發(fā)育與遺傳的學(xué)習資料

發(fā)育與遺傳的學(xué)習資料第1頁/共104頁11.遺傳與發(fā)育一、教學(xué)基本要求

1．了解發(fā)育遺傳學(xué)的研究內(nèi)容、方法及特點；了解J.Gurdon的爪蟾核移植實驗及I.Wilmut的克隆羊?qū)嶒灱捌湟饬x；了解控制果蠅胚胎發(fā)育的三類基因及其作用；了解人胚胎發(fā)育的主要階段及特征；了解人工輔助生殖技術(shù)的基本原理。2.熟悉細胞定向的三種途徑；熟悉線蟲和果蠅的發(fā)育模式；熟悉三類干細胞的主要區(qū)別；理解細胞核去分化及再分化的定義。3.掌握發(fā)育、細胞分化、細胞定向、全能性、多能性等名詞概念。第2頁/共104頁從生物學(xué)角度來說，發(fā)育是生物的細胞分裂、分化、形態(tài)建成、生長繁殖的一系列過程。從遺傳學(xué)角度來說，發(fā)育是基因按照特定的時間，空間程序表達的過程。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)（DevelopmentalGenetics)。什么是發(fā)育？第3頁/共104頁發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點發(fā)育是生物的共同屬性發(fā)育貫穿于每個生物體的整個生活史。對有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個體正常死亡。其中早期胚胎發(fā)育過程包括受精、卵裂和胚層分化,是發(fā)育的關(guān)鍵階段,如哺乳類的早期發(fā)育過程。第4頁/共104頁發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點發(fā)育是基因型與環(huán)境因子的相互作用從遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern）看，發(fā)育就是基因按嚴格的時間和空間順序表達的結(jié)果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)表型的過程。第5頁/共104頁發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點發(fā)育調(diào)控基因具有保守性

無脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類的發(fā)育途徑基本相同，控制發(fā)育的基因在進化上是保守的，在結(jié)構(gòu)和功能上有很高的同源性。第6頁/共104頁發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點發(fā)育中基因之間的作用

生物發(fā)育過程中的基因與基因的相互作用執(zhí)行了對發(fā)育進程的調(diào)控。第7頁/共104頁Ectopiceyesoccurredatthebaseoftheantennae,wingsandmultiplespotsonthelegs.Theactivatedgenesinthesecellsweretransplantedfromhumans!TheHUMANgenesforeyeformationcausedthiseyetoformonthefly’sknee!發(fā)育遺傳學(xué)研究的意義第8頁/共104頁That’sahumanear!發(fā)育遺傳學(xué)研究的應(yīng)用第9頁/共104頁11.1真核生物體細胞的全能性

細胞的全能性——生物體的每個細胞都具有能重復(fù)個體的全部發(fā)育階段和產(chǎn)生所有細胞類型的能力。植物細胞的全能性大于動物細胞。第10頁/共104頁一.植物細胞的全能性植物的細胞培養(yǎng):

用胡蘿卜的根尖細胞可培養(yǎng)出一株完整的胡蘿卜植物細胞全能性的利用——第11頁/共104頁1950年RobertBriggs和ThomasKing建立一種兩棲動物的核移植技術(shù)。他們還發(fā)現(xiàn)從蛙的囊胚（blastula）細胞中分離的核保持著全能性。JohnGurdon（1958）用非洲爪蟾（Xenopuslaevis）進行實驗出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果。二.兩棲動物的核移植第12頁/共104頁(a)AgeneticmarkerfirstusedforXenopusnucleartransferexperiments.Embryosheterozygousforthecompletelossofonesetofribosomalgeneshaveasinglenucleolusintheirnuclei(left),incontrasttowild-typenuclei(right),whichusuallyhavetwonucleolipernucleusrepresentingbothnucleolusorganizerregions.(b)Thefirstsexuallymatureadultvertebrateproducedbynucleartransplantation.Thisfemalefrogderivedfromthetransplantednucleusofaneurulaendodermcellandcarriedthegeneticmarkershownina.FromGurdonetal.(1958).FromNuclearTransfertoNuclearReprogramming:TheReversalofCellDifferentiation

