华东理工大学-过程分子生物学

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1、过程分子生物学523416基因的表达与调控细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学胚胎发育的基因表达谱哺乳类动物发育的研究极为困难，因为它们的胚胎发育都是在母体子宫内进行，这给观察与分析带来了很大的不便，而且整个发育过程往往延续几周甚至几月的时间。因此，发育分子生物学家们通常选择发育速度快且简单的发育系统作为研究模型，如鱼类、果蝇、青蛙、寄生虫等。这些动物发育的基本特征是胚胎发育在离体情况下完成，且发育周期短，一般在数天之内。科学家期望由这些模型发现的发育调控基因和机制有助于了解哺乳动物的发育，这个愿望达到了。目前已经知道，所有动物发

2、育的分子机制是相同或者相似的。胚胎发育的基因表达谱在动物发育的经典研究模型中，果蝇发育研究得最为成熟。一方面是因为果蝇的经典遗传学早在上世纪初就开始了；另一方面，果蝇的基因分子生物学从上世纪八十年代初已有长足的发展，这为发育的分子生物学研究提供了坚实的基础。本讲将重点论述果蝇发育的分子生物学原理。胚胎发育的基因表达谱EBCDA果蝇发育的基本模式母体基因的表达体节形成基因的表达异位同型基因的表达异位同型盒的普遍意义4A果蝇发育的基本模式果蝇发育可分成四个阶段：卵母细胞生成胚胎生成体节生成器官生成授精卵子胚胎幼虫成蝇4A果蝇发育的基本模式卵母细胞的前身是前卵细胞。前卵细胞经一次减数分裂及四次有

3、丝分裂后形成16个单倍体细胞，其中一个变成卵母细胞，其余15个变成护士细胞（滋养细胞），它们紧密地排列在由卵巢囊状卵泡细胞围成的空间中，形成“胞质桥”。护士细胞细胞质中的物质，包括RNA和蛋白质可以通过胞质桥进入卵母细胞。这些物质的积累便构成了成熟卵细胞的主要内含物。胞质桥位于卵母细胞的一端，之后便成为卵a卵母细胞的生成子的前极。果蝇的卵泡结构4A果蝇发育的基本模式成熟的卵子授精后，变成双核受精卵细胞，即合子。b胚胎的生成果蝇合子的发育受精90分钟后，核分裂已进行了8次。核分裂在公共细胞质中进行，末端极性细胞质中的细胞核变成性细胞前体；受精150分钟后，形成多核囊胚层，核迁移到细胞周边并继

4、续分裂4次，形成多核囊胚层；受精195分钟后，形成细胞囊胚层，围绕核的膜形成，并构成大约由6000个细胞组成的单细胞层（体细胞）。这些核的定位决定了它们将来发育的细胞类型。4A果蝇发育的基本模式果蝇体节形成的格局是由细胞囊胚层决定的。果蝇幼虫共有三个胸部体节（T）和八个腹部体节（A），每c体节的生成个体节又分为两个区，即前极区（A）和后极区（P）。果蝇副体节的形成细胞囊胚层继续发育，逐渐形成一系列分离的特定空间，空间内质量大，空间与空间的交界处质量小，这个空间称为副体节。副体节是分子水平上的胚胎发育结构，肉眼不能辨别。果蝇体节的形成胚胎发育5至6小时后，表面上的狭长沟槽形成；胚胎发育至9小

5、时表面上的沟纹移动并加深，从而形成肉眼能辨出的幼虫形态学上的沟槽，称为体节，此时体节形成。4A果蝇发育的基本模式果蝇的器官发育是由体节决定的。幼虫体表面上的体节在成蝇体上保留下来，但已发育成不同的器官，其中胸部由三个体节组成，腹d器官的生成部由八个体节组成。4A果蝇发育的基本模式那么从卵母细胞形成到成蝇的一系列发育中，基因是怎样起作用的呢？综合近年来的研究结果表明，负责果蝇发育的基因可分为下列三大部分：母体基因在卵子生成期间发挥作用体节生成基因在授精后表达，影响体节形成的数目和极性异位同型基因控制体节的性质，但不影响体节的大小、数目、极性4B母体基因的表达在果蝇母体内表达的基因对早期发育是

6、很重要的，但对母体本身没有很大的影响。所有母体基因的共同特征是它们均在授精之前表达（至少是转录），但其表达产物有的在表达后就发挥作用，有的暂时储存起来。母体基因产物作用于卵子，但大部分产物却在卵母细胞以外的地方合成。4B母体基因的表达卵子的成熟是护士细胞将大量的RNA和蛋白质向卵母细胞输送的过程。这些物质进入卵母细胞后，通过扩散作用遍及细胞前后上下，但其浓度是不均一的，在细胞质内形成两个方向的浓度梯度（轴型梯a卵细胞内的轴型梯度度）：前后轴形梯度与背腹轴形梯度。果蝇卵细胞内轴型梯度的形成在授精之后，由于大量蛋白质的合成，轴形梯度变得更加明显，但此时这种浓度梯度仍是溶液型的。当受精卵的核经历

7、多次核分裂，并开始迁移至合子膜周围时，它们参考前后梯度与背腹梯度的正交坐标系统而准确地定位。正是这种有序地定位决定了这些核最后发育成什么类型的细胞乃至器官。4B母体基因的表达轴形梯度的物质基础是RNA和蛋白质，为其编码的基因大都是母蝇携带的，并在母体内表达，因此称为母体基因。根据表达区域的不b控制轴型梯度形成的母体基因同，母体基因可分为两大类：母体体细胞基因在卵巢的囊状卵泡细胞中表达母体性细胞基因在护士细胞或卵母细胞中表