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1、第10章 基 因 与 发 育,1,10.1 果蝇的发育与调控 果蝇是一种双翅目昆虫，其幼虫和成虫依赖于正在腐烂的果实。果蝇的个体小、生命周期快、繁殖容易，每只雌虫两周就可以产生约300个后代。,2,果蝇发育的时间周期取决于温度，在25下约9-14天为一个周期。 第一天为胚胎发生期，经历三个阶段后到第四天蜕皮、分化、蛹化，在蛹中经过5天的变态发育为成虫。 成年果蝇存活约9天。果蝇发育的许多特性反映出这非同一般的快速生命周期在进化过程中的演变。,3,果蝇发育的不同时期分析,晚期胚胎体节形成,成年果蝇 9天,变态,蛹,腹部,头 胸,幼虫,受精卵母细胞,早期胚胎无体节,4,成虫变态蛹化幼虫期孵化体节形
2、成器官发生原肠胎形成胎盘形成受精卵,果蝇发育的不同时期分析,5,一、 卵子发育果蝇卵细胞在产生过程中就已经开始快速的胚胎发育。 果蝇卵在卵巢管中形成。构成卵巢管管壁并围绕未来卵细胞的细胞叫滤泡细胞（follicle cells）， 类似于脊椎动物卵巢中的卵泡细胞。每个小室中含有一个雌性原始生殖细胞，即卵原细胞（oogonium）。,6,滤泡细胞,抚育细胞,前肢,背部,腹部,后端,前端,卵母细胞,7,滤泡细胞,滋养细胞,果蝇卵泡外表面含有一层滤泡细胞，它包围在滋养细胞的四周，滋养细胞紧靠着卵母细胞。滋养细胞通过胞质桥彼此相连，也和卵母细胞的两侧相通。滤泡细胞是体细胞，滋养细胞和卵母细胞是生殖细胞
3、。,卵母细胞,8,卵原细胞经过四次有丝分裂成为16个细胞（称为并合体，fusomes），通过胞质桥构成内部连接，其中之一发育成卵母细胞，其余发育为抚育细胞。卵母细胞为双倍体，完成减数分裂后成为单倍体。抚育细胞是多倍体。,9,二、 胚胎发育1. 胚胎发生的准备卵裂果蝇的胚胎发育非常快，在产卵后立即开始，并在一天内孵化成幼虫。果蝇卵裂异常。细胞核以每9分钟一次的高颇率复制，直至达到约有6000个核并发育成为合胞体。当出现256个以上的细胞核时，这些细胞核开始向卵的外周移动，并定居到皮层组织。,10,受精卵,合胞体胚囊,分裂18次,细胞胚囊,11,2、果蝇胚胎的极性与躯体基本模式果蝇的卵、胚胎、幼虫
4、和成体都具有明确的前-后轴和背-腹轴，其形体模式沿前-后轴和背-腹轴进行。果蝇胚胎和幼虫均沿前-后轴显示规律性分节，分属3个解剖区，从前到后称为头节，3个胸节及8个腹节。果蝇幼虫前后端又特化产生原头和尾节。,12,13,在果蝇发育的卵细胞阶段，由于抚育细胞和卵泡细胞的分泌和诱导，在长椭圆形的卵细胞两端分别差异性地锚定和贮存了特异性翻译调控因子bicoid和nanosmRNA。,14,进入胚胎发育阶段后，BICOID蛋白由前向后梯度性递减，NANOS则呈梯度性递增分布。BICOID蛋白对caudalmRNA、NANOS蛋白对hunchbackmRNA的翻译分别具有抑制作用，使HUNCHBACK蛋
5、白含量由前向后逐渐降低，而CAUDAL蛋白的含量则渐次增高。,15,4个形态发生决定基因参与调控胚胎前-后轴形成 biocoid 和hunchback调控胚胎前端结构的形成；nanos和caudal调控胚胎后端结构的形成。,16,形态发生决定基因表达以后，首先激活间隙基因表达，再由间隙基因激活成对控制基因，由成对控制基因激活体节极性基因表达。间隙基因、成对控制基因及体节极性基因产物能调节同源域基因表达，最终决定每个体节的命运。,17,母源性基因HB蛋白浓度梯度间隙基因成对控制基因体节极性基因同源异型基因前端后端,果蝇胚胎模式建立过程中关键基因的表达顺序,18,3TORSO信号途径控制的末端系统