第13頁/共104頁1996年英國蘇格蘭愛丁堡羅斯林研究所(RoslinInstitute)的Wilmut,I利用綿羊的乳腺細胞的細胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly)”。第14頁/共104頁北京時間10月8日下午5點30分，2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉，英國科學(xué)家約翰·戈登（JohnB.Gurdon）和日本科學(xué)家山中伸彌（ShinyaYamanaka）獲獎，獲獎理由為“發(fā)現(xiàn)成熟細胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄浴?。JohnB.Gurdon，1933年出生于英國的Dippenhall。1960年他從牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位，曾在加州理工學(xué)院做博士后。他于1972年加入劍橋大學(xué)，成為細胞生物學(xué)教授。目前他供職于劍橋Gurdon研究所。ShinyaYamanaka，1962年出生于日本大阪。1987年他從神戶大學(xué)獲得MD。在轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究之前，他曾受訓(xùn)為整形外科醫(yī)生。1993年他從大阪市立大學(xué)獲得博士學(xué)位，之后他曾供職于美國舊金山Gladstone研究所和日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)。目前他于日本京都大學(xué)擔任教授。/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/press.html

/htmlnews/2012/10/270176.shtm

第15頁/共104頁今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給兩位發(fā)現(xiàn)“成熟、特化的細胞能夠被重編程為可發(fā)育成身體組織的非成熟細胞”的科學(xué)家。他們的發(fā)現(xiàn)革新了我們對細胞和有機生命體發(fā)育的理解。1962年，約翰·戈登發(fā)現(xiàn)細胞的特化（specialisation）是可逆轉(zhuǎn)的。在一項經(jīng)典實驗中，他將一個青蛙卵細胞的細胞核替換為成熟腸細胞的細胞核。這個改變了的卵細胞發(fā)育成為一只正常的蝌蚪。該成熟細胞的DNA仍含有發(fā)育成青蛙所需的全部信息。40多年后，山中伸彌在2006年發(fā)現(xiàn)了小鼠的完整成熟細胞是如何能夠被重編程為非成熟干細胞。令人驚訝的是，通過導(dǎo)入僅僅少量的基因，就可以將成熟細胞重編程為多能干細胞，即可發(fā)育成為身體各種組織的非成熟細胞。這兩項突破性的發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對于發(fā)育和細胞特化的看法?，F(xiàn)在，我們知道成熟細胞并不需要永遠局限在它的特化功能里。歷史被改寫，新的研究領(lǐng)域產(chǎn)生。通過重編程人體細胞，疾病研究的新機遇獲得實現(xiàn)，診斷與治療的新方法獲得發(fā)展。第16頁/共104頁生命——一次不斷特化的旅程我們所有人都是由受精卵細胞發(fā)育而來。在受精后的第一天里，這些組成胚胎的非成熟細胞，每一個都具有發(fā)育成成熟生命體中各種細胞類型的能力，這一類細胞被稱為多能干細胞。隨著胚胎的進一步發(fā)育，這些細胞發(fā)育成神經(jīng)細胞、肌肉細胞、肝臟細胞以及其他各類細胞——每一種細胞都肩負起成熟身體內(nèi)的一項特定使命。之前，這趟從非成熟細胞到特化細胞的旅程被認為是單一方向的。人們曾以為，細胞在成熟過程中是以這樣的方式發(fā)生著改變，不可能回到非成熟、多能的階段。第17頁/共104頁青蛙的逆發(fā)育特化細胞功能的不可逆轉(zhuǎn)一度被當成是教條，約翰·戈登向它發(fā)出挑戰(zhàn)。他曾假設(shè)，細胞的基因組或許仍然含有其發(fā)育成生命體各種類型的細胞的所需要的全部信息。1962年，為了驗證他的這種假設(shè)，他用蝌蚪腸道的成熟特化細胞的細胞核替換掉青蛙卵細胞的細胞核。該卵細胞發(fā)育成一只功能完全的克隆蝌蚪并最終長成如同實驗培養(yǎng)出的成體青蛙。成熟細胞的細胞核并未丟失功能完全的生命體發(fā)育所需的能力。戈登這次里程碑式的發(fā)現(xiàn)一開始是受到質(zhì)疑的，但經(jīng)過其他科學(xué)家的確認，人們接受了他的發(fā)現(xiàn)。這項發(fā)現(xiàn)引起研究熱潮，相關(guān)技術(shù)獲得進一步發(fā)展，最終發(fā)展到哺乳動物的克隆。戈登的研究告訴我們，一個成熟特化細胞的細胞核是可以被逆轉(zhuǎn)到非成熟、多能化的狀態(tài)。但是他的實驗是將一些細胞的細胞核抽出，然后引入另外一些細胞的細胞核。有沒有可能讓一個完整的細胞回退到多能干細胞呢？

