【南京大学 细胞遗传学】第十三章 发育的遗传分析
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【南京大学 细胞遗传学】第十一章 基因组学及后基因组学 (2)
–1990, Human Genome Organization (HUGO)
• Map all of the human genes • A detailed physical map • Sequencing all 24 human chromosomes • By year 2005
Prokaryote
–Transcriptome（转录组）
–Proteome（蛋白质组）
2.染色体的遗传图谱、细胞图谱和物理图谱
–Genetic mapping（遗传作图）
• Polymorphic marker（多态性分子标记）
–RFLP（restriction fraction length
polymorphism), VNTR (variable number
Genetic redundancy
– Common in eukaryotic
genomes and distinguished
from the genomes of
prokaryotes
29
Caenorhabditis elegans
Nematode
– Nobel worm
– 97 Mb
• 5 gaps, 139 small gaps • 19,099 genes
• Proteins involved in intercellular signaling
• 43% similarity to human genes30
Drosophila melanogaster
Fruit fly
–120 Mb (116 Mb euchromatic portion)
–13,0601
Genomes of fruit fly, nematode vs yeast
• Map all of the human genes • A detailed physical map • Sequencing all 24 human chromosomes • By year 2005
Prokaryote
–Transcriptome（转录组）
–Proteome（蛋白质组）
2.染色体的遗传图谱、细胞图谱和物理图谱
–Genetic mapping（遗传作图）
• Polymorphic marker（多态性分子标记）
–RFLP（restriction fraction length
polymorphism), VNTR (variable number
Genetic redundancy
– Common in eukaryotic
genomes and distinguished
from the genomes of
prokaryotes
29
Caenorhabditis elegans
Nematode
– Nobel worm
– 97 Mb
• 5 gaps, 139 small gaps • 19,099 genes
• Proteins involved in intercellular signaling
• 43% similarity to human genes30
Drosophila melanogaster
Fruit fly
–120 Mb (116 Mb euchromatic portion)
–13,0601
Genomes of fruit fly, nematode vs yeast
发育的遗传分析(稿)
Ubx转录加快和集聚
FTZ
engrailed激活
第二胸节 特征结构
稳定体节分 界、形成体 节重复性结 构
• 果蝇每一个体节原基通过裂隙 基因、成对规则基因和同源异 形基因产物的独特组合，产生 了一个个具有特征的体节
以上各类基因之间有一 种等级式的级联调控关系。 级联反应是由母体效应基 因开始启动的，它 控制裂隙基因的激活。裂 隙基因间相互作用控制它 们自身的转录，并作为一 组基因控制着成对规则 基因的表达图式。成对规 则基因之间的相互作用生 成了躯干的重复体节，同 时又控制着体节极性基 因的表达图式。成对规则 基因和裂隙基因之间也有 相互作用，调控着另一类 基因——— 同源异形基因 的活性，以决定每一体节 的特征结构。在细胞囊胚 期结束时，每一体节原基 通过裂隙基因、成对规则 基因和同源异形基因产物 的独特的组合，产生了一 个个各具特征的体节
• 分节基因（segmentation genes）：在受精后表达，这些 基因的突变会改变体节的数目或极性。分节基因同分为3 组(裂隙基因、成对规则基因[eve,ftz]、体节极性基因 [eng])，连续作用胚胎的较小区域。 • 同源异形基因（homeotic genes）：控制体节的特征，而 对其数目，大小和极性丌起作用。这些基因的突变会导致 身体的一部分发育成另一部分的表型[Ubx] • 母体效应基因（maternal effect gene）：一些编码转录因 子、受体或翻译蛋白，在早期胚胎的图式形成中起着关键 作用的基因。（bcd/nos）
