基因與發(fā)育課件

第七章基因與發(fā)育性別決定個體發(fā)育----基因按時空順序表達(dá)的結(jié)果性別的決定機(jī)制性別決定的類型環(huán)境決定型：

較低等的生物中：某些兩棲類、魚類

基因決定型：

大多數(shù)的生物性別決定的步驟染色體水平：受精時決定基因水平：性別決定基因發(fā)生作用發(fā)育水平：原始細(xì)胞發(fā)育成卵巢或者精巢果蠅性別決定：哺乳類性別決定基因

Testisdetermination

DiscoverySOXgeneFamilyHMG(HighMobilityGroup)boxSRY(SexDetermingregionoftheY)TDF(TestisDetermingFactor)YChromosomeXYSRY+女性XXSRY-男性在小鼠的17號染色體上發(fā)現(xiàn)了tas基因，當(dāng)它突變或缺失時，具有正常Y染色體的小鼠不能表現(xiàn)出雄性。Z基因抑制睪丸形成和促進(jìn)卵巢形成，SRY蛋白抑制Z基因活性，著正常情況下，表現(xiàn)雄性。但是當(dāng)Z基因突變，SRY蛋白不能抑制Z基因，則顯示雌性。X染色體失活作為基因劑量補(bǔ)償機(jī)制1961年,Lyon提出Lyon假說，認(rèn)為異固縮的X染色體是功能失活的，可能來源于父親或母親。證據(jù)：雌鼠的鑲嵌型表型和某些性連鎖突變的雜合性有關(guān)。LYON假說：X染色體失活

正常女性的體細(xì)胞染色，有一個染色較深的異固縮點(diǎn)，被成為巴氏小體。這是女性一條失活的X染色體。Lyon假說受精卵發(fā)育到胚胎早期，女性的兩條X染色體在分化的各類細(xì)胞中其中的一條X染色體隨機(jī)失活。

G-6PD葡萄糖6磷酸脫氫酶有A，B兩種類型，基因在X染色體上。女性有XAXAXBXB，XAXB

男性有XAY，XBY

提取G6PD，電泳：A－－－B－－－FFFMM失活中心(X-chromosomeinactivationcentre,XIC)

Xq13,產(chǎn)生失活信號，關(guān)閉X染色體上基因，在XIC區(qū)內(nèi)有一個失活特異轉(zhuǎn)錄子(XIST)，編碼不是蛋白，而是許多終止信號的RNA，調(diào)控了X染色體失活。

Xg

YXg

Xg

Xg

XgXg

aYXgaXg

XgaXg

擬常染色體區(qū)

Xg

Xg

和Xg

Y婚配，生有一個Xg

aXg的女兒。

Xg

Xg

Xg

XXg

a

Xg

Xg

a

發(fā)育遺傳學(xué)什么是發(fā)育？細(xì)胞的分化細(xì)胞凋亡生物形態(tài)的建成性別分化與繁殖什么是發(fā)育從生物學(xué)角度來說，發(fā)育是生物的細(xì)胞分裂，分化，形態(tài)建成，生長繁殖的一系列過程。從遺傳學(xué)角度來說，發(fā)育是基因按照特定的時間，空間程序表達(dá)的過程。研究基因?qū)Πl(fā)育的調(diào)控作用的學(xué)科就是發(fā)育遺傳學(xué)（DevelopmentalGenetics)。發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn)發(fā)育是生物的共同屬性發(fā)育是貫穿每個生物體的整個生活史。對有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個體正常死亡。其中早期胚胎發(fā)育過程包括受精、卵裂和胚層分化,是發(fā)育的關(guān)鍵的階段,如哺乳類的早期發(fā)育過程發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn)發(fā)育是基因型與環(huán)境因子的相互作用遺傳控制發(fā)育的圖式（pattern），發(fā)育則是基因按嚴(yán)格的時間和空間順序表達(dá)的結(jié)果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)表型的過程。發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn)發(fā)育調(diào)控基因具有保守性

無脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類的發(fā)育途徑基本相同，控制發(fā)育的基因在進(jìn)化上是保守的，在結(jié)構(gòu)和功能上有很高的同源性。發(fā)育遺傳學(xué)的研究特點(diǎn)發(fā)育中基因之間的作用

生物發(fā)育過程中的基因與基因的相互作用對執(zhí)行了發(fā)育進(jìn)程的調(diào)控。個體發(fā)育的生物學(xué)功能細(xì)胞分化的多樣性功能細(xì)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(xì)胞定向（commitment）決定（determination）:

