第06章 基因与发育
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基因与发育讲课文档
现在十页，总共一百二十四页。
例如：控制肌肉细胞的决定和分化的 myo-D基因家族
•脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和氨基酸 序列相似，进化上高度保守
•myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基酸 组成，其中含有HLH域
•myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达，是决 定的开关基因→myo-D与myf5共同作用维持成肌细 胞的一致性→所有4种因子协同作用起始肌肉细胞的 分化→myogenin维持分化的成体表型
• 定义 • 特点 • 分类
– 全能干细胞：胚胎干细胞，卵裂球
– 多能干细胞：内细胞团 的一些细胞 – 多效干细胞：专能干细胞
现在三十八页，总共一百二十四页。
干细胞：既能不断增殖更新自身，并保持着 全能分化的特性，又可产生各种分化类型的 子代细胞
• 全能干细胞(totipotent):能够分化产生各种 细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞 (embryonic stem cell)
②发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式(pattern)，发育
则是基因按严格的时间和空间顺序表达 的结果，是基因型与环境因子相互作用 转化为相应表型的过程
现在五页，总共一百二十四页。
发育遗传学的研究特点
③发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
蝇和人类的发育途径基本相同，控制发 育的基因在进化上是保守的，在结构和 功能上有很高的同源性 ④发育中基因之间的作用
•细胞碎片被周围细胞吸收
•吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生
现在二十一页，总共一百二十四页。
细胞凋亡与线粒体
线粒体在凋亡的表现 • 释放细胞色素C • 电子传递改变 • 细胞氧化还原作用改变
例如：控制肌肉细胞的决定和分化的 myo-D基因家族
•脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和氨基酸 序列相似，进化上高度保守
•myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基酸 组成，其中含有HLH域
•myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达，是决 定的开关基因→myo-D与myf5共同作用维持成肌细 胞的一致性→所有4种因子协同作用起始肌肉细胞的 分化→myogenin维持分化的成体表型
• 定义 • 特点 • 分类
– 全能干细胞：胚胎干细胞，卵裂球
– 多能干细胞：内细胞团 的一些细胞 – 多效干细胞：专能干细胞
现在三十八页，总共一百二十四页。
干细胞：既能不断增殖更新自身，并保持着 全能分化的特性，又可产生各种分化类型的 子代细胞
• 全能干细胞(totipotent):能够分化产生各种 细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞 (embryonic stem cell)
②发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式(pattern)，发育
则是基因按严格的时间和空间顺序表达 的结果，是基因型与环境因子相互作用 转化为相应表型的过程
现在五页，总共一百二十四页。
发育遗传学的研究特点
③发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
蝇和人类的发育途径基本相同，控制发 育的基因在进化上是保守的，在结构和 功能上有很高的同源性 ④发育中基因之间的作用
•细胞碎片被周围细胞吸收
•吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生
现在二十一页，总共一百二十四页。
细胞凋亡与线粒体
线粒体在凋亡的表现 • 释放细胞色素C • 电子传递改变 • 细胞氧化还原作用改变
【培训课件】基因与发育
• 基因的等价性（genome equivalence） 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力。 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力。植物的细胞全能性大于动物细胞。
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
– 1999年2月,Christopher.R.R.Bjornorson • Neural stem cells-------blood cells
– 1999年4月,Mark.F.Pittenger • Human mesenchymal stem cells------bone,cartilage,,fat,tendon,muscle and stroma
