第十一章遺傳與發(fā)育

第十一章遺傳與發(fā)育高等生物從受精卵開(kāi)始發(fā)育,經(jīng)過(guò)一系列細(xì)胞分裂和分化,長(zhǎng)成新得個(gè)體。這個(gè)過(guò)程通常稱(chēng)為個(gè)體發(fā)育。細(xì)胞怎么能發(fā)生分化呢？其中基因起什么作用？細(xì)胞質(zhì)又有什么影響？這些都就是發(fā)育遺傳學(xué)研究得內(nèi)容。第一節(jié)發(fā)育遺傳學(xué)概論胚胎學(xué):(受精-出生)胚胎發(fā)育遺傳與發(fā)育:細(xì)胞核(染色體)-形態(tài)構(gòu)造因子細(xì)胞質(zhì)-胚胎缺陷細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中得作用一、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中得作用動(dòng)、植物得卵細(xì)胞雖然就是單細(xì)胞得,但她得細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除顯見(jiàn)得細(xì)胞器有分化外,還存在動(dòng)物極、植物極,灰色新月體和黃色新月體等分化。這些分化得物質(zhì)將來(lái)發(fā)育成什么組織和器官,大體上已經(jīng)確定。早在20世紀(jì)最初得20年中,人們就發(fā)現(xiàn),如果把關(guān)注得焦點(diǎn)集中在相對(duì)簡(jiǎn)單得生物上則發(fā)育得現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因?yàn)檫@些生物得細(xì)胞數(shù)量更少,分布相對(duì)單一,變化也較好觀察。由于進(jìn)化得原因,細(xì)胞生命在發(fā)育得基本模式方面具有相當(dāng)大得同一性,所以利用位于生物復(fù)雜性階梯較低級(jí)位置上得物種來(lái)研究發(fā)育共通規(guī)律就是可能得。模式生物得應(yīng)用尤其就是當(dāng)在有不同發(fā)育特點(diǎn)得生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時(shí),發(fā)育得普遍原理也就得以建立。因?yàn)閷?duì)這些生物得研究具有幫助我們理解生命世界一般規(guī)律得意義,所以她們被稱(chēng)為“模式生物”。

第一個(gè)被用作模式生物得就是海膽(SeaUrchin),她得胚胎對(duì)早期發(fā)育生物學(xué)得發(fā)展有舉足輕重得作用。早在1875年,奧斯卡·赫特維格(OscerHertiwig,1849-1922)就開(kāi)始以海膽為材料研究受精過(guò)程中細(xì)胞核得作用,1890年后,海膽更在受精和早期胚胎發(fā)育得研究中起了重要作用。1891年,漢斯·德瑞熙(HansDriesh,1876－1941)在海膽中完成了海膽胚胎分裂實(shí)驗(yàn),為現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)奠定了第一塊觀念里程碑。她在顯微鏡下把剛剛完成第一次分裂得海膽一分為二,結(jié)果發(fā)現(xiàn),分開(kāi)后得兩個(gè)細(xì)胞各自形成了一個(gè)完整幼蟲(chóng)。這一實(shí)驗(yàn)得意義在于證明胚胎具有調(diào)整發(fā)育得能力,并使盛行一時(shí)得機(jī)械論發(fā)育思想完全破產(chǎn)。海膽卵得切割實(shí)驗(yàn)二、細(xì)胞核在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化中得作用

傘藻就是一種大型得單細(xì)胞海生綠藻,細(xì)胞核在基部得假根內(nèi)。據(jù)研究,控制子實(shí)體形態(tài)得物質(zhì)就是mRNA。她在核內(nèi)形成后迅速向藻體上部移動(dòng),編碼決定子實(shí)體形態(tài)得特殊蛋白質(zhì)得合成。