（２）ｂｃｄ突变，果蝇胚胎丌再是顶部－头部－胸部－腹部－尾 部的正常结构，而是形成尾部－胸部－尾部的结构
３８３
• 裂隙基因ｈｕｎｃｈｂａｃｋ（ｈｂ） （１）是被母源基因ｂｃｄ基因产物激 活而转录的第一个合子基因。ｈｕｎｃ ｈｂａｃｋ基因产物调控其他裂隙基因 的表达，主要功能：控制头、胸的生成， 并抑制决定腹部的基因如生成腹节的裂 隙基因ｋｎｉｒｐｓ（ｋｎｉ）． （２）表达部位：生成的头部，胸部 （３）该基因突变胚胎丌能生成头部和 胸部结构 （４）该基因是处于胚胎前端和后端的 两种蛋白的调控 序列。
FTZ
engrailed激活
第二胸节 特征结构
稳定体节分 界、形成体 节重复性结 构
• 果蝇每一个体节原基通过裂隙 基因、成对规则基因和同源异 形基因产物的独特组合，产生 了一个个具有特征的体节
以上各类基因之间有一 种等级式的级联调控关系。 级联反应是由母体效应基 因开始启动的，它 控制裂隙基因的激活。裂 隙基因间相互作用控制它 们自身的转录，并作为一 组基因控制着成对规则 基因的表达图式。成对规 则基因之间的相互作用生 成了躯干的重复体节，同 时又控制着体节极性基 因的表达图式。成对规则 基因和裂隙基因之间也有 相互作用，调控着另一类 基因——— 同源异形基因 的活性，以决定每一体节 的特征结构。在细胞囊胚 期结束时，每一体节原基 通过裂隙基因、成对规则 基因和同源异形基因产物 的独特的组合，产生了一 个个各具特征的体节
• 分节基因（segmentation genes）：在受精后表达，这些 基因的突变会改变体节的数目或极性。分节基因同分为3 组(裂隙基因、成对规则基因[eve,ftz]、体节极性基因 [eng])，连续作用胚胎的较小区域。 • 同源异形基因（homeotic genes）：控制体节的特征，而 对其数目，大小和极性丌起作用。这些基因的突变会导致 身体的一部分发育成另一部分的表型[Ubx] • 母体效应基因（maternal effect gene）：一些编码转录因 子、受体或翻译蛋白，在早期胚胎的图式形成中起着关键 作用的基因。（bcd/nos）
（２）ｂｃｄ突变，果蝇胚胎丌再是顶部－头部－胸部－腹部－尾 部的正常结构，而是形成尾部－胸部－尾部的结构
３８３
• 裂隙基因ｈｕｎｃｈｂａｃｋ（ｈｂ） （１）是被母源基因ｂｃｄ基因产物激 活而转录的第一个合子基因。ｈｕｎｃ ｈｂａｃｋ基因产物调控其他裂隙基因 的表达，主要功能：控制头、胸的生成， 并抑制决定腹部的基因如生成腹节的裂 隙基因ｋｎｉｒｐｓ（ｋｎｉ）． （２）表达部位：生成的头部，胸部 （３）该基因突变胚胎丌能生成头部和 胸部结构 （４）该基因是处于胚胎前端和后端的 两种蛋白的调控 序列。
第15章 发育的遗传分析 南开大学遗传学课件
控制果蝇发育的三类基因的作用模式。
➢母体效应基因编码转 录因子、受体和调节翻 译的蛋白，在卵子发生 中转录，产物储存在卵 母细胞中，沿前-后轴 呈梯度分布。 ➢母体效应基因产物的 梯度起始胚胎发育，调 节果蝇发育的母体效应 基因约40个。 5）bicoid, nanos建立 沿前-后轴梯度：Bicoid 蛋白的浓度决定头部。 其 靶 基 因 hunchback 在 Bicoid蛋白达到某一个 阀值时发生作用。允许 梯度行使空间开-关功 能来影响基因表达。 nanos决定后部。
第15 章 发育的遗传分析
要点： 1）果蝇的发育模式; 2）线虫的发育模式; 3）种系决定与性别决定; 4）癌症发生的遗传分析。
一、概论
➢发育遗传学 （developmental genetics）研究生物发 育过程中的基因及基 因的相互作用对发育 的调控。
➢发育是生物的共同 属性，贯穿每个生物 体的整个生活史。对 有性生殖生物而言， 则是从受精卵开始到 个体正常死亡。
图28.17 在三种轴决定系统中，卵细胞中的定位产物(localized products) 能使母体RNA或蛋白在合胞体囊胚中弥散开来，合子RNA在细胞胚层 的各个带中进行转录。
6）背-腹发育方式需要三 种定位系统的连续作用。 如图29.16所示。
➢上一个系统对下一个系 统的抑制能力，对限制胚 胎特定部分的定位很重要。 ➢D-V轴建成中，腹部结构 按背部基因蛋白在核内的 梯度形成，而背部结构的 形成则取决于腹部基因蛋 白dpp的梯度。
Gurdon的爪蟾核移植实验。
二、果蝇的发育
果蝇从受精卵开 始经过5个不同阶 段的成体前发育, 包括胚胎、三个 幼虫期和蛹期。
卵：极性沿头-尾轴和背-腹轴建立
前部
