1、第六章 基因與發(fā)育本章重點:基因表達與發(fā)育的關系同形異位現(xiàn)象和同形異位基因細胞的全能性性別決定第一節(jié) 發(fā)育遺傳學概論從生物學角度來說，發(fā)育是高等生物從受精卵開始發(fā)育，經(jīng)過一系列細胞分裂和分化，產(chǎn)生新個體，生長繁殖的一系列過程。從遺傳學角度來說，發(fā)育是基因按照特定的時間、空間程序表達的過程。 第二節(jié) 基因在細胞分化和細胞決定中的作用個體發(fā)育細胞分化的多樣性功能 細胞分化 形態(tài)建成 生 長生命的延續(xù)性功能 性別分化 繁 殖細胞分化 ：是指多細胞生物在由一個細胞分裂而來的子細胞群體內(nèi)，產(chǎn)生出形態(tài)上和功能上具有質(zhì)的差別的兩種類型以上的細胞的現(xiàn)象。芽孢：某些桿菌在發(fā)育到某一階段時，會在內(nèi)部形成園形或卵形

2、的芽孢，屬于細菌的休眠狀態(tài)。首先是在內(nèi)部一定的部位發(fā)生細胞質(zhì)濃縮，水分剩下不到40，然后再形成多層厚膜。芽孢核心含有DNA、RNA蛋白質(zhì)和酵素。外層則依次包括內(nèi)膜、芽孢壁、皮質(zhì)層、外膜、芽孢殼和芽孢外壁，不具通透性。有時芽孢可抵抗150干熱滅菌一小時。形成芽孢也是有相關基因調(diào)控的（因子決定一組基因的表達 ） 。一、單細胞生物的細胞分化和發(fā)育的基因調(diào)控特化（specification）：細胞或組織按照已經(jīng)被決定的命運自主地進行分化，形成特異性組織或細胞地過程。 例如：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)。 二、多細胞生物的細胞分化和細胞決定決定（determi

3、nation）: 早期胚胎期間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。 例如：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。細胞定向（commitment）：決定和特化（1）確定了線蟲發(fā)育過程中每一個細胞的分裂和分化及其最終的命運。P顆粒不對稱分裂英國約翰蘇爾斯頓、美國羅伯特霍維茨：131個進入細胞編程性死亡，將這些細胞死亡解釋為“細胞程序性死亡”，并且仔細地描述了在這一過程中細胞經(jīng)歷的變化?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，在脊椎動物和非脊椎動物的正常發(fā)育過程中都存在細胞正常死亡的現(xiàn)象，這些細胞的死亡都伴隨著一系列的形態(tài)改變，不對周

4、邊細胞產(chǎn)生影響。2002年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎（2）細胞程序性死亡本該死亡的基因不死亡，導致癌的形成或自身免疫性疾病。本該不進入死亡程序的細胞發(fā)生死亡，引起中風或老年性癡呆等疾病。許多種類型的神經(jīng)元，有一半會在發(fā)育過程中進入細胞程序性死亡。消除在錯誤部位生長的神經(jīng)元，也可使神經(jīng)元與受其刺激的靶細胞在數(shù)量上保持平衡。（1）發(fā)育中具有重要作用3、細胞編程性死亡的意義（2）是一種細胞的利他性死亡高等植物的木質(zhì)部細胞程序性死亡，構(gòu)成了輸送液體的管道，使植株得以生長。 在植物發(fā)育過程中有一種超敏反應，細菌感染時，不僅殺死自身，而且使周圍的細胞發(fā)生變化乃至死亡。這是防止細菌在細胞中增殖和傳播的一種防御保護

5、機制。這是一種重要的植物免疫機制。 動物，如兩棲類的青蛙，當蝌蚪變成為青蛙時，構(gòu)成尾巴的細胞就進入程序性死亡而使尾巴脫落。 生理性的細胞死亡與基因表達密切相關。 細胞的死亡總是發(fā)生在確定的發(fā)育階段和確定的細胞。4、調(diào)控細胞凋亡的主要基因例如：線蟲在發(fā)育過程中，1090個體細胞中有131個注定要死亡；線蟲的第一期幼蟲有6個外胚層生成區(qū)（ectoblast，V1-V6），其中V5負責產(chǎn)生神經(jīng)元突起：包括2個神經(jīng)元，一個為產(chǎn)多巴胺的神經(jīng)元（DN），另一個為非產(chǎn)多巴胺的神經(jīng)元（N）；以及2個輔助細胞，即鞘細胞（sheath cell，SH）和槽細胞（socket cell，SO），同時還有一個注定要死

