發(fā)育的遺傳學(xué)分析

發(fā)育的遺傳學(xué)分析第1頁/共28頁16.1遺傳與發(fā)育的關(guān)系

16.1.1什么是發(fā)育遺傳學(xué)發(fā)育遺傳學(xué)是將胚胎學(xué)與遺傳學(xué)相結(jié)合起來的一門學(xué)科，主要是研究基因?qū)ε咛グl(fā)育的作用?，F(xiàn)在所說的發(fā)育已包括研究胚胎和以后的發(fā)育過程。隨著基因組學(xué)的發(fā)展，人們可以從細(xì)胞分化、器官發(fā)生和形態(tài)建成等不同層次上闡明生物體發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)。第2頁/共28頁16.1.2遺傳與發(fā)育在細(xì)胞水平上的統(tǒng)一發(fā)育是通過細(xì)胞分化來實(shí)現(xiàn)的。分化是產(chǎn)生基因型相同但形態(tài)和功能趨異的各種類型細(xì)胞的一個(gè)變化過程。分化產(chǎn)生了細(xì)胞的多樣性，構(gòu)成了形態(tài)建成和生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，并保證了生命的世代延續(xù)。第3頁/共28頁單細(xì)胞生物也有分化和發(fā)育過程，只是比較簡(jiǎn)單。多細(xì)胞生物的特化和發(fā)育過程要復(fù)雜得多。合子形成后，分離并分化產(chǎn)生了許多種類型的細(xì)胞。在出現(xiàn)真正的形態(tài)功能的分化之前，細(xì)胞將分化成什么類型，具有什么功能就已經(jīng)被“指定”（commitment）。

“指定”可以分成兩個(gè)階段：特化（specification）和決定（determination）。第4頁/共28頁所謂“特化”是指細(xì)胞或組織在一個(gè)中性環(huán)境中，例如，在一個(gè)周圍沒有其他細(xì)胞或組織影響的體外培養(yǎng)環(huán)境中，仍按原先被指定的命運(yùn)自主地進(jìn)行分化。所謂“決定”則是指細(xì)胞或組織即使處在胚胎的另一區(qū)域，仍不受周圍其他細(xì)胞或組織的影響，按原先指定的命運(yùn)自主的進(jìn)行分化。決定意味這原先指定的發(fā)育命運(yùn)是不可改變的。細(xì)胞的命運(yùn)通常是通過下列3種途徑被指定：自主特化，條件特化，合胞特化。第5頁/共28頁三種指定方式：（一）自主特化大部分無脊椎動(dòng)物的特性（二）條件特化所有脊椎動(dòng)物和少數(shù)無脊椎動(dòng)物的特性（三）合胞特化昆蟲綱的無脊椎動(dòng)物的特性。第6頁/共28頁16.1.3早期胚胎發(fā)育一、受精生物的雌雄配子（精子和卵）通過受精成為合子（受精卵）。在受精以前已完成減數(shù)分裂的稱為卵子。未受精的卵細(xì)胞稱為卵母細(xì)胞。精子和卵子結(jié)合成為受精卵，這一過程稱為受精。第7頁/共28頁二、卵裂受精卵形成后即不斷分裂成較小的細(xì)胞，這個(gè)過程稱為卵裂。第一次卵裂和第二次卵裂都是縱向分裂，但兩者的分裂面相互呈直角，把受精卵垂直分裂成4個(gè)體積相同的卵裂球。第三次分裂則是橫向分裂，是不均等的水平分裂，分成的8個(gè)卵裂球中，上面的4個(gè)體積小，下面的4個(gè)體積大，含有大量的卵黃（yolk）顆粒。第8頁/共28頁三、胚層分化胚泡中分化出現(xiàn)與滋養(yǎng)層細(xì)胞完全不同的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，這是哺乳動(dòng)物早期發(fā)育過程中的關(guān)鍵過程。在8個(gè)卵裂球期，每個(gè)卵裂球在生化、形態(tài)和發(fā)育潛能上都沒有差別，也就是在發(fā)育上是全能的。處在外層的細(xì)胞生成滋養(yǎng)層，二處在內(nèi)層的細(xì)胞則生成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)而產(chǎn)生胚胎。精子來源的基因可能是絨毛膜正常發(fā)育所需，而卵來源的基因，則為胎兒發(fā)育本身所必需。在胚胎發(fā)育過程中，各種類型的細(xì)胞沿著前-后軸和背-腹軸特化，進(jìn)一步生成各種組織和器官，軸的特化過程是基因作用的結(jié)果。第9頁/共28頁

細(xì)胞程序性死亡多細(xì)胞生物體的一些細(xì)胞當(dāng)不再為生物體所需時(shí)，或是已受到損傷時(shí)，會(huì)激活受遺傳控制的自殺機(jī)構(gòu)而自我毀滅，出現(xiàn)所謂的細(xì)胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。細(xì)胞程序性死亡通常采取細(xì)胞凋亡（apoptosis）的形式。細(xì)胞凋亡并非全是細(xì)胞程序性死亡。2、細(xì)胞程序性死亡的形式（1）細(xì)胞凋亡（2）其他類型1、細(xì)胞程序性死亡的概念第10頁/共28頁

