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1、2019/7/1,1,第16章 发育的遗传分析,2019/7/1,2,本章重点,基因表达与发育的关系 同源异形基因 种系决定与性别决定的遗传控制,16.1 遗传与发育的关系,2019/7/1,4,遗传是发育的基础； 发育是遗传的表现。,2019/7/1,5,2019/7/1,6,早期胚胎发育,2019/7/1,7,发育遗传学 Developmental genetics,发育（development）是生物的共同属性，它是指新一代生物体在其生活史开始后在结构上与功能上复杂程度逐步提高的有序变化过程。,发育遗传学主要研究基因如何调控发育的过程。,2019/7/1,8,个体发育的特点,1、基因作用
2、 形成个体的各种性状：,2、细胞分化 形成不同的组织和器官：,合子基因型 + 环境作用=个体性状,合子分裂到一定阶段 细胞分化 不同部位的形态和生理功能改变 不同的组织和器官,2019/7/1,9,2019/7/1,10,海胆,1891年， Hans Driesh 海胆胚胎分裂实验,2019/7/1,11,细胞质在细胞生长和分化中的作用,动植物卵细胞是单细胞 细胞质内存在动物极和植物极的分化、灰色新月体等分化 发育成特定的组织和器官,2019/7/1,12,2019/7/1,13,1935年诺贝尔奖 胚胎发育,Hans Spemann-德国 （18691961）,发现了胚胎的发育过程 :将一个
3、刚孵出的蜥蜴蛋一分为二，并从每一半中都培育出了一个正常的蜥蜴胚胎。,2019/7/1,14,1 用婴儿头发沿着蝾螈受精卵的正中缚扎成2个半球状 2有核的一半开始分裂 3有核的一半继续正常地分裂，进行早期的胚胎发育；而无核的一半不能分裂 4待有核的一半分裂到16细胞期时，把结扎的头发放松一些，让一个细胞核横穿细胞质桥逸入到无核的那个半球中去 5收紧发环，使细胞质桥断离 6分离后的两部分都能各自发育成正常的胚胎，只是其中一个小些，在发育的时间上延迟了一些。 这个实验证明了蝾螈16细胞期胚胎的体细胞核仍然和原来受精卵的核一样，保留有完整的遗传因子，能够进行正常的个体发育。,推论：每个核都有相同的遗传
4、能力发育完整个体。 结论：一个胚胎的细胞是在某一点才开始分化的。,2019/7/1,15,遗传与发育在细胞水平上的统一,定型：细胞的命运分化方向已经被限定。,特化：细胞或组织在没有外界环境干扰的条件下，按照指 定的命运自主分化，形成特异细胞或组织的过程。,决定：细胞或组织不受其他组织和细胞的影响，按原来指定的命运自主地进行分化。,不同胚胎 不同组织,不同胚胎 相同组织,2019/7/1,16,个体发育,蛙的发育史:受精卵无腿蝌蚪有腿蝌蚪蛙,2019/7/1,17,发育三阶段,（1）胚胎发生期：受精、卵裂、原肠胚形成和器官发生 （2）变态期：果蝇、蛙、蝴蝶等 （3）成熟期,2019/7/1,18
5、,胚胎发生期,（1） （2） （3） （4）,2019/7/1,19,果蝇受精卵平均每8分钟一次核分裂，形成256个细胞核之后细胞核移动到受精卵的外围，继续进行有丝分裂。 第9分裂期，大约五个细胞核到达胚胎的后极表面，开始被细胞膜包围，这些极细胞将来形成成虫的配子。 第10分裂期，细胞核到达胚胎的外围，之后经历减慢的四个分裂周期。细胞核经过这些分裂阶段，形成合包体胚层（syncytial blastoderm）。 合包体胚层时期，所有的细胞核公用一个细胞质，没有其他细胞膜存在。,2019/7/1,20,动画果蝇早期发育，自卵中央行核有丝分裂（无膜）， 核边移，细胞膜形成。,表面卵裂,2019/