早期胚胎期間的全能或多能干細(xì)胞在基因的調(diào)控下，確定了特定細(xì)胞的分化趨勢，即指定了這些細(xì)胞的分化命運(yùn)。例如：受精卵分裂成512個細(xì)胞時所有細(xì)胞已經(jīng)定位，并確定了特定細(xì)胞的形態(tài)建成等命運(yùn)。特化（specification）：

細(xì)胞或組織按照已經(jīng)被決定的命運(yùn)自主地進(jìn)行分化，形成特異性組織或細(xì)胞地過程。例如：被決定命運(yùn)的細(xì)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)。

細(xì)胞分化的基因作用基因的等價性（genomeequivalence）

全能干細(xì)胞所有基因是一致的，并且基因具有相同表達(dá)的能力。細(xì)胞的全能性指生物體的每個細(xì)胞都具有能重復(fù)個體的全部發(fā)育階段和產(chǎn)生所有細(xì)胞類型的能力。植物的細(xì)胞全能性大于動物細(xì)胞。例如：Gurdon的爪蟾核移植實驗第一個哺乳類乳腺細(xì)胞核的遺傳克隆——Dolly羊雙重開關(guān)（binaryswitch）◆雙重開關(guān)（binaryswitch）：在不同發(fā)育途徑的決定點(diǎn)上，具有多向分化功能起核心作用的基因。例如：無脊椎動物和脊椎動物中控制肌肉細(xì)胞的決定和分化的

myo-D基因基因家族無脊椎動物和脊椎動物中的眼形成基因無眼/小眼基因例如：控制肌肉細(xì)胞的決定和分化的

myo-D基因家族脊椎動物中的myo-D基因家族成員的核苷酸和氨基酸序列相似，進(jìn)化上高度保守。myo-D家族的一種蛋白myogenin由224個氨基酸組成，其中含有HLH域。myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表達(dá)，是決定的開關(guān)基因→myo-D與myf5共同作用維持成肌細(xì)胞的一致性→所有4種因子協(xié)同作用起始肌肉細(xì)胞的分化→myogenin維持分化的成體表型。例如：眼形成的主調(diào)控基因：無眼（eyeless）/小眼（smalleye）基因

1995年WalterGehring及其同事建立了果蠅的無眼基因和小鼠的小眼Small/pax6基因額外拷貝的轉(zhuǎn)基因果蠅，實現(xiàn)了這兩個基因的異位表達(dá)（ectopicexpression）。

無眼基因異位表達(dá)的結(jié)果在轉(zhuǎn)基因果蠅的腿上長出了完整的果蠅復(fù)眼

小鼠Small/pax6在轉(zhuǎn)基因果蠅中的表達(dá)，證明了無脊椎和脊椎動物的眼形成基因在分子水平上是同源的。細(xì)胞編程性死亡（programmedcelldeath,PCD）

多細(xì)胞生物的一些細(xì)胞在發(fā)育中不再為生物體所需或受到損傷時，會激活遺傳控制的自殺機(jī)制死亡。這種自我毀滅的死亡稱為細(xì)胞編程性死亡。細(xì)胞凋亡（apoptosis）是編程性死亡的一種方式。細(xì)胞編程性死亡(programmmedcelldeath)在生物發(fā)育中具有重要作用，有關(guān)基因發(fā)生突變，就會引起發(fā)育異常。例如：正常的蝌蚪變成青蛙時，尾巴的細(xì)胞進(jìn)入編程性死亡。人的指（腳）蹼細(xì)胞在胚胎56天后進(jìn)入編程性死亡。本該死亡的基因不死亡，導(dǎo)致癌的形成或自身免疫性疾病。本該不進(jìn)入死亡程序的細(xì)胞發(fā)生死亡，引起中風(fēng)或老年性癡呆等疾病。細(xì)胞病理性死亡

(如:機(jī)械損傷,化學(xué)毒品)細(xì)胞腫脹細(xì)胞內(nèi)容物泄漏并導(dǎo)致炎癥細(xì)胞凋亡的特征細(xì)胞收縮線粒體破裂,并釋放細(xì)胞色素C細(xì)胞核中的染色質(zhì)降解通常隱藏在細(xì)胞膜中的磷脂酰絲氨酸暴露到表面細(xì)胞碎片被周圍細(xì)胞吸收吞噬細(xì)胞分泌細(xì)胞因子抑制炎癥產(chǎn)生細(xì)胞凋亡與線粒體線粒體在凋亡的表現(xiàn)釋放細(xì)胞色素C電子傳遞改變細(xì)胞氧化還原作用改變Bcl-XL細(xì)胞凋亡基因ICE基因：表達(dá)白介素轉(zhuǎn)移酶，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。bax基因抑制bcl-2，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。bcl-2人的原原癌基因，促使細(xì)胞生長。ced-9線蟲中與人bcl-2的同源基因。胚胎發(fā)育卵裂（cleavage）:受精卵不斷分裂成較小細(xì)胞，形成l卵裂球或囊胚的過程。受精卵2個細(xì)胞4個細(xì)胞8個細(xì)胞桑葚胚囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)胚泡腔滋養(yǎng)細(xì)胞胚胎原腸胚（gastrulation）原始胚層(germlayer)

