早胚发育ppt课件

早胚发育的细胞生物学 为研究早胚发育提供一些构思框架 均为涉及发育通性的内容 人胚胎发生 Embryogenesis 从受精到出生后历时约38周前8周为胚胎 Embryos 受精卵 二胚层胚盘形成 2周末 三胚层胚盘形成 进一步形成各组织 器官 系统以及初具雏形的胎儿 后30周为胎儿 Fetus 逐渐长大 各器官 系统的发育逐渐完善并出现功能活动 Embryodevelopment Preimplantation A lateblastocyst B shortlyafterimplantation C slightlylaterthanthe B About9to10daysfertilizationage About13daysfertilizationage Schemeillustratingtheoriginandderivativesoftissue Blastocyst Embryonicectoderm Embryonicendoderm 历史回顾 早在十九世纪初 人们已意识到生命有机体是由细胞组成的 发育期间的许多新生的细胞都是来自卵裂的产物 并由这些产物形成一些新型的细胞 这就否定了过去的先成论者 preformation 的论点 即认为胚胎预先存在于动植物的配子中 而是支持渐成论 epigenesis 的论点 即从受精卵渐进发育而来的 Aristotle 384 322B C 研究人体从何而来 无果 Galen 130 200A D 肉眼观察 收效甚微 Graaf 1672 卵巢 卵泡肉眼观察 Hamm Leeuwenhoek 1677 开始意识到雌雄配子 gametes 在发育中的价值 就此出现了 Thespermists Theovists 两大阵营 Somepreformationistsbelievedthatanhomunculuswascurledupintheheadofeachsperm 一些先成论者相信 在每一个精子头部存在卷曲的侏儒型人体 Animaginativedrawing afterNicholasHartsoeker 1694 Bonnet 1745 发现某些昆虫卵能孤雌生殖发育 使Ovists阵营占上风 Spallanzani 1729 1799 意大利神父 指出在正常情况下 雄性和雌性产物对发育的启动是必需的 Wolff 1733 1794 德国生物学家 提出涉及epigenesis的新论点 即认为胚胎发育是通过渐进重塑 remoeling 和生长来实现的 本论点的提出致使一些陈旧的学说均遭抛弃 Vonbaer 1828 首次强调在发育过程中 任何类型动物具通性的基础特征 basicfeatures 均于发育早期呈现 该观点有时被称作 Vonbaer slaw 他还提出在胚胎中存在胚层 germlayers 就其存在的真正意义仍不清楚 Weismann 1834 1914 assumedthattherewerefactorsinthenucleusthatweredistributedasymmetricallytodaughtercellsduringcleavageanddirectedtheirfuturedevelopment 魏斯曼假定 核内有一些因子 它们会在卵裂过程中不均一的分配进子细胞 并指导决定后者的发育方向 Weismann stheoryofnucleardetermination 首次将体细胞系 somaticcelllines 和生殖细胞系 germcelllines 区别开 他认为生殖细胞系对确保种系的永存是必需的 而体细胞是维护和保存种质 germplasm 的主要载体 就今天来看 该观点显得不够全面 但无论如何提及到生殖细胞系在维持种系生命中的重要性 Roux 1850 1924 hisexperimenttoinvestigateWeismann stheoryofmosaicdevelopment 经过第一次卵裂后的蛙胚胎一分为二 用热针将其中一个烫死 保留另一个 待发育到囊胚阶段 可以看出 在胚胎的正常未受损侧细胞 正常分裂为多细胞 其发育仅限于未受损的半侧 而受损的半侧无细胞形成 在神经胚阶段 未受损细胞发育成类似于正常的半胚胎 从而似乎支持了Weismann的镶嵌型发育学说 Driesch不久在海胆卵上重复 