6、7/1,21,2019/7/1,22,桑椹胚,2019/7/1,23,胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells）起源于囊胚(Blastocyst)的内部细胞(Inner Mass Cells)，为多能干细胞，可以成为除了胎盘外的任何组织。 桑椹胚(Morula)细胞是全能细胞，可以成为所有组织和胎盘,2019/7/1,24,第一个细胞具有发育成A到L的所有不同类型细胞的潜力,每次细胞命运定向限定细胞发育成不同细胞的潜力,每个细胞发育成为一个特化类型的细胞,2019/7/1,25,在胚胎发育过程中，有三层胚膜包围胚胎：绒毛膜、羊膜、尿囊膜。 爬行类、鸟类、卵生哺乳的卵具有羊膜结构。,
7、2019/7/1,26,卵生哺乳动物-针鼹科,2019/7/1,27,2019/7/1,28,2019/7/1,29,2019/7/1,30,2019/7/1,31,图式形成 （pattern formation）,胚轴建立与图式形成,受精卵 不同类型的细胞 不同的组织、器官 有序的空间结构,分裂 分化,构成,形成,2019/7/1,32,背腹轴（dorsal-ventral axis, D-V） 前后轴（anterior-posterior axis, A-P） 左右轴（left-right axis）,在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴形成,2019/7/1,33,果蝇胚胎体轴建
8、立 果蝇前-后轴和背-腹轴的形成是由卵细胞在母体中的位置决定的。 海鞘和线虫，轴是由精子进入的位点所决定。,2019/7/1,34,fruit fly,果蝇在胚胎发育图式的构建中具有特殊地位。,野生雌 雄果蝇,16.2 果蝇早期胚胎发育的遗传控制 16.3 同源异性基因簇的保守性,2019/7/1,35,完全变态昆虫,1 day,2 days,1 day,1 day,2.5-3 days,4 days,变态期,2019/7/1,36,1995诺贝尔生理医学奖果蝇发育,Edward B.Lewis 美国加州理工学院 1918-2004,Eric F. Wieschaus 美国普林斯顿大学 194
9、7-,Christiane Nsslein-Volhard 德国Max Planck学院 1942-,2019/7/1,37,分离了控制果蝇早期发育的相关基因 1978年，发现了控制果蝇分节的基因家族-Hax基因 1978年，发现了果蝇双胸复合体基因簇,38,1915年，Calvin Bridges发现了一个果蝇的突变种，这突变的基因称为双胸（bithorax,简写为bx），它的性状为原为第3胸节应长出的平衡棒haltere,在演化上为退化的后翅）长的有点像属于第二胸节的翅膀。,2019/7/1,39,后来又发现一些，例如Antennapedia使触角（antenna）变为腿。这种突变性显示这
10、些基因的功能与身体发育有关。,2019/7/1,40,果蝇为何多长对翅膀？ 果蝇为何长触角的地方长出了腿？,？,？,Edward B.Lewis,2019/7/1,41,体节-基因突变,果蝇发育早期直线排列的体节构造 每个体节相同基因突变体节分化 同源器官存在及各种外形迥异的生物体都有共同模式的原因：复杂构造来源于相似的体节,2019/7/1,42,五趾型附肢,分化,2019/7/1,43,健美腹肌分节现象 人的肌肉系统也是原始体节分化出来的,2019/7/1,44,果蝇为何多长对翅膀,该产生平衡棒的基因，功能被抑制，在起源上更古老的翅膀基因处于活动状态，从而出现“返祖现象” 进化更晚的器官发
11、生受抑制，原始器官生成。 控制基因适当表达的机制就是同源异形基因的突变，导致器官错位。,？,2019/7/1,45,同源异性转变（homeotic transformation）（器官错位） 一个体节长出另一个体节的特征性结构。 造成这类转变的基因就称为同源异性基因（homeotic gene），同源异形基因的突变只是改变了相应体节的结构特征。,2019/7/1,46,1、共线性 基因排列顺序与空间表达图谱一致 2、相互作用 染色体位置靠后的基因抑制位于前面的基因 3、保守性 （1）果蝇和小鼠转录表达比较 （2）人类遗传疾病相关的基因，60%能在果蝇中找到。,同源异形基因特点：,2019/7/
