第十 三 章 基因与个体发育

1. 第一节细胞质和细胞核在发育中的作用 第二节关于发育的遗传控制理论 第三节细胞分裂周期的基因控制 第四节基因在细胞分化中的作用 第五节基因与胚胎发育 第六节基因表达阵列在不同发育时期的变化※ 第十三章基因与个体发育 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

2. 导 言 • 个体发育(organism development)的概念：在多细胞生物中，个体发育是指个体从受精卵开始，经过无数次的细胞分裂和多方向的细胞分化而长成成熟个体的整个生长发育过程。其中的主要过程是细胞分裂和细胞分化。 • 细胞分裂(cell division)：细胞由1个变成2个、由2个变成4个，…，的数量增殖过程。 • 细胞分化(cell differentiation)：由同一起源细胞形成各种不同结构、不同功能的组织细胞的过程。 • 在单细胞生物和非细胞生物中也存在个体发育问题。如噬菌体常常可以分为早期和晚期；一些细菌可分为营养期和芽孢期等时期。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

3. 遗传(inheritance)与发育(development)的关系 • 遗传与发育的关系是： • (1)遗传是基础：遗传物质上载有控制生物体生命活动全过程的信息，决定了发育的时空秩序。 • (2)发育是从基因型转化为表现型的过程，是遗传信息按特定时序表达并与内外环境互作的有序变化过程。 • (3)发育与基因表达和调控是统一的，基因突变可引起相应的发育异常、甚至胚胎死亡。 • 基因与发育的关系的研究方法:研究和比较各种基因突变型的发育状况，从不同水平探讨基因与性状发育之间的关系。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

4. 第一节细胞质和细胞核在发育中的作用 • 一、细胞质(cytoplasm)在发育中的作用 • 1. 细胞质中有一些遗传物质，可决定某些性状的发育。如cpDNA, mtDNA。 • 2. 细胞质是核基因的表达场所和表达产物集散地，不仅对生物体的生长和发育有重要作用，而且对核基因的表达也有调节作用。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

5. 细胞质对细胞的分化方向有直接引导和控制作用。细胞质对细胞的分化方向有直接引导和控制作用。 • (1)受精卵中细胞质组分如色素、卵黄粒、线粒体、基因表达产物等分布存在不均匀性。 • 这种不均匀的分布使得受精卵分裂产生的子细胞具有不同的细胞质。 • 不同的细胞质可启动不同基因表达，上一批核基因表达产物和原细胞质一起又决定下一批基因的表达。 • 如此，使得胚胎中不同位置细胞能有序地定向地分化，使得细胞的命运逐渐被确定。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

6. (2)细胞质对伴性基因的调控。 • 在哺乳动物中，雌性个体为XX型，而雄性个体为XY型。雌性个体尽管有两个X染色体，但X伴性基因表达仍然与雄性个体近似。 • 原因： • 胚胎发育早期（受精卵细胞增殖到5000-6000个细胞时），雌性个体的两个X染色体中有一个X染色体随机失去活性、高度异染色质化、形成X小体。 • 如果雌性个体伴X基因型是纯合体，则其表达与雄性个体一样。 • 如果两个X染色体上所载伴性基因不同，由于不同细胞失活的X染色体不同，在胚胎中形成嵌合体，由不同细胞分裂和发育成的组织在相应X伴性基因的表达上也就不同，在个体中形成嵌合体。 • 因此，许多哺乳动物由X伴性基因所决定的皮毛颜色性状，尽管每个细胞伴性基因的基因型相同(都是杂合型)，但同一个体不同部位表现不同的皮毛性状，即出现花斑性状。而且不同个体的花班分布也各不相同。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

7. 黑白花奶牛的皮色遗传 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

8. 二、细胞核在发育中的作用。 • 细胞质在发育中直接引导和控制发育方向的作用。但是，由于相对于细胞核基因而言，质基因只占极少数，细胞质对发育的重要作用很大程度上要归功于核基因的表达产物。因此细胞核(cell nucleus)在发育中仍然占据主导地位。 • 伞藻(Acetabularia mediterranea)的再生(图15-1)和嫁接实验(图15-2)来证实。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