• 从遗传学角度来说，发育是基因按照特 定的时间，空间程序表达的过程。研究 基因对发育的调控作用的学科就是发育 遗传学（Developmental Genetics) 。
发育遗传学的研究特点
•发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史。
对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始 到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键 的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
• 同时美国John-Hopkins Bayview Hospital的John.D.Gearhart从终止妊娠 的胎儿组织中原本要发育成睾丸或卵巢 的部位取得细胞进行培养，得到多能干 细胞。
特异组织中分离出干细胞
Vincent Tropepe(science vol 287.2000.3) 从成年小鼠的眼睛中鉴定出一种干细胞。 这些细胞的克隆可以分化出视网膜特异 的细胞类型，包括视杆细胞，双极细胞， Miiller胶质细胞
有相同表达的能力。 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力。植物的细胞全能性大于动物细胞。
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
– 1999年2月,Christopher.R.R.Bjornorson • Neural stem cells-------blood cells
– 1999年4月,Mark.F.Pittenger • Human mesenchymal stem cells------bone,cartilage,,fat,tendon,muscle and stroma
• 从遗传学角度来说，发育是基因按照特 定的时间，空间程序表达的过程。研究 基因对发育的调控作用的学科就是发育 遗传学（Developmental Genetics) 。
发育遗传学的研究特点
•发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史。
对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始 到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键 的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
• 同时美国John-Hopkins Bayview Hospital的John.D.Gearhart从终止妊娠 的胎儿组织中原本要发育成睾丸或卵巢 的部位取得细胞进行培养，得到多能干 细胞。
特异组织中分离出干细胞
Vincent Tropepe(science vol 287.2000.3) 从成年小鼠的眼睛中鉴定出一种干细胞。 这些细胞的克隆可以分化出视网膜特异 的细胞类型，包括视杆细胞，双极细胞， Miiller胶质细胞
基因与发育(分析“基因”文档)共115张PPT
33
2. 重链基因的重排与连接
胚V3
L Vn
D1~D12 1 2 3 12
J H
1 2 34
C μ δγ 3γ1γ2bγ2aεα
B 细胞 DNA
L V1
L
V 2
D 2 J3
γ 1 γ2bγ2a εα
RNA
5’
初始转录本
3 ’ poly （A）
成熟
5’
mRNA
③第一次无效重排后，细胞内又发生另一次有效重排 ，生成Ig+/Ig-，阻止了进一步重排的发生。
39
胚系基因（Iog/Igo）
V
J-C
V
J-C
有效重排，产生 Igo/Ig+
V
J-C
V J-C 转录
翻译
Ig 蛋白
无效重排，产生 Igo/Ig－
V
J-C
V
J-C
第二次等位基因重排，产生 Ig+ /Ig－
V
位于C基因片段的增强子附近时，启动子活化。
42
3、类别转换
抗原激活B细胞后，膜上及分泌的Ig类别会由IgM 转成IgG、A、E其它类别，但V区不变；
5 种Ig类别：IgM、IgD、IgG、IgE和IgA。
43
IgM（任何B细胞都产生的第一类Ig） IgG具有一定的活化补体的能力，导致侵入细胞的
细胞免疫 在体液免疫中，B淋巴细胞首先识别外源致病因 子或其他任何形式的抗原，通过浆细胞（即成熟B淋 巴细胞）不断分泌出能溶于血液蛋白质中的免疫球蛋 白（immunoglobulin， Ig）。
7
8
Ig （抗体）分子通过特定的结合位点形成抗原抗体复合物，最终被巨噬细胞所吞噬。Ig最高可占
学习课件-基因与发育
性别决定基因发生作用
发育水平：
原始细胞发育成卵巢或者精巢
果蝇性别决定：
哺乳类性别决定基因
Discovery
Testis determination Y Chromosome
TDF (Testis Determing Factor)
SRY ( Sex Determing region of the Y ) HMG(High Mobility Group) box SOX gene Family
细胞核的去分化
