遺傳學(xué)：第三版：第12章 遺傳與發(fā)育

1、1 1/126/126第12章遺傳與發(fā)育P294l高等生物從受精卵開(kāi)始發(fā)育，經(jīng)過(guò)一系列細(xì)胞分裂和分化，長(zhǎng)成新的個(gè)體。這個(gè)過(guò)程通常稱(chēng)為個(gè)體發(fā)育。l個(gè)體發(fā)育有兩個(gè)特點(diǎn)：一是個(gè)體發(fā)育的方向和模式，由合子(受精卵)中的基因型決定，由基因型和環(huán)境共同作用，形成個(gè)體的各種性狀；二是合子分裂到一定階段，細(xì)胞就要發(fā)生分化，也就是個(gè)體不同部位的細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能發(fā)生改變，形成不同的組織和器官。 2 2/126/1263 3/126/1264 4/126/126遺傳與發(fā)育5 5/126/126遺傳與發(fā)育6 6/126/126第12章遺傳與發(fā)育P294第一節(jié) 細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的作用P294第二節(jié) 基因

2、對(duì)個(gè)體發(fā)育的控制 P297第三節(jié) 細(xì)胞的全能性 P3077 7/126/126第一節(jié)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的作用8 8/126/126一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用三、細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的相互依存四、環(huán)境條件的影響第一節(jié)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的作用9 9/126/126一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用 1010/126/126一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用 l動(dòng)、植物的卵細(xì)胞雖然是單細(xì)胞的，但它的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除顯見(jiàn)的細(xì)胞器有分化外，還存在動(dòng)物極、植物極，灰色新月體和黃色新月體等分化。l這些分化的物質(zhì)將來(lái)發(fā)育成什么組織和器官，大體上已經(jīng)確定

3、。1111/126/126受精卵分裂1212/126/126P295P295圖圖12-112-1第一次分裂動(dòng)畫(huà)第一次分裂動(dòng)畫(huà)1313/126/126l海膽受精卵的第一、二次分裂，都是順著對(duì)稱(chēng)軸的方向進(jìn)行的。如果將四個(gè)卵裂細(xì)胞分開(kāi)，每一個(gè)卵裂細(xì)胞都能發(fā)育成小幼蟲(chóng)，說(shuō)明各個(gè)卵裂細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)是完全的 l第三次卵裂方向與對(duì)稱(chēng)軸垂直，分裂的8個(gè)卵裂細(xì)胞分開(kāi)后，就不能發(fā)育成小幼蟲(chóng)。一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用P295 1414/126/126植物極植物極動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)動(dòng)物極動(dòng)物極動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)P295P295圖圖12-212-21515/126/126l如果在卵裂開(kāi)始時(shí)，順著赤道面把卵切成兩半：帶核的植物極一

4、半受精后，發(fā)育成比較復(fù)雜但不完整的胚胎；帶核的動(dòng)物極一半受精后，發(fā)育成空心而多纖毛的球狀物。兩者都不能正常發(fā)育而夭折 l如果在切割前用離心法將植物極的細(xì)胞質(zhì)拋向動(dòng)物極，使兩者同處于一個(gè)半球內(nèi)，然后進(jìn)行切割，則含有細(xì)胞核的動(dòng)物極半球在受精后能正常發(fā)育。一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用P295 1616/126/126正常發(fā)育正常發(fā)育1717/126/126不正常發(fā)育不正常發(fā)育1818/126/126l花粉母細(xì)胞小孢子的核，在經(jīng)過(guò)第一次配子有絲分裂后形成二個(gè)子核。其中一個(gè)核移到細(xì)胞質(zhì)稠密的一端，發(fā)育成生殖核。另一個(gè)移到細(xì)胞的另一端，發(fā)育成營(yíng)養(yǎng)核。l如果小孢子發(fā)育不正常，核的分裂面與正常的分裂面垂