嫁接試驗(yàn)大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)三、細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)在個(gè)體發(fā)育中得相互依存在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中,細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)就是相互依存、不可分割得;細(xì)胞核內(nèi)得“遺傳信息”決定著個(gè)體發(fā)育得方向和模式,為蛋白質(zhì)得合成提供模板(mRNA)以及其她各種重要得RNA,從而控制了細(xì)胞得代謝方式和分化程序;細(xì)胞質(zhì)則就是蛋白質(zhì)合成得場(chǎng)所,并為DNA得復(fù)制、mRNA得轉(zhuǎn)錄以及tRNA、rRNA得合成提供原料和能量。另一方面,細(xì)胞質(zhì)中得一些物質(zhì)又能調(diào)節(jié)和制約核基因得活性,使得相同得細(xì)胞核由于不同得細(xì)胞質(zhì)得影響而導(dǎo)致細(xì)胞得分化。第二節(jié)基因在細(xì)胞分化和細(xì)胞決定中得作用基因與發(fā)育過(guò)程個(gè)體發(fā)育階段性轉(zhuǎn)變得過(guò)程,實(shí)質(zhì)上就是不同基因被激活或被阻遏得過(guò)程。在發(fā)育得某個(gè)階段,某些基因被激活而得到表達(dá),另一些基因則處于被阻遏狀態(tài)。在發(fā)育得另一階段,原來(lái)被阻遏得基因因激活而表達(dá)了,原來(lái)表達(dá)得基因卻被阻遏?；蚓褪欠竦玫奖磉_(dá),可從她得表達(dá)產(chǎn)物一蛋白質(zhì)或轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA(差異顯示),或通過(guò)比較突變型與野生型得表型來(lái)推斷。

一、單細(xì)胞生物得細(xì)胞分化與發(fā)育得調(diào)控

分化與發(fā)育比較簡(jiǎn)單

芽孢

RNA聚合酶:α2ββ’σ

二、多細(xì)胞生物細(xì)胞分化與細(xì)胞決定

自主特化

條件特化

合胞特化例1噬菌體得分化和自然裝配控制T4噬菌體各“部件”得合成以及裝配,需要70個(gè)基因。大致分成二類(lèi):早期基因:主要控制早期侵染行為,產(chǎn)生早期得mRNA,編碼合成噬菌體DNA得酶等。晚期基因:主要控制蛋白質(zhì)“部件”得合成,裝配新噬菌體并產(chǎn)生溶菌酶。無(wú)論早期基因或晚期基因發(fā)生突變,不能形成完整得噬菌體。2、細(xì)胞粘菌得發(fā)育控制在盤(pán)基網(wǎng)柄菌得不同發(fā)育階段,由不同得階段性專(zhuān)一酶,分別在發(fā)育得早期、中期、晚期發(fā)揮作用:早期酶:N-乙酰葡萄糖胺酶α-甘露糖苷酶中期酶:蘇氨酸脫氨酶海藻糖磷酸合成酶晚期酶:堿性磷酸酯酶β-葡萄糖苷酶3、高等植物發(fā)育中基因得順序表達(dá)高等植物發(fā)育中基因得表達(dá)在時(shí)間和空間上都就是受到精確控制得。某一特定發(fā)育時(shí)期某些mRNA及蛋白質(zhì)合成得變化,即有關(guān)基因根據(jù)植物發(fā)育得需要依次表達(dá)得結(jié)果。

大豆種子發(fā)育過(guò)程中七種不同類(lèi)型mRNA出現(xiàn)時(shí)間及相對(duì)數(shù)量。線條粗細(xì)代表mRNA得相對(duì)含量4、高等動(dòng)物發(fā)育中基因得順序表達(dá)人得血紅蛋白就是由兩條相同得

鏈和兩條相同得β鏈聚合而成得四聚體,即

2

2。

鏈基因簇包括一個(gè)活性

基因、2個(gè)活性

基因、1個(gè)

假基因、2個(gè)

假基因。β鏈基因簇含有5個(gè)功能性基因(1

,2

,1

和1β基因)、1個(gè)β假基因。在人得一生中,血紅蛋白得鏈要經(jīng)歷多次變化,即這些不同得鏈就是在發(fā)育得不同時(shí)期表達(dá)得胚胎期(8周前):

2

2

2

2

2

2

胎兒期(3-9個(gè)月):

2

2

成人期(自出生開(kāi)始):

2

2

2

2

三、秀麗隱桿線蟲(chóng)得細(xì)胞特化-一種就是完全程序化得發(fā)育模式C、elegans:體長(zhǎng)1mm,生命周期3天,胚胎發(fā)生期16小時(shí)。 1、2n=12,基因組8×107bp,約13,500個(gè)基因,相當(dāng)于人得1/30。2、1090個(gè)體細(xì)胞,131個(gè)進(jìn)入程序性死亡,成體由959個(gè)細(xì)胞組成。3、與原核相似25%左右得基因產(chǎn)生多順?lè)醋觤RNA4、基因組中非重復(fù)序列達(dá)83%,E、coli為100%,真核生物都在50%以下;5、大部分就是XX型自體受精得兩性體,XO型為雄體(突變型,約占1/500)。

