遗传学第十二章遗传与发育

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十二章 遗传与发育,一、遗传与发育,（一）槪念,发育是基因按照特定的时间与空间进行程序化表达的过程。研究基因对发育的调控作用的学科就是发育遗传学,（,developmental genetics,）,。,特化,决定,（二）早期胚胎发育,P,376,1,、配子发育与受精,精卵形成、受精信号,2,、卵裂与囊胚形成,除哺乳动物以外，多数动物合子基因组暂时不表达，即转录处于抑制状态。卵裂所需的物质主要来源于受精前储存在卵细胞质中的母源性分子，包括,mRNA,和蛋白质等，及其受精后的翻译产物。这些母源性物质能够支持受精卵发育到囊胚期（,Blastocyst),。,3,、胚轴建立与图式形成,背腹轴,(D-V),、前后轴,(A-P),、左右轴。,遗传控制发育的图式（,pattern,），发育则是基因按严格的时间和空间顺序表达的结果，是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型的过程。,无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇和人类的发育途径基本相同，控制发育的基因在进化上是保守的，在结构和功能上有很高的同源性。,研究发育模式生物,二、果蝇早期胚胎发育的遗传控制,(,一）概论,果蝇的生活周期从受精卵开始经过,5,个不同阶段的成体前（,pre-adult,）发育,包括胚胎、三个幼虫期和蛹期,最终形成成虫。,果蝇卵的结构,具有前（,anterior,）、,后（,posterior,）、,背（,dorsal,）、,腹（,ventral,）区。,果蝇受精后,3,小时的胚胎发育,受精约,30min,后,受精卵中来自亲本配子的核融合，形成合子核。,合子核约每,10 min,分裂一次，产生多核细胞，生成,合胞体,胚盘（,syncytial blastoderm,）,约,10,次分裂后（,1h 30 min,），产生约,512,个核，这些核往卵的外层迁移。,受精后约,2.5h,，卵的表面进行,4,次额外的核分裂，在后极（,posterior pole,）组成的极细胞（,pole cell,）成为种系细胞（,germ cells,）的前体。,约,3h,后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成单层细胞,细胞胚盘（,cellular blastoderm,）,约,6000,个体细胞。,约第,12,次分裂周期，细胞开始迁移，胚盘进入原肠胚生成（,gastralation,）期，并分化出外胚层（,ectoderm,）、中胚层（,mesoderm,）和内胚层（,endoderm,）。,早期胚胎发育各时段的切片,荧光处为核,DNA,成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的,果蝇胚胎中的体节、分区和副体节（,parasegments,），,Ma,，,Mx,和,Lb,表示将发育成头部的体节；,T,1,-T,3,是胸部体节；,A1-A9,为腹部体节，每个体节分为前（,A,）后（,P,）区；副体节代表早期的图式特化,果蝇幼虫的成虫盘和成体结构对照,（二）果蝇卵的极性形成、体节的分化,果蝇卵的极性形成、体节的分化是受一系列基因,级联,(cascade),反应,调控的。,参与果蝇卵的极性形成、体节的分化的基因有三类：母体效应基因（,maternal-effect genes),、分节基因,(segmentation genes),、同源异形基因,(homeotic genes),。,1,、母体效应基因（,maternal-effect,genes),母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白，在,卵子发生,（,oogenesis,）中转录，产物由,滋养层细胞合成,并输送入,卵母细胞,中，由细胞骨架瞄定在细胞质的不同区域，沿前,-,后轴呈梯度（,gradient,）分布。,母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约,40,个。如：,bicoid,nanos.,A-P,轴前端由,bicoid mRNA,及其表达产物的梯度决定,A-P,轴的后端由,nanos,基因的作用决定,bicoid,和,nanos,基因产物的协同作用生成早期胚胎,A-P,轴,2,、分节基因,分节基因决定体节的形成。