5、直，致使兩個(gè)子核處于同樣的細(xì)胞質(zhì)環(huán)境，則不能發(fā)生營(yíng)養(yǎng)核和生殖核的分化。一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用P295 1919/126/1262020/126/126l卵細(xì)胞的發(fā)育也一樣，遠(yuǎn)離珠孔一極的細(xì)胞質(zhì)較多，靠近珠孔一極的細(xì)胞質(zhì)較少。大孢母細(xì)胞經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂形成的四個(gè)大孢子中，遠(yuǎn)離珠孔的一個(gè)子細(xì)胞能繼續(xù)分裂和發(fā)育為胚囊，其余3個(gè)最終退化，同樣說(shuō)明細(xì)胞質(zhì)的不同部分對(duì)細(xì)胞的分化產(chǎn)生不同的影響。 一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用P295 2121/126/126P2962222/126/1262323/126/126嫁接試驗(yàn)嫁接試驗(yàn)：如果把地中海傘藻的子實(shí)體和帶核的假根去掉，嫁接到裂緣傘藻的帶核的

6、假根上，不久出現(xiàn)中間形的子實(shí)體，把中間形的子實(shí)體去掉，長(zhǎng)出來(lái)的是裂緣傘藻的子實(shí)體。反之，如果進(jìn)行與上述嫁接完全相反的嫁接，所得到的結(jié)果為圓形的子實(shí)體。2424/126/1262525/126/1262626/126/126據(jù)研究，控制子實(shí)體形態(tài)的物質(zhì)是mRNA，它在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動(dòng)，編碼決定子實(shí)體形態(tài)的特殊蛋白質(zhì)合成。嫁接后先長(zhǎng)出中間形的子實(shí)體，是因?yàn)榧藿拥那o中還帶有原來(lái)細(xì)胞核控制下合成的物質(zhì)，它們自然要影響子實(shí)體的形成。等到其中貯存的物質(zhì)消耗完了，再生的子實(shí)體是在嫁接后的異種核控制下形成的，所以長(zhǎng)出的完全是異種的子實(shí)體。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，肯定了核在傘藻個(gè)體發(fā)育中的主導(dǎo)作用。2727/

7、126/126二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng) 和分化中的作用P296 l傘藻(Acetabularia) 細(xì)胞核在基部的假根內(nèi)。成熟時(shí)，頂部長(zhǎng)出一個(gè)傘狀的子實(shí)體。l地中海傘藻(A. mediterranea)，子實(shí)體邊緣為完整的圓形。裂緣傘藻(A. crenulate)，子實(shí)體邊緣裂成分瓣形。l嫁接試驗(yàn)嫁接試驗(yàn)表明，如果把地中海傘藻的子實(shí)體和帶核的假根去掉，嫁接到裂緣傘藻的帶核的假根上，不久出現(xiàn)中間形的子實(shí)體；把這種中間形的子實(shí)體去掉，長(zhǎng)出來(lái)的是裂緣傘藻的子實(shí)體 2828/126/126l嫁接后為什么先長(zhǎng)出中間形的子實(shí)體？是因?yàn)榧藿拥那o中還帶有原來(lái)的細(xì)胞核控制下合成的物質(zhì)，它們自然要影響子實(shí)體的形成。等

8、到莖中貯存的物質(zhì)消耗完了，再生的子實(shí)體是在嫁接后的異種核控制下形成的，所以長(zhǎng)出的完全是異種的子實(shí)體了。控制子實(shí)體形態(tài)的物質(zhì)是mRNA。它在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動(dòng)，編碼決定子實(shí)體形態(tài)的特殊蛋白質(zhì)的合成。l這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，充分肯定了核在傘藻個(gè)體發(fā)育中的主導(dǎo)作用。 二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中的作用2929/126/126三、細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中的相互依存 l在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)是相互依存、不可分割的，但起主導(dǎo)作用的應(yīng)該是細(xì)胞核。細(xì)胞核內(nèi)的“遺傳信息”決定著個(gè)體發(fā)育的方向和模式，控制細(xì)胞的代謝方式和分化程序。細(xì)胞質(zhì)則是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，并為DNA的復(fù)制、mRNA的轉(zhuǎn)錄以及tRN

9、A、rRNA的合成提供原料和能量。l從另一方面看，細(xì)胞質(zhì)中的一些物質(zhì)又能調(diào)節(jié)和制約核基因的活性，使得相同的細(xì)胞核由于不同的細(xì)胞質(zhì)的影響而導(dǎo)致細(xì)胞的分化。細(xì)胞質(zhì)的不等分裂起著重要的作用；沒(méi)有細(xì)胞質(zhì)的不等分裂，其后果只能是細(xì)胞數(shù)目的增加，不會(huì)有細(xì)胞的分化。3030/126/1263131/126/1263232/126/126P2973333/126/126四、環(huán)境條件的影響P297l生物個(gè)體的發(fā)育，與個(gè)體所處的環(huán)境條件密切相關(guān)。環(huán)境中的很多生物及非生物因子，都可以調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，影響個(gè)體發(fā)育。l例如植物與病原菌之間的互作。植物受到病原菌侵染時(shí)，由病菌釋放的誘導(dǎo)子(elicitor)，識(shí)別受植

