第七章遺傳與發育一、概論

發育遺傳學（developmentalgenetics）碩士物發育過程中基因及基因相互作用對發育調控?！舭l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。其中早期胚胎發育過程包含受精、卵裂和胚層分化,是發育關鍵階段,如哺乳類早期發育過程。遺傳和發育醫學知識專家講座第1頁遺傳和發育醫學知識專家講座第2頁◆遺傳控制發育圖式（pattern），發育則是基因按嚴格時間和空間次序表示結果，是基因型與環境因子相互作用轉化為對應表型過程?！魺o脊椎動物和脊椎動物，如線蟲、果蠅和人類發育路徑基本相同，控制發育基因在進化上是保守，在結構和功效上有很高同源性。遺傳和發育醫學知識專家講座第3頁◆發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育研究中模式生物作用?！舭l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。遺傳和發育醫學知識專家講座第4頁模式生物遺傳和發育醫學知識專家講座第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。

遺傳和發育醫學知識專家講座第6頁遺傳和發育醫學知識專家講座第7頁遺傳和發育醫學知識專家講座第8頁二、果蠅發育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）發育,包含胚胎、三個幼蟲期和蛹期。遺傳和發育醫學知識專家講座第9頁遺傳和發育醫學知識專家講座第10頁果蠅卵結構含有前（anterior）、后（posterior）、背（dorsal）、腹（ventral）區。遺傳和發育醫學知識專家講座第11頁果蠅受精后3小時胚胎發育

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）。遺傳和發育醫學知識專家講座第12頁遺傳和發育醫學知識專家講座第13頁早期胚胎發育各時段切片,熒光處為核DNA遺傳和發育醫學知識專家講座第14頁成蟲頭、胸、腹部是從幼蟲體節衍生果蠅胚胎中體節、分區和副體節（parasegments），Ma，Mx和Lb表示將發育成頭部體節；T1-T3是胸部體節；A1-A9為腹部體節，每個體節分為前（A）后（P）區；副體節代表早期圖式特化遺傳和發育醫學知識專家講座第15頁遺傳和發育醫學知識專家講座第16頁◆果蠅幼蟲成蟲盤和成體結構對照遺傳和發育醫學知識專家講座第17頁2、果蠅卵極性形成、體節分化

果蠅卵極性形成、體節分化是受一系列基因級聯反應調控。參加果蠅卵極性形成、體節分化基因有三類：母體效應基因（maternal-effectgenes)、分節基因(segmentationgenes)、同源異形基因(homeoticgenes)。遺傳和發育醫學知識專家講座第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育,突變研究指出，調整果蠅發育母性效應基因約40個。如：bicoid,nanos.遺傳和發育醫學知識專家講座第19頁◆A-P軸前端由bicoidmRNA及其表示產物梯度決定遺傳和發育醫學知識專家講座第20頁◆A-P軸后端由nanos基因作用決定遺傳和發育醫學知識專家講座第21頁◆bicoid和nanos基因產物協同作用生成早期胚胎A-P軸遺傳和發育醫學知識專家講座第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.遺傳和發育醫學知識專家講座第23頁(2)分節基因

分節基因決定體節形成。主要包含:裂隙基因（gapgene），成對規則基因（pair-rulegene）,體節極性基因(segmentpolarity).遺傳和發育醫學知識專家講座第24頁裂隙基因（gapgene）表示形成體節遺傳和發育醫學知識專家講座第25頁成對規則基因（pair-rulegene）表示使胚胎中段前后軸形成7個區帶。體節極性基因(segmentpolarity)表示使胚胎中段前后軸深入形成14個區帶。遺傳和發育醫學知識專家講座第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）。遺傳和發育醫學知識專家講座第27頁胚胎體節劃分確定后，同源異形基因負責確定每個體節特征結構。若發生突變，會使一個體節上長出另一個體節特征結構，如ANT-C基因突變使觸須變成腿和四翅果蠅。遺傳和發育醫學知識專家講座第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。遺傳和發育醫學知識專家講座第29頁三、線蟲發育1、秀麗隱桿線蟲（canorhabditiselegans）是研究發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。生活周期約2d，包含胚胎期（約16hr），4個幼蟲期L1-L4和成體期。遺傳和發育醫學知識專家講座第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遺傳和發育醫學知識專家講座第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個基因遺傳和發育醫學知識專家講座第32頁C.elegans胚胎發育中,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育醫學知識專家講座第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。遺傳和發育醫學知識專家講座第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育醫學知識專家講座第35頁

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

C.elegans生殖系統遺傳和發育醫學知識專家講座第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。遺傳和發育醫學知識專家講座第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。遺傳和發育醫學知識專家講座第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，造成發育為圍繞卵孔真皮細胞.遺傳和發育醫學知識專家講座第40頁遺傳和發育醫學知識專家講座第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育醫學知識專家講座第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遺傳路徑遺傳和發育醫學知識專家講座第43頁

C.elegans發育過程中，細胞死亡數目是相同，不但如此，死亡發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。

遺傳和發育醫學知識專家講座第44頁

哺乳動物中也發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。遺傳和發育醫學知識專家講座第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之比決定性別遺傳和發育醫學知識專家講座第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。遺傳和發育醫學知識專家講座第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,發育成雌性;無Tra時,剪接產生Dsx-M,發育成雄蠅。遺傳和發育醫學知識專家講座第48頁遺傳和發育醫學知識專家講座第49頁果蠅與人性別決定比較遺傳和發育醫學知識專家講座第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?！舸渭壭詣e決定(secondarysexdetermination)即性別分化（sexdifferentiation）指性腺分泌激素決定。遺傳和發育醫學知識專家講座第51頁遺傳和發育醫學知識專家講座第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（pseudoautosomalregions，PARs），Y非重組區（non-recombiningregionsoftheY，NRY），SRY（sex-determiningregionsoftheY）等，SRY編碼睪丸決定因子（testis-determiningfactors，TDF）◆人群中發覺罕見XY，SRY+女性和XX，SRY-男性表明，除了Y染