1、遺傳和發育主題醫學知識課件 遺傳控制發育的圖式（pattern），發育則是基因按嚴格的時間和空間順序表達的結果，是基因型與環境因子相互作用轉化為相應表型的過程。 無脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類的發育途徑基本相同，控制發育的基因在進化上是保守的，在結構和功能上有很高的同源性。 遺傳控制發育的圖式（pattern），發育則是基因按嚴格 發育中的主要的事件涉及細胞決定（determination）、細胞分化（differentiation）和細胞間的相互作用（cell-cell interaction）。 發育研究中模式生物的作用。 發育研究中常用的突變包括功能突變、條件致死突變和功能獲得

2、突變。 發育中的主要的事件涉及細胞決定（determinatio模式生物模式生物 基因組的等價性（genome equivalence）細胞的全能性（totipotency） 細胞的全能性指生物體的每個細胞都具有能重復個體的全部發育階段和產生所有細胞類型的能力。植物的細胞全能性大于動物細胞。 Gurdon的爪蟾核移植實驗。 第一個哺乳類乳腺細胞核的遺傳克隆Dolly羊。 基因組的等價性（genome equivalence）遺傳和發育主題醫學知識課件遺傳和發育主題醫學知識課件二、果蠅的發育1、概論 果蠅的生活周期從受精卵開始經過5個不同階段的成體前（pre-adult）發育, 包括胚胎、三個幼

3、蟲期和蛹期。二、果蠅的發育遺傳和發育主題醫學知識課件果蠅卵的結構具有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區。果蠅卵的結構果蠅受精后3小時的胚胎發育 受精約30min后,受精卵中來自親本配子的核融合，形成合子核。 合子核約每10 min分裂一次，產生多核細胞，生成合胞體胚盤（syncytial blastoderm） 約10次分裂后（1h 30 min），產生約512個核，這些核往卵的外層遷移。 受精后約2.5h，卵的表面進行4次額外的核分裂，在后極（posterior pole）組成的極細胞（pole cell）成為種系細胞（germ ce

4、lls）的前體。 約3h后，核包裹在膜中，在胚胎表面形成單層細胞細胞胚盤（cellular blastoderm）,約6000個體細胞。 約第12次分裂周期，細胞開始遷移，胚盤進入原腸胚生成（gastralation）期，并分化出外胚層（ectoderm）、中胚層（mesoderm）和內胚層（endoderm）。果蠅受精后3小時的胚胎發育遺傳和發育主題醫學知識課件早期胚胎發育各時段的切片, 熒光處為核DNA早期胚胎發育各時段的切片, 熒光處為核DNA成蟲的頭、胸、腹部是從幼蟲的體節衍生的 果蠅胚胎中的體節、分區和副體節（parasegments），Ma，Mx和Lb表示將發育成頭部的體節；T1-

5、T3是胸部體節；A1-A9為腹部體節，每個體節分為前（A）后（P）區；副體節代表早期的圖式特化成蟲的頭、胸、腹部是從幼蟲的體節衍生的 果蠅胚胎遺傳和發育主題醫學知識課件 果蠅幼蟲的成蟲盤和成體結構對照 果蠅幼蟲的成蟲盤和成體結構對照2、果蠅卵的極性形成、體節的分化 果蠅卵的極性形成、體節的分化是受一系列基因級聯反應調控的。 參與果蠅卵的極性形成、體節的分化的基因有三類：母體效應基因（maternal-effect genes)、 分節基因(segmentation genes)、同源異形基因 (homeotic genes)。2、果蠅卵的極性形成、體節的分化（1）母體效應基因（maternal

6、-effect genes) 母性效應基因編碼轉錄因子、受體和調節翻譯的蛋白，在卵子發生（oogenesis）中轉錄，產物儲存在卵母細胞中，沿前-后軸呈梯度（gradient）分布。 母性效應基因產物的梯度起始胚胎發育,突變研究指出，調節果蠅發育的母性效應基因約40個。如：bicoid, nanos.（1）母體效應基因（maternal-effect gene A-P軸前端由bicoid mRNA及其表達產物的梯度決定 A-P軸前端由bicoid mRNA及其表達產物的梯度決 A-P軸的后端由nanos基因的作用決定 A-P軸的后端由nanos基因的作用決定 bicoid和nanos基因產物的

