1、 第十二章第十二章 遗传与发育遗传与发育一、遗传与发育一、遗传与发育（一）槪念（一）槪念 发育是基因按照特定的时间与空间进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调控作用的学科就是发育遗传学（developmental geneticsdevelopmental genetics）。特化特化 决定决定（二）早期胚胎发育（二）早期胚胎发育 P3761、配子发育与受精、配子发育与受精 精卵形成、受精信号精卵形成、受精信号2、卵裂与囊胚形成、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除哺乳动物
2、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（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、胚轴建立与图式形成 背腹轴背腹轴(D-V)、前后轴、前后轴(A-P)、左右轴。、左右轴。遗传控制发育的图式（遗传控制发育的图式（patternpattern），），发育则是基因按严格的
3、时间和空间顺序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。作用转化为相应表型的过程。无脊椎动物和脊椎动物，如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，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。结构和功能上有很高的同源性。研究发育模式生物研究发育模式生物二、果蝇早期胚胎发育的遗传控制二、果蝇早期胚胎发育的遗传控制(一）概论一）概论 果蝇的生活周期从受精卵开始经过果蝇的生活周期从受精卵开始经过5 5个不个不同
4、阶段的成体前（同阶段的成体前（pre-adultpre-adult）发育）发育,包括胚包括胚胎、三个幼虫期和蛹期胎、三个幼虫期和蛹期,最终形成成虫。最终形成成虫。果蝇卵的结构果蝇卵的结构具有前（具有前（anterioranterior）、）、后（后（posteriorposterior）、）、背（背（dorsaldorsal）、）、腹（腹（ventralventral）区。）区。果蝇受精后果蝇受精后3 3小时的胚胎发育小时的胚胎发育 受精约受精约30min30min后后,受精卵中来自亲本配子的核融合，形成合子受精卵中来自亲本配子的核融合，形成合子核。核。合子核约每合子核约每10 min10 m
5、in分裂一次，产生多核细胞，生成分裂一次，产生多核细胞，生成合胞合胞体体胚盘（胚盘（syncytial blastodermsyncytial blastoderm）约约1010次分裂后（次分裂后（1h 30 min1h 30 min），产生约），产生约512512个核，这些核个核，这些核往卵的外层迁移。往卵的外层迁移。受精后约受精后约2.5h2.5h，卵的表面进行，卵的表面进行4 4次额外的核分裂，在后极次额外的核分裂，在后极（posterior poleposterior pole）组成的极细胞（）组成的极细胞（pole cellpole cell）成为种系细胞）成为种系细胞（germ c
6、ellsgerm cells）的前体。）的前体。约约3h3h后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成单层细胞后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成单层细胞细胞胚盘（细胞胚盘（cellular blastodermcellular blastoderm）,约约60006000个体细胞。个体细胞。约第约第1212次分裂周期，细胞开始迁移，胚盘进入原肠胚生次分裂周期，细胞开始迁移，胚盘进入原肠胚生成（成（gastralationgastralation）期，并分化出外胚层（）期，并分化出外胚层（ectodermectoderm）、中胚）、中胚层（层（mesodermmesoderm）和内胚层（）和内胚层（endo
7、dermendoderm）。）。早期胚胎发育各时段的切片早期胚胎发育各时段的切片,荧光处为核荧光处为核DNADNA成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的成虫的头、胸、腹部是从幼虫的体节衍生的 果蝇胚胎中的体节、分区和副体节果蝇胚胎中的体节、分区和副体节（parasegmentsparasegments），），MaMa，MxMx和和LbLb表示将发育成头部的表示将发育成头部的体节；体节；T T1 1-T-T3 3是胸部体节；是胸部体节；A1-A9A1-A9为腹部体节，每个体为腹部体节，每个体节分为前（节分为前（A A）后（）后（P P）区；副体节代表早期的图式特）区；副体节代表早期的图式特化化
