分子遗传学 第八章 动物发育的分子生物学-SWK

1、1分子遗传学分子遗传学 Molecular Genetics 第第8 8章章 动物发育的分子生物学动物发育的分子生物学1第第8 8章章 动物发育的分子生物学动物发育的分子生物学 8.1 8.1 发育分化理论发育分化理论8.2 8.2 胚胎胚胎极性与背腹的决定极性与背腹的决定卵卵皮层的皮层的 旋转旋转与发育的启动与发育的启动8.3 8.3 器官组织的分化器官组织的分化诱导诱导的分子机制的分子机制8.4 8.4 形态发生的分子机制形态发生的分子机制 8.5 8.5 细胞分化与细胞分化与细胞细胞全能性全能性 8.6 8.6 细胞凋亡细胞凋亡与与细胞衰老细胞衰老总论 发育生物学的研究内容开始以基因组为

2、对象,研究各种生物基因组在发育的不同时空中的基因调控网络,以揭示基因组的DNA序列如何利用输入与输出信息来完成对发育过程的调控。 发育过程是生物进行遗传、变异的全过程,是遗传、进化、癌变、衰老等生物学过程的交叉点。胚胎发育： 原生生物(protozoan)与后生生物（metazoan）的生命周期都肇始于单细胞，所不同的是原生生物终生维持单细胞状态，而后生生物则经历一个由单细胞到多细胞，最终成为成熟生物个体的过程，这个过程称为发育（development）。细胞分化：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化（cel

3、l differentiation）。（翟中和、王喜忠和丁明孝，细胞生物学） 8.1.1 Driesch-Morgan分化理论 Driesch-Morgan认为,在胚胎早期的卵裂阶段核基因是被抑制的,以后它们将会被激活。并指导特定蛋白质的合成。基因在发育的特定阶段及特定的区域中被激活,形态发生的变化可因特殊基因的激活而引起。因此Driesch-Morgan的这种理论可以说是一种由全面抑制到分别激活的学说。8.18.1发育发育分化理论分化理论 8.1.2 Caplan-Ordahl分化理论 Caplan-Ordahl分化理论认为:发育过程是发育全能向发育潜能缩减的过程,这可能是以前有活性的基因逐

4、渐被抑制的结果,而不是基因被选择性激活的结果。也就是说,在胚胎早期全部基因都是有活性的或者是能够转录的,发育时的活动会使其中一些基因受到选择性的不可逆抑制,另一些基因稳定在非抑制状态成为对新建表型特异的基因。 上述截然相反的两种理论的主要区别是:Driesch-Morgan理论认为,在发育过程中基因是由全面抑制走向分别激活;而Caplan-Ordhal理论认为,在发育过程中基因是由全面激活走向分别抑制。 8.1.3 基因群程序活动模型 该模型是1984年李振刚、吴秋英提出的:认为在染色体上存在着按不同发育时期进行活动的基因群,发育就是不同基因群的程序性活动,每一个基因群活动的结果是自身陷于抑制

5、并激活下一个基因群。 该模型的要点如下: 1)染色体不仅是基因的载体,更重要的是,它是基因活动的程序控制器:在染色体上存在着按不同发育时期进行活动的基因群。 2)染色体基因群的程序活动使发育循序进行:各个基因群之间既因激活-抑制机制而互相联系,又有一定的独立性。 3)基因群的程序活动可能有赖于激素及重复序列的相互作用:激素是在一定发育阶段出现的活性蛋白质,能同时诱导许多基因的活动。重复序列在真核细胞中与基因的相间分布,普遍地认为它在基因表达中有重要作用。 胚胎的前后端已由卵的动、植物极所决定。卵的外层是一层富含肌动蛋白(actin-rich)的、结构致密的皮层(cortex)。在卵受精后大约1

6、小时后,皮层突然逆时针旋转30,这是一个发育启动的开关。转动后动物极细胞质中的色素颗粒层与植物极皮层的一部分交叉而出现一个灰色新月区(gray crescent)。这样,不仅决定了胚胎的背腹轴,导致了背腹不对称性(dorsal-ventral asymmetry),而且启动了卵裂(cleavage)。8. 2 8. 2 胚胎极性与背腹的决定胚胎极性与背腹的决定卵皮层的卵皮层的旋转与发育的启动旋转与发育的启动 在卵裂完成后,灰色新月区内陷,形成背唇( dorsal lip),进一步启动了细胞的一系列运动,而导致了三个胚层的产生以及器官、组织的分化。该灰色新月区与精子进入卵的位点遥遥相对,前者粗略

