遗传和发育医学知识专家讲座

第七章遗传与发育一、概论

发育遗传学（developmentalgenetics）硕士物发育过程中基因及基因相互作用对发育调控。◆发育是生物共同属性，贯通每个生物体整个生活史。对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程包含受精、卵裂和胚层分化,是发育关键阶段,如哺乳类早期发育过程。遗传和发育医学知识专家讲座第1页遗传和发育医学知识专家讲座第2页◆遗传控制发育图式（pattern），发育则是基因按严格时间和空间次序表示结果，是基因型与环境因子相互作用转化为对应表型过程。◆无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇和人类发育路径基本相同，控制发育基因在进化上是保守，在结构和功效上有很高同源性。遗传和发育医学知识专家讲座第3页◆发育中主要事件包括细胞决定（determination）、细胞分化（differentiation）和细胞间相互作用（cell-cellinteraction）。◆发育研究中模式生物作用。◆发育研究中惯用突变包含功效突变、条件致死突变和功效取得突变。遗传和发育医学知识专家讲座第4页模式生物遗传和发育医学知识专家讲座第5页●基因组等价性（genomeequivalence）——细胞全能性（totipotency）

◆细胞全能性指生物体每个细胞都含有能重复个体全部发育阶段和产生全部细胞类型能力。

植物细胞全能性大于动物细胞。

◆Gurdon爪蟾核移植试验。

◆第一个哺乳类乳腺细胞核遗传克隆——Dolly羊。

遗传和发育医学知识专家讲座第6页遗传和发育医学知识专家讲座第7页遗传和发育医学知识专家讲座第8页二、果蝇发育1、概论◆果蝇生活周期从受精卵开始经过5个不一样阶段成体前（pre-adult）发育,包含胚胎、三个幼虫期和蛹期。遗传和发育医学知识专家讲座第9页遗传和发育医学知识专家讲座第10页果蝇卵结构含有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）区。遗传和发育医学知识专家讲座第11页果蝇受精后3小时胚胎发育

受精约30min后,受精卵中来自亲本配子核融合，形成合子核。

合子核约每10min分裂一次，产生多核细胞，生成合胞体胚盘（syncytialblastoderm）

约10次分裂后（1h30min），产生约512个核，这些核往卵外层迁移。

受精后约2.5h，卵表面进行4次额外核分裂，在后极（posteriorpole）组成极细胞（polecell）成为种系细胞（germcells）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（cellularblastoderm）,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）。遗传和发育医学知识专家讲座第12页遗传和发育医学知识专家讲座第13页早期胚胎发育各时段切片,荧光处为核DNA遗传和发育医学知识专家讲座第14页成虫头、胸、腹部是从幼虫体节衍生果蝇胚胎中体节、分区和副体节（parasegments），Ma，Mx和Lb表示将发育成头部体节；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；副体节代表早期图式特化遗传和发育医学知识专家讲座第15页遗传和发育医学知识专家讲座第16页◆果蝇幼虫成虫盘和成体结构对照遗传和发育医学知识专家讲座第17页2、果蝇卵极性形成、体节分化

果蝇卵极性形成、体节分化是受一系列基因级联反应调控。参加果蝇卵极性形成、体节分化基因有三类：母体效应基因（maternal-effectgenes)、分节基因(segmentationgenes)、同源异形基因(homeoticgenes)。遗传和发育医学知识专家讲座第18页（1）母体效应基因（maternal-effectgenes)

母性效应基因编码转录因子、受体和调整翻译蛋白，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。

母性效应基因产物梯度起始胚胎发育,突变研究指出，调整果蝇发育母性效应基因约40个。如：bicoid,nanos.遗传和发育医学知识专家讲座第19页◆A-P轴前端由bicoidmRNA及其表示产物梯度决定遗传和发育医学知识专家讲座第20页◆A-P轴后端由nanos基因作用决定遗传和发育医学知识专家讲座第21页◆bicoid和nanos基因产物协同作用生成早期胚胎A-P轴遗传和发育医学知识专家讲座第22页◆D-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内梯度形成，而背部结构形成则取决于腹部基因蛋白dpp梯度.遗传和发育医学知识专家讲座第23页(2)分节基因

分节基因决定体节形成。主要包含:裂隙基因（gapgene），成对规则基因（pair-rulegene）,体节极性基因(segmentpolarity).遗传和发育医学知识专家讲座第24页裂隙基因（gapgene）表示形成体节遗传和发育医学知识专家讲座第25页成对规则基因（pair-rulegene）表示使胚胎中段前后轴形成7个区带。体节极性基因(segmentpolarity)表示使胚胎中段前后轴深入形成14个区带。遗传和发育医学知识专家讲座第26页（3）同源异形基因（homeoticgenes）主要包含触角足复合体Antennapediacomplex（ANT-C）和双胸复合体Bithoraxcomplex（BX-C）。遗传和发育医学知识专家讲座第27页胚胎体节划分确定后，同源异形基因负责确定每个体节特征结构。若发生突变，会使一个体节上长出另一个体节特征结构，如ANT-C基因突变使触须变成腿和四翅果蝇。遗传和发育医学知识专家讲座第28页同源异形基因结构特点：含有同源异形框。有多个开启子和转录起始点。有多个内含子。同源异形基因之间相互作用。哺乳类中同源异形基因复合体称为Hox基因簇，与果蝇中同源异形基因有同源性。遗传和发育医学知识专家讲座第29页三、线虫发育1、秀丽隐杆线虫（canorhabditiselegans）是研究发育过程很有用试验动物。是一个在土壤里生活蠕虫，体长1mm,身体透明,可试验室培养。生活周期约2d，包含胚胎期（约16hr），4个幼虫期L1-L4和成体期。遗传和发育医学知识专家讲座第30页成体有两种性别：雌雄同体（hermaphrodities）为12，XX，产生卵子和精子；雄体为11，XO遗传和发育医学知识专家讲座第31页雌雄同体C.elegans由959个体细胞和约个种系细胞组成C．elegans基因组全序列已测定，由9.7×104kb组成,2n=12。单倍体基因组含有约15000个基因遗传和发育医学知识专家讲座第32页C.elegans胚胎发育中,最早胚胎分裂是不对称,第一次有丝分裂产生大AB和小P1子细胞,28细胞期开始原肠形成遗传和发育医学知识专家讲座第33页