• 高度分化的细胞核在一定的条件下，可 能脱离原有的分化特征，形成具有高度 分化能力的全能干细胞能力。 例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去了 核的卵中，发育成蝌蚪。 克隆羊多利等。
原来认为的专能干细胞可以分 化成毫不相关的细胞类型。
– 1997年4月,Martin.A.Eglitis • Hematopoietic cells-------microglia and macroglia in brain
• 基因的等价性（genome equivalence） 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力。 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力。植物的细胞全能性大于动物细胞。
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
发育遗传学的研究特点
• 发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式（pattern），发
育则是基因按严格的时间和空间顺序表 达的结果，是基因型与环境因子相互作 用转化为相应表型的过程。
发育遗传学的研究特点
• 发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
发育水平：
原始细胞发育成卵巢或者精巢
果蝇性别决定：
哺乳类性别决定基因
Discovery
Testis determination Y Chromosome
TDF (Testis Determing Factor)
SRY ( Sex Determing region of the Y ) HMG(High Mobility Group) box SOX gene Family
细胞核的去分化
• 高度分化的细胞核在一定的条件下，可 能脱离原有的分化特征，形成具有高度 分化能力的全能干细胞能力。 例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去了 核的卵中，发育成蝌蚪。 克隆羊多利等。
原来认为的专能干细胞可以分 化成毫不相关的细胞类型。
– 1997年4月,Martin.A.Eglitis • Hematopoietic cells-------microglia and macroglia in brain
• 基因的等价性（genome equivalence） 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力。 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力。植物的细胞全能性大于动物细胞。
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
发育遗传学的研究特点
• 发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式（pattern），发
育则是基因按严格的时间和空间顺序表 达的结果，是基因型与环境因子相互作 用转化为相应表型的过程。
发育遗传学的研究特点
• 发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
遗传学第六章基因与发育
2
1
3种胚层经过了细胞分化生成各种器官的原基，如肢、眼、心等原基，这是器官生成。
原基先是生成微小而精确的结构，然后逐渐长大，在生物体的各个正确部位长成各种器官和组织，这是形态建成。
神经管胚形成期
器官生成 形态建成 人的发育过程
全能干细胞（totipotent）:能够分化产生各种细胞直至个体的细胞。例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。
如果背部蛋白质没有进入细胞核，则细胞核的腹化基因不能激活，背化基因不被抑制——分化出背化细胞。
当合胞体细胞形成许多细胞时，背部蛋白质进入合胞体腹侧的细胞核，细胞核的腹化基因被激活，背化基因被抑制——分化出腹化细胞；
母体背部基因的RNA在卵受精后90min时才翻译产生背部蛋白质。
前端组织中心
后端组织中心
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。 可是当卵裂球成团结合时，细胞处在外层还是内层，会使以后生成的卵裂球出现了不同的生物学功能。处在外层的细胞生成滋养层，而处在内层的细胞则生成内细胞团而产生胚胎（几个细胞？）。
如果胚泡中只有一个细胞形成以后的胚胎，则生下小鼠的毛色或者全是黑色，或者全是白色。 如果胚泡中有两个细胞参与胚胎的生成，则异决表型小鼠的数目应占子代中的半数（1ww：2wB：1BB）， 如果胚泡中的3个细胞生成胚胎，则异决表型小鼠应占75％（1www：3wwB：3wBB：1BBB）； 如果胚泡中的4个细胞生成胚胎，则毛色黑白相间小鼠的概率为87.5％。
（2）成对规则基因（pairrule genes）
成对规则基因
2、分节基因
体节极性基因的转录图式是受成对规则基因pair－rule基因所调控，这类基因的功能是保持每一体节中的某些重复结构，体节极性基因在每个体节内部调控其发育模式，包括极性。 当这类基因发生突变后，会使每一体节的一部分结构缺失，而被该体节的另一部分的镜像结构所替代。例如：engrail基因是保持前后体节间的分界，engrail突变型胚胎则出现前后体节融合为一，即每一体节的后半部被后一个体节的前半部的重复结构所替代。