細(xì)胞程序性死亡是生物進(jìn)化過程中，在自然選擇壓力下形成的有利于生物體生存的一種機(jī)制。（一）在個(gè)體發(fā)育過程中，細(xì)胞程序性死亡使細(xì)胞保持一定的數(shù)量和處在正確的位置上。（二）細(xì)胞程序性死亡也是一種細(xì)胞的利他性死亡（altruisticcelldeath）。局部的、個(gè)別的死亡有利于整體的或群體的存活。第11頁/共28頁細(xì)胞凋亡的外文apoptosis是希臘字，原意是花瓣凋落。細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的生理性死亡，與病理性死亡——細(xì)胞壞死（necrosis）是有區(qū)別的。細(xì)胞凋亡時(shí)的形態(tài)特征時(shí)細(xì)胞變成圓球狀，細(xì)胞外膜鼓起形成腔泡，細(xì)胞核膜和細(xì)胞的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂，細(xì)胞核內(nèi)的染色體DNA被酶切成斷片；當(dāng)細(xì)胞破裂成碎片前細(xì)胞膜不破裂，因此細(xì)胞內(nèi)含物不泄漏出來，不引起炎癥反應(yīng)；細(xì)胞碎片被周圍的活細(xì)胞吞噬，而不是被專職的巨噬細(xì)胞所清除。細(xì)胞壞死則是細(xì)胞受到急性損傷而出現(xiàn)的壞死，表現(xiàn)為細(xì)胞脹大，裂解，釋放出大量的內(nèi)含物，引起炎癥，壞死細(xì)胞最終被巨噬細(xì)胞清除。第12頁/共28頁目前，鑒定細(xì)胞凋亡的最常用的分子生物學(xué)方法是抽提細(xì)胞的DNA，經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳，如出現(xiàn)一系列長(zhǎng)度不等的DNA片段的電泳條帶(因?yàn)?細(xì)胞核內(nèi)的染色體DNA被酶切成斷片)，則可初步判定該細(xì)胞為凋亡的細(xì)胞。第13頁/共28頁細(xì)胞凋亡或細(xì)胞程序性死亡在生物發(fā)育過程中起重要作用，因此，當(dāng)調(diào)控細(xì)胞凋亡的有關(guān)基因發(fā)生突變而打亂細(xì)胞死亡的程序時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)異常情況，使本應(yīng)死亡的細(xì)胞不進(jìn)入死亡，正常情況下不進(jìn)入死亡的細(xì)胞卻發(fā)生死亡。這樣就會(huì)造成發(fā)育異常或引起腫瘤等疾病。所以，細(xì)胞凋亡或細(xì)胞程序性死亡也與醫(yī)學(xué)密切相關(guān)。第14頁/共28頁當(dāng)?shù)貢r(shí)間2002年10月7日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)將2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了悉尼·布雷內(nèi)、羅伯特·霍維茨和約翰·蘇爾斯頓等三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)凇凹?xì)胞程序性死亡”這一領(lǐng)域中的開創(chuàng)性工作。他們不但發(fā)現(xiàn)在生物的器官發(fā)育過程中存在細(xì)胞程序性死亡，而且闡明了細(xì)胞程序性死亡過程中的基因規(guī)律。

第15頁/共28頁布雷內(nèi)慧眼識(shí)線蟲

20世紀(jì)60年代末，英國科學(xué)家悉尼·布雷內(nèi)希望能找到一種適于基因水平研究，并能確定完整的神經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生物模型。最終布雷內(nèi)選擇了一種較為簡(jiǎn)單的生物——秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditiselegans，C.elegans）。

第16頁/共28頁秀麗隱桿線蟲非常適合用作基因分析，除了顯而易見的體形小、生長(zhǎng)周期快等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)樗且环N可以自我繁殖的雌雄同體生物，非常有利于得到具有同一基因結(jié)構(gòu)的純合體線蟲。另外，秀麗隱桿線蟲還存在一種雄性個(gè)體，它不能自我繁殖，必須與雌雄同體的線蟲交配才可繁衍后代。利用雄性個(gè)體，人們可以將突變基因從一種線蟲轉(zhuǎn)移到另一種線蟲中去。

第17頁/共28頁事實(shí)上，利用線蟲的形體和運(yùn)動(dòng)特征以及協(xié)調(diào)性缺乏等突變特征，布雷內(nèi)建立了最為豐富的突變體線蟲株，并將線蟲形體、行為的改變與染色體上的突變位點(diǎn)——對(duì)應(yīng)起來。這就使得基因分析能夠和細(xì)胞的分裂、分化以及器官的發(fā)育聯(lián)系起來，為后來人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡及其機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