6、亡的細胞（X）。 這些基因被命名為ced基因。ced3和ced4使細胞進入程序性死亡，當這2個基因中有一個發(fā)生突變時，可使細胞不出現(xiàn)程序性死亡；ced9的作用正好相反，是細胞死亡的負調(diào)控基因，只有當它發(fā)生突變喪失原有功能時，才是致死的。 線蟲細胞程序性死亡至少有14個基因起作用受精卵不斷的快速分裂成較小的細胞,叫卵裂。二、卵裂第一次卵裂和第二次卵裂都是縱向分裂，第三次分裂則是橫向分裂，是不均等的水平分裂，生成的8個卵裂球中，上面的4個體積小，下面的4個體積大，含有大量卵黃（yolk）顆粒。卵裂產(chǎn)生的細胞稱為卵裂球。每種物種均有其特有的胚胎卵裂圖式果 蠅人 類如果胚泡中只有一個細胞形成以后的胚胎

7、，則生下小鼠的毛色或者全是黑色，或者全是白色。如果胚泡中有兩個細胞參與胚胎的生成，則異決表型小鼠的數(shù)目應占子代中的半數(shù)（1ww：2wB：1BB），如果胚泡中的3個細胞生成胚胎，則異決表型小鼠應占75（1www：3wwB：3wBB：1BBB）；如果胚泡中的4個細胞生成胚胎，則毛色黑白相間小鼠的概率為87.5。異決表型小鼠試驗：將基因型不同的兩種小鼠，例如皮毛為黑色的和白色的兩種小鼠的8細胞期胚胎去除透明帶后人工聚集成為一個胚胎，形成一個共同的胚泡后，生下的小鼠中有毛色黑白相間的異決表型小鼠，即這種小鼠兼有兩種基因型的細胞。原腸胚（gastrulation）形成期 原始胚層(germlayer)

8、a)外胚層(ectoderm)：表皮，毛發(fā)，指甲。b)中胚層(mesoderm):結(jié)締組織，骨，血液，心，平滑肌， 睪丸，卵巢。c)內(nèi)胚層（endoderm）：消化道，尿道，肝，膽，胰腺。哺乳動物原腸胚生成過程中，母體基因組和父體基因組起著不同的作用。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。基因組印記的實例。由父體來源的單親二倍體小鼠胚胎可以進一步發(fā)育生成正常的絨毛膜，但胚胎卻因有缺陷而死亡；由母體來源的單親二倍體小鼠胚胎能發(fā)育成正常的胎鼠，可是卻因絨毛膜的缺陷而死亡。3種胚層經(jīng)過了細胞分化生成各種器官的原基，如肢、眼、心等原基，這是器官生成。原基先是生

9、成微小而精確的結(jié)構(gòu)，然后逐漸長大，在生物體的各個正確部位長成各種器官和組織，這是形態(tài)建成。 神經(jīng)管胚形成期器官生成形態(tài)建成人的發(fā)育過程干細胞（stem cell）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（embryonic stem cell）。 多能干細胞（pluripotent stem cell）: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（multipotent stem cell）：具有專一分化能力的細胞。例如骨髓中的造血干細胞。前、后軸方向

10、（頭尾）背、腹軸方向左、右軸方向第四節(jié) 基因在胚胎極性生成中的作用孔細胞在胚胎發(fā)育過程中，各種類型的細胞特化方向：原腸胚生成期：腹溝形成頭溝形成孔細胞（含極質(zhì)、P顆粒）進入胚胎內(nèi)部一、果蠅胚胎極性的形成母體背部基因的RNA在卵受精后90min時才翻譯產(chǎn)生背部蛋白質(zhì)。當合胞體細胞形成許多細胞時，背部蛋白質(zhì)進入合胞體腹側(cè)的細胞核，細胞核的腹化基因被激活，背化基因被抑制分化出腹化細胞；如果背部蛋白質(zhì)沒有進入細胞核，則細胞核的腹化基因不能激活，背化基因不被抑制分化出背化細胞。前端組織中心后端組織中心1、母體效應基因在昆蟲卵里至少有2個組織中心，即前端組織中心和后端組織中心。分別從這兩端開始，形成兩個梯

