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1、第 十 三 章遗 传 与 个 体 发 育张晓明目目 录录 细胞核和细胞质在个体发育中的作用细胞核和细胞质在个体发育中的作用 细胞的全能性细胞的全能性 基因调控基因调控 基因对个体发育的控制基因对个体发育的控制 一、细胞质在细胞生长和分化中的作用一、细胞质在细胞生长和分化中的作用 动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色
2、的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色新月体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大新月体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大新月体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大新月体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大体上已经确定。体上已经确定。体上已经确定。体上已经确定。uu 海鞘的卵裂：海鞘的卵裂：uu 角贝的极叶形成：角贝的极叶形成：uu 海胆个体的发育：海胆个体的发育：uu 花粉粒的发育：花粉粒的发育：二、细胞核在细胞生长和分化中具有主二、细胞核在细胞生长和分化中具有主
3、 导作用导作用 伞藻伞藻伞藻伞藻(AcetabulariaAcetabularia)是一种大型的单细胞是一种大型的单细胞是一种大型的单细胞是一种大型的单细胞海生绿藻。自顶部到根部长约海生绿藻。自顶部到根部长约海生绿藻。自顶部到根部长约海生绿藻。自顶部到根部长约6-96-9厘米。细厘米。细厘米。细厘米。细胞核在基部的假根内。成熟时，顶部长出胞核在基部的假根内。成熟时，顶部长出胞核在基部的假根内。成熟时，顶部长出胞核在基部的假根内。成熟时，顶部长出一个伞状的子实体一个伞状的子实体一个伞状的子实体一个伞状的子实体(fruiting body)(fruiting body)，子实，子实，子实，子实体因
4、物种不同而异。在欧洲有一个种叫地体因物种不同而异。在欧洲有一个种叫地体因物种不同而异。在欧洲有一个种叫地体因物种不同而异。在欧洲有一个种叫地中海伞藻中海伞藻中海伞藻中海伞藻(A.mediterranea)(A.mediterranea)，子实体边缘为完，子实体边缘为完，子实体边缘为完，子实体边缘为完整的圆形。另一个种叫裂缘伞藻整的圆形。另一个种叫裂缘伞藻整的圆形。另一个种叫裂缘伞藻整的圆形。另一个种叫裂缘伞藻(A.A.crenulatecrenulate)，子实体边缘裂成分瓣形。，子实体边缘裂成分瓣形。，子实体边缘裂成分瓣形。，子实体边缘裂成分瓣形。三、细胞核和细胞质在个体发育中的三、细胞核和
5、细胞质在个体发育中的相互依存相互依存 在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的“遗遗遗遗传信息传信息传信息传信息”决定着个体发育的方向和模式，为蛋白质决定着个体发育的方向和模式，为蛋白质决定着个体发育的方向和模式，为蛋白质决定着个体发育的方向和模式
6、，为蛋白质(包括酶包括酶包括酶包括酶)的合成提供了模板的合成提供了模板的合成提供了模板的合成提供了模板(mRNA)(mRNA)以及其它各种重要的以及其它各种重要的以及其它各种重要的以及其它各种重要的RNARNA，从而控，从而控，从而控，从而控制了细胞的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的制了细胞的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的制了细胞的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的制了细胞的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的场所，并为场所，并为场所，并为场所，并为DNADNA的复制、的复制、的复制、的复制、mRNAmRNA的转录以及的转录以及的转录以及的转录以及tRNAt
7、RNA、rRNArRNA的的的的合成提供原料和能量。合成提供原料和能量。合成提供原料和能量。合成提供原料和能量。n n 果蝇极细胞质移植试验：果蝇极细胞质移植试验：果蝇极细胞质移植试验：果蝇极细胞质移植试验：n n 小麦瘿蚊染色体的放弃：小麦瘿蚊染色体的放弃：小麦瘿蚊染色体的放弃：小麦瘿蚊染色体的放弃：n n 水蜡虫体细胞染色体异染色质化：水蜡虫体细胞染色体异染色质化：水蜡虫体细胞染色体异染色质化：水蜡虫体细胞染色体异染色质化：n n 细胞质对性染色体的影响：细胞质对性染色体的影响：细胞质对性染色体的影响：细胞质对性染色体的影响：第二节第二节 细胞的全能性细胞的全能性n n 植物细胞培养：n
8、n 动物细胞核移植：第三节第三节 基因调控基因调控n n 基因调控的证据基因调控的证据n n 原核生物基因调控原核生物基因调控n n 真核生物基因调控真核生物基因调控一、一、基因调控的证据基因调控的证据二、二、原核生物基因调控特点原核生物基因调控特点n n原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。n n在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的在
