09第十章基因与发育

果蝇发育过程中的体节分化
受精卵的发育首 先要建立前后、背腹 的极性。
受精卵发育成囊胚
一个雄核，一个雌核。
极浆区域（ polar plasm）的细胞为生殖细胞的祖细胞。
果蝇胚胎发育中的三类基因
① 母源基因（母体效应基因） （maternal- effect genes）
母源基因决定胚的极性，即胚的头尾和背腹轴。 这类基因突变时将改变胚发育的模式，如纯合双尾雌
形态发生素Bicoid蛋白 和Nanos蛋白的作用
形态发生素是一种蛋白质，它的局部聚集（或活 动）左右着周围区域的命运并以此形成特殊的结构。
Bicoid 蛋 白 浓 度 梯 度 能 激 活 前 部 驼 背 基 因 （ hunchback ） 转 录 ， 而 Nanos 蛋 白 阻 止 驼 背 基 因 mRNA在后部的翻译。 驼背蛋白抑制knirps和（很可能）giant基因的表 达，这些基因对于腹部结构的形成是必要的。 驼背蛋白最基本的功能是：通过抑制前部knirps 和giant基因的表达来抑制前端区域内腹部结构的形成。
蛋白抑制Dpp蛋白的表达，阻止腹侧细胞发育成背侧
结构。而背侧Dpp蛋白的表达是背侧发育必需的。
Dorsal蛋白定位在腹侧细胞核内
腹侧的细胞核表 现出红点，而背
侧的细胞核表现
为阴影。
果蝇的同源异型基因家族
果蝇的同源异型基因可分为两个大的基因家族： 一个是双胸复合物（bithorax complex，BX-C）， 它控制胸和腹部体节的发育；另一个是触角复合物 （antenna pedia complex，ANT-C），它控制头和 胸的发育。这两个复合物均位于第三染色体上，这 两个复合物统称为同源转换基因群（Hom-C）。
等位排斥：一个B淋巴细胞只能产生一种抗体。对于 重链基因来说，一个染色体上重链基因重排成功会抑 制另一个染色体上重链基因的重排，如果第一个染色 体上的重链基因重排失败，则另一个染色体上的重链 基因发生重排。只有重排成功的基因才能表达。
同型排斥：对于轻链基因来说，先进行κ基因重排， 只有当两个染色体上的κ基因都重排失败后，才会进 行λ基因的重排。所以一个B淋巴细胞中产生的抗体， 要么两条轻链都是κ链，要么都是λ链。
性突变体产生具有两个腹部的对称胚。这种突变只受
母本基因的影响，而与父本基因无关。这种突变是由
存在于卵内的来自母体的mRNA调节的，编码这些
mRNA的基因称为母源基因，受这些mRNA翻译产生 的蛋白质调节的受精卵基因叫间隙基因（Gap基因）。
果蝇双尾雌性突变体
野生型胚胎
双尾突变体胚胎
果蝇胚胎发育中的三类基因
抗体分子IgG的结构
抗体分子中最主要
的IgG是由两条轻链和
两条重链组成。每一条
链有两个区域，一个是
可变区，其序列在不同 免疫球蛋白中差异很大； 另一个是恒定区，它在 一族免疫球蛋白中序列
事实上是恒定的。
免疫球蛋白基因的结构
轻链和重链由3个独立的多基因家族编码，其中 两个家族编码轻链（κ和λ），一个家族编码重链。对 于全部三类多肽链（重链、κ轻链和λ轻链），可变区 的多样性由相似的机制产生。这些多肽链的基因分为 几种片段。决定轻链的基因家族上有L、V、J、C四 类基因片段，L代表前导片段（leader segment），V 代表可变片段（variable segment），J代表连接片段 （ joining segment ） ， C 代 表 恒 定 片 段 （ constant segment）。决定重链的基因族上共有L、V、D、J、 C五类基因片段，其中D代表多样性片段（diversity segment）。
Ig基因随B细胞发育阶段重排
鼠胚系Ig基因的构成
人胚系Ig基因的构成
人IgGκ轻链基因的重排
人 轻 链 基 因 的 重 排
IgGκ
免 重疫 排球 的蛋 机白 制基 因
重组信号序列（RSS） （recombination signalsequence） RAG1与RAG2：重组激活基因产物 （recombjnation activating gene，RAG）
