发育与遗传ppt课件.ppt

11.发育的基因调控发育的基因调控l从生物学角度来说，发育是生物的细胞从生物学角度来说，发育是生物的细胞分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一分裂、分化、形态建成、生长繁殖的一系列过程。系列过程。l从遗传学角度来说，发育是基因按照特从遗传学角度来说，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基因对发育的调控作用的学科就是发育发育遗传学（遗传学（Developmental Genetics)。什么是发育？什么是发育？发育遗传学的研究特点发育遗传学的研究特点发育是生物的共同属性发育是生物的共同属性 发育贯穿于每个生物体的整个生活史。发育贯穿于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、卵裂和胚层分化包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键是发育的关键阶段阶段,如哺乳类的早期发育过程。如哺乳类的早期发育过程。发育遗传学的研究特点发育遗传学的研究特点l发育是基因型与环境因子的相互作用发育是基因型与环境因子的相互作用 从遗传控制发育的图式（从遗传控制发育的图式（patternpattern）看，）看，发育就是基因按严格的时间和空间顺序发育就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作用转化为相应表型的过程。发育遗传学的研究特点发育遗传学的研究特点l发育调控基因具有保守性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。功能上有很高的同源性。发育遗传学的研究特点发育遗传学的研究特点l发育中基因之间的作用发育中基因之间的作用 生物发育过程中的基因与基因的相互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。作用执行了对发育进程的调控。Ectopic eyes occurred at the base of the antennae,wings and multiple spots on the legs.The activated genes in these cells were transplanted from humans!The HUMAN genes for eye formation caused this eye to form on the flys knee!发育遗传学研究的意义发育遗传学研究的意义Thats a human ear!发育遗传学研究的应用发育遗传学研究的应用11.1 真核生物体细胞的全能性真核生物体细胞的全能性 l细胞的全能性细胞的全能性生物体的每个细胞生物体的每个细胞都具有能重复个体的全部发育阶段和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。产生所有细胞类型的能力。l植物的细胞全能性大于动物细胞。植物的细胞全能性大于动物细胞。一一.植物细胞的全能性植物细胞的全能性 l植物的细胞培养植物的细胞培养:l用胡萝卜的根尖用胡萝卜的根尖细胞可培养出一细胞可培养出一株完整的胡萝卜株完整的胡萝卜l植物细胞全能性植物细胞全能性的利用的利用l1950年年Robert Briggs和和Thomas King建立一建立一种两栖动物的核移植技术种两栖动物的核移植技术。他们还发现从蛙。他们还发现从蛙的囊胚（的囊胚（blastula）细胞中分离的核保持着）细胞中分离的核保持着全能性。全能性。lJohn Gurdon用非洲爪蟾（用非洲爪蟾（Xenopus laevis）进行进行实验实验出现了完全不同的结果。出现了完全不同的结果。二二.两栖动物的核移植两栖动物的核移植1997年英国苏格年英国苏格兰爱丁堡罗斯林兰爱丁堡罗斯林研究所研究所(Roslin Institute)的的 Wilmut,I利用绵利用绵羊的乳腺细胞的羊的乳腺细胞的细胞核成功地克细胞核成功地克隆了一只小羊隆了一只小羊“多利多利(Dolly)”。三、克隆羊的诞生三、克隆羊的诞生 l 1996年年7月月Ian Wilmut克隆一头名叫克隆一头名叫“Dolly/多利多利”的小绵羊的小绵羊l 用一头母羊乳腺的细胞核移植到另一头母用一头母羊乳腺的细胞核移植到另一头母羊的去核卵细胞中，经体外培养后，再移植羊的去核卵细胞中，经体外培养后，再移植到假孕母羊的子宫内发育而成。