主要包括,:,裂隙基因（,gap gene,），,成对规则基因（,pair-rule gene,）,体节极性基因,(segment polarity).,裂隙基因（,gap gene,）的表达结果,成对规则基因（,pair-rule gene,）的表达使胚胎中段前后轴形成,7,个区带。,体节极性基因,(segment polarity),的表达使胚胎中段前后轴进一步形成,14,个区带,。,3,、同源异形基因（,homeotic genes,）,主要包括触角足复合体,Antennapedia plex,（,ANTP-C,）和 双胸复合体,Bithorax plex,（,BX-C,）。,胚胎体节的划分确定后，同源异形基因负责确定每个体节的特征结构。若发生突变，会使一个体节上长出另一个体节的特征结构，如,Pb,基因的突变使触须变成腿和,UbX,突变成四翅果蝇。,同源异形基因的结构特点：,具有同源异形框。,有多个启动子和转录起始点。,有多个内含子。,同源异形基因之间的相互排斥。,哺乳类中的同源异形基因复合体称为,Hox,基因簇，与果蝇中的同源异形基因有同源性。,同源异形基因族的保守性,基因结构和组织形式的保守性,基因表达图谱的保守性,基因功能的保守性,三、线虫的发育,（一）最简单的多细胞模式动物,-,线虫,（,canorhabditis elegans,）。,是一种在土壤里生活的蠕虫，体长,1mm,身体透明,可实验室培养。,生活周期约,2d,，包括胚胎期（约,16hr,），,4,个幼虫期,L,1,-L,4,和成体期。,成体有两种性别：雌雄同体（,hermaphrodities,）,为,12,，,XX,，产生卵子和精子；雄体为,11,，,XO,雌雄同体的,C.elegans,有,959,个体细胞,.,C,elegans,基因组全序列已测定，由,9.710,4,kb,组成,2n=12,。单倍体基因组含有约,15000,个基因。,C.elegans,的胚胎发育中,最早的胚胎分裂是不对称的,第一次有丝分裂产生大的,AB,和小的,P1,子细胞,28,细胞期开始原肠形成,P,1,-P,4,为接受了种系颗粒（,germ line granules,）的性细胞系的前体细胞。,早期卵裂期间，不对称分裂产生一个,“,分化的,”,子细胞,称为奠基者细胞（,founder cells,），以和,D,表示,和一个干细胞（,P,1,-P,4,细胞系）,进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体的,959,个体细胞。,（二）细胞谱系示意图（,lineage diagram,）表明每个体细胞的生活史,雌雄同体的,C.elegans,的完整的细胞谱系,（三）卵孔（,vulva,）形成的遗传分析,1,、,C.elegans,的生殖系统,2,、卵孔的发育方式：,细胞通过信号分子来改变其它细胞基因组,基因的表达活性，来影响靶细胞的发育命运，最终产生细胞结构和功能的分化。,卵孔的决定大致分为三个阶段：,（,1,）锚定细胞的决定,由二龄幼虫期,Z1.ppp,和,Z4.aaa,两个细胞相互作用，其中,Z1.ppp,分化为生殖腺锚定细胞,(AC),。此过程中，,Lin-12,基因起着决定作用。,（,2,）,AC,与,6,个,Pn.p,细胞相互作用确定初级卵孔细胞和次级卵孔细胞的形成。,在锚定细胞（,anchor cell,AC,）中,lin-3,被激活,分泌一种与脊椎动物的,表皮生长因子,相似的,Lin-3,蛋白,作为信号分子；前体细胞则表达由,let-23,基因编码的细胞表面受体,Let-23,蛋白。,Lin-3,与,Let-23,连接，扳动前体细胞,p5p,p6p,和,p7p,形成初级卵孔细胞或次级卵孔细胞。,其中,P6.p,与,AC,最近，接受的信号最强，,P6.p,中的,vul,基因被激活，最终分化为初级卵孔细胞。,P5.p,和,P7.p,接受信号相对较少，而分化发育为次级卵孔细胞。,（,3,）真皮细胞的形成,P3.p,P4.p,P8.p,与,AC,距离远，没有接受到信号分子，细胞中,muv,基因表达，导致发育为环绕卵孔的真皮细胞,.,综上所述：卵孔的发育过程可看到两类细胞间的相互作用。,a.,诱导型相互作用,b.,侧抑制型相互作用,四、控制拟南芥及其花发育的,ABC,模型,萼片的分化：,A,类基因的表达。,花瓣：,A,B,两类共同表达。,雄蕊：,B,C,两类同时表达。,心皮：,C,类表达。,