➢母体效应基因编码转 录因子、受体和调节翻 译的蛋白，在卵子发生 中转录，产物储存在卵 母细胞中，沿前-后轴 呈梯度分布。 ➢母体效应基因产物的 梯度起始胚胎发育，调 节果蝇发育的母体效应 基因约40个。 5）bicoid, nanos建立 沿前-后轴梯度：Bicoid 蛋白的浓度决定头部。 其 靶 基 因 hunchback 在 Bicoid蛋白达到某一个 阀值时发生作用。允许 梯度行使空间开-关功 能来影响基因表达。 nanos决定后部。
第15 章 发育的遗传分析
要点： 1）果蝇的发育模式; 2）线虫的发育模式; 3）种系决定与性别决定; 4）癌症发生的遗传分析。
一、概论
➢发育遗传学 （developmental genetics）研究生物发 育过程中的基因及基 因的相互作用对发育 的调控。
➢发育是生物的共同 属性，贯穿每个生物 体的整个生活史。对 有性生殖生物而言， 则是从受精卵开始到 个体正常死亡。
图28.17 在三种轴决定系统中，卵细胞中的定位产物(localized products) 能使母体RNA或蛋白在合胞体囊胚中弥散开来，合子RNA在细胞胚层 的各个带中进行转录。
6）背-腹发育方式需要三 种定位系统的连续作用。 如图29.16所示。
➢上一个系统对下一个系 统的抑制能力，对限制胚 胎特定部分的定位很重要。 ➢D-V轴建成中，腹部结构 按背部基因蛋白在核内的 梯度形成，而背部结构的 形成则取决于腹部基因蛋 白dpp的梯度。
Gurdon的爪蟾核移植实验。
二、果蝇的发育
果蝇从受精卵开 始经过5个不同阶 段的成体前发育, 包括胚胎、三个 幼虫期和蛹期。
卵：极性沿头-尾轴和背-腹轴建立
前部
第十六章 发育的遗传分析
母性效应基因（maternal-effect genes）
◇ 母性效应基因编码转录因子、受体和
调节翻译的蛋白，在卵子发生（oogenesis） 中转录，产物储存在卵母细胞中，沿前-后轴 呈梯度（gradient）分布。 ◇ 母性效应基因产物的梯度起始胚胎 发育,突变研究指出，调节果蝇发育的母性效 应基因约40个。
• 2. 基因表达图谱的保守性
• 3. 基因功能的保守性
植物同源异形基因的特点：
• ①.植物同源异形基因也编码转录因 子，参与调控其它结构基因的表达； • ②.同源异形基因结构非常保守，具 有一因多效作用； • ③.植物同源异形基因位于不同的染 色体上。
• 遗传分析及分子原位杂交研究发现，至少有5 种基因参与控制花器发育。 无花瓣基因（Apetala）1和2（AP1、AP2） 控 制萼片； 无花瓣基因1、2和3（AP1、AP2、AP3）+ 雌 蕊基因 • （Pistillata， PI）共同表达 花瓣形成； 无配子基因（Agamous, AG）+ 无花瓣基因 AP2、AP3 +雌蕊基因PI 控制雄花； • AG和AP2两个基因 控制心皮形成。
脊椎动物的躯体规划第一步是体轴的 决定。
体轴分:
头尾轴(antero-posterior axis) 背腹轴(dorso-ventral axis)
远近轴(proximo-distal axis）
两栖类：首先被决定的是动植物极（即 头尾）。 鸟类：首先决定背腹极，头尾轴则根据 重力和排卵时的旋转决定。
AP2或PI基因突变
则不形成雄蕊。
发育遗传学的研究特点
•发育是生物的共同属性 发育是贯穿每个生物体的整个生活史。 对有性生殖生物而言，则是从受精卵开始 到个体正常死亡。其中早期胚胎发育过程 包括受精、卵裂和胚层分化,是发育的关键 的阶段, 如哺乳类的早期发育过程
细胞遗传学知识点总结
着丝粒（centromere）是染色体上染色很淡的缢缩区，由一条染色体所复制的两个染色单体在此部位相联系。
含有大量的异染色质和高度重复的DNA序列。
包括3种不同的结构域：1.着丝点结构域（kinetochore domain）：纺锤丝附着的位点；2.中央结构域（central domain）：这是着丝粒区的主体，由富含高度重复序列的DNA构成；3. 配对结构域（pairing domain）：这是复制以后的姊妹染色单体相互连接的位点。
着丝粒的这三种结构域具有不同的功能，但它们并不独立发挥作用。
正是3种结构域的整合功能，才能确保有丝分裂过程中染色体的有序分离。
发芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)的着丝粒由125bp左右的特异DNA序列构成，其它模式生物包括裂解酵母(Schizosaccharomyces pombe)、果蝇(Drosophila melanogaster) 以及人类，它们的着丝粒均由高度重复的DNA序列构成、但序列均不同。
染色体着丝粒中与纺锤丝相连接的实际位置，微管蛋白的聚合中心，由蛋白质所组成。
与着丝粒的关系：着丝粒是动粒的附着位置，动粒是着丝粒是否活跃的关键。
每条染色体上有两个着丝点，位于着丝粒的两侧，各指向一极。
功能：姊妹染色单体的结合点着丝点的组装点纺锤丝的附着点着丝粒的功能高度保守在染色体配对及维系生物体遗传信息稳定传递中起作重要作用。
