第10章-基因与发育.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,10.1,免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达,1,免疫系统的细胞通过一个被称为“分子识别”的过程鉴别“外来物质”。一旦检测到有外来物质存在，它们就用产生特异性抗体或类似方法将其消灭。,免疫系统是动物的主要防御系统，包括淋巴细胞（lymphocyte，分B淋巴细胞和T淋巴细胞）及组织相容性抗原两部分。巨噬细胞（macrophage）也参与免疫反应。,2,3,生物体内存在着两条不同的免疫途径：,体液免疫,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）。,10.1.1 脊椎动物免疫系统,6,7,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最高可占血液总蛋白的20%。,8,细胞免疫体系中，受体细胞产生出类似Ig、紧密结合在细胞膜表面的蛋白质分子，与T淋巴细胞表面的受体专一结合，导致感染细胞被降解。,9,生物体内存在的两条主要免疫途径,体液免疫,细胞免疫,B Cell,T Cell,10,两类获得性免疫反应都由在血液和淋巴组织之间循环的淋巴细胞（nucleated leukocytes，white blood cells）所介导。,体液免疫由B淋巴（细胞）介导；,细胞免疫体系由T淋巴（细胞）介导。,11,10.1.2 B淋巴细胞及其发育和分化,哺乳动物B细胞产生于骨髓中。成熟B细胞主要存在于淋巴结皮质浅层的淋巴小结及脾脏的红髓与白髓淋巴小结内，在抗原刺激下可分化为浆细胞，合成和分泌免疫球蛋白来识别相应的外来抗原，执行机体的体液免疫功能。,12,B细胞和T细胞的发育过程,胸 腺,抗体反应,细胞介导的免疫反应,粘液囊淋巴细胞,13,1.B 细胞的分化,哺乳类动物,B,细胞的分化过程可分为以下几个阶段：,祖,B,细胞、前,B,细胞、未成熟,B,细胞、和成熟,B,细胞等。,其中祖,B,细胞、前,B,细胞、未成熟,B,细胞的分化不依赖于抗原，其分化过程在骨髓中完成。,14,B细胞的发育过程,抗原非依赖阶段：在胎肝或骨髓,淋巴干细胞,祖B细胞,前B细胞,未成熟细胞,成熟B细胞,抗原依赖阶段：外周淋巴器官,成熟B细胞,sIgM,+,sIgD,+,活化B细胞,sIgM,+,sIgD,+,抗原,记忆B细胞,sIgG,+,sIgA,+,浆细胞,胞浆Ig,15,B,细胞在骨髓成熟后，迁移至各个外周淋巴器官，构成外周,B,细胞库。当接受抗原后可发生,活化,、,增殖,，大部分分化为,浆细胞,，小部分停止分化为,记忆性,B,细胞,。,16,2.B细胞膜表面分子标记,膜表面球蛋白是,B,细胞的重要标志，是,B,细胞特异性识别抗原的受体。,未成熟,B,细胞表达,IgM,，成熟,B,细胞同时表达,IgM,、,IgD,、,IgG,、,IgA,和,IgE,。,B,细胞表面,Ig,的可变区都由,VH,和,VL,基因编码。,记忆,B,细胞表面不存在,IgD,，抗原刺激后,B,细胞表面,IgD,也消失。,17,T细胞功能,10.1.3 T淋巴细胞发育及分化,T淋巴细胞（T lymphocyte），简称T细胞，来源于骨髓的淋巴样干细胞，其主要功能是产生T淋巴细胞受体。,直接执行细胞免疫功能,;,通过产生多种细胞因子或表达黏附分子等手段，与其他免疫细胞发生直接或间接的相互作用，从而发挥广泛的免疫调节功能。,18,T细胞的分化与发育,研究小鼠胸腺细胞的发育过程表明，在胚胎发育到11-12天时，淋巴干细胞进入胸腺，并在胸腺微环境的影响下迅速发生增殖和分化。,19,四、免疫球蛋白的结构,免疫球蛋白（Immunoglobulin，Ig),指具有抗体活性，或化学结构与抗体相似的球蛋白。主要存在于血液和其它分泌液中，也可以存在于B细胞表面。,20,抗体（antibody，Ab）,机体免疫细胞被抗原激活后，由分化成熟的B细胞(浆细胞)所合成与分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。,Ab是重要的免疫分子，主要存在于血液、体液和粘膜分泌液中，介导体液免疫效应。,Ab是功能描述，Ig是化学结构描述；,21,1、基本结构,（1）,Ig是由,两条相同的重链（H）,和,两条相同的轻链,（L），,借其中形成的二硫键而彼此连接在一起,的四 肽链结构分子。,22,（,2）,重链分,、五类，对应的抗体分别为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE；轻链分、两型，每个Ig的L链完全相同。,（3）,可变区：H链N端的1/4和L链N端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型的变化很大，故称可变区。,23,（5）骨架区：,可变区中除去超变区部分的氨基酸变化相对较小。,（6）恒定区：,H链C端的3/4和L链C端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型相对恒定。,（4）超变区：,可变区（V）中部分区域的氨基酸组成、排列顺序和构型更易变化，其中VH有4个，VL有3个。,24,五、免疫球蛋白的基因结构,免疫球蛋白分子由Igk、Ig,和Igh基因编码，它们是 3个基因家族，分别位于不同的染色体上。编码一条免疫球蛋白多肽链的基因是种系中数个分隔开的DNA片段经重排后产生的。