遗传学第十二章遗传与发育

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（ 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 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 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 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：v具有同源异形框。v有多个启动子和转录起始点。v有多个内含子。v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l基因结构和组织形式的保守性l基因表达图谱的保守性l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）。v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。v成体有两种性别：雌雄同体（ hermaphrodit