第18頁/共104頁往返旅程——成熟細胞返回干細胞狀態(tài)在戈登的發(fā)現(xiàn)40余年后，山中伸彌在一項突破性的研究中回答了這個問題。他的研究有關(guān)胚胎干細胞，分離自胚胎并在實驗室中培養(yǎng)的誘導(dǎo)多能干細胞。這些干細胞最初是由MartinEvans（2007年諾獎得主）從小鼠身上分離得到。山中伸彌試圖發(fā)現(xiàn)保持它們未成熟的基因。當幾個這樣的基因被鑒別出來后，他進行了測試，以確定它們是否能夠重編程成熟細胞變成多能干細胞。山中伸彌與合作者用不同的組合方式向成熟細胞中引入了這些基因，這些成熟細胞來自于結(jié)締組織和纖維原細胞。他們在顯微鏡下檢測了結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)其中的一個組合起作用，而其“處方”是驚人的簡單。通過同時引入四個基因，他們可以重編程纖維原細胞變成未成熟干細胞！由此得到的誘導(dǎo)多能干細胞（iPS細胞）能夠發(fā)育成多種成熟細胞，例如纖維原細胞、神經(jīng)細胞以及腸細胞等。完整、成熟的細胞可被重編程成多能干細胞這一發(fā)現(xiàn)在2006年一經(jīng)發(fā)表，立即被認為是一個重大的突破。第19頁/共104頁從驚人發(fā)現(xiàn)到醫(yī)學(xué)應(yīng)用戈登和山中伸彌的發(fā)現(xiàn)顯示，在某種情況下，特化的細胞能夠回撥發(fā)育的時鐘。雖然它們的基因組在發(fā)育中經(jīng)受了修改，但這些修改并不是不可逆的。我們就此獲得了對于細胞和有機體發(fā)育的一種新觀點。近年的研究顯示，iPS細胞能夠生成機體所有不同種類的細胞。這些發(fā)現(xiàn)也為全球科學(xué)家提供了新工具，使得他們在醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域做出了非凡的成就。iPS細胞也能從人體細胞中獲得。例如，可從罹患各種疾病的病人身上獲得皮膚細胞，進行重編程，并在實驗室進行檢測以確定它們與健康人體細胞的不同。這些細胞對于理解疾病機制提供了無價的工具，從而為開發(fā)醫(yī)學(xué)療法提供了新機會。

第20頁/共104頁三、克隆羊的誕生

1996年7月IanWilmut克隆一頭名叫“Dolly/多利”的小綿羊用一頭母羊乳腺的細胞核移植到另一頭母羊的去核卵細胞中，經(jīng)體外培養(yǎng)后，再移植到假孕母羊的子宮內(nèi)發(fā)育而成。實驗一共移植了247/277（？）個卵，多利是其中唯一成功的一頭,可見難度是很大的。1.低血清培養(yǎng)（血清濃度由100%降低到0.5%)2.綿羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表達。第21頁/共104頁這是世界上第一例成年山羊體細胞克隆出的“元元”，但由于肺部發(fā)育缺陷，它只存活了36小時零3分鐘，就因呼吸衰竭而死亡。第22頁/共104頁這是在日本誕生的克隆牛，是繼“多利”羊后，科學(xué)家利用成年動物體細胞成功克隆的又一動物。第23頁/共104頁第24頁/共104頁第25頁/共104頁世界上第一只克隆猴“泰特拉”在美國俄勒岡靈長類動物中心誕生第26頁/共104頁2002年2月21日《nature》報道美國得克薩斯農(nóng)業(yè)和機械大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的馬克?韋斯特霍欣等成功地克隆出了小貓“茜茜”茜茜的供體茜茜和她的代孕媽媽茜茜第27頁/共104頁克隆羊的成功有著極重要的意義：（1）在理論上充分證明了高等哺乳動物的細胞核有著全能性，發(fā)育是可逆的，從而結(jié)束了幾十年來的爭論；（2）建立了高等哺乳動物體細胞克隆的方法，為搶救頻臨滅絕的珍稀動物和大量繁殖優(yōu)良品種奠定了基礎(chǔ)；（3）引發(fā)了人們對克隆人這一敏感問題的廣泛注意；第28頁/共104頁11.2細胞定向是發(fā)育的基本過程個體發(fā)育的生物學(xué)意義：細胞分化的多樣性