9. 图15-1 伞藻再生实验 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

10. 图15-2 伞藻嫁接实验 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

11. 核与质都是不可缺少的组分 • 1.细胞质是核基因表达场所， • 2.核基因表达所需要的各种蛋白质和RNA都必然要在细胞质中形成和加工成熟， • 3.细胞质和细胞核是细胞中担负不同作用的两个组成部分， • 4.它们都是生物体正常生命活动、生长和发育所必须的，二者缺一不可。 • 正是它们的共同作用才使得生命能够通过生长和繁殖而延续下去。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

12. 第二节关于发育的遗传控制理论 • 1928年美国性别学家E.B.威尔森在《发育和遗传中的细胞》一书中提出，基因在细胞水平上的活动是发育的根本原因，发育是遗传特性按一定时空秩序的表现。 • 遗传信息传递的中心法则揭示了遗传与发育的内在联系。从分子水平上看，细胞分化和性状发育都是表型专一性大分子物质如蛋白质等的合成、组装和发挥作用的过程，归根及底依赖于基因在发育过程中按一定时空秩序的表达。 • 关于发育的遗传控制理论很多，下面简单介绍其中的、有一定代表性的三个理论。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

13. 一、Driesch-Morgan分化理论 • 由Driesch于1894年提出，后经Morgan（1934）和Waddington（1956）修改和完善而成。这是目前能较好解释发育现象的主要学说。 • 其主要观点是：由于卵细胞细胞质的不均一性，在其受精后的卵裂期，相同细胞核分布在卵细胞的不同细胞质区域，即具有不同细胞质，因而在胚胎不同区域的细胞核中，由于不同细胞质激活不同基因，并以级联式机制使特定基因进一步被活化，最后导致细胞的分化。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

14. 二、Caplan-Ordahl分化理论 • 由Caplan和Ordahl提出。 • 其主要论点是：发育潜能的缩减是活性基因被逐渐抑制的结果，而不是基因被选择性激活的结果。即在胚胎早期全部基因都是有活性的或是可转录的，发育过程使一些基因受到选择性的不可逆抑制，另一些基因则稳定在非抑制状态，成为对新建表型特异的基因。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

15. 三、基因群程序活动模型 • 由李振刚等人(1984)提出。 • 主要论点： • 不同发育时期有不同基因群在活动，发育就是不同基因群的程序性活动；每个基因群活动的结果是抑制自身、激活下一个基因群。因此，整个发育过程是由一系列不同基因群不断地激活和抑制的连锁反应，而不是基因从全面抑制到分别激活(象Driesch-Morgan分化理论那样)或从全面激活到分别抑制(象Caplan-Ordoanl分化理论那样)。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

16. 第三节细胞分裂周期的基因控制 • 细胞分裂的意义： • (1)是细胞生物的一个基本特征，单细胞生物以此来繁殖后代，而多细胞生物则通过细胞增殖来完成发育过程。 • (2)与机体生长、生理性再生、创伤性修复、细胞程序性死亡和肿瘤发生等有密切关系， • (3)是发育形成组织器官的基础。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

17. 细胞分裂周期的各时期 • (1)间期： G0期：非增殖状态的休止期 G1期：Gap 1或DNA合成前期，是细胞生长和复制准备的时期 S期：DNA合成期 G2期：Gap 2或DNA合成后期，是有丝分裂的准备时期 • (2)分裂期：前、中、后、末期。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

18. 细胞分裂的控制机制 • 细胞分裂是受一个细胞周期中心控制体系的控制，是一系列依赖性事件准确而有序进行的过程，即后一事件的起始依赖于前一事件的完成。 • 细胞分裂的中心控制体系：真核生物细胞中专门调控细胞周期的、一系列基因表达产物所组成的、以磷酸化/去磷酸化为基础的控制体系。它控制着细胞是否进入分裂期。 • 其核心组分：以周期素(cyclin)基因、周期素依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinases，简CDK)基因和CDK抑制蛋白最关键。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