,25,1.免疫球蛋白轻链基因结构,基因,位于人类第,2,号染色体上，其可变区和恒定区分别由不连续的,V,基因和,C,基因编码。,V,与,J,基因以多拷贝形式存在，其中,V,基因簇含有约,300,个拷贝。,人,轻链基因库的组成,26,基因。,小鼠有两个,V,基因：,V1,和,V2,。人类,V,基因有,30,个拷贝。,小鼠,C,基因簇有,4,个拷贝，而人类,C,基因有,6,个以上的拷贝。基因表达过程中，每个,V,基因都和,C,基因成对排列。,27,2.免疫球蛋白重链基因结构,人重链基因位于,14,号染色体，由,V,、,D,、,J,和,C,四种不同基因片段组成。,编码重链,V,区基因长约,1000,2000kb,，包括,V,、,D,、,J,三组基因片段。每个,V,基因片段上游有,L,基因片段，编码,20,30,个疏水性氨基酸的信号肽。,人,重链,基因库的组成,28,Ig重链基因也是由,V,H,、J,H和,C,H片段编码的。比轻链还多了个,D,基因片段，它位于,V,H和,J,H片段之间。在小鼠的胚系中,L-V,H串联排列，然后是一组12个,D,片段，再接着是4个,J,H片段。在恒定区基因是由一组基因组成，在小鼠中此基因簇依次为,、,3、,1、,2b、,2a、,八个基因，分别编码重链IgM，IgD，IgG，IgE和IgA的恒定区。,小鼠,重链,基因库的组成,29,不同的Ig家族的V.D.J.C基因数,家族,V,D,J,C,人,小鼠,人,小鼠,人,小鼠,人,小鼠,L,6,4,L,1000,30,12,4,4,9,8,30,10.1.6 Ig基因重排与DNA的多样性,一个生物为什么能产生百万种以上（10,6,10,8,）的Ig分子呢？,其根本原因是V区和C区不同片段在DNA分子水平上发生了被称为,种系重组的重排,。单一种系状态的Ig基因是不能表达的，只有经过重排才有可能得到表达。,31,1.轻链基因的重排与连接,V,K,J,K,C,K,L V,1,L V,2,L V,3,L Vn 1 2 3 4 C,胚,系,DNA,L V,1,L V,2,J,3,J,4,C,B,细胞,DNA,L V,2,J,3,J,4,C,5,3,RNA,初,poly（A）,始转录本,L V,2,J,3,C,5,3,成熟,poly（A）,mRNA,V,K,C,K,N C,链,蛋白,小鼠轻链基因在发育中通过,V,，,J,和,C,基因的重组产生了,DNA,的重排,32,2.重链基因的重排与连接,V,H,D,1,D,12,J,H,C,胚系,L V,1,L V,2,L V,3,L Vn 1 2 3 12 1 2 3 4,3,1,2b,2a,DNA,B,细胞,L V,1,L V,2,D,2,J,3,1,2b,2a,DNA,RNA,5,3,初始转录本,poly（A）,成熟,5,3,mRNA,poly（A）,L V,2,D,2,J,3,1,成熟的,N C,重链蛋白,V,H,区,C,H,区,小鼠免疫球蛋白基因在发育中通过,V,，,D,，,J,和,C,基因片断的重组,产生,DNA,的重排，,，,，,，,，,分别是,IgM，D，G，E,和,A,的基因,33,10.1.7 免疫球蛋白基因表达,1、等位排斥与同型排斥,等位排斥：,淋巴细胞中产生免疫球蛋白的基因位于两条同源染色体上，而免疫球蛋白基因的表达只发生在其中一条上，这种因为一条染色体上的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因表达的现象。,34,同型排斥,B淋巴细胞的轻链表达时，只生成一种链（链或是链），不可能同时表达链和链。等位排斥和同型排斥保证了B淋巴细胞无性系只表达一种特异性抗体。,35,将未发生重排的种系构型等位基因称为Ig，发生重排并进行功能表达的等位基因称为Ig,+,，发生无效重排的无活性等位基因称为Ig,-,。,36,细胞中可能存在下述几种情况：,等位基因之一发生有效重排，产生活性基因，并产生等位排斥，使另一基因的重排和表达受到抑制，这个细胞构型为Ig/Ig,+,；,37,等位基因之一发生无效重排，另一个染色体上的基因仍处于种系构型，则该细胞构型为Ig/Ig,-,，这样的细胞构型不会抑制另一个等位基因的重排；,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。,38,胚系基因,（Ig,o,/Ig,o,）,V,J-C,V,J-C,有效重排，产生,Ig,o,/,Ig,+,无效重排，产生,Ig,o,/,Ig,V,J-C,V,J-C,V,J-C,V,J-C,转录,第二次等位基因重排，产生,Ig,+,/,Ig,翻译,J-C,Ig,蛋白,V,J-C,转录,翻译,Ig,蛋白,有效重排产生了有活性的的,H,和,L,链，并阻遏了等位基因发生,同样的重排,（,参考,B.Lewin:,GENES,，1997，Fig.33.16）,39,2、增强子与Ig基因表达,位于每个,V,基因上都有启动子，但是无活性，必须通过移位到,C,区才被激活。,增强子位于,C,基因内或在其下游，可以激活,V,基因的启动子。这个增强子是组织特异性的，只在,B,细胞中才有活性。,V,基因一旦移到增强子的作用范围内，其启动子便立即被激活。,40,在一般情况下，,V,基因片段启动子处于失活状态。重组后，当启动子位于,C,基因片段的增强子附近时，启动子活化。,启动子,（,失活,）,增强子,V gene C gene,Promoter Enhancer,转录,V,基因移到,C,基因的附近,，,其启动子被,C,基因的,增强,子激活,41,3、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。