果蝇胚轴发育的机制

果蝇胚轴发育的机制
一、果蝇胚胎的极性
果蝇早期胚轴形成涉及一个由母性影响基因产物构成的位置信息网络。

在这个网络中, 一定浓度的特异性母源性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。

有4 组母性影响基因与果蝇胚轴形成有关, 其中3 组与胚胎前- 后轴的决定有关, 即前端系统( anterior system) 决定头胸部分节的区域, 后端系统( posterior system) 决定分节的腹部, 末端系统( terminal system) 决定胚胎两端不分节的原头区和尾节, 另一组基因决定胚胎的背- 腹轴, 即背腹系统( dorsovent ral system)。

控制发育的三类基因：1、母体效应基因2、影响身体分节的基因3、影响体节一致性的基因----同源异形框基因。

缺口基因表达区带宽大约相当于3个体节，其翻译的蛋白质以浓度效应调控成对控制基因（pair—rule genes）的表达。

成对控制基因为与前—后轴垂直的7条表达带，其翻译的蛋白质可激活体节极性基因（segment polarity genes）的转录。

体节极性基因的表达产物再进一步将胚胎划分成为14个体节。

同源异型基因的表达产物决定每个体节的发育命运果蝇胚胎的极性
2.果蝇前—后轴（A－P）的形成
1）前端系统：
对于调节胚胎前- 后轴的形成有4 个非常重要的形态发生素: BICOID ( BCD ) 和HUNCHBACK( HB)调节胚胎前端结构的形成,NANOS( NOS) 和CAUDAL ( CDL ) 调节胚胎后
端结构的形成。

Bicoid是控制头胸发育的一个关键母体效应基因，其不同浓度开启不同合子基因的表达。

在未受精卵中，bicoid mRNA定位在胞质前端；其受精后翻译出的蛋白质沿AP轴扩散，形成浓度梯度，为胚胎的后续分化提供位置信息。

bcd基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子，可与DNA 特异性结合并激活合子靶基因的表达。

缺口基因hb 是其靶基因之一，是控制胚胎胸部及头部部分结构发育的重要基因。

3）后端组织中心：Nanos蛋白和Caudal蛋白浓度梯度决定胚胎后端图式的最初信息也是母体效应基因转录产物，在卵子发生过程中，nos mRNA在卵室前端的滋养细胞中转录，通过转运定位到卵子后极。

后端系统：
mRNA的产物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。

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nanos(nos) 基因。

其编码产物NOS 活性从后向前弥散形成浓度梯度。

NOS 的功能是在胚胎后端区域抑制母源性hb mRNA的翻译。

Nanos和Caudal蛋白梯度控制后区结构nanos ，Nanos决定后部区的发育，它在受精后形成P－A浓度梯度，其作用是与hunchback mRNA结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成Hunchback蛋白梯度。

Hunchback：母体mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的 Bicoid蛋白激活hunchback基因的表达，Nanos控制hunchback mRNA的翻译从而帮助形成hunchback蛋白浓度梯
度。

Caudal: 母体mRNA在卵中均匀分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前区的表达，因而Caudal蛋白形成类似于nanos的浓度梯度。

末端系统：
Torso信号途径卵膜表面受体的激活决定胚胎AP 轴的两个端点? Torso缺失突变体缺少原头区和尾区，torso蛋白为酪氨酸激酶类受体。

未受精前，torso已均匀地分布在卵的质膜上。

但其配体torsolike定位在两端的卵外膜(vitelline membrane) 上，不能与torso结合。

受精时，torsolike得以释放，torsolike与torso 结合, torso活化，启动信号传导。

Torsolike蛋白的存在量很低，受精后其扩散距离有限。

其突变体类似torso突变体分节基因与果蝇胚胎体节的形成分节基因的功能是把早期胚胎沿前—后轴分为一系列重复的体节原基
3.背腹轴的形成
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，进而调节下游合子基因的表达。

背-腹系统对合子靶基因表达的调节方式前端系统相似，通过一种转录因子的浓度前端系统相似，通过一种转录因子的浓度梯度来完成。

但背腹系统浓度梯度形成的方式却与前端系统完全不同，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。

dl mRNA和DL蛋白在卵子中是均匀分子。

dl mRNA和DL蛋白在卵子中是均匀分布。

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蛋白开始往核内聚集，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。