7、地相当于未来胚胎的背部,后者则相应于腹部。由此可见,卵皮层的旋转运动包含着启动发育的极其重要的信息。早期胚胎发育过程包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键的阶段,如哺乳类的早期发育过程。胚胎发育胚胎发育过程过程动物极位置：颜色：作用：，卵黄少，比重小上端深吸光热，提供温度条件植物极位置：颜色：作用：，卵黄多，比重大下端浅为发育供养受精卵1. 动物极2. 植物极蛙受精卵的特点：动物半球：卵黄少、比重小、颜色深 植物半球：卵黄多、比重大、颜色浅 胚胎发育的基本过程： 1.生殖细胞的发生 2.受精 3.卵裂 4.囊胚的形成 5.原肠胚的形成 6.中胚层及体腔的形成 7.胚层分化8. 3 8. 3 器

8、官组织的分化器官组织的分化诱导的分子机制诱导的分子机制 2. 受精作用 指精子和卵的核融合形成二倍体合子（受指精子和卵的核融合形成二倍体合子（受精卵），并激活卵细胞进入胚胎发育过程。精卵），并激活卵细胞进入胚胎发育过程。包括顶体反应和皮层反应包括顶体反应和皮层反应 顶体反应：精子逼近卵细胞时，精子顶体顶体反应：精子逼近卵细胞时，精子顶体泡中水解酶的释放泡中水解酶的释放 皮层反应：指位于卵细胞质中的皮质颗粒皮层反应：指位于卵细胞质中的皮质颗粒体的酶，通过胞吐作用进入透明带过程。体的酶，通过胞吐作用进入透明带过程。在酶的作用下，精子穿透保护卵细胞表层中的冠状区域和透明的区域，接下来在酶的作用下，精

9、子穿透保护卵细胞表层中的冠状区域和透明的区域，接下来两个细胞膜相结合，雄性两个细胞膜相结合，雄性DNA进入卵子进入卵子 3 卵裂 定义：指一旦受精作用完成，受精卵就很定义：指一旦受精作用完成，受精卵就很快进行细胞分裂（有丝分裂）。快进行细胞分裂（有丝分裂）。 全裂全裂 不全裂不全裂4 原肠胚形成 形成方式有三种：内陷形成方式有三种：内陷 内转内转 外包加内陷外包加内陷 3个胚层，个胚层，4大组织类型：上皮组织大组织类型：上皮组织 结缔组织结缔组织 肌肉组织肌肉组织 神经组织神经组织外胚层形成神经系统和皮肤；内胚层形成呼吸外胚层形成神经系统和皮肤；内胚层形成呼吸系统和消化管；中胚层形成结缔组织、

10、血细胞、系统和消化管；中胚层形成结缔组织、血细胞、心脏、泌尿系统以及大部分内脏器官等。心脏、泌尿系统以及大部分内脏器官等。5 脊索动物神经胚形成 脊索和背神经管形成脊索和背神经管形成 背部中间的中胚层形成脊索背部中间的中胚层形成脊索 背部外胚层变厚形成神经板，神经板细胞背部外胚层变厚形成神经板，神经板细胞凹陷形成神经沟；神经沟两侧细胞融合形凹陷形成神经沟；神经沟两侧细胞融合形成中空的神经管，发育成中枢神经系统。成中空的神经管，发育成中枢神经系统。 胚层的分化胚层的分化 发育过程中的细胞分化和由此而来的组织构建、器官形成，是生命科学中最复杂，也最引人入胜的现象之一。 细胞分化的个性：任何一种细胞

11、的分化、任何组织的形成以及每个器官的构建，都是一系列复杂信号联合作用的结果，都有其本身的特性特定的局部环境、特定的一组诱导者和特定的信号途径。 细胞分化的共性：在任何胚胎，尤其是脊椎动物胚胎细胞的分化过程中，都可以见到FGF、Wnt、TGF、RA和Shh等信号途径，它们按照极其相似的方式调控发育过程。Wnt信号途径 BMP信号途径 RA信号途径 Shh信号途径胚层形成中的细胞分化及信号分子胚胎发育过程中决定细胞分化的主要信号分子： FGF、TGF-（BMP）、Wnt、RA、Shh 8.4 形态发生的分子机制 动物形态发生( morphogenesis)主要是体节(body segment)的加

