發(fā)育生物學(xué)課件4

1、Developmental Biology第四章第四章 果蠅胚胎早期果蠅胚胎早期 發(fā)育的分子基礎(chǔ)發(fā)育的分子基礎(chǔ)Developmental Biology一、果蠅胚胎發(fā)育概況一、果蠅胚胎發(fā)育概況Developmental Biology二、胚胎軀體軸線的建立由母體基因決定二、胚胎軀體軸線的建立由母體基因決定母體基因產(chǎn)物量或母體基因產(chǎn)物量或活性形成空間分布活性形成空間分布上的差異，上的差異，在在AP和和DV軸線的不軸線的不同區(qū)域激活不同的同區(qū)域激活不同的基因，使不同區(qū)域基因，使不同區(qū)域的基因活性譜不同的基因活性譜不同而出現(xiàn)分化。而出現(xiàn)分化。Developmental Biology1. AP軸線由

2、三類母體基因控制軸線由三類母體基因控制：突變鑒定突變鑒定anterior class, posterior class, terminal class.Developmental BiologyDevelopmental Biology2. Bicoid基因提供基因提供A AP P軸線形態(tài)素梯度軸線形態(tài)素梯度Bicoid編碼一編碼一種轉(zhuǎn)錄因子。種轉(zhuǎn)錄因子。其突變體缺失其突變體缺失頭胸結(jié)構(gòu)，原頭胸結(jié)構(gòu)，原頭區(qū)由尾區(qū)取頭區(qū)由尾區(qū)取代。代。Developmental BiologyBicoid mRNAmRNA和蛋白質(zhì)的分布和蛋白質(zhì)的分布在未受精卵中，在未受精卵中，bicoid mRNA定定位在胞質(zhì)

3、前端；位在胞質(zhì)前端；其受精后翻譯其受精后翻譯出的蛋白質(zhì)沿出的蛋白質(zhì)沿AP軸擴(kuò)散，形軸擴(kuò)散，形成濃度梯度，成濃度梯度，為胚胎的后續(xù)為胚胎的后續(xù)分化分化提供位置提供位置信息信息。Bicoid是控制頭胸發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵母體基因，其是控制頭胸發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵母體基因，其不同濃度開啟不同合子基因的表達(dá)。其它的前不同濃度開啟不同合子基因的表達(dá)。其它的前區(qū)母體基因主要涉及區(qū)母體基因主要涉及bicoid mRNA在未受精卵中在未受精卵中的定位及控制其翻譯的定位及控制其翻譯。Developmental Biology3. Nanos3. Nanos和和CaudalCaudal蛋白梯度控制后區(qū)結(jié)構(gòu)蛋白梯度控制后區(qū)結(jié)構(gòu)

4、 Nanos決定后部區(qū)的發(fā)育，它在受精后形成決定后部區(qū)的發(fā)育，它在受精后形成PA濃度梯度，其作用是與濃度梯度，其作用是與 hunchback mRNA結(jié)合，阻止后者在后區(qū)的翻譯，幫助形成結(jié)合，阻止后者在后區(qū)的翻譯，幫助形成Hunchback蛋白梯度。蛋白梯度。nanosDevelopmental BiologyNanos控制hunchback mRNA翻譯的機(jī)制Developmental BiologyA AP P軸線形成模式軸線形成模式Hunchback：母體母體mRNA在卵中均勻分布，受精后前區(qū)高濃度的在卵中均勻分布，受精后前區(qū)高濃度的Bicoid蛋白蛋白激活合子激活合子hunchback

5、基因的表達(dá)，從而幫助形成基因的表達(dá)，從而幫助形成hunchback蛋白濃度梯度。蛋白濃度梯度。 Caudal: 母體母體mRNA在卵中均勻分布，受精后在卵中均勻分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前區(qū)蛋白抑制其在前區(qū)的表達(dá)，因而的表達(dá)，因而Caudal蛋白形成類似于蛋白形成類似于nanos的濃度梯度。的濃度梯度。Developmental Biology4. 4. 卵膜表面受體的激活決定胚胎卵膜表面受體的激活決定胚胎APAP軸的兩個(gè)端點(diǎn)軸的兩個(gè)端點(diǎn) torso突變體突變體缺少原頭區(qū)和尾區(qū)，缺少原頭區(qū)和尾區(qū)，torso蛋白為酪氨酸激酶類受體。蛋白為酪氨酸激酶類受體。 未受精前，未受精前，tors