細胞分化（細胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理機能和生化特性上發(fā)生穩(wěn)定差異的過程）、形態(tài)建成、生長生命的延續(xù)性性別分化、繁殖個體發(fā)育中細胞分化的過程也是細胞定向的過程第29頁/共104頁細胞定向——從多能干細胞→單能干細胞→→分化終末細胞的過程細胞定向過程是細胞分化潛能逐漸喪失/降低(?)的過程?分化終末細胞第30頁/共104頁胚胎干細胞

（全能干細胞）

多能干細胞

單能干細胞 分化終末細胞第31頁/共104頁2008年8月20日，美國科學(xué)家首次在實驗室培育出人體無核紅細胞，這意味著人類在人造血液的進程上又邁出非常重要的一步。在不久的將來，獻血將成為歷史。普通人平均每200毫升血液中有2萬億個紅細胞。紅細胞的功能是運輸氧、二氧化碳、電解質(zhì)、葡萄糖以及氨基酸這些人體新陳代謝所必須的物質(zhì)。因此，若要制成人造血液，科學(xué)家首先必須大批量培養(yǎng)出紅細胞。世界首例人造無核紅細胞誕生獻血將成歷史第32頁/共104頁主持這項研究的羅伯特?蘭薩教授和同事首先從人體干細胞中提取營養(yǎng)物質(zhì)和合成紅細胞所必須的物質(zhì)，再將干細胞培養(yǎng)成血管原細胞(haemangioblasts，血管原細胞是紅細胞的前體細胞)，最后培育成成熟紅細胞。雖然在此之前已有科學(xué)家制造出紅細胞，但是在很多關(guān)鍵問題上都沒有取得突破，比如無法傳遞營養(yǎng)物質(zhì)，或者無法完成新陳代謝。但蘭薩教授在這些關(guān)鍵點上都取得了重大突破。結(jié)果證明，他們培育造出的紅細胞與人體內(nèi)的紅細胞一樣，都能有效傳遞氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。最重要的是，這種人造紅細胞是無核的。成熟的紅細胞必須是無核、紅色的，呈雙凹圓盤形，這種形態(tài)特點的生理意義在于，紅細胞具有較強的可塑性，能通過管徑微小的毛細血管和血竇。另一方面，雙凹盤形結(jié)構(gòu)使細胞表面積增大，擴大與血漿之間的交換面積，提高氣體交換效率。世界首例人造無核紅細胞誕生獻血將成歷史第33頁/共104頁第34頁/共104頁干細胞(Stemcell)定義特點分類全能干細胞多能干細胞專能干細胞第35頁/共104頁干細胞（stemcell）干細胞：能不斷增殖更新自身，具有分化能力的細胞。全能干細胞（totipotent）:能夠分化產(chǎn)生各種細胞直至個體的細胞，例如胚胎干細胞（embryonicstemcell）。多能干細胞（pluripotentstemcell）:具有多種分化能力的細胞。例如不同胚層的特異性細胞可以分化形成特定的組織和器官。多效干細胞（multipotentstemcell）：具有專一分化能力的細胞。例如骨髓中的造血干細胞

第36頁/共104頁第37頁/共104頁干細胞自我更新的方式不均一分裂，多見于單細胞生物和無脊椎動物總體不均一，多見于哺乳動物不管是哪一種方式都受到多種反饋調(diào)節(jié)和細胞間相互作用的調(diào)節(jié)第38頁/共104頁1998年11月，美國Wisconsin-MedisonUniversity的James.A.Thomson從人類胚胎的囊胚期內(nèi)細胞群中直接分離了多能干細胞。同時美國John-HopkinsBayviewHospital的John.D.Gearhart從終止妊娠的胎兒組織中原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的部位取得細胞進行培養(yǎng)，得到多能干細胞。第39頁/共104頁第40頁/共104頁特異組織中分離出干細胞VincentTropepe(sciencevol287.2000.3)