实验一共移到假孕母羊的子宫内发育而成。实验一共移植了植了247/277（？）（？）个卵，多利是其中唯一个卵，多利是其中唯一成功的一头成功的一头,可见难度是很大的。可见难度是很大的。l1.低血清培养（血清浓度由低血清培养（血清浓度由100%降低到降低到0.5%)l2.绵羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表绵羊受精卵在第四次卵裂前核基因仍不表达。达。这是世界上第一例成年山羊体细这是世界上第一例成年山羊体细胞克隆出的胞克隆出的“元元元元”，但由于肺，但由于肺部发育缺陷，它只存活了部发育缺陷，它只存活了3636小时小时零零3 3分钟，就因呼吸衰竭而死亡。分钟，就因呼吸衰竭而死亡。这是在日本诞生的克隆牛，是继这是在日本诞生的克隆牛，是继“多利多利”羊后，科学家利用成年动物羊后，科学家利用成年动物体细胞成功克隆的又一动物。体细胞成功克隆的又一动物。世界上第一只克隆猴世界上第一只克隆猴“泰特拉泰特拉”在在美国俄勒冈灵长类动物中心诞生美国俄勒冈灵长类动物中心诞生2002年年2月月21日日nature报道美国得克报道美国得克萨斯农业和机械大学兽医萨斯农业和机械大学兽医学院的马克学院的马克韦斯特霍欣韦斯特霍欣等成功地克隆出了小猫等成功地克隆出了小猫“茜茜茜茜”茜茜的供体茜茜的供体茜茜和她的茜茜和她的代孕妈妈代孕妈妈茜茜茜茜克隆羊的成功有着极重要的意义：克隆羊的成功有着极重要的意义：l（1 1）在在理理论论上上充充分分证证明明了了动动物物的的细细胞胞核核有有着着全全能能性性，发发育育是是可可逆逆的的，从而结束了几十年来的争论；从而结束了几十年来的争论；l（2 2）建建立立了了高高等等哺哺乳乳动动物物体体细细胞胞克克隆隆的的方方法法，为为抢抢救救频频临临灭灭绝绝的的珍珍稀稀动动物物和和大大量量繁繁殖殖优优良良品品种种奠奠定定了了基础；基础；l（3 3）引引发发了了人人们们对对克克隆隆人人这这一一敏敏感问题的广泛注意；感问题的广泛注意；11.2 细胞定向是发育的基本过程细胞定向是发育的基本过程l个体发育的生物学意义个体发育的生物学意义/功能功能：l细胞分化的多样性细胞分化的多样性 细胞分化细胞分化（细胞在形态结构、生理机能和生化细胞在形态结构、生理机能和生化特性上发生稳定差异的过程特性上发生稳定差异的过程）、）、形态建成、形态建成、生生长长l生命的延续性生命的延续性 性别分化、性别分化、繁殖繁殖个体发育中个体发育中细胞分化细胞分化的过程也是的过程也是细胞定向细胞定向的过程的过程l细胞定向细胞定向从多能干细胞从多能干细胞单能干细胞单能干细胞 分化终末分化终末细胞的过程细胞的过程l细胞定向过程细胞定向过程是细胞分化潜是细胞分化潜能逐渐丧失能逐渐丧失/降降低的过程低的过程分分化化终终末末细细胞胞胚胎干细胞胚胎干细胞（全能干细胞）（全能干细胞）多能干细胞多能干细胞 单能干细胞单能干细胞 分化终末细胞分化终末细胞l2008年年8月月20日，美国科学家首次在实验室培育日，美国科学家首次在实验室培育出人体无核红细胞，这意味着人类在人造血液的出人体无核红细胞，这意味着人类在人造血液的进程上又迈出非常重要的一步。在不久的将来，进程上又迈出非常重要的一步。在不久的将来，献血将成为历史。献血将成为历史。l普通人平均每普通人平均每200毫升血液中有毫升血液中有2万亿个红细胞。万亿个红细胞。红细胞的功能是运输氧、二氧化碳、电解质、葡红细胞的功能是运输氧、二氧化碳、电解质、葡萄糖以及氨基酸这些人体新陈代谢所必须的物质。萄糖以及氨基酸这些人体新陈代谢所必须的物质。因此，若要制成人造血液，科学家首先必须大批因此，若要制成人造血液，科学家首先必须大批量培养出红细胞。量培养出红细胞。世界首例人造无核红细胞诞生世界首例人造无核红细胞诞生 献血将成历史献血将成历史 主持这项研究的罗伯特主持这项研究的罗伯特兰萨教授和同事首先从人体干细胞中兰萨教授和同事首先从人体干细胞中提取营养物质和合成红细胞所必须的物质，再将干细胞培养成血提取营养物质和合成红细胞所必须的物质，再将干细胞培养成血管原细胞管原细胞(haemangioblasts，血管原细胞是红细胞的前体细胞，血管原细胞是红细胞的前体细胞)，最后培育成成熟红细胞。最后培育成成熟红细胞。虽然在此之前已有科学家制造出红细胞，但是在很多关键问题虽然在此之前已有科学家制造出红细胞，但是在很多关键问题上都没有取得突破，比如无法传递营养物质，或者无法完成新陈上都没有取得突破，比如无法传递营养物质，或者无法完成新陈代谢。