12、1,47,级联反应（cascade ）：一些基因表达产物可激活另一些基因的表达；这些被激活的基因产物随后又调控另一些基因的表达，如此逐渐传递。 母源基因（ maternal gene ）：在卵子发生过程中表达，将产物（mRNA或蛋白质）贮存在卵母细胞中的基因。,2019/7/1,48,母体（效应）基因（maternal effect gene） 其产物是一种DNA结合蛋白即转录因子，能激活分节基因的转录。 在胚形成时，沿前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域。,2019/7/1,49,母体效应基因的mRNA在卵母细胞的分布,maternal effect：母体的mRNA会进入卵而
13、影响基因的调控 Hunchback(HB)和Bicoid(BCD)决定胚胎前端的形态； Nanos(NOS)和Caudal(CAD)决定后端的形态。,2019/7/1,50,BCD蛋白質會抑制CAD 蛋白質的形成； NOS蛋白質會造成蛋白質的形成,2019/7/1,51,maternal effect會使得子代在蛋白質分布的表現不同,2019/7/1,52,HUNCHBACK 母体效应基因 裂隙 成对规律 体节极性,分节基因,2019/7/1,53,Christiane Nsslein-Volhard 德国Max Planck学院 1942-,Eric F. Wieschaus 美国普林斯顿大
14、学 1947-,2019/7/1,54,（1）原肠胚的第一次移动分隔形成中胚层，内胚层，外胚层。中胚层大约1000个细胞构成胚胎的中线，向内折叠形成腹沟ventral furrow。 （2）腹沟两端的前端和后端内胚层细胞内陷，形成 极细胞和头沟（cephalic furrow）。 （3）表面的一些外胚层细胞和中胚层细胞衔接延伸，向腹中线迁移，形成生殖带。在生殖带形成的后期被定位于幼体的后端，头部、体节也开始形成。,原肠胚的形成（Gastrulation）,2019/7/1,55,A-B果蝇腹沟的形成与闭合,C极细胞的形成,E-F生殖带的形成和逆转,2019/7/1,56,重要的形态发生：分节、
15、器官形成 头节 果蝇胚胎和幼虫沿前-后轴分 3个胸节 8个腹节,2019/7/1,57,果蝇幼体与成体分节的比较,2019/7/1,58,体节特点,T1-腿 T2-腿和翅 T3-腿和平衡棒,2019/7/1,59,16.4线虫与拟南芥的发育机制,2019/7/1,60,模式植物-拟南芥 （Arabidopsis thaliana）,又名鼠耳芥、阿拉伯草， 十字花科（油菜、萝卜等） 特点： 1、生长周期短（4-6周） 2、易于转化,2019/7/1,61,控制拟南芥及其花发育的ABC模型,拟南芥花器官的发育是由三组(五种)不同的基因共同控制,2019/7/1,62,A类基因突变 雌蕊 - 雄蕊
16、- 雄蕊 - 雌蕊 B类基因突变 萼片 - 萼片 - 雌蕊 - 雌蕊 C类基因突变 萼片 - 花瓣 - 萼片 - 花瓣,正常拟南芥的花,2019/7/1,63,植物细胞的全能性,高等植物高度分化的细胞，如根部细胞、叶片细胞和花部细胞，功能不同。但可以通过分裂进行无性繁殖，形成一个新植株。 表明：高度分化的植物细胞中的遗传信息并不丢失。,2019/7/1,64,植物的细胞培养,胡萝的根尖细胞可培养出一株完整的胡萝卜,2019/7/1,65,植物的组织培养,用植物的任何组织或细胞，可以通过脱分化、再分化的途径，得到许多完整的小植株。,2019/7/1,66,动物细胞有没有全能性？,蛙的核移植试验,