类似 Roux的实验 却获得完全不同的结果 通过分离2细胞期海胆早胚的两个卵裂球 发现单个卵裂球亦能发育为一个完整的正常幼体 唯体型小些 他首次提出发育从属一种调控现象 phenomenonofregulation Spemann Mangold 1924 取蝾螈原肠胚的胚孔背唇 红色 移植至另一品种带色素的蝾螈原肠胚的胚孔对侧部位 结果移植块将带色素的寄主组织诱导出新的含神经管和体节的体轴 他们将该背唇的组织者 organizer 区称作Spemannorganizer Johannsen 1909 首先提出有助于将遗传学与胚胎学联系起来的重要观点 即基因型 genotype 与表型 phenotype 的区别 基因型相同的双生子之间 可因一些非遗传因素而出现表观上的差异 20世纪40年代 基因编码蛋白的发现进一步有助揭示细胞性状与其所含蛋白的关系 证明基因具控制发育期间细胞组分和行为的作用 60年代 意识到某些基因编码的蛋白能控制其它基因的活性 第一个发育相关基因是通过自发突变 spontaneousmutation 鉴定出来的 因变异导致功能混乱并由此产生异常的表型 突变类型 隐性突变 Recessivemutation 只有在homozygous状态下才显示 只有在heterozygous状态下不显示 半显性突变 Semi dominantmutation 以Brachyury基因为例 在homozygous状态下 致死 胚胎 在heterozygous状态下 尾巴短小 小鼠半显性突变Brachyury T 的遗传谱 最近 一类与发育相关的新基因被发现 它们不编码蛋白质而是编码一段特殊的短RNA 称为小RNA microRNAs miRNAs 它们通过阻止特定的一些mRNA转录本的翻译来调节基因表达 这种天然的 基因表达 沉默模式与小分子干扰RNA的RNA干扰模式类似 尽管在加工机器上有一些交叉重叠 但是miRNAs仍然是作为一种独特的现象出现的 microRNAs首次是在线虫中发现的 是基因let 7 和lin 4的产物 它们控制着发育的时相 在线虫 nematodes 中 也发现一些其它miRNA已在发育中的作用 在果蝇中 miRNA的bantam具抑制细胞凋亡的作用 现在已经有证据表明有多达1 的人类基因编码miRNA 其中一些人类miRNA的调节作用正在被揭示 初级miRNA primarymiRNA 具几百个核苷酸的长度 包含成熟miRNA具备的一段反向重复序列 经过核内的初步加工后 该转录本自身回折形成一个双链RNA发夹结构 即前miRNA pre miRNA 这种前miRNA将被运送到胞质中 在细胞质中 它被Dicer酶剪切成一个单链的长约22个核苷酸的短miRNA 如同RNA干扰反应 miRNA作为向导RNA guideRNA 参入到RNA诱导的沉默复合物 RISC 中 这种复合物专一地靶向一种mRNA 比较典型的是 动物的miRNA并不与它们的靶mRNA完全互补 与siRNA不一样 前者存在少量错配的碱基 一旦结合 这种蛋白复合物将使靶mRNA失活 从而阻抑翻译 但靶mRNA并未降解 可是 许多植物的miRNA似乎与它们的靶mRNA完全互补 因此 这些靶mRNA被一种与RNA干扰反应中采用的相同机制降解 MicroRNA 发育的两个主要功能 1 在每一子代中确保细胞的多样性和细胞的有序性 Celldiversityandorder 2 保证代代相传的生命连续性 Continuityoflife 细胞多样性产生的过程 分化 Differentiation 分化细胞构成组织和器官的过程 形态发生和生长 MorphogenesisandGrowth 生命连续性的实现靠 生殖 Reproduction 针对发育具共性的研究焦点为 一 发育的通用转录调控战略 以哺乳动物骨骼肌特化的机制为例 二 发育中一些转录程序 transcriptionprogram 和细胞间信号通讯及通讯之间的关系 以TGF 超家族蛋白作为细胞外信号实现的胚胎发育背腹图式的机制为例 一 发育的通用转录调控战略 以骨骼肌特化的机制为例 三步曲 1 成肌细胞 Myoblast 的决定 Determination 体节 一些中胚层细胞的集合物 中某些细胞被允诺规格化并成为成肌细胞 2 成肌细胞增殖或某种情况下迁移 