12、工以及体型(body pattern)的形成。 在胚胎发育中与动物体节-体型的决定有关 的基因有两类：体节基因。这类基因决定体节的数目和极性。H基因。这类基因 的作用是决定体节发生的顺序、部位,它们的表达在发育中是自发进行的,是自主性的调控基因。8.5 细胞分化与细胞全能性 细胞分化定义细胞分化定义(cell differentiation)(cell differentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群成稳定性差异，产生各不相同的细

13、胞类群的过程。的过程。 奢侈基因：组织特异性基因，与分化细胞奢侈基因：组织特异性基因，与分化细胞特殊性状有关，如角蛋白基因等特殊性状有关，如角蛋白基因等 管家基因：与分化细胞种类无关的基因，管家基因：与分化细胞种类无关的基因，它在任何细胞中都表达，是维持细胞基本它在任何细胞中都表达，是维持细胞基本功能的必需基因，如组蛋白基因等功能的必需基因，如组蛋白基因等细胞的全能性 细胞全能性定义细胞全能性定义：细胞经分裂和分化后仍：细胞经分裂和分化后仍具有产生完整生物个体的潜在能力和特性。具有产生完整生物个体的潜在能力和特性。 植物体细胞全能性植物体细胞全能性 1958年，斯图尔德，胡萝卜韧皮部细胞年，斯

14、图尔德，胡萝卜韧皮部细胞 动物的核移植动物的核移植 1952年，年，Briggs和和King 蛙蛙 1964年，年，Gurdon 非洲爪蟾非洲爪蟾 哺乳动物克隆繁殖哺乳动物克隆繁殖动物的干细胞 干细胞（干细胞（Stem cell）：指在理论上具有）：指在理论上具有“无无限限”自我更新能力和多方向分化潜能的一自我更新能力和多方向分化潜能的一类细胞。类细胞。 干细胞干细胞祖细胞祖细胞前体细胞前体细胞不再分化的终不再分化的终末细胞末细胞 祖细胞（祖细胞（progenitor cell）：指在发育和分）：指在发育和分化中已丧失了自我更新能力，但仍保留多化中已丧失了自我更新能力，但仍保留多细胞谱系分化潜

15、能的一群细胞。细胞谱系分化潜能的一群细胞。获得干细胞的途径 从早期胚胎中获得从早期胚胎中获得 试管婴儿试管婴儿 从早期流产胎儿中获得从早期流产胎儿中获得 胚胎生殖干细胞胚胎生殖干细胞 从克隆胚胎中获得从克隆胚胎中获得 体细胞移植技术：体细胞核移入去核卵母细体细胞移植技术：体细胞核移入去核卵母细胞胞 从成体组织中获得成体干细胞从成体组织中获得成体干细胞 英国纽卡斯尔大学Karim Nayernia教授在德国哥廷根大学和合作伙伴，首次成功地用胚胎干细胞制造的人造精子培育出了生命。研究中有50个发育成两个细胞的胚胎，其中只有7个发育成胚胎，6只小鼠存活5个月。研究结果发表在最新的Developmen

16、tal Cell杂志上。该研究为将来解决男性不育症提供了一种思路。 人类干细胞系建立 1981年，英国科学家年，英国科学家Evans等人在世界上首等人在世界上首次建立了次建立了ES（胚胎肝细胞）系。（胚胎肝细胞）系。 1998年，美国威斯康星大学的年，美国威斯康星大学的Thomson建立建立了人类的了人类的ES细胞系细胞系 1998年，美国霍普金斯大学年，美国霍普金斯大学Gearhant等人等人建立了建立了EG细胞系（胚胎生殖干细胞系）细胞系（胚胎生殖干细胞系）干细胞分类 根据发生来源不同分根据发生来源不同分2大类：大类： 胚胎干细胞：来自于胚胎的细胞，具有发胚胎干细胞：来自于胚胎的细胞，具有