P1-P4为接收了种系颗粒（germlinegranules）性细胞系前体细胞。

早期卵裂期间，不对称分裂产生一个“分化”子细胞,称为奠基者细胞（foundercells），以AB.MS.E.C和D表示,和一个干细胞（P1-P4细胞系）

深入细胞分裂最终产生雌雄同体959个体细胞。遗传和发育医学知识专家讲座第34页2、细胞谱系示意图（lineagediagram）表明每个体细胞生活史遗传和发育医学知识专家讲座第35页

雌雄同体C.elegans完整细胞谱系遗传和发育医学知识专家讲座第36页◆卵孔（vulva）形成遗传分析

C.elegans生殖系统遗传和发育医学知识专家讲座第37页细胞经过信号分子来改变其它细胞基因组基因表示活性，来影响靶细胞发育命运，最终产生细胞结构和功效分化。卵孔决定大致分为三个阶段：（1）锚定细胞决定由二龄幼虫期Z1.ppp和Z4.aaa两个细胞相互作用，其中Z1.ppp分化为生殖腺锚定细胞(AC)。此过程中，Lin-12基因起着决定作用。遗传和发育医学知识专家讲座第38页（2）AC与6个Pn.p细胞相互作用确定初级卵孔细胞和次级卵孔细胞形成。

在锚定细胞（anchorcell,AC）中,lin-3被激活,分泌一个与脊椎动物表皮生长因子相关Lin-3蛋白,作为信号分子；前体细胞则表示由let-23基因编码细胞表面受体Let-23蛋白。Lin-3与Let-23连接，扳动前体细胞p5p,p6p和p7p形成初级卵孔细胞或次级卵孔细胞。遗传和发育医学知识专家讲座第39页其中P6.p与AC最近，接收信号最强，P6.p中vul基因被激活，最终分化为初级卵孔细胞。P5.p和P7.p接收信号相对较少，而分化发育为次级卵孔细胞。（3）真皮细胞形成P3.p,P4.p,P8.p与AC距离远，没有接收到信号分子，细胞中muv基因表示，造成发育为围绕卵孔真皮细胞.遗传和发育医学知识专家讲座第40页遗传和发育医学知识专家讲座第41页

初级和次级外阴细胞在Muv或Vul基因作用下特化为外阴或表皮细胞遗传和发育医学知识专家讲座第42页细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）◆PCD指多细胞生物体一些细胞不再为生物体所需或受到损伤时，会激活受遗传控制自杀机制而自我毁灭过程。PCD通常采取细胞凋亡（apoptosis）形式◆C.elegansPCD遗传路径遗传和发育医学知识专家讲座第43页

C.elegans发育过程中，细胞死亡数目是相同，不但如此，死亡发生时间和死亡细胞类型也是相同。

雌雄同体131个细胞进入PCD最少有14个基因起作用，其中ced-9基因为双向开关。ced-9激活，抑制ced-3和ced-4基因表示，细胞存活。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表示，细胞死亡。

遗传和发育医学知识专家讲座第44页

哺乳动物中也发觉与细胞凋亡相关基因，如nur77，产物为核甾体激素受体家族中一员，其结构特征为一个保守锌指域。

C.elegansced-9基因与人体癌基因bcl-2同源，同源性为23%。Bcl-2基因能够置换线虫ced-9基因，将bcl-2基因转入ced-9基因突变型细胞后，可使细胞免于死亡。遗传和发育医学知识专家讲座第45页四、性别决定1、果蝇性别决定常染色体和性染色体套数之比决定性别遗传和发育医学知识专家讲座第46页mRNA剪接方式决定性别

X∶A（autosome）调整性别决定路径中sxl基因表示∶X∶A＝1,激活sxl表示,进入雌性决定路径；X∶A＝0.5,sxl不表示，进入雄性决定路径。遗传和发育医学知识专家讲座第47页

sxl基因产物扳动性别决定层次剪接Sxl存在时,tra剪接产生Tra,进入雌性路径;没有Sxl时，无功效Tra产生,进入雄性路径。Tra存在时,dsx剪接产生Dsx-F,发育成雌性;无Tra时,剪接产生Dsx-M,发育成雄蝇。遗传和发育医学知识专家讲座第48页遗传和发育医学知识专家讲座第49页果蝇与人性别决定比较遗传和发育医学知识专家讲座第50页2、哺乳动物性别决定◆初级性决定（primarysexdetermination）指性腺决定，取决于性染色体X、Y，雄性为XY，雌性为XX。◆次级性别决定(secondarysexdetermination)即性别分化（sexdifferentiation）指性腺分泌激素决定。遗传和发育医学知识专家讲座第51页遗传和发育医学知识专家讲座第52页3、Y染色体上睾丸决定基因

◆人Y染色体包含拟常染色质区（pseudoautosomalregions，PARs），Y非重组区（non-recombiningregionsoftheY，NRY），SRY（sex-determiningregionsoftheY）等，SRY编码睾丸决定因子（testis-determiningfactors，TDF）◆人群中发觉罕见XY，SRY+女性和XX，SRY-男性表明，除了Y染