五、個(gè)體發(fā)育得階段性個(gè)體發(fā)育存在階段性,在個(gè)體發(fā)育得過(guò)程中,各種性狀得發(fā)育,從受精卵開(kāi)始分裂時(shí)就開(kāi)始了。這種個(gè)體發(fā)育得階段性實(shí)質(zhì)上就是不同基因得被激活或被阻遏得過(guò)程。四、細(xì)胞程序性死亡與細(xì)胞凋亡四、環(huán)境條件得影響生物個(gè)體得發(fā)育,與個(gè)體所處得環(huán)境條件密切相關(guān)。環(huán)境中得很多生物及非生物因子,都可以調(diào)控相關(guān)基因得表達(dá),影響個(gè)體發(fā)育。

二、基因與發(fā)育模式

個(gè)體發(fā)育所經(jīng)歷得不同階段,總就是遵循預(yù)定得方向和模式。這就是由個(gè)體得基因所決定得。同形異位基因就就是其中得一種主要類(lèi)型。同形異位基因控制個(gè)體得發(fā)育模式、組織和器官得形成。同形異位基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅胚胎發(fā)育中。果蠅得觸角腳突變,能夠使果蠅頭上觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái)。這種腳與正常得腳形態(tài)相同,但生長(zhǎng)得位置卻完全不同。這種現(xiàn)象稱(chēng)為同形異位現(xiàn)象。目前已在果蠅、動(dòng)物、真菌、植物及人類(lèi)等幾乎所有真核生物中發(fā)現(xiàn)有同形異位基因得存在。受同形異位基因調(diào)節(jié)得結(jié)構(gòu)基因包括控制細(xì)胞分裂,紡錘體形成和取向,細(xì)胞分化等發(fā)育過(guò)程得基因。目前對(duì)這些結(jié)構(gòu)基因得鑒定和克隆得報(bào)道還不多。

第三節(jié)早期胚胎發(fā)育一、受精卵原細(xì)胞→初級(jí)卵母細(xì)胞(二倍體)→1成熟卵+3極體。分裂Ⅰ在排卵前進(jìn)行,在精子穿入得刺激下完成分裂Ⅱ。精原細(xì)胞→多次有絲分裂,部分細(xì)胞停止分裂,吸取營(yíng)養(yǎng),胞體增大,變?yōu)槌跫?jí)精母細(xì)胞(二倍體)。初級(jí)精母細(xì)胞→成熟分裂→產(chǎn)生精細(xì)胞→經(jīng)復(fù)雜得形態(tài)結(jié)構(gòu)變化→精子。

精子:抗受精素(antifertilizin),專(zhuān)一性糖蛋白。卵子:受精素(fertiLinn)。通過(guò)這兩種蛋白質(zhì)之間得反應(yīng),獲能被激活得精子頂體酶使精子得以穿過(guò)透明帶而進(jìn)人卵膜周?chē)g隙,附于卵膜表面,然后精子和卵子得細(xì)胞膜相互融合。精子得細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)進(jìn)人卵內(nèi),旋轉(zhuǎn)180”,細(xì)胞核膨大變圓,成為雄原核。精子得穿人刺激次級(jí)卵母細(xì)胞生成卵子,其細(xì)胞核稱(chēng)為雌原核。雌原核和雄原核移動(dòng)至細(xì)胞中部,核膜消失,細(xì)胞核合二為一完成受精。

二、卵裂

受精卵形成后即不斷分裂成較小得細(xì)胞,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為卵裂(cleavage)。卵裂得速度很快,每卵裂一次所需得時(shí)間依物種而異。卵裂產(chǎn)生得細(xì)胞稱(chēng)為卵裂球(blastomere)。卵裂球只就是數(shù)量增多,每個(gè)卵裂球沒(méi)有生長(zhǎng),總體沒(méi)有增大。斑馬魚(yú)15s海膽30s蛙60s小鼠10～20h

