第七章遺傳與發(fā)育一、概論

發(fā)育遺傳學（developmentalgenetics）碩士物發(fā)育過程中基因及基因相互作用對發(fā)育調控?！舭l(fā)育是生物共同屬性，貫通每個生物體整個生活史。對有性生殖生物而言，則是從受精卵開始到個體正常死亡。其中早期胚胎發(fā)育過程包含受精、卵裂和胚層分化,是發(fā)育關鍵階段,如哺乳類早期發(fā)育過程。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第1頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第2頁◆遺傳控制發(fā)育圖式（pattern），發(fā)育則是基因按嚴格時間和空間次序表示結果，是基因型與環(huán)境因子相互作用轉化為對應表型過程。◆無脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類發(fā)育路徑基本相同，控制發(fā)育基因在進化上是保守，在結構和功效上有很高同源性。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第3頁◆發(fā)育中主要事件包括細胞決定（determination）、細胞分化（differentiation）和細胞間相互作用（cell-cellinteraction）?！舭l(fā)育研究中模式生物作用?！舭l(fā)育研究中慣用突變包含功效突變、條件致死突變和功效取得突變。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第4頁模式生物遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第5頁●基因組等價性（genomeequivalence）——細胞全能性（totipotency）

◆細胞全能性指生物體每個細胞都含有能重復個體全部發(fā)育階段和產生全部細胞類型能力。

植物細胞全能性大于動物細胞。

◆Gurdon爪蟾核移植試驗。

◆第一個哺乳類乳腺細胞核遺傳克隆——Dolly羊。

遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第6頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第7頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第8頁二、果蠅發(fā)育1、概論◆果蠅生活周期從受精卵開始經過5個不一樣階段成體前（pre-adult）發(fā)育,包含胚胎、三個幼蟲期和蛹期。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第9頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第10頁果蠅卵結構含有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區(qū)。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第11頁果蠅受精后3小時胚胎發(fā)育

受精約30min后,受精卵中來自親本配子核融合，形成合子核。

合子核約每10min分裂一次，產生多核細胞，生成合胞體胚盤（syncytialblastoderm）

約10次分裂后（1h30min），產生約512個核，這些核往卵外層遷移。

受精后約2.5h，卵表面進行4次額外核分裂，在后極（posteriorpole）組成極細胞（polecell）成為種系細胞（germcells）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（cellularblastoderm）,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）。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第12頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第13頁早期胚胎發(fā)育各時段切片,熒光處為核DNA遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第14頁成蟲頭、胸、腹部是從幼蟲體節(jié)衍生果蠅胚胎中體節(jié)、分區(qū)和副體節(jié)（parasegments），Ma，Mx和Lb表示將發(fā)育成頭部體節(jié)；T1-T3是胸部體節(jié)；A1-A9為腹部體節(jié)，每個體節(jié)分為前（A）后（P）區(qū)；副體節(jié)代表早期圖式特化遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第15頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第16頁◆果蠅幼蟲成蟲盤和成體結構對照遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第17頁2、果蠅卵極性形成、體節(jié)分化

果蠅卵極性形成、體節(jié)分化是受一系列基因級聯(lián)反應調控。參加果蠅卵極性形成、體節(jié)分化基因有三類：母體效應基因（maternal-effectgenes)、分節(jié)基因(segmentationgenes)、同源異形基因(homeoticgenes)。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第18頁（1）母體效應基因（maternal-effectgenes)

母性效應基因編碼轉錄因子、受體和調整翻譯蛋白，在卵子發(fā)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。

母性效應基因產物梯度起始胚胎發(fā)育,突變研究指出，調整果蠅發(fā)育母性效應基因約40個。如：bicoid,nanos.遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第19頁◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表示產物梯度決定遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第20頁◆A-P軸后端由nanos基因作用決定遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第21頁◆bicoid和nanos基因產物協(xié)同作用生成早期胚胎A-P軸遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第22頁◆D-V軸建成中，腹部結構按背部基因蛋白在核內梯度形成，而背部結構形成則取決于腹部基因蛋白dpp梯度.遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第23頁(2)分節(jié)基因

分節(jié)基因決定體節(jié)形成。主要包含:裂隙基因（gapgene），成對規(guī)則基因（pair-rulegene）,體節(jié)極性基因(segmentpolarity).遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第24頁裂隙基因（gapgene）表示形成體節(jié)遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第25頁成對規(guī)則基因（pair-rulegene）表示使胚胎中段前后軸形成7個區(qū)帶。體節(jié)極性基因(segmentpolarity)表示使胚胎中段前后軸深入形成14個區(qū)帶。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第26頁（3）同源異形基因（homeoticgenes）主要包含觸角足復合體Antennapediacomplex（ANT-C）和雙胸復合體Bithoraxcomplex（BX-C）。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第27頁胚胎體節(jié)劃分確定后，同源異形基因負責確定每個體節(jié)特征結構。若發(fā)生突變，會使一個體節(jié)上長出另一個體節(jié)特征結構，如ANT-C基因突變使觸須變成腿和四翅果蠅。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第28頁同源異形基因結構特點：含有同源異形框。有多個開啟子和轉錄起始點。有多個內含子。同源異形基因之間相互作用。哺乳類中同源異形基因復合體稱為Hox基因簇，與果蠅中同源異形基因有同源性。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第29頁三、線蟲發(fā)育1、秀麗隱桿線蟲（canorhabditiselegans）是研究發(fā)育過程很有用試驗動物。是一個在土壤里生活蠕蟲，體長1mm,身體透明,可試驗室培養(yǎng)。生活周期約2d，包含胚胎期（約16hr），4個幼蟲期L1-L4和成體期。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第30頁成體有兩種性別：雌雄同體（hermaphrodities）為12，XX，產生卵子和精子；雄體為11，XO遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第31頁雌雄同體C.elegans由959個體細胞和約個種系細胞組成C．elegans基因組全序列已測定，由9.7×104kb組成,2n=12。單倍體基因組含有約15000個基因遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第32頁C.elegans胚胎發(fā)育中,最早胚胎分裂是不對稱,第一次有絲分裂產生大AB和小P1子細胞,28細胞期開始原腸形成遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第33頁