中胚層(mesoderm):結(jié)締組織，骨，血液，心，平滑肌，睪丸，卵巢。。。外胚層(ectoderm)：表皮，毛發(fā)，甲。。。內(nèi)胚層（endoderm）：消化道，尿道，肝，膽，胰腺。。。。。人的發(fā)育過程Fig25.1EmbryonicdevelopmentofthemarineanimalAmphioxus,aprotochordate.?2003JohnWileyandSonsPublishers囊胚腔的功能為原腸胚形成過程中細(xì)胞的遷移提供空間把將要形成的內(nèi)胚層器官的細(xì)胞拖入胚胎內(nèi)部，外胚層細(xì)胞置于四周。Vogt(1929)……fatemap母系基因在發(fā)育中的作用：在受精前，發(fā)育已經(jīng)開始，雌性生殖系統(tǒng)基因的表達(dá)產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)和決定因子，轉(zhuǎn)運(yùn)至卵中，為卵的進(jìn)一步發(fā)育打下基礎(chǔ)——分子水平的母愛。在某些物種中，這些來自于母親的基因產(chǎn)物決定了胚胎發(fā)育的基本結(jié)構(gòu)，例如頭尾，肚腹的確定。稱為maternal-effectgenes。dldl++♀X♂Mutationembryoduetomaternaleffectdldl♀♂X++Wide-typeembryodl,dorsalgene是果蠅母系影響基因之一干細(xì)胞(Stemcell)定義特點(diǎn)分類全能干細(xì)胞多能干細(xì)胞專能干細(xì)胞干細(xì)胞（stemcell）干細(xì)胞：能不斷增殖更新自身，具有分化能力的細(xì)胞。全能干細(xì)胞（totipotent）:能夠分化產(chǎn)生各種細(xì)胞直至個體的細(xì)胞，例如胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcell）。多能干細(xì)胞（pluripotentstemcell）:具有多種分化能力的細(xì)胞。例如不同胚層的特異性細(xì)胞可以分化形成特定的組織何器官。多效干細(xì)胞（multipotentstemcell）：具有專一分化能力的細(xì)胞。例如骨髓中的造血干細(xì)胞

干細(xì)胞自我更新的方式不均一分裂，多見于單細(xì)胞生物和無脊椎動物總體不均一，多見于哺乳動物不管是哪一種方式都受到多種反饋調(diào)節(jié)和細(xì)胞間相互作用的調(diào)節(jié)1998年11月，美國Wisconsin-MedisonUniversity的James.A.Thomson從人類胚胎的囊胚期內(nèi)細(xì)胞群中直接分離了多能干細(xì)胞。同時美國John-HopkinsBayviewHospital的John.D.Gearhart從終止妊娠的胎兒組織中原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的部位取得細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，得到多能干細(xì)胞。特異組織中分離出干細(xì)胞

VincentTropepe(sciencevol287.2000.3)從成年小鼠的眼睛中鑒定出一種干細(xì)胞。這些細(xì)胞的克隆可以分化出視網(wǎng)膜特異的細(xì)胞類型，包括視桿細(xì)胞，雙極細(xì)胞，Miiller膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞核的去分化高度分化的細(xì)胞核在一定的條件下，可能脫離原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全能干細(xì)胞能力。例如：蝌蚪的腸壁細(xì)胞核移植到去了核的卵中，發(fā)育成蝌蚪?？寺⊙蚨嗬?。原來認(rèn)為的專能干細(xì)胞可以分化成毫不相關(guān)的細(xì)胞類型。1997年4月,Martin.A.EglitisHematopoieticcells-------microgliaandmacrogliainbrain1999年2月,Christopher.R.R.BjornorsonNeuralstemcells-------bloodcells1999年4月,Mark.F.PittengerHumanmesenchymalstemcells-------bone,cartilage,,fat,tendon,muscleandstroma1999年5月,B.E.Petersenbonemarrowstemcells-----hepaticovalcells人胚胎干細(xì)胞技術(shù)對基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的影響。用于修復(fù)甚至替換喪失功能的組織和器官。體外研究人胚胎的發(fā)育和不正常發(fā)育。新人類基因的發(fā)現(xiàn)。藥物篩選和致畸實驗?；蛑委煹募?xì)胞源可自我復(fù)制更新，持久發(fā)揮作用。人胚胎干細(xì)胞面臨的技術(shù)難題。胚胎干細(xì)胞極易分化為其他細(xì)胞，如何維持它在體外擴(kuò)增時不分化？如何定向誘導(dǎo)干細(xì)胞分化？由胚胎干細(xì)胞在體外發(fā)育成完整的器官尤其是象心、肝、腎、肺等大型精密復(fù)雜的器官還需要技術(shù)上的突破。如何克服免疫排斥反應(yīng)?胚胎干細(xì)胞有形成畸胎瘤的傾向，其安全性如何？模式形成（patternformation）