17、发育全能性，育全能性，1、2、3途径获得的途径获得的ES和和EG细胞，细胞，受精卵受精卵 成体干细胞：存在于某种已分化组织中的成体干细胞：存在于某种已分化组织中的未分化细胞，它们仍然具有自我更新和分未分化细胞，它们仍然具有自我更新和分化形成该组织多种类型细胞的能力。如：化形成该组织多种类型细胞的能力。如：造血干细胞、神经干细胞、皮肤表皮干细造血干细胞、神经干细胞、皮肤表皮干细胞等胞等根据分化潜能不同分为4类 全能干细胞：它们具有自我更新能力并具全能干细胞：它们具有自我更新能力并具有分化产生生物体任何细胞类型，甚至形有分化产生生物体任何细胞类型，甚至形成完整个体的潜能。成完整个体的潜能。 ES细

18、胞和受精卵细胞和受精卵 多组织潜能干细胞：分化潜能受到一定限多组织潜能干细胞：分化潜能受到一定限制，已失去了全能性，不再具有形成完整制，已失去了全能性，不再具有形成完整个体能力的干细胞，但它仍然具有产生多个体能力的干细胞，但它仍然具有产生多种组织的细胞类型能力。如间充质干细胞种组织的细胞类型能力。如间充质干细胞 多细胞潜能干细胞：具有分化产生某一组多细胞潜能干细胞：具有分化产生某一组织多种细胞类型，但也丧失了全能性的干织多种细胞类型，但也丧失了全能性的干细胞。细胞。 如：神经干细胞等如：神经干细胞等 单能干细胞：存在于组织器官中，具有稳单能干细胞：存在于组织器官中，具有稳定自我更新能力，只具有

19、单一细胞类型分定自我更新能力，只具有单一细胞类型分化的细胞。化的细胞。 如：肌肉组织中的卫星细胞如：肌肉组织中的卫星细胞干细胞的应用 细胞或组织移植细胞或组织移植 造血干细胞移植：造血干细胞来自骨髓或造血干细胞移植：造血干细胞来自骨髓或新生儿脐带血新生儿脐带血 神经干细胞移植：帕金森综合症神经干细胞移植：帕金森综合症 定向分化干细胞移植定向分化干细胞移植 治疗所有组织坏死性或退行性疾病治疗所有组织坏死性或退行性疾病其他应用8.6 细胞凋亡与细胞衰老 细胞凋亡定义：是细胞凋亡定义：是指指一种主动的、由基因一种主动的、由基因决定的细胞自我破坏的过程。也称细胞程决定的细胞自我破坏的过程。也称细胞程序

20、性死亡。序性死亡。 诱导因素：诱导因素： 物理因子：射线及温度刺激等物理因子：射线及温度刺激等 化学及生物因子：活性氧基团和分子、钙化学及生物因子：活性氧基团和分子、钙离子载体、细胞毒素、环己亚胺、肿瘤坏离子载体、细胞毒素、环己亚胺、肿瘤坏死因子、某些病毒死因子、某些病毒 Sydney Brenner Robert Horvitz John Sulston 20022002年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖细胞凋亡特征 1.核固缩核固缩(nuclear condensation )：核仁裂解，：核仁裂解，染色质浓缩成半月形染色质浓缩成半月形, 附着于核膜周边。附着于核膜周边。 2.生

21、物膜空泡化（生物膜空泡化（blebbing )， 细胞骨架细胞骨架逐渐断裂，细胞体积缩小。逐渐断裂，细胞体积缩小。 3.内源性核酸内切酶活化，内源性核酸内切酶活化，DNA被降解被降解为（为（180-200bp）n片段片段- DNA Ladder 4.凋亡小体形成凋亡小体形成 胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含DNA物质及细胞器，形成泡状小体称为物质及细胞器，形成泡状小体称为凋亡小体（凋亡小体（apoptotic body）. 与细胞凋亡相关的基因 死亡基因：促进细胞凋亡的基因。死亡基因：促进细胞凋亡的基因。 如：线虫的如：线虫的ced-3、ced-4 哺乳动物的哺