17、2019/7/1,67,克隆羊的意义-哺乳动物的无性繁殖,1997.2.27，英国wilmut博士领导的研究小组在Nature上发表文章，第一次用哺乳动物的高度分化细胞的核移植获得成功。随后，在多种动物上获得成功。,2019/7/1,69,多莉羊Dolly,2019/7/1,70,克隆羊的意义,意义：高度分化的哺乳动物细胞仍保留了全部的遗传信息，无性繁殖（克隆）成为可能。 （1）在理论上充分证明了动物的细胞核有着全能性，发育是可逆的，从而结束了几十年来的争论； （2）建立了高等哺乳动物体细胞克隆的方法，为抢救频临灭绝的珍稀动物和大量繁殖优良品种奠定了基础； （3）引发了人们对克隆人这一敏感问题
18、的广泛注意。,2019/7/1,71,世界第一例克隆山羊“元元” 但因肺部发育缺陷，只存活了36小时3分钟，呼吸衰竭死亡。,2019/7/1,72,2002年nature报道美国成功地克隆小猫,CC的供体,CC和她的 代孕妈妈,CC (Copy cat/Clone cat),2003年克隆骡子,2001年克隆兔,首个克隆猪 英国克隆绵羊“多莉”的公司,成功地产生了5头克隆猪。,克隆鲤鱼 1963年我国童第周将一只雄性鲤鱼的遗传物质注入雌性鲤鱼的卵中,成功克隆了一只雌性鲤鱼。,克隆猕猴 2000年美国俄勒冈灵长类动物研究中心 全世界第一次成功地克隆灵长类动物在基因上与人类最接近的动物。,克隆技术
19、的发展方向,第一,认识去分化细胞是如何重新获得全能性的。 第二,将成为未来世界各国科学家相互竞争的制高点,作为未来生物制药工厂； 第三,治疗性克隆是一个重要的研究领域。培育胚胎干细胞，诱导形成临床上所需的细胞、组织和器官等。,2019/7/1,76,16.5 种系决定与性别决定,种质细胞/生殖细胞（germ cell）：多细胞生物体内能分化成配子的前体细胞。 极细胞 果蝇种质细胞,（1） XY系统（人类、果蝇）:女性XX，男性XY； （2）WZ系统（鸟类、蝴蝶）:雌性ZW，雄性ZZ; （3）XO的系统（线虫、蝗虫）:雌性XX，雄性XO,雌性性染色体有2个,雄性只有1个。,性别决定的最常见3个系
20、统,2019/7/1,78,XY系统（人类、果蝇）,2019/7/1,79,XO的系统（线虫、蝗虫）,2019/7/1,80,Sxl基因开关,果蝇性别 X染色体数（X）：常染色体套数（A） 当X:A 0.5时，合子中的Sxl基因关闭 雄性； 当X:A 1.0时，合子中的Sxl基因打开 雌性。,果蝇性别决定,2019/7/1,81,七、果蝇识别,果蝇识别,2019/7/1,82,2019/7/1,83,哺乳动物性别决定,初级决定性腺决定 次级决定性腺之外的身体表型,2019/7/1,84,初级性别决定 （primary sex determination）,生殖腺发育为睾丸或者卵巢的选择 胚胎生
21、殖腺的发育命运决定于其染色体组成，染色体的存在使生殖腺的体细胞发育为睾丸而非卵巢 XX-卵巢，雌性 XY-睾丸，雄性,2019/7/1,85,哺乳动物睾丸决定的Y-染色体基因-SRY SRY基因位于Y染色体的短臂上，能编码含223aa的肽。 SRY基因编码睾丸决定因子（TDF），这个因子组织性腺发育为睾丸，而非卵巢。,澳洲专家语出惊人： 500万年后男性将灭绝?,“3亿年前Y染色体约有1400个基因，现在剩45个。按照这种衰减速度，500万年后Y染色体上就不再有任何基因了。,2019/7/1,87,16.6 癌症发生的遗传分析,根本原因：是遗传物质改变导致发育异常 实质：由（癌基因）或（抑癌基因）突变，引起细胞分化异常。,2019/7/1,88,19世纪60年代，法国有一位医生家族中的24个女性共有15人死于癌症，其中10人死于乳腺癌；这个家族的第二代的5个子女中，有4人死于癌症。 拿破仑-胃癌 Angelina Jolie BRCA1 gene,https:/ 特化（specification）、决定（determination） 同源异形基因（homeotic selector gene） 级联（Cascade ）反应 母体效应基因（maternal effect gene）,