第5章器官系統(tǒng)發(fā)生的奠定

1、第第5章章 器官系統(tǒng)發(fā)生的奠定器官系統(tǒng)發(fā)生的奠定v三個(gè)胚層的建立給出了動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)育來(lái)源的三個(gè)胚層的建立給出了動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)育來(lái)源的基本劃定；基本劃定；v但在許多器官發(fā)生以前，還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)胚層組但在許多器官發(fā)生以前，還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)胚層組織進(jìn)一步發(fā)育分化的中間過(guò)程和階段；織進(jìn)一步發(fā)育分化的中間過(guò)程和階段；v這一過(guò)程包括必要的這一過(guò)程包括必要的過(guò)渡性結(jié)構(gòu)的建設(shè)過(guò)渡性結(jié)構(gòu)的建設(shè)、特定區(qū)特定區(qū)域環(huán)境的營(yíng)造域環(huán)境的營(yíng)造、原基的形成原基的形成、前體細(xì)胞分化的準(zhǔn)前體細(xì)胞分化的準(zhǔn)備備等；等；v大致對(duì)應(yīng)于在許多動(dòng)物（如線蟲(chóng)、爪蟾）胚胎發(fā)大致對(duì)應(yīng)于在許多動(dòng)物（如線蟲(chóng)、爪蟾）胚胎發(fā)育研究中發(fā)現(xiàn)的繼體軸分化和三胚

2、層形成后出現(xiàn)育研究中發(fā)現(xiàn)的繼體軸分化和三胚層形成后出現(xiàn)的的胚體伸長(zhǎng)期胚體伸長(zhǎng)期；v這是高度特化的器官系統(tǒng)發(fā)生的必要條件。這是高度特化的器官系統(tǒng)發(fā)生的必要條件。5.2 脊椎動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)生的奠定脊椎動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)生的奠定從三個(gè)方面考察脊椎動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)從三個(gè)方面考察脊椎動(dòng)物器官系統(tǒng)發(fā)生的準(zhǔn)備生的準(zhǔn)備v各胚層的分化各胚層的分化vhox基因在前基因在前-后體軸分化上發(fā)揮著重要后體軸分化上發(fā)揮著重要的作用的作用v胚胎背胚胎背-腹和左腹和左-右分化的基因控制右分化的基因控制體體 節(jié)節(jié)v在脊索兩側(cè)，中胚層發(fā)育為兩條密集的沿體軸縱行在脊索兩側(cè)，中胚層發(fā)育為兩條密集的沿體軸縱行排列的細(xì)胞索，即近軸中胚層。排列

3、的細(xì)胞索，即近軸中胚層。v在神經(jīng)管形成時(shí)，它進(jìn)一步斷成若干小的組織團(tuán)塊，在神經(jīng)管形成時(shí)，它進(jìn)一步斷成若干小的組織團(tuán)塊，稱為體節(jié)。稱為體節(jié)。v體節(jié)在發(fā)育中是一個(gè)過(guò)渡性的結(jié)構(gòu)，脊椎和肋骨、體節(jié)在發(fā)育中是一個(gè)過(guò)渡性的結(jié)構(gòu)，脊椎和肋骨、背部皮膚的真皮、背部的骨骼肌、體壁和肢體的骨背部皮膚的真皮、背部的骨骼肌、體壁和肢體的骨骼肌均來(lái)自于體節(jié)。骼肌均來(lái)自于體節(jié)。v體節(jié)始出現(xiàn)于胚胎的前部，并依次向后推移形成。體節(jié)始出現(xiàn)于胚胎的前部，并依次向后推移形成。5.2.2 hox基因?qū)η盎驅(qū)η?后軸分化的重要作用后軸分化的重要作用染色體染色體hox基因的組織結(jié)構(gòu)和命名基因的組織結(jié)構(gòu)和命名v高等脊椎動(dòng)物有四套高等脊椎

