发育与遗传公开课课件

11.遗传与发育11.1真核生物体细胞的全能性11.2细胞命运定向是发育的基本模式11.3线虫的发育模式11.4胚胎发育的遗传控制11.遗传与发育一、教学基本要求

1．了解发育遗传学的研究内容、方法及特点；了解J.Gurdon的爪蟾核移植实验及I.Wilmut的克隆羊实验及其意义；了解控制果蝇胚胎发育的三类基因及其作用；了解人胚胎发育的主要阶段及特征；了解人工辅助生殖技术的基本原理。2.熟悉细胞定向的三种途径；熟悉线虫和果蝇的发育模式；熟悉三类干细胞的主要区别；理解细胞核去分化及再分化的定义。3.掌握发育、细胞分化、细胞定向、全能性、多能性等名词概念。从生物学角度来说，发育是生物的细胞分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一系列过程。从遗传学角度来说，发育是基因按照特定的时间，空间程序表达的过程。研究基因对发育的调控作用的学科就是发育遗传学（DevelopmentalGenetics)。什么是发育？发育遗传学的研究特点发育是基因型与环境因子的相互作用从遗传控制发育的图式（pattern）看，发育就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。发育遗传学的研究特点发育调控基因具有保守性

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。发育遗传学的研究特点发育中基因之间的作用

生物发育过程中的基因与基因的相互作用执行了对发育进程的调控。That’sahumanear!发育遗传学研究的应用11.1真核生物体细胞的全能性

细胞的全能性——生物体的每个细胞都具有能重复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的能力。植物细胞的全能性大于动物细胞。一.植物细胞的全能性植物的细胞培养:

用胡萝卜的根尖细胞可培养出一株完整的胡萝卜植物细胞全能性的利用——(a)AgeneticmarkerfirstusedforXenopusnucleartransferexperiments.Embryosheterozygousforthecompletelossofonesetofribosomalgeneshaveasinglenucleolusintheirnuclei(left),incontrasttowild-typenuclei(right),whichusuallyhavetwonucleolipernucleusrepresentingbothnucleolusorganizerregions.(b)Thefirstsexuallymatureadultvertebrateproducedbynucleartransplantation.Thisfemalefrogderivedfromthetransplantednucleusofaneurulaendodermcellandcarriedthegeneticmarkershownina.FromGurdonetal.(1958).FromNuclearTransfertoNuclearReprogramming:TheReversalofCellDifferentiation

1996年英国苏格兰爱丁堡罗斯林研究所(RoslinInstitute)的Wilmut,I利用绵羊的乳腺细胞的细胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly)”。北京时间10月8日下午5点30分，2012年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，英国科学家约翰·戈登（JohnB.Gurdon）和日本科学家山中伸弥（ShinyaYamanaka）获奖，获奖理由为“发现成熟细胞可被重编程变为多能性”。JohnB.Gurdon，1933年出生于英国的Dippenhall。1960年他从牛津大学获得博士学位，曾在加州理工学院做博士后。他于1972年加入剑桥大学，成为细胞生物学教授。目前他供职于剑桥Gurdon研究所。ShinyaYamanaka，1962年出生于日本大阪。1987年他从神户大学获得MD。在转向基础研究之前，他曾受训为整形外科医生。1993年他从大阪市立大学获得博士学位，之后他曾供职于美国旧金山Gladstone研究所和日本奈良先端科学技术大学院大学。目前他于日本京都大学担任教授。

生命——一次不断特化的旅程我们所有人都是由受精卵细胞发育而来。在受精后的第一天里，这些组成胚胎的非成熟细胞，每一个都具有发育成成熟生命体中各种细胞类型的能力，这一类细胞被称为多能干细胞。随着胚胎的进一步发育，这些细胞发育成神经细胞、肌肉细胞、肝脏细胞以及其他各类细胞——每一种细胞都肩负起成熟身体内的一项特定使命。之前，这趟从非成熟细胞到特化细胞的旅程被认为是单一方向的。人们曾以为，细胞在成熟过程中是以这样的方式发生着改变，不可能回到非成熟、多能的阶段。青蛙的逆发育特化细胞功能的不可逆转一度被当成是教条，约翰·戈登向它发出挑战。他曾假设，细胞的基因组或许仍然含有其发育成生命体各种类型的细胞的所需要的全部信息。1962年，为了验证他的这种假设，他用蝌蚪肠道的成熟特化细胞的细胞核替换掉青蛙卵细胞的细胞核。该卵细胞发育成一只功能完全的克隆蝌蚪并最终长成如同实验培养出的成体青蛙。成熟细胞的细胞核并未丢失功能完全的生命体发育所需的能力。戈登这次里程碑式的发现一开始是受到质疑的，但经过其他科学家的确认，人们接受了他的发现。这项发现引起研究热潮，相关技术获得进一步发展，最终发展到哺乳动物的克隆。戈登的研究告诉我们，一个成熟特化细胞的细胞核是可以被逆转到非成熟、多能化的状态。但是他的实验是将一些细胞的细胞核抽出，然后引入另外一些细胞的细胞核。有没有可能让一个完整的细胞回退到多能干细胞呢？