6、o已均勻地分布已均勻地分布在卵的質(zhì)膜上在卵的質(zhì)膜上。但其腺體。但其腺體torsolike定位在兩端的卵外膜定位在兩端的卵外膜 (vitelline membrane)上，不能與上，不能與torso結(jié)合。結(jié)合。 受精時(shí)，受精時(shí)，torsolike得以釋放，得以釋放，torsolike與與torso結(jié)合結(jié)合, torso活化，活化，啟動(dòng)信號傳導(dǎo)。啟動(dòng)信號傳導(dǎo)。 Torsolike蛋白的存在量很低，蛋白的存在量很低，受精后其擴(kuò)散距離有限。其突變體受精后其擴(kuò)散距離有限。其突變體類似類似torso突變體。突變體。Developmental Biology5. 5. 卵膜中的母體蛋白決定胚胎卵膜中的母體蛋

7、白決定胚胎D DV V極性極性Developmental Biology Dorsal蛋白蛋白的的VD濃度梯度的形成濃度梯度的形成Developmental Biology6. 6. 卵發(fā)生過程中母體基因產(chǎn)物的合成及分布卵發(fā)生過程中母體基因產(chǎn)物的合成及分布Developmental Biology 卵子發(fā)生過程中某些基因特異性表達(dá)卵子發(fā)生過程中某些基因特異性表達(dá)Developmental Biology 卵母細(xì)胞卵母細(xì)胞A AP P極性的確定極性的確定Developmental Biology 在受精前腹部的卵泡細(xì)在受精前腹部的卵泡細(xì)胞合成胞合成 Pipe、Windbeutel、Nudel，定

8、位在腹部卵外膜，定位在腹部卵外膜上，受精后經(jīng)一系列反應(yīng)，上，受精后經(jīng)一系列反應(yīng)，最終使卵周質(zhì)腹部區(qū)的最終使卵周質(zhì)腹部區(qū)的Dorsal蛋白釋放進(jìn)入核中，蛋白釋放進(jìn)入核中，啟動(dòng)腹部特異性基因的表啟動(dòng)腹部特異性基因的表達(dá)達(dá) 。 卵母細(xì)胞卵母細(xì)胞DV極性的確定極性的確定Developmental Biology三、受精后合子基因的表達(dá)三、受精后合子基因的表達(dá)Developmental Biology 1. Dorsal1. Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因激活腹部合子基因、抑制背部基因 Dorsal 預(yù)置中胚層預(yù)置中胚層twist和和snail 中胚層特異性基因中胚層特異性基因 預(yù)置腹部外胚

9、層預(yù)置腹部外胚層rhomboidVentralized embryos: snail和和twist基因在所有細(xì)胞中都表達(dá)，而基因在所有細(xì)胞中都表達(dá)，而dpp、 tolloid、zerknullt在所有細(xì)胞中都不表達(dá)。在所有細(xì)胞中都不表達(dá)。Dorsalized embryos: 基因表達(dá)狀態(tài)與基因表達(dá)狀態(tài)與ventralized embryos中相反。中相反。Developmental Biology 2. 2. 背部命運(yùn)決定于背部命運(yùn)決定于Decapentaplegic (dpp)Decapentaplegic (dpp) dpp編碼信號蛋白，給胚胎大量注射編碼信號蛋白，給胚胎大量注射dpp