但兰萨教授在这些关键点上都取得了重大突破。结果证明代谢。但兰萨教授在这些关键点上都取得了重大突破。结果证明，他们培育造出的红细胞与人体内的红细胞一样，都能有效传递，他们培育造出的红细胞与人体内的红细胞一样，都能有效传递氧气和营养物质。最重要的是，这种人造红细胞是无核的。成熟氧气和营养物质。最重要的是，这种人造红细胞是无核的。成熟的红细胞必须是无核、红色的，呈双凹圆盘形，这种形态特点的的红细胞必须是无核、红色的，呈双凹圆盘形，这种形态特点的生理意义在于，红细胞具有较强的可塑性，能通过管径微小的毛生理意义在于，红细胞具有较强的可塑性，能通过管径微小的毛细血管和血窦。另一方面，双凹盘形结构使细胞表面积增大，扩细血管和血窦。另一方面，双凹盘形结构使细胞表面积增大，扩大与血浆之间的交换面积，提高气体交换效率。大与血浆之间的交换面积，提高气体交换效率。世界首例人造无核红细胞诞生世界首例人造无核红细胞诞生 献血将成历史献血将成历史干细胞干细胞(Stem cell)l定义定义l特点特点l分类分类全能干细胞全能干细胞多能干细胞多能干细胞专能干细胞专能干细胞干细胞（干细胞（stem cell）干细胞：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。干细胞：能不断增殖更新自身，具有分化能力的细胞。l全能干细胞全能干细胞（totipotent）:能够分化产生各种细胞直至个能够分化产生各种细胞直至个体的细胞，例如胚胎干细胞（体的细胞，例如胚胎干细胞（embryonic stem cell）。）。l多能干细胞多能干细胞（pluripotent stem cell）:具有具有多种分化能力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。的组织和器官。l多效干细胞多效干细胞（multipotent stem cell）：）：具有专一分化具有专一分化能能力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞力的细胞。例如骨髓中的造血干细胞 干细胞自我更新的方式干细胞自我更新的方式l不均一分裂，多见于单细胞生物和无脊椎动物不均一分裂，多见于单细胞生物和无脊椎动物l总体不均一，多见于哺乳动物总体不均一，多见于哺乳动物 不管是哪一种方式都受到多种反馈调节和细胞不管是哪一种方式都受到多种反馈调节和细胞间相互作用的调节间相互作用的调节l1998年年11月，美国月，美国Wisconsin-Medison University的的James.A.Thomson从人类胚胎的从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离了多能干细胞。囊胚期内细胞群中直接分离了多能干细胞。l同时美国同时美国John-Hopkins Bayview Hospital的的John.D.Gearhart从终止妊娠的胎儿组织中原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。培养，得到多能干细胞。特异组织中分离出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。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，细胞类型，包括视杆细胞，双极细胞，Miiller胶质细胞胶质细胞细胞核的去分化细胞核的去分化l高度分化的细胞核在一定的条件下，可能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。能力的全能干细胞。例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去核的例如：蝌蚪的肠壁细胞核移植到去核的卵中，发育成蝌蚪。卵中，发育成蝌蚪。克隆羊多利等。克隆羊多利等。原来认为的专能干细胞可以分原来认为的专能干细胞可以分化成毫不相关的细胞类型。化成毫不相关的细胞类型。1997年年4月月,Martin.A.Eglitis lHematopoietic cells-microglia and macroglia in brain1999年年2月月,Christopher.R.R.Bjornorson lNeural stem cells-blood cells1999年年4月月,Mark.F.Pittenger lHuman mesenchymal stem cells-bone,cartilage,fat,tendon,muscle and stroma1999年年5月月,B.E.Petersen lbone marrow stem cells-hepatic oval cells人胚胎干细胞技术对基础研究人胚胎干细胞技术对基础研究和临床应用的影响。