發(fā)育生物學(xué) 第四章 果蠅胚胎早期發(fā)育的分子基礎(chǔ)

第四章果蠅胚胎早期

發(fā)育的分子基礎(chǔ)一、果蠅胚胎發(fā)育概況二、胚胎軀體軸線的建立由母體基因決定母體基因產(chǎn)物量或活性形成空間分布上的差異，在A－P和D－V軸線的不同區(qū)域激活不同的基因，使不同區(qū)域的基因活性譜不同而出現(xiàn)分化。1.A－P軸線由三類母體基因控制：突變鑒定

anteriorclass,posteriorclass,terminalclass.2.Bicoid基因提供A－P軸線形態(tài)素梯度Bicoid編碼一種轉(zhuǎn)錄因子。其突變體缺失頭胸結(jié)構(gòu)，原頭區(qū)由尾區(qū)取代。Bicoid

mRNA和蛋白質(zhì)的分布在未受精卵中，bicoidmRNA定位在胞質(zhì)前端；其受精后翻譯出的蛋白質(zhì)沿AP軸擴(kuò)散，形成濃度梯度，為胚胎的后續(xù)分化提供位置信息。Bicoid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)。其它的前區(qū)母體基因主要涉及bicoidmRNA在未受精卵中的定位及控制其翻譯。3.Nanos和Caudal蛋白梯度控制后區(qū)結(jié)構(gòu)

Nanos決定后部區(qū)的發(fā)育，它在受精后形成P－A濃度梯度，其作用是與hunchbackmRNA結(jié)合，阻止后者在后區(qū)的翻譯，幫助形成Hunchback蛋白梯度。

nanosNanos控制hunchbackmRNA翻譯的機(jī)制A－P軸線形成模式Hunchback：母體mRNA在卵中均勻分布，受精后前區(qū)高濃度的Bicoid蛋白激活合子hunchback基因的表達(dá)，從而幫助形成hunchback蛋白濃度梯度。

Caudal:母體mRNA在卵中均勻分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前區(qū)的表達(dá)，因而Caudal蛋白形成類似于nanos的濃度梯度。4.卵膜表面受體的激活決定胚胎AP軸的兩個(gè)端點(diǎn)

torso突變體缺少原頭區(qū)和尾區(qū)，torso蛋白為酪氨酸激酶類受體。

未受精前，torso已均勻地分布在卵的質(zhì)膜上。但其腺體torsolike定位在兩端的卵外膜(vitellinemembrane)上，不能與torso結(jié)合。

受精時(shí)，torsolike得以釋放，torsolike與torso結(jié)合,torso活化，啟動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)。

Torsolike蛋白的存在量很低，受精后其擴(kuò)散距離有限。其突變體類似torso突變體。5.卵膜中的母體蛋白決定胚胎D－V極性

Dorsal蛋白的V－D濃度梯度的形成6.卵發(fā)生過程中母體基因產(chǎn)物的合成及分布

卵子發(fā)生過程中某些基因特異性表達(dá)

卵母細(xì)胞A－P極性的確定在受精前腹部的卵泡細(xì)胞合成Pipe、Windbeutel、Nudel，定位在腹部卵外膜上，受精后經(jīng)一系列反應(yīng)，最終使卵周質(zhì)腹部區(qū)的Dorsal蛋白釋放進(jìn)入核中，啟動(dòng)腹部特異性基因的表達(dá)。

卵母細(xì)胞D－V極性的確定三、受精后合子基因的表達(dá)

1.Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因

Dorsal

預(yù)置中胚層twist和snail中胚層特異性基因

預(yù)置腹部外胚層rhomboid

Ventralizedembryos:snail和twist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)。

Dorsalizedembryos:

基因表達(dá)狀態(tài)與ventralizedembryos中相反。

2.背部命運(yùn)決定于Decapentaplegic(dpp)

dpp編碼信號(hào)蛋白，給胚胎大量注射dppmRNA導(dǎo)致外胚層全部發(fā)育為羊漿膜，一定的高濃度dpp使腹部外胚層命運(yùn)改變?yōu)楸巢客馀邔用\(yùn)。Dpp濃度梯度形成機(jī)制如下圖：3.Gap基因的表達(dá)使胚胎沿AP軸線區(qū)域化

Gap基因是指那些在受精后最早沿AP軸線呈區(qū)域性表達(dá)的合子基因。

Gap基因的表達(dá)特定：

(1).都編碼轉(zhuǎn)錄因子；

(2).都在多核胚期開始表達(dá)；

(3).其產(chǎn)物的半衰期一般較短，僅數(shù)分鐘，因而它們的

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

區(qū)域及附近區(qū)域的缺失。GAP基因突變體母體bicoid蛋白激活合子hunchback的表達(dá)，hunchback蛋白再為其它Gap基因的表達(dá)提供位置信息轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)證明hunchback合子基因的表達(dá)區(qū)域一定濃度的hunchback蛋白激活kuppel基因的表達(dá)，而高濃度的hunchback則對(duì)后者起抑制作用。四、Pair-rule基因的表達(dá)界定胚胎的類體節(jié)1.類體節(jié)(parasegment)由pair-rule基因活性界定

在原腸作用開始后，胚胎表面沿AP軸線出現(xiàn)一些過渡性的淺溝，將胚胎分為14個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域即為類體節(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)育單位，將逐漸獲得自身特有的特性。

原腸期后，胚胎沿AP軸線出現(xiàn)有規(guī)則的節(jié)段，即體節(jié)(segments)，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。類體節(jié)與體節(jié)的關(guān)系及其發(fā)育命運(yùn)

類體節(jié)的邊界由pair-rule基因活性決定。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even-skipped在奇數(shù)類體節(jié)(1、3、

5、7、9、11、13)中表達(dá)，而fushitarazu在偶數(shù)類體節(jié)中表達(dá)。表達(dá)橫

紋一般只有3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。eveftzPair-rule基因的突變導(dǎo)致胚胎缺失相應(yīng)的區(qū)域2.Pair-rule基因的不同表達(dá)橫紋由不同的調(diào)控區(qū)控制Pair-rule基因的每個(gè)表達(dá)橫紋由一組Gap轉(zhuǎn)錄因子控制Pair-rule基因表達(dá)的間隔性重復(fù)，無法通過單一濃度梯度來控制，而是由多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子來控制。例如，Even-skipped在第三類體節(jié)中的表達(dá)受bicoid和hunch-back的激活，而受giant和kuppel的抑制。五、體節(jié)極性基因(segmentpolaritygenes)與細(xì)胞譜系的建立

體節(jié)極性基因是指在pair-rule基因表達(dá)之后立即表達(dá)的基因，它們決定了體節(jié)的邊界和體節(jié)內(nèi)細(xì)胞的命運(yùn)。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。

類體節(jié)之間或體節(jié)之間均沒有細(xì)胞的相互遷移。Engrailed是確定類體節(jié)和體節(jié)邊界的關(guān)鍵基因，它在每個(gè)類體節(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。體節(jié)出現(xiàn)后，它在每個(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)。Engrailed的表達(dá)受高濃度fushitarazu和even-s