ProliferationandMigration 3 分化为成熟的具多核的骨骼肌细胞 Differentiation 细胞在获得一些特化功能 分化 之前 均涉及一个允诺 Commitment 的过程 经允诺 这些细胞的表型与未经允诺的无差别 但其发育的命运受限制 整个Commitment过程可区分为两个阶段 第一阶段称作规格化 specification 在合适的环境中该细胞能自主分化 届时的允诺是可逆的 第二阶段为决定 determination 届时的细胞即便植入到胚胎的另一部位 或环境中 仍能自主分化 表明其允诺已是不可逆的 成肌细胞 Myoblasts 的决定 成肌细胞源自由中胚层细胞群组成的胚胎体节 somites 为骨骼肌细胞的前体 而这些体节位于胚胎神经管的两侧 当然 体节还能衍生出其它组织 源自神经管和两侧外胚层的信号对体节中myoblast的决定起非常重要的作用 一些即将形成肢体肌肉的生肌细胞自其从属的肌节 Myotome 的两侧部分迁移至发育中的肢芽 成肌细胞排列成行 停止分裂 融合成合胞体 Syncytium 或称肌管 myotube 再经分化形成开始有收缩能力的肌细胞 在 融合的期间 一些与肌肉发育和功能化有关的基因表达 其它一些处在肌节背侧部分和中部部分尚未迁移的生肌细胞则将分化为躯干的肌肉 诱导每一群生肌细胞 决定 的一些特异的细胞外信号只作 瞬间表达 由这些信号激发细胞内不少因子的表达 以便在无诱导信号的情况下维持生肌程序 aintenanceofMyogenicprogram Embryonicdeterminationandmigrationofmyoblastsinmammals a Skeletalmuscleisderivedfromembryonicstructurescalledsomites whichareblocksofmesodermalcells b Afterformationoftheneuraltube eachsomiteformsadermomyotome 生皮肌节 whichgivesrisetoskinandmuscle andasclerotome 生骨节 whichdevelopsintoskeletalstructures Myoblastsformateachedgeofadermomyotome Lateralmyoblastsmigratetothelimbbud Axialmyoblastsformthemyotome 生肌节 c Thedermotomegiesrisetoskinelements dermis andthemyotometoaxialmuscle 以C3H10T1 2成纤维细胞系为实验模型 在体外成功地剖析了骨骼肌发生的转录调控机制 当这些细胞培养在含有5 氮胞嘧啶核苷 5 azacytidine 的培养液中 不少细胞成为肌管 推测 由于5 氮胞嘧啶核苷是一些不能被甲基化的胞嘧啶核苷衍生物 进入细胞后被转化为5 氮脱氧胞嘧啶核苷并掺入DNA 使掺入的DNA部分具转录活性 致使被掺入到位的细胞因原先被甲基化而遭抑制的基因重新活化 由此驱动肌肉发育程序 ExperimentalsystemforstudyingmammalianmyogenesisAfibroblastcelllinecalledC3H10T1 2canbeconvertedintomusclecellsbyincubatingthemwith5 azacytidine Underappropriateconditions intermediateprecursorcells termedazamyoblasts accumulate DNAisolatedfromazamyoblastscandriveconversionofuntreatedC3H10T1 2cellsintomusclecells 为了检验上述假说 研究者分离了在含5 氮胞嘧啶核苷的培养液中生长的C3H10T1 2 azamyoblasts DNA 转染到未经5 氮胞嘧啶核苷处理的细胞中 发现万分之一被转染细胞成为肌管 启示有 一个或少数 被5 氮胞嘧啶核苷化的基因与成纤维细胞转化肌管有关 通过差减筛选源自Azamyoblasts和Myoblasts的cDNAs 