6、如果控制前端和后端系统的基因都发生突变，果蝇仍可在第三个前-后轴确定系统（末端系统）的作用下发育成具有两个尾节的胚胎。该系统包括大约9个母源效应基因。torso是关键基因，编码了跨膜酪氨酸激酶受体，在整个合胞体胚胎的表面表达。,19,4影响果蝇背腹极性的基因 toll基因产物是卵细胞上的跨膜受体蛋白，其作用是感知外部信号并提示胚胎在何处产生腹侧。该受体与调控果蝇腹侧发育的外部信号可能是由一种蛋白酶从锚定复合体中释放出并定位于卵细胞周围外卵黄膜上或附近的母源效应基因spatzl的表达产物。,20,Spatzl前体定位于卵子的腹侧而不是背侧，因为只有在腹侧的受体能找到配基。 被配基占据的受体能使D
7、ORSAL蛋白磷酸化从而引起该蛋白的重新分布，保证胚胎腹侧的细胞核中DORSAL蛋白浓度较高。胚胎中dorsal基因缺失时，胚胎不能产生腹侧结构。,21,在果蝇早期胚中位置信息建立了背腹轴核梯度和DL蛋白（dolsa的产物）的胞质定位。SPZ配体和TOLL受体结合，通过TUB和PLL两种蛋白激活单个的传导级联，使DL磷酸化，并从CACT中释放出，然后能移入核，在核中它作为DV主要基因的转录因子。CACT（cactus仙人掌）,（spaetzle）,卵周膜,卵周液,Dorsal,cactus,22,5控制果蝇躯体分节或影响体节发育的基因在合胞体囊胚层中，胚胎细胞开始转录和表达自身基因产物（主要是
8、转录调控因子）。这些蛋白在体内并不呈均匀分布，而是在空间上被限制在某些表达区，形成特殊的表达模式。,23,（1）间隙基因 这类基因包括hunchback（hb）、krppel 和Knirps（kni）等。这些基因的表达很有特点，最初在整个胚胎中都有很弱的表达，以后随着卵裂的进行而逐渐变转成一些不连续的表达区带。,24,（2）成对规则基因 这些基因一般以两个体节为单位相互间隔一个副体节表达，其分布具有周期性。其功能是把间隙基因确定的区域进一步分化成体节。成对规则基因的表达是胚胎出现分节的最早标志之一，它们沿前-后轴形成斑马纹状的条带分布，正好把胚胎分为预定的体节。,25,配对规则基因ftz（蓝色
9、）和eve（棕色）在晚期囊胚中的表达模式,26,（3）体节极化基因 当果蝇体节极化基因发生突变时，每个体节都会缺失一个特定的区域。engrailed（en）和wingless（wn）基因是两个最重要的体节极化基因。,27,这两个基因表达的区域确立了副体节的界线。en和wg受含有同源异型框的成对规则基因eve和ftz等的制约。En基因在FTZ和EVE基因产物的浓度达到一定阈值以后时才能被激活，但wg基因的活化浓度显著低于这一阈值。,28,6影响果蝇体节一致性的基因-同源域基因同源域基因决定躯体体节命运。躯体的某一部分最终发育成为无翅的前胸还是有翅的中胸，是有平衡器的后胸还是腹部的体节，都由同源域
10、基因决定。,29,在果蝇中同源域基因统称HOM复合体（HOM-C）。大多数同源域基因位于第三号染色体上，排成两簇。一簇称为触角复合体（Antp-C）;另一簇称为双胸复合体（BX-C）。果蝇的Antennapedia突变就是一个典型的例证。这种突变使果蝇的触角转变为足。,30,若将调控形成头胸体节的Antp-C基因或参与胸腹体节形成的基因突变，可产生同源异型转换，使形态正确的结构长到了错误的地方。在触角足基因（Antennapedia）显性突变中，该基因在头以及胸部表达，使头结构部分转变成胸体节，出现了两条腿。,31,果蝇触角足复合物基因簇（Antennapedia complex）突变，引起同