19. 1.周期素(Cyclin)基因 • 周期素基因的表达是细胞进入分裂期的必须条件，而周期素的分解则是细胞退出分裂期的必须条件。 • 周期素：是周期素基因表达产物，分子量约为56×103，在细胞有丝分裂前增加、有丝分裂后消失，呈周期性变化。 • 周期素的结构特点及其功能： • (1)含有一个周期素结构域，可与周期素依赖性激酶结合，从而成为活性调节物，使细胞进入分裂期。其缺失将使细胞不能进入分裂期。 • (2)其N端90氨基酸区含有富含Lys的泛素识别位点，可与泛素结合，从而被泛素依赖性蛋白酶识别而分解，从而使细胞分裂从中期进入后期并完成细胞分裂。其缺失将使细胞分裂停止在中期。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

20. 周期素的类型 • 到目前为止，已发现有十多种周期素基因。如酵母细胞中的Cln1、Cln2、Cln3、Clb1-6。哺乳动物中的Cyclin A、B、C、D、E、F、H等。 • 下面以哺乳动物为例说明其作用。 • 根据调控阶段的不同，周期素可分为： • G1期周期素：主要为：Cyclin D, E • S期和M期周期素：重要的有： Cyclin A、B、H ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

21. 2. 周期素依赖性蛋白激酶（CDK）基因 • 周期素依赖性蛋白激酶(CDK)：具有蛋白激酶活性的、通过与细胞周期素结合而参与细胞周期调控的有关蛋白质。 • 目前已发现存在六种CDK，即CDK1、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6。它们与周期素结合后所形成的复合物，对哺乳动物细胞从G1过渡到S期和从G2期过渡到M期发挥作用。 ※ G1期， G1关卡 G0期 S期 G2期 M期 Cyclin E - CDK2 生长因子 Cyclin B - CDK1 Cyclin D - CDK2,4,5 Cyclin A - CDK2 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

22. 3. 周期素依赖性激酶抑制蛋白(CDI)基因 • 周期素依赖性激酶抑制蛋白(CDI)：CDI基因的表达产物，由特定周期素激活、受特定蛋白的抑制调控，可抑制周期素依赖性激酶活性，与各种Cyclin-CDK复合物的比例变化，调控了细胞周期。 • 当前者(CDI)多于后者时，细胞不进入分裂期，开始进入细胞分化发育阶段。反之，则细胞进入分裂阶段，继续分裂、产生子细胞。 • 在哺乳动物中, 目前已发现5种CDK抑制蛋白，主要是：p16, p21, p24, p27, p15等。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

23. 第四节基因在细胞分化中的作用 • 一、单细胞生物细胞的分化 • 细菌的发育过程： 营养期 芽孢期 营养期相关基因 ： 开启关闭 芽孢形成相关基因： 关闭开启 • 噬菌体发育分早期和晚期。早期和晚期基因的表达是不同的。 • 低等生物中不同时期基因表达阵列的转变机制是通过特定时序调控机制来实现的。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

24. 时序调控 • 概念：指随着生物体生长发育进程的推进，不同发育阶段将启动不同基因的表达，这种使基因表达按照一定时间顺序展开的控制系统。 • 意义：时序调控可使生物更有效地利用物质和能源，减少浪费，同时也可避免某些不适当时机表达所造成的危害。 • 作用途径：大多数是通过蛋白质与RNA聚合酶互作来实现。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

25. 单细胞生物细胞分化机制 1. 替代或改变δ亚基，使RNA聚合酶全酶识别不同启动子。 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的RNA聚合酶为α2ββ’δ。营养期中它至少有4种δ因子，即δ55、δ37、δ32、δ28 。它们的分子量分别为：5.5×104、3.7×104、3.2×104、 2. 修饰RNA聚合酶，并同时替代δ亚基，以启动不同基因的表达。 3. 使已有RNA聚合酶失活，并代之以新的RNA聚合酶。 4. 合成调节蛋白，对抗转录终止子，使转录继续下去而表达特定阶段时需要表达的下游基因，或协助RNA聚合酶识别特定启动子，以表达特定基因。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

26. 二、多细胞生物的细胞分化 • 受精卵分裂形成子细胞，它继续分裂和分化成不同组织和器官。在这个过程中细胞命运被逐渐决定。 • 决定细胞命运的方法一般有三种： • 1. 自主特化：大部分无脊椎动物。 • 合子卵裂产生的子细胞获得了受精卵细胞质的不同部分，不同细胞质启动不同基因表达，从而决定不同细胞的命运。细胞命运由其所得细胞质决定，与其四周细胞无关。如果去除胚胎中某区域细胞，其它细胞不能补充其空缺而仍按既定方向分化发育，使胚胎缺少相应组织，生物体不能正常发育和产生正常个体。这种发育方式被称为镶嵌式发育。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