组成（DNA-蛋白质复合体）：着丝粒DNA：不同的生物中具有特异性，着丝粒蛋白：在真核生物中是保守的。
水稻着丝粒DNA的组成：CentO:155-bp重复序列，CRR:着丝粒特异的逆转座子。
在活性着丝粒中，着丝粒特异组蛋白H3（CENH3）取代了核小体组蛋白八聚体中的组蛋白H3, 形成含CENH3的核小体。
因此，CENH3是真核生物内着丝粒的根本特征, 是功能着丝粒的共同基础, 可作为功能着丝粒染色质的识别标记。
→着丝粒分裂：正常分裂（纵向分裂），横分裂或错分裂(misdivision)。
第十三章-核外遗传分析
裂时分配是不均匀的。
细胞质遗传：正交和反交的遗传表现不同。
核遗传：表现相同，其状表现于母本时才能遗传给子代，
故又称母性遗传。
母性遗传：
真核生物有性过程：
卵细胞：有细胞核、大量的细胞质和细胞器。
∴能为子代提供核基因和全部或绝大部分胞质基因。
精细胞：只有细胞核，细胞质或细胞器极少或没有。
mtDNA被恢复。在校正事情中有时出现mtDNA的重排，因为
在线粒体基因组中编码蛋白质的基因是广泛散布的，这些缺失
和重排导致有氧呼吸中酶的缺陷，而产生小菌落。
人们提出抑制小菌落对正常的线粒体有抑制效应可能是：
(1)、抑制型线粒体mtDNA可能比正常的线粒体复制得更快，
在细胞中简单地蔓延，所观察的在品种间的抑制性的变异，
DNA进行了比较研究，发现小菌落线粒体DNA除有一些片断
多次重复外，线粒体基因组中还有大片段缺失。可见酵母小菌
落突变是由于线粒体DNA的遗传变异，致使线粒体不能正常执
行其功能，线粒体中蛋白质合成受阻，造成了呼吸代谢的缺陷。
3、抑制小菌落（suppressive petites）
抑制小菌落对野生型产生影
倍体细胞融合产生二倍体对细胞质是大小相同贡献相等的。
中性小菌落的本质是什么？
根据氯化铯密度梯度离心，测出小菌落细胞中线粒体DNA
与大菌落的线粒体DNA明显不同，有时小菌落中甚至还测不出
线粒体DNA 的存在。这说明，小菌落突变使线粒体DNA严重
缺损或大部分丢失。用分子杂交和限制酶分析方法对小菌落线
粒体DNA全部缺失或严重变异的类型与野生型大菌落的线粒体
S至80 S大小不等的颗粒，由两个大小不等的亚基组成，每个亚基只
有一条由线粒体DNA转录而来的rRNA分子。
细胞质遗传：正交和反交的遗传表现不同。
核遗传：表现相同，其状表现于母本时才能遗传给子代，
故又称母性遗传。
母性遗传：
真核生物有性过程：
卵细胞：有细胞核、大量的细胞质和细胞器。
∴能为子代提供核基因和全部或绝大部分胞质基因。
精细胞：只有细胞核，细胞质或细胞器极少或没有。
mtDNA被恢复。在校正事情中有时出现mtDNA的重排，因为
在线粒体基因组中编码蛋白质的基因是广泛散布的，这些缺失
和重排导致有氧呼吸中酶的缺陷，而产生小菌落。
人们提出抑制小菌落对正常的线粒体有抑制效应可能是：
(1)、抑制型线粒体mtDNA可能比正常的线粒体复制得更快，
在细胞中简单地蔓延，所观察的在品种间的抑制性的变异，
DNA进行了比较研究，发现小菌落线粒体DNA除有一些片断
多次重复外，线粒体基因组中还有大片段缺失。可见酵母小菌
落突变是由于线粒体DNA的遗传变异，致使线粒体不能正常执
行其功能，线粒体中蛋白质合成受阻，造成了呼吸代谢的缺陷。
3、抑制小菌落（suppressive petites）
抑制小菌落对野生型产生影
倍体细胞融合产生二倍体对细胞质是大小相同贡献相等的。
中性小菌落的本质是什么？
根据氯化铯密度梯度离心，测出小菌落细胞中线粒体DNA
与大菌落的线粒体DNA明显不同，有时小菌落中甚至还测不出
线粒体DNA 的存在。这说明，小菌落突变使线粒体DNA严重
缺损或大部分丢失。用分子杂交和限制酶分析方法对小菌落线
粒体DNA全部缺失或严重变异的类型与野生型大菌落的线粒体
S至80 S大小不等的颗粒，由两个大小不等的亚基组成，每个亚基只
有一条由线粒体DNA转录而来的rRNA分子。
《遗传的发育》课件
详细描述
02
转录是基因表达的第一步，由RNA聚合酶催化，以DNA为模板合成RNA的过程。翻译则是将mRNA中的遗传信息翻译成氨基酸序列的过程，在核糖体中进行，最终形成具有特定功能的蛋白质。
总结词
03
转录和翻译过程中涉及多种调控机制，以实现基因表达的精细调控。
转录过程中涉及启动子、增强子等调控元件的作用，这些元件能够影响RNA聚合酶的活性，从而调控基因的表达水平。翻译过程中涉及mRNA的稳定性、核糖体的数量和位置等因素的调控，这些因素能够影响蛋白质合成的速率和数量。
表观遗传学
表观遗传学研究基因表达的调控方式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等，这些调控方式在个体发育和疾病发生中发挥重要作用。
遗传信息的传递
02
总结词
DNA复制是生物体生长、发育和繁殖的基础，修复则是维持DNA稳定性和防止突变的关键过程。
详细描述
