遺傳學(xué)第十二章遺傳與發(fā)育課件

1、 第十二章 遺傳與發(fā)育一、遺傳與發(fā)育（一）槪念 發(fā)育是基因按照特定的時(shí)間與空間進(jìn)行程序化表達(dá)的過(guò)程。研究基因?qū)Πl(fā)育的調(diào)控作用的學(xué)科就是發(fā)育遺傳學(xué)（developmental genetics）。 特化 決定（二）早期胚胎發(fā)育 P3761、配子發(fā)育與受精 精卵形成、受精信號(hào)2、卵裂與囊胚形成 除哺乳動(dòng)物以外，多數(shù)動(dòng)物合子基因組暫時(shí)不表達(dá)，即轉(zhuǎn)錄處于抑制狀態(tài)。卵裂所需的物質(zhì)主要來(lái)源于受精前儲(chǔ)存在卵細(xì)胞質(zhì)中的母源性分子，包括mRNA和蛋白質(zhì)等，及其受精后的翻譯產(chǎn)物。這些母源性物質(zhì)能夠支持受精卵發(fā)育到囊胚期（Blastocyst )。3、胚軸建立與圖式形成 背腹軸(D-V)、前后軸(A-P)、左右軸。

2、 遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern），發(fā)育則是基因按嚴(yán)格的時(shí)間和空間順序表達(dá)的結(jié)果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)表型的過(guò)程。 無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物，如線蟲、果蠅和人類的發(fā)育途徑基本相同，控制發(fā)育的基因在進(jìn)化上是保守的，在結(jié)構(gòu)和功能上有很高的同源性。研究發(fā)育模式生物二、果蠅早期胚胎發(fā)育的遺傳控制(一）概論 果蠅的生活周期從受精卵開始經(jīng)過(guò)5個(gè)不同階段的成體前（pre-adult）發(fā)育, 包括胚胎、三個(gè)幼蟲期和蛹期,最終形成成蟲。果蠅卵的結(jié)構(gòu)具有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區(qū)。果蠅受精后3小時(shí)的胚胎發(fā)育 受精約30min后,受精

3、卵中來(lái)自親本配子的核融合，形成合子核。 合子核約每10 min分裂一次，產(chǎn)生多核細(xì)胞，生成合胞體胚盤（syncytial blastoderm） 約10次分裂后（1h 30 min），產(chǎn)生約512個(gè)核，這些核往卵的外層遷移。 受精后約2.5h，卵的表面進(jìn)行4次額外的核分裂，在后極（posterior pole）組成的極細(xì)胞（pole cell）成為種系細(xì)胞（germ cells）的前體。 約3h后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成單層細(xì)胞細(xì)胞胚盤（cellular blastoderm）,約6000個(gè)體細(xì)胞。 約第12次分裂周期，細(xì)胞開始遷移，胚盤進(jìn)入原腸胚生成（gastralation）期，并分

4、化出外胚層（ectoderm）、中胚層（mesoderm）和內(nèi)胚層（endoderm）。早期胚胎發(fā)育各時(shí)段的切片, 熒光處為核DNA成蟲的頭、胸、腹部是從幼蟲的體節(jié)衍生的 果蠅胚胎中的體節(jié)、分區(qū)和副體節(jié)（parasegments），Ma，Mx和Lb表示將發(fā)育成頭部的體節(jié)；T1-T3是胸部體節(jié)；A1-A9為腹部體節(jié)，每個(gè)體節(jié)分為前（A）后（P）區(qū)；副體節(jié)代表早期的圖式特化 果蠅幼蟲的成蟲盤和成體結(jié)構(gòu)對(duì)照（二）果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化 果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化是受一系列基因級(jí)聯(lián)(cascade)反應(yīng)調(diào)控的。 參與果蠅卵的極性形成、體節(jié)的分化的基因有三類：母體效應(yīng)基因（maternal-ef

5、fect genes)、分節(jié)基因(segmentation genes)、同源異形基因 (homeotic genes)。1、母體效應(yīng)基因（maternal-effect genes) 母性效應(yīng)基因編碼轉(zhuǎn)錄因子、受體和調(diào)節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物由滋養(yǎng)層細(xì)胞合成并輸送入卵母細(xì)胞中，由細(xì)胞骨架瞄定在細(xì)胞質(zhì)的不同區(qū)域，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。 母性效應(yīng)基因產(chǎn)物的梯度起始胚胎發(fā)育,突變研究指出，調(diào)節(jié)果蠅發(fā)育的母性效應(yīng)基因約40個(gè)。如：bicoid, nanos. A-P軸前端由bicoid mRNA及其表達(dá)產(chǎn)物的梯度決定 A-P軸的后端由nanos基