（圖式形成）胚胎形成不同類型的細(xì)胞，而這些細(xì)胞有分別構(gòu)成不同的組織、器官，并形成有序的空間結(jié)構(gòu)的過程動物最初的模式形成主要涉及胚軸(embryonicaxes)形成和相關(guān)細(xì)胞的分化胚軸：前－后軸(anterior-posterioracis)背－腹軸(dorsal-ventralaxis)中－側(cè)軸（或左－右軸）(mediolateralaxis)兩棲類：首先被決定的是動植物極（即頭尾）。鳥類：首先決定背腹極，頭尾軸則根據(jù)重力和排卵時的旋轉(zhuǎn)決定。哺乳類：根據(jù)胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（innercellmass）分隔的位置決定背腹面，頭尾可能是在排卵時被決定，還不清楚哺乳類是如何決定左右。胚胎命運(yùn)圖決定胚胎極性的基因母體效應(yīng)基因(maternaleffectgene)裂隙基因（gapgene）成對規(guī)則基因（pair-rulegene）體節(jié)極性基因(segmentpolaritygene)同源異形基因(homoeoticgene)

母性效應(yīng)基因和分節(jié)基因相互作用決定體軸（A-P，D-V）的形成（11-24）◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表達(dá)產(chǎn)物的梯度決定（11-25）◆A-P軸的后端由nanos基因的作用決定（11-26）◆bicoid和nanos基因產(chǎn)物的協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸（11-27）◆D-V軸建成中，腹部結(jié)構(gòu)按背部基因蛋白在核內(nèi)的梯度形成，而背部結(jié)構(gòu)的形成則取決于腹部基因蛋白dpp的梯度（11-28）

分節(jié)基因決定體節(jié)形成（11-29）

◆分節(jié)基因的突變效應(yīng)◆gap基因的表達(dá)形成的體節(jié)◆pair-rule基因表達(dá)的條紋圖式（stripepattern）◆segmentpolarity基因的表達(dá)產(chǎn)生14條條紋(homeotic)基因的表達(dá)決定每個體節(jié)的結(jié)構(gòu)如觸角、口、腿、翅、胸部和腹部等（本節(jié)第二部分）◆體節(jié)形成中的遺傳層次（genetichierarchy）母性效應(yīng)基因（maternal-effectgenes）

母性效應(yīng)基因編碼轉(zhuǎn)錄因子、受體和調(diào)節(jié)翻譯的蛋白，在卵子發(fā)生（oogenesis）中轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物儲存在卵母細(xì)胞中，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。

母性效應(yīng)基因產(chǎn)物的梯度起始胚胎發(fā)育,突變研究指出，調(diào)節(jié)果蠅發(fā)育的母性效應(yīng)基因約40個。

合子基因（zygoticgenes），又稱為分節(jié)基因（segmentationgenes）

分節(jié)基因在受精后依賴于母性效應(yīng)蛋白的分布轉(zhuǎn)錄。

根據(jù)突變分析，分節(jié)基因約有60個,可分為三類，即裂隙基因（gapgenes）、成對規(guī)則基因（pair-rulegenes）和體節(jié)極性基因（segmentpolaritygenes）裂隙基因受母體效應(yīng)基因的調(diào)控，在胚胎一定區(qū)域內(nèi)表達(dá)（2個體節(jié)），該基因突變，使得胚胎體節(jié)出現(xiàn)裂隙。例如：Hunchback基因生成頭胸，抑制腹部的基因。突變時，不生成口和胸。是受bcd基因調(diào)控的gapgene.成對規(guī)則基因受裂隙基因調(diào)控，體節(jié)間隔的特定基因。突變時胚胎的體節(jié)有缺失的現(xiàn)象。例如：ftz基因，轉(zhuǎn)錄1.8kbRNA,突變時，由于7個體節(jié)相關(guān)的細(xì)胞死亡，體節(jié)減少了一半。體節(jié)極性基因受成對規(guī)則基因調(diào)控，保持體節(jié)中的重復(fù)結(jié)構(gòu)的一致性。