果蠅胚軸的形成

1、果蠅胚軸的形成現已篩選到與胚胎前后軸和背腹軸形成有關的約50個母體效應基因（maternal effect gene）和120個合子基因（zygotic gene）。通過對這些基因的研究，我們對果蠅胚軸形成的調控機制已有了一個較為清晰的認識。在果蠅最初的發(fā)育中，由母體效應基因構建位置信息的基本網絡，激活合子基因的表達，控制果蠅形體模式的建立。一、果蠅胚胎的極性果蠅的卵、胚胎、幼蟲和成體都具有明確的前-后軸和背-腹軸。果蠅形體模式的形成是沿前-后軸和背-腹軸進行的。果蠅胚胎和幼蟲沿前-后軸可分為頭節(jié)、3個胸節(jié)和8個腹節(jié)，兩末端又分化出前面的原頭（acron）和尾端的尾節(jié)（telson）；沿背腹軸

2、分化為背部外胚層、腹側外胚層、中胚層和羊漿膜。早在20 世紀初，胚胎學家就注意到很多動物定位于受精卵中特定部位的細胞質與胚胎某些特定部位的發(fā)育有關。果蠅卵前、后極少量細胞質的流失，會分別造成胚胎缺失頭胸部和腹部結構，其他部位細胞質的少量流失都不會影響形體模式形成。這說明果蠅卵子前后極的細胞質中含有與果蠅圖式形成有關的信息。果蠅早期胚軸形成涉及一個由母體效應基因產物構成的位置信息網絡。在這個網絡中，一定濃度的特異性母源性RNA和蛋白質沿前 后軸和背 腹軸的不同區(qū)域分布，以激活胚胎基因組的程序。有4組母體效應基因與果蠅胚軸形成有關，其中3組與胚胎前 后軸的決定有關，另一組基因決定胚胎的背腹軸。決定

3、前后軸的3組母體效應基因包括：前端系統（anterior system）決定頭胸部分節(jié)的區(qū)域，后端系統（posterior system）決定分節(jié)的腹部，末端系統（terminal system）決定胚胎兩端不分節(jié)的原頭區(qū)和尾節(jié)。另一組基因即背腹系統（dorsoventral system），決定胚胎的背 腹軸。在卵子發(fā)生過程中，這些母體效應基因的mRNA由滋養(yǎng)細胞合成轉運至卵子，定位于卵子的一定區(qū)域。這些mRNA編碼轉錄因子或翻譯調控蛋白因子，它們在受精后立即翻譯且分布于整個合胞體胚盤中，激活或抑制一些合子基因的表達，調控果蠅胚軸的形成。這些母體效應基因的蛋白質產物又稱為形態(tài)發(fā)生素（morp

4、hogen）。二、果蠅前 后軸的形成1. 果蠅前后極性的產生果蠅的胚胎，幼蟲、成體的前后極性均來源于卵子的極性。對于調節(jié)胚胎前 后軸的形成有4個非常重要的形態(tài)發(fā)生素：BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)調節(jié)胚胎前端結構的形成，NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)調節(jié)胚胎后端結構的形成。形態(tài)發(fā)生素調節(jié)首先表達的合子基因，即缺口基因（gap gene）的表達。不同濃度缺口基因的蛋白質產物引起成對控制基因（pair-rule gene）的表達，形成與前后軸垂直的7條表達帶。成對控制基因蛋白質產物激活體節(jié)極性基因（segment polarity gene）的轉錄，進一步將胚胎劃

5、分為14個體節(jié)。缺口基因、成對控制基因以及體節(jié)極性基因共同調節(jié)同源異型基因（homeotic gene）的表達，決定每個體節(jié)的發(fā)育命運。2. 前端組織中心 BICOID（BCD）蛋白濃度梯度前端系統至少包括4個主要基因，其中bicoid（bcd）基因對于前端結構的決定起關鍵的作用。BCD具有組織和決定胚胎極性與空間圖式的功能。 bcd是一種母體效應基因，其mRNA由滋養(yǎng)細胞合成，后轉運至卵子并定位于預定胚胎的前極。exuperantia、swallow和staufen基因與bcd mRNA的定位有關。bcd mRNA 3末端非翻譯區(qū)中含有與其定位有關的序列。受精后bcd mRNA迅速翻譯，BC

6、D蛋白在前端累積并向后端彌散，形成從前向后穩(wěn)定的濃度梯度，主要覆蓋胚胎前2/3區(qū)域。bcd 基因編碼的BCD蛋白是一種轉錄調節(jié)因子。另一母體效應基因hunchback（hb）是其靶基因之一, 控制胚胎胸部及頭部部分結構的發(fā)育。hb在合胞體胚盤階段開始翻譯，表達區(qū)域主要位于胚胎前部，HB蛋白從前向后也形成一種濃度梯度。hb基因的表達受BCD蛋白濃度梯度的控制，只有BCD蛋白的濃度達到一定臨界值才能啟動hb基因的表達。不同靶基因的啟動子與BCD蛋白具有不同的親和力，BCD蛋白的濃度梯度可以同時特異性地啟動不同基因的表達，從而將胚胎劃分為不同的區(qū)域。btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶

7、基因。3. 后端組織中心：NANOS蛋白和CAUDAL蛋白濃度梯度后端系統包括約10個基因，這些基因的突變都會導致胚胎腹部的缺失。在這一系統中起核心作用的是nanos（nos）基因。后端系統在控制圖式形成中起的作用與前端系統有相似之處，但發(fā)揮作用的方式與前端系統不同。后端系統并不像BCD蛋白那樣起指導性的作用，不能直接調節(jié)合子基因的表達，而是通過抑制一種轉錄因子的翻譯來進行調節(jié)。在果蠅卵子發(fā)生過程中，nos mRNA定位于卵子后極。nos基因的編碼產物NANOS（NOS）蛋白活性從后向前彌散形成一種濃度梯度。NOS蛋白的功能是在胚胎后端區(qū)域抑制母性hb mRNA的翻譯。hb基因是在卵子發(fā)生過程

8、中轉錄的母體效應基因，hb mRNA在卵子中是均勻分布的。在卵裂階段HB蛋白開始合成。分布在胚胎后部的hb mRNA的翻譯被NOS的濃度梯度所抑制，而在前部BCD蛋白濃度梯度可以激活合子hb基因的表達。結果HB蛋白的分布區(qū)域只位于胚胎前半部分。NOS對hb和bcd基因表達的抑制作用是在翻譯水平上進行的。另一個重要的母源性產物caudal（cdl）mRNA最初也是均勻分布于整個卵質內，BCD能抑制cdl mRNA的翻譯。在BCD活性從前到后降低的濃度梯度作用下形成CDL蛋白從后到前降低的濃度梯度。cdl基因的突變導致腹部體節(jié)發(fā)育不正常。4. 末端系統：TORSO信號途徑末端系統包括約9個母體效應

9、基因。這個系統基因的失活會導致胚胎不分節(jié)的部分，即前端原頭區(qū)和后端尾節(jié)，缺失。在這一系統中起關鍵作用的是torso（tor）基因。如果前端和后端系統都失活，果蠅胚胎仍可產生某些前后圖式，形成具有兩個尾節(jié)的胚胎。tor基因編碼一種跨膜酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinase，RTK），在整個合胞體胚胎的表面表達。其NH2基端位于細胞膜外，COOH基端位于細胞膜內。當胚胎前、后端細胞外存在某種信號分子（配體）時可使TOR特異性活化，最終導致胚胎前、后末端細胞命運的特化。torso-like （tsl）基因可能編碼這一配體。TOR與配體結合后，引起自身磷酸化，經一系列信號傳遞

10、，最終激活合子靶基因的表達。在卵子發(fā)生過程中，tsl在卵子前極的邊緣細胞和卵室后端的極性濾泡細胞中表達。TSL蛋白被釋放到卵子兩極處的卵周隙中，由于TOR蛋白過量，TSL不會擴散末端區(qū)以外，從而保證tor基因只在末端區(qū)被活化。除TSL外，末端系統所需要的其他成分如trk、fssDN和fssDph在胚胎中都是均勻分布的。三、果蠅背 腹軸的形成與果蠅胚軸形成有關的4組母體效應基因中，背腹系統最為復雜，涉及約20個基因。其中dorsal（dl）等基因的突變會導致胚胎背部化，即產生具有背部結構而沒有腹部結構的胚胎。與此相反，cactus等基因的突變則引起胚胎腹部化，產生只具有腹部結構的胚胎。背腹系統的

11、作用方式與末端系統有相似之處。通過一種局部分布的信號分子，即定位于卵子腹側卵黃膜上的配體激活分布于腹側卵黃膜上的受體，進而調節(jié)合子基因的表達。背-腹系統對合子靶基因表達的調節(jié)方式與前端系統相似，通過一種轉錄因子的濃度梯度來完成。但背腹系統濃度梯度形成的方式卻與前端系統完全不同。dl基因是這一信號傳導途徑的最后一個環(huán)節(jié)，它編碼一種轉錄調節(jié)因子。dl mRNA和DL蛋白在卵子中是均勻分布。當胚胎發(fā)育到第9次細胞核分裂之后，細胞核遷移到達合胞體胚盤的外周皮質層，在腹側的DL蛋白開始往核內聚集，但背側的DL蛋白仍位于胞質中。從而，使DL蛋白在細胞核內的分布沿背腹軸形成一種濃度梯度。toll基因在這一系