基因与发育
什么是细胞定向：在出现真正的形态和功能的分化之前，细胞将 分化成什么类型，具有什么功能就已经被“定向”(commitment)。 “定向”可以分成两个阶段：特化和决定。 特化，是指细胞或组织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。 决定”，则是指细胞或组织即使处在胚胎的另一区域中，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地进化。决 定意味着原先定向的发育命运是不可改变的。
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
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。
第二节
基因在细胞分化和细胞决定中的 作用
基因与发育过程 个体发育阶段性转变的过程， 个体发育阶段性转变的过程，实质上是不同基因被 激活或被阻遏的过程。在发育的某个阶段，某些基 激活或被阻遏的过程。在发育的某个阶段， 因被激活而得到表达， 因被激活而得到表达，另一些基因则处于被阻遏状 在发育的另一阶段， 态。在发育的另一阶段，原来被阻遏的基因因激活 而表达了，原来表达的基因却被阻遏。 而表达了，原来表达的基因却被阻遏。 基因是否得到表达，可从它的表达产物一蛋白质或 基因是否得到表达， 转录产物mRNA（差异显示），或通过比较突变型 ），或通过比较突变型 转录产物 （差异显示）， 与野生型的表型来推断。 与野生型的表型来推断。
第06章 基因与发育.ppt
细胞凋亡(apoptosis)是编程性死亡的一 种方式，生理性死亡
细胞坏死：病理性死亡
• 细胞编程性死亡(programmmed cell death)在生物发育中具有重要作用，有关 基因发生突变，就会引起发育异常
例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细 胞进入编程性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入编程性死亡
个体发育的生物学功能
• 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长
• 生命的延续性功能 性别分化 繁殖
二、细胞定向(commitment) 和细胞分化
• 决定(determination): 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调 控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了 这些细胞的分化命运
中胚层mesoderm：结缔组织，骨，血液， 心，平滑肌，睾丸，卵巢… …
外胚层ectoderm：表皮，毛发，甲…… 内胚层endoderm：消化道，尿道，肝，胆，
胰腺… …
Embry onic
develo pment of the marine animal Amphi oxus, a protoc hordat
– 1999年4月,Mark.F.Pittenger • Human mesenchymal stem cells------bone,cartilage,,fat,tendon,muscle and stroma
– 1999年5月,B.E.Petersen • bone marrow stem cells-----hepatic oval cells
• 基因的等价性genome equivalence 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力；植物的细胞全能性大于动物细胞
细胞坏死：病理性死亡
• 细胞编程性死亡(programmmed cell death)在生物发育中具有重要作用，有关 基因发生突变，就会引起发育异常
例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细 胞进入编程性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入编程性死亡
个体发育的生物学功能
• 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长
• 生命的延续性功能 性别分化 繁殖
二、细胞定向(commitment) 和细胞分化
• 决定(determination): 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调 控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了 这些细胞的分化命运
中胚层mesoderm：结缔组织，骨，血液， 心，平滑肌，睾丸，卵巢… …
外胚层ectoderm：表皮，毛发，甲…… 内胚层endoderm：消化道，尿道，肝，胆，
胰腺… …
Embry onic
develo pment of the marine animal Amphi oxus, a protoc hordat