4、動(dòng)物有四套hox基因，分別定位在不同基因，分別定位在不同的染色體上。的染色體上。v各套染色體包含有順序排列的各套染色體包含有順序排列的13個(gè)個(gè)hox基因（有基因（有的有缺失），它們分別被定為的有缺失），它們分別被定為hoxa、hoxb、hoxc、hoxd系列，系列，v同一染色體上的同一染色體上的hox基因（例如有基因（例如有hoxa-1、hoxa-2、.hoxa-13 ）各自構(gòu)成一個(gè)同源異）各自構(gòu)成一個(gè)同源異型基因簇。型基因簇。v不同染色體的對(duì)應(yīng)不同染色體的對(duì)應(yīng)hox基因（例如基因（例如hoxa-1、hoxb-1、hoxc-1、hoxd-1）各自構(gòu)成了一個(gè)同）各自構(gòu)成了一個(gè)同源異型基因組。源異

5、型基因組。hox基因工作模式基因工作模式v同源異型基因簇不同基因在體軸前后的錯(cuò)位表同源異型基因簇不同基因在體軸前后的錯(cuò)位表達(dá)造成前后不同體位表達(dá)的達(dá)造成前后不同體位表達(dá)的hox基因的組合不同，基因的組合不同，奠定了體軸前后差異分化的基礎(chǔ)。奠定了體軸前后差異分化的基礎(chǔ)。v而同一體位上不同的同源異型基因組的不同表而同一體位上不同的同源異型基因組的不同表達(dá)組合提供了它們各自的側(cè)向差異分化的信息。達(dá)組合提供了它們各自的側(cè)向差異分化的信息。脊椎動(dòng)物脊椎動(dòng)物hox基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控v多種因子對(duì)多種因子對(duì)hox基因的表達(dá)具有調(diào)控的作用基因的表達(dá)具有調(diào)控的作用vcdx1基因在原腸胚期原條中表達(dá)，敲除

6、基因在原腸胚期原條中表達(dá)，敲除cdx1基因后，基因后，hox基因的表達(dá)圖案和發(fā)育基因的表達(dá)圖案和發(fā)育結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)向體軸后面推移的現(xiàn)象結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)向體軸后面推移的現(xiàn)象vembryotic ectoderm development (eed)基因?qū)驅(qū)ox基因表達(dá)的影響表現(xiàn)出類同的效基因表達(dá)的影響表現(xiàn)出類同的效果果v研究表明，對(duì)研究表明，對(duì)hox基因表達(dá)影響最大的是視基因表達(dá)影響最大的是視黃酸（黃酸（ra）v與果蠅早在卵細(xì)胞期就奠定了背腹軸分化的基與果蠅早在卵細(xì)胞期就奠定了背腹軸分化的基礎(chǔ)不同；礎(chǔ)不同；v鳥(niǎo)類背腹的分化源于胚胎發(fā)育早期下胚層的定鳥(niǎo)類背腹的分化源于胚胎發(fā)育早期下胚層的定位；位；v哺乳

7、動(dòng)物背腹的分化源于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)在囊胚腔中哺乳動(dòng)物背腹的分化源于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)在囊胚腔中的定位（因?yàn)橄屡邔蛹?xì)胞出現(xiàn)在面向囊胚腔的的定位（因?yàn)橄屡邔蛹?xì)胞出現(xiàn)在面向囊胚腔的一面；一面；v以后脊索和神經(jīng)管的形成進(jìn)一步發(fā)展了背腹軸以后脊索和神經(jīng)管的形成進(jìn)一步發(fā)展了背腹軸的分化。的分化。5.2.3 胚胎背胚胎背-腹與左腹與左-右方向上的分化右方向上的分化 5.3.1 果蠅體節(jié)的形成與分化果蠅體節(jié)的形成與分化 5.3.2 果蠅的同源異型選擇者基因果蠅的同源異型選擇者基因 與執(zhí)行基因與執(zhí)行基因 5.3.3 節(jié)肢動(dòng)物的長(zhǎng)胚基模式和短節(jié)肢動(dòng)物的長(zhǎng)胚基模式和短 胚基模式胚基模式5.3 節(jié)肢動(dòng)物體節(jié)的形成與分化節(jié)肢動(dòng)物體節(jié)的形