從成年小鼠的眼睛中鑒定出一種干細胞。這些細胞的克隆可以分化出視網(wǎng)膜特異的細胞類型，包括視桿細胞，雙極細胞，Miiller膠質(zhì)細胞第41頁/共104頁細胞核的去分化高度分化的細胞核在一定的條件下，可能脫離原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全能干細胞。例如：蝌蚪的腸壁細胞核移植到去核的卵中，發(fā)育成蝌蚪。克隆羊多利等。第42頁/共104頁原來認為的專能干細胞可以分化成毫不相關(guān)的細胞類型。1997年4月,Martin.A.EglitisHematopoieticcells-------microgliaandmacrogliainbrain1999年2月,Christopher.R.R.BjornorsonNeuralstemcells-------bloodcells1999年4月,Mark.F.PittengerHumanmesenchymalstemcells-------bone,cartilage,,fat,tendon,muscleandstroma1999年5月,B.E.Petersenbonemarrowstemcells-----hepaticovalcells第43頁/共104頁人(胚胎)干細胞技術(shù)對基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的影響。用于修復(fù)甚至替換喪失功能的組織和器官。體外研究人(胚胎)的發(fā)育和不正常發(fā)育。新人類基因的發(fā)現(xiàn)。藥物篩選和致畸實驗?；蛑委煹募毎?/p>

可自我復(fù)制更新，持久發(fā)揮作用。第44頁/共104頁第45頁/共104頁人胚胎干細胞面臨的技術(shù)難題。胚胎干細胞極易分化為其他細胞，如何維持它在體外擴增時不分化？如何定向誘導(dǎo)干細胞分化？由胚胎干細胞在體外發(fā)育成完整的器官尤其是象心、肝、腎、肺等大型精密復(fù)雜的器官還需要技術(shù)上的突破。如何克服免疫排斥反應(yīng)?胚胎干細胞有形成畸胎瘤的傾向，其安全性如何？第46頁/共104頁2006年，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)明人工誘導(dǎo)多能性干細胞(iPS)技術(shù)后，這一技術(shù)成為干細胞研究領(lǐng)域的有力工具，激發(fā)了很多研究成果。2月15日，山中伸彌借助病毒，將4個基因植入小鼠肝臟細胞和胃黏膜細胞，培育出了iPS。與原先用皮膚細胞培育出的iPS相比，這種iPS引發(fā)癌癥的可能性大為下降。兩個月后，山中伸彌又與日本理化研究所發(fā)育與再生科學(xué)綜合研究中心的高橋政代合作，利用由小白鼠的皮膚制成iPS，成功制造了視網(wǎng)膜感光細胞。這一成果可用于治療視網(wǎng)膜色素變性等疾病。而在8月31日，日本科學(xué)家又利用iPS，培育出胰腺。第47頁/共104頁除了人工誘導(dǎo)多能性干細胞研究，傳統(tǒng)的干細胞研究領(lǐng)域也取得不少進展。1月17日，美國一家生物技術(shù)公司首次通過克隆技術(shù)，由成體皮膚細胞得到了晶胚，利用克隆得到的晶胚又可以制造胚胎干細胞系，從而用于糖尿病和帕金森氏癥等疾病的研究和治療。一個月后，德國科學(xué)家利用頭發(fā)根部提取的干細胞，成功培育出皮膚組織。這一技術(shù)的成熟有望用于燒傷患者等需要接受植皮手術(shù)的病人身上。此后，科學(xué)家還取得了一系列重要成果：利用干細胞再生犬類骨骼、將胚胎干細胞分化成下丘腦神經(jīng)細胞、用病人體細胞制造干細胞……這些研究成果表明,干細胞技術(shù)離實際應(yīng)用已越來越近。第48頁/共104頁201112英國培育出