11、度而產(chǎn)生兩個組織區(qū)域。每個梯度在胚胎的端部生成其自身的結(jié)構(gòu)；兩個梯度間的相互作用，則生成胚胎中間部分的結(jié)構(gòu)。母體Bicoid（bcd）和合子Hunchback（hb）決定胚胎前端的形態(tài)，bcd基因失活會引起頭胸部缺失，并使頭區(qū)變?yōu)槲补?jié)的特征。Nanos（nos）和Caudal（cdl）等決定后端的形態(tài)，Torso（tor）決定胚胎末端的形態(tài)，這些基因共同決定胚胎的前后軸。三、果蠅前后軸極性的發(fā)生正常如果把發(fā)育早期的卵切成兩半，前端和后端分開，然后把一個卵的前半部和另一個卵的后半部連接起來，結(jié)果前半個卵發(fā)育出前端胚胎，后半個卵發(fā)育出后端胚胎，但都沒有胚胎中部的體節(jié)。如果是在卵的發(fā)育后期切割后再連

12、接，則會生成一些中部體節(jié)。這個實驗證明，在卵裂期間，卵的兩端確有控制胚胎發(fā)育的梯度，這兩種梯度間的相互作用產(chǎn)生了位置信息，決定每個體節(jié)的實體。 葉蟬胚胎連接實驗（1）裂隙基因 gap gene 這是一些受母體效應基因調(diào)控的合子基因，在胚胎的一定區(qū)域（約2個體節(jié)的寬度）內(nèi)表達這些基因如發(fā)生突變，則會使胚胎體節(jié)圖式出現(xiàn)裂隙這是胚胎轉(zhuǎn)錄的第一批基因裂隙基因2、分節(jié)基因hunchback基因受bcd基因調(diào)控而轉(zhuǎn)錄表達第一個合子基因。Bicoid蛋白質(zhì)結(jié)合hunchback基因，激活hunchback基因轉(zhuǎn)錄，形成頭胸。突變時，不生成頭和胸。Nanos蛋白質(zhì)則在后部抑制hunchback基因mRNA的翻

13、譯，形成腹部。 Nanos蛋白質(zhì)缺失，抑制形成腹部。hunchback基因裂隙基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物使成對規(guī)則基因在間隔體節(jié)的原基中轉(zhuǎn)錄，把寬闊的裂隙基因表達范圍分成7個帶區(qū)。成對規(guī)則基因突變的結(jié)果是每隔一個體節(jié)就缺失一部分(ftz基因突變純合子，體節(jié)只有正常的一半，7個體節(jié)（偶數(shù)）消失)。已知有3個基因：hairy、evenskipped和runt是初級成對規(guī)則基因，它們直接受裂隙基因的蛋白質(zhì)所調(diào)控。（2）成對規(guī)則基因（pairrule genes）成對規(guī)則基因2、分節(jié)基因體節(jié)極性基因的轉(zhuǎn)錄圖式是受成對規(guī)則基因pairrule基因所調(diào)控，這類基因的功能是保持每一體節(jié)中的某些重復結(jié)構(gòu)，體節(jié)極性基因在

14、每個體節(jié)內(nèi)部調(diào)控其發(fā)育模式，包括極性。當這類基因發(fā)生突變后，會使每一體節(jié)的一部分結(jié)構(gòu)缺失，而被該體節(jié)的另一部分的鏡像結(jié)構(gòu)所替代。例如：engrail基因是保持前后體節(jié)間的分界，engrail突變型胚胎則出現(xiàn)前后體節(jié)融合為一，即每一體節(jié)的后半部被后一個體節(jié)的前半部的重復結(jié)構(gòu)所替代。 （3）體節(jié)極性基因2、分節(jié)基因體節(jié)極性基因又激活同源異形基因，同源異形基因負責確定每一個體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)。眼睛、觸角、腿、翅膀等。同源異形基因發(fā)生突變會使一個體節(jié)上長出另一個體節(jié)的特征性結(jié)構(gòu)。例如，果蠅長觸角的部位長出一個腿節(jié)，果蠅胸節(jié)上長出兩對翅膀。同源異形基因序列中都有一個180個核苷酸的保守序列，編碼60個氨基酸