8、果蝇幼虫的成虫盘和成体结构对照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（二）果蝇卵的极性形成、体节的分化 果蝇卵的极性形成、体节的分化是受一果蝇卵的极性形成、体节的分化是受一系列基因系列基因级联级联(cascade)(cascade)反应反应调控的。调控的。参与果蝇卵的极性形成、体节的分化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（基因有三类：母体效应基因（maternal-maternal-effect genes)effect genes)、分节基因、分节基因(segmentation(segmentation genes)genes)、同源异形基
9、因、同源异形基因 (homeotic genes)(homeotic genes)。1 1、母体效应基因（、母体效应基因（maternal-effectmaternal-effect genes)母性效应基因编码转录因子、受体和母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白，在调节翻译的蛋白，在卵子发生卵子发生（oogenesisoogenesis）中转录，产物由）中转录，产物由滋养层细滋养层细胞合成胞合成并输送入并输送入卵母细胞卵母细胞中，由细胞骨架中，由细胞骨架瞄定在细胞质的不同区域，沿前瞄定在细胞质的不同区域，沿前-后轴呈后轴呈梯度（梯度（gradientgradient）分布。）分布。
10、母性效应基因产物的梯度起始胚胎发母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性突变研究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约效应基因约4040个。如：个。如：bicoid,nanos.bicoid,nanos.A-P A-P轴前端由轴前端由bicoid mRNAbicoid mRNA及其表达产物的梯度及其表达产物的梯度决定决定 A-P A-P轴的后端由轴的后端由nanosnanos基因的作用决定基因的作用决定 bicoid bicoid和和nanosnanos基因产物的协同作用生成早基因产物的协同作用生成早期胚胎期胚胎A-PA-P轴轴2 2、分节基因分节基因 分节基因决定体
11、节的形成。主要包括分节基因决定体节的形成。主要包括:裂隙基因（裂隙基因（gap genegap gene），），成对规则基因（成对规则基因（pair-rule genepair-rule gene）,体节极性基因体节极性基因(segment polarity).(segment polarity).裂隙基因（裂隙基因（gap genegap gene）的表达结果）的表达结果 成对规则基成对规则基因（因（pair-pair-rule generule gene）的表达使胚胎的表达使胚胎中段前后轴形中段前后轴形成成7 7个区带。个区带。体节极性体节极性基因基因(segment(segment po
12、larity)polarity)的的表达使胚胎中表达使胚胎中段前后轴进一段前后轴进一步形成步形成1414个区个区带带。3 3、同源异形基因（、同源异形基因（homeotic geneshomeotic genes）主要包括触角足复合体主要包括触角足复合体 Antennapedia Antennapedia complexcomplex（ANTP-CANTP-C）和）和 双胸复合体双胸复合体 Bithorax Bithorax complexcomplex（BX-CBX-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
13、。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PbPb基因的突变使触须变成腿和基因的突变使触须变成腿和UbXUbX突变成四翅果蝇。突变成四翅果蝇。同源异形基因的结构特点：同源异形基因的结构特点：v具有同源异形框。具有同源异形框。v有多个启动子和转录起始点。有多个启动子和转录起始点。v有多个内含子。有多个内含子。v同源异形基因之间的相互排斥。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哺乳类中的同源异形基因复合体称为HoxHox基因簇，与果蝇中的同源异形基因有同源基因簇，与果蝇中的同源异形基因有同源性。性。同源
14、异形基因族的保守性同源异形基因族的保守性l基因结构和组织形式的保守性基因结构和组织形式的保守性l基因表达图谱的保守性基因表达图谱的保守性l基因功能的保守性基因功能的保守性三、线虫的发育三、线虫的发育（一）最简单的多细胞模式动物（一）最简单的多细胞模式动物-线虫线虫 （canorhabditis eleganscanorhabditis elegans）。）。v是一种在土壤里生活的蠕虫，体长是一种在土壤里生活的蠕虫，体长1mm,1mm,身体透明身体透明,可实验室培养。可实验室培养。生活周期约生活周期约2d2d，包括胚胎期（约，包括胚胎期（约16hr16hr），），4 4个幼虫期个幼虫期L L1