1）DL蛋白定位于细胞核中的机制：
cactus基因与DL蛋白能否进入细胞核这一调控过程有关。

CACTUS与DL结合时，DL蛋白不能进入细胞核。

toll基因在这一系统中具有极其重要的作用。

TOLL是一种跨膜受体蛋白，其配体分子也是母源性产物，是spǟtzle基因编码蛋白的裂是母源性产物，是spǟtzle基因编码蛋白的裂解片段。

Spǟtzle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。

Spǟtzle蛋白与DL受体结合并使之活化，进而激发一系列细胞内信号传导，最终使CACTUS 蛋白降解，DL蛋白释放进而进入细胞核。

DL蛋白的浓度梯度通过对下游靶基因的调控，控制沿背-腹轴产生区域特异性的位置信息。

这种浓度梯度在腹侧组织中可活化信息。

这种浓度梯度在腹侧组织中可活化合子基因twist twi）和snail （sna）的表达，同时抑制dpp和zen基因的表达，进而指导腹部结构的发育。

dpp和zen基因在胚胎背侧表部结构的发育。

Toll蛋白的活化导致沿背腹轴方向细胞核之间dorsal蛋白梯度的形成。

果蝇核蛋白dorsal沿背腹轴的梯度将身体分为不同部分的模型。

twist和dpp等基因的激活解读dorsal蛋白的浓度梯度；Dpp蛋白的活性在sog蛋白的拮抗作用下局限于胚胎最背部的区域。

2）卵子发生过程中体轴的极化
滋养细胞（滋养细胞（nurse cell）合成大量的蛋白和cell）合成大量的蛋白和mRNA通过胞质桥（mRNA通过胞质桥（cytoplasmic bridge）转bridge）转运至卵细胞中。

滤泡细胞在决定卵轴极性运至卵细胞中。

滤泡细胞在决定卵轴极性方面发挥这重要的作用。

果蝇卵子的发育果蝇卵子与15个滋养细胞相连，被一层滤泡细胞（700个左右）覆盖。

卵细胞和滤泡细胞协同作用确定将来卵子的
背腹轴。

果蝇的卵细胞进入卵室（egg chamber）的后端，与后端的滤泡细胞建立联系。

但卵细胞与前端的滤泡细胞被滋养细胞隔开。

卵细胞中合成gurken mRNA，而gurken蛋白在局部分泌。

Gurken蛋白与后极滤泡细胞上表达的受体torpedo的结合引起相邻的滤泡细胞特化为后极滤泡细胞。

后极滤泡细胞发送信号至卵细胞，重排细胞骨架微管，从而将BCD和oskar蛋白分别定位于卵的前端和后端确定了卵的前后轴。

随后卵细胞的核运动到将来的背侧，随后卵细胞的核运动到将来的背侧，gurken蛋白的局部释放使相邻的滤泡细胞特化为背部的滤泡细胞，卵子将来的背方也得到确定。

3）信号调控
在卵子发生过程中，滤泡细胞背腹极性的获得是由卵细胞的信号调控的。

这个过程与TOR途径有相似之处，但是信号传递的TOR途径有相似之处，但是信号传递的方式却相反。

这个信号传递途径至少包括7 个基因，这些基因的突变会影响卵壳和卵的极性。

grk、top或cni的突变产生腹部化的的极性。

grk、top或cni的突变产生腹部化的胚胎，而fs(1)k10、sqd、spir或capu的失活胚胎，而fs(1)k10、sqd、spir或capu的失活则产生背部化的卵和胚胎。

4.分节基因
分节基因的突变可使胚胎缺失某些体节或体节的某些部分。

分节基因的可分为三类：缺口基因、成对控制基因和体节极性基因。

这三类基因的调控是逐级进行的，首先由母体效应基因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之间互相调节彼此的转录并且共同调节成对控制基因的表达，然后成对控制基因之间相互作用把胚体分隔成为一系列重复的体节，并且进一步控制体节极性基因的表达。

缺口基因和成对控制基因再共同调控同源异型基因的表达。

1. 缺口基因
缺口基因( gap gene)的表达区域为一些较宽的区域, 每个区域的宽度约相当于3
个体节, 表达
区之间可有部分重叠。

当缺口基因突变时胚胎缺失相应的区域。

缺口基因直接受母体效应基因的
调控。

2. 成对控制基因
成对控制基因( pair - rule gene )的表达区域以两个体节为单位且具有周期性, 在相互间隔的一个副体节中表达。

这些基因的功能是把缺口基因确定的区域进一步分成体节。

当这类基因突变时相应的表达区域缺失。

成对控制基因的表达是胚胎出现分节的最早标志。

它们在细胞化胚盘期第13 次核分裂时开始表达。

表达图式非常独特, 沿前- 后轴形成一系列斑马纹状的条带, 正好把胚胎分为预定体节。

3. 体节极性基因
体节极性基因( segment polarity gene )在每一体节的特定区域细胞中表达。

当这类基因突变时
每个体节都缺失一个特定的区域。

4. 同源异型选择者基因( homeotic selector gene)
(1 ) 同源异型选择者基因的表达图式
在体节界限确立之后每个体节的结构被进一步特化, 此过程由主调节基因(master regulatorygene )或称为同源异型选择者基因调控完成。

果蝇大部分同源异型选择者基因都位于第 3 号染色体相邻的两个区域, 其中一区域称为触角足复
合体( antennapedia complex , Antp - C) , 另一个区域是双胸复合体( bithorax complex , BX - C) , 这两个复合体统称同源异形复合体( homeotic gene complex
, HOM - C)。

(2 ) 同源异型选择者基因表达图式的建立与维持
同源异型选择者基因表达图式的建立受成对控制基因和gap 基因的调控。