10、物抗病基因控制的受體(receptor)后，激活植物細(xì)胞，使其迅速產(chǎn)生一氧化氮，過(guò)氧化氫、活性氧中間體(reactive oxygen intermediate)。這些物質(zhì)可直接或間接地導(dǎo)致植物產(chǎn)生過(guò)敏性反應(yīng)(hypersensitive response)，殺死病原菌。同時(shí)它們也作為信號(hào)傳遞分子，誘導(dǎo)植物防衛(wèi)相關(guān)基因(defense-related gene)表達(dá)，如幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶，這些水解酶可降解真菌細(xì)胞壁，抑制病菌生長(zhǎng)；或誘導(dǎo)苯丙氨酸解氨酶基因及其它與細(xì)胞壁形成有關(guān)的基因表達(dá)，以加強(qiáng)植物細(xì)胞壁，抵御病菌侵入。3434/126/1263535/126/1263636/126/126l植

11、物的誘導(dǎo)抗性(induced resistance)是外界因子對(duì)個(gè)體發(fā)育中基因表達(dá)調(diào)控的另一種形式。在蠶豆感病品種上接種炭疽菌之前，用其它真菌預(yù)先接種，結(jié)果使這個(gè)感病品種表現(xiàn)出抗炭疽病。這種誘導(dǎo)抗性也伴隨著防衛(wèi)相關(guān)基因的表達(dá)。有些誘導(dǎo)抗性還可使植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性(systemic resistance)。例如在第一片葉上接種一種病原物，能使第片葉或隨后長(zhǎng)出的新葉抗其它病菌，包括病毒、細(xì)菌、真菌等多種病原物。這種系統(tǒng)抗性有時(shí)可持續(xù)二周或更長(zhǎng)時(shí)間。l其它一些非生物因子，如加熱、冷凍、干旱、積澇、受傷、紫外線(xiàn)、激素及化合物等都可以誘導(dǎo)相關(guān)的基因的表達(dá)，影響植物個(gè)體發(fā)育。四、環(huán)境條件的影響 3737/1

12、26/126第二節(jié)基因?qū)€(gè)體發(fā)育的控制一、個(gè)體發(fā)育的階段性 P297二、二、基因與發(fā)育模式三、基因與發(fā)育過(guò)程 3838/126/1263939/126/1264040/126/1264141/126/126一、個(gè)體發(fā)育的階段性 l高等植物甚至第一次分裂就是不均等的分裂，形成一個(gè)小的和大的細(xì)胞。小細(xì)胞胚體球形期(globular stage) 心形期(heart stage)、魚(yú)雷形期(torpedo stage) 分化根、莖等原始組織器官。（胚胎經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)，從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期轉(zhuǎn)變到生殖生長(zhǎng)期，各部分細(xì)胞分化成不同的形態(tài)特征和生理特性）大細(xì)胞胚柄（胚胎長(zhǎng)成后就退化）l這一過(guò)程實(shí)際上包括了一系列連續(xù)的發(fā)育

13、階段，這些階段按預(yù)定的順序依次接連發(fā)生。上一階段的趨向完成，“啟動(dòng)”下一階段的開(kāi)始。在正常情況下，一個(gè)細(xì)胞(組織或器官)分化到最終階段，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的表型或生理功能，表示達(dá)到了末端分化。 4242/126/126一、個(gè)體發(fā)育的階段性 4343/126/126一、個(gè)體發(fā)育的階段性 4444/126/126一、個(gè)體發(fā)育的階段性 4545/126/126一、個(gè)體發(fā)育的階段性 4646/126/1264747/126/126P298P2984848/126/126表明表明4949/126/1265050/126/126P298P2985151/126/1265252/126/126二、基因與發(fā)育模式l個(gè)