DNA复制是细胞分裂和繁殖的基础，通过DNA聚合酶的作用，以亲代DNA为模板合成子代DNA。修复则是当DNA受到损伤时，细胞会启动修复机制，通过特定的酶修复断裂的DNA链或错配的碱基，以维持基因组的稳定性。
伦理和法律问题
精准医疗
个体化医疗将推动精准医疗的发展，通过精准诊断和精准治疗，提高疾病治愈率，降低医疗成本。
个体化医疗
随着基因组学和生物信息学的发展，个体化医疗将成为未来的发展趋势，根据个体的基因组、生活方式等因素，制定个性化的疾病预防和治疗方案。
数据隐私和安全
个体化医疗需要处理大量的个人基因组和健康数据，数据隐私和安全问题将成为一个重要挑战。
详细描述
总结词
详细描述
遗传密码是DNA中碱基序列的特定排列方式，用于指导蛋白质的合成。
02
转录是基因表达的第一步，由RNA聚合酶催化，以DNA为模板合成RNA的过程。翻译则是将mRNA中的遗传信息翻译成氨基酸序列的过程，在核糖体中进行，最终形成具有特定功能的蛋白质。
总结词
03
转录和翻译过程中涉及多种调控机制，以实现基因表达的精细调控。
转录过程中涉及启动子、增强子等调控元件的作用，这些元件能够影响RNA聚合酶的活性，从而调控基因的表达水平。翻译过程中涉及mRNA的稳定性、核糖体的数量和位置等因素的调控，这些因素能够影响蛋白质合成的速率和数量。
表观遗传学
表观遗传学研究基因表达的调控方式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等，这些调控方式在个体发育和疾病发生中发挥重要作用。
遗传信息的传递
02
总结词
DNA复制是生物体生长、发育和繁殖的基础，修复则是维持DNA稳定性和防止突变的关键过程。
详细描述
DNA复制是细胞分裂和繁殖的基础，通过DNA聚合酶的作用，以亲代DNA为模板合成子代DNA。修复则是当DNA受到损伤时，细胞会启动修复机制，通过特定的酶修复断裂的DNA链或错配的碱基，以维持基因组的稳定性。
伦理和法律问题
精准医疗
个体化医疗将推动精准医疗的发展，通过精准诊断和精准治疗，提高疾病治愈率，降低医疗成本。
个体化医疗
随着基因组学和生物信息学的发展，个体化医疗将成为未来的发展趋势，根据个体的基因组、生活方式等因素，制定个性化的疾病预防和治疗方案。
数据隐私和安全
个体化医疗需要处理大量的个人基因组和健康数据，数据隐私和安全问题将成为一个重要挑战。
详细描述
总结词
详细描述
遗传密码是DNA中碱基序列的特定排列方式，用于指导蛋白质的合成。
《遗传13个体发育》课件
基因的表达与调控
01
基因表达
基因表达是指基因经过转录和翻译过程合成蛋白质的过程，是生物体实
现其生命活动所必需的。
02
基因调控
基因表达受到多种因素的调控，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编
码RNA等，这些调控方式可以影响基因的表达水平。
03
表观遗传学
表观遗传学研究基因型未发生变化的情况下，基因的表达却发生了可遗
持。
谢谢聆听
现新的基因和基因变异。
基因表达分析
利用分子生物学技术，检测生物 体在不同生理或病理状态下基因 的表达水平，以了解基因的功能
和调控机制。
基因组注释
对基因组数据进行注释，包括基 因预测、转录本预测、功能注释 等，以揭示基因组的生物学意义
。
蛋白质组学的研究方法
蛋白质分离与鉴定
利用色谱、质谱等技术分离和鉴定生物体内的蛋白质，了解蛋白 质的组成和结构。
传的改变，如DNA甲基化、组蛋白乙酰化等。这些变化可导致基因表
达的差异，进而影响生物体的性状。
03 个体发育的过程
胚胎发育的过程
受精卵形成
受精卵由精子和卵子结 合形成，标志着新生命 的开始。
卵裂与囊胚形成
受精卵经过多次分裂形 成卵裂球，最终形成囊 胚。
胚胎植入
囊胚通过植入过程进入 子宫内膜，与母体建立 营养联系。
蛋白质相互作用研究
通过酵母双杂交、免疫共沉淀等技术，研究蛋白质之间的相互作 用，揭示蛋白质的功能和调控机制。
蛋白质修饰研究
研究蛋白质的磷酸化、乙酰化、糖基化等修饰，了解蛋白质的活 化和调控方式。
生物信息学的研究方法
1 2 3
数据库建设与维护
建立和维护生物信息学数据库，包括基因组数据 库、蛋白质数据库等，提供数据存储、检索和分 析服务。
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Dominant-negative mutation（显性负效突变）
› Mutant allele counteracts wild type allele in heterozygote
RNA interference (RNAi)
Chemical genetics (small molecules)
Alignment of Histone H4 in five species.
Functional Conservation
of eyeless and Pax6
Ectopic expression of eyeless or Pax6