,42,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，导致侵入细胞的破坏。,IgA在分泌液中（如唾液）;,IgE和变态反应有关，且可抵御寄生虫。,IgD,主要出现在成熟的B淋巴细胞的表面上，可能与细胞识别有关。,43,I型变态反应,特异性IgE介导的,全身性过敏反应：药物过敏性休克、血清过敏性休克,呼吸道过敏反应：过敏性鼻炎和过敏性哮喘,消化道过敏反应和皮肤过敏反应,出现快，消退也快。出现功能紊乱性疾病，不出现严重组织细胞损伤。有明显个体差异和遗传背景。,44,45,输血反应,自身免疫性溶血性贫血,药物过敏性血细胞减少症,II型超敏反应,46,III型超敏反应,局部免疫复合物病,链球菌感染后肾小球肾炎,类风湿性,关节炎,47,48,49,10.1.8 主要组织相容复合体的表达调控,1.主要组织相容性复合体概述,引起移植排斥的细胞表面抗原称为组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC），在移植排斥中起决定作用，是机体特异性免疫反应中心。,50,组织相容性：指器官或组织移植时供者与受者相互接受的程度，不相容就会出现排斥反应。,组织相容性抗原,：,诱导排斥反应的抗原，也称为移植抗原。,人和各种哺乳动物的组织相容性抗原都十分复杂，但有一组抗原起决定性作用，称为主要组织相容性抗原（,major,histocompatibility,antigen MHA,），其余的称为次要组织相容性抗原。,51,编码MHA的基因是一组呈高度多态性的基因群，集中分布于生物体内某对染色体上的特定区域，称为主要组织相容性复合体（MHC）。MHC编码的产物即MHA，也称为MHC分子。,52,细胞毒T细胞通过表面TCR识别呈递于MHC分子表面的异己外源肽段，并直接杀伤呈递这类MHC的细胞。,辅助T细胞通过TCR识别II型MHC呈递的外源肽段，辅助B细胞产生抗体。,MHC与TCR、Ig相互配合，构成了生物体内复杂多变的免疫反应和应答。,53,54,细胞毒T细胞能识别所有与I型MHC分子相结合的受感染细胞携带的外源蛋白片段。,辅助T细胞只能识别抗原呈递细胞（如巨噬细胞和B细胞）表面所携带的外源蛋白。,55,CD4和CD8共受体参与辅助T细胞和细胞毒T细胞介导的免疫反应,II型MHC蛋白,I 型MHC蛋白,CD8蛋白,CD4蛋白,56,10.2 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。,57,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。,58,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,59,成虫,变态,蛹化,幼虫期,孵化,体节形成,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,60,一、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,）。,61,滤泡细胞,抚育细胞,前肢,背部,腹部,后端,前端,卵母细胞,62,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。,卵母细胞,63,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。,64,二、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。,65,受精卵,合胞体胚囊,分裂18次,细胞胚囊,66,2、果蝇胚胎的极性与躯体基本模式,果蝇的卵、胚胎、幼虫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。,67,68,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,。,69,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,蛋白含量由前向后逐渐降低，而,CAUDAL,蛋白的含量则渐次增高。,70,4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。,71,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。,72,Krppel,是转录因子，,锌指蛋白，属,Gap,基因,Knirps,是转录因子，,属,Gap,基因,Sex combs reduced gene,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,73,3TORSO信号途径控制的末端系统,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。,74,4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。,75,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,DORSAL,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。,76,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,77,5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。,78,（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。,79,（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。,80,配对规则基因ftz（蓝色）和eve（棕色）,在晚期囊胚中的表达模式,81,（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。,82,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。,83,6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，都由同源域基因决定。,84,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。,85,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。,86,果蝇触角足复合物基因簇（Antennapedia complex）突变，引起同源异型转换。右，平衡器发育成翅膀（产生四翅果蝇）；左，触角变成足。,87,第三节 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。,88,一、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。,89,90,图 拟南芥花的构成,91,二、调控花器官发育的主要基因,花分生组织决定基因（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。,92,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。,93,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。,94,95,1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。,96,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。,97,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。,98,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。,99,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 AGAMOUS/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,100,三、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。,101,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。,102,103,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。,104,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 突变体,105,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,106,四、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。,107,CO表达诱导拟南芥提前开花,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,108,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。,109,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。,110,Plant lines,Days to flowering（dpg）,No.of rosette leaves before flowering,PPF1（+）,77.48.1,25.12.0,PPF1（-）,35.84.6,8.71.1,Col.（wt）,52.73.3,16.5 1.6,111,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。,112,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。,113,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,114,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。,115,拟南芥中各条开花通路之间的相互关系分析,116,The End,117,