第十四章+遗传与个体发育

1第十四章遗传与个体发育学时数：6性状的表现是由基因所决定的，在受精卵中，携带有个体发育的全部遗传信息，通过有丝分裂，从一个细胞长成一个胚，最后长成一个成熟的个体。既然一个个体的每个细胞都是有丝分裂的产物，那么每个细胞中的基因都是相同的，又为什么有的细胞分化为皮肤，有的则分化为神经或骨骼呢？即分化为不同的组织和器官呢？如果个体间的差异，可以用基因的差异来说明。那么一个个体中，细胞与细胞之间的差异，又怎样来说明呢？这些正是发育遗传学要解决的关键问题。第一节细胞核与细胞质在个体发育中的协同作用究竟是细胞质重要还是细胞核重要？对于生命的维持来讲，两者是缺一不可的。(1)在有的材料上，可用显微技术或其他方法得到没有核的细胞质，这种细胞可以存在一定时间，甚至可以进行一些生长和分裂，但最后终必死去。这是因为蛋白质合成需要由核不断供应mRNA，没有核就没有mRNA。(2)也可用离心等方法取得没有细胞质的细胞核，这种核可在体外培养一定时间，甚至还有人报告把染色体分离出来培养，但到目前为止，也只能作短时间的培养。这原因也很容易理解。因为核内的DNA的复制、转录。都需要原料和能量，这些原料和能量总得从细胞质来。所以只有细胞质和细胞核一起协调合作。才能使生命通过生长和繁育而维持下去，可见在这方面，两者是相辅相成的。现在的问题不是在于细胞质重要还是细胞核重要，而是在于个体发育上的差异是决定于细胞核的特点，还是决定于细胞质的特点。我们将通过下面的论述，来讨论这个问题。一、细胞质在个体发育中的作用在遗传和个体发育中，细胞质调节着核和基因的作用。受精卵内细胞质的分布是均一的，受精卵经过卵裂，分成许多细胞，这些细胞中含有的细胞质内容是不同的（色素、卵黄粒和线粒体等），以后基因在不同的细胞质中作用下，表现出不同的效应，这就造成细胞和组织的分化。譬如许多动物的细胞质在早期就有了一定的分化，如有动物极和植物极。这些物质将来会发育成什么构造或器官大体上已确定了。1．海鞘的卵裂与分化细胞质中色素分布不均一，分为四个区，有一个区域不含色素。Conklin把某些分裂球杀死，观察留下来的个别分裂球和成群分裂球。发现，留下来的分裂球仍沿着它们各自的正常方向发展，尽管胚胎的整个结构受到了影响。实验表明：受精卵在卵裂时，某些物质被划分到各分裂球去，影响分裂球的基因组的机能，使分裂球沿着不同的方向分化。2．角贝的早期发育过程角贝的细胞质可分为3层，在上方的动物极附近有一个透明的细胞质层，下方的植物极附近也有一个透明的细胞质层，而中间占大部分的是含有色素颗粒的一层。在卵裂开始以前，植物极方向的透明层向外突出，形成所谓极叶。受精卵分裂为两个分裂球后，这个极叶被其中一个分裂球（CD）所吸收。第二次卵裂以前，又形成极叶。最后，这个极叶被4个分裂球中的一个（D）吸收。所以只有CD，D分裂球含有极叶细胞质。试验：(1)把分裂球一个一个地分离开来，让他们分别发育。结果CD、D可长成完整的胚体，其他分裂球只能长成有部分欠缺的胚体。(2)把极叶除去，这样的卵也只能长成有部分欠缺的胚体。(3)角贝的近缘中，3H-尿核苷标记。检查胚对其的摄入量发现，没有极叶的胚体中，RNA的合成速率2降低。结论：极叶细胞质，能调节核的活性，使形成胚的某些器官所必须的遗传信息发挥作用。3、果蝇的极细胞质移植试验(1)早期胚胎发育：最初一些有丝分裂并不伴有细胞分裂，经过几次分裂后，细胞核移到胚的表面，形成胚盘。其中少数几个位于后端的极细胞质（poleplasm）中，这些核的周围立即形成细胞膜，成为极细胞（polecells），含有极粒。其余的核再经过几次分裂，才由细胞膜分割开来。极细胞以后移到性腺中，成为原初生殖细胞。(2)IllmenseeandMahowald（1974）的极细胞质移植试验。探讨这部分卵质在决定原初生殖细胞上的作用。(i)把供体的后端卵细胞质注射到受体卵的前端或侧面，结果在注入之处形成极细胞。