14、體發(fā)育所經(jīng)歷的不同階段，總是遵循預(yù)定的方向和模式。這是由個(gè)體的基因所決定的。l同形異位基因就是其中的一種主要類(lèi)型。同形異位基因控制個(gè)體的發(fā)育模式、組織和器官的形成。l同形異位現(xiàn)象。果蠅的觸角腳突變，能夠使果蠅頭上觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái)。這種腳與正常的腳形態(tài)相同，但生長(zhǎng)的位置卻完全不同。目前已在果蠅、動(dòng)物、真菌、植物及人類(lèi)等幾乎所有真核生物中發(fā)現(xiàn)有同形異位基因的存在。5353/126/126l 同形異位基因是通過(guò)調(diào)控其它重要的形態(tài)及器官結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，來(lái)控制生物發(fā)育及器官形成的。l 這類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子都含有一段或幾段十分保守的序列。這些序列能形成一定空間結(jié)構(gòu)，與特異的DNA序列結(jié)合。l 例如，許多同形異位基

15、因編碼的轉(zhuǎn)錄因子在其羧基端有一段長(zhǎng)約60個(gè)氨基酸的同形異位框，它可形成a螺旋-轉(zhuǎn)角-a螺旋結(jié)構(gòu)，與特定的DNA序列結(jié)合。二、基因與發(fā)育模式5454/126/126l 另一些由同形異位基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子，則在其氨基端有一段長(zhǎng)約60個(gè)氨基酸的MADS框(MADS box) 。毗鄰MADS框的是聚合體框，使這種轉(zhuǎn)錄因子能形成二聚體與DNA結(jié)合。l 由于基因啟動(dòng)子區(qū)域有與蛋白質(zhì)結(jié)合的重復(fù)序列可供二聚體結(jié)合，因此二聚體的形成可提高基因表達(dá)效率。l 受同形異位基因調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基因包括控制細(xì)胞分裂，紡錘體形成和取向，細(xì)胞分化等發(fā)育過(guò)程的基因。二、基因與發(fā)育模式5555/126/1265656/126/1265

16、757/126/126 同形異位基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅胚胎發(fā)育中。l劉易斯(E. B. Lewis)等人于二十世紀(jì)40年代做過(guò)許多果蠅同形異位突變的遺傳分析。l分子克隆技術(shù)建立以后，同形異位基因的分離和克隆進(jìn)一步揭示了這類(lèi)基因的分子基礎(chǔ)及調(diào)控機(jī)理。 5858/126/1265959/126/1266060/126/126l果蠅幼蟲(chóng)及成蟲(chóng)由體節(jié)組成，包括一個(gè)頭(head)，三個(gè)胸節(jié)(T1至T3)，八個(gè)腹節(jié)(A1至A8)，每一節(jié)又分為前端(A)和后端(P)兩部分。l成蟲(chóng)的每個(gè)胸節(jié)帶有一對(duì)腳。在第二胸節(jié)(T2)上長(zhǎng)出翅膀，第三胸節(jié)(T3)上生長(zhǎng)平衡器。lP299圖12-56161/126/126l果蠅從

17、胚胎分化發(fā)育至成熟個(gè)體，有兩組同形異位基因簇參與調(diào)節(jié)這一過(guò)程。它們是觸角腳基因(Antennapedia)和腹胸節(jié)基因(Bithorax)。6262/126/126l觸角腳基因突變則使頭上的觸角變成另一對(duì)腳。這兩組同形異位基因簇均位于果蠅第三染色體上。觸角腳基因簇位于長(zhǎng)約350 kb的區(qū)段內(nèi)，有五個(gè)編碼基因。6363/126/126lP299腹胸節(jié)基因突變將第三胸節(jié)轉(zhuǎn)變成第二胸節(jié)，使平衡器轉(zhuǎn)變成一對(duì)多余的翅膀。6464/126/126lP299這兩組同形異位基因的表達(dá)受其它基因控制，十分復(fù)雜，如觸角腳基因簇中的Ant基因，具有8個(gè)外顯子及很長(zhǎng)的內(nèi)含子，總長(zhǎng)度約103 Kb，其閱讀框架從第五個(gè)外

