第十二章遗传与个体发育

受精卵                                  亿万个细胞(基因相同)

但是如何解释细胞分化,以及细胞与细胞之间的差异？

解决问题：细胞质在个体发育中的作用

细胞分化

基因表达调控

细胞核心细胞质在个体发育中的协同作用

第一节细胞质在遗传中的作用

一、细胞质的不均性和细胞的分化

受精卵  色素  卵黄粒  线粒体  分布的不随机性

↓

2个分裂球blastomere基因相同但质物质不相同

所以，细胞质的变化控制了基因的活性         细胞分化

例：海鞘（cynthiapartita）的卵裂         

以上几个实验清楚地表明了，卵细胞质含有一些分化的物质，如色素、卵黄粒、线粒体等，只有完全具备了这些物质，个体发育才能正常进行，所以，细胞质的变化控制了基因的活性——细胞分化

二、细胞质对染色体行为的影响

三、细胞质对染色体的影响

异固缩现象heteropycnosis

哺乳动物雌性个体的两个染色体，其中一条处于失活状态，期间对这条在靠近粒膜的地方，成为染色较深的小点（三角形、哑玲形等），称为性染色质体（sexchromatinbody）或称巴氏小体（barrbody）

第二节细胞分化的可逆性

细胞的全能性（foripotency）

一、植物的组织培养

１.Ｓteward　５０年代　２０世纪

２.烟草　叶肉细胞

说明：细胞具有全能性,核基因组的分化是可逆性

人工育种的有力手段

二、动物的核移植试验

说明：基因的开放和关闭是一个循序渐进的程

２.Ｇurdon非洲爪蟾的核移植

说明：植入的核可以去分化可以重新分化

以上两例说明细胞分化具有可塑性

第三节  基因表达的调控

一、基因表达调控的例证

1．血红蛋白用于氧的输送

（1）关于血红蛋白（hemogolbin , Hb）是四聚体有四个亚基（Tetramer）都由两对不同的肽链构成，每条链都连接一个血红素分子（heme）

（2）关于基因簇

16号chr,  5’ —  — χ —χ2 — 2 — 1 — 3’11号chr,  5’ —  — γG —γA —χ — δ —  — 3’