(ii)把诱导后形成的极细胞移到宿主胚的后端，发育为成虫后，用隐性纯合体测交。得知产生的配子中，有4%具有受体的遗传标记；而注入后端以外的卵细胞质时，不能导致极细胞的形成。(3)极细胞质可由UV照射而失活，又可由注射后端极细胞质（含有极粒）而恢复育性。极粒富含RNA，并分离出9万daltons的碱性蛋白质（可能是生殖细胞所必须的）。(4)结论：后端卵细胞质可以诱导受体核形成原初性殖细胞。(5)问题：为什么要用不同突变基因来标记不同来源的供体、受体、宿主？二、细胞质对染色体行为的影响1．小麦瘿蚊的染色体放弃(1)瘿蚊的卵跟果蝇相似，后端也有极细胞质，在极细胞质中的核，保持了全部40条染色体，位于其他细胞质中的核失去了32条染色体。有40条染色体的细胞分化为生殖细胞，8条染色体的细胞分化为体细胞。(2)如用紫外线照射极细胞质，或用尼龙线把卵结扎。使核不向极细胞质移动，则所有核的32条染色体都被放弃，体内没有生殖细胞，不育。(3)结论：极细胞质可阻碍染色体的消减，继而使生殖细胞分化成为可能。(4)已知极细胞质中含有极粒。极粒中RNA含量很高，用离心的方法使这种颗粒移动，让位于极细胞质以外的核也接触到这种颗粒，这样它们的染色体就不再消减了。以上事实都说明，富含核酸的极粒在生殖细胞形成上的重要性。2．细胞质对性染色体的影响(1)可使哺乳动物细胞中的一条性染色体失活。(2)常染色质和异染色质。异染色质的异固缩现象（heteropycnosis）。某些染色质及其区段可在某一细胞环境中由常染色质转变为异染色质。(3)Lyon化（Lyonization）。哺乳动物雌性个体的一个X在个体发育早期（细胞数5000-6000，植入子宫壁时）。异染色质化（hetesochromatinization）。X上的基因随之处于失活状态。(4)两条X染色体哪条失活，是完全随机的。某一个一旦失活以后，在相继的细胞世代中。这个X总处于失活状态。雌体中两类细胞相间存在，在X连锁基因作用上是嵌合体。(5)证据：(i)间接证据：X染色体显示异固缩现象，在靠近核膜的地方，成为性染色质体（sex-chromatinbody）。而雄性没有。(ii)直接证据：葡萄糖-6磷酸脱氢酶（G-6PD）的活性在男女间没有区别。根据淀粉凝胶电脉的差异。可分为A型和B型。由X上一对等位基因GdA和GdB控制，只有一个氨基酸的差异。杂合体AB显示两条带，但从皮肤上取很小一片，用胰蛋白酶处理。使细胞分散，单独培养，发现，有的细胞群显示A型，有的显示B型，但没有显示两条带的。(iii)玳瑁猫（三色猫）X染色体上：O—黄色o—黑色3常染色体上：S—白色不完全显性，有上位作用，决定白斑的分布。SS分布范围广，Ss仅限于腹部和四肢。基因型OoS—三色猫都是雌的。可用两条X染色体中的一条的不活化来说明：在有些细胞中，带有O的X是活化的，显黄色。在另一些细胞中，有O的X是活化的，显黑色。第二节细胞分化的可逆性从上面的讨论知道，多细胞生物个体发育的主要特征是细胞的分化。细胞的分化是指一个生物的细胞之间在形态结构、生理机能和生化特征上发生稳定差异的过程。在高等动物中，一个细胞一旦分化为一种稳定的类型后，一般就不能逆转到未分化的状态。我们已经知道，细胞质调节着核和基因的作用，使细胞分化为各种细胞，使各种分化的细胞基因表达某种特异性的蛋白质。现在要问：细胞质是怎样调节核基因的作用呢？即怎样使某些基因得以表达。某些基因的表达被阻遏呢？细胞分化的结果，是通过基因的获得、丢失或突变来实现的，还是改变不同基因的活性所造成的？换句话说：分化的细胞在遗传上是否还具有分化前细胞所具有的全部基因呢？即体细胞是否具有全能性的问题。所谓全能性是指表现出胚细胞中每个基因的潜在能力，而发育为一个完整的生物体。1．植物的组织培养(1)嫁接扦插(2)Steward50年代的实验证明，从高度分化的胡萝卜根的韧皮层细胞中取得单个细胞，能在培养基上长成整的植株。(3)葛扣林、邹高治（1988）从高度分化的水稻、赤豆植株等的叶肉细胞，经过精心培养，长成了小型的植株。