8、成與分化果蠅體節(jié)形成的基本過(guò)程果蠅體節(jié)形成的基本過(guò)程v在胚胎早期頭尾分化基因產(chǎn)物（形態(tài)發(fā)生原）的作用下，間在胚胎早期頭尾分化基因產(chǎn)物（形態(tài)發(fā)生原）的作用下，間隙基因表達(dá)并形成復(fù)雜的分布圖案隙基因表達(dá)并形成復(fù)雜的分布圖案v間隙基因誘導(dǎo)成對(duì)規(guī)則基因的表達(dá)，間隙基因誘導(dǎo)成對(duì)規(guī)則基因的表達(dá)，7條條eve基因表達(dá)條帶基因表達(dá)條帶（偶數(shù)帶）出現(xiàn)（初級(jí)），而后（偶數(shù)帶）出現(xiàn)（初級(jí)），而后7條條ftz基因表達(dá)條帶（奇數(shù)基因表達(dá)條帶（奇數(shù)帶）出現(xiàn)（次級(jí)），它們相間排列從前向后共同產(chǎn)生帶）出現(xiàn)（次級(jí)），它們相間排列從前向后共同產(chǎn)生14條條條條帶，稱為副體節(jié)（帶，稱為副體節(jié)（parasegment）v在各條帶的范圍

9、內(nèi)，在體節(jié)極化基因的作用下又分化形成前、在各條帶的范圍內(nèi)，在體節(jié)極化基因的作用下又分化形成前、后兩個(gè)區(qū)室（后兩個(gè)區(qū)室（compartment）v每個(gè)副體節(jié)的后區(qū)室與后一個(gè)副體節(jié)的前區(qū)室發(fā)育組成一個(gè)每個(gè)副體節(jié)的后區(qū)室與后一個(gè)副體節(jié)的前區(qū)室發(fā)育組成一個(gè)未來(lái)的體節(jié)（未來(lái)的體節(jié)（segment）。每個(gè)胚胎由）。每個(gè)胚胎由3個(gè)頭節(jié)個(gè)頭節(jié)(mb上顎、上顎、mx下顎、下顎、lb唇唇)、3個(gè)胸節(jié)個(gè)胸節(jié)(t1-t3)和和8個(gè)腹節(jié)個(gè)腹節(jié)(a1-a8)組組成。成。5.3.1 果蠅體節(jié)的形成與分化果蠅體節(jié)的形成與分化控制果蠅體節(jié)發(fā)生的基因控制果蠅體節(jié)發(fā)生的基因v間隙基因間隙基因 (gap gene) (gap gen

10、e) kruppel(kr)kruppel(kr)，knirps(kni)knirps(kni)，hunckback(hb)hunckback(hb)，giant(gt),tailess(tll)giant(gt),tailess(tll)， huckebein(hkb)huckebein(hkb)，buttonhead(btd), empty spiracles(ems), buttonhead(btd), empty spiracles(ems), orthodenticle(otd)orthodenticle(otd)v成對(duì)規(guī)則基因成對(duì)規(guī)則基因 (pair-rule gene)(pair

11、-rule gene) 初級(jí)初級(jí) hairy(h)hairy(h)，even-skipped(eve)even-skipped(eve)，runt(run)runt(run) 次級(jí)次級(jí) fushi tarazu(ftz)fushi tarazu(ftz)，odd-paired(opa)odd-paired(opa)，odd-skipped(odd)odd-skipped(odd)， sloppy-paired(slp) paird(prd)sloppy-paired(slp) paird(prd)v體節(jié)極性基因體節(jié)極性基因 (segment polarity gene)(segment pol

12、arity gene) engrailed(en)engrailed(en)，wingless(wg)wingless(wg)，cubitus,interruptuscubitus,interruptusd d(ci(cid d), ), hedgehog(hh) hedgehog(hh)，fused(fu)fused(fu)，armadillo(arm)armadillo(arm)，patched(ptc)patched(ptc)， gooseberry(gsb)gooseberry(gsb)，pangolin(pan)pangolin(pan)v這類基因的突變會(huì)導(dǎo)致胚胎體節(jié)圖式出現(xiàn)這類基因