（3）人的发育期间血红蛋白的组成

说明：个体发育不同阶段基因的表达有先后和排序

（4）生命早期a、b、g、d 和 e 链的量的变化

说明：个体发育不同阶段基因的表达有先后和排序

2．乳胶脱氢酶（lactic dehgdrogenase , LDH）

（１）ＬＤＨ：是糖类代谢中的必需的酶，几乎存在于脊椎动物的所有细胞中

（２）淀粉凝胶电泳

抽提酶→电泳→区带→染色→带型

（３）同工酶：催化同一反应而分子结构不同的几种酶

（４）LED5条区带表明

（５）不同种，同种不同发育时期，LED带型不同，说明，基因调控顺序

二、原核类基因表达的调控

1. 几个名词

操纵学说：

说明细菌系统在转录水平上控制基因表达

正控制：

某种复合体结合转录受到促进

结构基因

决定蛋白质的顺序的基因

调节基因

控制在某一细胞的内环境下合成特定蛋白质的效率。

操纵基因或称操纵子

启动基因promoter

2．大肠杆菌的乳糖操纵子（laltoseoperon）负控制

第一步R：regulator调节基因产物为阻遏物（repressor）是一种pros360个AA四聚体

第二步 培养基中无乳糖时，r与操纵基因结合（operongene）

第三步RNA聚合酶与P启动基因（promotergene）结合但是由于第二步的结果，RNA聚合酶不能通过操基因

第四步laczlacYlacA的mRNA不能合成，则三个结构基因无相应的pros产物

第一步：R      r阻遏物

第二步：培养其中有乳糖时作为碳源进入细胞，并作为诱导物（inducer）与r结合，构型变化不能与O结合

第三步：RNA聚合酶与P（启动基因）结合，并通过操纵基因（O），lalzlacYlacA

第四步：转录lacz lacy lacA mRNA合成相应的pros即半乳糖甘酶，半乳糖苷透膜酶、乙酰转移酶

第五步：上述三种酶作用于乳糖      　　　葡萄糖 + 乳糖

第六步：乳糖分解完毕，又释放出来并与O结合，重复第一步

3．大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子——正控制

第一步：C基因——激活基因或称起始基因产物为C-pros

第二步：C-pros与阿拉伯糖形成复合体

第三步：C-pros阿拉伯糖复合体与（抑制基因）结合

第四步：DNA聚合酶促使DNA双螺旋解开DNA聚合梅与之结合

第五步：b.a.d          mRNA         相应的酶

第六步：阿拉伯糖被分解

第七步：C-pros与阿拉伯糖复合体解体

第八步：i与复合体，无

第九步：聚合酶的作用受阻,无解螺旋

三、真核类基因表达的调控

调控可在几个水平上：转录阶段、剪接水平、mRNA稳定性、翻译水平

（一）启动子和转录调控

1．RNA聚合酶启动子的多元性

启动子：是指确保转录精确而有效地起始的DNA序列成分

TATA序列：由RNA聚合酶催化转录的DNA序列的上游有一段富含AT的保守序列，由于该序列前面的4个碱基为TATA，所以称为TATA序列，又称TATA框

UPE：（Upstream promotor elements）

又称上游启动子成分

启动子的起站点上游由8-1269组成的序列要素称作UPE

如：CCAAT框  GCCACACCC  GGGCGG  ATGCAAAT碱基组成和碱基数目常因不同的基因而异

典型的启动子：ＴＡＴＡ框　　１

　　　　　　　ＵＰＥ　　　　２

作用：TATA框使转录精确地起始，若除去则起始点不定。UPE控制转录起始的频率。启动子强度由UPE和TATA框的数目和种类决定。

2．RNA聚合酶对启动子的识别

一个启动子包括几个UPE成分，而它们所伸展的距离远大于RNA聚合酶所覆盖的范围，那么RNA聚合酶是怎样结合上去并起始转录的呢？

两种解释：

（1）RNA聚合酶先与上游较这的位点接触，然后移向起始点。

（2）染色质的紧缩结构可能使一些位点，并置在一起，RNA聚合酶的结合部位可能是由某些不毗邻的序列通过与DNA结合的蛋白质使它们靠扰在一起

3．增强子enhancer

是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。增强子作为基因表达的调节成分具有的一般性质：

（1）增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍或600-1000倍

（2）增强效应与其位置和取向无关，不论是3’-5’或5’-3’,或距离基因的300bp,或在基因下游，均表现增强效应

（3）大多为重复序列一般约50bp，正适合与某些蛋白因子子结合，内部含有一个核心序列

（4）在结合到异源的转录单位上时，也能发挥增强效应

（5）其增强效应必须有特定的蛋白因子（转录因子）参与才能表现出来。

例子：

Ａ，Ｂ，Ｃ三个区能互相协作以促进转录

（二）剪接水平

大鼠中编码降钙素（calcitonin）的DNA顺序

说明：

（1）大鼠中形成降钙素的mRNA可以在不同的组织中进行。

甲状腺内，脑下垂体细胞内

（2）不同组织中的剪接不同（方式不同），可有不同的mRNA产物

（三）翻译水平的调控

真核生物能否长时间地及时地利用成熟的分子翻译出蛋白质，以供生长、发育的需要，是和稳定性以及屏蔽状态的解除是相关的

1．mRNA的稳定性

mRNA的稳定性实际上就是mRNA的寿命

（1）原粒生物半衰期平均为3分钟

（2）真核生物迅速生长的细胞中，mRNA的半衰期平均为3小时高度分化的经端细胞中mRNA半衰期长达几天

2．翻译起始的控制

屏蔽mRNA（maskedmRNA）

高等真核生物的卵细胞中有些mRNA是以核糖核蛋白颗粒（ribonucleo protein paticles  RNP）的形式贮存着，这种状态下的mRNA暂时不能翻译，这些不活跃的mRNA叫做屏蔽mRNA