取得一些与骨骼肌发生有关的基因 统称肌肉调节因子 Muscle regulatoryfactors MRFs 包括myoD myogenicdeterminationgeneD 成肌决定因子 myogenin 成肌素 myf5和myf4 均为转录因子 MyoD myogenin myf5 myf4均为碱性螺旋 环 螺旋 bHLH 家族成员 转录因子 这些蛋白的中央段为HLH结构域 Helix Loop Helixdomain HLH 其N端毗连能结合DNA的碱性区 DNA bindingbasicregion B HLH结构域介导形成二聚体 在DNA binding dimerization区的两翼为反式激活结构域 transactivationdomains 上述的4种生肌bHLH蛋白总称为MRFs muscle regulatoryfactors 关于MEFs 稍后会有述及 bHLH蛋白有同源二聚体和异源二聚体之分 这些蛋白分子均能与具有由CANNTG序列 Ebox N代表任一核苷酸 组成的DNA位点结合 Ebox出现在基因组的许多不同部位 每256个核苷酸就可有一个Ebox 因此必然有某些机制以确保MRFs专一地调节这些肌肉特异基因的转录调控区 MyoD与另一种bHLH蛋白 E2A 可构成异源二聚体 其DNA亲和力要比同源二聚体的高十倍 正是如此 在制备azamyoblasts的过程中 发现E2A与MyoD复合成异源二聚体为C3H10T1 2细胞转化为肌细胞所需 E2A和MyoD结合DNA的碱性区氨基酸序列非常相似 均能识别DNA的Ebox序列 由于E2A也在其它组织中有表达 因此它并不是构成肌肉特化 myogenicspecificity 的充分条件 AnMRF E2A MEFcomplexcanassembleinthetranscription controlRegionofmuscle specificgenescontaininganEbox MEFbox orbothThesynergisticactionoftheMEFhomodimerandMRF E2Aheterodimer whichdirectlyinteract driveshigh levelexpressionofmuscle specificproteins 只有当两个或者更多的MyoD结合多元Eboxes MyoD才激起转录 这种多元结合具协同作用 虽然大部分的肌肉特异增强子中有多元Eboxes序列 但这些多元Eboxes序列也在其它组织中专一表达的基因中出现 例如 E2A亦为B细胞的正常发育所需 它通过与含多元Eboxes的结合调节着B细胞的一些专一基因表达 因此不论是多元Eboxes或是E2A均不是构成肌肉特化的充分条件 在酵母中亦发现 转录因子经不同组合 作用在不同转录调控位点的 可达到产生不同特化型细胞的作用 这一现象对解释肌肉特化机制很有启发 骨骼肌细胞究竟是如何特化的 有些看法源自对E2A变体蛋白的一些分析研究结果 野生型E2A蛋白自身无能驱动C3H10T1 2细胞成为成肌细胞 为查明MyoD的哪些特性赋予引发肌肉特化 研究者从改造E2A分子入手 即将MyoD分子中的特异氨基酸取代E2A相应部位的氨基酸 结果发现 E2A变体中只需有3个氨基酸被置换成MyoD相应部位的3个氨基酸就能使C3H10T1 2细胞转化成肌管 其中2个为位于E2A中央碱性DNA结合区的氨基酸 另一则为毗邻该区的氨基酸 虽然这些氨基酸的取代使E2A能驱动向生肌细胞转化 但并未影响E2A的DNA结合专一性 根据这一发现推测 特化肌肉的生成似乎应归因于MyoD与其它一些蛋白专一作用的结果 最近的一些研究又进一步表明 所有MRFs的bHLH结构域中有些专一氨基酸可使MRF E2A复合物能与另一类DNA结合蛋白家族成员专一结合 该家族成员被称为肌肉增强子 结合因子 MEFs muscleenhancer bindingfactors MADS域为MEFs的DNA结合区 具有56个残基的保守序列 生化实验证实 MEF同源二聚体蛋白能结合从属肌肉专一增强子结合的某些DNA序列 MEFBox MEFs从属于转录因子的MADS家族 MEFs除了含有N 末端MADS结构域外 还含有一小段氨基酸序列紧挨MADS结构域的C 末端 称作MEF结构域 和一个C 末端转录激活结构域 