往返旅程——成熟细胞返回干细胞状态在戈登的发现40余年后，山中伸弥在一项突破性的研究中回答了这个问题。他的研究有关胚胎干细胞，分离自胚胎并在实验室中培养的诱导多能干细胞。这些干细胞最初是由MartinEvans（2007年诺奖得主）从小鼠身上分离得到。山中伸弥试图发现保持它们未成熟的基因。当几个这样的基因被鉴别出来后，他进行了测试，以确定它们是否能够重编程成熟细胞变成多能干细胞。山中伸弥与合作者用不同的组合方式向成熟细胞中引入了这些基因，这些成熟细胞来自于结缔组织和纤维原细胞。他们在显微镜下检测了结果，最终发现其中的一个组合起作用，而其“处方”是惊人的简单。通过同时引入四个基因，他们可以重编程纤维原细胞变成未成熟干细胞！由此得到的诱导多能干细胞（iPS细胞）能够发育成多种成熟细胞，例如纤维原细胞、神经细胞以及肠细胞等。完整、成熟的细胞可被重编程成多能干细胞这一发现在2006年一经发表，立即被认为是一个重大的突破。三、克隆羊的诞生

1996年7月IanWilmut克隆一头名叫“Dolly/多利”的小绵羊用一头母羊乳腺的细胞核移植到另一头母羊的去核卵细胞中，经体外培养后，再移植到假孕母羊的子宫内发育而成。实验一共移植了247/277（？）个卵，多利是其中唯一成功的一头,可见难度是很大的。1.低血清培养（血清浓度由100%降低到0.5%)2.绵羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表达。这是世界上第一例成年山羊体细胞克隆出的“元元”，但由于肺部发育缺陷，它只存活了36小时零3分钟，就因呼吸衰竭而死亡。这是在日本诞生的克隆牛，是继“多利”羊后，科学家利用成年动物体细胞成功克隆的又一动物。世界上第一只克隆猴“泰特拉”在美国俄勒冈灵长类动物中心诞生11.2细胞定向是发育的基本过程个体发育的生物学意义：细胞分化的多样性

细胞分化（细胞在形态结构、生理机能和生化特性上发生稳定差异的过程）、形态建成、生长生命的延续性性别分化、繁殖个体发育中细胞分化的过程也是细胞定向的过程细胞定向——从多能干细胞→单能干细胞→→分化终末细胞的过程细胞定向过程是细胞分化潜能逐渐丧失/降低(?)的过程?分化终末细胞胚胎干细胞

（全能干细胞）

多能干细胞

单能干细胞 分化终末细胞2008年8月20日，美国科学家首次在实验室培育出人体无核红细胞，这意味着人类在人造血液的进程上又迈出非常重要的一步。在不久的将来，献血将成为历史。普通人平均每200毫升血液中有2万亿个红细胞。红细胞的功能是运输氧、二氧化碳、电解质、葡萄糖以及氨基酸这些人体新陈代谢所必须的物质。因此，若要制成人造血液，科学家首先必须大批量培养出红细胞。世界首例人造无核红细胞诞生献血将成历史主持这项研究的罗伯特•兰萨教授和同事首先从人体干细胞中提取营养物质和合成红细胞所必须的物质，再将干细胞培养成血管原细胞(haemangioblasts，血管原细胞是红细胞的前体细胞)，最后培育成成熟红细胞。虽然在此之前已有科学家制造出红细胞，但是在很多关键问题上都没有取得突破，比如无法传递营养物质，或者无法完成新陈代谢。但兰萨教授在这些关键点上都取得了重大突破。结果证明，他们培育造出的红细胞与人体内的红细胞一样，都能有效传递氧气和营养物质。最重要的是，这种人造红细胞是无核的。成熟的红细胞必须是无核、红色的，呈双凹圆盘形，这种形态特点的生理意义在于，红细胞具有较强的可塑性，能通过管径微小的毛细血管和血窦。另一方面，双凹盘形结构使细胞表面积增大，扩大与血浆之间的交换面积，提高气体交换效率。世界首例人造无核红细胞诞生献血将成历史干细胞(Stemcell)定义特点分类全能干细胞多能干细胞专能干细胞干细胞（stemcell）干细胞：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。全能干细胞（totipotent）:能够分化产生各种细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞（embryonicstemcell）。多能干细胞（pluripotentstemcell）:具有多种分化能力的细胞。例如不同胚层的特异性细胞可以分化形成特定的组织和器官。多效干细胞（multipotentstemcell）：具有专一分化能力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞

干细胞自我更新的方式不均一分裂，多见于单细胞生物和无脊椎动物总体不均一，多见于哺乳动物不管是哪一种方式都受到多种反馈调节和细胞间相互作用的调节1998年11月，美国Wisconsin-MedisonUniversity的James.A.Thomson从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离了多能干细胞。同时美国John-HopkinsBayviewHospital的John.D.Gearhart从终止妊娠的胎儿组织中原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞进行培养，得到多能干细胞。特异组织中分离出干细胞VincentTropepe(sciencevol287.2000.3)

从成年小鼠的眼睛中鉴定出一种干细胞。这些细胞的克隆可以分化出视网膜特异的细胞类型，包括视杆细胞，双极细胞，Miiller胶质细胞细胞核的去分化高度分化的细胞核在一定的条件下，可能脱离原有的分化特征，形成具有高度分化能力的全能干细胞。例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去核的卵中，发育成蝌蚪。克隆羊多利等。原来认为的专能干细胞可以分化成毫不相关的细胞类型。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)干细胞技术对基础研究和临床应用的影响。用于修复甚至替换丧失功能的组织和器官。体外研究人(胚胎)的发育和不正常发育。新人类基因的发现。药物筛选和致畸实验。基因治疗的细胞源

可自我复制更新，持久发挥作用。人胚胎干细胞面临的技术难题。胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持它在体外扩增时不分化？如何定向诱导干细胞分化？由胚胎干细胞在体外发育成完整的器官尤其是象心、肝、肾、肺等大型精密复杂的器官还需要技术上的突破。如何克服免疫排斥反应?胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如何？2006年，日本科学家山中伸弥发明人工诱导多能性干细胞(iPS)技术后，这一技术成为干细胞研究领域的有力工具，激发了很多研究成果。2月15日，山中伸弥借助病毒，将4个基因植入小鼠肝脏细胞和胃黏膜细胞，培育出了iPS。与原先用皮肤细胞培育出的iPS相比，这种iPS引发癌症的可能性大为下降。两个月后，山中伸弥又与日本理化研究所发育与再生科学综合研究中心的高桥政代合作，利用由小白鼠的皮肤制成iPS，成功制造了视网膜感光细胞。这一成果可用于治疗视网膜色素变性等疾病。而在8月31日，日本科学家又利用iPS，培育出胰腺。除了人工诱导多能性干细胞研究，传统的干细胞研究领域也取得不少进展。1月17日，美国一家生物技术公司首次通过克隆技术，由成体皮肤细胞得到了晶胚，利用克隆得到的晶胚又可以制造胚胎干细胞系，从而用于糖尿病和帕金森氏症等疾病的研究和治疗。一个月后，德国科学家利用头发根部提取的干细胞，成功培育出皮肤组织。这一技术的成熟有望用于烧伤患者等需要接受植皮手术的病人身上。此后，科学家还取得了一系列重要成果：利用干细胞再生犬类骨骼、将胚胎干细胞分化成下丘脑神经细胞、用病人体细胞制造干细胞……这些研究成果表明,干细胞技术离实际应用已越来越近。201112英国培育出

首批公用高纯度

人类胚胎干细胞英国伦敦大学国王学院6日宣布，该校研究人员培育出没有受动物原料污染的纯度极高的人类胚胎干细胞，并已交付给英国干细胞库，有需求者可直接从库中取用。这是培育出的首批供公共用途的高纯度胚胎干细胞。胚胎干细胞是指胚胎中一些具有发育成各种组织和器官能力的细胞，在医学上具有巨大应用前景。但过去培育人类胚胎干细胞时往往还要用到一些源于动物的材料，比如源于猪的酶和源于牛的血清等。这样得到的胚胎干细胞纯度不高，如果用于医疗存在一些风险。伦敦大学国王学院研究人员经过近十年的研究，找出了完全不用动物原料培育人类胚胎干细胞的方法，得到的胚胎干细胞具有极高纯度，可以直接供医学使用。相关研究成果已经发表在美国学术刊物《细胞治疗》上。2011年12月08日07:42新华网黄堃

细胞定向的机制Morgan(1934):顺序基因活动和基因产物相互作用决定（determination）:胚胎早期的全能或多能干细胞在基因的调控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了这些细胞的分化命运。如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经定位，并确定了特定细胞的形态建成等命运。特化（specification）：