和临床应用的影响。l用于修复甚至替换丧失功能的组织和器官。用于修复甚至替换丧失功能的组织和器官。l体外研究人胚胎的发育和不正常发育。体外研究人胚胎的发育和不正常发育。l新人类基因的发现。新人类基因的发现。l药物筛选和致畸实验。药物筛选和致畸实验。l基因治疗的细胞源基因治疗的细胞源 可自我复制更新，持久发挥作用。可自我复制更新，持久发挥作用。人胚胎干细胞面临的技术难题。l胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持它在体胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持它在体外扩增时不分化？外扩增时不分化？l如何定向诱导干细胞分化？如何定向诱导干细胞分化？l由胚胎干细胞在体外发育成完整的器官尤其是象心、由胚胎干细胞在体外发育成完整的器官尤其是象心、肝、肾、肺等大型精密复杂的器官还需要技术上的肝、肾、肺等大型精密复杂的器官还需要技术上的突破。突破。l如何克服免疫排斥反应如何克服免疫排斥反应?l胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如何？胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，其安全性如何？l2008年，干细胞研究仍然是生物学界的研究热点。去年，年，干细胞研究仍然是生物学界的研究热点。去年，日本科学家山中伸弥发明日本科学家山中伸弥发明人工诱导多能性干细胞人工诱导多能性干细胞(iPS)技技术后，这一技术成为干细胞研究领域的有力工具，激发术后，这一技术成为干细胞研究领域的有力工具，激发了很多研究成果。了很多研究成果。l2月月15日，山中伸弥借助病毒，将日，山中伸弥借助病毒，将4个基因植入小鼠肝脏个基因植入小鼠肝脏细胞和胃黏膜细胞，培育出了细胞和胃黏膜细胞，培育出了iPS。与原先用皮肤细胞。与原先用皮肤细胞培育出的培育出的iPS相比，这种相比，这种iPS引发癌症的可能性大为下降。引发癌症的可能性大为下降。两个月后，山中伸弥又与日本理化研究所发育与再生科两个月后，山中伸弥又与日本理化研究所发育与再生科学综合研究中心的高桥政代合作，利用由学综合研究中心的高桥政代合作，利用由小白鼠的皮肤小白鼠的皮肤制成制成iPS，成功制造了视网膜感光细胞，成功制造了视网膜感光细胞。这一成果可用。这一成果可用于治疗视网膜色素变性等疾病。而在于治疗视网膜色素变性等疾病。而在8月月31日，日本科日，日本科学家又利用学家又利用iPS，培育出胰腺。，培育出胰腺。除了人工诱导多能性干细胞研究，除了人工诱导多能性干细胞研究，传统的干细胞研究传统的干细胞研究领域领域也取得不少进展。也取得不少进展。1月月17日，美国一家生物技术公司首日，美国一家生物技术公司首次通过克隆技术，由次通过克隆技术，由成体皮肤细胞得到了晶胚，利用克成体皮肤细胞得到了晶胚，利用克隆得到的晶胚又可以制造胚胎干细胞系，从而用于糖尿隆得到的晶胚又可以制造胚胎干细胞系，从而用于糖尿病和帕金森氏症等疾病的研究和治疗病和帕金森氏症等疾病的研究和治疗。一个月后，德国。一个月后，德国科学家利用科学家利用头发根部提取的干细胞，成功培育出皮肤组头发根部提取的干细胞，成功培育出皮肤组织织。这一技术的成熟有望用于烧伤患者等需要接受植皮。这一技术的成熟有望用于烧伤患者等需要接受植皮手术的病人身上。此后，科学家还取得了一系列重要成手术的病人身上。此后，科学家还取得了一系列重要成果：果：利用干细胞再生犬类骨骼、将胚胎干细胞分化成下利用干细胞再生犬类骨骼、将胚胎干细胞分化成下丘脑神经细胞、用病人体细胞制造干细胞丘脑神经细胞、用病人体细胞制造干细胞这些研究成果表明这些研究成果表明,干细胞技术离实际应用已越来越近。干细胞技术离实际应用已越来越近。细胞定向的机制细胞定向的机制lMorgan(1934):顺序基因活动和基因产物相互作用顺序基因活动和基因产物相互作用l决定（决定（determination）:胚胎早期的全能或多能干细胞在基因的调控下，确定了胚胎早期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。