【正文】 第 13章 個(gè)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(guò)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(guò)程的遺傳控制機(jī)理。 簡(jiǎn)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(gè)體發(fā)育有細(xì)胞分化，器官形成和形態(tài)建成 3過(guò)程。 第 5周椎形眼睛和血管 第 9周開(kāi)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(gè)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(guó)克隆鼠 英國(guó)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(guó)克隆猴 2022美國(guó)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(guó)克隆豬 美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)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(guó)克隆小貓 ——“茜茜” 美國(guó)、韓國(guó)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(huì)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(dòng)物、植物卵細(xì)胞有細(xì)胞器分化和動(dòng)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(kāi)始時(shí)順赤道切開(kāi) 動(dòng)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(gè)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(jí)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(wú)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(wú)脊椎動(dòng)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(zhǎng) 2片子葉 倒 34葉培養(yǎng) → 長(zhǎng) 34對(duì)葉后開(kāi)花 倒 57葉培養(yǎng) → 長(zhǎng) 2對(duì)葉后開(kāi)花 倒 810葉培養(yǎng) → 長(zhǎng) 1對(duì)葉后開(kāi)花 花序培養(yǎng) → 直接開(kāi)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(dòng)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(jué)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(wú)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(zhǎng) 1mm，生命周期 3d 2n=12=5AA+XO♂ .5AA+XX♀ Genome： 107bp Gene數(shù)目： 19141個(gè) 成熟幼蟲(chóng) 細(xì)胞數(shù) ： 959個(gè) 一齡 幼蟲(chóng)細(xì)胞數(shù) ： 558個(gè) 程序性死亡 細(xì)胞數(shù) ： 131個(gè) 合 計(jì)： 1090個(gè) 發(fā)育階段：幼蟲(chóng)、成熟幼蟲(chóng)及卵 3階段。 (三 )秀麗隱桿線蟲(chóng)的特化 二、細(xì)胞特化與命運(yùn)決定 → P1(有顆粒 )+AB→389個(gè)真皮及肌細(xì)胞。 → P2 + EMS →80 個(gè) 肌肉、腺體、神經(jīng)元細(xì)胞和 20個(gè)腸細(xì)胞。 → P3 + C→ 47個(gè)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(chóng)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(gè)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(huì)激活自殺遺傳結(jié)構(gòu)自我毀滅。 隱桿線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中程序性死亡 131個(gè)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(chóng) 131個(gè)細(xì)胞程序性死亡是 14個(gè)異常死亡基因 (cell death abnomal)作用之故。 ced ced ced9與 131個(gè)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(lái)，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(gè)等體積的卵裂球。 第 3 次：橫裂 → 8個(gè)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(gè)胚層。 縱向分裂等體積 橫向分裂不等體積 上為動(dòng)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(huì)邊分裂邊重排形成內(nèi) .中 .外 3個(gè)胚層和前后 2個(gè)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(huì)使背腹結(jié)構(gòu)畸形。有 10多個(gè)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(jué)器官，注入前腹區(qū)能恢復(fù)正常呼吸。 信號(hào)傳遞基因 Toll 負(fù)責(zé)信號(hào)傳遞，將外界信號(hào)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