10、mRNA導(dǎo)致外胚導(dǎo)致外胚層全部發(fā)育為羊漿膜，一定的高濃度層全部發(fā)育為羊漿膜，一定的高濃度dpp使腹部外胚層命運(yùn)改使腹部外胚層命運(yùn)改變?yōu)楸巢客馀邔用\(yùn)。變?yōu)楸巢客馀邔用\(yùn)。Dpp濃度梯度形成機(jī)制如下圖：濃度梯度形成機(jī)制如下圖：Developmental Biology3. Gap3. Gap基因的表達(dá)使胚胎沿基因的表達(dá)使胚胎沿APAP軸線區(qū)域化軸線區(qū)域化 Gap基因基因是指那些在受精后最早沿是指那些在受精后最早沿AP軸線呈區(qū)域軸線呈區(qū)域性表達(dá)的合子基因。性表達(dá)的合子基因。 Gap基因的表達(dá)特定：基因的表達(dá)特定：(1). 都編碼轉(zhuǎn)錄因子；都編碼轉(zhuǎn)錄因子；(2). 都在多核胚期開始表達(dá)；都在多核胚期

11、開始表達(dá)；(3). 其產(chǎn)物的半衰期一般較短，僅數(shù)分鐘，因而它們的其產(chǎn)物的半衰期一般較短，僅數(shù)分鐘，因而它們的 擴(kuò)散距離較短；擴(kuò)散距離較短；(4). 其表達(dá)局限在一定的區(qū)域，其突變會(huì)導(dǎo)致胚胎在該其表達(dá)局限在一定的區(qū)域，其突變會(huì)導(dǎo)致胚胎在該 區(qū)域及附近區(qū)域的缺失。區(qū)域及附近區(qū)域的缺失。Developmental BiologyDevelopmental BiologyGAP基因突變體基因突變體Developmental Biology母體母體bicoid蛋白激活合子蛋白激活合子hunchback的表達(dá)，的表達(dá)，hunchback蛋白再為其它蛋白再為其它Gap基因的表達(dá)提供位置信息基因的表達(dá)提供位置

12、信息Developmental Biology轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)證明轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)證明hunchback合子基因的表達(dá)區(qū)域合子基因的表達(dá)區(qū)域Developmental Biology一定濃度的一定濃度的hunchback蛋白激活蛋白激活kuppel基因的表達(dá)，而高濃度的基因的表達(dá)，而高濃度的hunchback則對后者起抑制作用則對后者起抑制作用。Developmental Biology四、四、Pair-rule基因的表達(dá)界定胚胎的類體節(jié)基因的表達(dá)界定胚胎的類體節(jié)1.1.類體節(jié)類體節(jié)(parasegment)(parasegment)由由pair-rulepair-rule基因活性界定基因活性界定 在原腸

13、作用開始后，胚胎表面沿在原腸作用開始后，胚胎表面沿AP軸線出現(xiàn)一些過渡軸線出現(xiàn)一些過渡性的淺溝，將胚胎分為性的淺溝，將胚胎分為14個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域即為個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域即為類體節(jié)。類體節(jié)。 每個(gè)類體節(jié)受一套特定的基因的控制，做為獨(dú)立的發(fā)育每個(gè)類體節(jié)受一套特定的基因的控制，做為獨(dú)立的發(fā)育單位，將逐漸獲得自身特有的特性。單位，將逐漸獲得自身特有的特性。 原腸期后，胚胎沿原腸期后，胚胎沿AP軸線出現(xiàn)有規(guī)則的節(jié)段，即軸線出現(xiàn)有規(guī)則的節(jié)段，即體節(jié)體節(jié)(segments)，每個(gè)體節(jié)有不同的特性及發(fā)育命運(yùn)。，每個(gè)體節(jié)有不同的特性及發(fā)育命運(yùn)。 體節(jié)是在類體節(jié)的基礎(chǔ)上形成的，即體節(jié)是在類體節(jié)的基礎(chǔ)上形成的，即一個(gè)

