最新发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成

发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
果蝇沿前 后轴、背 腹轴和中 侧轴建立 形体模式。
发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
果蝇的原 肠作用。
A－B，腹 沟的形成与 闭合；C， 极细胞的形 成；D－E， 生殖带的迁 移和逆转； F，一龄幼 虫。
果蝇幼虫与成体分节的比较。
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bicoid基因 对前端结构 的发育是必 需的 。
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bcd mRNA 3’末端非翻译区中含有与其定位 有关的序列。
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。
发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
Nanos mRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中，
定位于卵细胞的后极。
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母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立
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hb基因是在卵子发生过程中转录的母体效 应基因，hb mRNA在卵子中是均匀分布的。 在卵裂阶段HB蛋白开始合成。分布在胚胎 后部的hb mRNA的翻译被NOS的浓度梯度 所抑制，而在前部BCD蛋白浓度梯度可以 激活合子hb基因的表达。结果HB蛋白的分 布区域只位于胚胎前半部分。
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浓度梯度建立位 置信息的模型
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3. 后端组织中心：
NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度 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。
后端系统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。
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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。
在果蝇卵子发生过程中，nos mRNA定位于 卵子后极。nos基因的编码产物NANOS （NOS）蛋白活性从后向前弥散形成一种 浓度梯度。NOS蛋白的功能是在胚胎后端 区域抑制母性hb mRNA的翻译。
一、果蝇卵和胚胎的极性
果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确 的前-后轴和背-腹轴。果蝇形体模式的形成 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）；沿背 腹轴分化为羊浆膜、背部外胚层、腹侧外 胚层和中胚层。
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。
果蝇卵前、后极少量细胞质的流失，会分 别造成胚胎缺失头胸部和腹部结构，其他 部位细胞质的少量流失都不会影响形体模 式形成。这说明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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母源性基因bicoid mRNA在卵子中的分 布以及受精后biocoid 蛋白的浓度梯度。
随着BCD蛋白在胚胎中的扩散， 这种蛋白质也开始降解——它 有着大约30分钟的半衰期。这 种降解对于建立起前后浓度梯 度是非常重要的。
发育生Hale Waihona Puke Baidu学第十章 果蝇的胚轴形成
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蛋白 均匀分布，不 能形成前后浓 度梯度
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爪蟾尾芽期胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴（中侧 轴），互成垂直角度。
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现已筛选到与胚胎前后轴和背腹轴形成有 关的约50个母体效应基因（maternal effect gene）和120个合子基因（zygotic gene）。 目前，对果蝇胚轴形成的调控机制已有了 一个较为清晰的认识。
在果蝇最初的发育中，由母体效应基因构 建位置信息的基本网络，激活合子基因的 表达，控制果蝇形体模式的建立。
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1995 Nobel Prize 研究揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特 化器官,如脑和腿的遗传秘密，也树立了科学界 对动物基因控制早期胚胎发育的模式
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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。
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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。
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4. 末端系统：TORSO信号途径
末端系统包括约9个母体效应基因。这个系 统基因的失活会导致胚胎不分节的部分， 即前端原头区和后端尾节，缺失。在这一
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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。
hb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 达到一定临界值才能启动hb基因的表达。
用。BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图 式的功能。 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胚胎的 前极。exuperantia、swallow和staufen基因与 bcd mRNA的定位有关。
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bcd mRNA由滋养细胞合成，后转移至卵细胞中并定 位于卵细胞的前极。 发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
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在卵子发生过程中，这些母体效应基因的 mRNA由滋养细胞合成转运至卵子，定位于 卵子的一定区域。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。
这些母体效应基因的蛋白质产物又称为形 态发生素（morphogen）。
第十章 胚轴形成
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形体模式 （body plan）。
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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Life cycle of Drosophila melanogaster
其NH2－基端位于细胞膜外，COOH基端位 于细胞膜内。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。torso-like （tsl）基因可能编码这 一配体。
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末端系统：Torso信号途径
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系统中起关键作用的是torso（tor）基因。
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。
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Torso系统基因的失活会导致胚胎不分节的部分，即前 端原头区和后端尾节，缺失
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tor基因编码一种跨膜酪氨酸激酶受体 （receptor tyrosine kinase，RTK），在整个 合胞体胚胎的表面表达。
果蝇形体模式建成过 程中沿前后轴不同层 次基因内的表达。
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不同组基因的 顺序表达沿前 后轴建立身体 的模式。
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2. 前端组织中心
BICOID（BCD）蛋白浓度梯度 前端系统至少包括4个主要基因，其中bicoid
（bcd）基因对于前端结构的决定起关键的作
NOS对hb和bcd基因表达的抑制作用是在翻 译水平上进行的。
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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。在BCD活性 从前到后降低的浓度梯度作用下形成CDL 蛋白从后到前降低的浓度梯度。 cdl基因的突变导致腹部体节发育不正常。
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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。
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二、果蝇前 – 后轴的形成
1. 果蝇前后极性的产生
果蝇的胚胎，幼虫、成体的前后极性均来 源于卵子的极性。
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。
受体蛋白torso参与 胚胎末端的特化。
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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。在 卵子发生过程中，tsl在卵子前极的边缘细胞和 卵室后端的极性滤泡细胞中表达。TSL蛋白被 释放到卵子两极处的卵周隙中，由于TOR蛋白 过量，TSL不会扩散末端区以外，从而保证tor 基因只在末端区被活化。
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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。
缺口基因、成对控制基因以及体节极性基 因共同调节同源异型基因（homeotic gene） 的表达，决定每个体节的发育命运。
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决定前后轴的3组母体效应基因包括：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。
另一组基因即背腹系统（dorsoventral system），决定胚胎的背 – 腹轴。
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母源性BCD蛋白控制合子型基因hunchback 的表达。
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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。
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hunchback又可开启一些
缺口基因如giant、krüppel
和knips等基因的表达。缺 口基因按一定顺序沿前后 轴进行表达 。
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krüppel基因的活性受HB蛋白的控制。
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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 特异性地启动不同基因的表达，从而将胚 胎划分为不同的区域。
btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的 靶基因。
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。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， 以激活胚胎的合子基因组的程序。
有4组母体效应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，另一 组基因决定胚胎的背腹轴。
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母源性基 因系统突 变后产生 的结果 。
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形态发生素调节缺口基因（gap gene，首先 表达的合子基因）的表达。
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。
发育生物学第十章 果蝇的胚轴形成
在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要 涉及胚轴（embryonic axes）形成及其一系 列相关的细胞分化过程。胚轴指胚胎的前 －后轴（anterior -posterior axes）和背 – 腹 轴（dorsal -ventral axis）。
胚轴的形成是在一系列基因的多层次、网 络性调控下完成的。