12、統中具有及其重要的作用。TOLL是一種跨膜受體蛋白，其配體分子也是母源性產物，是sptzle基因編碼蛋白的裂解片段。Sptzle蛋白由卵室腹側的特異性濾泡細胞產生，在胚胎發(fā)育的早期被釋放定位于卵周隙中。 Sptzle蛋白與DL受體結合并使之活化，進而激發(fā)一系列細胞內信號傳導，最終使CACTUS蛋白降解，DL蛋白釋放進而進入細胞核。DL蛋白的濃度梯度通過對下游靶基因的調控，控制沿背-腹軸產生區(qū)域特異性的位置信息。這種濃度梯度在腹側組織中可活化合子基因twist （twi）和snail （sna）的表達，同時抑制dpp和zen基因的表達，進而指導腹部結構的發(fā)育。dpp和zen基因在胚胎背側表達，指

13、導背部結構的發(fā)育。四、分節(jié)基因與胚胎體節(jié)的形成分節(jié)基因的功能是把早期胚胎沿前 后軸分為一系列重復的體節(jié)原基。分節(jié)基因的突變可使胚胎缺失某些體節(jié)或體節(jié)的某些部分。根據分節(jié)基因的突變表型及作用方式可分為三類：缺口基因、成對控制基因和體節(jié)極性基因，這三類基因的調控是逐級進行的。首先由母體效應基因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之間互相調節(jié)彼此的轉錄且共同調節(jié)成對控制基因的表達，然后成對控制基因之間相互作用，把胚體分隔成為一系列重復的體節(jié)，并且進一步控制體節(jié)極性基因的表達。所以，胚盤末期的每一個體節(jié)原基都具有其獨特基因表達的組合，從而決定每個體節(jié)的特征。缺口基因（gap gene）的表達區(qū)域為一些較寬

14、的區(qū)域，每個區(qū)域的寬度約相當于3個體節(jié)，表達區(qū)之間可有部分重疊。當缺口基因突變時胚胎缺失相應的區(qū)域。缺口基因直接受母體效應基因的調控。 缺口基因最初通常在整個胚胎中都有較弱的表達，然后隨著卵裂的進行逐漸變成一些不連續(xù)的區(qū)域。缺口基因的表達最初由母體效應基因啟動，其表達圖式的維持可能依賴于缺口基因之間的相互作用。成對控制基因（pair-rule gene)的表達區(qū)域以兩個體節(jié)為單位且具有周期性，在相互間隔的一個副體節(jié)中表達。這些基因的功能是把缺口基因確定的區(qū)域進一步分成體節(jié)。 成對控制基因的表達是胚胎出現分節(jié)的最早標志，它們在細胞化胚盤期第13次核分裂時表達。表達圖式沿前后軸形成一系列斑馬紋狀的

15、條帶，將胚胎分為預定體節(jié)。有三個基因直接受到缺口基因的調控，即hairy、even-skipped（eve）和runt基因，稱為初級成對控制基因。缺口基因可以識別初級成對控制基因的啟動子。關于缺口基因的作用方式還不是很清楚。有些證據表明缺口蛋白對成對控制基因表達起抑制作用，但也有實驗表明缺口基因既可以在一定的帶區(qū)活化基因表達，又可同時抑制其他表達帶區(qū)的形成。體節(jié)極性基因（segment polarity gene）在每一體節(jié)的特定區(qū)域細胞中表達。engrailed（en）、hedgehog （hh）和wingless（wg）基因是最重要的體節(jié)極性基因。前兩者在每一副體節(jié)最前端的一列細胞中表達，

16、而后者在每一副體節(jié)的最后一列細胞中表達；這兩個基因的表達界限正好確立了副體節(jié)的界線。果蠅晚期胚胎和幼體的每個體節(jié)由前一副體節(jié)的后區(qū)和后一副體節(jié)的前區(qū)構成。在體節(jié)界限確定之后每個體節(jié)的結構被進一步特化，此過程由主調節(jié)基因（master regulatory gene）或稱為同源異型選擇者基因調控完成。同源異型選擇者基因的突變或異位表達可引起同源轉化現象（homeotic transformation）。同源異型選擇者基因表達圖式的建立受成對控制基因和缺口基因的調控。果蠅大部分同源異型選擇者基因位于3號染色體相鄰的兩個區(qū)域，其一為觸角足復合體Antp-C，另一個為雙胸復合體BX-C，二者統稱同源異型復合體HOM-C。HOM- C基因的結構是十分復雜的，有的基因有多個啟動子和多個轉錄起始位點。 其另一個重要特征是都含有一段的保守序列，稱為同源異型框（homeobox）。含有同源異型框的基因統稱為同源異型框基因（homeobox gene）。由同源異型框編