14、體節(jié)是由前一一個(gè)體節(jié)是由前一個(gè)類體節(jié)的后半部和下一個(gè)類體節(jié)的前半部組成個(gè)類體節(jié)的后半部和下一個(gè)類體節(jié)的前半部組成。Developmental Biology類體節(jié)與體節(jié)的關(guān)系及其發(fā)育命運(yùn)類體節(jié)與體節(jié)的關(guān)系及其發(fā)育命運(yùn)Developmental Biology 類體節(jié)的邊界由類體節(jié)的邊界由pair-rule基因活性決定基因活性決定。它們的表達(dá)特點(diǎn)包括：。它們的表達(dá)特點(diǎn)包括：(1). 每個(gè)基因只在半數(shù)類體節(jié)中表達(dá)，如每個(gè)基因只在半數(shù)類體節(jié)中表達(dá)，如even-skipped在奇數(shù)類體節(jié)在奇數(shù)類體節(jié)(1、3、 5、7、9、11、13)中表達(dá)，而中表達(dá)，而fushi tarazu在偶數(shù)類體節(jié)中表達(dá)。表達(dá)

15、橫在偶數(shù)類體節(jié)中表達(dá)。表達(dá)橫 紋一般只有紋一般只有3個(gè)細(xì)胞寬。個(gè)細(xì)胞寬。(2). 絕大多數(shù)編碼轉(zhuǎn)錄因子，表達(dá)開始于胚胎細(xì)胞化前夕。絕大多數(shù)編碼轉(zhuǎn)錄因子，表達(dá)開始于胚胎細(xì)胞化前夕。eveftzDevelopmental BiologyPair-rule基因的突變導(dǎo)致胚胎缺失相應(yīng)的區(qū)域基因的突變導(dǎo)致胚胎缺失相應(yīng)的區(qū)域Developmental Biology2. Pair-rule2. Pair-rule基因的不同表達(dá)基因的不同表達(dá)橫紋由不同的調(diào)控區(qū)控制橫紋由不同的調(diào)控區(qū)控制Developmental BiologyPair-rulePair-rule基因的每個(gè)表達(dá)橫紋由一組基因的每個(gè)表達(dá)橫紋由一

16、組GapGap轉(zhuǎn)錄因子控制轉(zhuǎn)錄因子控制Pair-rule基因表達(dá)基因表達(dá)的間隔性重復(fù)，的間隔性重復(fù)，無無法通過單一濃度梯法通過單一濃度梯度來控制度來控制，而是由，而是由多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子來控多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子來控制。例如，制。例如， Even-skipped在第三類在第三類體節(jié)中的表達(dá)受體節(jié)中的表達(dá)受bicoid和和hunch-back的激活，而受的激活，而受giant和和kuppel的抑的抑制。制。Developmental BiologyDevelopmental Biology五、體節(jié)極性基因五、體節(jié)極性基因(segment polarity genes)與細(xì)胞譜系的建立與細(xì)胞譜系的建立 體節(jié)極性基

17、因體節(jié)極性基因是指在是指在pair-rule基因表達(dá)之后立即表達(dá)的基因表達(dá)之后立即表達(dá)的基因，基因，它們決定了體節(jié)的邊界和體節(jié)內(nèi)細(xì)胞的命運(yùn)它們決定了體節(jié)的邊界和體節(jié)內(nèi)細(xì)胞的命運(yùn)。這些。這些基因的產(chǎn)物包括擴(kuò)散分子、受體、轉(zhuǎn)錄因子等多種類型?；虻漠a(chǎn)物包括擴(kuò)散分子、受體、轉(zhuǎn)錄因子等多種類型。 類體節(jié)之間或體節(jié)之間均沒有細(xì)胞的相互遷移。類體節(jié)之間或體節(jié)之間均沒有細(xì)胞的相互遷移。Developmental BiologyEngrailed是確定類體節(jié)和體節(jié)邊界的關(guān)鍵基因是確定類體節(jié)和體節(jié)邊界的關(guān)鍵基因，它，它在每個(gè)類體在每個(gè)類體節(jié)的前部表達(dá)節(jié)的前部表達(dá)，占居一行細(xì)胞，從而確定了類體節(jié)的前部邊界。，占居