C terminaltranscription activationdomain 有两个理由可将MEFs视作能与MRFs相互作用的最佳侯选因子 其一 肌肉的许多专一基因含有MEF 和MRF 识别序列 其二 虽然MEFs无能诱导C3H10T1 2细胞的生肌转化 却具增强MRFs实现C3H10T1 2的生肌转化能力 这种转化作用有赖于MEF与MRF E2A异源二聚体之间的相互作用 不同转录因子之间的相互作用有赖于MEF同源二聚体中的MADS和MEF结构域 以及有赖于MRF E2A异源二聚体bHLH中的生肌专一氨基酸序列 根据结合在DNA的MRF E2F晶体学分析表明被埋藏在DNA大沟内的氨基酸 无能直接与MEFs接触 所以 这些氨基酸似乎赋予MRF E2A异源二聚体的其它区域以特有的构型专一地与MEFs作用 奇怪的是 虽然这两类蛋白均能分别与一些特异的DNA序列结合 但只要识别其中任一类型蛋白的DNA单一位点 均足以成为组装MRF E2A MEF的平台 见第18张的图 根据这一发现推测 由这些因子识别的一些不同的DNA位点 均可能驱动高水平的肌肉专一基因表达 事实上 有些肌肉专一基因含一些bHLH结合位点 即Eboxes 另外有些则含一些MEF结合位点 即MEFBox 与那些仅在发育中肌肉表达的MRFs相反 MEFs还在其它组织包括发育中的中枢神经系统中表达 在体外的C3H10T1 2细胞中 四种MRFs myoD myogenin myF5和myF4 的任一种表达均能诱导该细胞分化为肌肉细胞 在体内 这些蛋白在正常生肌过程中的功能已在基因敲除的动物中进行了分析研究 采用靶基因敲除变异法 已成功获得myoD myf5或myogenin等基因被敲除的一些小鼠 通过分析敲除基因后的效应 可判断出这些基因是否为肌发生所需 在何时起作用 2020 2 28 敲除myoD或myf5基因的小鼠仍具备正常肌肉 但是敲除了myogenin基因的小鼠 其大部分的骨骼肌缺失 在缺myogenin基因的小鼠中 在一些正常情况下被骨骼肌占位的地方却被大量成肌细胞集聚 结果为成肌细胞的形成无需myogenin 但这些成肌细胞无能进一步形成肌管 然而在体外培养环境中 任一种MRF蛋白均能驱动生肌程序 任一基因的缺失均可借助其它基因的功能所补偿 事实上 一些myf5和myoD变异的纯合子小鼠 它们在出生后不久就死去 且无骨骼肌 与myogenin变异体相反 myf5变异体中成肌细胞无能聚集 根据一些myoD和myf5双变异体中观察的结果 推测myoD和myf5为成肌细胞的形成或存活所需 myf5和myoD的一些重叠作用经常被视作为冗余 redundancy 的互补作用结果 这种冗余为发育程序提供了更强健的保证 并可使发育中机体不同分化区的细胞对源自细胞外的一些调节肌发生的信号能作出更具灵活性的反应 基因敲除的实验结果与5 氮胞嘧啶核苷处理的C3H10T1 2细胞的实验结果是一致的 即在融合前表达Myf5和MyoD 但只在融合后的合胞体中表达myogenin并由此形成肌管 MyoD和Myf5被视为具相似但重叠功能 能自发育中的体节内筛选出一些细胞转化为成肌细胞 为正常肌肉发生期间成肌决定所需 myogenin则为成肌细胞融合成为肌管所需 第四种MRF蛋白Mrf4是在发育的较晚阶段才表达 可能起维持肌细胞的作用 在最近的一些研究中 对E2A和MEFs在肌发生中功能作了分析 E2A基因敲除小鼠的肌肉发育正常 而B 细胞的发育却混乱 推测在肌肉发育期间 存在一些E2A的相关基因 它们能补偿E2A的缺失 就像myoD和myf5能相互补偿 为进一步验证这种冗余 redundancy 的推测 研究者必须敲除这些E2A相关基因 以制备一些无E2A及其相关基因的小鼠供研究分析 在小鼠中 四种生肌bHLH蛋白 MRFs 的表达引出一些使人迷惑的问题 这些蛋白是否具不同的固有生化特性并在肌肉发育中发挥不同作用 功能上不同的MRFs是否是独立进化而成的 这种多元MRFs的进化是否较易满足复杂有机体中基因表达的要求 即MRF始祖基因先是通过重复 duplication 随即分别形成不同的转录调控元件 transcription controlelements 的进化方式 较在单一基因中整合入不同调控元件更为有效 因为不少调控发育中的小鼠基因均为多拷贝 