華東理工大學(xué)-過程分子生物學(xué)

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1、過程分子生物學(xué)523416基因的表達與調(diào)控細胞通訊的分子機制免疫多樣性的分子識別胚胎發(fā)育的基因表達譜腫瘤發(fā)生的分子機制基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)胚胎發(fā)育的基因表達譜哺乳類動物發(fā)育的研究極為困難，因為它們的胚胎發(fā)育都是在母體子宮內(nèi)進行，這給觀察與分析帶來了很大的不便，而且整個發(fā)育過程往往延續(xù)幾周甚至幾月的時間。因此，發(fā)育分子生物學(xué)家們通常選擇發(fā)育速度快且簡單的發(fā)育系統(tǒng)作為研究模型，如魚類、果蠅、青蛙、寄生蟲等。這些動物發(fā)育的基本特征是胚胎發(fā)育在離體情況下完成，且發(fā)育周期短，一般在數(shù)天之內(nèi)。科學(xué)家期望由這些模型發(fā)現(xiàn)的發(fā)育調(diào)控基因和機制有助于了解哺乳動物的發(fā)育，這個愿望達到了。目前已經(jīng)知道，所有動物發(fā)

2、育的分子機制是相同或者相似的。胚胎發(fā)育的基因表達譜在動物發(fā)育的經(jīng)典研究模型中，果蠅發(fā)育研究得最為成熟。一方面是因為果蠅的經(jīng)典遺傳學(xué)早在上世紀(jì)初就開始了；另一方面，果蠅的基因分子生物學(xué)從上世紀(jì)八十年代初已有長足的發(fā)展，這為發(fā)育的分子生物學(xué)研究提供了堅實的基礎(chǔ)。本講將重點論述果蠅發(fā)育的分子生物學(xué)原理。胚胎發(fā)育的基因表達譜EBCDA果蠅發(fā)育的基本模式母體基因的表達體節(jié)形成基因的表達異位同型基因的表達異位同型盒的普遍意義4A果蠅發(fā)育的基本模式果蠅發(fā)育可分成四個階段：卵母細胞生成胚胎生成體節(jié)生成器官生成授精卵子胚胎幼蟲成蠅4A果蠅發(fā)育的基本模式卵母細胞的前身是前卵細胞。前卵細胞經(jīng)一次減數(shù)分裂及四次有

3、絲分裂后形成16個單倍體細胞，其中一個變成卵母細胞，其余15個變成護士細胞（滋養(yǎng)細胞），它們緊密地排列在由卵巢囊狀卵泡細胞圍成的空間中，形成“胞質(zhì)橋”。護士細胞細胞質(zhì)中的物質(zhì)，包括RNA和蛋白質(zhì)可以通過胞質(zhì)橋進入卵母細胞。這些物質(zhì)的積累便構(gòu)成了成熟卵細胞的主要內(nèi)含物。胞質(zhì)橋位于卵母細胞的一端，之后便成為卵a卵母細胞的生成子的前極。果蠅的卵泡結(jié)構(gòu)4A果蠅發(fā)育的基本模式成熟的卵子授精后，變成雙核受精卵細胞，即合子。b胚胎的生成果蠅合子的發(fā)育受精90分鐘后，核分裂已進行了8次。核分裂在公共細胞質(zhì)中進行，末端極性細胞質(zhì)中的細胞核變成性細胞前體；受精150分鐘后，形成多核囊胚層，核遷移到細胞周邊并繼

4、續(xù)分裂4次，形成多核囊胚層；受精195分鐘后，形成細胞囊胚層，圍繞核的膜形成，并構(gòu)成大約由6000個細胞組成的單細胞層（體細胞）。這些核的定位決定了它們將來發(fā)育的細胞類型。4A果蠅發(fā)育的基本模式果蠅體節(jié)形成的格局是由細胞囊胚層決定的。果蠅幼蟲共有三個胸部體節(jié)（T）和八個腹部體節(jié)（A），每c體節(jié)的生成個體節(jié)又分為兩個區(qū)，即前極區(qū)（A）和后極區(qū)（P）。果蠅副體節(jié)的形成細胞囊胚層繼續(xù)發(fā)育，逐漸形成一系列分離的特定空間，空間內(nèi)質(zhì)量大，空間與空間的交界處質(zhì)量小，這個空間稱為副體節(jié)。副體節(jié)是分子水平上的胚胎發(fā)育結(jié)構(gòu)，肉眼不能辨別。果蠅體節(jié)的形成胚胎發(fā)育5至6小時后，表面上的狹長溝槽形成；胚胎發(fā)育至9小

5、時表面上的溝紋移動并加深，從而形成肉眼能辨出的幼蟲形態(tài)學(xué)上的溝槽，稱為體節(jié)，此時體節(jié)形成。4A果蠅發(fā)育的基本模式果蠅的器官發(fā)育是由體節(jié)決定的。幼蟲體表面上的體節(jié)在成蠅體上保留下來，但已發(fā)育成不同的器官，其中胸部由三個體節(jié)組成，腹d器官的生成部由八個體節(jié)組成。4A果蠅發(fā)育的基本模式那么從卵母細胞形成到成蠅的一系列發(fā)育中，基因是怎樣起作用的呢？綜合近年來的研究結(jié)果表明，負(fù)責(zé)果蠅發(fā)育的基因可分為下列三大部分：母體基因在卵子生成期間發(fā)揮作用體節(jié)生成基因在授精后表達，影響體節(jié)形成的數(shù)目和極性異位同型基因控制體節(jié)的性質(zhì)，但不影響體節(jié)的大小、數(shù)目、極性4B母體基因的表達在果蠅母體內(nèi)表達的基因?qū)υ缙诎l(fā)育是

6、很重要的，但對母體本身沒有很大的影響。所有母體基因的共同特征是它們均在授精之前表達（至少是轉(zhuǎn)錄），但其表達產(chǎn)物有的在表達后就發(fā)揮作用，有的暫時儲存起來。母體基因產(chǎn)物作用于卵子，但大部分產(chǎn)物卻在卵母細胞以外的地方合成。4B母體基因的表達卵子的成熟是護士細胞將大量的RNA和蛋白質(zhì)向卵母細胞輸送的過程。這些物質(zhì)進入卵母細胞后，通過擴散作用遍及細胞前后上下，但其濃度是不均一的，在細胞質(zhì)內(nèi)形成兩個方向的濃度梯度（軸型梯a卵細胞內(nèi)的軸型梯度度）：前后軸形梯度與背腹軸形梯度。果蠅卵細胞內(nèi)軸型梯度的形成在授精之后，由于大量蛋白質(zhì)的合成，軸形梯度變得更加明顯，但此時這種濃度梯度仍是溶液型的。當(dāng)受精卵的核經(jīng)歷

7、多次核分裂，并開始遷移至合子膜周圍時，它們參考前后梯度與背腹梯度的正交坐標(biāo)系統(tǒng)而準(zhǔn)確地定位。正是這種有序地定位決定了這些核最后發(fā)育成什么類型的細胞乃至器官。4B母體基因的表達軸形梯度的物質(zhì)基礎(chǔ)是RNA和蛋白質(zhì)，為其編碼的基因大都是母蠅攜帶的，并在母體內(nèi)表達，因此稱為母體基因。根據(jù)表達區(qū)域的不b控制軸型梯度形成的母體基因同，母體基因可分為兩大類：母體體細胞基因在卵巢的囊狀卵泡細胞中表達母體性細胞基因在護士細胞或卵母細胞中表