15、。這180個核苷酸序列稱為同源框(homeobox)，60個氨基酸殘基則成為同源異形基因編碼蛋白質(zhì)中的同源異形域(homeodomain)3、同源異形基因母體效應基因bcdHunchback蛋白質(zhì)梯度裂隙基因成對規(guī)則基因體節(jié)極性基因Bicoid蛋白質(zhì)同源異形基因 胚胎形體的發(fā)育 1.體軸 (母體基因) 2.分節(jié)（分節(jié)基因） 3.體節(jié)特征（同源異型基因）由多個基因群形成的多層次網(wǎng)絡控制級聯(lián)反應是指一些基因的表達產(chǎn)物可激活另一些基因的活性；這些激活的基因的產(chǎn)物，又調(diào)控另外一些基因的表達。 裂隙基因 成對規(guī)則基因 體節(jié)極性基因四、哺乳動物的同源異形基因哺乳動物胚胎的前后軸與果蠅一樣也是由同源異形基因

16、特化的。果蠅和脊椎動物是在5億年前趨異進化的。同源異形框在進化上十分保守。果蠅第三號染色體上有兩個同源異形基因復合體，統(tǒng)稱為HOMC，在人和小鼠的基因組中有HOMC的4份拷貝。小鼠的稱為HoxA、HoxB、HoxC和HoxD，人的稱為HOXA、HOXB、HOXC和HOXD。果蠅和哺乳動物的同源異形基因在染色體上的排列次序十分相似，而且基因表達的圖式也是相同的。 與果蠅labial、proboscipedia和Deformed基因同源的哺乳動物同源異形基因，也同樣是在胚胎前端表達；而與果蠅AbdB同源的哺乳動物基因則在后端表達。哺乳動物的軀體結(jié)構(gòu)并不是對稱的。心臟位于胸腔的左側(cè)，脾臟在腹腔的左側(cè)

17、，肝的大葉在右側(cè)。因此，胚胎發(fā)育除了前后軸和背腹軸外，還有左右軸。不對稱機制：左右軸的生成可能在兩個層次上受到調(diào)控。 1）一個是全局整體層次。轉(zhuǎn)基因小鼠，將酪氨酸酶基因隨機地插入了4號染色體一個區(qū)段，把原來位置上的基因剔除了。這種插入部位的純合小鼠在尸體解剖意外地發(fā)現(xiàn)所有這些小鼠的器官均是左右倒置的，可能改變了與左右軸極性生成有關的基因間相互作用的復雜調(diào)控途徑。 2）另一個是器官專一層次。證據(jù)也是來自小鼠器官倒置突變型。這種突變小鼠的不對稱器官有位于左側(cè)還是位于右側(cè)的一次選擇，而決定卻是由其他器官作出的。例如，在發(fā)育的某個關鍵時期，腎上腺素可以誘使器官左右倒置。五、哺乳動物的左右軸生成中的基因

18、第五節(jié) 性別決定性別決定的類型：基因決定型：大多數(shù)的生物 昆蟲： X:A 兩棲類 zz/zw xx/xy 鳥類 zz/zw 哺乳類：xx/xy環(huán)境決定型：較低等的生物中： 某些兩棲類 魚類 一、性染色體和常染色體套數(shù)之比決定性別XY2A 0.5XX2A 1.0XO2A 0.5果蠅（分子:分母比值）sxl激活tra抑制sxl抑制tra激活1.00.5(不育)二、哺乳動物的性別決定 XY XX TDF 無睪丸 卵巢 三、Y染色體的睪丸決定基因 Testis determination SRY box gene Family （SOX9）HMG(High Mobility Group) boxSRY ( Sex Determing region of the Y )TDF (Testis Determing Factor)Y ChromosomeQ: XY XXY XXXY XXX XO 性別 ?四、環(huán)境因子與性決定溫度性別決定（爬行類）蜥蜴龜蟹30282. 后嗌的位置性別決定（蠕蟲）（2）雌蟲雌蟲的吻1 m雄蟲（共生）1-3mm（1）幼蟲全是雌蟲 10cm、吻1 m成蟲產(chǎn)卵在海里，發(fā)育成幼蟲，不具有性別如自由生活發(fā)育成雌性，個體大，長有一個長吻若幼蟲落入其口吻部，則發(fā)育成雄性，個體很小，只有雌性的1