第十一章遺傳與發育第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第十五章遺傳與發育

第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

高等生物從受精卵開始發育，經過一系列細胞分裂和分化，長成新的個體。這個過程通常稱為個體發育。細胞怎么能發生分化呢？其中基因起什么作用？細胞質又有什么影響？這些都是發育遺傳學研究的內容。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第一節發育遺傳學概論胚胎學：（受精-出生）胚胎發育遺傳與發育：細胞核（染色體）-形態構造因子細胞質-胚胎缺陷第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二細胞核和細胞質在個體發育中的作用一、細胞質在細胞生長和分化中的作用動、植物的卵細胞雖然是單細胞的，但它的細胞質內除顯見的細胞器有分化外，還存在動物極、植物極，灰色新月體和黃色新月體等分化。這些分化的物質將來發育成什么組織和器官，大體上已經確定。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

早在20世紀最初的20年中，人們就發現，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發育的現象難題可以得到部分解答。因為這些生物的細胞數量更少，分布相對單一，變化也較好觀察。由于進化的原因，細胞生命在發育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位于生物復雜性階梯較低級位置上的物種來研究發育共通規律是可能的。模式生物的應用尤其是當在有不同發育特點的生物中發現共同形態形成和變化特征時，發育的普遍原理也就得以建立。因為對這些生物的研究具有幫助我們理解生命世界一般規律的意義，所以它們被稱為“模式生物”。

第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第一個被用作模式生物的是海膽（SeaUrchin），它的胚胎對早期發育生物學的發展有舉足輕重的作用。早在1875年，奧斯卡·赫特維格（OscerHertiwig,1849-1922）就開始以海膽為材料研究受精過程中細胞核的作用，1890年后，海膽更在受精和早期胚胎發育的研究中起了重要作用。1891年，漢斯·德瑞熙（HansDriesh，1876－1941）在海膽中完成了海膽胚胎分裂實驗，為現代發育生物學奠定了第一塊觀念里程碑。他在顯微鏡下把剛剛完成第一次分裂的海膽一分為二，結果發現，分開后的兩個細胞各自形成了一個完整幼蟲。這一實驗的意義在于證明胚胎具有調整發育的能力，并使盛行一時的機械論發育思想完全破產。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二海膽卵的切割實驗第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二二、細胞核在細胞生長和分化中的作用

傘藻是一種大型的單細胞海生綠藻，細胞核在基部的假根內。據研究，控制子實體形態的物質是mRNA。它在核內形成后迅速向藻體上部移動，編碼決定子實體形態的特殊蛋白質的合成。

嫁接試驗第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二三、細胞核和細胞質在個體發育中的相互依存在個體發育過程中，細胞核和細胞質是相互依存、不可分割的；細胞核內的“遺傳信息”決定著個體發育的方向和模式，為蛋白質的合成提供模板(mRNA)以及其它各種重要的RNA，從而控制了細胞的代謝方式和分化程序；細胞質則是蛋白質合成的場所，并為DNA的復制、mRNA的轉錄以及tRNA、rRNA的合成提供原料和能量。另一方面，細胞質中的一些物質又能調節和制約核基因的活性，使得相同的細胞核由于不同的細胞質的影響而導致細胞的分化。第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第二節基因在細胞分化和細胞決定中的作用基因與發育過程個體發育階段性轉變的過程，實質上是不同基因被激活或被阻遏的過程。在發育的某個階段，某些基因被激活而得到表達，另一些基因則處于被阻遏狀態。在發育的另一階段，原來被阻遏的基因因激活而表達了，原來表達的基因卻被阻遏。基因是否得到表達，可從它的表達產物一蛋白質或轉錄產物mRNA（差異顯示），或通過比較突變型與野生型的表型來推斷。

第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二一、單細胞生物的細胞分化與發育的調控

分化與發育比較簡單

芽孢

RNA聚合酶：α2ββ’σ

二、多細胞生物細胞分化與細胞決定

自主特化

條件特化

合胞特化第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二例1噬菌體的分化和自然裝配控制T4噬菌體各“部件”的合成以及裝配，需要70個基因。大致分成二類：早期基因:主要控制早期侵染行為，產生早期的mRNA，編碼合成噬菌體DNA的酶等。晚期基因：主要控制蛋白質“部件”的合成，裝配新噬菌體并產生溶菌酶。無論早期基因或晚期基因發生突變，不能形成完整的噬菌體。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二2、細胞粘菌的發育控制在盤基網柄菌的不同發育階段，由不同的階段性專一酶，分別在發育的早期、中期、晚期發揮作用：早期酶：N-乙酰葡萄糖胺酶