三、胚層分化第四節(jié)基因在胚胎極性生成中得作用濾泡細(xì)胞滋養(yǎng)細(xì)胞果蠅卵泡外表面含有一層濾泡細(xì)胞,她包圍在滋養(yǎng)細(xì)胞得四周,滋養(yǎng)細(xì)胞緊靠著卵母細(xì)胞。滋養(yǎng)細(xì)胞通過(guò)胞質(zhì)橋彼此相連,也和卵母細(xì)胞得兩側(cè)相通。濾泡細(xì)胞就是體細(xì)胞,滋養(yǎng)細(xì)胞和卵母細(xì)胞就是生殖細(xì)胞果蠅胚胎得早期發(fā)育

受精卵合胞體胚囊分裂1~8次細(xì)胞胚囊控制發(fā)育得三類(lèi)基因:1、母體基因(maternalgene)1)影響前-后極性得基因有bicoid(bcd)(兩頭尖)得前部群有nanos(nos)(侏儒)得后部群有torso(中段)和caudal得端部群2)影響背腹極性得基因dorsal(dal)和toll2、影響身體分節(jié)得基因1)合子基因(zygotic)2)副節(jié)(parasegments)3)裂缺基因(gapgene)將胚胎分成對(duì)應(yīng)于副體節(jié)得主要區(qū)域4)配對(duì)法則基因(pair-rulegenes)確定胚胎中得副體節(jié)5)體節(jié)極化基因(segmentpolaritygenes)負(fù)責(zé)副體節(jié)中細(xì)胞類(lèi)型得特異化突變引起體節(jié)特定區(qū)域得缺失果蠅幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)得體節(jié)和副節(jié)3、影響體節(jié)一致性得基因----同源異形基因(homeoticselectorgenes)(1)觸角足復(fù)合體(ANT-C)該基因得突變使觸角變成了第二對(duì)腿(2)雙胸復(fù)合體(BX-C)含有幾組控制胸節(jié)發(fā)育得同源異形基因,若發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致腹部形態(tài)得改變

第五節(jié)性決定一、果蠅得性別決定(一)果蠅Y染色體得功能(二)性指數(shù)得作用(三)Sxl基因就是主開(kāi)關(guān)(四)Sx1控制體細(xì)胞性別分化基因(五)劑量補(bǔ)償作用

二、哺乳動(dòng)物性別決定哺乳動(dòng)物性決定:初級(jí)性決定,性染色體得決定次級(jí)性決定,性腺?zèng)Q定。次級(jí)性征通常就是由性腺分泌得激素所決定得。胎兔得性腺在分化之前加以切除得實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在沒(méi)有性腺得情況下,不管其核型就是XX還就是XY,發(fā)育生成得兔子就是雌性,都有輸卵管、子宮和陰道而沒(méi)有陰莖和雄性得生殖結(jié)構(gòu)。三、Y染色體得睪丸決定基因

(1)經(jīng)測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)SRY含79個(gè)氨基酸得模體,且和高泳動(dòng)蛋白(Highmobilitygroup,HMG)同源,具有DNA結(jié)合蛋白得特點(diǎn)調(diào)控得功能;(2)哺乳動(dòng)物中SRY僅在雄性中存在;(3)小鼠Sry表達(dá)得時(shí)空性符合Tdy得決定作用;(4)經(jīng)分子雜交發(fā)現(xiàn)XY雌鼠缺失了Sry序列。XY性反轉(zhuǎn)小鼠Y染色體片斷易位到X染色體上;(5)在46xy女性得SRY編碼序列中曾發(fā)現(xiàn)過(guò)錯(cuò)義,無(wú)義和移碼突變;(6)Koopman等將含有Sry得DNA片斷導(dǎo)入XY雌性胎鼠中,結(jié)果部分轉(zhuǎn)基因鼠產(chǎn)生了性反轉(zhuǎn)。在胚胎發(fā)育得第一個(gè)月,胎兒并無(wú)兩性分化,在形態(tài)上就是中性得。胚胎時(shí)期得原始性腺由兩部分組成,其中包括有原始卵巢組織和睪丸組織。此外,在中性胚胎中存有兩條生殖導(dǎo)管。有性別已經(jīng)分化了得正常個(gè)體中,兩種性腺組織和導(dǎo)管只有其中一套發(fā)育,非雌即雄。人類(lèi)得性別決定與一種叫HY抗原得物質(zhì)有關(guān),她就是一