[农学]第06章 基因与发育.ppt

一、发育遗传学 什么是发育？ 细胞的分化 细胞凋亡 生物形态的建成 性别分化与繁殖 1、什么是发育 从生物学角度来说，发育是生物的细胞分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一系列过程 从遗传学角度来说，发育是基因按照特定的时间、空间程序表达的过程 研究基因对发育的调控作用的学科就是发育遗传学(Developmental Genetics) 2、发育遗传学的研究特点 ①发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史 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括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键的阶段, 如哺乳类的早期发育过程 发育遗传学的研究特点 ②发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式(pattern)，发育则是基因按严格的时间和空间顺序表达的结果，是基因型与环境因子相互作用转化为相应表型的过程 发育遗传学的研究特点 ③发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果蝇和人类的发育途径基本相同，控制发育的基因在进化上是保守的，在结构和功能上有很高的同源性 ④发育中基因之间的作用 生物发育过程中的基因与基因的相互作用执行了对发育进程的调控 个体发育的生物学功能 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长 生命的延续性功能 性别分化 繁殖 二、细胞定向(commitment)和细胞分化 决定(determination): 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了这些细胞的分化命运 例如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经定位，并确定了特定细胞的形态建成等命运 特化(specification)： 细胞或组织按照已经被决定的命运自主地进行分化，形成特异性组织或细胞的过程 例如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成特定的组织，形成体节，器官等不同形态 细胞分化的基因作用 基因的等价性genome equivalence 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具有相同表达的能力 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的能力；植物的细胞全能性大于动物细胞 例如： Gurdon的爪蟾核移植实验 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆——Dolly羊 双重开关binary switch ◆ 双重开关binary switch：在不同发育途径的决定点上，起核心作用的基因具有多向分化功能 例如： 无脊椎动物和脊椎动物中控制肌肉细胞的决 定和分化的 myo-D基因家族 无脊椎动物和脊椎动物中的眼形成基因 无眼/小眼基因 例如：控制肌肉细胞的决定和分化的myo-D基因家族 脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和氨基酸序列相似，进化上高度保守 myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基酸组成，其中含有HLH域 myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达，是决定的开关基因→myo-D与myf5共同作用维持成肌细胞的一致性→所有4种因子协同作用起始肌肉细胞的分化→myogenin维持分化的成体表型 例如：眼形成的主调控基因：无眼(eyeless)/小眼(small eye)基因 ◇1995年Walter Gehring及其同事建立了果蝇的无眼基因和小鼠的小眼Small/pax6基因额外拷贝的转基因果蝇，实现了这两个基因的异位表达(ectopic expression) ◇无眼基因异位表达的结果在转基因果蝇的腿上长出了完整的果蝇复眼 ◇小鼠Small/pax6在转基因果蝇中的表达，证明了无脊椎和脊椎动物的眼形成基因在分子水平上是同源的 1、单细胞生物 ↗芽孢 革兰氏阳性杆菌 ↓ ↘营养细胞 RNA聚合酶的结构是α2ββ′σ 2、多细胞生物 (1)自主特化(autonomous specification) 这是大部分无脊椎动物的特性 合子卵裂产生的子细胞获得了合子细胞质的不同部分，从而使不同的子细胞有不同的发育命运，这是由该细胞的细胞质成分决定的，而与其四周的细胞无关 (2)条件特化(conditional specification) 这是所有脊椎动物和少数无脊椎动物的特性 是通过与周围细胞的相互作用来决定分化的命运；这种特化途径取决于细胞在胚胎中所处的位置 (3)合胞特化(syncytial specification) 这是大部分昆虫纲的无脊椎动物的特性 在合胞体胚层生成细胞膜分隔细胞核之前，由母体细胞质相互作用所决定，即细胞的命运是在形