18、顯子開(kāi)始，編碼一條43 KDa的蛋白質(zhì)。l Ant基因具有二個(gè)啟動(dòng)子，它們相距約70Kb，一個(gè)位于外顯子1的上游(P1)，另一個(gè)位于外顯子3的上游(P2)。6565/126/126l同形異位基因也通過(guò)對(duì)前體mRNA的不同加工切割方式來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。lUbx基因長(zhǎng)約75Kb，在早期胚胎發(fā)育中 ，Ubx基因加工后，形成不同長(zhǎng)度的5端(第一個(gè)外顯子)，以及包括中間的二個(gè)微小外顯子，產(chǎn)生一系列長(zhǎng)度不同的蛋白質(zhì)。l在胚胎發(fā)育晚期(神經(jīng)系統(tǒng)形成期)，形成的轉(zhuǎn)錄子可能僅含有一個(gè)微小外顯子，或不含微小外顯子序列。6666/126/126P300P3006767/126/1266868/126/126l對(duì)擬南芥

19、和金魚(yú)草的研究，有三組同形異位基因控制花器分化發(fā)育。第一組基因控制初級(jí)花的分生組織，金魚(yú)草的花序突變長(zhǎng)出的花序不形成花。這種突變只形成花序分生組織，不形成花的分生組織。第二組基因控制花的對(duì)稱(chēng)性。正常金魚(yú)草花是兩則對(duì)稱(chēng)的，從中間對(duì)等將花一分為二，其中的一半正好與另一半鏡像對(duì)稱(chēng)。有一種園形基因突變體形成非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的花。第三組基因直接控制花器器官的形成。正常擬南芥的花具有四種花器，以同心園方式排列，由外向里的順序是萼片，花瓣，雄蕊和心皮。l這種花器結(jié)構(gòu)由外向里依次又稱(chēng)為1，2，3，4輪(圖A)。6969/126/1267070/126/1267171/126/126l 遺傳分析及分子原位雜交研究表明

20、，至少有五種基因參與控制花器發(fā)育。無(wú)花瓣基因(AP1，AP2)控制萼片，而花瓣的形成是無(wú)花瓣基因(AP1，AP2，AP3)及雌蕊基因( PI)共同表達(dá)的結(jié)果。l 無(wú)配子基因(AG)，AP2，AP3和PI一起控制雄花。而心皮的形成是受AG和AP2兩個(gè)基因控制的。l 可見(jiàn)，四種花器的形成都與AP2基因表達(dá)有關(guān)。同時(shí)，AP2與AG基因產(chǎn)物具有相互拮抗作用。正常情況下，AG基因可阻止AP2基因在雄蕊和心皮原基中表達(dá)。反過(guò)來(lái)，AP2又阻止AG基因在萼片和花瓣中表達(dá)。7272/126/1267373/126/1267474/126/126l基因互作的結(jié)果是，AG基因突變可使AP2在雄蕊及心皮中過(guò)量表達(dá)，導(dǎo)

21、致只形成萼片及花瓣，不形成雄蕊及心皮(圖B)。lAP2基因突變又使AG在萼片及花瓣中表達(dá)，在花瓣處形成雄蕊，在萼片處形成心皮(圖C)。如果AP3或PI基因突變，則不形成雄蕊(圖D)。l這個(gè)模型可用于解釋花器野生型及突變型的表型。二、基因與發(fā)育模式7575/126/126l利用重組DNA技術(shù)進(jìn)一步分析表明，AP2與另一未知基因“X”一起共同抑制AG基因；而AG基因又抑制AP1基因表達(dá)。還有一個(gè)負(fù)調(diào)控基因SUP控制AP3/PI基因表達(dá)。因此，擬南芥花序發(fā)育不同基因互作模式如圖： P301二、基因與發(fā)育模式P3027676/126/126l 植物同形異位基因也編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控其它結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)

22、。l 與果蠅同形異位基因不同的一個(gè)特點(diǎn)是，植物同形異位基因編碼的有些轉(zhuǎn)錄因子，在其氨基端具有一個(gè)長(zhǎng)約60個(gè)氨基酸的MADS框，這類(lèi)基因也稱(chēng)為MADS框基因。l 酵母菌決定交配型基因MCM1，擬南芥無(wú)配子基因AG，金魚(yú)草缺失基因DEF，人的血清反應(yīng)因子SR。MADS框是轉(zhuǎn)錄因子中與DNA結(jié)合的區(qū)域。l 在真核生物中，不同MADS框序列高度保守。但這些序列相似的不同MADS框基因參與調(diào)控不同結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。這是因?yàn)镸ADS框與DNA序列的結(jié)合具有高度的特異性。二、基因與發(fā)育模式7777/126/126l P302 另一類(lèi)植物同形異位基因編碼RNA結(jié)合蛋白。l 控制玉米花序發(fā)育的頂穗基因1(Term