特定细胞的分化趋势，即指定了这些细胞的分化命运。如：受精卵分裂成如：受精卵分裂成512个细胞时所有细胞已经定位，并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。确定了特定细胞的形态建成等命运。l特化（特化（specification）：）：细胞或组织按照已经被决定的命运进行分化，形成特异细胞或组织按照已经被决定的命运进行分化，形成特异性组织或细胞地过程。性组织或细胞地过程。如：被决定命运的细胞，按照指令继续分化成特定的组如：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。织，形成体节，器官等不同形态。细胞定向的三种途径细胞定向的三种途径（动物的三种发育模式）：（动物的三种发育模式）：l1）完完全全程程序序化化的的自自主主特特化化途途径径/镶镶嵌嵌发发育育模模式。以秀丽隐杆线虫（式。以秀丽隐杆线虫（C.elegans）为代表）为代表l2）无无程程序序化化的的条条件件特特化化途途径径/调调节节发发育育模模式式。细胞的命运具有一定的随机性，如哺乳动物。细胞的命运具有一定的随机性，如哺乳动物。l3）半半程程序序化化途途径径/自自主主特特化化和和条条件件特特化化相相结结合合的的（合合胞胞特特化化）发发育育模模式式。如如果果蝇蝇的的成成虫虫盘（盘（disk）。）。自主特化条件特化AEACEABCDEABCDE自主和条件特化镶嵌发育：调节发育：形成体形成体原基分布图原基分布图ABCDEABCDE11.3 线虫（线虫（C.elegans）的发育模式）的发育模式 C.elegans:体长仅体长仅1mm,生命周期仅生命周期仅3天。天。1.2n=12，2.基因组仅有基因组仅有8107bp，约有，约有13,500个基因。个基因。3.与原核相似，有与原核相似，有25%左右的基因产生多顺反子左右的基因产生多顺反子 mRNA（Polycistronic mRNA）4.基因组中非重复序列达基因组中非重复序列达83%（E.coli为为100%），），而高等的真核生物都在而高等的真核生物都在50%以下；以下；5.大大 部部 分分 是是 XX型型，为为 可可 以以 自自 体体 受受 精精 的的 两两 性性 体体（hermaphrodites）,XO 型型为为雄雄体体(突突变变型型,约约占占 1/500)。C.elegans 成体由成体由959个细胞组成个细胞组成。线虫线虫（C.elegans）的）的发育发育完全程序化完全程序化的镶嵌发育模式的镶嵌发育模式奠基者细胞奠基者细胞胚胎早期细胞的分化由母体中胚胎早期细胞的分化由母体中卵子细胞质不均等分配决定。卵子细胞质不均等分配决定。如：如：P 颗粒向合子后端的分配颗粒向合子后端的分配决定该部分细胞分化为性细胞。决定该部分细胞分化为性细胞。缺失某类细胞将不能被其他缺失某类细胞将不能被其他细胞取代细胞取代形成镶嵌模式。形成镶嵌模式。线虫（线虫（C.elegans）的发育）的发育11.411.4胚胎发育的遗传控制胚胎发育的遗传控制胚胎发育胚胎发育卵裂（卵裂（cleavage）:受精卵不断分裂成较小受精卵不断分裂成较小细胞，形成细胞，形成l卵裂球或囊胚的过程。卵裂球或囊胚的过程。受精卵受精卵 2个细胞个细胞 4个细胞个细胞 8个细胞个细胞桑葚胚桑葚胚 囊胚囊胚内细胞团内细胞团 胚泡腔胚泡腔 滋养细胞滋养细胞 胚胚 胎胎l原肠胚（原肠胚（gastrulation）原始胚层原始胚层(germlayer)中胚层中胚层(mesoderm):结缔组织，骨，血液，心，结缔组织，骨，血液，心，平滑肌，睾丸，卵巢平滑肌，睾丸，卵巢 外胚层外胚层(ectoderm)：表皮，毛发，甲：表皮，毛发，甲 内胚层（内胚层（endoderm）：消化道，尿道，肝，）：消化道，尿道，肝，胆，胰腺胆，胰腺人的发育人的发育人的发育人的发育胎儿从卵裂到出生的胎儿从卵裂到出生的9个月时间内的发育过程可分个月时间内的发育过程可分为明显的为明显的3个阶段。每一阶段大约持续个阶段。每一阶段大约持续12周。周。第一阶段：单细胞受精卵发育成高度分化的多细胞胚胎；第一阶段：单细胞受精卵发育成高度分化的多细胞胚胎；第二阶段：体积增大和人体特征的精细化第二阶段：体积增大和人体特征的精细化;第三阶段：胎儿迅速成长第三阶段：胎儿迅速成长,神经系统和各器官系统基本完善神经系统和各器官系统基本完善。辅助生殖技术辅助生殖技术体外受精、试管婴儿、代孕母亲体外受精、试管婴儿、代孕母亲首例试管婴儿已于首例试管婴儿已于1978年问世年问世体外直接将精子注入卵细胞技术体外直接将精子注入卵细胞技术基因工程技术基因工程技术“预制胎儿预制胎儿”？