Pax6 mutant
eyeless mutant
发育调控基因的保守性 (II)
发育遗传学研究中常用的模式动物
Drosophila melanogaster (fly) Danio rerio (fish)
Mus musculus (mouse)
Caenorhabditis elegans
(worm, nematode)
模式生物对发育研究的贡献
All Living Organism达 细胞有序增殖与分化
个体正常发育
Programmed development Developmental program
二、遗传与发育在细胞水平上的统一
1. 细胞是有机体发育的基本单位； 2. 细胞的增殖、分化与凋亡构成发育的过程； 3. 个体发育的信息来自细胞内的遗传物质（基因组）；
基 因
设计实验，找到相关基因
反向遗传学分析 (Reverse Genetics)
发现新基因，功能未知
基 因
制备基因突变，
表
进行表型分析
型
分析实验结果， 给出合理解释。
设计新实验， 验证预期结果。
The genetic dissection of development depends on a comprehensive set of mutants
Produce too much protein, or proteins with a new function
Frequently dominant to wild-type
Two kinds of gain-of-function mutations:
(1) Hypermorphic
——Mutations causing excessive gene function
细胞核的全能性（基因组的等价性）与细胞类型的多样性
4. 细胞内遗传信息的程序化表达是发育的根本动力。
遗传与发育在细胞水平上的统一
DNA是遗传物质的载体， 染色体是DNA的载体， 细胞核是染色体的载体， 细胞是细胞核的载体，
细胞是生命的载体、是遗传与发育的基础 ——生命活动的基本单位（包括发育）
细胞是核心，遗传是根本，发育是结果。
从遗传学:
Development = gene-gene interaction
基因决定性状的过程。性状发育的过程。
From genotype to phenotype
生命起源于单个细胞
Every multi-cellular organism is composed of many groups of cells, yet all these cells come from a common “ancestor” ——a fertilized egg (a zygote)
谁来决定（控制）基因的有序性、选择性表达？ ——通过基因来控制基因，实现基因的程序化表达
基因包含两部分信息： （1）编码信息
（决定基因产物的性质） （2）调控信息
（决定基因产物的时空分布）
第二节 发育遗传学研究中的模式生物 及其研究方法
生物学研究离不开模式生物
Phage
Xenopus
Zebrafish (D. rerio)
› Rare because resulting from highly specific changes in a gene
(2) Neomorphic
——Mutations causing ectopic gene expression
Gain-of-function dominant
phenotype of FGFR3 mutants
A four-winged fruit fly developed from
ultrabithorax gene mutation
gain-of-function mutation of Antp
小鼠中同源异型基因突变
An enlargement of the thoracic and lumbar vertebrae of a homozygous Hoxc-8 mouse. Hoxc-8 mutation has caused a fate shift toward anterior.
（Gurdon）
第一个哺乳动物的克隆——Dolly羊
Dolly羊的产生
Prof. Ian Wilmut
不要求掌握
Roslin Institute in Scotland 1997
细胞类型的多样性
细胞核的全能性/基因组的等价性
vs
细胞类型的多样性
基因产物的种类和数量决定了细胞的类型： 细胞的命运决定——分化形成不同的细胞类型 是基因有序性、选择性表达的结果。
3. Mutant phenotype: causes fate shift
哺乳动物和昆虫同源异型基因结构和表达上 的比较
clustering colinearity
果蝇中同源异型基因突变
——Fate shift and structure transformation
(T3 was transformed into T2.)