7、協同作用生成早期胚胎A-P軸 bicoid和nanos基因產物的協同作用生成早期胚胎A D-V軸建成中，腹部結構按背部基因蛋白在核內的梯度形成，而背部結構的形成則取決于腹部基因蛋白dpp的梯度. D-V軸建成中，腹部結構按背部基因蛋白在核內的梯度形成，(2) 分節基因 分節基因決定體節的形成。主要包括:裂隙基因（gap gene），成對規則基因（pair-rule gene）,體節極性基因(segment polarity).(2) 分節基因裂隙基因（gap gene）的表達形成體節裂隙基因（gap gene）的表達形成體節 成對規則基因（pair-rule gene）的表達使胚胎中段前后軸形

8、成7個區帶。 體節極性基因(segment polarity)的表達使胚胎中段前后軸進一步形成14個區帶。 成對規則基因（pair-rule gene）（3）同源異形基因（homeotic genes） 主要包括觸角足復合體 Antennapedia complex（ANT-C）和 雙胸復合體 Bithorax complex（BX-C）。（3）同源異形基因（homeotic genes） 胚胎體節的劃分確定后，同源異形基因負責確定每個體節的特征結構。若發生突變，會使一個體節上長出另一個體節的特征結構，如ANT-C基因的突變使觸須變成腿和四翅果蠅。 胚胎體節的劃分確定后，同源異形基因負責確定每

9、 同源異形基因的結構特點：具有同源異形框。有多個啟動子和轉錄起始點。有多個內含子。同源異形基因之間的相互作用。 哺乳類中的同源異形基因復合體稱為Hox基因簇，與果蠅中的同源異形基因有同源性。 同源異形基因的結構特點： 三、線蟲的發育1、秀麗隱桿線蟲（canorhabditis elegans）是研究發育過程很有用的實驗動物。是一種在土壤里生活的蠕蟲，體長1mm,身體透明,可實驗室培養。生活周期約2d，包括胚胎期（約16hr），4個幼蟲期L1-L4和成體期。三、線蟲的發育成體有兩種性別：雌雄同體（hermaphrodities） 為12，XX，產生卵子和精子；雄體為11，XO成體有兩種性別：雌雄

10、同體（hermaphrodities） 雌雄同體的C.elegans由959個體細胞和約2000個種系細胞組成 Celegans基因組全序列已測定，由9.7104kb組成,2n=12。單倍體基因組含有約15000個基因 雌雄同體的C.elegans由959個體細胞和約2000個C.elegans的胚胎發育中, 最早的胚胎分裂是不對稱的, 第一次有絲分裂產生大的AB和小的P1子細胞,28細胞期開始原腸形成C.elegans的胚胎發育中, 最早的胚胎分裂是不對稱的, P1-P4為接受了種系顆粒（germ line granules）的性細胞系的前體細胞。 早期卵裂期間，不對稱分裂產生一個“分化的”

11、子細胞,稱為奠基者細胞（founder cells），以AB.MS.E.C和D表示,和一個干細胞（P1-P4細胞系） 進一步的細胞分裂最終產生雌雄同體的959個體細胞。 P1-P4為接受了種系顆粒（germ line gran2、細胞譜系示意圖（lineage diagram）表明每個體細胞的生活史2、細胞譜系示意圖（lineage diagram）表明每個 雌雄同體的C.elegans的完整的細胞譜系 雌雄同體的C.elegans的完整的細胞譜系 卵孔（vulva）形成的遺傳分析 C.elegans的生殖系統 卵孔（vulva）形成的遺傳分析 細胞通過信號分子來改變其它細胞基因組 基因的表達

12、活性，來影響靶細胞的發育命運，最終產生細胞結構和功能的分化。 卵孔的決定大致分為三個階段：（1）錨定細胞的決定 由二齡幼蟲期Z1.ppp和Z4.aaa兩個細胞相互作用，其中Z1.ppp分化為生殖腺錨定細胞 (AC)。此過程中，Lin-12基因起著決定作用。遺傳和發育主題醫學知識課件（2）AC與6個Pn.p細胞相互作用確定初級卵孔細胞和次級卵孔細胞的形成。 在錨定細胞（anchor cell,AC ）中,lin-3被激活, 分泌一種與脊椎動物的表皮生長因子相關的Lin-3蛋白, 作為信號分子；前體細胞則表達由let-23基因編碼的細胞表面受體Let-23蛋白。Lin-3與Let-23連接，扳動前

