第六章 基因与发育
性别决定 个体发育 ----基因按时空顺序表达的结果
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
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)
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
• 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
—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
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—
本该死亡的细胞不死亡，导致癌的形成或 自身免疫性疾病
本该不进入死亡程序的细胞发生死亡，引 起中风或老年性痴呆等疾病
细胞病理性死亡
(如:机械损伤,化学毒品)
细胞肿胀 细胞内容物泄漏 并导致炎症
细胞凋亡的特征
•细胞收缩 •线粒体破裂, 并释放细胞色素C •细胞核中的染色质降解 •通常隐藏在细胞膜中的磷脂酰丝氨酸暴露到 表面 •细胞碎片被周围细胞吸收 •吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生
例如：眼形成的主调控基因：无眼 (eyelGehring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)
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
◇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
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
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
•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
• (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 细胞的命运是在形成细胞之前就已被定 向了
秀丽新小杆线虫
• Caenorhabditis elegans • 生活在土壤中的蠕虫，1mm，透明，胚
胎期16h，一个世代3d • 雄性： • 雌雄同体：产精子很少，自体受精，异
体受精(很少) • 蛋白质基因19141个，tRNA基因877个，
体细胞1090个
细胞编程性死亡(programmed cell death, PCD)
多细胞生物的一些细胞在发育中不再 为生物体所需或受到损伤时，会激活遗 传控制的自杀机制死亡；这种自我毁灭 的死亡称为细胞编程性死亡
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
细胞凋亡(apoptosis)是编程性死亡的一 种方式，生理性死亡
细胞坏死：病理性死亡
• 细胞编程性死亡(programmmed cell death)在生物发育中具有重要作用，有关 基因发生突变，就会引起发育异常
例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细 胞进入编程性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入编程性死亡