在受精几分钟后屏蔽mRNA被活而开始翻译。关键：RNP的蛋白质是否屏蔽着它结合的mRNA是翻译起始的关键。

例：卵母细胞中mRNA的翻译起始与RNP中pros存在与否的关系。

1984年RichterandSmith的实验

说明：卵母细胞中RNP中特异蛋白质有控制mRNA活性，从而在翻译水平上调节基因表达。

例：人的红细胞的发育

第四节 几个发育现象的遗传学分析

一、通过基因重排控制基因表达

即：某些生物通过染色体DNA重排来控制基因表达

典型例子：昏睡病的病原体——锥虫（Trypanosoma）的表面糖蛋白

哺乳动物的B淋巴细胞

例：脊椎动物的抗体产出

1．抗体是杭体由于抗原的刺激而产出的具有保护性的蛋白质

是血清中的一组免疫球蛋白血浆蛋白质

由网状内皮系统的细胞合成这类细胞存在脾脏、肝脏、淋巴结中

抗体具有很高的特异性

抗原

引起抗体产生的物质如：外来异物  侵入的微生物

2. 抗体的产生

3．抗体分子的结构（免疫球蛋白、γ -球蛋白、丙种球蛋白）

一种抗体只针对一种抗原发生作用，而作为抗原的种类成千上万（很多），所以一个个体可以产生的抗体很可能也在万以上。

提出问题？

各种不同的抗体是由不同的基因决定的吗？

一定数目的基因重排，即一定数目基因产物的各种组合？

4．分散在染色体不同位置上的DNA区段组装成一个抗体基因

说明：抗体分子多样化的原因

是淋巴细胞DNA的剪接，以组合方式产出成千上万种可能的基因结构

二、从突变对器管形成的影响推论发育中基因的作用

1．例：小鼠（Musmusculus）尾巴长度突变的遗传

尾巴长度：野生型           长度正常 t

突变型           长度减半T

T基因的作用是在胚胎发育阶段

２.小鼠无尾突变的遗传

说明：每一突变型都是在某一特定时期阻断发育说明每一特定基因均在特定时期控制其表达

三、哺乳动物性分化过程中染色体和基因所起的某些作用

1．人类中罕见的双实例——“一卵双生”不同性别

说明Ｙ染色体在性决定中起关键性作用

Ｙ染色体具有上位性雄性决定因子

2．体内有雄性的素体内又能存在睾丸

体内有雄性激素睾酮，体内可能存在睾丸，但外生殖器为女性

原因：是抗原受体基因产物是双氢酮结合蛋白

第五节  病毒和原生生物的分化

主要讨论细胞结构单细胞结构

一、病毒的自发装配过程

1．烟草花叶病毒的装配

烟草花叶病毒（TMV）：RNA核心，蛋白质外壳

自发装配过程

2．T4噬菌体的自发装配

二、细菌的孢子形成

孢子—— 一种休眠结构不复制、无代谢活性，但在不良环境条件下可体眼几百年

孢子形成（sporogenesis）的条件

营养物质的缺失，特别是不足

细菌类型：杆菌属（Bacilli）

梭菌属（clostridia）

形成过程：前孢子（prespore  or  forespore）

（DNA和一部分细胞质包涵在一间隔内）

成熟孢子（endospore）

形态变化和酶活性出现增减     基因控制下进行的

三、伞藻的再生和嫁接试验

1．关于伞藻（Acetabulariamediterranea）

大型单细胞藻类

幼龄时：假根  有一个大的细胞核  茎  很长达7cm内含叶绿体

成熟期：假根  茎  子实体——伞形结构

孢来形成：子实体将要完全形成时，假根中的核“崩解”，形成很多子核，并分布在茎和子实体中，在子实体中形成孢素

孢素萌发：释放许多有鞭毛的配子

伞藻生活史：

2．伞藻的再生实验

伞藻的茎切取了段（均不带核）再生

原因：茎的上部含有mRNA最多

说明：核在细胞分化中是起着主导作用的

3．伞藻的种间嫁接实验

两个种Acetabularia  mediterranea(A  m)      

Aatabularia  crenulata(A  c)     核体不同      

说明：在控制细胞的分化方面，基因作用的产物是起主导作用的

第六节 细胞核和细胞质在个体发育中的协同作用

细胞核和细胞质是细胞中担负着不同作用的两个组成部分，但又是相互联系的整体。