27. 2. 条件特化(conditional specification) • 概念：细胞命运的决定是通过它与周围细胞的相互作用来决定。细胞开始时具有向多方向分化的能力，在与周围细胞互作后限定了其分化途径。这种分化方向取决于细胞所处胚胎中的位置。如果去除胚胎中某区域细胞，其它细胞可补充其空缺，使生物体能正常发育和产生正常个体。这种发育方式被称为调节式发育(regulatory development)。 • 所有脊椎动物和少数无脊椎动物采用此法。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

28. 3. 合胞特化(syncytial specification) • 概念：在合胞体胚层(syncytial blastoderm)产生细胞膜分离细胞核之前的分化主要由细胞质决定(即为自主特化)，在形成细胞后则主要是条件特化。 • 大部分昆虫纲无脊椎动物的细胞分化方式。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

29. 雅致线虫(Canarhabditis elegans)的特点 • 雅致线虫，长约1mm，身体透明。可在人工培养基上生长、发育和繁殖。其胚胎发育期约16小时，一个世代(从卵到卵只需3天，是很好的研究发育的实验动物。 • 有两种性别，即雄性和雌雄同体，以雌雄同体为主。其基因组为9.7×104kb，与果蝇的基因组大小接近，编码蛋白质基因数约为19141个。 • 每条线虫共有约1090个体细胞和1000或2000个性细胞。其中有约131个体细胞进入细胞程序性死亡。受精卵分裂到558个细胞时，卵壳中形成一条小线虫，孵化后继续分裂和发育成成熟个体。 • 研究每一个体细胞的来源，可清楚地勾画出线虫体细胞的细胞谱系(cell lineage)。由于同种不同个体的这种细胞谱系是相当恒定的，因此以此可探讨线虫的发育过程。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

30. 雅致线虫的合子发育 • 雅致线虫受精卵的细胞分裂方式，类似于干细胞(stem cell)分裂，都是不对称分裂，其分裂产物为一个分化细胞和一个无分化干细胞。 • 分化细胞：奠基者细胞，经正常分裂分化发育成体细胞、特定组织、器官。 • 干细胞：经四次不对称分裂(形成分化细胞和干细胞)后，经正常分裂产生性细胞系。 • 不对称分裂的机制：与卵细胞细胞质中种系颗粒(或P颗粒)的不均一性分布有关。P颗粒所在的一极，形成干细胞，而另一极形成分化细胞。 • 突变体研究发现，P颗粒的移动与Par基因有关。Par基因决定着细胞中微丝(Microfilament)的分布，从而决定P颗粒的移动方向。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

31. 三、细胞的程序性死亡(programmed cell death，PCD) • 概念：多细胞生物体中的一些细胞，在生物体生命活动不再需要它时，会激活受遗传控制的自杀机制而自我毁灭，这种现象。 • 也存在于一些群居性的单细胞真核生物如锥虫、四膜虫、粘菌中。 • 意义：(1)使生物体细胞保持在一定数目和正确位置上。如在脊椎动物发育期间常常形成过量的神经元，程序性死亡使神经元与靶细胞在数量上平衡。 • (2)是一种利他性死亡，可使其它细胞有更多的生存机会和进行正常生命活动，是一种维护整体利益和群体生存所作出的局部或个别牺牲。如，植物在受到病菌浸染时常常产生过敏反应，使浸染点及其周围细胞迅速死亡，阻止病菌的增殖和扩展。青蛙在其蝌蚪变态成青蛙时，尾巴脱落。 • (3)是生物体某些结构形成的重要途径。如高等植物的木质部细胞程序性死亡，形成导管。 • 细胞程序性死亡是自然选择的结果，有利于生物体生存的一种机制 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