首批公用高純度

人類胚胎干細胞英國倫敦大學(xué)國王學(xué)院6日宣布，該校研究人員培育出沒有受動物原料污染的純度極高的人類胚胎干細胞，并已交付給英國干細胞庫，有需求者可直接從庫中取用。這是培育出的首批供公共用途的高純度胚胎干細胞。胚胎干細胞是指胚胎中一些具有發(fā)育成各種組織和器官能力的細胞，在醫(yī)學(xué)上具有巨大應(yīng)用前景。但過去培育人類胚胎干細胞時往往還要用到一些源于動物的材料，比如源于豬的酶和源于牛的血清等。這樣得到的胚胎干細胞純度不高，如果用于醫(yī)療存在一些風險。倫敦大學(xué)國王學(xué)院研究人員經(jīng)過近十年的研究，找出了完全不用動物原料培育人類胚胎干細胞的方法，得到的胚胎干細胞具有極高純度，可以直接供醫(yī)學(xué)使用。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在美國學(xué)術(shù)刊物《細胞治療》上。2011年12月08日07:42新華網(wǎng)黃堃

第49頁/共104頁細胞定向的機制Morgan(1934):順序基因活動和基因產(chǎn)物相互作用決定（determination）:胚胎早期的全能或多能干細胞在基因的調(diào)控下，確定了特定細胞的分化趨勢，即指定了這些細胞的分化命運。如：受精卵分裂成512個細胞時所有細胞已經(jīng)定位，并確定了特定細胞的形態(tài)建成等命運。特化（specification）：

細胞或組織按照已經(jīng)確定的方向進行分化，形成特異性組織或細胞地過程。如：被決定命運（？）的細胞，按照指令繼續(xù)分化成特定的組織，形成體節(jié)，器官等不同形態(tài)。第50頁/共104頁細胞定向的三種途徑

（動物的三種發(fā)育模式）：1）完全程序化的自主特化途徑/鑲嵌發(fā)育模式。以秀麗隱桿線蟲（C.elegans）為代表2）無程序化的條件特化途徑/調(diào)節(jié)發(fā)育模式。細胞的命運具有一定的隨機性，如哺乳動物。3）半程序化途徑/自主特化和條件特化相結(jié)合的（合胞特化）發(fā)育模式。如果蠅的成蟲盤（disk）。第51頁/共104頁自主特化條件特化AEACEABCDEABCDE自主和條件特化鑲嵌發(fā)育：調(diào)節(jié)發(fā)育：形成體原基分布圖ABCDEABCDE第52頁/共104頁11.3線蟲（C.elegans）的發(fā)育模式

C.elegans:體長僅1mm,生命周期僅3天。 1.2n=12，2.基因組僅有8×107bp，約有13,500個基因。3.與原核相似，有25%左右的基因產(chǎn)生多順反子

mRNA（PolycistronicmRNA）4.基因組中非重復(fù)序列達83%（E.coli為100%），

而高等的真核生物都在50%以下；5.大部分是XX型，為可以自體受精的兩性體（hermaphrodites）,XO型為雄體(突變型,約占1/500)。C.elegans成體由959個細胞組成。 第53頁/共104頁線蟲（C.elegans）的發(fā)育—完全程序化的鑲嵌發(fā)育模式奠基者細胞胚胎早期細胞的分化由母體中卵子細胞質(zhì)不均等分配決定。如：P顆粒向合子后端的分配決定該部分細胞分化為性細胞。缺失某類細胞將不能被其他細胞取代——形成鑲嵌模式。第54頁/共104頁線蟲（C.elegans）的發(fā)育第55頁/共104頁11.4胚胎發(fā)育的遺傳控制第56頁/共104頁胚胎發(fā)育卵裂（cleavage）:受精卵不斷分裂成較小細胞，形成l卵裂球或囊胚的過程。受精卵2個細胞4個細胞8個細胞桑葚胚囊胚

內(nèi)細胞團胚泡腔滋養(yǎng)細胞

胚胎第57頁/共104頁囊胚腔的功能為原腸胚形成過程中細胞的遷移提供空間把將要形成內(nèi)胚層器官的細胞拖入胚胎內(nèi)部，外胚層細胞置于四周。囊胚的發(fā)育第58頁/共104頁原腸胚（gastrulation）原始胚層(germlayer)

中胚層(mesoderm):結(jié)締組織，骨，血液，心，平滑肌，睪丸，卵巢……

外胚層(ectoderm)：表皮，毛發(fā)，甲……

內(nèi)胚層（endoderm）：消化道，尿道，肝，膽，胰腺……第59頁/共104頁人的發(fā)育第60頁/共104頁人的發(fā)育胎兒從卵裂到出生的9個月時間內(nèi)的發(fā)育過程可分

