【正文】 第 13章 個體發(fā)育 （ Individual development） 目 錄 一、發(fā)育遺傳學(xué) 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 三、細(xì)胞程序性死亡 四、胚胎發(fā)育與遺傳控制 五、基因差異表達(dá) 六、原核生物基因表達(dá)調(diào)控 七、真核生物基因表達(dá)調(diào)控 發(fā)育遺傳學(xué) 研究生物發(fā)育過程中基因調(diào)控機(jī)理的科學(xué)，包括：細(xì)胞分化、器官發(fā)生、形態(tài)建成等發(fā)育過程的遺傳控制機(jī)理。 簡史 1897： Men 剛受精水母卵細(xì)胞，去掉胞質(zhì)，胚胎呈畸形，細(xì)胞質(zhì)是早期分化的原因。 1940： Walsch 小鼠背軸發(fā)育基因突變，導(dǎo)致子鼠背軸不發(fā)育，提出 developmental geics。 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (一 )發(fā)育遺傳學(xué) ( developmental geics) (一 )發(fā)育遺傳學(xué) ( developmental geics) 如人體形成包括 :細(xì)胞分化 → 器官發(fā)生 → 形態(tài)建成 即：生物個體發(fā)育有細(xì)胞分化，器官形成和形態(tài)建成 3過程。 第 5周椎形眼睛和血管 第 9周開始形態(tài)建成 第 17周 第 21周形態(tài)建成 第 7周胚胎發(fā)育完成 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 體細(xì)胞 → 脫分化培養(yǎng) → 誘導(dǎo)培養(yǎng)→ 完整植株。 Steward(1958) 胡蘿卜根尖韌皮部細(xì)胞，培養(yǎng)成一完整植株。 ⑴ 體細(xì)胞的脫分化 (dedifferentiation)培養(yǎng) (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 ⑵ 性細(xì)胞的脫分化培養(yǎng) 植物花粉 → 脫分化培養(yǎng) → 誘導(dǎo)培養(yǎng) → 完整植株 (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 蘇格蘭 Wilmut 母羊乳腺細(xì)胞核 → 移植另一母羊去核卵細(xì)胞 →體外培養(yǎng) → 移植假孕母羊子宮 → 發(fā)育成多利。 移植 247個卵，多利是其中唯一成功者。 ⑴ 乳腺細(xì)胞核與多利小綿羊 (transplantation) (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 多利之后第二例；日本從母牛乳腺細(xì)胞克隆了第一頭克隆牛。 ⑵ 日本克隆牛 (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (transplantation) ⑶ 美國克隆鼠 英國科學(xué)家從成年老鼠的皮膚細(xì)胞中克隆大鼠 (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (transplantation) ⑷ 美國克隆猴 2022美國從猴皮膚細(xì)胞中克隆了世界上第一只猴“泰特拉” (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (transplantation) ⑸ 美國克隆豬 美國、中國、韓國分別從豬皮膚細(xì)胞、骨髓 細(xì)胞中成功地克隆許多良種豬。 (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (transplantation) ⑹ 美國克隆小貓 ——“茜茜” 美國、韓國從貓表皮細(xì)胞中成功地克隆出小貓“茜茜”和在紫外光照射下能會發(fā)出熒光的紅色熒光貓。 茜茜的供體 茜茜和她代孕媽媽 (二 )細(xì)胞的全能性（ cell totipotency） 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (transplantation) (三 ) 細(xì)胞質(zhì)在生物發(fā)育中的作用 動物、植物卵細(xì)胞有細(xì)胞器分化和動物極、植物極、灰色半月體等特定組織器官的分化。 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (三 ) 細(xì)胞質(zhì)在生物發(fā)育中的作用 卵裂開始時(shí)順赤道切開 動物極發(fā)育成 空心多毛球 植物極發(fā)育成類似 胚胎物 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (三 ) 細(xì)胞質(zhì)在生物發(fā)育中的作用 小孢子 → 單核移至稠質(zhì)端 → 2核花粉粒 → 1 核移至稠質(zhì)端→ 生殖核。 