遗传学第十二章遗传与发育.ppt

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1、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 P3761、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

2、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

3、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

4、（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

5、 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

6、,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 complex（ANTP-C）和 双胸复合体 B

7、ithorax 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

8、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有959个体细胞.Celegans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

9、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（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。,（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.aa

10、a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。,