发育与遗传.ppt

12 发育与遗传,发育是生物的共同属性，是新一代生物体在其生活史开始后在结构上与功能上复杂程度逐步提高的有序变化过程。 发育是物种的遗传属性的表达和展现。 遗传控制发育的图式; 发育是基因按照特定的时间、空间表达的结果，是生物体基因型与内外环境因子相互作用，并逐步转化为表型的过程。,第一节 发育遗传学概述,发育遗传学是将胚胎学与遗传学相结合起来的一门学科， 主要是研究基因对胚胎发育的作用。 现在所说的发育已包括研究胚胎和以后的发育过程。 随着基因组学的发展，人们可以从细胞分化、器官发生和形态建成等不同层次上阐明生物体发育的遗传基础。,一、发育的5个过程,细胞分裂 cell division 模式形成 pattern formation 变形（形态发生) morphogenesis 细胞分化 cell differentiation 生长 growth 人为，相互重叠、相互影响,遗传与发育在细胞水平上的统一,发育是通过细胞分化来实现的。 分化是产生基因型相同但形态和功能趋异的各种类型细胞的一个变化过程。 分化产生了细胞的多样性，构成了形态建成和生长的基础，并保证了生命的世代延续。,单细胞生物也有分化和发育过程，只是比较简单。 多细胞生物的特化和发育过程要复杂得多。合子形成后，分离并分化产生了许多种类型的细胞。在出现真正的形态功能的分化之前，细胞将分化成什么类型，具有什么功能就已经被“指定”（commitment）。 “指定”可以分成两个阶段： 特化（specification）和 决定（determination）。,所谓“特化”是指细胞或组织在一个中性环境中，例如，在一个周围没有其他细胞或组织影响的体外培养环境中，仍按原先被指定的命运自主地进行分化。 所谓“决定”则是指细胞或组织即使处在胚胎的另一区域，仍不受周围其他细胞或组织的影响，按原先指定的命运自主的进行分化。决定意味这原先指定的发育命运是不可改变的。 细胞的命运通常是通过下列3种途径被指定：自主特化，条件特化，合胞特化。 （一）自主特化 大部分无脊椎动物的特性 （二）条件特化 所有脊椎动物和少数无脊椎动物的特性 （三）合胞特化 昆虫纲的无脊椎动物的特性。,,二、基因通过控制蛋白质合成来控制细胞的行为 三、发育基因的鉴定,1.3 早期胚胎发育,一、受精 生物的雌雄配子（精子和卵）通过受精成为合子（受精卵）。在受精以前已完成减数分裂的称为卵子。未受精的卵细胞称为卵母细胞。 精子和卵子结合成为受精卵，这一过程称为受精。,二、卵裂,受精卵形成后即不断分裂成较小的细胞，这个过程称为卵裂。 第一次卵裂和第二次卵裂都是纵向分裂，但两者的分裂面相互呈直角，把受精卵垂直分裂成4个体积相同的卵裂球。第三次分裂则是横向分裂，是不均等的水平分裂，分成的8个卵裂球中，上面的4个体积小，下面的4个体积大，含有大量的卵黄（yolk）颗粒。,三、胚层分化,胚泡中分化出现与滋养层细胞完全不同的内细胞团，这是哺乳动物早期发育过程中的关键过程。 在8个卵裂球期，每个卵裂球在生化、形态和发育潜能上都没有差别，也就是在发育上是全能的。 处在外层的细胞生成滋养层，二处在内层的细胞则生成内细胞团而产生胚胎。 精子来源的基因可能是绒毛膜正常发育所需，而卵来源的基因，则为胎儿发育本身所必需。 在胚胎发育过程中，各种类型的细胞沿着前-后轴和背-腹轴特化，进一步生成各种组织和器官，轴的特化过程是基因作用的结果。,细胞程序性死亡,多细胞生物体的一些细胞当不再为生物体所需时，或是已受到损伤时，会激活受遗传控制的自杀机构而自我毁灭，出现所谓的细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）。 细胞程序性死亡通常采取细胞凋亡（apoptosis）的形式。 2、细胞程序性死亡的形式 （1）细胞凋亡 （2）其他类型 自吞噬性程序性细胞死亡 Paraptosis:形态学特征是细胞浆空泡化，线粒体和内质网肿胀，但没有核固缩现象。 细胞有丝分裂灾难:作为一种死亡机制可以使这种非正常分裂的细胞死亡 Oncosis:具有明显肿胀特点的细胞死亡，中文一般翻译为胀亡.,1、细胞程序性死亡的概念,,细胞程序性死亡是生物进化过程中，在自然选择压力下形成的有利于生物体生存的一种机制。 （一）在个体发育过程中，细胞程序性死亡使细胞保持一定的数量和处在正确的位置上。 （二）细胞程序性死亡也是一种细胞的利他性死亡（altruistic cell death）。局部的、个别的死亡有利于整体的或群体的存活。,细胞凋亡的外文apoptosis是希腊字，原意是花瓣凋落。细胞凋亡是细胞的生理性死亡，与病理性死亡——细胞坏死（necrosis）是有区别的。