6、因的作用決定 bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸2、 分節(jié)基因 分節(jié)基因決定體節(jié)的形成。主要包括:裂隙基因（gap gene），成對(duì)規(guī)則基因（pair-rule gene）,體節(jié)極性基因(segment polarity).裂隙基因（gap gene）的表達(dá)結(jié)果 成對(duì)規(guī)則基因（pair-rule gene）的表達(dá)使胚胎中段前后軸形成7個(gè)區(qū)帶。 體節(jié)極性基因(segment polarity)的表達(dá)使胚胎中段前后軸進(jìn)一步形成14個(gè)區(qū)帶。3、同源異形基因（homeotic genes） 主要包括觸角足復(fù)合體 Antennapedia complex（ANTP-C）和 雙

7、胸復(fù)合體 Bithorax complex（BX-C）。 胚胎體節(jié)的劃分確定后，同源異形基因負(fù)責(zé)確定每個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)。若發(fā)生突變，會(huì)使一個(gè)體節(jié)上長(zhǎng)出另一個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)，如Pb基因的突變使觸須變成腿和UbX突變成四翅果蠅。 同源異形基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有同源異形框。有多個(gè)啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。有多個(gè)內(nèi)含子。同源異形基因之間的相互排斥。 哺乳類中的同源異形基因復(fù)合體稱為Hox基因簇，與果蠅中的同源異形基因有同源性。 同源異形基因族的保守性基因結(jié)構(gòu)和組織形式的保守性基因表達(dá)圖譜的保守性基因功能的保守性三、線蟲的發(fā)育（一）最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞模式動(dòng)物-線蟲 （canorhabditis elegans）。是

8、一種在土壤里生活的蠕蟲，體長(zhǎng)1mm,身體透明,可實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。生活周期約2d，包括胚胎期（約16hr），4個(gè)幼蟲期L1-L4和成體期。成體有兩種性別：雌雄同體（hermaphrodities） 為12，XX，產(chǎn)生卵子和精子；雄體為11，XO 雌雄同體的C.elegans有959個(gè)體細(xì)胞. Celegans基因組全序列已測(cè)定，由9.7104kb組成,2n=12。單倍體基因組含有約15000個(gè)基因。C.elegans的胚胎發(fā)育中, 最早的胚胎分裂是不對(duì)稱的, 第一次有絲分裂產(chǎn)生大的AB和小的P1子細(xì)胞,28細(xì)胞期開始原腸形成 P1-P4為接受了種系顆粒（germ line granules）的性細(xì)胞

9、系的前體細(xì)胞。 早期卵裂期間，不對(duì)稱分裂產(chǎn)生一個(gè)“分化的”子細(xì)胞,稱為奠基者細(xì)胞（founder cells），以AB.MS.E.C和D表示,和一個(gè)干細(xì)胞（P1-P4細(xì)胞系） 進(jìn)一步的細(xì)胞分裂最終產(chǎn)生雌雄同體的959個(gè)體細(xì)胞。（二）細(xì)胞譜系示意圖（lineage diagram）表明每個(gè)體細(xì)胞的生活史 雌雄同體的C.elegans的完整的細(xì)胞譜系（三） 卵孔（vulva）形成的遺傳分析1、 C.elegans的生殖系統(tǒng)2、卵孔的發(fā)育方式： 細(xì)胞通過(guò)信號(hào)分子來(lái)改變其它細(xì)胞基因組 基因的表達(dá)活性，來(lái)影響靶細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)，最終產(chǎn)生細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的分化。 卵孔的決定大致分為三個(gè)階段：（1）錨定細(xì)胞的決

10、定 由二齡幼蟲期Z1.ppp和Z4.aaa兩個(gè)細(xì)胞相互作用，其中Z1.ppp分化為生殖腺錨定細(xì)胞 (AC)。此過(guò)程中，Lin-12基因起著決定作用。（2）AC與6個(gè)Pn.p細(xì)胞相互作用確定初級(jí)卵孔細(xì)胞和次級(jí)卵孔細(xì)胞的形成。 在錨定細(xì)胞（anchor cell,AC ）中,lin-3被激活, 分泌一種與脊椎動(dòng)物的表皮生長(zhǎng)因子相似的Lin-3蛋白, 作為信號(hào)分子；前體細(xì)胞則表達(dá)由let-23基因編碼的細(xì)胞表面受體Let-23蛋白。Lin-3與Let-23連接，扳動(dòng)前體細(xì)胞p5p,p6p和p7p形成初級(jí)卵孔細(xì)胞或次級(jí)卵孔細(xì)胞。 其中P6.p與AC最近，接受的信號(hào)最強(qiáng)， P6.p 中的vul基因被激活，最終分化為初級(jí)卵孔細(xì)胞。P5.p和P7.p接受信號(hào)相對(duì)較少，而分化發(fā)育為次級(jí)卵孔細(xì)胞。（3）真皮細(xì)胞的形成 P3.p,P4.p,P8