果蠅胚軸的形成

1、果蠅胚軸的形成現(xiàn)已篩選到與胚胎前后軸和背腹軸形成有關(guān)的約50個(gè)母體效應(yīng)基因（maternal effect gene）和120個(gè)合子基因（zygotic gene）。通過對(duì)這些基因的研究，我們對(duì)果蠅胚軸形成的調(diào)控機(jī)制已有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。在果蠅最初的發(fā)育中，由母體效應(yīng)基因構(gòu)建位置信息的基本網(wǎng)絡(luò)，激活合子基因的表達(dá)，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(jìn)行的。果蠅胚胎和幼蟲沿前-后軸可分為頭節(jié)、3個(gè)胸節(jié)和8個(gè)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(cè)外胚層、中胚層和羊漿膜。早在20 世紀(jì)初，胚胎學(xué)家就注意到很多動(dòng)物定位于受精卵中特定部位的細(xì)胞質(zhì)與胚胎某些特定部位的發(fā)育有關(guān)。果蠅卵前、后極少量細(xì)胞質(zhì)的流失，會(huì)分別造成胚胎缺失頭胸部和腹部結(jié)構(gòu)，其他部位細(xì)胞質(zhì)的少量流失都不會(huì)影響形體模式形成。這說明果蠅卵子前后極的細(xì)胞質(zhì)中含有與果蠅圖式形成有關(guān)的信息。果蠅早期胚軸形成涉及一個(gè)由母體效應(yīng)基因產(chǎn)物構(gòu)成的位置信息網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一定濃度的特異性母源性RNA和蛋白質(zhì)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(yīng)基因與果蠅胚軸形成有關(guān)，其中3組與胚胎前 后軸的決定有關(guān)，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(yīng)基因包括：前端系統(tǒng)（anterior system）決定頭胸部分節(jié)的區(qū)域，后端系統(tǒng)（posterior system）決定分節(jié)的腹部，末端系統(tǒng)（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(tǒng)（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(yīng)基因的mRNA由滋養(yǎng)細(xì)胞合成轉(zhuǎn)運(yùn)至卵子，定位于卵子的一定區(qū)域。這些mRNA編碼轉(zhuǎn)錄因子或翻譯調(diào)控蛋白因子，它們?cè)谑芫罅⒓捶g且分布于整個(gè)合胞體胚盤中，激活或抑制一些合子基因的表達(dá)，調(diào)控果蠅胚軸的形成。這些母體效應(yīng)基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)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(chǎn)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(duì)于調(diào)節(jié)胚胎前 后軸的形成有4個(gè)非常重要的形態(tài)發(fā)生素：BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)調(diào)節(jié)胚胎前端結(jié)構(gòu)的形成，NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)調(diào)節(jié)胚胎后端結(jié)構(gòu)的形成。形態(tài)發(fā)生素調(diào)節(jié)首先表達(dá)的合子基因，即缺口基因（gap gene）的表達(dá)。不同濃度缺口基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物引起成對(duì)控制基因（pair-rule gene）的表達(dá)，形成與前后軸垂直的7條表達(dá)帶。成對(duì)控制基因蛋白質(zhì)產(chǎn)物激活體節(jié)極性基因（segment polarity gene）的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)一步將胚胎劃