22、乳动物的ICE基因家族基因家族 机制：机制：ICE基因产物降解聚腺苷三磷酸核糖聚合酶引起基因产物降解聚腺苷三磷酸核糖聚合酶引起DNA修复的抑制以及核酸内切酶活性的增加，造成染修复的抑制以及核酸内切酶活性的增加，造成染色质断裂，从而使细胞发生凋亡。色质断裂，从而使细胞发生凋亡。 生存基因：存活基因或死亡抑制基因生存基因：存活基因或死亡抑制基因 如：线虫的如：线虫的ced-3、ced-4 哺乳动物的哺乳动物的ICE基因家族基因家族 肿瘤抑制基因肿瘤抑制基因 如：如：p53细胞凋亡的分子细胞凋亡的分子机理：秀丽机理：秀丽隐杆线虫隐杆线虫1031个细胞个细胞 ，131个细胞凋亡。个细胞凋亡。 找到一系

23、列与找到一系列与细胞凋亡有关的基因细胞凋亡有关的基因 ced-3、ced-4基因突变或缺失，使凋亡基因突变或缺失，使凋亡受阻受阻,有多余细胞有多余细胞存在诱发存在诱发、启动、启动凋亡凋亡功功能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。 移入移入 ced-9 ced-9 使凋亡受阻使凋亡受阻 失去失去 ced-9 ced-9 使细胞凋亡使细胞凋亡细胞衰老 生物体形态结构和生理功能随年龄增加而生物体形态结构和生理功能随年龄增加而显现出的不可逆的衰退现象，这种衰退增显现出的不可逆的衰退现象，这种衰退增加了有机体对疾病和死亡的易感性，这种加了有机体对疾病和死亡的易感性，这种

24、现象称为衰老现象称为衰老 HayflickHayflick界限界限lHayflick的一些经典的一些经典实验实验体外培养成纤维细胞体外培养成纤维细胞来自胎儿来自胎儿 可传代可传代 50 50 次次 （与供体年龄有关）（与供体年龄有关） 来自成人来自成人 可传代可传代 20 20 次次来自小鼠来自小鼠 可传代可传代 141428 28 次次 （与供体物种（与供体物种来自乌龟来自乌龟 可传代可传代 9090125 125 次次 特性有关）特性有关）l 物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系物种物种 成纤维细胞传代数成纤维细胞传代数 个体最长寿命（年）个体最长寿命（年） 龟龟 9090125

25、 175125 175（？）（？） 水貂水貂 303034 1034 10 鸡鸡 151535 3035 30小鼠小鼠 141428 3.528 3.5人胚胎人胚胎 404060 11060 110出生至出生至1515岁岁 202040 40 1515岁以上岁以上 101030 30 早老病患者早老病患者 2 210 1010 102020 早衰症是人体衰老中的一种病症一名男子从一名男子从 36 岁到岁到 75 岁岁味觉丧失味觉丧失 64肾小球减少肾小球减少 44肾小球过滤率减少肾小球过滤率减少 31脊神经元减少脊神经元减少 37神经传导速度减慢神经传导速度减慢 10脑供血量减少脑供血量减少

26、20肺活量减少肺活量减少 44高等动物体内存在了高等动物体内存在了3种不同类型的细胞。种不同类型的细胞。 第第1类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元和肌肉细胞等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再和肌肉细胞等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再增加数量。它们随着个体衰老而衰老，或者由于这增加数量。它们随着个体衰老而衰老，或者由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡些细胞的衰老、死亡引起个体死亡第第2 2类是缓慢更新的细胞，它们的寿命短于动物的类是缓慢更新的细胞，它们的寿命短于动物的平均寿命，如肝细胞，胃壁细胞等。平均寿命，如肝细胞，胃壁细胞等。第第3 3类是

27、快速更新的细胞。机体可以不断有大量第类是快速更新的细胞。机体可以不断有大量第3 3类的细胞衰亡，但这一般不影响其生存。类的细胞衰亡，但这一般不影响其生存。细胞衰老的分子机制细胞衰老的分子机制（一）（一）自由基学说自由基学说l所谓自由基指那些带有奇数电子数的化学物质，即它所谓自由基指那些带有奇数电子数的化学物质，即它们都带有未配对的自由电子，这些自由电子导致了这们都带有未配对的自由电子，这些自由电子导致了这些物质的高反应活性。自由基在细胞内的产生是有多些物质的高反应活性。自由基在细胞内的产生是有多种原因的，如生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及种原因的，如生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促反应等过程中都会释放自由基。细胞内的酶促反应等过程中都会释放自由基。l自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联反应。自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联反应。 l对磷脂的氧化和对对磷脂的氧化和对DNA造成损伤可能是主要的造成