第九章遗传与发育

第九章遗传与发育第一页，共二十页，2022年，8月28日第二节基因在细胞分化和细胞决定中的作用一、单细胞生物的细胞分化与发育的调控发育是通过细胞分化来实现的，分化是产生基因型相同但形态和功能趋异的各种类型细胞的一个变化过程，分化产生了细胞的多样性，构成形态建成和生长的基础，并保证了生命的世代延续。单细胞生物的分化和发育过程较为简单。遗传学GENETICS第二页，共二十页，2022年，8月28日二、多细胞生物的细胞分化和细胞决定多细胞生物的特化和发育过程较为复杂，合子形成后，分离并分化产生了许多类型的细胞。细胞分化的方向是由基因所控制的，称为“指定”。分两个阶段：特化和决定。特化：指细胞或组织在一个中性环境中，按原先被指定的命运自主地进行分化。遗传学GENETICS第三页，共二十页，2022年，8月28日决定：指细胞或组织即使处在胚胎的另一区域，仍不受周围其他细胞或组织的影响，按原先指定的命运自主地进行分化。三种指定方式：（一）自主特化大部分无脊椎动物的特性（二）条件特化所有脊椎动物和少数无脊椎动物的特性（三）合胞特化昆虫纲的无脊椎动物的特性。遗传学GENETICS第四页，共二十页，2022年，8月28日四、细胞程序性死亡1、细胞程序性死亡的概念在多细胞生物体中的一些细胞当不再为生物体所需时，或是已受到损伤时，会激活受遗传控制的自我毁灭，称为细胞程序性死亡。遗传学GENETICS第五页，共二十页，2022年，8月28日遗传学GENETICS第六页，共二十页，2022年，8月28日2、细胞程序性死亡的形式（1）细胞凋亡（2）其他类型遗传学GENETICS第七页，共二十页，2022年，8月28日当地时间2002年10月7日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖评审委员会将2002年诺贝尔生理学或医学奖授予了悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿等三位科学家，以表彰他们在“细胞程序性死亡”这一领域中的开创性工作。他们不但发现在生物的器官发育过程中存在细胞程序性死亡，而且阐明了细胞程序性死亡过程中的基因规律。

遗传学GENETICS第八页，共二十页，2022年，8月28日布雷内慧眼识线虫

20世纪60年代末，英国科学家悉尼·布雷内希望能找到一种适于基因水平研究，并能确定完整的神经系统的实验生物模型。最终布雷内选择了一种较为简单的生物——秀丽隐杆线虫。

遗传学GENETICS第九页，共二十页，2022年，8月28日秀丽隐杆线虫非常适合用作基因分析，除了显而易见的体形小、生长周期快等优点外，还因为它是一种可以自我繁殖的雌雄同体生物，非常有利于得到具有同一基因结构的纯合体线虫。另外，秀丽隐杆线虫还存在一种雄性个体，它不能自我繁殖，必须与雌雄同体的线虫交配才可繁衍后代。利用雄性个体，人们可以将突变基因从一种线虫转移到另一种线虫中去。

遗传学GENETICS第十页，共二十页，2022年，8月28日事实上，利用线虫的形体和运动特征以及协调性缺乏等突变特征，布雷内建立了最为丰富的突变体线虫株，并将线虫形体、行为的改变与染色体上的突变位点——对应起来。这就使得基因分析能够和细胞的分裂、分化以及器官的发育联系起来，为后来人们发现细胞凋亡及其机制奠定了基础。

遗传学GENETICS第十一页，共二十页，2022年，8月28日苏尔斯顿提出“细胞程序性死亡”

秀丽隐杆线虫非常小而且是透明的，成年的雌雄同体线虫总共才959个细胞，这就便于研究人员通过显微镜观察活的完整线虫的内部构造，并且能直接观察线虫发育过程中单个细胞的迁移、分裂以及死亡，从而使人们能了解线虫发育过程中各个细胞的命运。英国科学家约翰·苏尔斯顿和美国科学家罗伯特·霍维茨就是利用这种手段．通过艰苦的工作，确定了线虫发育过程中每一个细胞的分裂和分化及其最终的命运。

遗传学GENETICS第十二页，共二十页，2022年，8月28日科学家们发现，在脊椎动物和非脊椎动物的正常发育过程中都存在细胞正常死亡的现象，这些细胞的死亡都伴随着一系列的形态改变，不对周边细胞产生影响。苏尔斯顿将这些细胞死亡解释为“细胞程序性死亡”，并且仔细地描述了在这一过程中细胞经历的变化。

遗传学GENETICS第十三页，共二十页，2022年，8月28日在雌雄同体的秀丽隐杆线虫发育过程中，有131个细胞发生了凋亡。苏尔斯顿发现线虫中这种不同寻常的细胞死亡后，和其他科学家对其机制展开了深入的研究。他们利用布雷内建立的突变的线虫株，发现并分离了一系列影响细胞凋亡的基因，包括ced-1、ced-2和nuc-1，提出生物发育过程中细胞的凋亡是由一系列基因控制的。创造性的毁灭——细胞凋亡(二)

遗传学GENETICS第十四页，共二十页，2022年，8月28日霍维茨等人确认“死亡基因”

1986年，罗伯特·霍维茨及其学生发现了线虫中在细胞凋亡过程中起关键作用的两种基因：ced-3和ced-4。这两种基因的缺失将改变细胞的命运，使线虫中原本正常情况下会死亡的细胞存活并继续分化下去。同时，对于早先发现的在细胞凋亡中起作用的基因，他们也弄清楚了它们所起的确切作用。

遗传学GENETICS第十五页，共二十页，2022年，8月28日在知道了控制线虫细胞凋亡的关键性基因后，霍维茨的一位中国学生于1993年克隆了ced-3基因，并且发现该基因表达的蛋白质与哺乳动物中的一种酶非常相似。随后的研究发现，该酶与细胞凋亡相关，这表明在哺乳动物中也存在引起细胞凋亡的基因及其表达。

遗传学GENETICS第十六页，共二十页，2022年，8月28日研究新成就及研究的意义

现在，随着对细胞凋亡机制研究的深入，科学家们发现很多细胞内和细胞外信号都可以启动细胞的凋亡。目前，科学家们发现与细胞凋亡相关的基因有三类：促进细胞死亡的基因、抑制细胞死亡的基因和在细胞死亡过程中表达的基因。

遗传学GENETICS第十七页，共二十页，2022年，8月28日细胞凋亡的发现以及对细胞凋亡发生机制的研究，为科学开拓出一个神奇的新领域，意义非常深远。

遗传学GENETICS第十八页，共二十页，2022年，8月28日

首先，它加深了人类对于生命的认识。在生物体内，有些细胞将牺牲自己以便于机体自身的维持与更新，可以说，细胞凋亡广泛存在于各种生物体内。同时，细胞凋亡也存在于生物发育的各个阶段。蝌蚪在变态期，尾部细胞将发生凋亡，从而使其能转变成正常的成体蛙。从另外一个角度说，细胞凋亡是一种积极而主动的“创造性的毁灭”过程。譬如，在生物体的正常新陈代谢过程中，细胞的凋亡有助于消除体内衰老的细胞，维持组织器官的形体大小，又不引发炎症反应。

遗传学GENETICS第十九页，共二十页，2022年，8月28日此外，鉴于细胞凋亡过程受到许多基因及其产物的调控，在临床上，如果有