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 (三 ) 細(xì)胞質(zhì)在生物發(fā)育中的作用 一、發(fā)育遺傳學(xué)與細(xì)胞分化 大孢子 → 遠(yuǎn)離珠孔 → 稠質(zhì)端發(fā)育成胚囊→ 3個退化 細(xì)胞有全能性，但隨著發(fā)育推進(jìn)其全能性潛力逐漸受到限制，最終僅產(chǎn)生一種特定類型的細(xì)胞，稱細(xì)胞特化。 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 (cell specification and determine) 如造血干細(xì)胞 稠質(zhì)端 產(chǎn)生一、二、三、四級干細(xì)胞，非 稠質(zhì)端產(chǎn)生 相應(yīng)的特化細(xì)胞分別形成 紅細(xì)胞 、血小板 、漿細(xì)胞及分化 T細(xì)胞 。 (一 )細(xì)胞命運(yùn)確定（ cellfate decision ） ⑴ 概念 無任何因素作用下，按指定命運(yùn)自主分化也稱 鑲嵌發(fā)育模式。 無脊椎動物發(fā)育、多數(shù)植物發(fā)育多為此類 ⑵ 特化原因 細(xì)胞質(zhì)成分差異 (mRNA或蛋白質(zhì) )、質(zhì)內(nèi)種系顆粒差異差異而致。 自主特化（ autonomous specification） (二 )發(fā)育模式與細(xì)胞特化（ cell specification） 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 ⑶ 自主特化現(xiàn)象 煙草表皮細(xì)胞 倒 12葉培養(yǎng) → 僅長 2片子葉 倒 34葉培養(yǎng) → 長 34對葉后開花 倒 57葉培養(yǎng) → 長 2對葉后開花 倒 810葉培養(yǎng) → 長 1對葉后開花 花序培養(yǎng) → 直接開花 均與細(xì)胞質(zhì)成分差異有關(guān)。 自主特化（ autonomous specification） (二 )發(fā)育模式與細(xì)胞特化（ cell specification） 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 ⑴ 概念 細(xì)胞位置差異及其周圍細(xì)胞相互作用決定細(xì)胞命運(yùn)；也稱調(diào)節(jié)發(fā)育模式 脊椎動物發(fā)育多為此類 ⑵原因 稀薄位置不同，細(xì)胞質(zhì)中蛋白質(zhì)信息分子或 mRNA信息分子濃度也不同，命運(yùn)就不同。 卵裂球外、中、內(nèi)胚層細(xì)胞命運(yùn)不同。 (二 )發(fā)育模式與細(xì)胞特化（ cell specification） 條件特化（ conditional specification） 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 ⑶ 現(xiàn)象 —如果蠅背化基因 dorsal突變 背化基因突變體的前后軸主梯度內(nèi)位置信息分子濃度異常，能產(chǎn)生多種功能突變。 用 wt 細(xì)胞質(zhì)注入中腹腔能使感覺器官突變恢復(fù)正常，注入前腹腔能使呼吸恢復(fù)正常。 改變位置信息分子濃度能改變細(xì)胞命運(yùn)。 (二 )發(fā)育模式與細(xì)胞特化（ cell specification） 條件特化（ conditional specification） 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 自主特化 ①胞質(zhì)決定因子 (種系顆粒 )決定細(xì)胞命運(yùn) ②改變細(xì)胞質(zhì)因子濃度不能改變細(xì)胞運(yùn)命 ③細(xì)胞命運(yùn)與相鄰細(xì)胞無關(guān) 條件特化 ①細(xì)胞 位置或信息分子濃度 (前后軸 )決定細(xì)胞命運(yùn) ② 改變胞質(zhì)信息分子濃度 (wt注射 )能 改變細(xì)胞命運(yùn) ③ 細(xì)胞命運(yùn)與相鄰細(xì)胞有關(guān) 合胞特化 (syncytial spicification) 介于自主與條件特化之間，也稱半程序化模式 自主特化與條件特化的區(qū)別 (二 )發(fā)育模式與細(xì)胞特化（ cell specification） 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 體長 1mm，生命周期 3d 2n=12=5AA+XO♂ .5AA+XX♀ Genome： 107bp Gene數(shù)目： 19141個 成熟幼蟲 細(xì)胞數(shù) ： 959個 一齡 幼蟲細(xì)胞數(shù) ： 558個 程序性死亡 細(xì)胞數(shù) ： 131個 合 計(jì)： 1090個 發(fā)育階段：幼蟲、成熟幼蟲及卵 3階段。 (三 )秀麗隱桿線蟲的特化 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 → P1(有顆粒 )+AB→389個真皮及肌細(xì)胞。 → P2 + EMS →80 個 肌肉、腺體、神經(jīng)元細(xì)胞和 20個腸細(xì)胞。 → P3 + C→ 47個神經(jīng)元及肉細(xì)胞 → P4 + D→20肌肉細(xì)胞， P4 產(chǎn)生性細(xì)胞 2. 種系顆粒 (germ line granules) 與基因 (三 )基因與秀麗隱桿線蟲特化 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 受精卵 5次有絲分裂完成細(xì)胞特化，由 5個基因控制 生物體內(nèi)某些細(xì)胞不再為生物體所需或受損，會激活自殺遺傳結(jié)構(gòu)自我毀滅。 隱桿線蟲發(fā)育過程中程序性死亡 131個細(xì)胞 植物體導(dǎo)管形成、老葉脫落 人體移殖器官愈合、蝌蚪尾巴脫落等 為了生存或適應(yīng)某生存環(huán)境而指令性地犧牲局部細(xì)胞稱 程序性死亡，也叫利他 死亡。 三、細(xì)胞程序性死亡 (programmed cell death) (一 )細(xì)胞程序性死亡 (二 )細(xì)胞調(diào)亡 (apoptosis) 細(xì)胞調(diào)亡： 細(xì)胞 生理性死亡為之 特征 ⑴染色體和內(nèi)含物被剪成片段，能被活細(xì)胞吞噬 ⑵核膜破裂前碎片不外溢，非壞死發(fā)濃 ⑶細(xì)胞球狀有腔泡，非脹大紅腫 即細(xì)胞調(diào)亡 ≠細(xì)胞壞死 三、細(xì)胞程序性死亡 (programmed cell death) 秀麗隱桿線蟲 131個細(xì)胞程序性死亡是 14個異常死亡基因 (cell death abnomal)作用之故。 ced ced ced9與 131個細(xì)胞死亡都有關(guān)且 ced 4與 ced9拮抗表達(dá)。 (三 ) 細(xì)胞程序性死亡與基因 三、細(xì)胞程序性死亡 (programmed cell death) 人體自殺基因 Ice 人體白細(xì)胞介素 β轉(zhuǎn)換酶 Ice (interleukin1βconverting enzyme)能把 DNaseⅠ 從復(fù)合物中釋放出來，剪斷 DNA導(dǎo)致細(xì)胞自殺，稱人體自殺基因 Ice。 Ice與 ced3的核心元件相同，均引起細(xì)胞調(diào)亡。 淋巴癌基因 bcl 人體濾泡 β淋巴瘤基因能使人體表達(dá)淋巴癌。 bcl與 ced9結(jié)構(gòu)相似，能致癌，能阻止細(xì)胞調(diào)亡或自殺，能激活細(xì)胞產(chǎn)生愈傷組織、進(jìn)行組織培養(yǎng)。 (四 )人體自殺基因 (Ice)與癌基因 (bcl) 三、細(xì)胞程序性死亡 (programmed cell death) 四、胚胎發(fā)育與遺傳控制 (一 )胚胎卵裂（ cleavage） 受精卵增數(shù)不增大的有絲分裂為卵裂，有細(xì)胞重排。 第 12次：縱裂 → 4個等體積的卵裂球。 第 3 次：橫裂 → 8個不等體積的卵裂球，出現(xiàn)兩極。 第 4次后：邊分裂邊重排 → 囊胚 (果蠅 )或胚泡 (人 )，出現(xiàn)內(nèi) 中、外 3個胚層。 縱向分裂等體積 橫向分裂不等體積 上為動物極 下為植物極 邊分裂邊重排 第 3天桑椹期 胚泡 (人體 ) 囊胚 (果蠅 ) 第 4天胚泡期期 第 4次分裂后，細(xì)胞為什么會邊分裂邊重排形成內(nèi) .中 .外 3個胚層和前后 2個梯度段？是 母源效應(yīng)基因 (神經(jīng)母細(xì)胞 Notch)的作用。 母源效應(yīng)基因 使卵裂球形成前后軸和背腹軸梯度、完成細(xì)胞特化的母體基因，稱為母源效應(yīng)基因。 (二 )母源效應(yīng)基因 (maternal effect gene) 概念 四、胚胎發(fā)育與遺傳控制 (二 )母源效應(yīng)基因 (maternal effect gene) 背腹軸極性基因 背化基因 dorsal 負(fù)責(zé)背腹器官建成，突變會使背腹結(jié)構(gòu)畸形。有 10多個突變體 (基因 )，用 wt細(xì)胞質(zhì)能使其恢復(fù)正常，但 wt精液不能。 wt胞質(zhì)注入中腹腔能恢復(fù)感覺器官，注入前腹區(qū)能恢復(fù)正常呼吸。 信號傳遞基因 Toll 負(fù)責(zé)信號傳遞，將外界信號傳入卵母細(xì)胞、激活腹部結(jié)構(gòu)發(fā)育所需的許多基因。 前部 后部 末端 背腹部t o r s o l i k e p i p en u d el母體體細(xì)胞w i n d b eu t elex u p e r a n t i a ca o u cc i n o t r u n k g a s t r u l a t i o n d e f ec t i ves w a l l o w s p i r e Na s r a t s n a kes t a u f