α-甘露糖苷酶中期酶：蘇氨酸脫氨酶海藻糖磷酸合成酶晚期酶：堿性磷酸酯酶

β-葡萄糖苷酶第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二3、高等植物發育中基因的順序表達高等植物發育中基因的表達在時間和空間上都是受到精確控制的。某一特定發育時期某些mRNA及蛋白質合成的變化，即有關基因根據植物發育的需要依次表達的結果。

大豆種子發育過程中七種不同類型mRNA出現時間及相對數量。線條粗細代表mRNA的相對含量第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二4、高等動物發育中基因的順序表達人的血紅蛋白是由兩條相同的鏈和兩條相同的β鏈聚合而成的四聚體，即22。鏈基因簇包括一個活性基因、2個活性基因、1個假基因、2個假基因。β鏈基因簇含有5個功能性基因(1，2，1和1β基因)、1個β假基因。在人的一生中，血紅蛋白的鏈要經歷多次變化，即這些不同的鏈是在發育的不同時期表達的胚胎期(8周前)：22

22

22

胎兒期(3-9個月)：22

成人期(自出生開始)：2222

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二三、秀麗隱桿線蟲的細胞特化-一種是完全程序化的發育模式C.elegans:體長1mm，生命周期3天，胚胎發生期16小時。 1.2n=12，基因組8×107bp，約13,500個基因，相當于人的1/30。2.1090個體細胞，131個進入程序性死亡，成體由959個細胞組成。3.與原核相似25%左右的基因產生多順反子mRNA4.基因組中非重復序列達83%，E.coli為100%，真核生物都在50%以下；5.大部分是XX型自體受精的兩性體,XO型為雄體(突變型,約占1/500)。

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二五、個體發育的階段性個體發育存在階段性，在個體發育的過程中，各種性狀的發育，從受精卵開始分裂時就開始了。這種個體發育的階段性實質上是不同基因的被激活或被阻遏的過程。四、細胞程序性死亡與細胞凋亡第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二四、環境條件的影響生物個體的發育，與個體所處的環境條件密切相關。環境中的很多生物及非生物因子，都可以調控相關基因的表達，影響個體發育。

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二二、基因與發育模式

個體發育所經歷的不同階段，總是遵循預定的方向和模式。這是由個體的基因所決定的。同形異位基因就是其中的一種主要類型。同形異位基因控制個體的發育模式、組織和器官的形成。同形異位基因最早發現于果蠅胚胎發育中。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二果蠅的觸角腳突變，能夠使果蠅頭上觸角部位長出腳來。這種腳與正常的腳形態相同，但生長的位置卻完全不同。這種現象稱為同形異位現象。目前已在果蠅、動物、真菌、植物及人類等幾乎所有真核生物中發現有同形異位基因的存在。第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二受同形異位基因調節的結構基因包括控制細胞分裂，紡錘體形成和取向，細胞分化等發育過程的基因。目前對這些結構基因的鑒定和克隆的報道還不多。

第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第三節早期胚胎發育一、受精

卵原細胞→初級卵母細胞（二倍體）→1成熟卵+3極體。

分裂Ⅰ在排卵前進行，在精子穿入的刺激下完成分裂Ⅱ。精原細胞→多次有絲分裂，部分細胞停止分裂，吸取營養，胞體增大，變為初級精母細胞（二倍體）。初級精母細胞→成熟分裂→產生精細胞→經復雜的形態結構變化→精子。

精子：抗受精素（antifertilizin），專一性糖蛋白。卵子：受精素（fertiLinn）。通過這兩種蛋白質之間的反應，獲能被激活的精子頂體酶使精子得以穿過透明帶而進人卵膜周圍間隙，附于卵膜表面，然后精子和卵子的細胞膜相互融合。精子的細胞核和細胞質進人卵內，旋轉180”，細胞核膨大變圓，成為雄原核。精子的穿人刺激次級卵母細胞生成卵子，其細胞核稱為雌原核。雌原核和雄原核移動至細胞中部，核膜消失，細胞核合二為一完成受精。