9、细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子(polycistronic)mRNA(polycistronic)mRNA，这是原核生物所特有的现象，这是原核生物所特有的现象，这是原核生物所特有的现象，这是原核生物所特有的现象，也是一也是一也是一也是一种经济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核种经济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核种经济有效的调控方式
10、。真核生物没有这种调控机制，因为真核种经济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核生物基因转录的是单顺反子生物基因转录的是单顺反子生物基因转录的是单顺反子生物基因转录的是单顺反子(monocistronic)mRNA(monocistronic)mRNA。n n不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合
11、成。而在谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。n n正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负调控调控调控调控(negative
12、 regulation)(negative regulation)。阻遏物与。阻遏物与。阻遏物与。阻遏物与DNADNA分子结合，阻碍分子结合，阻碍分子结合，阻碍分子结合，阻碍RNARNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生去之后，转录才能起动，产生去之后，转录才能起动，产生去之后，转录才能起动，产生mRNAmRNA分子。正调控分子。正调控分子。正调控分子。正调控(positive(positive regulati
13、on)regulation)是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子(activator)(activator)复复复复合物，与基因启动子合物，与基因启动子合物，与基因启动子合物，与基因启动子DNADNA序列结合，激活基因起始转录。序列结合，激活基因起始转录。序列结合，激活基因起始转录。序列结合
14、，激活基因起始转录。三、乳糖操纵元模型三、乳糖操纵元模型 1 负调控负调控2 正调控正调控3、乳糖操纵元存在的证据、乳糖操纵元存在的证据 n n 遗传分析遗传分析遗传分析遗传分析 lac lac操纵元模型有三个基本假定：操纵元模型有三个基本假定：操纵元模型有三个基本假定：操纵元模型有三个基本假定：阻遏基因阻遏基因阻遏基因阻遏基因I I的产物的产物的产物的产物是可在细胞中扩散的反式调控元件；是可在细胞中扩散的反式调控元件；是可在细胞中扩散的反式调控元件；是可在细胞中扩散的反式调控元件；操纵子操纵子操纵子操纵子OO是调控位点，不是调控位点，不是调控位点，不是调控位点，不编码蛋白质；编码蛋白质；编码
15、蛋白质；编码蛋白质；OO位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式调控元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体调控元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体调控元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体调控元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体(merozygote)(merozygote)，可，可，可，可以检测上述假定是否成立。以检测上述假定是否成立。以检测上述假定是否成立。以检测上述假定是否成立。n n阻遏蛋白的分离与鉴定：阻遏蛋白的分离与鉴定：阻遏蛋白的分离与鉴定：阻遏蛋白的分离与鉴定：1
16、966 1966年吉尔伯特年吉尔伯特年吉尔伯特年吉尔伯特(Gilbert(Gilbert，W.)W.)等人利用等人利用等人利用等人利用一种阻遏蛋白超量突变型一种阻遏蛋白超量突变型一种阻遏蛋白超量突变型一种阻遏蛋白超量突变型(regulator quantity(regulator quantity，Iq)Iq)，分离出阻遏，分离出阻遏，分离出阻遏，分离出阻遏蛋白。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的蛋白。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的蛋白。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的蛋白。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的1010倍。经倍。经倍。经倍。经IPTGIPTG诱导诱导诱导诱导IqIq细胞，分
