是培养液中约1cm长人胚胎。受精后20-50天胚胎长度2mm-1cm.年4月19日钱江晚报遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第19页（五）体细胞克隆当前存在问题

体细胞克隆已在牛、绵羊、山羊、小鼠和猪等动物中取得了成功，但在其它动物上还有待深入验证。其总体水平仍处于试验研究阶段，走向实践利用还面临许多问题，主要表现在以下几个方面：

1.费用高、效率低：经过体细胞克隆动物费用非常高，如仅用于制作“多莉”费用就超出了200万英镑，同时效率很低。依据当前研究报道情况综合来看，克隆绵羊只有3%左右重组胚能发育为正常后代。在克隆牛研究中，重组胚囊胚发育率最高能达49%，约有80%移植胚能发育为正常胎儿，但胎儿出生后死亡率达50%。而Cibelli等在克隆牛研究中，重组胚囊胚率仅为17%，移植后只有14%囊胚发育为正常后代。克隆小鼠研究中，只有2%～3%重组胚能发育产仔，仔鼠死亡率也高达40%。以上结果说明，体细胞克隆技术仅处于初步研究阶段，还需要在其它动物上深入充分研究，以提升生产效率。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第20页（四）体细胞克隆当前存在问题2.克隆胎儿初生重增加，质量差：因为培养基中血清存在，造成早期胚胎基因表示发生改变，致使许多克隆动物初生重增加，极难自然分娩，大多数需人工辅助。初生儿还伴有各种缺点，死亡率增高。出现这一现象原因还不清楚，当前只能从优化培养条件及操作程序入手以降低胎儿死亡率。3.克隆动物生长发育不正常，非正常死亡率高：研究发觉，有些用修饰过细胞培育出克隆动物存在缺点，它们在生长过程中会出现难以预料后果。“多莉”羊在生长过程中就出现了比同龄羊提前衰老现象，而且现已死亡。亦有研究表明，克隆鼠成年后常患有肥胖症原因与早期胚胎阶段细胞缺点相关。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第21页（五）成功率低原因尽管也有少数成功率较高报道,但当前公认体细胞克隆成功率在1%～3%。克隆胚胎移植后出生率平均不到10%。胎儿异常、流产和围产期死亡率高,出生后一周死亡率最高可达100%。原因七方面:1.不能高效率去除受体卵母细胞染色体：现有各种去核技术都要损失部分卵母细胞质。2.重组胚融合和卵母细胞质激活3.供体核与受体胞质细胞周期同时问题：供体核与受体胞质细胞周期同时是否是影响克隆胚胎发育主要原因之一。当前通用受体胞质是M期卵母细胞。关于血清饥饿G0/G1期细胞作为核供体优越性曾存在争议。现在认为,成体细胞因对接触抑制敏感性高和细胞周期长,故无需饥饿也多处于G1期。而胎儿细胞则必须饥饿才能取得较高克隆成功率。当前普通认为,除了S期以外,其它各时期细胞均可作为核供体。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第22页（五）成功率低原因4.线粒体起源问题：不论直接注射还是细胞融合,供体核都带入一部分细胞质。于是,就出现了移核胚胎线粒体起源问题。结论不一致：起源与受体；起源于共体与受体双方。5.端粒问题：端粒(telomere)是染色体端部特化部分,因无黏性而能预防染色体黏着。细胞每复制一次端粒核苷酸就降低50～100bp。端粒复制要靠端粒酶(telomerase)。正常细胞缺乏此酶,故端粒随细胞分裂而变短,细胞衰老。而生殖细胞和癌细胞则都有此酶,所以不衰老。那么,克隆动物是否会遗传供核细胞缩短端粒而提前衰老呢?不一致：多莉短；克隆牛不短。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第23页染色体遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第24页遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第25页（五）成功率低原因6.X-染色体灭活问题：雌雄哺乳动物基因剂量赔偿是经过灭活雌性动物一条X-染色体来实现。正常情况下,着床前胚胎两条X染色体都活动。以后,上胚层中X染色体随机灭活,而滋养层细胞则专门灭活父系X染色体。死亡克隆胎盘X染色体随机灭活,但活克隆为父亲X染色体灭活。7.克隆胚胎一些基因再程序化异常：已经证实,受精后父系和母系基因组都发生广泛去甲基化。有些人证实,牛着床前移核胚胎中有些重复序列甲基化异常,一些胚胎基因往往不能再激活。这说明,大多数克隆胚胎后成性再程序化异常,不彻底再程序化可能是造成克隆成功率低原因。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第26页第三节基因表示调控一、基因表示调控例征（一）不一样条件下基因激活1、细菌和其它单细胞生物中，不一样条件下可形成不一样酶是广泛存在现象。许多单细胞生物生活在水溶液中，溶液温度、pH、培养基成份经常改变，细胞必须随时改变酶成份，才能适应周围环境改变。2、酵母菌小菌落在缺氧、有氧条件下，均酵解；大菌落无氧酵解，有氧进行有氧呼吸。3、人类乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶都是诱导酶。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第27页一、基因表示调控例征（二）不一样发育阶段基因活性多细胞生物不一样组织细胞基因活性仍有很大差异。1、脊椎动物细胞内乳酸脱氢酶改变：LDH有五类：LDH1—LDH5。小鼠卵细胞中，只有LDH1，大约发育到第9天，主要是LDH5，再发育又出现LDH1，表明编码LDH1和LDH5基因在不一样时期分别处于打开和关闭状态。2、人血红蛋白组成改变：血红蛋白用于氧运输，在人发育各个阶段中，血红蛋白组成各不相同。早期胚胎（1-3个月）：HbGower1、HbGower2、HbPotland三种血红蛋白。胎儿：HbF、HbA新生儿：HbF70—80%、HbA30—20%成人：HbA95%、HbA22.5%、HbF<1%遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第28页二、原核类基因表示调控*

