03-6第三章 动物胚胎的早期发育6——果蝇胚轴形成

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二、果蝇前-后轴的形成
¾ 另一个重要的母源性产物caudal（cdl）mRNA 最初也是均匀分布于整个卵质内，BCD能抑制 cdl mRNA的翻译。
¾ 在BCD活性从前向后降低的浓度梯度作用下形 成CDL蛋白从后向前降低的浓度梯度。
¾ cdl基因的突变导致腹部体节发育不正常。
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四种形态发生素在 果蝇受精卵和胚胎 中沿前后轴分布的 浓度变化。
影响果蝇胚胎前-后极性的母体效应基因
母源性基 因系统突 变后产生 的结果。
三、果蝇背-腹轴的形成
¾ 与果蝇胚轴形成有关的4组母体效应基因中，背– 腹系统最为复杂，涉及约20个基因。其中dorsal （dl）等基因的突变会导致胚胎背部化，即产生 具有背部结构而没有腹部结构的胚胎。
¾ 与此相反，cactus等基因的突变则引起胚胎腹部 化，产生只具有腹部结构的胚胎。
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受精后，定位于卵质中的 母体效应基因产物如bcd mRNA立即翻译，激活hb 基因表达，而HB可激活合 子基因的表达。沿前-后轴 依次激活主要的合子基因： 缺口基因、成对控制基因、 体节极性基因。缺口基因、 成对控制基因和体节极性 基因可进一步激活同源异 形基因。
果蝇躯体模式建立过程中沿 前-后轴不同层次基因表达。
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Toll蛋白的活化导致沿背-腹轴方向 细胞核内Dorsal蛋白梯度的形成
DL蛋白定位于细胞核中 的机制：
在未受精卵中，存在于细胞 质中的DL与Cactus蛋白结 合，不能进入细胞核。当 Toll被细胞外信号激活时， 通过细胞内信号传导，并涉 及信号传导途径中其他母源 性效应基因产物的作用，最 终使Cactus蛋白降解，DL 蛋白释放而进入细胞核。
子的极性。 ¾ 调节果蝇胚胎前-后轴的形成有4个重要的形态发
生素： 9 Biciod（BCD）和Hunchback（HB）——前端 9 Nanos（NOS）和Caudal（CDL）——后端
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ 形态发生素调节首先表达合子基因——缺口基因 （gap gene），缺口基因表达区呈带状，带宽 约相当于3个体节的宽度，不同缺口基因的表达 区之间有部分重叠；
三、果蝇背-腹轴的形成
¾ toll基因在这一系统中具有及其重要的作用。 ¾ TOLL是一种跨膜受体蛋白，其配体分子也是母源
性产物，是spätzle基因编码蛋白的裂解片段。 ¾ Spätzle蛋白由卵室腹侧的特异性滤泡细胞产生，在
胚胎发育的早期被释放定位于卵周隙中。 ¾ Spätzle蛋白与DL受体结合并使之活化，进而激发
前端系统：决定头胸部分节 决定胚胎前-后轴 后端系统：决定腹部分节
末端系统：决定胚胎原头区和尾节 决定胚胎背-腹轴：背腹系统
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一、果蝇胚胎的极性
¾ 在卵子发生过程中，这些母体效应基因的mRNA由滋 养细胞合成并转运至卵子，定位于卵子的一定区域。
¾ 这些mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子，它们 在受精后立即翻译且分布于整个合胞体胚盘中，激活 或抑制一些合子基因的表达，调控果蝇胚轴的形成。
二、果蝇前-后轴的形成
¾ bcd是一种母体效应基因，其mRNA由滋养细胞 合成后转运至卵子并定位于预定ຫໍສະໝຸດ Baidu胎的前极。
¾ 受精后bcd mRNA迅 速翻译，BCD蛋白在 前端累积并向后端弥散， 形成从前向后稳定的浓 度梯度，主要覆盖胚胎 前2/3区域。
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母源性基因bicoid mRNA在卵子中的分布 以及受精后Bicoid蛋白 的浓度梯度。
nanos（nos）基因。
¾ 在果蝇卵子发生过程中，
nanos mRNA位于卵子
后极，其编码产物
Nanos（NOS）蛋白活
性从后向前弥散形成一 种浓度梯度。
nanos mRNA由滋养细胞合成，后转 运至卵细胞中，定位于卵细胞的后极。
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ NOS蛋白的功能是在胚胎后端区域抑制母源性 hb mRNA的翻译。
性调控下完成的。
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第六节 果蝇胚轴形成
¾ 胚轴指胚胎的前-后轴（anterior -posterior axes）和背-腹轴（dorsal -ventral axis）。
第六节 果蝇胚轴形成
¾ 在果蝇最初的发育中，由母体效应基因构成位 置信息的基本网络，激活合子基因的表达，控 制果蝇躯体模式建立。