23、inalear 1)，在雌雄花分化發(fā)育中起開(kāi)關(guān)作用。頂穗基因突變導(dǎo)致在正常雄花處長(zhǎng)出雌穗，并伴隨有節(jié)間密集，植株矮小等特點(diǎn)。這個(gè)基因含有三個(gè)保守的RNA結(jié)合框，表明這種RNA結(jié)合蛋白可能參與調(diào)控RNA切割、定位等過(guò)程，來(lái)控制性狀表達(dá)。l 遺傳圖譜研究表明，不同植物同形異位基因通常分布在不同染色體上。這也不同于果蠅中的同形異位基因。例如，擬南芥Ag1基因位于第4染色體上，PI2基因則在第5染色體上。玉米中兩個(gè)高度同源的同形異位基因ZmH1a和Zmh1b(Zea may homeobox 1a,1b)分別位于第8及第6染色體上。二、基因與發(fā)育模式7878/126/126P302P3027979/1

24、26/126三、基因與發(fā)育過(guò)程 l個(gè)體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是不同基因被激活或被阻遏的過(guò)程。在發(fā)育的某個(gè)階段，某些基因被激活而得到表達(dá)，另一些基因則處于被阻遏或保持阻遏狀態(tài)。在發(fā)育的另一階段，原來(lái)被阻遏的基因因激活而表達(dá)了，原來(lái)表達(dá)的基因卻被阻遏。8080/126/126三、基因與發(fā)育過(guò)程 l基因是否得到表達(dá)，目前只能從它的表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)(酶)或轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA，或通過(guò)比較突變型與野生型的表型來(lái)推斷。即即根據(jù)不同發(fā)育階段合成不同的蛋白質(zhì)(酶)，來(lái)推測(cè)不同基因的活性，進(jìn)而認(rèn)識(shí)它的調(diào)節(jié)機(jī)制。l高等生物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其形態(tài)建成涉及一系列新陳代謝過(guò)程。這些過(guò)程的完成有賴(lài)于不同蛋白質(zhì)的及時(shí)合成，并按

25、一定順序組合到各種形態(tài)結(jié)構(gòu)中去，使器官?gòu)男〉酱?，從?jiǎn)單到復(fù)雜。原核生物和單細(xì)胞的低等生物則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而這方面的研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)高等生物的分化和發(fā)育很有啟發(fā)作用。8181/126/126(一)噬菌體的分化和自然裝配 l 噬菌體侵入大腸桿菌后，它的DNA利用宿主細(xì)胞中的RNA多聚酶合成自己的mRNA(時(shí)間大約在噬菌體侵入后1-2分鐘)。這些專(zhuān)化的mRNA在宿主的核糖體上進(jìn)行翻譯，合成能裂解宿主DNA的酶l 大約在侵染后的5-6分鐘，出現(xiàn)新合成的噬菌體的DNA，隨即合成“早期”的蛋白質(zhì)。l 在侵染后的9-10分鐘，出現(xiàn)幾種“晚期”蛋白質(zhì)，包括頭部外殼的蛋白質(zhì)，尾部及各種附屬結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)和溶菌酶(lys

26、ozyme)。溶菌酶裂解細(xì)菌的細(xì)胞壁，使新的噬菌體得以釋放。 8282/126/1268383/126/126P303圖12-88484/126/126l利用突變體所進(jìn)行的研究，已發(fā)現(xiàn)控制T4噬菌體各“部件”的合成以及裝配，需要70個(gè)基因。大致分成二類(lèi)：早期基因(early gene)，主要控制早期侵染行為，產(chǎn)生早期的mRNA，編碼合成噬菌體DNA的酶等。晚期基因(late gene)，主要控制蛋白質(zhì)“部件”的合成，裝配新的噬菌體并產(chǎn)生溶菌酶。(一)噬菌體的分化和自然裝配P303 8585/126/1268686/126/1268787/126/126l 無(wú)論早期基因或晚期基因發(fā)生突變，分化就