P1-P4為接收了種系顆粒（germlinegranules）性細胞系前體細胞。

早期卵裂期間，不對稱分裂產生一個“分化”子細胞,稱為奠基者細胞（foundercells），以AB.MS.E.C和D表示,和一個干細胞（P1-P4細胞系）

深入細胞分裂最終產生雌雄同體959個體細胞。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第34頁2、細胞譜系示意圖（lineagediagram）表明每個體細胞生活史遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第35頁

雌雄同體C.elegans完整細胞譜系遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第36頁◆卵孔（vulva）形成遺傳分析

C.elegans生殖系統(tǒng)遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第37頁細胞經過信號分子來改變其它細胞基因組基因表示活性，來影響靶細胞發(fā)育命運，最終產生細胞結構和功效分化。卵孔決定大致分為三個階段：（1）錨定細胞決定由二齡幼蟲期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(fā)育醫(yī)學知識專家講座第38頁（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形成。

在錨定細胞（anchorcell,AC）中,lin-3被激活,分泌一個與脊椎動物表皮生長因子相關Lin-3蛋白,作為信號分子；前體細胞則表示由let-23基因編碼細胞表面受體Let-23蛋白。Lin-3與Let-23連接，扳動前體細胞p5p,p6p和p7p形成初級卵孔細胞或次級卵孔細胞。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第39頁其中P6.p與AC最近，接收信號最強，P6.p中vul基因被激活，最終分化為初級卵孔細胞。P5.p和P7.p接收信號相對較少，而分化發(fā)育為次級卵孔細胞。（3）真皮細胞形成P3.p,P4.p,P8.p與AC距離遠，沒有接收到信號分子，細胞中muv基因表示，造成發(fā)育為圍繞卵孔真皮細胞.遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第40頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第41頁

初級和次級外陰細胞在Muv或Vul基因作用下特化為外陰或表皮細胞遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第42頁細胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）◆PCD指多細胞生物體一些細胞不再為生物體所需或受到損傷時，會激活受遺傳控制自殺機制而自我毀滅過程。PCD通常采取細胞凋亡（apoptosis）形式◆C.elegansPCD遺傳路徑遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第43頁

C.elegans發(fā)育過程中，細胞死亡數(shù)目是相同，不但如此，死亡發(fā)生時間和死亡細胞類型也是相同。

雌雄同體131個細胞進入PCD最少有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基因表示，細胞存活。Ced-9失活，ced-3和ced-4基因表示，細胞死亡。

遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第44頁

哺乳動物中也發(fā)覺與細胞凋亡相關基因，如nur77，產物為核甾體激素受體家族中一員，其結構特征為一個保守鋅指域。

C.elegansced-9基因與人體癌基因bcl-2同源，同源性為23%。Bcl-2基因能夠置換線蟲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。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第45頁四、性別決定1、果蠅性別決定常染色體和性染色體套數(shù)之比決定性別遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第46頁mRNA剪接方式決定性別

X∶A（autosome）調整性別決定路徑中sxl基因表示∶X∶A＝1,激活sxl表示,進入雌性決定路徑；X∶A＝0.5,sxl不表示，進入雄性決定路徑。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第47頁

sxl基因產物扳動性別決定層次剪接Sxl存在時,tra剪接產生Tra,進入雌性路徑;沒有Sxl時，無功效Tra產生,進入雄性路徑。Tra存在時,dsx剪接產生Dsx-F,發(fā)育成雌性;無Tra時,剪接產生Dsx-M,發(fā)育成雄蠅。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第48頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第49頁果蠅與人性別決定比較遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第50頁2、哺乳動物性別決定◆初級性決定（primarysexdetermination）指性腺決定，取決于性染色體X、Y，雄性為XY，雌性為XX。◆次級性別決定(secondarysexdetermination)即性別分化（sexdifferentiation）指性腺分泌激素決定。遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第51頁遺傳和發(fā)育醫(yī)學知識專家講座第52頁3、Y染色體上睪丸決定基因

◆人Y染色體包含擬常染色質區(qū)（pseudoautosomalregions，PARs），Y非重組區(qū)（non-recombiningregionsoftheY，NRY），SRY（sex-determiningregionsoftheY）等，SRY編碼睪丸決定因子（testis-determiningfactors，TDF）◆人群中發(fā)覺罕見XY，SRY+女性和XX，SRY-男性表明，除了Y染