32. 细胞凋亡与细胞坏死的区别 • 程序性死亡的常见方式是细胞凋亡(apoptosis)。 • 细胞凋亡: 是细胞的一种生理性死亡，不同于细胞坏死。细胞凋亡时，细胞变成圆球形，细胞外膜鼓起形成腔胞，细胞核膜和细胞的一些内部结构破裂，细胞核内的染色体被酶切成断片。当细胞破碎成碎片前细胞膜不破碎，因此内含物不泄漏出来，不引起炎症反应。细胞碎片被周围活细胞所吞噬，一般不被专职的巨噬细胞所清除。 • 细胞坏死: 是细胞受到急性损伤时出现的坏死，表现为细胞膨大、裂解，释放出大量内含物，引起炎症，坏死细胞最终被巨噬细胞所清除。 • 细胞凋亡和细胞坏死的区分方法之一: 提取DNA、进行琼脂糖电泳，如存在一系列长度不等的DNA片段区带，则为细胞凋亡。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

33. 细胞凋亡的遗传机制 • 细胞程序性死亡(细胞凋亡)与特定基因的表达有关。 • 雅致线虫的细胞程序性死亡至少涉及14个基因(被命名为ced基因)。其中ced-3和ced-4的基因表达产物是细胞进入程序性死亡所必需的。其突变可使细胞不进入程序性死亡。而ced-9是程序性死亡的负调节基因，其表达产物可抑制ced-3和ced-4的基因表达，从而阻止程序性死亡的发生。其突变是致死性的。 • 果蝇中与胚胎细胞程序性死亡有关的主要基因是reaper基因。其缺失可使胚胎细胞不出现程序性死亡。 • 在哺乳动物中细胞凋亡与基因nur77、c-myc基因和p53基因的表达有关。 • 在人体中也存在细胞凋亡现象。哺乳动物(如人体)中的一种蛋白酶，即白细胞介素1β转换酶(ICE)，这种酶基因ice表达可使细胞进入程序性死亡。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

34. 第五节基因与胚胎发育 • 一、父母本基因组对胚胎发育的影响 • 在哺乳动物胚胎发育过程中，父母本基因组起着不同的作用，它们都是胚胎正常发育所不可缺少的。 小鼠 父本染色体加倍 形成的单亲二倍体 合子 可形成缺陷胚胎、 正常绒毛膜 夭亡 小鼠 母本染色体加倍 形成的单亲二倍体 合子 可形成正常胚胎、 缺陷绒毛膜 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

35. 二、基因在组织器官发育中的作用 • 有些基因的表达是正常发育所必须的，它们的突变可影响生物体组织器官的正常发育。 • 果蝇中的Notch基因，长约为40kb，有8个外显子，编码2703个氨基酸。其表达产物产物是胚胎外胚层正常发育所必须的。它突变后可使胚胎停止发育，幼虫神经细胞大大增多，头部和腹部表皮细胞大大减少，还可影响果蝇的翅、眼等结构。 • 在人体中也有Notch基因的同源基因。此外，还有Jag1基因，可编码Notch跨膜受体的配体，其突变可影响Notch蛋白在细胞间的信号传递，造成肝、心、脊髓、眼、肾等器官的发育异常。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

36. 三、基因在胚胎极性发育中的作用 • 在生物体的胚胎发育过程中，细胞分裂和分化产生的各种类型的细胞，常常是沿着前-后轴和背-腹轴进行特化，进一步形成各种组织和器官。 • 研究发现这种极化过程是基因作用的结果。 • 果蝇胚胎发育中，腹背极性、前后轴极性和形态建成，主要受母体效应基因、分节基因、同源异形基因等基因的逐级激活(级联反应)而发育成果蝇的体节和形态建成。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

37. 1. 母体基因效应对果蝇胚胎极性发育的影响 • 影响果蝇胚胎发育中腹背极化的基因中重要的有两类，即背化基因和腹化基因。目前已发现有10种背化基因。它们在卵细胞中都是必须的。母体背化基因产物对胚胎背腹极性发育起了重要作用。 • 受精卵发育的极性形成过程： • (1)母体基因表达产物导致受精卵极性的形成: • a. 在成熟卵中储存有来自母体滋养细胞的背化基因转录产物mRNA，受精90分钟时开始翻译形成背部蛋白，并集中于腹部，从而决定受精卵及其胚胎发育的腹背极性。 • b.bcd基因mRNA及nos基因mRNA分别位于受精卵前后端，其表达产物形成前后极性。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