– 1999年4月,Mark.F.Pittenger • Human mesenchymal stem cells------bone,cartilage,,fat,tendon,muscle and stroma
– 1999年5月,B.E.Petersen • bone marrow stem cells-----hepatic oval cells
• 基因的等价性genome equivalence 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力；植物的细胞全能性大于动物细胞
遗传学第六章 基因与发育
多 能 干细胞
全 能 干细胞
多 效 干细胞
第四节 基因在胚胎极性生成中的作用
• 在胚胎发育过程中，各种 类型的细胞特化方向： 1. 前、后轴方向（头尾） 2. 背、腹轴方向 3. 左、右轴方向
孔 细 胞
一、果蝇胚胎极性的形成
原肠胚生成期： • • • 腹沟形成 头沟形成 孔细胞（含极质、P颗粒）进 入胚胎内部
例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。
• 多能干细胞（pluripotent stem cell）:具有多种分化能力的细胞。
例如不同胚层的特异性细胞可以分化形成特定的组织和器官。
• 多效干细胞（multipotent stem cell）：具有专一分化能力的细胞。 例如骨髓中的造血干细胞。
• hunchback基因受bcd基因调控而转录 表达第一个合子基因。
•
Bicoid蛋白质结合hunchback基因，激 活hunchback基因转录，形成头胸。突 变时，不生成头和胸。
•
Nanos蛋白质则在后部抑制hunchback 基因mRNA的翻译，形成腹部。 Nanos 蛋白质缺失，抑制形成腹部。
•
异决表型小鼠试验：将基因型不同的两种小鼠，例如皮毛为黑色的和白
色的两种小鼠的8细胞期胚胎去除透明带后人工聚集成为一个胚胎，形成一个 共同的胚泡后，生下的小鼠中有毛色黑白相间的异决表型小鼠，即这种小鼠 兼有两种基因型的细胞。 1. 如果胚泡中只有一个细胞形成以 后的胚胎，则生下小鼠的毛色或 者全是黑色，或者全是白色。
第一节 发育遗传学概论
从生物学角度来说，发育是高等生物从受精卵开始发育，经过 一系列细胞分裂和分化，产生新个体，生长繁殖的一系列过程。 从遗传学角度来说，发育是基因按照特定的时间、空间程序表 达的过程。
遗传学第六章 基因与发育
梯度，这两种梯度间的相互作用产生了位
置信息，决定每个体节的实体。
2、分节基因 （1）裂隙基因 gap gene
• 这是一些受母体效应基因调控的合子 基因，在胚胎的一定区域（约2个体节 的宽度）内表达 这些基因如发生突变，则会使胚胎体 节图式出现裂隙 这是胚胎转录的第一批基因
裂隙 基因
•
•
hunchback基因
•
• •
线虫细胞程序性死亡至少有14个基因起作用
这些基因被命名为ced基因。 ced－3和ced－4使细胞进入 程序性死亡，当这2个基因中 有一个发生突变时，可使细 胞不出现程序性死亡； ced－9的作用正好相反，是 细胞死亡的负调控基因，只 有当它发生突变丧失原有功 能时，才是致死的。
•
第三节 早期胚胎发育
前端组 织中心
后端组 织中心
•
•
叶蝉胚胎连接实验
• 如果把发育早期的卵切成两半，前端和后 端分开，然后把一个卵的前半部和另一个
卵的后半部连接起来，结果前半个卵发育
出前端胚胎，后半个卵发育出后端胚胎， 但都没有胚胎中部的体节。
•
如果是在卵的发育后期切割后再连接，则
会生成一些中部体节。这个实验证明，在 正常 卵裂期间，卵的两端确有控制胚胎发育的
参与了生物体许多过程的细胞去除机制，是由基因编 程调控的 细胞主动自杀过程。 生物体通过这种机制完成对衰老细胞和畸形细胞的清除。
3、细胞编程性死亡的意义
（1）发育中具有重要作用
• 本该死亡的基因不死亡，导致癌的 形成或自身免疫性疾病。 •
（2）是一种细胞的利他性死亡
高等植物的木质部细胞程序性死亡，构 成了输送液体的管道，使植株得以生长。 在植物发育过程中有一种超敏反应，细 菌感染时，不仅杀死自身，而且使周围 的细胞发生变化乃至死亡。这是防止细 菌在细胞中增殖和传播的一种防御保护 机制。这是一种重要的植物免疫机制。 动物，如两栖类的青蛙，当蝌蚪变成为 青蛙时，构成尾巴的细胞就进入程序性
遗传学第六章基因与发育
（1）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。
• P颗粒
• 不对称分裂
可编辑ppt
7
（2）细胞程序性死亡
• 131个进入细胞编程性死亡，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。
• 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。
2. 如果胚泡中有两个细胞参与胚胎 的生成，则异决表型小鼠的数目 应 占 子 代 中 的 半 数 （ 1ww ： 2wB ： 1BB），
3. 如果胚泡中的3个细胞生成胚胎， 则 异 决 表 型 小 鼠 应 占 75 ％ （ 1www ： 3wwB：3wBB：1BBB）；
4. 如果胚泡中的4个细胞生成胚胎， 则毛色黑白相间小鼠的概率为 87.5％。
了输送液体的管道，使植株得以生长。
• 本该不进入死亡程序的细胞发生死 • 在植物发育过程中有一种超敏反应，细菌