13、的突變會(huì)導(dǎo)致胚胎體節(jié)圖式出現(xiàn)空缺，即成串的副體節(jié)發(fā)生丟失?？杖?，即成串的副體節(jié)發(fā)生丟失。v這是胚胎中轉(zhuǎn)錄的第一批合子基因，而這是胚胎中轉(zhuǎn)錄的第一批合子基因，而hunchback(hb)是是bicoid激活表達(dá)的第一激活表達(dá)的第一個(gè)合子基因。個(gè)合子基因。bicoid結(jié)合在該基因上游啟結(jié)合在該基因上游啟動(dòng)子區(qū)的動(dòng)子區(qū)的5個(gè)相同序列個(gè)相同序列5tctaatccc3的位點(diǎn)上以激活的位點(diǎn)上以激活hb進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)行表達(dá)，hb蛋白又蛋白又調(diào)控其它間隙基因的活性。調(diào)控其它間隙基因的活性。間隙基因間隙基因(gap gene)vhb是是抑制腹節(jié)抑制腹節(jié)形成的專一胚胎基因，其表達(dá)形成的專一胚胎基因，其表達(dá)的部位生成

14、頭胸部，的部位生成頭胸部，hb-hb-則不能形成頭部則不能形成頭部和胸部。和胸部。bicoid于前激活于前激活hb， nanos于后于后抑制抑制hb mrna的翻譯。的翻譯。v若若nanos缺失，則缺失，則hb遍布整個(gè)胚胎，抑制遍布整個(gè)胚胎，抑制生成腹節(jié)的間隙基因生成腹節(jié)的間隙基因knirps的活性。的活性。v另間隙基因另間隙基因 krpple主要在第副體節(jié)主要在第副體節(jié)內(nèi)表達(dá)，該基因缺失，胚胎就缺失第內(nèi)表達(dá)，該基因缺失，胚胎就缺失第4-第第6副副體節(jié)。體節(jié)。v在間隙基因產(chǎn)物的調(diào)控下，每隔一個(gè)副體節(jié)的胚區(qū)被在間隙基因產(chǎn)物的調(diào)控下，每隔一個(gè)副體節(jié)的胚區(qū)被激活，以激活，以7條條紋圖式條條紋圖式(p

15、atterns of seven strip)表達(dá)表達(dá)同一基因。如同一基因。如even skipped在偶數(shù)副體節(jié)表達(dá)，在偶數(shù)副體節(jié)表達(dá)，fushi tarazu在奇數(shù)副體節(jié)內(nèi)表達(dá)。在奇數(shù)副體節(jié)內(nèi)表達(dá)。v成對(duì)規(guī)則基因突變則每隔成對(duì)規(guī)則基因突變則每隔1個(gè)體節(jié)就缺失個(gè)體節(jié)就缺失1部分。部分。hairy,even-skipped及及runt為為初級(jí)成對(duì)規(guī)則基因初級(jí)成對(duì)規(guī)則基因(primary pair-rule genes)，直接受控于間隙基因；，直接受控于間隙基因；fushi tarazu (ftz)為為次級(jí)成對(duì)規(guī)則基因次級(jí)成對(duì)規(guī)則基因(secondary pair-rule genes)，受控于

16、初級(jí)成對(duì)規(guī)則基因。，受控于初級(jí)成對(duì)規(guī)則基因。ftz-ftz-純合體的體節(jié)僅及正常的一半。純合體的體節(jié)僅及正常的一半。v成對(duì)規(guī)則基因于成對(duì)規(guī)則基因于細(xì)胞化之前細(xì)胞化之前已大量進(jìn)行表達(dá)。已大量進(jìn)行表達(dá)。成對(duì)規(guī)則基因成對(duì)規(guī)則基因(pair-rule genes)v發(fā)育到發(fā)育到細(xì)胞囊胚期細(xì)胞囊胚期，成對(duì)規(guī)則基因的產(chǎn)物激活體節(jié)，成對(duì)規(guī)則基因的產(chǎn)物激活體節(jié)極性基因，形成更小的條紋表達(dá)區(qū)，極性基因，形成更小的條紋表達(dá)區(qū)，在副體節(jié)中間在副體節(jié)中間劃分最后的、可見(jiàn)的體節(jié)分界線劃分最后的、可見(jiàn)的體節(jié)分界線(14個(gè)轉(zhuǎn)錄帶區(qū)個(gè)轉(zhuǎn)錄帶區(qū))。這。這中間起主要作用的基因有：中間起主要作用的基因有：engrailed(en)