人类社会面临的新的挑战人类社会面临的新的挑战2008年年1月月17日，英国人工授精与胚胎学管理局批准两日，英国人工授精与胚胎学管理局批准两个研究小个研究小组组展开一展开一项项争争议议性研究性研究培育人培育人类类与与动动物的混物的混合胚胎。合胚胎。早在早在2006年，英国年，英国伦伦敦大学国王学院和敦大学国王学院和纽纽卡斯卡斯尔尔大学的大学的科研人科研人员员就希望展开此就希望展开此类类研究，但由于英国政府明令禁止研究，但由于英国政府明令禁止制造人制造人类类与与动动物的混合胚胎，物的混合胚胎，这项这项研究一直停滞不前。研究一直停滞不前。获获得人工授精与胚胎学管理局的得人工授精与胚胎学管理局的许许可后，英国科学家取得了可后，英国科学家取得了非常重大的研究非常重大的研究进进展。展。英国科学家培育出首英国科学家培育出首个人兽混合胚胎个人兽混合胚胎4月月1日，英国日，英国纽纽卡斯卡斯尔尔大学大学宣布，宣布，该该校校约约翰翰伯恩教授伯恩教授带带领领的研究小的研究小组组从人从人类类皮肤皮肤细细胞提取胞提取细细胞核，植入几乎完全胞核，植入几乎完全剔除了剔除了遗传遗传物物质质的牛卵的牛卵细细胞后，成功培育出了人牛混合胚胞后，成功培育出了人牛混合胚胎。胎。这这个胚胎个胚胎总总共存活了共存活了3天天时间时间。参与参与这项这项研究的科学家表示，他研究的科学家表示，他们们不会制造混合不会制造混合动动物，物，把人把人兽兽混合胚胎放入子混合胚胎放入子宫宫也是非法的，也是非法的，进进行行这项这项研究是研究是为为了探索帕金森病、肌萎性脊髓了探索帕金森病、肌萎性脊髓侧侧索硬化症等疾病的治索硬化症等疾病的治疗疗方方法，提高人法，提高人们对们对胚胎干胚胎干细细胞胞发发育育过过程的程的认识认识和理解。和理解。英国科学家培育出首英国科学家培育出首个人兽混合胚胎个人兽混合胚胎 5月月12日，美国康奈日，美国康奈尔尔大学大学一个研究小一个研究小组组宣布，他宣布，他们们成功培育出世界上成功培育出世界上第一个第一个转转基因基因(GM)人人类类胚胎胚胎，用以研究，用以研究细细胞和疾病的早期胞和疾病的早期发发展状况。胚胎在存活展状况。胚胎在存活5天后被天后被销销毁毁。英国人工授精与胚胎管理局英国人工授精与胚胎管理局(HFEA)警告警告说说，这这种种颇颇具争具争议议的的实验势实验势必引起必引起“严严重的道德和公共利益重的道德和公共利益问题问题”。人人类类受受精和胚胎学法案精和胚胎学法案规规定，定，转转基因胚胎基因胚胎仅仅能用于研究，禁止能用于研究，禁止移植到子移植到子宫宫内。内。美国科学家成功培育出美国科学家成功培育出首个首个转转基因人基因人类类胚胎胚胎 改改变变胚胎的影响是永久性的。添加至胚胎或生殖胚胎的影响是永久性的。添加至胚胎或生殖细细胞胞(如如精子精子)的基因将会影响人体中所有的基因将会影响人体中所有细细胞，同胞，同时还时还将代代相将代代相传传。这项这项技技术术有可能被用于有可能被用于矫矫正引起囊性正引起囊性纤维变纤维变性、血性、血友病、癌症等疾病的基因。从理友病、癌症等疾病的基因。从理论论上上讲讲，任何已得到，任何已得到鉴鉴别别的基因都能添加至胚胎上。科学家的基因都能添加至胚胎上。科学家强强调调，转转基因胚胎基因胚胎不不仅仅可用于研究疾病可用于研究疾病发发展情况，而且在培育干展情况，而且在培育干细细胞方面胞方面效率更高。效率更高。美国科学家成功培育出美国科学家成功培育出首个首个转转基因人基因人类类胚胎胚胎 模式形成（模式形成（pattern formation）（图式形成）（图式形成）（图式形成）（图式形成）l胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞又分别胚胎形成不同类型的细胞，而这些细胞又分别构成不同的组织、器官，并形成有序的空间结构成不同的组织、器官，并形成有序的空间结构的过程构的过程l动物最初的模式形成主要涉及胚轴动物最初的模式形成主要涉及胚轴(embryonic axes)形成和相关细胞的分化形成和相关细胞的分化l胚轴：前后轴胚轴：前后轴(anterior-posterior acis)背腹轴背腹轴(dorsal-ventral axis)中侧轴（或左右轴）中侧轴（或左右轴）(mediolateral axis)脊椎动物躯体规划的第一步是体轴的决定脊椎动物躯体规划的第一步是体轴的决定体轴分体轴分:头尾轴头尾轴(antero-posterior axis)(antero-posterior axis)背腹轴背腹轴(dorso-ventral axis)(dorso-ventral axis)远近轴远近轴(proximo-distal axis(proximo-distal axis）两栖类：首先被决定的是动植物极（即头尾）。