18、一行細(xì)胞，從而確定了類體節(jié)的前部邊界。體節(jié)出現(xiàn)后，它體節(jié)出現(xiàn)后，它在每個(gè)體節(jié)的后部表達(dá)在每個(gè)體節(jié)的后部表達(dá)，將一個(gè)體節(jié)分成前后兩，將一個(gè)體節(jié)分成前后兩個(gè)區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞不發(fā)生交換，各自有不同的發(fā)育命運(yùn)。個(gè)區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞不發(fā)生交換，各自有不同的發(fā)育命運(yùn)。Developmental BiologyDevelopmental BiologyEngrailed的表達(dá)受高濃度的表達(dá)受高濃度fushi tarazufushi tarazu和和even-skippedeven-skipped的激活的激活Developmental Biology體節(jié)邊界的維持體節(jié)邊界的維持機(jī)制：機(jī)制：pair-

19、rule基基因的表達(dá)時(shí)間較短，因的表達(dá)時(shí)間較短，不足以維持體節(jié)極不足以維持體節(jié)極性基因的長期表達(dá)，性基因的長期表達(dá)，后者必須依賴于另后者必須依賴于另外的機(jī)制。外的機(jī)制。 高濃度高濃度eve或或ftz激活激活eng基因，基因，不表達(dá)不表達(dá)eve和和ftz的區(qū)的區(qū)域表達(dá)域表達(dá)wingless，其后其后Eng和和Wingless間的互作使二者的間的互作使二者的表達(dá)都得以維持，表達(dá)都得以維持，從而使體節(jié)邊界得從而使體節(jié)邊界得到鞏固。到鞏固。Developmental Biology體節(jié)內(nèi)細(xì)胞命運(yùn)的確定體節(jié)內(nèi)細(xì)胞命運(yùn)的確定同一體節(jié)內(nèi)不同區(qū)同一體節(jié)內(nèi)不同區(qū)域的表皮角質(zhì)結(jié)構(gòu)域的表皮角質(zhì)結(jié)構(gòu)有所不同，這可能有

20、所不同，這可能是由是由Hedgehog和和Wingless的梯度分的梯度分布控制，或者由它布控制，或者由它們作用于相鄰細(xì)胞、們作用于相鄰細(xì)胞、逐級傳遞誘導(dǎo)信號。逐級傳遞誘導(dǎo)信號。Developmental Biology六、不同體節(jié)的發(fā)育命運(yùn)決定于六、不同體節(jié)的發(fā)育命運(yùn)決定于 homeotic selector genes Homeotic selector genes是指在體節(jié)邊界建立之后，用是指在體節(jié)邊界建立之后，用來控制每個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)發(fā)育的基因，它們編碼來控制每個(gè)體節(jié)的特征結(jié)構(gòu)發(fā)育的基因，它們編碼homeodomain(含含60aa)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子。 果蠅的絕大多數(shù)果蠅的絕大多數(shù)

21、homeotic selector genes位于第三染色體位于第三染色體上的兩個(gè)區(qū)域，即上的兩個(gè)區(qū)域，即Antennapedia complex和和bithorax complex。它們的表達(dá)區(qū)與其在染色體上的位置相關(guān)，控制。它們的表達(dá)區(qū)與其在染色體上的位置相關(guān)，控制其表達(dá)區(qū)的結(jié)構(gòu)的發(fā)育其表達(dá)區(qū)的結(jié)構(gòu)的發(fā)育(see next slide)。Developmental BiologyDevelopmental BiologyUltrabithorax缺失缺失后，第三胸節(jié)后，第三胸節(jié)(T3)的平衡棒會(huì)象的平衡棒會(huì)象T2 一樣長出一對翅膀一樣長出一對翅膀Homeotic selector genes Homeotic selector genes 突變將突變將改變其表達(dá)區(qū)的結(jié)構(gòu)改變其表達(dá)區(qū)的結(jié)構(gòu)Developmental Biology如果使原來只在如果使原來只在T1表達(dá)的表達(dá)的Antennapedia也在頭部表達(dá)，則也在頭部表達(dá)，則頭窩中長出的不是觸角而是腿。頭窩中長出的不是觸