亡，引起中风或老年性痴呆等疾病。
感染时，不仅杀死自身，而且使周围的细
• 许多种类型的神经元，有一半会在 发育过程中进入细胞程序性死亡。 消除在错误部位生长的神经元，也
胞发生变化乃至死亡。这是防止细菌在细 胞中增殖和传播的一种防御保护机制。这 是一种重要的植物免疫机制。
可编辑ppt
2
第二节 基因在细胞分化和细胞决定中的作用
细胞分化的多样性功能
个体 发育
细胞分化 形态建成 生长
生命的延续性功能
性别分化 繁殖
• 细胞分化 ：是指多细胞生物在由一
个细胞分裂而来的子细胞群体内， 产生出形态上和功能上具有质的差 别的两种类型以上的细胞的现象。
• P颗粒
• 不对称分裂
可编辑ppt
7
（2）细胞程序性死亡
• 131个进入细胞编程性死亡，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。
• 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。
2. 如果胚泡中有两个细胞参与胚胎 的生成，则异决表型小鼠的数目 应 占 子 代 中 的 半 数 （ 1ww ： 2wB ： 1BB），
3. 如果胚泡中的3个细胞生成胚胎， 则 异 决 表 型 小 鼠 应 占 75 ％ （ 1www ： 3wwB：3wBB：1BBB）；
4. 如果胚泡中的4个细胞生成胚胎， 则毛色黑白相间小鼠的概率为 87.5％。
了输送液体的管道，使植株得以生长。
• 本该不进入死亡程序的细胞发生死 • 在植物发育过程中有一种超敏反应，细菌
亡，引起中风或老年性痴呆等疾病。
感染时，不仅杀死自身，而且使周围的细
• 许多种类型的神经元，有一半会在 发育过程中进入细胞程序性死亡。 消除在错误部位生长的神经元，也
胞发生变化乃至死亡。这是防止细菌在细 胞中增殖和传播的一种防御保护机制。这 是一种重要的植物免疫机制。
可编辑ppt
2
第二节 基因在细胞分化和细胞决定中的作用
细胞分化的多样性功能
个体 发育
细胞分化 形态建成 生长
生命的延续性功能
性别分化 繁殖
• 细胞分化 ：是指多细胞生物在由一
个细胞分裂而来的子细胞群体内， 产生出形态上和功能上具有质的差 别的两种类型以上的细胞的现象。
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第六章 基因与发育
性别决定 个体发育 ----基因按时空顺序表达的结果
一、发育遗传学
• 什么是发育？ • 细胞的分化 • 细胞凋亡 • 生物形态的建成 • 性别分化与繁殖
什么是发育
• 从生物学角度来说，发育是生物的细胞 分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一 系列过程
• 从遗传学角度来说，发育是基因按照特 定的时间、空间程序表达的过程
• 研究基因对发育的调控作用的学科就是 发育遗传学(Developmental Genetics)
发育遗传学的研究特点
①发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史
对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始 到个体正常死亡；其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键 的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
• 合子卵裂产生的子细胞获得了合子细胞 质的不同部分，从而使不同的子细胞有 不同的发育命运，这是由该细胞的细胞 质成分决定的，而与其四周的细胞无关
• (2)条件特化(conditional specification) 这是所有脊椎动物和少数无脊椎动物的 特性
• 是通过与周围细胞的相互作用来决定分 化的命运；这种特化途径取决于细胞在 胚胎中所处的位置
—Dolly羊
双重开关binary switch
◆ 双重开关binary switch：在不同发育途径的 决定点上，起核心作用的基因具有多向分化功 能 例如： •无脊椎动物和脊椎动物中控制肌肉细胞的决 定和分化的 myo-D基因家族 • 无脊椎动物和脊椎动物中的眼形成基因 无眼/小眼基因
例如：控制肌肉细胞的决定和分化的 myo-D基因家族
例如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经 定位，并确定了特定细胞的形态建成等命运
• 特化(specification)： 细胞或组织按照已经被决定的命运自主地进行 分化，形成特异性组织或细胞的过程
例如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成 特定的组织，形成体节，器官等不同形态
细胞分化的基因作用
• 基因的等价性genome equivalence 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力；植物的细胞全能性大于动物细胞
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
本该死亡的细胞不死亡，导致癌的形成或 自身免疫性疾病
本该不进入死亡程序的细胞发生死亡，引 起中风或老年性痴呆等疾病
细胞病理性死亡
(如:机械损伤,化学毒品)
细胞肿胀 细胞内容物泄漏 并导致炎症