13、體細胞p5p,p6p和p7p形成初級卵孔細胞或次級卵孔細胞。（2）AC與6個Pn.p細胞相互作用確定初級卵孔細胞和次級卵 其中P6.p與AC最近，接受的信號最強， P6.p 中的vul基因被激活，最終分化為初級卵孔細胞。P5.p和P7.p接受信號相對較少，而分化發育為次級卵孔細胞。（3）真皮細胞的形成 P3.p,P4.p,P8.p與AC距離遠，沒有接受到信號分子，細胞中muv基因表達，導致發育為環繞卵孔的真皮細胞. 其中P6.p與AC最近，接受的信號最強， P6.p遺傳和發育主題醫學知識課件 初級和次級外陰細胞在Muv或Vul基因的作用下特化為外陰或表皮細胞 初級和次級外陰細胞在Muv或Vul

14、基因的作用下特化為外陰細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD） PCD指多細胞生物體的一些細胞不再為生物體所需或受到損傷時，會激活受遺傳控制的自殺機制而自我毀滅的過程。PCD通常采取細胞凋亡（apoptosis）的形式 C.elegans的PCD遺傳途徑細胞程序性死亡（programmed cell death， C.elegans發育過程中，細胞死亡的數目是相同的，不僅如此，死亡發生的時間和死亡的細胞類型也是相同的。 雌雄同體的131個細胞進入PCD至少有14個基因起作用，其中ced-9基因為雙向開關。ced-9激活，抑制ced-3和ced-4基因的表達，細胞存活

15、。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表達，細胞死亡。 C.elegans發育過程中，細胞死亡的數目 哺乳動物中也發現與細胞凋亡有關的基因，如nur77，產物為核甾體激素受體家族中的一員，其結構特征為一個保守的鋅指域。 C.elegans ced-9基因與人體癌基因bcl-2同源，同源性為23%。Bcl-2基因可以置換線蟲的ced-9基因，將bcl-2基因轉入ced-9基因突變型細胞后，可使細胞免于死亡。 哺乳動物中也發現與細胞凋亡有關的基因，如nur四、性別決定1、果蠅的性別決定常染色體和性染色體套數之比決定性別四、性別決定 mRNA的剪接方式決定性別 XA（autosome）調節性別

16、決定途徑中sxl基因的表達XA1,激活sxl的表達,進入雌性決定途徑；XA0.5,sxl不表達，進入雄性決定途徑。 mRNA的剪接方式決定性別 sxl基因產物扳動性別決定的層次剪接 Sxl存在時,tra剪接產生Tra, 進入雌性途徑; 沒有Sxl時，無功能的Tra產生, 進入雄性途徑。 Tra存在時,dsx剪接產生Dsx-F, 發育成雌性; 無Tra時, 剪接產生Dsx-M, 發育成雄蠅。 sxl基因產物扳動性別決定的層次剪接遺傳和發育主題醫學知識課件果蠅與人性別決定的比較果蠅與人性別決定的比較2、哺乳動物的性別決定 初級性決定（primary sex determination）指性腺的決定

17、，取決于性染色體X、Y，雄性為XY，雌性為XX。 次級性別決定(secondary sex determination)即性別分化（sex differentiation）指性腺分泌的激素決定。2、哺乳動物的性別決定遺傳和發育主題醫學知識課件3、Y染色體上的睪丸決定基因 人的Y染色體包括擬常染色質區（pseudoautosomal regions，PARs），Y的非重組區（non-recombining regions of the Y，NRY），SRY（sex-determining regions of the Y）等，SRY編碼睪丸決定因子（testis-determining factors，TDF） 人群中發現的罕見的XY，SRY+的女性和XX，SRY-的男性表明，除了Y染色體上的睪丸基因外，還有常染色體基因參與性別決定。如推測的Z基因，其