两栖类：首先被决定的是动植物极（即头尾）。鸟类：首先决定背腹极，头尾轴则根据重力和排卵鸟类：首先决定背腹极，头尾轴则根据重力和排卵时的旋转决定。时的旋转决定。哺乳类：根据胚胎内细胞团（哺乳类：根据胚胎内细胞团（inner cell massinner cell mass）分隔的位置决定背腹面，头尾可能是在排卵时分隔的位置决定背腹面，头尾可能是在排卵时被决定，还不清楚哺乳类是如何决定左右。被决定，还不清楚哺乳类是如何决定左右。l果蝇前后轴、背腹轴如何确定？果蝇前后轴、背腹轴如何确定？11.5 果蝇的发育果蝇的发育（半程序化的合胞特化途径）（半程序化的合胞特化途径）果蝇的囊胚前同等卵裂，盘状囊胚后定向果蝇的囊胚前同等卵裂，盘状囊胚后定向（合胞体胚囊合胞体胚囊单层细胞囊胚，最初的胞质位置单层细胞囊胚，最初的胞质位置/成分决定了对成分决定了对应囊胚细胞的发育定向，如极质区的细胞发育为配子）应囊胚细胞的发育定向，如极质区的细胞发育为配子）(a)3(a)3小时的果小时的果 蝇胚胎蝇胚胎(b)10(b)10小时的果小时的果 蝇胚胎蝇胚胎(CL,(CL,PC,O,D,Mx,PC,O,D,Mx,Ml,Lb Ml,Lb是头部是头部 不同的节不同的节)(c)(c)刚孵化出的刚孵化出的 幼虫幼虫控制果蝇胚胎发育的三类基因：控制果蝇胚胎发育的三类基因：l1.母体基因母体基因(maternal genes)l2.分节基因分节基因(segmentation genes)l3.同源异型基因同源异型基因/特征形成基因特征形成基因 (homoeotic gene)母体基因在发育中的作用：母体基因在发育中的作用：在受精前，发育已经开始，雌性在受精前，发育已经开始，雌性生殖系统基因生殖系统基因 的表达产生营养物的表达产生营养物质和质和决定因子决定因子，转运至卵中，为，转运至卵中，为卵的进一步发育打下基础卵的进一步发育打下基础分分子水平的母爱。子水平的母爱。在某些物种中，这些来自于母亲在某些物种中，这些来自于母亲的基因产物决的基因产物决 定了胚胎发育的基定了胚胎发育的基本结构，例如头尾，背腹的本结构，例如头尾，背腹的 确定。确定。称为称为 maternal-effect genes。dldl+XMutation embryo due to maternal effectdldlX+Wide-type embryodl,dorsal gene 是果蝇母系影响基因之一是果蝇母系影响基因之一l1、母体基因母体基因(maternal gene)1)影响前影响前-后极性的基因后极性的基因l有有bicoid(bcd)(两头尖两头尖)的前部群的前部群l有有nanos(nos)(侏儒侏儒)的后部群的后部群l有有torso(中段中段)和和caudal的端部群的端部群2)影响背腹极性的基因影响背腹极性的基因ldorsal(dal)和和toll经分子杂交经分子杂交bcdmRNA定位于前部定位于前部经免疫杂交经免疫杂交BCD蛋白定位于前部蛋白定位于前部经分子杂交经分子杂交nosmRNA定位于后部定位于后部经免疫杂交经免疫杂交NOS蛋白定位于后部蛋白定位于后部(a)野生型(b)bcd母体效应致死突变型：两端和胸节缺失头沟的位置头沟的位置头沟的位置头沟的位置bcd 基因基因及其产物及其产物的条件特的条件特化作用化作用 在果蝇早期胚中位置信息建立了背腹轴在果蝇早期胚中位置信息建立了背腹轴核梯度和核梯度和DL蛋白蛋白(dosal的产物的产物)的胞质定位。的胞质定位。SPZ配体和配体和TOLL受体结合，受体结合，通过通过TUB和和PLL两种蛋白激活单个的传导级联，使两种蛋白激活单个的传导级联，使DL磷酸化，并从磷酸化，并从CACT中释放出，然后能移入核，在核中它作为中释放出，然后能移入核，在核中它作为DV主要基因的转录因子。主要基因的转录因子。CACT(cactus仙人掌仙人掌)(spaetzle)卵周膜卵周膜卵周液卵周液Dorsalcactus 2.2.