為明顯的3個階段。每一階段大約持續(xù)12周。第一階段：單細胞受精卵發(fā)育成高度分化的多細胞胚胎；第二階段：體積增大和人體特征的精細化;第三階段：胎兒迅速成長,神經(jīng)系統(tǒng)和各器官系統(tǒng)基本完善。第61頁/共104頁輔助生殖技術(shù)體外受精、試管嬰兒、代孕母親 首例試管嬰兒已于1978年問世體外直接將精子注入卵細胞技術(shù)基因工程技術(shù) “預(yù)制胎兒”？

——人類社會面臨的新的挑戰(zhàn)第62頁/共104頁2008年1月17日，英國人工授精與胚胎學(xué)管理局批準兩個研究小組展開一項爭議性研究——培育人類與動物的混合胚胎。早在2006年，英國倫敦大學(xué)國王學(xué)院和紐卡斯爾大學(xué)的科研人員就希望展開此類研究，但由于英國政府明令禁止制造人類與動物的混合胚胎，這項研究一直停滯不前。獲得人工授精與胚胎學(xué)管理局的許可后，英國科學(xué)家取得了非常重大的研究進展。英國科學(xué)家培育出首個人獸混合胚胎第63頁/共104頁4月1日，英國紐卡斯爾大學(xué)宣布，該校約翰?伯恩教授帶領(lǐng)的研究小組從人類皮膚細胞提取細胞核，植入幾乎完全剔除了遺傳物質(zhì)的牛卵細胞后，成功培育出了人?；旌吓咛?。這個胚胎總共存活了3天時間。參與這項研究的科學(xué)家表示，他們不會制造混合動物，把人獸混合胚胎放入子宮也是非法的，進行這項研究是為了探索帕金森病、肌萎性脊髓側(cè)索硬化癥等疾病的治療方法，提高人們對胚胎干細胞發(fā)育過程的認識和理解。

英國科學(xué)家培育出首個人獸混合胚胎第64頁/共104頁

5月12日，美國康奈爾大學(xué)一個研究小組宣布，他們成功培育出世界上第一個轉(zhuǎn)基因(GM)人類胚胎，用以研究細胞和疾病的早期發(fā)展狀況。胚胎在存活5天后被銷毀。英國人工授精與胚胎管理局(HFEA)警告說，這種頗具爭議的實驗勢必引起“嚴重的道德和公共利益問題”?！度祟愂芫团咛W(xué)法案》規(guī)定，轉(zhuǎn)基因胚胎僅能用于研究，禁止移植到子宮內(nèi)。美國科學(xué)家成功培育出首個轉(zhuǎn)基因人類胚胎第65頁/共104頁改變胚胎的影響是永久性的。添加至胚胎或生殖細胞(如精子)的基因?qū)绊懭梭w中所有細胞，同時還將代代相傳。這項技術(shù)有可能被用于矯正引起囊性纖維變性、血友病、癌癥等疾病的基因。從理論上講，任何已得到鑒別的基因都能添加至胚胎上?？茖W(xué)家強調(diào)，轉(zhuǎn)基因胚胎不僅可用于研究疾病發(fā)展情況，而且在培育干細胞方面效率更高。美國科學(xué)家成功培育出首個轉(zhuǎn)基因人類胚胎第66頁/共104頁模式形成（patternformation）

（圖式形成）胚胎形成不同類型的細胞，而這些細胞又分別構(gòu)成不同的組織、器官，并形成有序的空間結(jié)構(gòu)的過程動物最初的模式形成主要涉及胚軸(embryonicaxes)形成和相關(guān)細胞的分化胚軸：前-后軸(anterior-posterioracis)

背-腹軸(dorsal-ventralaxis)

中-側(cè)軸或左-右軸）(mediolateralaxis)第67頁/共104頁脊椎動物軀體規(guī)劃的第一步是體軸的決定體軸分:

頭尾軸(antero-posterioraxis)

背腹軸(dorso-ventralaxis)

遠近軸(proximo-distalaxis）第68頁/共104頁兩棲類：首先被決定的是動植物極（即頭尾）。鳥類：首先決定背腹極，頭尾軸則根據(jù)重力和排卵時的旋轉(zhuǎn)決定。哺乳類：根據(jù)胚胎內(nèi)細胞團（innercellmass）分隔的位置決定背腹面，頭尾可能是在排卵時被決定，還不清楚哺乳類是如何決定左右。第69頁/共104頁果蠅前－后軸、背－腹軸如何確定？11.5果蠅的發(fā)育