从分子生物学：
Development = gene expression and regulation
从细胞生物学:
Development = cell proliferation and differentiation
从发育生物学:
Development = single cell→ tissue → organ → individual
development
zygote
adult
细胞——a bag of genes
细胞的增殖与分化是遗传物质 （基因）有序表达的结果。
遗传物质中包含着个体生长发 育所需要的全部信息
——遗传物质也可称为遗传信息
细胞——A bag of genes
受精卵 组织 器官 系统 个体
个体发育是基因 选择性表达的结果：
（1）Loss-of-function mutations （功能失去突变）
（2）Gain-of-function mutations （功能获得突变）
Null mutation（无效突变）
› Completely lacks gene function (amorphic), usually recessive › Infer function of wild-type gene
生命开始于单个细胞
发育是由单细胞受精卵有序生长、 分裂、分化为多细胞个体的过程。
细胞的分裂伴随着细胞分化。
遗传物质通过操纵细胞的命运 实现对发育进程的控制：
每一个细胞都带有完整的遗传信息； 基因通过决定细胞的“性状”来实现对个体性状的控制。
三、细胞核的全能性与细胞类型的 多样性
基因组的等价性 (genome equivalence) ——细胞核的全能性 (totipotency)
母体效应基因在卵母细胞中的不均匀表达使卵 在受精前已经具有前后轴和背腹轴的取向。
母体效应基因：负责启动胚胎发育的级联反应。 胞外信号分子：影响某些细胞发育命运的分泌型信号分子。
两者都参与决定胚胎的形态发生，被称为形态发生素。
某些母体效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白， 在卵子发生（oogenesis）中转录，产物储存在卵母细胞中， 沿前－后轴或背－腹轴呈梯度（gradient）分布。这类基因 产物属于形态发生素(morphogen)。
遗传与发育的关系
发育遗传学研究中的模式生物 及其研究方法
母体效应与果蝇胚胎的极性形 成
人类胚胎发育
一、什么是发育遗传学 二、遗传与发育在细胞水平上的统一 三、细胞核的全能型及细胞类型的多样性
发育： 是基因按照特定的时间与空间进行程序化表达的过程。
是单细胞受精卵有序生长、分裂、分化为多细胞个体的过 程。
易于培养 繁殖快 体型小 研究范围广
› Cooperative study among labs › Large collections of mutants with developmental
defects maintained in stock centers
基因组已完成测序
› Easier for geneticists to identify genes with mutant phenotypes
Hypomorphic mutation（亚效突变）
› Partial loss-of-function › Infer function of genes expressed at multiple times in
development
Conditional mutation（条件突变）
› Cause loss-of-function only under special circumstances › e.g., temperature sensitive mutations › Infer function of gene at different developmental stages
› Mutant allele counteracts wild type allele in heterozygote
RNA interference (RNAi)
Chemical genetics (small molecules)
Alignment of Histone H4 in five species.
Functional Conservation
of eyeless and Pax6
Ectopic expression of eyeless or Pax6
Pax6 mutant
eyeless mutant
发育调控基因的保守性 (II)
发育遗传学研究中常用的模式动物
Drosophila melanogaster (fly) Danio rerio (fish)
Mus musculus (mouse)
Caenorhabditis elegans
(worm, nematode)
模式生物对发育研究的贡献
All Living Organism达 细胞有序增殖与分化
个体正常发育
Programmed development Developmental program
二、遗传与发育在细胞水平上的统一
1. 细胞是有机体发育的基本单位； 2. 细胞的增殖、分化与凋亡构成发育的过程； 3. 个体发育的信息来自细胞内的遗传物质（基因组）；
基 因
设计实验，找到相关基因
反向遗传学分析 (Reverse Genetics)
发现新基因，功能未知
基 因
制备基因突变，
表
进行表型分析
型
分析实验结果， 给出合理解释。
设计新实验， 验证预期结果。
The genetic dissection of development depends on a comprehensive set of mutants
Produce too much protein, or proteins with a new function
Frequently dominant to wild-type
Two kinds of gain-of-function mutations:
(1) Hypermorphic
——Mutations causing excessive gene function
细胞核的全能性（基因组的等价性）与细胞类型的多样性
4. 细胞内遗传信息的程序化表达是发育的根本动力。
遗传与发育在细胞水平上的统一
DNA是遗传物质的载体， 染色体是DNA的载体， 细胞核是染色体的载体， 细胞是细胞核的载体，
细胞是生命的载体、是遗传与发育的基础 ——生命活动的基本单位（包括发育）
细胞是核心，遗传是根本，发育是结果。
从遗传学:
Development = gene-gene interaction
基因决定性状的过程。性状发育的过程。
From genotype to phenotype
生命起源于单个细胞
Every multi-cellular organism is composed of many groups of cells, yet all these cells come from a common “ancestor” ——a fertilized egg (a zygote)
谁来决定（控制）基因的有序性、选择性表达？ ——通过基因来控制基因，实现基因的程序化表达
基因包含两部分信息： （1）编码信息
（决定基因产物的性质） （2）调控信息
（决定基因产物的时空分布）
第二节 发育遗传学研究中的模式生物 及其研究方法
生物学研究离不开模式生物
Phage
Xenopus
Zebrafish (D. rerio)
› Rare because resulting from highly specific changes in a gene
(2) Neomorphic
——Mutations causing ectopic gene expression
Gain-of-function dominant
phenotype of FGFR3 mutants
A four-winged fruit fly developed from
ultrabithorax gene mutation
gain-of-function mutation of Antp
小鼠中同源异型基因突变
An enlargement of the thoracic and lumbar vertebrae of a homozygous Hoxc-8 mouse. Hoxc-8 mutation has caused a fate shift toward anterior.