(4)结论：植物中细胞是全能的。2．动物的核移植试验(1)Briggs的实验：蛙未受精卵用玻璃针穿刺激活，除去卵核，或用紫外线照射，破坏卵核，然后从已分化的蛙胚细胞取核，并注入到无核卵中，发现：无核卵得到一个体细胞的核后可以分裂，并且从原肠形成以前的胚核是全能的，以后的胚核就不能完成正常的发育，表明核已经不能逆转了。(2)Gurdon（1968）用非州爪蟾重复以上实验，用高度分化的蝌蚪肠细胞，吸取二倍体核和极少量细胞质，注入去核的未受精卵中，发现：20%能长成胚，少数长成一个成体，有生育能力。表明植入的核可以去分化（dedifferentiation）。又重新分化（redifferentiation）。结论：原肠形成以后，肠细胞核还是全能的。遗传物质未发生不可逆的改变。(3)IUmensee和Hope进行老鼠核移植。把具有遗传或生化标记的核（毛色、染色体重排。磷酸葡萄糖异构酶）移入去核卵细胞中，然后移入养母子宫中。图示：只有一小部分的核移植卵发育成成体，原因之一是新移入的核和受体细胞质的分裂周期不同，从而导致不正常的分化。这个实验从另一个角长也说明：分化的核受未分化的卵细胞质的影响，而能重新生活。4第三节基因表达的调控我们已经知道分化的体细胞中携带着生物体细胞生长发育的全部遗传信息，而在分化的细胞中只表达了它整个遗传信息的一部分（10%）而且不同类型的细胞只表达全部遗传信息的不同部分。这就很自然地产生一个问题，基因型相同的细胞，为什么分化出不同的细胞和器官呢？由于体细胞的全能性，我们知道，这并不意味着细胞的分化是基因的丢失、突变或永久性地失去活性，而是通过基因表达的调控来实现的。首先通过几个例子来看，不同细胞、不同发育阶段、不同基因的活动是怎样的。一、基因表达调控的证据差别基因表达（活动）differentiolgeneexpression（activity）。1．摇蚊不同组织多线染色体的胀泡与RNA的合成(1)利用3H-胞嘧啶标记的放射自显影方法证明。胀泡是基因转录RNA分子的活跃部分。(2)不同组织里的胀泡是不同的。(3)果蝇不同发育阶段唾腺第三条染色体上疏松区的变化蜕皮激素+受体蛋白→“早期”疏松区→早期疏松区转录而产生的蛋白质。关闭→开始“后期”疏松区的转录。2．血红蛋白在不同发育时期的基因表达(1)血红蛋白都是四聚体，都由两对不同的肽链构成，每条链和一个血红素相连。(2)珠蛋白的两个基因簇（genefamilies），分别分布在16、11号染色体上。16号：5'-ζ-ψζ-ψα-α2-α1-3'11号：5'-ε-γG-γA-ψβ-δ-β-3'(3)在人体发育的各个阶段。血红蛋白的组成各不相同。在个体发育的不同时期，由于不同基因的活动（差别基因的活动，differentalgeneactivity)。“翻译”出来的蛋白质是不同的。例如，人的各种血红蛋白都是由5种多肽链（α链、β链、γ链、δ链和ε链)中的两种组成的。在早期胚胎(最初“三个月”)中，出现的血红蛋白叫做胚胎血红蛋白。它是两条α链和两条ε链构成的，可用符号α2ε2表示。胚胎发育到第二个“三个月”时，胚胎血红蛋白被胎儿血红蛋白代替。胎儿血红蛋白是两条α链和两条γ链构成的。可记作α2γ2。胎儿出生后，成人的血红蛋白又取代了胎儿血红蛋白。成人的血红蛋白有两个类型：主要的是血红蛋白A，约占95％以上，它由两条α链和两条β链构成：(α2β2)。还有少量的血红蛋白A2，约占2．5％，由两条α链和两条δ链构成（α2δ2），在人类个体发育中，为什么会发生血红蛋白的顺序性变化呢?有人认为，5种多肽各由α、β、γ、δ、ε五个基因决定的。已知δ基因、β基因和γ基因在—条染色体上，前两个基因相距很近，受一个操纵基因的控制。γ基因和δ、β基因相距较远，受另一个操纵基因控制。α基因和ε基因分别位于另外的一条染色体上，并分别由另两个操纵基因控制。在胚胎发育中，α基因在形成红细胞中一直活动，产生α链。ε基因活动最早，因此，它