比较表达免疫球蛋白的基因序列和生殖细胞中 相对应的基因序列，发现了体细胞突变现象。突变 主要在可变区产生，这增加了Ig的多样性。
二、果蝇的发育 与调控
果蝇是小型蝇类动物，体长只有 几个毫米。作为实验动物，果蝇有很 多优点。首先是饲养容易，用一只牛 奶瓶，放一些捣烂的香蕉，就可以饲 养数百甚至上千只果蝇。第二是繁殖 快，在25℃左右温度下十几天就繁殖 一代，一只雌果蝇一代能繁殖数百只。 果蝇只有4对染色体，数量少而且形 状有明显差别；果蝇性状变异很多， 比如眼睛的颜色、翅膀的形状等性状 都有多种变异，这些特点对遗传学研 究也有很大好处。
机体内有能产 生各种各样抗体的 B细胞，外来抗原 能激活其中一种或 几种B细胞，它们 被激活后扩增，产 生大量的针对性的 抗体（每一个B细 胞克隆产生针对一 种抗原表位的抗 体）。 T细胞的情况 也类似，针对外来 抗原的T细胞被激 活。
克 隆 选 择 学 说
抗体的类型
人体内有多于1×107～1×109种结构不同的抗体分 子，每一种都有其独特的氨基酸序列和独特的抗原结合 部位。
② 分节基因 （segmentation genes）
分节基因包括间隙基因（gap genes）、成对控制
基因（pair rule genes）和分节极性基因（segment
polarity genes）。分节基因在受精之后表达。这类基 因决定胚胎分节的数量及其极性。如纯合fushi tarazu （f t z，没有足够体节。是成对控制基因）突变体的体 节数只有野生型体节数的一半。
鱼雷蛋白
背脊蛋白
背 腹 系发 统育 的需 连要 续3 作 个 用 定 位
背腹发育需要3个定位系统 的连续作用
gurken mRNA定位在背侧，翻译出的Gurken蛋
白与背侧的滤泡细胞上的Torpedo受体结合，将信号 传入滤泡细胞，抑制背侧滤泡细胞表达Spatzle配体。 腹侧的滤泡细胞表达出Spatzle配体与腹侧的Toll受体 结合，使得Dorsal蛋白集中到腹侧细胞核内，Dorsal
果蝇卵母细胞的发育
在卵巢管中，卵原细胞经过 4 次有丝分裂成为16个细胞， 称为并合体的这些细胞通过胞质桥构成内部连接，其中之一 以后将发育成卵母细胞（oocyte），其余15个姐妹细胞将发育 成抚育细胞。卵母细胞为二倍体，完成减数分裂后为单倍体。 抚 育 细 胞 因 多 次 进 行 DNA 复制而成为多倍体。抚育细 胞为卵母细胞提供大量的核 糖体和包裹在核糖体颗粒中 的mRNA，这些mRNA在卵 母细胞中的翻译产物将指导 胚胎发育的某些过程。 滤泡（卵泡）细胞为卵 母细胞提供大量的营养物质。
Ig基因各片段之间 的反向重复序列
小鼠Igμ重链的基因重排、 转录与合成的顺序
小鼠Igμ重链的基因重排、 转录与合成的顺序（续）
重组转换 （DNA缺失）
抗 体 机的 制同 1型 转 换
抗体的同型转换机制2
原始转录本的选择性拼接
膜 型结 抗合 体抗 的体 转与 换分 泌
免疫球蛋白表达的等位排斥 和同型排斥
两个基因家族的成员
ANT-C包括： 1.唇基因（lab）和变形基因（Dfd）特化头部分节 2.性梳诱导基因（Scr）和触角（足）基因（Antp） 特化胸部分节
3.口器（足）基因（pb）主要在成年期起作用，但它
缺失时，口部触须转化成腿 BX-C包括： 1.超双胸基因（Ubx） 2.腹A基因（abd A）和腹B基因（abd B）
不 同 类 型 基 因 控 制 的 内 容
母源基因：建立从前 部和后部极性的梯度
间隙基因：定义卵中 4个较宽的区域
成对控制基因：定义 7个条纹（每个条纹 是一对体节）
体节极性基因：定义 14个条纹（每个条纹 是一个体节）
Toll受体在背腹 发育中的作用
Toll受体存在于在 卵母细胞周围，但将要 形成腹侧附近的滤泡细 胞分泌出spatzle因子， 激活了腹侧的Toll受体。 Dorsal蛋白主要存 在于胚盘的腹侧细胞核 内，阻止腹侧的细胞发 育成背侧的结构。
增强子与Ig基因表达