分节基因（合子基因）决定体节形成分节基因（合子基因）决定体节形成 分节基因的突变效应分节基因的突变效应 裂隙基因裂隙基因(gap(gap gene)gene)的表达形成的表达形成4 4大体节区带大体节区带 成对规则基因成对规则基因(pair-rule)(pair-rule)的表达形成的表达形成7 7对体节条纹对体节条纹 体体节节极极性性基基因因(segment(segment polarity)polarity)的的表表达达产产生生 1414个体节条纹个体节条纹体节形成中的遗传层次（体节形成中的遗传层次（genetic hierarchygenetic hierarchy）母性效应基因和分节基因相互作用决母性效应基因和分节基因相互作用决定体轴（定体轴（A-PA-P，D-VD-V）的形成）的形成 A-P A-P轴前端由轴前端由bicoid mRNAbicoid mRNA及其表达产物的梯度决定及其表达产物的梯度决定 A-PA-P轴的后端由轴的后端由nanosnanos基因的作用决定基因的作用决定 bicoidbicoid和和nanosnanos基因产物的协同作用生成早期胚胎基因产物的协同作用生成早期胚胎A-A-P P轴轴 D-VD-V轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内的梯轴建成中，腹部结构按背部基因蛋白在核内的梯度形成，而背部结构的形成则取决于腹部基因蛋白度形成，而背部结构的形成则取决于腹部基因蛋白dppdpp的梯度的梯度母性效应基因（母性效应基因（maternal-effect genesmaternal-effect genes）母性效应基因编码转录因子、受体和母性效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白，在卵子发生（调节翻译的蛋白，在卵子发生（oogenesisoogenesis）中转录，产物储存在卵母细胞中，沿前中转录，产物储存在卵母细胞中，沿前-后轴后轴呈梯度（呈梯度（gradientgradient）分布。）分布。母性效应基因产物的梯度起始胚胎母性效应基因产物的梯度起始胚胎发育发育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性效突变研究指出，调节果蝇发育的母性效应基因约应基因约4040个。个。合子基因（合子基因（zygotic geneszygotic genes），又称为），又称为分节基因（分节基因（segmentation genessegmentation genes）分节基因在受精后依赖于母性效应蛋分节基因在受精后依赖于母性效应蛋白的分布转录。白的分布转录。根据突变分析，分节基因约有根据突变分析，分节基因约有6060个个,可可分为三类，即裂隙基因（分为三类，即裂隙基因（gap genesgap genes）、）、成对规则基因（成对规则基因（pair-rule genespair-rule genes）和）和体节极性基因（体节极性基因（segment polarity segment polarity genesgenes）裂隙基因裂隙基因l受母体效应基因的调控，在胚胎一定区受母体效应基因的调控，在胚胎一定区域内表达（域内表达（2个体节），该基因突变，使个体节），该基因突变，使得胚胎体节出现裂隙。得胚胎体节出现裂隙。例如：例如：Hunchback基因生成头胸，抑制腹部的基基因生成头胸，抑制腹部的基因。突变时，不生成口和胸。是受因。突变时，不生成口和胸。是受bcd基基因调控的因调控的gap gene.成对规则基因成对规则基因l受裂隙基因调控，体节间隔的特定基因。受裂隙基因调控，体节间隔的特定基因。突变时胚胎的体节有缺失的现象。突变时胚胎的体节有缺失的现象。例如：例如：ftz基因，转录基因，转录1.8kbRNA,突变时，突变时，由于由于7个体节相关的细胞死亡，体节减少个体节相关的细胞死亡，体节减少了一半。了一半。体节极性基因体节极性基因l受成对规则基因调控，保持体节中的重复结受成对规则基因调控，保持体节中的重复结构的一致性。构的一致性。例如：例如：engrail基因，保持前后体节的分界，该基因，保持前后体节的分界，该基因突变时，缺失每一体节的后半部分。基因突变时，缺失每一体节的后半部分。同源异形基因同源异形基因(homoeotic gene)决定特征形成决定特征形成l同源异形基因（同源异形基因（homeotic geneshomeotic genes）或或选择者基因（选择者基因（selector genesselector genes）,主要包括主要包括触角足复合体（触角足复合体（AntennapediaAntennapedia complex ANT-complex ANT-C C）和和双胸复合体（双胸复合体（Bithorax complexBithorax complex，BX-CBX-C）两个