（Gurdon）
第一个哺乳动物的克隆——Dolly羊
Dolly羊的产生
Prof. Ian Wilmut
不要求掌握
Roslin Institute in Scotland 1997
细胞类型的多样性
细胞核的全能性/基因组的等价性
vs
细胞类型的多样性
基因产物的种类和数量决定了细胞的类型： 细胞的命运决定——分化形成不同的细胞类型 是基因有序性、选择性表达的结果。
3. Mutant phenotype: causes fate shift
哺乳动物和昆虫同源异型基因结构和表达上 的比较
clustering colinearity
果蝇中同源异型基因突变
——Fate shift and structure transformation
(T3 was transformed into T2.)
从分子生物学：
Development = gene expression and regulation
从细胞生物学:
Development = cell proliferation and differentiation
从发育生物学:
Development = single cell→ tissue → organ → individual
development
zygote
adult
细胞——a bag of genes
细胞的增殖与分化是遗传物质 （基因）有序表达的结果。
遗传物质中包含着个体生长发 育所需要的全部信息
——遗传物质也可称为遗传信息
细胞——A bag of genes
受精卵 组织 器官 系统 个体
个体发育是基因 选择性表达的结果：
（1）Loss-of-function mutations （功能失去突变）
（2）Gain-of-function mutations （功能获得突变）
Null mutation（无效突变）
› Completely lacks gene function (amorphic), usually recessive › Infer function of wild-type gene
生命开始于单个细胞
发育是由单细胞受精卵有序生长、 分裂、分化为多细胞个体的过程。
细胞的分裂伴随着细胞分化。
遗传物质通过操纵细胞的命运 实现对发育进程的控制：
每一个细胞都带有完整的遗传信息； 基因通过决定细胞的“性状”来实现对个体性状的控制。
三、细胞核的全能性与细胞类型的 多样性
基因组的等价性 (genome equivalence) ——细胞核的全能性 (totipotency)
母体效应基因在卵母细胞中的不均匀表达使卵 在受精前已经具有前后轴和背腹轴的取向。
母体效应基因：负责启动胚胎发育的级联反应。 胞外信号分子：影响某些细胞发育命运的分泌型信号分子。
两者都参与决定胚胎的形态发生，被称为形态发生素。
某些母体效应基因编码转录因子、受体和调节翻译的蛋白， 在卵子发生（oogenesis）中转录，产物储存在卵母细胞中， 沿前－后轴或背－腹轴呈梯度（gradient）分布。这类基因 产物属于形态发生素(morphogen)。
遗传与发育的关系
发育遗传学研究中的模式生物 及其研究方法
母体效应与果蝇胚胎的极性形 成
人类胚胎发育
一、什么是发育遗传学 二、遗传与发育在细胞水平上的统一 三、细胞核的全能型及细胞类型的多样性
发育： 是基因按照特定的时间与空间进行程序化表达的过程。
是单细胞受精卵有序生长、分裂、分化为多细胞个体的过 程。
易于培养 繁殖快 体型小 研究范围广
› Cooperative study among labs › Large collections of mutants with developmental
defects maintained in stock centers
基因组已完成测序
› Easier for geneticists to identify genes with mutant phenotypes
Hypomorphic mutation（亚效突变）
› Partial loss-of-function › Infer function of genes expressed at multiple times in
development
Conditional mutation（条件突变）
› Cause loss-of-function only under special circumstances › e.g., temperature sensitive mutations › Infer function of gene at different developmental stages