27、停止，不能形成完整的噬菌體。如果把具有不同突變體的裂解液混合，使它們進(jìn)行體外裝配，得到了有活性的噬菌體。 P304(一)噬菌體的分化和自然裝配 突變后缺尾絲突變后缺頭部8888/126/1268989/126/126(二)、細(xì)胞粘（黏）菌的發(fā)育控制P304圖12-10粘菌的生活史（20-50h）9090/126/126(二)細(xì)胞黏(粘)菌的發(fā)育控制 l盤(pán)基網(wǎng)柄菌完成其生活史大約需要20-50小時(shí)：當(dāng)食物來(lái)源(細(xì)菌)充足時(shí)，分裂繁殖成大量細(xì)胞，類(lèi)似變形蟲(chóng)。當(dāng)食物來(lái)源缺乏時(shí)，細(xì)胞停止分裂而彼此聚集，產(chǎn)生一個(gè)聚集中心。聚集中心包含一個(gè)或幾個(gè)能產(chǎn)生聚集素(環(huán)式AMP)的細(xì)胞。當(dāng)各個(gè)細(xì)胞感受環(huán)式AMP信

28、號(hào)以后，向聚集中心移動(dòng)，排列成同心圓。外面由一種粘菌鞘所包圍。以后就進(jìn)入形態(tài)發(fā)育階段。 形態(tài)發(fā)育開(kāi)始時(shí)，聚集體中心出現(xiàn)一個(gè)突起，成為蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為變形體(slug)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，分化一個(gè)由纖維素組成的柄。變形體中的細(xì)胞流入柄中，在頂端形成一個(gè)球形的子實(shí)體，其中產(chǎn)生孢子，并合成一種特有的黃色素，使成熟的孢子呈黃色。9191/126/1269292/126/1269393/126/126l生活史可以分成不同的形態(tài)發(fā)育階段：聚集體、變形體、子實(shí)體、孢子形成、色素形成等。l在粘菌的不同發(fā)育階段，內(nèi)部相應(yīng)地產(chǎn)生不同的階段性專(zhuān)一酶。這些酶是在相應(yīng)的發(fā)育階段合成的，即不同的基因在不同發(fā)育階段表達(dá)的結(jié)果

29、。專(zhuān)一酶劃分為三類(lèi)，它們分別在發(fā)育的早期、中期、晚期發(fā)揮作用。(二)細(xì)胞粘菌的發(fā)育控制 9494/126/126P305P3059595/126/126(三)高等植物發(fā)育中基因的順序表達(dá) l高等植物中，目前雖尚無(wú)前完整的實(shí)例。但可以肯定的是高等植物發(fā)育中基因的表達(dá)在時(shí)間和空間上都是受到精確控制的。l某一特定發(fā)育時(shí)期某些mRNA及蛋白質(zhì)合成的變化，即是有關(guān)基因根據(jù)植物發(fā)育的需要依次表達(dá)的結(jié)果。例如：9696/126/126(三)高等植物發(fā)育中基因的順序表達(dá) l例如：在小麥和大麥花芽分化的不同時(shí)期，從生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng)到抽穗灌漿為止，蘇氨酸脫氨酶及堿性磷酸酯酶的比活性(specific activity)

30、有明顯的變化：在花芽分化初期最高，以后逐漸下降；而堿性磷酸酯酶的比活性在花芽分化前期很低，隨著分化進(jìn)行的推進(jìn)而升高，至受精時(shí)達(dá)到高峰，受精后又逐漸下降至低水平。這說(shuō)明個(gè)體不同發(fā)育階段的形態(tài)變化，受不同的酶控制，而這些酶的合成則受制于不同基因的依次開(kāi)啟或關(guān)閉。9797/126/1269898/126/126l利用胚胎發(fā)育不同時(shí)期mRNA進(jìn)行差別雜交研究表明，每一特定發(fā)育時(shí)期都有一些相應(yīng)的特異基因高效表達(dá)。l大豆從子葉期至胚成熟中期(開(kāi)花后25至95天)，有14000至18000種不同mRNA分子存在，即有這么多基因在這段時(shí)期表達(dá)，這個(gè)數(shù)目與成熟葉及莖中表達(dá)的基因數(shù)相同。(三)高等植物發(fā)育中基因的