,细胞凋亡,,,Caspase Cascade: 细胞凋亡是一系列高度调控的半胱氨酸蛋白酶caspase级联反应 (cascade)事件的结果,,,,,,,,细胞凋亡时的形态特征时细胞变成圆球状，细胞外膜鼓起形成腔泡，细胞核膜和细胞的一些内部结构破裂，细胞核内的染色体DNA被酶切成断片；当细胞破裂成碎片前细胞膜不破裂，因此细胞内含物不泄漏出来，不引起炎症反应；细胞碎片被周围的活细胞吞噬，而不是被专职的巨噬细胞所清除。 细胞坏死则是细胞受到急性损伤而出现的坏死，表现为细胞胀大，裂解，释放出大量的内含物，引起炎症，坏死细胞最终被巨噬细胞清除。,,目前，鉴定细胞凋亡的最常用的分子生物学方法是抽提细胞的DNA，经琼脂糖凝胶电泳，如出现一系列长度不等的DNA片段的电泳条带(因为:细胞核内的染色体DNA被核酸内切酶降解成180bp-200bp片段属于有层次之断裂)，则可初步判定该细胞为凋亡的细胞。,,细胞凋亡或细胞程序性死亡在生物发育过程中起重要作用，因此，当调控细胞凋亡的有关基因发生突变而打乱细胞死亡的程序时，就会出现异常情况，使本应死亡的细胞不进入死亡，正常情况下不进入死亡的细胞却发生死亡。 这样就会造成发育异常或引起肿瘤等疾病。所以，细胞凋亡或细胞程序性死亡也与医学密切相关。,PCD 作用,PCD作为细胞的一种基本生物学现象，在多细胞生物去除不需要的或异常的细胞中起着必要的作用。它在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中发挥重要的作用。这一过程调控异常与免疫性疾病和发育障碍、神经退行性病变和癌症等多种人类疾病密切相关。因而，程序性细胞死亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学意义及复杂的分子生物学机制。 形态形成 清除结构 调控细胞数目 清除潜在危险,,形态形成 PCD在器官发生和组织重塑中发挥至关重要的作用。其中众所周知的就是高等脊椎动物中手指（脚趾）的形成。在胚胎发育期间借助于指间的细胞凋亡，我们才有了手指而不是鸭蹼。凋亡是形成四肢的主要细胞死亡机制，在小鼠中促凋亡基因的失活可部分地保留趾间组织。在果蝇中，凋亡对腿关节的形成以及分节形态发育起关键性的作用。 清除结构 在发育的过程中，机体借助于PCD清除掉那些不再需要的，发挥过渡功能的结构。其中包括进化残留物、单性别中需要或仅短暂发挥功能的结构。例如，人在胚胎阶段是有尾巴的，正因为组成尾巴的细胞恰当地死亡，才使我们在出生后没有尾巴。如果这些细胞没有恰当地死亡，就会出现长尾巴的新生儿。,,调控细胞数目 发育中的组织和器官主要依赖于细胞分裂和PCD之间的动态平衡以维持适当的细胞数目。大多数的器官，例如神经细胞、免疫系统和生殖系统均借助于PCD清除过度生成的细胞。在女性体内，借助PCD可清除掉近80%的卵母细胞。在哺乳动物中枢神经系统超过一半的神经元通过PCD清除。对有限存活信号的竞争确保了组织中不同细胞类型的适当比例。相同的竞争也存在于以不同速率增殖的细胞间。分裂较慢的细胞就会被快速分裂的细胞淘汰。细胞竞争被认为促成了生长平衡，对正常发育过程中可能存在的变异进行调整，挑选出有利于器官功能的最适合的细胞。 清除潜在危险 PCD还可在发育阶段和成人后的生命过程中发挥保护作用清除异常及潜在危险的细胞。,2002年诺贝尔生理与医学奖获得者 悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿,当地时间2002年10月7日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖评审委员会将2002年诺贝尔生理学或医学奖授予了悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿等三位科学家，以表彰他们在“细胞程序性死亡”这一领域中的开创性工作。 他们不但发现在生物的器官发育过程中存在细胞程序性死亡，而且阐明了细胞程序性死亡过程中的基因规律。,布雷内慧眼识线虫  20世纪60年代末，英国科学家悉尼·布雷内希望能找到一种适于基因水平研究，并能确定完整的神经系统的实验生物模型。最终布雷内选择了一种较为简单的生物——秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C. elegans）。,1960年代，布伦纳在分子生物学领域成就突出。 1961年 他与佛朗西斯·克里克通过克里克-布伦纳实验解释了蛋白质翻译的三元码，发现了移码突变。这个发现提供了遗传密码前期解释。之后他专注于秀丽隐杆线虫的研究。发现器官发育和细胞程序性细胞死亡（细胞程序化凋亡）的遗传调控机理。 2002年 12月，他的诺贝尔演讲的题目为《Nature‘s Gift to Science》，介绍了线虫动物门，他被认为选择了正确研究方向，并选择了正确的生物体。 