38. 母体效应形成果蝇受精卵的极性 腹部基因表达 背化基因表达 背腹轴极性 母体背部蛋白 bcd mRNA nos mRNA 前后轴极性 滋养细胞 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

39. (2)不同位置的细胞核得到不同的细胞质：受精卵开始时核分裂但质不分裂形成合胞体。在合胞体细胞化、形成很多细胞时，不同位置上的细胞核只与其周围细胞质，形成细胞。(2)不同位置的细胞核得到不同的细胞质：受精卵开始时核分裂但质不分裂形成合胞体。在合胞体细胞化、形成很多细胞时，不同位置上的细胞核只与其周围细胞质，形成细胞。 • (3)具有不同细胞质的细胞启动不同的基因表达，形成不同类型的细胞，最后发育成不同的组织器官：如腹部细胞中含有背部蛋白，抑制背化基因，激活腹化基因，于是分化成腹化细胞。在其它细胞中，无背部蛋白，腹化基因不被激活，背化基因表达，于是分化出背部细胞。※ 母体背化基因 突变失活 胚胎所有细胞 背化基因表达 背腹都是 背部表型 母体背化基因 产物分布无极性 胚胎所有细胞 腹部基因表达 背腹都是 腹部表型 母体bcd基因 突变失活 尾-胸-腹-尾 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

40. 2. 分节基因 • 它们是胚胎细胞中的基因。包括裂隙基因、成对规则基因、体节极性基因等。它们共同作用使胚胎划分为很多体节。 • (1)合子中的裂隙基因：受母体效应基因(如bcd和nos基因)调控，在胚胎的一定区域内表达，是合子细胞核中转录的第一批基因。 • (2)成对规则基因：可分为初级和次级成对规则基因。裂隙基因表达产物激活初级成对规则基因在间隔体节的原基中表达，初级成对规则基因又调控次级成对规则基因的表达，从而把宽阔的裂隙基因表达范围分成垂直于前后轴的7个区域。此后，其它与体节形成有关的基因也开始表达。 • (3)体节极性基因：受成对规则基因的调控，可保持每一个体节中的某些重复结构如节间分界等，把成对规则基因表达区域分为14个转录区带。 • 在合胞体胚胎中，母体效应基因、裂隙基因、成对规则基因等基因产物相互作用，在合胞体细胞化后，决定体节中细胞的命运。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

41. 3. 同源异形基因 • 概念：基因序列相似，彼此同源，但可控制或调节不同性状发育的基因。 • 功能: 果蝇中，在胚胎体节划分确定后，负责确定各体节的特征结构。 • 表达控制：受成对规则基因和裂隙基因的调控。同源异形基因间互作。 • 大多数同源异形基因分布在果蝇第3染色体的两个区段中。 • 区段1是触角足复合体(Antep-C)：含5个同源异形基因，即lab(唇)基因、Dfd(畸形)基因、Scr(性梳减少)基因、antp(触角足)基因、pb(鼻足)基因。其中，lab基因和Dfd基因负责头部体节的特化，scr基因和antp基因负责胸节特化，pb基因与头部触须发育有关。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

42. 区段2是双胸复合体(Bx-C)：含有3个同源异形基因，控制胸节和8个腹节的特化。其中，Ubx(超双胸)基因负责第二胸节特征结构的发育，Abd A(腹A)基因和Abd B(腹B)基因则控制腹节结构的特化。 • 触角足复合体 +双胸复合体 = HOM-C。 • 在其它位点也有一些同源异形基因如Caudal基因，负责尾节的特化。 • 同源异形基因的突变可使器官发育异常，甚至是致死的。如： • pb(鼻足)基因：突变失活可使果蝇唇咀部触须转变为腿； • antp (触角足)基因：显性突变可使头上的触角变成腿，而其隐性突变使胸节的腿变成触角； • Ubx(超双胸)基因：缺失可使第3胸节上的平衡棒变成一对翅，结果使果蝇长成2对翅。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

43. 胚胎发育相关基因的级联控制系统 母体基因 表达产物 胚胎 裂隙基因 果蝇幼虫 各节特征 胚胎 同源异形基因 胚胎 成对规则基因 胚胎 体节极性基因 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