细胞凋亡的特征
•细胞收缩 •线粒体破裂, 并释放细胞色素C •细胞核中的染色质降解 •通常隐藏在细胞膜中的磷脂酰丝氨酸暴露到 表面 •细胞碎片被周围细胞吸收 •吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生
例如：眼形成的主调控基因：无眼 (eyelGehring及其同事建立 了 果 蝇 的 无 眼 基 因 和 小 鼠 的 小 眼 Small/pax6 基因额外拷贝的转基因果蝇，实现了这两个 基因的异位表达(ectopic expression)
发育遗传学的研究特点
②发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式(pattern)，发育
则是基因按严格的时间和空间顺序表达 的结果，是基因型与环境因子相互作用 转化为相应表型的过程
发育遗传学的研究特点
③发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
蝇和人类的发育途径基本相同，控制发 育的基因在进化上是保守的，在结构和 功能上有很高的同源性 ④发育中基因之间的作用
◇无眼基因异位表达的结果在转基因果蝇 的腿上长出了完整的果蝇复眼
◇小鼠Small/pax6在转基因果蝇中的表达， 证明了无脊椎和脊椎动物的眼形成基因在分 子水平上是同源的
单细胞生物
↗芽孢 • 革兰氏阳性杆菌 ↓
↘营养细胞 RNA聚合酶的结构是α2ββ′σ
多细胞生物
• (1)自主特化(autonomous specification) 这是大部分无脊椎动物的特性
•脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和 氨基酸序列相似，进化上高度保守
•myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基 酸组成，其中含有HLH域
•myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达， 是决定的开关基因→myo-D与myf5共同作用维 持成肌细胞的一致性→所有4种因子协同作用 起始肌肉细胞的分化→myogenin维持分化的成 体表型
• (3)合胞特化(syncytial specification) 这是大部分昆虫纲的无脊椎动物的特性
• 在合胞体胚层生成细胞膜分隔细胞核之 前，由母体细胞质相互作用所决定，即 细胞的命运是在形成细胞之前就已被定 向了
秀丽新小杆线虫
• Caenorhabditis elegans • 生活在土壤中的蠕虫，1mm，透明，胚
胎期16h，一个世代3d • 雄性： • 雌雄同体：产精子很少，自体受精，异
体受精(很少) • 蛋白质基因19141个，tRNA基因877个，
体细胞1090个
细胞编程性死亡(programmed cell death, PCD)
多细胞生物的一些细胞在发育中不再 为生物体所需或受到损伤时，会激活遗 传控制的自杀机制死亡；这种自我毁灭 的死亡称为细胞编程性死亡
生物发育过程中的基因与基因的相互 作用执行了对发育进程的调控
个体发育的生物学功能
• 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长
• 生命的延续性功能 性别分化 繁殖
二、细胞定向(commitment) 和细胞分化
• 决定(determination): 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调 控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了 这些细胞的分化命运
细胞凋亡(apoptosis)是编程性死亡的一 种方式，生理性死亡
细胞坏死：病理性死亡
• 细胞编程性死亡(programmmed cell death)在生物发育中具有重要作用，有关 基因发生突变，就会引起发育异常
例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细 胞进入编程性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入编程性死亡
性别决定 个体发育 ----基因按时空顺序表达的结果
一、发育遗传学
• 什么是发育？ • 细胞的分化 • 细胞凋亡 • 生物形态的建成 • 性别分化与繁殖
什么是发育
• 从生物学角度来说，发育是生物的细胞 分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一 系列过程
• 从遗传学角度来说，发育是基因按照特 定的时间、空间程序表达的过程
• 研究基因对发育的调控作用的学科就是 发育遗传学(Developmental Genetics)
发育遗传学的研究特点
①发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史
对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始 到个体正常死亡；其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键 的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