每一个 V 片 段的 前面有一个前导区 （L），V 和 L 之间是 一个内含子，每一个 L 前面有一个启动子，在 J 区和 C 区之间有一个 增强子。只有重排成功， 增强子才能激活离它最 近的启动子启动转录。 这个启动子只在 B 淋巴 细胞中起作用。
体细胞突变增加Ig的多样性
果蝇纯合fushi tarazu突变体
（上图）野生型囊胚中f t z 转录本的原位观察。基因在 7个条纹处表达，每个条纹 约宽3～4个细胞。
果蝇胚胎发育中的三类基因
③ 同源异型基因 （homeotic genes）
这类基因决定体节的发育方向，但不影响体节
的数量、极性或大小。这些基因的突变引起身体的
一个部分发育出另一部分的表型。如触角突变体
（antp）会在头上长出腿来而不是触角；双胸突变
体（bx）会将T3体节转变成正常的T2体节，使果蝇 长出两对翅膀。
果蝇的同源异型突变
野生型 触角突变体
野生型
双胸突变体
三类基因之间的调控关系
调控胚胎发育的4条信号途径
4条信号途径在卵外起始，每一条途径导 致卵中产生形态发生素。
1. 前端系统负责头和胸的发育。
2. 后端系统负责腹部的体节。
3. 末端系统负责产生顶节（在头部）和尾节 （在尾部）。 4. 背腹系统决定组织类型的发育（中胚层、 神经外胚层、外胚层）。
形态发生素
母 体 系 统 从 卵 外 起 始
在卵母细胞中由母 源基因mRNA定位 建立梯度
Nanos mRNA和 Nanos蛋白定位在 卵后部
人免疫球蛋白基因的结构
人IgGκ轻链的DNA的组织结构显示，在未分 化的细胞中，这个多肽链的编码信息分为三种片段。 V片段编码可变区的前95个氨基酸残基，J片段编码
可变区剩余的12个残基，C片段编码恒定区。人基
因组含有约300个不同的V片段，4个不同的J片段，
1个C片段。每一个V片段前面还有一个L片段。
小鼠免疫球蛋白基因的结构
小鼠的κ、λ和重链的基因家族分别位于第6、
12和16号染色体上。小鼠的重链和κ链基因族各
有V片段约200个，λ链的V片段有5个；J片段有5
个；D片段有12个。随着淋巴细胞的发育成熟，
胚原型DNA将发生基因重排而形成表达型DNA。 重链基因经重排后成表达型DNA；同样轻链也经 重排后产生表达型DNA。这样每一种淋巴细胞能 且仅能产生一种抗体。
记忆细胞与次级免疫应答
初级免疫应答完成之后，机体会保留一些特
殊的携带相应抗体的B细胞和相应受体的T细胞， 这些细胞处于成熟细胞和非成熟细胞的过渡状态， 它们还没有获得成熟细胞的所有特性。这些细胞 称为记忆细胞，它们的寿命很长。当再次遇到相 同抗原时，它们能快速地产生次级免疫应答。
抗原
凡能刺激机体引起免疫反应的物质称为抗原 （antigen）。抗原可刺激机体产生相应的抗体或致 敏淋巴细胞，这种性质称为免疫原性；同时，抗原 又可以与相应的抗体或致敏的淋巴细胞发生特异性 的结合，这种性质称为反应原性。 抗原必须基本上是异质性物质，还必须是大分 子。一般分子量<10000的物质，其免疫原性已经很 弱，>40000时免疫原性较强。人们把只有反应原性 但没有免疫原性的物质称为半抗原。半抗原只有与 某些大分子偶联后，才具有免疫原性。
第十章 基因与发育
一、免疫系统发育及免疫Hale Waihona Puke Baidu蛋白基因表达
二、果蝇的发育与调控
三、高等植物花发育的基因调控
一、免疫 球蛋白基 因表达
1. 脊 椎 动 物 免 疫系统 （体液免疫）
2.脊椎动物免疫 系统（细胞免疫）
MHC： major hiscompatibility complex
主要组织相容性复合体
抗原决定簇
（抗原表位）
抗原分子上的特异性化学 基团叫做抗原决定簇，它可决 定刺激机体产生抗体和致敏淋 巴细胞的特异性，并能与相应 的抗体或致敏淋巴细胞发生特 异性的反应。
抗原决定簇都必须含有一 定的特异的结构。在天然抗原 中，构成蛋白质抗原决定簇所 含的氨基酸约5个，其中有一 个氨基酸不同即可构成不同的 抗原。碳水化合物抗原所含的 己糖约6个；核酸半抗原中的 一个抗原决定簇包括6～8个核 苷酸。