9 母体效应基因（maternal-effect gene）：50 9 合子基因（zygotic gene）：120
¾ hunchback在合胞体胚盘阶段开始翻译，表达区域 主要位于胚胎前部，HB蛋白从前向后也形成一种浓 度梯度。hb基因的表达受BCD蛋白浓度梯度的控制， 只有BCD蛋白的浓度达到一定阈值才能启动 hunchback基因的表达。
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母源性Bicoid蛋白控制hunchback的表达
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二、果蝇前-后轴的形成
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前端系统和后端系 统蛋白因子之间的 翻译调控确立了果 蝇的前-后轴。
二、果蝇前-后轴的形成
4. 末端系统：Torso信号途径 ¾ 如果前端和后端系统都失活，果蝇胚胎仍可产生某
些前后图式，形成具有两个尾节的胚胎。 ¾ 末端系统（terminal system）包括约9个母体效应
基因。 ¾ 末端系统基因的失活会导致胚胎不分节的部分，即
一、果蝇胚胎的极性
¾ 果蝇的卵、胚胎、 幼虫和成体都具 有明确的前-后轴 和背-腹轴。
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一、果蝇胚胎的极性
¾ 果蝇躯体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。 果蝇胚胎和幼虫沿前-后轴可分为头节、3个胸节 和8个腹节，两末端又分化出前面的原头（acron） 和尾端的尾节（telson）。
一、果蝇胚胎的极性
¾ 这些母体效应基因的蛋白质产物又称为形态发生素 （morphogen）。
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(A) 成体果蝇的卵巢管 (B) 果蝇卵子发生初期示意图 滋养细胞合成mRNA、rRNA，甚至是完整的核糖体， 并通过细胞间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞里。
二、果蝇前-后轴的形成
1. 果蝇前后极性的产生 ¾ 果蝇的胚胎、幼虫、成体的前后极性均来源于卵
¾ 不同浓度缺口基因的蛋白质产物引起成对控制基 因（pair-rule gene）的表达，形成与前-后轴垂 直的7条表达带。
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ 成对控制基因蛋白质产物激活体节极性基因 （segment polarity gene）的转录，进一步将 胚胎划分为14个体节。
¾ 缺口基因、成对控制基因的编码蛋白以及体节极 性基因共同调节同源异形基因（homeotic gene） 的表达，决定每个体节的发育命运。
前端原头区和后端尾节的缺失。
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ 在末端系统中起关键作用的是torso（tor）基因。 9 失活突变体：缺失原
头区和尾节； 9 显性突变体：中部区
域（头、胸、腹）的 分节缺失，而末端结 构增大。
失活突变体
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ tor基因编码一种跨膜受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），在整个合胞体胚胎的表 面表达，其NH2-位于细胞膜外，COOH-位于细胞膜 内。
¾ 在早期胚胎发育中，沿背-腹轴分化为背侧外胚 层、腹侧外胚层、中胚层和羊浆膜。
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一、果蝇胚胎的极性
¾ 早在20 世纪初，胚胎学家就注意到很多动物定位于受 精卵中特定部位的细胞质与胚胎某些特定部位的发育有 关。
9 果蝇卵前极少量细胞质流失——胚胎缺失头部、胸部； 9 果蝇卵后极少量细胞质流失——胚胎缺失腹部； 9 果蝇卵其他部位细胞质的少量流失不会影响躯体模式形
二、果蝇前-后轴的形成
2. 前端组织中心：Bicoid（BCD）蛋白浓度梯度 ¾ 前端系统（anterior system）至少包括4个主要
基因，其中bicoid（bcd）基因对于前端结构的 决定起关键作用。
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胚胎的头部和胸部 缺失，同时原头区 被转化成尾节。
bicoid基因对 前端结构的发 育是必需的； BCD具有组织 和决定胚胎极 性与空间图式 的功能。
¾ 不同靶基因的启动子与BCD蛋白具有不同的亲 和力，BCD蛋白的浓度梯度可以同时特异性启 动不同基因的表达，从而将胚胎划分为不同区域。
¾ btd、ems、otd基因可能也是BCD蛋白的靶基 因。
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二、果蝇前-后轴的形成
3. 后端组织中心：Nanos蛋白和Caudal蛋白浓度梯度 ¾ 后端系统（posterior system）在控制图式形成中起