第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二二、卵裂

受精卵形成后即不斷分裂成較小的細胞，這個過程稱為卵裂（cleavage）。卵裂的速度很快，每卵裂一次所需的時間依物種而異。卵裂產生的細胞稱為卵裂球（blastomere）。卵裂球只是數量增多，每個卵裂球沒有生長，總體沒有增大。斑馬魚15s海膽30s蛙60s小鼠10～20h

第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二三、胚層分化第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第四節基因在胚胎極性生成中的作用第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二濾泡細胞滋養細胞果蠅卵泡外表面含有一層濾泡細胞，它包圍在滋養細胞的四周，滋養細胞緊靠著卵母細胞。滋養細胞通過胞質橋彼此相連，也和卵母細胞的兩側相通。濾泡細胞是體細胞，滋養細胞和卵母細胞是生殖細胞果蠅胚胎的早期發育

第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二受精卵合胞體胚囊分裂1~8次細胞胚囊第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二控制發育的三類基因：1、母體基因(maternalgene)1)影響前-后極性的基因有bicoid(bcd)(兩頭尖)的前部群有nanos(nos)(侏儒)的后部群有torso(中段)和caudal的端部群2)影響背腹極性的基因dorsal(dal)和toll第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二2、影響身體分節的基因1)合子基因(zygotic)2)副節(parasegments)3)裂缺基因(gapgene)將胚胎分成對應于副體節的主要區域4)配對法則基因(pair-rulegenes)確定胚胎中的副體節5)體節極化基因(segmentpolaritygenes)負責副體節中細胞類型的特異化突變引起體節特定區域的缺失第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二果蠅幼蟲和成蟲的體節和副節第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二3、影響體節一致性的基因----同源異形基因(homeoticselectorgenes)(1)觸角足復合體(ANT-C)

該基因的突變使觸角變成了第二對腿

(2)雙胸復合體(BX-C)

含有幾組控制胸節發育的同源異形基因，若發生突變會導致腹部形態的改變

第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

第五節性決定

一．果蠅的性別決定(一)果蠅Y染色體的功能(二)性指數的作用(三)Sxl基因是主開關(四)Sx1控制體細胞性別分化基因(五)劑量補償作用第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

二、哺乳動物性別決定哺乳動物性決定：初級性決定，性染色體的決定次級性決定，性腺決定。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二次級性征通常是由性腺分泌的激素所決定的。胎兔的性腺在分化之前加以切除的實驗結果表明，在沒有性腺的情況下，不管其核型是XX還是XY，發育生成的兔子是雌性，都有輸卵管、子宮和陰道而沒有陰莖和雄性的生殖結構。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二三、Y染色體的睪丸決定基因

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（1）經測序分析，發現SRY含79個氨基酸的模體，且和高泳動蛋白（Highmobilitygroup,HMG）同源，具有DNA結合蛋白的特點調控的功能；（2）哺乳動物中SRY僅在雄性中存在；（3）小鼠Sry表達的時空性符合Tdy的決定作用；（4）經分子雜交發現XY雌鼠缺失了Sry序列。

XY性反轉小鼠Y染色體片斷易位到X染色體上；（5）在46xy女性的SRY編碼序列中曾發現過錯義，無義和移碼突變；（6）Koopman等將含有Sry的DNA片斷導入XY雌性胎鼠中，結果部分轉基因鼠產生了性反轉。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

在胚胎發育的第一個月，胎兒并無兩性分化，在形態上是中性的。胚胎時期的原始性腺由兩部分組成，其中包括有原始卵巢組織和睪丸組織。此外，在中性胚胎中存有兩條生殖導管。有性別已經分化了的正常個體中，兩種性腺組織和導管只有其中一套發育，非雌即雄。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

人類的性別決定與一種叫HY抗原的物質有關，它是一種含有162個氨基酸的蛋白質，存在于雄性個體所有組織的細胞膜上，它能使處于中性狀態的性原基分化發育成睪丸，如果沒有這種抗原存在，原始性腺將發育成卵巢。（睪丸決定基因是HY抗原的結構基因）。以后的性別分化就依賴于雌、雄激素的作用。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

雄性激素睪丸酮由睪丸產生，(1)決定輸精管、精囊腺、附睪的分化。(2)在5α還原酶作用下產生二氫睪丸酮，決定前列腺和外處殖器的發育。(3)睪丸酮能否發揮作用還