细菌和噬菌体基因调控多数发生在转录水平上，操纵子是细菌主要基因调控单位，即转录单位。

1960年雅各布和莫诺共同提出了乳糖操纵子模型。其调控机理：

乳糖操纵子=开启基因（P）+操纵基因（O）+结构基因（lacZ、lacY和lacA三个）组成，操纵子前边有一个调整基因R。乳糖操纵子调整基因R能产生一个阻遏物（阻遏蛋白），当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白与操纵基因相结合，阻值RNA聚合酶前进，mRNA转录就不能进行，乳糖代谢所需三种酶就不能合成。当培养基中有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构型发生改变，失去与操纵基因结合能力，这时结构基因可转录出mRNA，深入合成乳糖代谢所需三种酶利用乳糖。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第29页三、真核类基因表示调控（一）真核生物与原核生物基因表示调控差异**1、分子水平上区分：真核细胞基因组含量和基因数量远远高于原核细胞，而且DNA与组蛋白结合成核小体结构，同时与非组蛋白结合成染色体。2、细胞水平上区分：真核细胞染色体是被包在核膜内，转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行。3、个体水平上区分：绝大多数真核生物都是复杂多细胞有机体，个体发育过程复杂，不一样组织细胞基因，总是在不一样时空序列中被活化或阻遏。所以，真核细胞基因表示调控是一个多层次调控系统，它包括到DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平等多个调控点。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第30页三、真核类基因表示调控（二）真核类基因不一样层次表示和调控类型1、染色体、DNA水平上调控（1）染色质丢失：在发育过程中，体细胞丢失一些基因，这些基因永不表示，这是一个极端不可逆基因调控。如小麦瘿蚊、马蛔虫：2n=2，染色体上排列许多着丝粒，在发育早期只有其中一个着丝粒起作用。当个体发育到一定阶段以后，除了未来发育成生殖细胞体细胞外，其它体细胞均发生染色体断裂形成许多小染色体。其中含有着丝粒小染色体在以后细胞分裂中保留下来，没有着丝粒在分裂中消失，致使最终85%基因丢失。（2）基因扩增：改变基因数量使之快速增加而调整基因表示方式。即短期内细胞内大量产生某一基因拷贝伎俩。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA拷贝数可由平时1500份急剧增加到200万份。它是适应胚胎发育时对核糖体需求。（3）转座因子：引发插入部位基因开启和关闭。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第31页三、真核类基因表示调控2、转录水平上调控（1）非组蛋白调控作用：小鼠染色质重建试验说明非组蛋白对转录起着主要作用。骨髓细胞染色质→分离组分→DNA、组蛋白、非组蛋白胸腺胞染色质→分离组分→DNA、组蛋白、非组蛋白骨髓DNA+骨髓组蛋白+胸腺DNA+胸腺组蛋白↓混合↓染色质↙↘

胸腺非组蛋白骨髓非组蛋白↙↘转录胸腺RNA

转录骨髓RNA遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第32页三、真核类基因表示调控2、转录水平上调控（2）激素调控作用：真核生物细胞显著受激素调控。在摇蚊、果蝇等双翅目昆虫幼虫唾腺中多线染色体上可看到一条条有特征横纹。在幼虫、蛹期各个发育阶段中，一些横纹变得疏松、膨大，这些疏松膨大区称为疏松区。疏松区出现一段时间后消失，它出现有一定时间程序。据测知，疏松区部位能够合成大量RNA，而且具mRNA性质。假如用蜕皮激素处理幼虫或离体唾腺细胞，可诱发特定基因转录。（3）异染色质化和修饰作用：真核生物能够经过改变染色体一些区域异染色质化程度，从而调整基因表示（巴氏小体）。真核细胞修饰作用主要路径是经过胞嘧啶5′位上甲基化反应来实现。甲基化胞嘧啶即5′-甲基胞嘧啶不转录。在不转录DNA中GC有70%以上甲基化，而转录活性较高DNA中，GC只有20-30%甲基化。遗传和个体发育细胞生物学专家讲座第33页三、真核类基因表示调控（4）真核类基因转录调控模式：从5′端开始，依次是