17、离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的细胞，分离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的细胞，分离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的细胞，分离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的IPTGIPTG溶液透析。在这种透析条件下，标记的溶液透析。在这种透析条件下，标记的溶液透析。在这种透析条件下，标记的溶液透析。在这种透析条件下，标记的IPTGIPTG小分子可以自由小分子可以自由小分子可以自由小分子可以自由地扩散进入透析袋内，当达到平衡时，透析袋内的地扩散进入透析袋内，当达到平衡时，透析袋内的地扩散进入透析袋内，当达到平衡时，透析袋内的地扩散进入透析袋内，当达到平
18、衡时，透析袋内的IPTGIPTG浓度高于浓度高于浓度高于浓度高于透析袋外溶液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与透析袋外溶液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与透析袋外溶液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与透析袋外溶液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与IPTGIPTG结合结合结合结合的物质，这种物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。的物质，这种物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。的物质，这种物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。的物质，这种物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。将与将与将与将与IPTGIPTG结合的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，
19、结合的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，结合的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，结合的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，而来自而来自而来自而来自I I 细胞的提取物则没有与细胞的提取物则没有与细胞的提取物则没有与细胞的提取物则没有与IPTGIPTG结合的特性，说明分离的是结合的特性，说明分离的是结合的特性，说明分离的是结合的特性，说明分离的是阻遏蛋白。阻遏蛋白。阻遏蛋白。阻遏蛋白。n n进一步将细菌放在含有同位素标记的培养基中培养，分离出与进一步将细菌放在含有同位素标记的培养基中培养，分离出与进一步将细菌放在含有同位素标记的培养基中培养，分离出与进一步将细菌放在含有同位
20、素标记的培养基中培养，分离出与IPTGIPTG结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有lac O+lac O+序列的序列的序列的序列的Lambda DNALambda DNA混合，分析沉降系数。混合，分析沉降系数。混合，分析沉降系数。混合，分析沉降系数。DNADNA的沉降系数为的沉降系数为的沉降系数为的沉降系数为40S40S，而，而，而，而IPTGIPTG阻遏蛋白复合物的沉降系数为阻遏蛋白复合物的沉降系数为阻遏蛋白复合物的沉降系数为阻遏蛋白复合物的沉降系数为7S7S。将。将。将。将I
21、PTGIPTG阻遏蛋白复合阻遏蛋白复合阻遏蛋白复合阻遏蛋白复合物与物与物与物与DNADNA混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白质复合体的沉降系数与质复合体的沉降系数与质复合体的沉降系数与质复合体的沉降系数与DNADNA的相同，说明阻遏蛋白已经与的相同，说明阻遏蛋白已经与的相同，说明阻遏蛋白已经与的相同，说明阻遏蛋白已经与DNADNA结结结结合了。而且，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的合了。而且，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的合了。而且
22、，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的合了。而且，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的laclac操纵子序列结合，操纵子序列结合，操纵子序列结合，操纵子序列结合，不能与不能与不能与不能与laclac操纵子组成型突变操纵子组成型突变操纵子组成型突变操纵子组成型突变(Oc)DNA(Oc)DNA结合。结合。结合。结合。n n阻遏蛋白的结晶分析：阻遏蛋白的结晶分析：阻遏蛋白的结晶分析：阻遏蛋白的结晶分析：1996 1996年，刘易斯年，刘易斯年，刘易斯年，刘易斯(Lewis(Lewis，M)M)等人成功地等人成功地等人成功地等人成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子测定了阻遏蛋白的结晶结构，
