第九章遗传与发育

第九章遗传与发育

遗传学GENETICS

第九章 遗传与发育第一节 发育遗传学的概论 发育遗传学是将胚胎学与遗传学相结合 起来的一门学科，主要是研究基因对胚胎发 育的作用。随着基因组学的发展，人们可以 从细胞分化、器官发生和形态建成等不同层 次上阐明生物体发育的遗传基础。

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第二节 基因在细胞分化和细胞决 定中的作用一、单细胞生物的细胞分化与发育的调控 发育是通过细胞分化来实现的，分化是产 生基因型相同但形态和功能趋异的各种类型 细胞的一个变化过程，分化产生了细胞的多 样性，构成形态建成和生长的基础，并保证 了生命的世代延续。 单细胞生物的分化和发育过程较为简单。

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二、多细胞生物的细胞分化和细胞决定 多细胞生物的特化和发育过程较为复杂， 合子形成后，分离并分化产生了许多类型的 细胞。细胞分化的方向是由基因所控制的， 称为“指定”。 分两个阶段：特化和决定。 特化：指细胞或组织在一个中性环境中，按原 先被指定的命运自主地进行分化。

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决定：指细胞或组织即使处在胚胎的另一区域，仍不 受周围其他细胞或组织的影响，按原先指定的命运 自主地进行分化。 三种指定方式： (一)自主特化 大部分无脊椎动物的特性 (二)条件特化 所有脊椎动物和少数无脊椎动物的特 性 (三)合胞特化 昆虫纲的无脊椎动物的特性。

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四、细胞程序性死亡 1、细胞程序性死亡的概念 在多细胞生物体中的一些细胞当不再为生 物体所需时，或是已受到损伤时，会激活受 遗传控制的自我毁灭，称为细胞程序性死亡。

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2、细胞程序性死亡的形式 (1)细胞凋亡 (2)其他类型 2

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当地时间2002年10月7日，瑞典卡罗林斯卡医学院 诺贝尔奖评审委员会将2002年诺贝尔生理学或医学 奖授予了悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔 斯顿等三位科学家，以表彰他们在“细胞程序性死 亡”这一领域中的开创性工作。他们不但发现在生 物的器官发育过程中存在细胞程序性死亡，而且阐 明了细胞程序性死亡过程中的基因规律。

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布雷内慧眼识线虫 20世纪60年代末，英国科学家悉尼·布雷内 希望能找到一种适于基因水平研究，并能确 定完整的神经系统的实验生物模型。最终布 雷内选择了一种较为简单的生物——秀丽隐 杆线虫。

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秀丽隐杆线虫非常适合用作基因分析，除了显而易 见的体形小、生长周期快等优点外，还因为它是一 种可以自我繁殖的雌雄同体生物，非常有利于得到 具有同一基因结构的纯

合体线虫。另外，秀丽隐杆 线虫还存在一种雄性个体，它不能自我繁殖，必须 与雌雄同体的线虫交配才可繁衍后代。利用雄性个 体，人们可以将突变基因从一种线虫转移到另一种 线虫中去。

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事实上，利用线虫的形体和运动特征以及协调性缺 乏等突变特征，布雷内建立了最为丰富的突变体线 虫株，并将线虫形体、行为的改变与染色体上的突 变位点——对应起来。这就使得基因分析能够和细 胞的分裂、分化以及器官的发育联系起来，为后来 人们发现细胞凋亡及其机制奠定了基础。

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苏尔斯顿提出“细胞程序性死亡” 秀丽隐杆线虫非常小而且是透明的，成年的雌雄同体线 虫总共才959个细胞，这就便于研究人员通过显微镜观察活 的完整线虫的内部构造，并且能直接观察线虫发育过程中单 个细胞的迁移、分裂以及死亡，从而使人们能了解线虫发育 过程中各个细胞的命运。英国科学家约翰·苏尔斯顿和美国科 学家罗伯特·霍维茨就是利用这种手段.通过艰苦的工作，确 定了线虫发育过程中每一个细胞的分裂和分化及其最终的命 运。

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科学家们发现，在脊椎动物和非脊椎动物的 正常发育过程中都存在细胞正常死亡的现象， 这些细胞的死亡都伴随着一系列的形态改变， 不对周边细胞产生影响。苏尔斯顿将这些细 胞死亡解释为“细胞程序性死亡”,并且仔 细地描述了在这一过程中细胞经历的变化。

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在雌雄同体的秀丽隐杆线虫发育过程中，有 131个细胞发生了凋亡。苏尔斯顿发现线虫中这种 不同寻常的细胞死亡后，和其他科学家对其机制展 开了深入的研究。他们利用布雷内建立的突变的线 虫株，发现并分离了一系列影响细胞凋亡的基因， 包括ced-1、ced-2 和 nuc-1,提出生物发育过程中 细胞的凋亡是由一系列基因控制的。 创造性的毁 灭——细胞凋亡(二)

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霍维茨等人确认“死亡基因” 1986年，罗伯特·霍维茨及其学生发现了线虫中 在细胞凋亡过程中起关键作用的两种基因：ced-3 和ced-4。这两种基因的缺失将改变细胞的命运，使 线虫中原本正常情况下会死亡的细胞存活并继续分 化下去。同时，对于早先发现的在细胞凋亡中起作 用的基因，他们也弄清楚了它们所起的确切作用。

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在知道了控制线虫细胞凋亡的关键性基 因后，霍维茨的一位中国学生于1993年克隆 了ced-3 基因，并且发现该基因表达的蛋白 质与哺乳动物中的一种酶非常相似。随后的 研究发现，该酶与细胞凋亡相关，这表明在 哺乳动物中也存在引起细胞凋亡的基因及其 表达。