布伦纳是科学界的传奇人物，他的研究从DNA编码、基因测序到胚胎发育、生物进化，可以说涵盖了整个现代生命科学领域。他因为研究线虫作出的贡献而获得了2002年诺贝尔生理学及医学奖。,秀丽隐杆线虫非常适合用作基因分析 显而易见的体形小、生长周期快等优点 还因为它是一种可以自我繁殖的雌雄同体生物，非常有利于得到具有同一基因结构的纯合体线虫。 另外，秀丽隐杆线虫还存在一种雄性个体，它不能自我繁殖，必须与雌雄同体的线虫交配才可繁衍后代。利用雄性个体，人们可以将突变基因从一种线虫转移到另一种线虫中去。,事实上，利用线虫的形体和运动特征以及协调性缺乏等突变特征，布雷内建立了最为丰富的突变体线虫株，并将线虫形体、行为的改变与染色体上的突变位点——对应起来。 这就使得基因分析能够和细胞的分裂、分化以及器官的发育联系起来，为后来人们发现细胞凋亡及其机制奠定了基础。,苏尔斯顿提出“细胞程序性死亡”  秀丽隐杆线虫非常小而且是透明的，成年的雌雄同体线虫总共才959个细胞，这就便于研究人员通过显微镜观察活的完整线虫的内部构造，并且能直接观察线虫发育过程中单个细胞的迁移、分裂以及死亡，从而使人们能了解线虫发育过程中各个细胞的命运。 英国科学家约翰·苏尔斯顿和美国科学家罗伯特·霍维茨就是利用这种手段．通过艰苦的工作，确定了线虫发育过程中每一个细胞的分裂和分化及其最终的命运。,科学家们发现，在脊椎动物和非脊椎动物的正常发育过程中都存在细胞正常死亡的现象，这些细胞的死亡都伴随着一系列的形态改变，不对周边细胞产生影响。 苏尔斯顿将这些细胞死亡解释为“细胞程序性死亡”，并且仔细地描述了在这一过程中细胞经历的变化。 在雌雄同体的秀丽隐杆线虫发育过程中，有131个细胞发生了凋亡。苏尔斯顿发现线虫中这种不同寻常的细胞死亡后，和其他科学家对其机制展开了深入的研究。他们利用布雷内建立的突变的线虫株，发现并分离了一系列影响细胞凋亡的基因，包括ced-1、ced-2 和 nuc-1，提出生物发育过程中细胞的凋亡是由一系列基因控制的。 创造性的毁灭——细胞凋亡,(二)霍维茨等人确认“死亡基因”  1986年，罗伯特·霍维茨及其学生发现了线虫中在细胞凋亡过程中起关键作用的两种基因：ced-3和ced-4。这两种基因的缺失将改变细胞的命运，使线虫中原本正常情况下会死亡的细胞存活并继续分化下去。同时，对于早先发现的在细胞凋亡中起作用的基因，他们也弄清楚了它们所起的确切作用。,2002年生理和医学奖授予了线虫生物学的开拓者：西德尼·布雷纳（Sydney Brenner）、约翰·萨尔斯顿（John Sulston）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）。,在知道了控制线虫细胞凋亡的关键性基因后，霍维茨的一位中国学生于1993年克隆了ced-3 基因，并且发现该基因表达的蛋白质与哺乳动物中的一种酶非常相似。随后的研究发现，该酶与细胞凋亡相关，这表明在哺乳动物中也存在引起细胞凋亡的基因及其表达。,研究新成就及研究的意义 现在，随着对细胞凋亡机制研究的深入，科学家们发现很多细胞内和细胞外信号都可以启动细胞的凋亡。 目前，科学家们发现与细胞凋亡相关的基因有三类 促进细胞死亡的基因、 抑制细胞死亡的基因和 在细胞死亡过程中表达的基因。,细胞凋亡的发现以及对细胞凋亡发生机制的研究，为科学开拓出一个神奇的新领域，意义非常深远。 首先，它加深了人类对于生命的认识。在生物体内，有些细胞将牺牲自己以便于机体自身的维持与更新，可以说，细胞凋亡广泛存在于各种生物体内。 同时，细胞凋亡也存在于生物发育的各个阶段。蝌蚪在变态期，尾部细胞将发生凋亡，从而使其能转变成正常的成体蛙。 从另外一个角度说，细胞凋亡是一种积极而主动的“创造性的毁灭”过程。譬如，在生物体的正常新陈代谢过程中，细胞的凋亡有助于消除体内衰老的细胞，维持组织器官的形体大小，又不引发炎症反应。,此外，鉴于细胞凋亡过程受到许多基因及其产物的调控，在临床上，如果有选择性地、可控制性地诱导癌细胞的凋亡，同时对机体的正常细胞不产生或产生较小的副作用，对于攻克癌症及其他一些医学顽症将起到重大突破作用。 细胞凋亡在神经退化性疾病中所扮演的角色（如阿兹海默氏症（失智症的类型之一）、亨丁顿舞蹈症（Huntington's disease）、帕金森病（Parkinson's Disease）、肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS），是目前热门的研究话题，人们在这个领域也进行着很多研究。 因此，对细胞凋亡及其机制的研究将为癌症、糖尿病等许多疾病的治疗提供新的可能的方法。对人类健康事业产生重大影响。,