5、分為14個(gè)體節(jié)。缺口基因、成對(duì)控制基因以及體節(jié)極性基因共同調(diào)節(jié)同源異型基因（homeotic gene）的表達(dá)，決定每個(gè)體節(jié)的發(fā)育命運(yùn)。2. 前端組織中心 BICOID（BCD）蛋白濃度梯度前端系統(tǒng)至少包括4個(gè)主要基因，其中bicoid（bcd）基因?qū)τ谇岸私Y(jié)構(gòu)的決定起關(guān)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(yīng)基因，其mRNA由滋養(yǎng)細(xì)胞合成，后轉(zhuǎn)運(yùn)至卵子并定位于預(yù)定胚胎的前極。exuperantia、swallow和staufen基因與bcd mRNA的定位有關(guān)。bcd mRNA 3末端非翻譯區(qū)中含有與其定位有關(guān)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(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。另一母體效應(yīng)基因hunchback（hb）是其靶基因之一, 控制胚胎胸部及頭部部分結(jié)構(gòu)的發(fā)育。hb在合胞體胚盤階段開始翻譯，表達(dá)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(dá)受BCD蛋白濃度梯度的控制，只有BCD蛋白的濃度達(dá)到一定臨界值才能啟動(dòng)hb基因的表達(dá)。不同靶基因的啟動(dòng)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(shí)特異性地啟動(dòng)不同基因的表達(dá)，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(tǒng)包括約10個(gè)基因，這些基因的突變都會(huì)導(dǎo)致胚胎腹部的缺失。在這一系統(tǒng)中起核心作用的是nanos（nos）基因。后端系統(tǒng)在控制圖式形成中起的作用與前端系統(tǒng)有相似之處，但發(fā)揮作用的方式與前端系統(tǒng)不同。后端系統(tǒng)并不像BCD蛋白那樣起指導(dǎo)性的作用，不能直接調(diào)節(jié)合子基因的表達(dá)，而是通過抑制一種轉(zhuǎn)錄因子的翻譯來進(jìn)行調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)錄的母體效應(yīng)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(dá)。結(jié)果HB蛋白的分布區(qū)域只位于胚胎前半部分。NOS對(duì)hb和bcd基因表達(dá)的抑制作用是在翻譯水平上進(jìn)行的。另一個(gè)重要的母源性產(chǎn)物caudal（cdl）mRNA最初也是均勻分布于整個(gè)卵質(zhì)內(nèi)，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(dǎo)致腹部體節(jié)發(fā)育不正常。4. 末端系統(tǒng)：TORSO信號(hào)途徑末端系統(tǒng)包括約9個(gè)母體效應(yīng)

9、基因。這個(gè)系統(tǒng)基因的失活會(huì)導(dǎo)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(tǒng)中起關(guān)鍵作用的是torso（tor）基因。如果前端和后端系統(tǒng)都失活，果蠅胚胎仍可產(chǎn)生某些前后圖式，形成具有兩個(gè)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(gè)合胞體胚胎的表面表達(dá)。其NH2基端位于細(xì)胞膜外，COOH基端位于細(xì)胞膜內(nèi)。當(dāng)胚胎前、后端細(xì)胞外存在某種信號(hào)分子（配體）時(shí)可使TOR特異性活化，最終導(dǎo)致胚胎前、后末端細(xì)胞命運(yùn)的特化。torso-like （tsl）基因可能編碼這一配體。TOR與配體結(jié)合后，引起自身磷酸化，經(jīng)一系列信號(hào)傳遞

10、，最終激活合子靶基因的表達(dá)。在卵子發(fā)生過程中，tsl在卵子前極的邊緣細(xì)胞和卵室后端的極性濾泡細(xì)胞中表達(dá)。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(huì)擴(kuò)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(tǒng)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(guān)的4組母體效應(yīng)基因中，背腹系統(tǒng)最為復(fù)雜，涉及約20個(gè)基因。其中dorsal（dl）等基因的突變會(huì)導(dǎo)致胚胎背部化，即產(chǎn)生具有背部結(jié)構(gòu)而沒有腹部結(jié)構(gòu)的胚胎。與此相反，cactus等基因的突變則引起胚胎腹部化，產(chǎn)生只具有腹部結(jié)構(gòu)的胚胎。背腹系統(tǒng)的

11、作用方式與末端系統(tǒng)有相似之處。通過一種局部分布的信號(hào)分子，即定位于卵子腹側(cè)卵黃膜上的配體激活分布于腹側(cè)卵黃膜上的受體，進(jìn)而調(diào)節(jié)合子基因的表達(dá)。背-腹系統(tǒng)對(duì)合子靶基因表達(dá)的調(diào)節(jié)方式與前端系統(tǒng)相似，通過一種轉(zhuǎn)錄因子的濃度梯度來完成。但背腹系統(tǒng)濃度梯度形成的方式卻與前端系統(tǒng)完全不同。dl基因是這一信號(hào)傳導(dǎo)途徑的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，它編碼一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。dl mRNA和DL蛋白在卵子中是均勻分布。當(dāng)胚胎發(fā)育到第9次細(xì)胞核分裂之后，細(xì)胞核遷移到達(dá)合胞體胚盤的外周皮質(zhì)層，在腹側(cè)的DL蛋白開始往核內(nèi)聚集，但背側(cè)的DL蛋白仍位于胞質(zhì)中。從而，使DL蛋白在細(xì)胞核內(nèi)的分布沿背腹軸形成一種濃度梯度。toll基因在這一系