的作用与前端系统有相似之处，但发挥作用的方式与 前端系统不同。 ¾ 后端系统并不像BCD蛋白那样起指导性的作用，不能 直接调节合子基因的表达，而是通过抑制一种转录因 子的翻译来进行调节。
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ 后端系统包括约10个基因，这些基因的突变都会导致
胚胎腹部的缺失。在这一系统中起核心作用的是
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三、果蝇背-腹轴的形成
¾ 背-腹系统的作用方式与末端系统有相似之处。通 过一种局部分布的信号分子，即定位于卵子腹侧 卵黄膜上的配体激活分布于腹侧卵黄膜上的受体， 进而调节合子基因的表达。
¾ 背-腹系统对合子靶基因表达的调节方式与前端系 统相似，通过一种转录因子的浓度梯度来完成。
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三、果蝇背-腹轴的形成
随着BCD蛋白在胚胎中 的扩散，这种蛋白质也 开始降解——它具有约 30 min的半衰期。这种 降解对于建立前后浓度 梯度非常重要。
bcd mRNA在受精 后迅速翻译，形成 BCD蛋白从前到后 的梯度。
突变型的BCD均匀 分布，不能形成前 后浓度梯度。
二、果蝇前-后轴的形成
¾ bcd基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子。另 一母体效应基因hunchback（hb）是其靶基因之一， 控制胚胎胸部及头部部分结构的发育。
成。 果蝇卵子前后极的细胞质中含有与果蝇图式形成
有关的信息。
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一、果蝇胚胎的极性
¾ 果蝇早期胚轴形成涉及一个由母体效应基因产物 构成的位置信息网络。
¾ 在这个网络中，一定浓度的特异性母源RNA和蛋 白质沿前-后轴和背-腹轴的不同区域分布，以激 活胚胎基因组的程序。
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一、果蝇胚胎的极性
有4组母体效应基因与果蝇胚轴形成有关：
到末端区域以外，保证tor基因只 在末端区域活化。
二、果蝇前-后轴的形成
¾ TOR与配体结合后，引起自身磷酸化，经一系列 信号传递，最终激活合子靶基因的表达。
¾ tor基因的活化可激活合子缺口基因hkb和tll在末 端区域的表达，这两个基因均编码转录调节因子， 进一步调节其他基因的表达。
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末端系统：Torso信号途径
¾ 当胚胎前、后端细胞外存在某种信号分子（配体） 时可使TOR特异性活化，最终导致胚胎前、后末端 细胞命运的特化。
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二、果蝇前-后轴的形成
¾ torsolike （tsl）基因可能编码这 一配体。
¾ 在卵子发生中，tsl在卵子前、后的 极性滤泡细胞中表达，并通过与卵 黄膜的结合维持在两极。
¾ 直到TOR蛋白表达，TSL才释放。 ¾ 由于TOR蛋白过量，TSL不会扩散
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本节内容
果蝇胚胎的极性
果蝇前-后轴形成
果蝇前后极性的产生 前端组织中心：Bicoid浓度梯度 后端组织中心：Nanos和Caudal浓度梯度 末端系统：Torso信号途径
果蝇背-腹轴形成
背腹系统 滤泡细胞极性的产生
缺口基因
分节基因与果蝇胚胎体节的形成 成对控制基因
体节极性基因
同源异形选择者基因
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¾ 背腹系统浓度梯度形成的方式与前端系统完全不同。 ¾ dl基因是这一信号传导途径的最后一个环节，它编码
一种转录调节因子。 ¾ dl mRNA和DL蛋白在卵子中均匀分布。当胚胎发育
到第9次细胞核分裂之后，细胞核迁移到达合胞体胚 盘的外周皮质层，在腹侧的DL蛋白开始向核内聚集， 但背侧的DL蛋白仍位于胞质中。从而使DL蛋白在细 胞核内的分布沿背-腹轴形成一种浓度梯度。
第六节 果蝇胚轴形成
¾ 胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化）， 而且要由这些细胞构成功能性的组织和器官并形 成有序空间结构的躯体模式（body plan）。
¾ 胚胎细胞形成不同组织、器官，构成有序空间结 构的过程称为图式形成（pattern formation）。
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第六节 果蝇胚轴形成
¾ 在动物胚胎发育中，早期的图式形成主要涉及： 9 胚轴（embryonic axes）形成 9 体节形成（segmentation） 9 肢芽和器官原基（anlage）形成 9 一系列与躯体模式的建立相关的细胞分化过程 ¾ 躯体模式的建立是在一系列基因的多层次、网络