11、源异型转换。右，平衡器发育成翅膀（产生四翅果蝇）；左，触角变成足。,32,10.2 高等植物花发育的基因调控 植物花的发育可分为三个阶段，即营养分生组织阶段，花序分生组织发生阶段和花分生组织发生阶段。 人们已从模式植物如拟南芥中分离克隆到许多控制植物开花的基因。,33,一、植物的花器官结构植物的花由枝条变态产生，而花器官由叶片变态产生。种子植物的成年花器官由花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊（心皮）等四轮结构所组成。营养分生组织产生花序分生组织，花序分生组织产生花分生组织。早期花分生组织类似于营养分生组织，具有无限生长特性。,34,35,图 拟南芥花的构成,36,二、调控花器官发育的主要基因 花分生组织决
12、定基因（flower meristem identity gene）促进从花序分生组织产生花分生组织并进一步分化产生花器官原基，但产生何种花器官则由同源域基因所控制。花分生组织决定基因可以在一定程度上激活同源域基因。,37,拟南芥,广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究，已成为一种典型的模式植物。,38,拟南芥具有以下特点：,1）植株形态个体小，高度30cm左右，1个茶杯可种植 2）生长周期快，每代时间短，从播种到收获种子一般只 需6周左右； （3）种子多，每株每代可产生数千粒种子； （4）形态特征简单，生命力强，用普通培养基就可作人工 培养； （5）基因组小，只有5对染色体。,39
13、,40,1同源域基因与花器官发育金鱼草、拟南芥等植物的花都由四种类型的花器官组成，花器官排列成向心的圆环形，称作轮性。野生型金鱼草和拟南芥的花由四个花萼组成最外的第一轮、依次向内为四个花瓣组成第二轮，六个雄蕊组成第三轮，两个融合的心皮组成第四轮。,41,花器官的同源异型突变包含四大类型：类型I为第一轮和第二轮器官受影响，产生心皮状的花萼和雄蕊状的花瓣。类型II为第二轮和第三轮器官受影响，产生花萼状的花瓣和心皮状的雄蕊。,42,类型III为第三轮和第四轮器官受影响，产生花瓣状的雄蕊和花萼状的心皮，而且最内两轮器官的数量和轮数也发生了改变。类型IV中四轮结构全部受影响。研究发现，每种类型突变体都是
14、因为发生了同源域基因的突变而使相邻两轮花器官受到影响。,43,已经克隆了多个涉及花发育的同源域基因。由于这些基因家族（MCM1、AG、DEFA 和SRF）成员均含有一个保守的区域，根据这几个家族基因名称的第一个字母，将该保守区命名为MADS-BOX。,44,基因（拟南芥/金鱼草） 突 变 体 表 型 基因功能 APETALA1/SQUAMOSA 花萼变为叶片 转录因子 APETALA2/Unkown 花萼变为叶片/心皮，花瓣 变为心皮 转录因子 APETALA3/DEFICIENS 花瓣变为雄蕊，雄蕊变为心皮 转录因子 PISTILLATA/GLOBOSA 类似AP3/DEF 转录因子 AGA
15、MOUS/PLENA 重复发生一轮花萼及两轮花瓣 转录因子 LFY/FLORICAULA 产生更多的花序，绿色花，由 似花萼与心皮的花器官构成 转录因子,已经克隆的植物花器官特征决定基因及其可能的功能分析,45,三、 花器官发育的“ABC”模型 1“ABC”模型的提出在对拟南芥和金鱼草突变体及花器官特征决定基因功能的研究中，E. Myerowitz提出了控制花形态发生的“ABC”模型。根据这个模型，正常花的四轮结构的形成是由三组基因共同作用而完成的。,46,每一轮花器官特征的决定分别依赖于A、B、C三组基因中的一组或两组基因的正常表达。如其中任何一组或更多的基因发生突变而丧失功能，则花的形态将