15、1-L-L4 4和成体期。和成体期。v成体有两种性别：雌雄同体（成体有两种性别：雌雄同体（hermaphroditieshermaphrodities）为为1212，XXXX，产生卵子和精子；雄体为，产生卵子和精子；雄体为1111，XOXOv 雌雄同体的雌雄同体的C.elegansC.elegans有有959959个体细胞个体细胞.v C Celeganselegans基因组全序列已测定，由基因组全序列已测定，由9.79.710104 4kbkb组成组成,2n=12,2n=12。单倍体基因组含。单倍体基因组含有约有约1500015000个基因。个基因。vC.elegansC.elegans的胚
16、胎发育中的胚胎发育中,最早的胚胎分裂是不对称的最早的胚胎分裂是不对称的,第一次有丝分裂产生大的第一次有丝分裂产生大的ABAB和小的和小的P1P1子细胞子细胞,28,28细胞期开细胞期开始原肠形成始原肠形成 P P1 1-P-P4 4为接受了种系颗粒（为接受了种系颗粒（germ line germ line granulesgranules）的性细胞系的前体细胞。）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早期卵裂期间，不对称分裂产生一个“分化的分化的”子细胞子细胞,称为奠基者细胞（称为奠基者细胞（founder founder cellscells），以），以AB.MS.E.CAB
17、.MS.E.C和和D D表示表示,和一个干细胞和一个干细胞（P P1 1-P-P4 4细胞系）细胞系）进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体进一步的细胞分裂最终产生雌雄同体的的959959个体细胞。个体细胞。（二）细胞谱系示意图（二）细胞谱系示意图（lineage diagramlineage diagram）表明每）表明每个体细胞的生活史个体细胞的生活史 雌雄同体的雌雄同体的C.elegansC.elegans的完整的细胞谱系的完整的细胞谱系（三）（三）卵孔（卵孔（vulvavulva）形成的遗传分析）形成的遗传分析1 1、C.elegansC.elegans的生殖系统的生殖系统2 2、卵孔的发育
18、方式：、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，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。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：卵孔的决定大致分为三个阶段：（1 1）锚定细胞的决定）锚定细胞的决定 由二龄幼虫期由二龄幼虫期Z1.pppZ1.ppp和和Z4.aaaZ4.aaa两个细胞相两个细胞相互作用，其中互作用，其中Z1.pppZ1.ppp分化为生殖腺锚定细胞分化为生殖腺锚定细胞 (AC)(AC)。此过程中，。此过程中，Lin-12Lin-12基因起着决定作
19、用。基因起着决定作用。（2 2）ACAC与与6 6个个Pn.pPn.p细胞相互作用确定初级卵孔细细胞相互作用确定初级卵孔细胞和次级卵孔细胞的形成。胞和次级卵孔细胞的形成。在锚定细胞（在锚定细胞（anchor cell,AC anchor cell,AC）中）中,lin-3,lin-3被激活被激活,分泌一种与脊椎动物的分泌一种与脊椎动物的表皮生长因子表皮生长因子相似的相似的Lin-3Lin-3蛋白蛋白,作为信号分子；前体细胞作为信号分子；前体细胞则表达由则表达由let-23let-23基因编码的细胞表面受体基因编码的细胞表面受体Let-Let-2323蛋白。蛋白。Lin-3Lin-3与与Let-
20、23Let-23连接，扳动前体细胞连接，扳动前体细胞p5p,p6pp5p,p6p和和p7pp7p形成初级卵孔细胞或次级卵孔细形成初级卵孔细胞或次级卵孔细胞。胞。其中其中P6.p与与AC最近，接受的信号最强，最近，接受的信号最强，P6.p 中的中的vul基因被激活，最终分化为初级卵基因被激活，最终分化为初级卵孔细胞。孔细胞。P5.p和和P7.p接受信号相对较少，而分接受信号相对较少，而分化发育为次级卵孔细胞。化发育为次级卵孔细胞。（3）真皮细胞的形成）真皮细胞的形成 P3.p,P4.p,P8.p与与AC距离远，没有接受到信距离远，没有接受到信号分子，细胞中号分子，细胞中muv基因表达，导致发育为环基因表达，导致发育为环绕卵孔的真皮细胞绕卵孔的真皮细胞.综上所述：卵孔的发育过程可看到两类细综上所述：卵孔的发育过程可看到两类细胞间的相互作用。胞间的相互作用。a.诱导型相互作用诱导型相互作用b.侧抑制型相互作用侧抑制型相互作用四、控制拟南芥及其花发育的四、控制拟南芥及其花发育的ABC模型模型 萼片的分化：萼片的分化：A类基因的表达。类基因的表达。花瓣：花瓣：A,B两类共同表达。两类共同表达。雄蕊：雄蕊：B,C两类同时表达。两类同时表达。心皮：心皮：C类表达。类表达。