• 合子卵裂产生的子细胞获得了合子细胞 质的不同部分，从而使不同的子细胞有 不同的发育命运，这是由该细胞的细胞 质成分决定的，而与其四周的细胞无关
• (2)条件特化(conditional specification) 这是所有脊椎动物和少数无脊椎动物的 特性
• 是通过与周围细胞的相互作用来决定分 化的命运；这种特化途径取决于细胞在 胚胎中所处的位置
—Dolly羊
双重开关binary switch
◆ 双重开关binary switch：在不同发育途径的 决定点上，起核心作用的基因具有多向分化功 能 例如： •无脊椎动物和脊椎动物中控制肌肉细胞的决 定和分化的 myo-D基因家族 • 无脊椎动物和脊椎动物中的眼形成基因 无眼/小眼基因
例如：控制肌肉细胞的决定和分化的 myo-D基因家族
例如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经 定位，并确定了特定细胞的形态建成等命运
• 特化(specification)： 细胞或组织按照已经被决定的命运自主地进行 分化，形成特异性组织或细胞的过程
例如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成 特定的组织，形成体节，器官等不同形态
细胞分化的基因作用
• 基因的等价性genome equivalence 全能干细胞所有基因是一致的，并且基因具
有相同表达的能力 细胞的全能性指生物体的每个细胞都具有能重 复个体的全部发育阶段和产生所有细胞类型的 能力；植物的细胞全能性大于动物细胞
• 例如： • Gurdon的爪蟾核移植实验 • 第一个哺乳类乳腺细胞核的遗传克隆—
本该死亡的细胞不死亡，导致癌的形成或 自身免疫性疾病
本该不进入死亡程序的细胞发生死亡，引 起中风或老年性痴呆等疾病
细胞病理性死亡
(如:机械损伤,化学毒品)
细胞肿胀 细胞内容物泄漏 并导致炎症
细胞凋亡的特征
•细胞收缩 •线粒体破裂, 并释放细胞色素C •细胞核中的染色质降解 •通常隐藏在细胞膜中的磷脂酰丝氨酸暴露到 表面 •细胞碎片被周围细胞吸收 •吞噬细胞分泌细胞因子抑制炎症产生
例如：眼形成的主调控基因：无眼 (eyelGehring及其同事建立 了 果 蝇 的 无 眼 基 因 和 小 鼠 的 小 眼 Small/pax6 基因额外拷贝的转基因果蝇，实现了这两个 基因的异位表达(ectopic expression)
发育遗传学的研究特点
②发育是基因型与环境因子的相互作用 遗传控制发育的图式(pattern)，发育
则是基因按严格的时间和空间顺序表达 的结果，是基因型与环境因子相互作用 转化为相应表型的过程
发育遗传学的研究特点
③发育调控基因具有保守性 无脊椎动物和脊椎动物，如线虫、果
蝇和人类的发育途径基本相同，控制发 育的基因在进化上是保守的，在结构和 功能上有很高的同源性 ④发育中基因之间的作用
◇无眼基因异位表达的结果在转基因果蝇 的腿上长出了完整的果蝇复眼
◇小鼠Small/pax6在转基因果蝇中的表达， 证明了无脊椎和脊椎动物的眼形成基因在分 子水平上是同源的
单细胞生物
↗芽孢 • 革兰氏阳性杆菌 ↓
↘营养细胞 RNA聚合酶的结构是α2ββ′σ
多细胞生物
• (1)自主特化(autonomous specification) 这是大部分无脊椎动物的特性
•脊椎动物中的myo-D基因家族成员的核苷酸和 氨基酸序列相似，进化上高度保守
•myo-D家族的一种蛋白myogenin由224个氨基 酸组成，其中含有HLH域
•myo-D基因家族的作用模式：myf5最先表达， 是决定的开关基因→myo-D与myf5共同作用维 持成肌细胞的一致性→所有4种因子协同作用 起始肌肉细胞的分化→myogenin维持分化的成 体表型
• (3)合胞特化(syncytial specification) 这是大部分昆虫纲的无脊椎动物的特性
• 在合胞体胚层生成细胞膜分隔细胞核之 前，由母体细胞质相互作用所决定，即 细胞的命运是在形成细胞之前就已被定 向了
秀丽新小杆线虫
• Caenorhabditis elegans • 生活在土壤中的蠕虫，1mm，透明，胚
胎期16h，一个世代3d • 雄性： • 雌雄同体：产精子很少，自体受精，异
体受精(很少) • 蛋白质基因19141个，tRNA基因877个，
体细胞1090个
细胞编程性死亡(programmed cell death, PCD)
多细胞生物的一些细胞在发育中不再 为生物体所需或受到损伤时，会激活遗 传控制的自杀机制死亡；这种自我毁灭 的死亡称为细胞编程性死亡
生物发育过程中的基因与基因的相互 作用执行了对发育进程的调控
个体发育的生物学功能
• 细胞分化的多样性功能和有序性 细胞分化 形态建成 生长
• 生命的延续性功能 性别分化 繁殖
二、细胞定向(commitment) 和细胞分化
• 决定(determination): 早期胚胎期间的全能或多能干细胞在基因的调 控下，确定了特定细胞的分化趋势，即指定了 这些细胞的分化命运
细胞凋亡(apoptosis)是编程性死亡的一 种方式，生理性死亡
细胞坏死：病理性死亡
• 细胞编程性死亡(programmmed cell death)在生物发育中具有重要作用，有关 基因发生突变，就会引起发育异常
例如：正常的蝌蚪变成青蛙时，尾巴的细 胞进入编程性死亡；人的指(脚)蹼细胞在 胚胎56天后进入编程性死亡