12、統(tǒng)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(chǎn)物，是sptzle基因編碼蛋白的裂解片段。Sptzle蛋白由卵室腹側(cè)的特異性濾泡細(xì)胞產(chǎn)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(jié)合并使之活化，進(jìn)而激發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，最終使CACTUS蛋白降解，DL蛋白釋放進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞核。DL蛋白的濃度梯度通過對(duì)下游靶基因的調(diào)控，控制沿背-腹軸產(chǎn)生區(qū)域特異性的位置信息。這種濃度梯度在腹側(cè)組織中可活化合子基因twist （twi）和snail （sna）的表達(dá)，同時(shí)抑制dpp和zen基因的表達(dá)，進(jìn)而指導(dǎo)腹部結(jié)構(gòu)的發(fā)育。dpp和zen基因在胚胎背側(cè)表達(dá)，指

13、導(dǎo)背部結(jié)構(gòu)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(fù)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(jù)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(duì)控制基因和體節(jié)極性基因，這三類基因的調(diào)控是逐級(jí)進(jìn)行的。首先由母體效應(yīng)基因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之間互相調(diào)節(jié)彼此的轉(zhuǎn)錄且共同調(diào)節(jié)成對(duì)控制基因的表達(dá)，然后成對(duì)控制基因之間相互作用，把胚體分隔成為一系列重復(fù)的體節(jié)，并且進(jìn)一步控制體節(jié)極性基因的表達(dá)。所以，胚盤末期的每一個(gè)體節(jié)原基都具有其獨(dú)特基因表達(dá)的組合，從而決定每個(gè)體節(jié)的特征。缺口基因（gap gene）的表達(dá)區(qū)域?yàn)橐恍┹^寬

14、的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的寬度約相當(dāng)于3個(gè)體節(jié)，表達(dá)區(qū)之間可有部分重疊。當(dāng)缺口基因突變時(shí)胚胎缺失相應(yīng)的區(qū)域。缺口基因直接受母體效應(yīng)基因的調(diào)控。 缺口基因最初通常在整個(gè)胚胎中都有較弱的表達(dá)，然后隨著卵裂的進(jìn)行逐漸變成一些不連續(xù)的區(qū)域。缺口基因的表達(dá)最初由母體效應(yīng)基因啟動(dòng)，其表達(dá)圖式的維持可能依賴于缺口基因之間的相互作用。成對(duì)控制基因（pair-rule gene)的表達(dá)區(qū)域以兩個(gè)體節(jié)為單位且具有周期性，在相互間隔的一個(gè)副體節(jié)中表達(dá)。這些基因的功能是把缺口基因確定的區(qū)域進(jìn)一步分成體節(jié)。 成對(duì)控制基因的表達(dá)是胚胎出現(xiàn)分節(jié)的最早標(biāo)志，它們?cè)诩?xì)胞化胚盤期第13次核分裂時(shí)表達(dá)。表達(dá)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(yù)定體節(jié)。有三個(gè)基因直接受到缺口基因的調(diào)控，即hairy、even-skipped（eve）和runt基因，稱為初級(jí)成對(duì)控制基因。缺口基因可以識(shí)別初級(jí)成對(duì)控制基因的啟動(dòng)子。關(guān)于缺口基因的作用方式還不是很清楚。有些證據(jù)表明缺口蛋白對(duì)成對(duì)控制基因表達(dá)起抑制作用，但也有實(shí)驗(yàn)表明缺口基因既可以在一定的帶區(qū)活化基因表達(dá)，又可同時(shí)抑制其他表達(dá)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(xì)胞中表達(dá)。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(xì)胞中表達(dá)，

16、而后者在每一副體節(jié)的最后一列細(xì)胞中表達(dá)；這兩個(gè)基因的表達(dá)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(gè)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(gòu)成。在體節(jié)界限確定之后每個(gè)體節(jié)的結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步特化，此過程由主調(diào)節(jié)基因（master regulatory gene）或稱為同源異型選擇者基因調(diào)控完成。同源異型選擇者基因的突變或異位表達(dá)可引起同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（homeotic transformation）。同源異型選擇者基因表達(dá)圖式的建立受成對(duì)控制基因和缺口基因的調(diào)控。果蠅大部分同源異型選擇者基因位于3號(hào)染色體相鄰的兩個(gè)區(qū)域，其一為觸角足復(fù)合體Antp-C，另一個(gè)為雙胸復(fù)合體BX-C，二者統(tǒng)稱同源異型復(fù)合體HOM-C。HOM- C基因的結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，有的基因有多個(gè)啟動(dòng)子和多個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。 其另一個(gè)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(tǒng)稱為同源異型框基因（homeobox gene）。由同源異型框編