（半程序化的合胞特化途徑）

第70頁/共104頁果蠅的囊胚前同等卵裂，盤狀囊胚后定向

（合胞體胚囊→單層細胞囊胚，最初的胞質(zhì)位置/成分決定了對應(yīng)囊胚細胞的發(fā)育定向，如極質(zhì)區(qū)的細胞發(fā)育為配子）第71頁/共104頁(a)3小時的果蠅胚胎(b)10小時的果蠅胚胎(CL,PC,O,D,Mx,Ml,Lb是頭部不同的節(jié))(c)剛孵化出的幼蟲第72頁/共104頁第73頁/共104頁第74頁/共104頁控制果蠅胚胎發(fā)育的三類基因：1.母體基因(maternalgenes)

2.分節(jié)基因(segmentationgenes)3.同源異型基因/特征形成基因 (homoeoticgene)第75頁/共104頁母體基因在發(fā)育中的作用：在受精前，發(fā)育已經(jīng)開始，雌性生殖系統(tǒng)基因的表達產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)和決定因子，轉(zhuǎn)運至卵中，為卵的進一步發(fā)育打下基礎(chǔ)——分子水平的母愛。在某些物種中，這些來自于母親的基因產(chǎn)物決定了胚胎發(fā)育的基本結(jié)構(gòu)，例如頭尾，背腹的確定。稱為maternal-effectgenes。dldl++♀X♂Mutationembryoduetomaternaleffectdldl♀♂X++Wide-typeembryodl,dorsalgene是果蠅母系影響基因之一第76頁/共104頁1、母體基因(maternalgene)1)影響前-后極性的基因有bicoid(bcd)(兩頭尖)的前部群有nanos(nos)(侏儒)的后部群有torso(中段)和caudal的端部群2)影響背腹極性的基因dorsal(dal)和toll第77頁/共104頁經(jīng)分子雜交bcdmRNA定位于前部經(jīng)免疫雜交BCD蛋白定位于前部經(jīng)分子雜交nosmRNA定位于后部經(jīng)免疫雜交NOS蛋白定位于后部第78頁/共104頁(a)野生型(b)bcd母體效應(yīng)致死突變型：兩端和胸節(jié)缺失第79頁/共104頁頭溝的位置第80頁/共104頁bcd基因及其產(chǎn)物的條件特化作用

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在果蠅早期胚中位置信息建立了背腹軸核梯度和DL蛋白(dosal的產(chǎn)物)的胞質(zhì)定位。SPZ配體和TOLL受體結(jié)合，通過TUB和PLL兩種蛋白激活單個的傳導(dǎo)級聯(lián)，使DL磷酸化，并從CACT中釋放出，然后能移入核，在核中它作為D－V主要基因的轉(zhuǎn)錄因子。CACT(cactus仙人掌)(spaetzle)卵周膜卵周液Dorsalcactus第82頁/共104頁2.分節(jié)基因（合子基因）決定體節(jié)形成

◆分節(jié)基因的突變效應(yīng)◆裂隙基因(gap

gene)的表達形成4大體節(jié)區(qū)帶◆成對規(guī)則基因(pair-rule)的表達形成7對體節(jié)條紋◆體節(jié)極性基因(segmentpolarity)的表達產(chǎn)生 14個體節(jié)條紋 ——體節(jié)形成中的遺傳層次（genetichierarchy）第83頁/共104頁第84頁/共104頁第85頁/共104頁第86頁/共104頁第87頁/共104頁

母性效應(yīng)基因和分節(jié)基因相互作用決定體軸（A-P，D-V）的形成◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表達產(chǎn)物的梯度決定◆A-P軸的后端由nanos基因的作用決定◆bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸◆D-V軸建成中，腹部結(jié)構(gòu)按背部基因蛋白在核內(nèi)的梯度形成，而背部結(jié)構(gòu)的形成則取決于腹部基因蛋白dpp的梯度第88頁/共104頁母性效應(yīng)基因（maternal-effectgenes）

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)物儲存在卵母細胞中，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。第89頁/共104頁第90頁/共104頁

合子基因（zygoticgenes），又稱為分節(jié)基因（segmen