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蘇爾斯頓提出“細(xì)胞程序性死亡”

秀麗隱桿線蟲非常小而且是透明的，成年的雌雄同體線蟲總共才959個(gè)細(xì)胞，這就便于研究人員通過顯微鏡觀察活的完整線蟲的內(nèi)部構(gòu)造，并且能直接觀察線蟲發(fā)育過程中單個(gè)細(xì)胞的遷移、分裂以及死亡，從而使人們能了解線蟲發(fā)育過程中各個(gè)細(xì)胞的命運(yùn)。英國科學(xué)家約翰·蘇爾斯頓和美國科學(xué)家羅伯特·霍維茨就是利用這種手段．通過艱苦的工作，確定了線蟲發(fā)育過程中每一個(gè)細(xì)胞的分裂和分化及其最終的命運(yùn)。

第19頁/共28頁科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在脊椎動(dòng)物和非脊椎動(dòng)物的正常發(fā)育過程中都存在細(xì)胞正常死亡的現(xiàn)象，這些細(xì)胞的死亡都伴隨著一系列的形態(tài)改變，不對(duì)周邊細(xì)胞產(chǎn)生影響。蘇爾斯頓將這些細(xì)胞死亡解釋為“細(xì)胞程序性死亡”，并且仔細(xì)地描述了在這一過程中細(xì)胞經(jīng)歷的變化。

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在雌雄同體的秀麗隱桿線蟲發(fā)育過程中，有131個(gè)細(xì)胞發(fā)生了凋亡。蘇爾斯頓發(fā)現(xiàn)線蟲中這種不同尋常的細(xì)胞死亡后，和其他科學(xué)家對(duì)其機(jī)制展開了深入的研究。他們利用布雷內(nèi)建立的突變的線蟲株，發(fā)現(xiàn)并分離了一系列影響細(xì)胞凋亡的基因，包括ced-1、ced-2和nuc-1，提出生物發(fā)育過程中細(xì)胞的凋亡是由一系列基因控制的。創(chuàng)造性的毀滅——細(xì)胞凋亡

第21頁/共28頁(二)霍維茨等人確認(rèn)“死亡基因”

1986年，羅伯特·霍維茨及其學(xué)生發(fā)現(xiàn)了線蟲中在細(xì)胞凋亡過程中起關(guān)鍵作用的兩種基因：ced-3和ced-4。這兩種基因的缺失將改變細(xì)胞的命運(yùn)，使線蟲中原本正常情況下會(huì)死亡的細(xì)胞存活并繼續(xù)分化下去。同時(shí)，對(duì)于早先發(fā)現(xiàn)的在細(xì)胞凋亡中起作用的基因，他們也弄清楚了它們所起的確切作用。

2002年生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了線蟲生物學(xué)的開拓者：西德尼·布雷納（SydneyBrenner）、約翰·薩爾斯頓（JohnSulston）和線蟲凋亡之父羅伯特·霍維茨（RobertHorvitz）。

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在知道了控制線蟲細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵性基因后，霍維茨的一位中國學(xué)生于1993年克隆了ced-3基因，并且發(fā)現(xiàn)該基因表達(dá)的蛋白質(zhì)與哺乳動(dòng)物中的一種酶非常相似。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，該酶與細(xì)胞凋亡相關(guān)，這表明在哺乳動(dòng)物中也存在引起細(xì)胞凋亡的基因及其表達(dá)。

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研究新成就及研究的意義

現(xiàn)在，隨著對(duì)細(xì)胞凋亡機(jī)制研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外信號(hào)都可以啟動(dòng)細(xì)胞的凋亡。目前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因有三類：促進(jìn)細(xì)胞死亡的基因、抑制細(xì)胞死亡的基因和在細(xì)胞死亡過程中表達(dá)的基因。

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細(xì)胞凋亡的發(fā)現(xiàn)以及對(duì)細(xì)胞凋亡發(fā)生機(jī)制的研究，為科學(xué)開拓出一個(gè)神奇的新領(lǐng)域，意義非常深遠(yuǎn)。

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首先，它加深了人類對(duì)于生命的認(rèn)識(shí)。在生物體內(nèi)，有些細(xì)胞將犧牲自己以便于機(jī)體自身的維持與更新，可以說，細(xì)胞凋亡廣泛存在于各種生物體內(nèi)。同時(shí)，細(xì)胞凋亡也存在于生物發(fā)育的各個(gè)階段。蝌蚪在變態(tài)期，尾部細(xì)胞將發(fā)生凋亡，從而使其能轉(zhuǎn)變成正常的成體蛙。從另外一個(gè)角度說，細(xì)胞凋亡是一種積極而主動(dòng)的“創(chuàng)造性的毀滅”過程。譬如，在生物體的正常新陳代謝過程中，細(xì)胞的凋亡有助于消除體內(nèi)衰老的細(xì)胞，維持組織器官的形體大小，