23、以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提序列结合的结构，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提序列结合的结构，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提序列结合的结构，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提出的出的出的出的laclac操纵元结构模型，从而使操纵元结构模型，从而使操纵元结构模型，从而使操纵元结构模型，从而使laclac操纵元调控得到充分的证据，操纵元调控得到充分的证据，操纵元调控得到充分的证据，操纵元调控得到充分的证据，成为一幅完整的图
24、案。成为一幅完整的图案。成为一幅完整的图案。成为一幅完整的图案。I I基因产物具有基因产物具有基因产物具有基因产物具有360360个氨基酸，它的单体个氨基酸，它的单体个氨基酸，它的单体个氨基酸，它的单体与诱导物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋与诱导物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋与诱导物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋与诱导物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋白含有白含有白含有白含有4 4个亚基，即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产个亚基，即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产个亚基，即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产个亚基，
25、即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产生生生生5 5个片段，其中个片段，其中个片段，其中个片段，其中4 4个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子DNADNA结合。第结合。第结合。第结合。第5 5个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳糖诱导物及糖诱导物及糖诱导物及糖诱导物及IPTGIPTG结合。每个四聚体可同时与两个对称的结合。每个四聚体可同时与两个对称的结合。
26、每个四聚体可同时与两个对称的结合。每个四聚体可同时与两个对称的DNADNA双双双双链结合链结合链结合链结合。四、真核生物基因表达的调控四、真核生物基因表达的调控 在真核生物中基因表达的调节其特点:多层次 无操纵子 个体发育复杂 受环境影响较小1 真核生物基因调调控特点及种类:短期调控:对环境条件的改变或者细胞的及组织的生理条件的改变作出反应。长期调控:受到内在程序化的控制,和外界环境的变化关系不大。基因的活性是指具有表达的基本条件。基因的表达是指具备表达的充分条件真核生物中基因表达的调控种类:分化受精卵卵裂内胚层未分化的原生殖嵴谁优先发育依赖于性别决定基因抑制中性生殖腺优先发育XXXY皮层髓层
27、卵巢雌性激素雄性激素雌性性征雄性性征睾丸抑制2 2 真核生物基因题调控的真核生物基因题调控的3 3个问题个问题:什么信号使细胞去调控基因的表达 对特定基因行使的调控发生在哪一级水平 各级基因调控的分子机制?mRNA 信号？蛋白质 调控信号是指触发基因表达的物质。3.3 3.3 真核生物基因调控的信号真核生物基因调控的信号:激素：固醇类激素(S)神经递质受体+胞苷环化酶ATPcATP蛋白质激活酶磷酸化非组蛋白解除组蛋白抑制RNA聚合酶增加结合转录的功能 细胞间的接触和作用也有基因调控作用细胞间的接触和作用也有基因调控作用 环境和营养信号：饥饿诱导程度 抑制不必要的酶合成程度原生原套学说胚胎发育4
28、 4 真核生物基因题调控的不同水平真核生物基因题调控的不同水平:DNA的改变：基因剂量和基因扩增 DNA的重排 酵母交配型转变 抗体基因的表达 DNA的甲基化 酵母的变配型的转变酵母的变配型的转变 酵母的变配型等位排斥有效重排印迹基因 类别转换 抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产生一种抗体。指令学说：克隆选择学说：体细胞重组学说：上世纪60年代提出，1976年由利根川进证实。转录水平的调控：调控元件 调控方式翻译水平的调控：调控方式染色质水平调控：调控方式异染色质化异染色质化 水蜡虫（2n=10）在体细胞里来自父本的5条染色体依次被异染色质化，在精子形成时丢失，只保留来自母本的5条染色体。
29、剂量补偿剂量补偿 雌性哺乳动物雌性哺乳动物X染色体的失活染色体的失活 莱昂假说：莱昂假说：巴巴尔尔小小体体是是一一个个失失活活的的X X染染色色体体，失失活活的的过过程程就就称称为为莱莱昂昂化；化；在在哺哺乳乳动动物物中中，雌雌性性个个体体细细胞胞中中的的两两个个X X染染色色体体中中有有一一个个X X染染色色体体在在受受精精后后的的第第1616天天（受受精精卵卵增增殖殖到到5000-60005000-6000，植植入入子子宫壁时）失活；宫壁时）失活；两条两条X X染色体中哪一条失活是随机的；染色体中哪一条失活是随机的；X X染染色色体体失失活活后后，细细胞胞继继续续分分裂裂形形成成的的克克隆隆中中，此此条条染染色色体都是失活的；体都是失活的；生殖细胞形成时失活的生殖细胞形成时失活的X X染色体可得到恢复。染色体可得到恢复。无汗性外胚层发育不良 三色猫 G-6-PDH