16、发生异常。A基因在第一、二轮花器官中表达，B基因在第二、三轮花器官中表达，C基因在第三、四轮花器官中表达。,47,48,A基因本身决定萼片，A和B基因共同决定花瓣，B与C基因共同决定雌蕊，C基因决定心皮。A基因突变后（如ap1、ap2），第一轮花器官中的花萼突变为心皮，第二轮花器官中的花瓣突变为雄蕊。B基因突变后（如ap3、pi突变体），花萼替代了第二轮花器官中的花瓣，第三轮花器官中的雄蕊变为心皮。,若C基因失活（如ag突变体），则第三轮花器官中的雄蕊变成花瓣，第四轮花器官中的心皮转变为花萼。,49,图 由三组同源异型基因决定四轮花器官特征的“ABC”模型,野生型,B 突变体,A 突变体,C
17、突变体,50,图 经修改后的“ABC”模型。A：AP2基因和花同源异型MADS盒基因与植物花发育的关系分析。AP2在四轮花器官中都表达，MADS box基因只限定在一对花器官中表达。S：花萼，P：花瓣，St：雄蕊，C：心皮（雌蕊）。B：通过对相关基因表达区域分析修正“ABC”模型。X基因尚未被克隆。,2、对ABC模型的修正,51,四、 参与诱导开花信号产生、传递和感受的基因已克隆了两个涉及开花时间的基因，CONSTAINS（CO）和LUMINIDEPENDENS （LD），两个基因都在营养生长期表达。CO可能是一个转录因子，一般情况下促进长日照生长的植物开花。,52,CO表达诱导拟南芥提前开花
18、A：野生型拟南芥；B：35S启动子驱动CO基因表达诱导拟南芥提前开花,53,从短日照延缓开花的豌豆中克隆了一个编码钙离子通道蛋白的PPF1基因。转化拟南芥发现，过量表达PPF1基因，明显延缓了转基因植物的开花进程。若用反义RNA技术抑制内源PPF1基因表达，转基因拟南芥的开花时间就被提前，表明钙信号在植物开花过程中也可能发挥重要作用。,54,图 PPF1基因参与调控植物开花的时间进程短日照条件下，对照组野生型拟南芥（Columbia ecotype）一般在长出12-13个叶片后（约发芽后45天）开花。PPF1过量表达的转基因拟南芥开花明显推迟，营养生长旺盛，到发芽后75天，长出24-25片营养
19、叶才开花。反义表达PPF1基因的拟南芥则不到30天，长出6-7片叶就开花。,55,56,最终促进开花信号来源于花器官分生组织决定基因LEAFY（LFY） 。拟南芥LFY突变体比野生型产生更多的花序分枝，其花呈绿色，由类似花萼和心皮样的器官构成，异位表达LFY导致转基因植物提前开花并将茎尖转变成花，证明LFY基因不仅决定花分生组织的特性，而且影响开花时间。,57,TERMINAI FLOWER1（TFL1）是影响拟南芥分生组织特性的另一个非常重要的基因。tfl突变体开花提前，初级花序分枝转变成末端花，缺少侧枝，花的数量也大大减少。tf1突变体（由无限枝转变成有限的枝）和lfy突变体（由有限的枝转变成无限的枝）的表型恰好相反，说明两个基因可能是相互拮抗的。,58,图 TFL1对花发育的调控A：tfl突变体的花序表型。左边为野生型对照，右边为tfl突变体，很快就发育成一个终端花或一簇终端花。B：TFL1在花序分生组织中的表达分析。,WT,tfl,59,花分生组织决定基因在营养生长和成花枝顶端的表达模式分析。LP：叶原基；SAM：顶端分生组织。FP：花原基。,60,拟南芥中各条开花通路之间的相互关系分析,61,