44. 第六节基因表达阵列在不同发育时期之间的变化第六节基因表达阵列在不同发育时期之间的变化 • 基因表达阵列：细胞在特定时期以一定水平表达的所有基因总和。 • 发育过程是基因差别表达的过程, 不同发育阶段，其基因表达阵列是不同的。下面仅以人体发育各阶段血红蛋白基因表达阵列为例，加以说明。 • 一、血红蛋白基因组成及其在不同发育时期的变化 • 血红蛋白(hemoglobin，Hb)是高等动物用来输送氧的重要蛋白质。 • 组成:由两类珠蛋白多肽链各2分子所组成的四聚体，其中每一个珠蛋白多肽链都与一个血红素(heme)分子结合。 • 多肽链基因：9真+4假，排列α家族和β家族，分别位于染色体16短臂和染色体11短臂上。 • 同一基因家族中各多肽链基因的表达受发育时期调控，使人体不同发育阶段的血红蛋白组分各不相同。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

45. 珠蛋白基因在不同发育时期的表达 α2 ψα2 α1 ψα1 ψξ1 ξ2 θ1 第16染色体 Aγ ψβ δ β Gγ ε 第11染色体 胚胎早期 ζ2ε2 ξ2 λ2 α2 ε2 α2 λ2 α2 β2 α2 δ2 胎儿中晚期 α2 λ2 α2 β2 血红蛋白 新生儿+成人 胎儿+新生儿+成人 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

46. 不同珠蛋白的含量改变 α2 λ2 α2 β2 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

47. 珠蛋白基因表达的特点 • 珠蛋白基因家族中基因的表达是随着发育的推进，依次启动和抑制了相应基因表达的结果。其中有两个转折点： • （1）从胚胎到胎儿的转变：在α家族中是ζ基因逐渐关闭，α基因逐渐开启表达而且开启后终身高水平表达；在β家族中，ε基因逐渐关闭，γG和γA 基因逐渐开启。 • （2）从胎儿到成体的转变：主要在β家族中存在，即γG和γA 基因逐渐关闭到一个低表达水平，同时β基因表达水平增高，到一年后成体主要表达β基因。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

48. 二、血红蛋白基因表达阵列变化的机制 • 珠蛋白基因表达阵列变化的机制主要与DNA修饰、启动子序列、增强子序列、反式调节因子如转录因子等作用有关。 • 1. DNA修饰：在珠蛋白基因区中，不同发育时期，相应表达的珠蛋白基因呈去甲基化状态，而尚未表达的珠蛋白基因则呈甲基化状态。 • 2. 启动子：珠蛋白基因家族中基因转录的启动子区含数目不等的3种恒定序列，位于mRNA的5’端150bp区域中。它们分别是TATA盒(ATAAAA)、CAT盒(CCAAT)、CACA盒(CACC)。这些保守区的缺失、突变或相对距离的改变常常可使基因转录水平大为降低。 • 3.增强子：在珠蛋白基因家族中还存在增强子。在转珠蛋白基因鼠实验中发现，在ε基因上游21kb区域内存在红系特异性增强子如HS2等。HS2可使与之顺式连接的基因表达水平增加300多倍。 • 4. 反式作用因子：上述顺式元件即启动子和增强子序列等都要在与反式作用因子如转录酶、转录因子等结合后才能发挥作用。其中，GATA-1、2、3蛋白、NFE2/AP1蛋白、SP1蛋白等一起，协同作用以调节珠蛋白基因的组织特异性和发育特异性表达。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

49. 习题 • 1.什么是时序调控？其机制是什么？ • 2.简单比较发育学说Driesch-Morgan分化理论，Caplan-Ordoanl分化理论和基因群程序活动模型的异同？ • 3.什么是细胞分裂的中心控制体系？其主要组分是什么？它们是如何控制细胞分裂的？ • 4.简述原核生物(含非细胞生物)细胞分化的机制？ • 5.多细胞生物细胞特化的途径有那些？ • 6.简述雅致线虫胚胎极性生成中基因在发育中的作用？ • 7.什么是基因表达阵列？珠蛋白基因在不同发育时期的变化规律及其机制是什么？ • 8. 什么是细胞程序性死亡？细胞凋亡与细胞坏死的差异是什么？ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

50. 主要参考文献： • 姚世鸿，王景佑，陈庆富，主编，2001：遗传学。贵州人民出版社 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University