1、第七章 遗传与发育一、概论发育遗传学（developmental genetics）研究生物发育过程中的基因及基因的相互作用对发育的调控。 发育是生物的共同属性，贯穿每个生物体的整个生活史。对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键的阶段, 如哺乳类的早期发育过程。, 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。, 发
2、育中的主要的事件涉及细胞决定（determination）、细胞分化（differentiation）和细胞间的相互作用（cell-cell interaction）。 发育研究中模式生物的作用。 发育研究中常用的突变包括功能突变、条件致死突变和功能获得突变。,模式生物, 基因组的等价性（genome equivalence）细胞的全能性（totipotency） 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的能力。 植物的细胞全能性大于动物细胞。 Gurdon的爪蟾核移植实验。 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆Dolly羊。,二、果蝇的发育1、概论 果蝇的生
3、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。,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（
4、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；T1-T3是胸部体节；A1-A9为腹部体节，每个体
5、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,2、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，产物储存在卵母细胞中，沿前-后轴呈梯度（gradient）分
6、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, D-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内的梯度形成，而背部结构的形成则取决于腹部基因蛋白dpp的梯度.,(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
7、（gap gene）的表达形成体节,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 complex（ANT-C）和 双胸复合体 Bithorax complex（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ANT-C基因的突变使触须变成腿和四翅果蝇。,同源异形基因的结构特点：具有同源异形
8、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作用。,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。,三、线虫的发育 1、秀丽隐杆线虫（canorhabditis elegans）是研究发育过程很有用的实验动物。 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L1-L4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由959个体细胞和约2000个种系细胞组成Celegans
9、基因组全序列已测定，由9.7104kb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, P1-P4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AB.MS.E.C和D表示,和一个干细胞（P1-P4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。,2、细胞谱系示意图（lineage diagram）表明每个体细胞的生活史
10、, 雌雄同体的C.elegans的完整的细胞谱系, 卵孔（vulva）形成的遗传分析 C.elegans的生殖系统,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关的Li
11、n-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., 初级和次级外阴细胞在Muv或Vul基因的作用下特化为外阴或表皮细胞,细胞程序性死亡（programmed
12、cell death，PCD） PCD指多细胞生物体的一些细胞不再为生物体所需或受到损伤时，会激活受遗传控制的自杀机制而自我毁灭的过程。PCD通常采取细胞凋亡（apoptosis）的形式, C.elegans的PCD遗传途径, C.elegans发育过程中，细胞死亡的数目是相同的，不仅如此，死亡发生的时间和死亡的细胞类型也是相同的。 雌雄同体的131个细胞进入PCD至少有14个基因起作用，其中ced-9基因为双向开关。ced-9激活，抑制ced-3和ced-4基因的表达，细胞存活。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表达，细胞死亡。, 哺乳动物中也发现与细胞凋亡有关的基因，如nur77，
13、产物为核甾体激素受体家族中的一员，其结构特征为一个保守的锌指域。 C.elegans ced-9基因与人体癌基因bcl-2同源，同源性为23%。Bcl-2基因可以置换线虫的ced-9基因，将bcl-2基因转入ced-9基因突变型细胞后，可使细胞免于死亡。,四、性别决定 1、果蝇的性别决定常染色体和性染色体套数之比决定性别,mRNA的剪接方式决定性别 XA（autosome）调节性别决定途径中sxl基因的表达XA1,激活sxl的表达,进入雌性决定途径；XA0.5,sxl不表达，进入雄性决定途径。, sxl基因产物扳动性别决定的层次剪接Sxl存在时,tra剪接产生Tra, 进入雌性途径; 没有Sx
14、l时，无功能的Tra产生, 进入雄性途径。Tra存在时,dsx剪接产生Dsx-F, 发育成雌性; 无Tra时, 剪接产生Dsx-M, 发育成雄蝇。,果蝇与人性别决定的比较,2、哺乳动物的性别决定 初级性决定（primary sex determination）指性腺的决定，取决于性染色体X、Y，雄性为XY，雌性为XX。 次级性别决定(secondary sex determination)即性别分化（sex differentiation）指性腺分泌的激素决定。,3、Y染色体上的睾丸决定基因,人的Y染色体包括拟常染色质区（pseudoautosomal regions，PARs），Y的非重组区
15、（non-recombining regions of the Y，NRY），SRY（sex-determining regions of the Y）等，SRY编码睾丸决定因子（testis-determining factors，TDF） 人群中发现的罕见的XY，SRY+的女性和XX，SRY-的男性表明，除了Y染色体上的睾丸基因外，还有常染色体基因参与性别决定。如推测的Z基因，其作用是抑制睾丸的分化，而促进睾丸的形成。, 蜜蜂中染色体倍性性别决定：2n=32发育为雌蜂；n=16，发育为雄峰。 后缢的位置性别决定：自由游泳的幼虫是中性的；落在海底成为雌虫；落在口吻上，进入雌虫的口，游向子宫则发育为雄虫；将落在雌虫口吻上的幼虫取出，在无雌虫的情况下，继续发育，则成间性，间性偏向雌雄的程度取决于在口吻上停留的时间。雌性口吻组织中有造成雄性化的激素。,4、爬行类的性别决定,