31、順序表達(dá) 9999/126/126l大豆在子葉期有兩組mRNA，第一組約有180種，它們?cè)诿總€(gè)細(xì)胞中的拷貝數(shù)約有1000個(gè)；而絕大多數(shù)mRNA屬于第二組，每一種mRNA僅幾個(gè)拷貝。胚成熟中期，還出現(xiàn)一組新類(lèi)型，約6-7種，其拷貝數(shù)高達(dá)10萬(wàn)個(gè)。這些mRNA是編碼貯藏蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄的。在胚胎發(fā)育不同時(shí)期均有一組基因特異表達(dá)。有的僅在胚胎發(fā)育早期表達(dá)，另一些則主要在發(fā)育中期表達(dá)，也有在發(fā)育晚期才表達(dá)的。在整個(gè)種子發(fā)育過(guò)程中都表達(dá)的基因約有100個(gè)。(三)高等植物發(fā)育中基因的順序表達(dá) 100100/126/126P306圖12-11大豆種子發(fā)育過(guò)程中7種不同類(lèi)型mRNA出現(xiàn)時(shí)間及相對(duì)數(shù)量線(xiàn)條粗細(xì)代

32、表mRNA的相對(duì)含量101101/126/126P306P306102102/126/126(四)高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá) l 人的血紅蛋白(hemoglobin)是由兩條相同的鏈和兩條相同的鏈聚合而成的四聚體，即22。 鏈和鏈分別由獨(dú)立遺傳的兩個(gè)基因簇編碼。鏈基因簇位于長(zhǎng)約28kb的DNA區(qū)段內(nèi)，包括一個(gè)有活性的基因，2個(gè)有活性的基因。還有一個(gè)假基因(假基因不編碼蛋白質(zhì))，2個(gè)假基因。鏈基因簇長(zhǎng)約50kb，含有5個(gè)功能性基因(1個(gè)，2個(gè)，1個(gè) 和1個(gè)基因)，一個(gè)假基因。103103/126/126104104/126/126l在八周以?xún)?nèi)，基因簇中鏈最先表達(dá)，但很快就被鏈取代。在基因簇中，

33、只有、鏈表達(dá)。兩種鏈及兩種鏈依次組成三種不同的胚胎血紅蛋白當(dāng)胚胎l3-9個(gè)月時(shí)，基因簇僅鏈表達(dá)，基因簇中鏈表達(dá)降低，被 鏈取代，此期的胎兒血紅蛋白僅一種組成。l從胎兒后期到出生，基因簇中的鏈合成下降，鏈合成上升。而從出生到成人期，則以鏈表達(dá)為主，伴隨有少量鏈表達(dá)。基因簇在這兩個(gè)時(shí)期都只有鏈表達(dá)。(四)高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá)P307 105105/126/126106106/126/126l 血紅蛋白基因從胎兒到成人期都有活性的只有基因簇的鏈基因，其它五個(gè)基因只在發(fā)育的特定時(shí)期才有活性。 在成人血紅蛋白中，22組合的四聚體占97%， 22占2%，由胎兒期遺留下來(lái)的22約占1%。(四)高等動(dòng)

34、物發(fā)育中基因的順序表達(dá)P307 107107/126/126(四)高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá) 在人的一生中，血紅蛋白的鏈要經(jīng)過(guò)多次變化，至少涉及5種類(lèi)似的肽鏈，鏈、鏈、鏈、鏈和鏈。這5種鏈分別由5個(gè)非等位基因：Hb、Hb、Hb、Hb和Hb所控制。 其中Hb基因從胎兒、嬰兒到成人的各個(gè)發(fā)育時(shí)期都有活性，其它4個(gè)基因共有在發(fā)育的不同時(shí)期存在活性。108108/126/126(四)高等動(dòng)物發(fā)育中基因的順序表達(dá) 例如：l在1-3個(gè)月的胎兒中，除Hb開(kāi)放并合成肽鏈外、Hb基因也開(kāi)放、合成肽鏈。兩條鏈和兩條鏈組成胚胎血紅蛋白。l胚胎發(fā)育到4-6月份，Hb基因作用減弱，而為Hb基因合成肽鏈的過(guò)程所取代。兩條鏈和兩條鏈組成胎兒血紅蛋白。胎兒后期到出生，Hb基因活性逐漸下降，Hb基因活性急劇上升，因此，鏈合成減少，而鏈的合成顯著上升。同時(shí)Hb基因也開(kāi)始活動(dòng)，合成肽鏈。l嬰兒出生后約12周， Hb基因關(guān)閉。鏈和鏈與鏈按不同組合，聚合為血紅蛋白A(22)和血紅蛋白A2(22)前者約占成人血紅蛋白總量的95%以上，后者約占20%。109109