细胞或组织按照已经确定的方向进行分化，形成特异性组织或细胞地过程。如：被决定命运（？）的细胞，按照指令继续分化成特定的组织，形成体节，器官等不同形态。细胞定向的三种途径

（动物的三种发育模式）：1）完全程序化的自主特化途径/镶嵌发育模式。以秀丽隐杆线虫（C.elegans）为代表2）无程序化的条件特化途径/调节发育模式。细胞的命运具有一定的随机性，如哺乳动物。3）半程序化途径/自主特化和条件特化相结合的（合胞特化）发育模式。如果蝇的成虫盘（disk）。自主特化条件特化AEACEABCDEABCDE自主和条件特化镶嵌发育：调节发育：形成体原基分布图ABCDEABCDE11.3线虫（C.elegans）的发育模式

C.elegans:体长仅1mm,生命周期仅3天。 1.2n=12，2.基因组仅有8×107bp，约有13,500个基因。3.与原核相似，有25%左右的基因产生多顺反子

mRNA（PolycistronicmRNA）4.基因组中非重复序列达83%（E.coli为100%），

而高等的真核生物都在50%以下；5.大部分是XX型，为可以自体受精的两性体（hermaphrodites）,XO型为雄体(突变型,约占1/500)。C.elegans成体由959个细胞组成。 线虫（C.elegans）的发育—完全程序化的镶嵌发育模式奠基者细胞胚胎早期细胞的分化由母体中卵子细胞质不均等分配决定。如：P颗粒向合子后端的分配决定该部分细胞分化为性细胞。缺失某类细胞将不能被其他细胞取代——形成镶嵌模式。线虫（C.elegans）的发育11.4胚胎发育的遗传控制胚胎发育卵裂（cleavage）:受精卵不断分裂成较小细胞，形成l卵裂球或囊胚的过程。受精卵2个细胞4个细胞8个细胞桑葚胚囊胚

内细胞团胚泡腔滋养细胞

胚胎囊胚腔的功能为原肠胚形成过程中细胞的迁移提供空间把将要形成内胚层器官的细胞拖入胚胎内部，外胚层细胞置于四周。囊胚的发育原肠胚（gastrulation）原始胚层(germlayer)

中胚层(mesoderm):结缔组织，骨，血液，心，平滑肌，睾丸，卵巢……

外胚层(ectoderm)：表皮，毛发，甲……

内胚层（endoderm）：消化道，尿道，肝，胆，胰腺……人的发育人的发育胎儿从卵裂到出生的9个月时间内的发育过程可分

为明显的3个阶段。每一阶段大约持续12周。第一阶段：单细胞受精卵发育成高度分化的多细胞胚胎；第二阶段：体积增大和人体特征的精细化;第三阶段：胎儿迅速成长,神经系统和各器官系统基本完善。辅助生殖技术体外受精、试管婴儿、代孕母亲 首例试管婴儿已于1978年问世体外直接将精子注入卵细胞技术基因工程技术 “预制胎儿”？

——人类社会面临的新的挑战2008年1月17日，英国人工授精与胚胎学管理局批准两个研究小组展开一项争议性研究——培育人类与动物的混合胚胎。早在2006年，英国伦敦大学国王学院和纽卡斯尔大学的科研人员就希望展开此类研究，但由于英国政府明令禁止制造人类与动物的混合胚胎，这项研究一直停滞不前。获得人工授精与胚胎学管理局的许可后，英国科学家取得了非常重大的研究进展。英国科学家培育出首个人兽混合胚胎4月1日，英国纽卡斯尔大学宣布，该校约翰•伯恩教授带领的研究小组从人类皮肤细胞提取细胞核，植入几乎完全剔除了遗传物质的牛卵细胞后，成功培育出了人牛混合胚胎。这个胚胎总共存活了3天时间。参与这项研究的科学家表示，他们不会制造混合动物，把人兽混合胚胎放入子宫也是非法的，进行这项研究是为了探索帕金森病、肌萎性脊髓侧索硬化症等疾病的治疗方法，提高人们对胚胎干细胞发育过程的认识和理解。