17、, wingless(wg)和和hedgehog(hh) 等。等。v這些基因突變，會(huì)使每一體節(jié)的一部分結(jié)構(gòu)缺失，這些基因突變，會(huì)使每一體節(jié)的一部分結(jié)構(gòu)缺失，而被該體節(jié)剩余部分的鏡像結(jié)構(gòu)所取代。例如，而被該體節(jié)剩余部分的鏡像結(jié)構(gòu)所取代。例如，engrailed保持前保持前后體節(jié)的分界，后體節(jié)的分界，en- en-純合體則純合體則出現(xiàn)前后體節(jié)復(fù)合為一，每一體節(jié)后半部被后一體出現(xiàn)前后體節(jié)復(fù)合為一，每一體節(jié)后半部被后一體節(jié)的前半部的鏡像重復(fù)結(jié)構(gòu)所替代。節(jié)的前半部的鏡像重復(fù)結(jié)構(gòu)所替代。體節(jié)極性基因體節(jié)極性基因(segment polarity genes)在果蠅體節(jié)的分化中在果蠅體節(jié)的分化中同源異形基因

18、起著核心的作用同源異形基因起著核心的作用v果蠅的同源異形基因多排布于第三染色體上，分兩大基因果蠅的同源異形基因多排布于第三染色體上，分兩大基因簇：簇：1.觸角足復(fù)合體觸角足復(fù)合體(antennapedia complex,antp-c)，含5個(gè)同源異形基因，負(fù)責(zé)頭部體節(jié)特化的labial(lab唇)，deformed(dfd變形)，負(fù)責(zé)胸節(jié)特化的sex comb reduced(scr性梳減少)和antennapedia(antp觸角足)基因；此外還有只在成蠅中起作用的proboscipedia (pb鼻足)基因，其突變使唇嘴部觸須轉(zhuǎn)變成腿。2.雙胸復(fù)合體雙胸復(fù)合體(bithorax comp

19、lex,bx-c)含4個(gè)同源異形基因，控制胸節(jié)和8個(gè)腹節(jié)的發(fā)育。分別是ultrabithorax(ubx超雙胸)基因，負(fù)責(zé)第三胸節(jié)特征結(jié)構(gòu)的發(fā)育；abdominal a(abda腹a)和abdominal b(abdb腹b)及caudal(caudal(cadcad) ) 基因，控制腹節(jié)結(jié)構(gòu)的形成。antp-c和和bx-c在第三染色體上呈直線排列，其順序大致與在第三染色體上呈直線排列，其順序大致與它們?cè)跁r(shí)空上的表達(dá)順序相吻合。在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，它們?cè)跁r(shí)空上的表達(dá)順序相吻合。在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，基因活性的級(jí)聯(lián)反應(yīng)被啟動(dòng)，前期表達(dá)的基因啟動(dòng)后期待基因活性的級(jí)聯(lián)反應(yīng)被啟動(dòng)，前期表達(dá)的基因啟動(dòng)后

20、期待表達(dá)的下游基因，或關(guān)閉另一些已表達(dá)的相關(guān)基因。表達(dá)的下游基因，或關(guān)閉另一些已表達(dá)的相關(guān)基因。 當(dāng)體節(jié)分化確定之后，再由當(dāng)體節(jié)分化確定之后，再由同源異形基同源異形基因因(homeotic genes)確定每一體節(jié)的具體發(fā)確定每一體節(jié)的具體發(fā)育方向，結(jié)構(gòu)特征和器官形成，限定每個(gè)體育方向，結(jié)構(gòu)特征和器官形成，限定每個(gè)體節(jié)與整體一致性，如決定某一特定體節(jié)為前節(jié)與整體一致性，如決定某一特定體節(jié)為前胸?zé)o翅，中胸有翅，后胸長(zhǎng)出平衡棒等。這胸?zé)o翅，中胸有翅，后胸長(zhǎng)出平衡棒等。這種負(fù)責(zé)作出決定的基因稱種負(fù)責(zé)作出決定的基因稱同源異形選擇基因同源異形選擇基因(homeotic selector genes)或或同源異型主導(dǎo)同源異型主導(dǎo)基因?；?。同源異形基因與發(fā)育途徑的選擇同源異形基因與發(fā)育途徑的選擇同源異形基因結(jié)構(gòu)的相似性同源異形基因結(jié)構(gòu)的相似性v果蠅第3染色體上兩個(gè)同源異形基因簇復(fù)合體antp-c和bx-c統(tǒng)稱為hom-c。在人和小鼠基因組中共有4份hom-c 拷貝。小鼠定名為hoxa、b、c、d，人定名