英国科学家培育出首个人兽混合胚胎

5月12日，美国康奈尔大学一个研究小组宣布，他们成功培育出世界上第一个转基因(GM)人类胚胎，用以研究细胞和疾病的早期发展状况。胚胎在存活5天后被销毁。英国人工授精与胚胎管理局(HFEA)警告说，这种颇具争议的实验势必引起“严重的道德和公共利益问题”。《人类受精和胚胎学法案》规定，转基因胚胎仅能用于研究，禁止移植到子宫内。美国科学家成功培育出首个转基因人类胚胎改变胚胎的影响是永久性的。添加至胚胎或生殖细胞(如精子)的基因将会影响人体中所有细胞，同时还将代代相传。这项技术有可能被用于矫正引起囊性纤维变性、血友病、癌症等疾病的基因。从理论上讲，任何已得到鉴别的基因都能添加至胚胎上。科学家强调，转基因胚胎不仅可用于研究疾病发展情况，而且在培育干细胞方面效率更高。美国科学家成功培育出首个转基因人类胚胎模式形成（patternformation）

（图式形成）胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞又分别构成不同的组织、器官，并形成有序的空间结构的过程动物最初的模式形成主要涉及胚轴(embryonicaxes)形成和相关细胞的分化胚轴：前-后轴(anterior-posterioracis)

背-腹轴(dorsal-ventralaxis)

中-侧轴或左-右轴）(mediolateralaxis)脊椎动物躯体规划的第一步是体轴的决定体轴分:

头尾轴(antero-posterioraxis)

背腹轴(dorso-ventralaxis)

远近轴(proximo-distalaxis）两栖类：首先被决定的是动植物极（即头尾）。鸟类：首先决定背腹极，头尾轴则根据重力和排卵时的旋转决定。哺乳类：根据胚胎内细胞团（innercellmass）分隔的位置决定背腹面，头尾可能是在排卵时被决定，还不清楚哺乳类是如何决定左右。果蝇前－后轴、背－腹轴如何确定？11.5果蝇的发育

（半程序化的合胞特化途径）

果蝇的囊胚前同等卵裂，盘状囊胚后定向

（合胞体胚囊→单层细胞囊胚，最初的胞质位置/成分决定了对应囊胚细胞的发育定向，如极质区的细胞发育为配子）(a)3小时的果蝇胚胎(b)10小时的果蝇胚胎(CL,PC,O,D,Mx,Ml,Lb是头部不同的节)(c)刚孵化出的幼虫控制果蝇胚胎发育的三类基因：1.母体基因(maternalgenes)

2.分节基因(segmentationgenes)3.同源异型基因/特征形成基因 (homoeoticgene)母体基因在发育中的作用：在受精前，发育已经开始，雌性生殖系统基因的表达产生营养物质和决定因子，转运至卵中，为卵的进一步发育打下基础——分子水平的母爱。在某些物种中，这些来自于母亲的基因产物决定了胚胎发育的基本结构，例如头尾，背腹的确定。称为maternal-effectgenes。dldl++♀X♂Mutationembryoduetomaternaleffectdldl♀♂X++Wide-typeembryodl,dorsalgene是果蝇母系影响基因之一1、母体基因(maternalgene)1)影响前-后极性的基因有bicoid(bcd)(两头尖)的前部群有nanos(nos)(侏儒)的后部群有torso(中段)和caudal的端部群2)影响背腹极性的基因dorsal(dal)和toll经分子杂交bcdmRNA定位于前部经免疫杂交BCD蛋白定位于前部经分子杂交nosmRNA定位于后部经免疫杂交NOS蛋白定位于后部(a)野生型(b)bcd母体效应致死突变型：两端和胸节缺失头沟的位置bcd基因及其产物的条件特化作用

在果蝇早期胚中位置信息建立了背腹轴核梯度和DL蛋白(dosal的产物)的胞质定位。SPZ配体和TOLL受体结合，通过TUB和PLL两种蛋白激活单个的传导级联，使DL磷酸化，并从CACT中释放出，然后能移入核，在核中它作为D－V主要基因的转录因子。CACT(cactus仙人掌)(spaetzle)卵周膜卵周液Dorsalcactus2.分节基因（合子基因）决定体节形成

◆分节基因的突变效应◆裂隙基因(gap

gene)的表达形成4大体节区带◆成对规则基因(pair-rule)的表达形成7对体节条纹◆体节极性基因(segmentpolarity)的表达产生 14个体节条纹 ——体节形成中的遗传层次（genetichierarchy）

母性效应基因和分节基因相互作用决定体轴（A-P，D-V）的形成◆A-P轴前端由bicoidmRNA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◆D-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内的梯度形成，而背部结构的形成则取决于腹部基因蛋白dpp的梯度母性效应基因（maternal-effectgenes）

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，产物储存在卵母细胞中，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。

合子基因（zygoticgenes），又称为分节基因（segmentationgenes）

分节基因在受精后依赖于母性效应蛋白的分布转录。

根据突变分析，分节基因约有60个,可分为三类，即裂隙基因