如能了解MRFs在表观上引起的重复 则有可能从另一侧面揭示一些涉及发育的机制 有一种略作改进的基因敲除技术 称作knock in 敲入术 在该技术中 某一基因编码序列 如myf5的 取代另一基因的编码序列 如myogenin基因的 将敲除和敲入技术相结合的实验分析结果显示 myogenin和myf5在体内的功能并不相同 最近的生化研究结果表明Myf5 和MyoD 的染色质重塑能力 chromatin remodelingability 比myogenin的大 而这种重塑能力对绝大部分组织的正常发育甚为关键 如前所述 敲除myogenin基因的纯合子小鼠虽能产生聚集的成肌细胞 但无肌管形成不能存活 如将敲除myogenin基因小鼠的myf5基因座敲入1个拷贝的myogenin基因 使之受myf5调控元件调控 是否还能显示出myogenin原有专一的转录调控作用 结果 这种敲入却不能挽救已敲除myogenin基因的纯合小鼠死亡命运 表明一些myogenin基因调控序列的特有表达模式也是正常发育所需的 由这些研究结果推测 由基因重复而进化演变出一些编码功能不同的MRFs基因 是受不同的转录调控元件调节的 在体内 有关myogenin无法取代Myf5的实验结果 方法是将myogenin编码序列插入取代myf5基因中涉及编码Myf5的序列位置中 使之沿用野生型小鼠Myf5相同的时空表达方式 业已知生肌细胞的终末分化 Terminaldifferentiation 是受正和负双重调控的 被决定而未分化的成肌细胞能对发育中一些控制细胞增殖和控制细胞迁移的细胞外信号作出反应 相反 一些已分化的肌细胞或肌管不能对这些信号作出反应 由决定到分化状态的过渡调节作用 如同一些复杂的多细胞有机体中确保正常形态发生所需的细胞分化 在时 空上受严密控制 迄今 对不同发育中起调控该类过渡的一些因子了解甚微 然而 一些体外实验结果启示有多种专一的因子起促进或抑制肌发生期间的分化作用 抑制性蛋白 Inhibitoryproteins 通过筛选一些与myoD有关的基因 发现有一种相关的蛋白 它保留一些构成二聚体的螺旋结构 但缺失与DNA结合的碱性区 不能与DNA中E box序列结合 在它与MyoD和E2A作用后 抑制后二者形成MyoD E2A异源二聚体 使它们丧失结合DNA的高亲和力结合 该蛋白质被称作Id InhibitorofDNAbinding 在分析增殖中的氮化成肌细胞 Azamyoblasts DNA时 氮化成肌细胞表达MyoD E2A和Id 发现编码肌酸激酶 Creatinekinase 的肌肉专一基因启动子中 其MyoD结合位点 或E2A结合位点 均未被占据 这一发现可能表明无活性的MyoD Id或E2A Id形成 也表明Id具有在细胞增殖生长期间维持细胞于决定状态 Determinationstate 的作用 当这些细胞被诱导分化为肌细胞 例如撤除增殖生长所需的含一些生长因子的血清 时 Id的浓度就下降 结果导致MyoD E2A二聚体形成 并结合到靶基因的启动子 驱动氮化成肌细胞分化为肌管 由此可见 转录因子与不同伴侣的二聚体化不仅能改变它们与一些专一DNA位点结合的专一性或亲和力 也可能阻止它们与DNA的结合 细胞周期蛋白 Cell CycleProteins 由于不少类型细胞的分化都与其细胞周期的停滞有关 大部分细胞都停顿在G1相 推测一些与细胞周期运转有关的蛋白 如Cyclins和Cdks 可能影响着成肌细胞由决定向分化状态的过渡 最近发现某些Cyclin cdk蛋白激酶活性的抑制因子 CKIs 能诱导培养中的细胞分化为肌肉 在体内明显起上调分化的作用 Cdk4 cyclinDCdk6 cyclinD G0 ActivityofmammalianCdk cyclincomplexesthroughthecourseofthecellcycleinG0cellsinducedtodividebytreatmentwithgrowthfactors Thewidthofthecoloredbandsisapproximatelyproportionaltotheproteinkinaseactivityoftheindicatedcomplexes CyclinDreferstoallthreeD typecyclins 相反 体外培养中的成肌细胞 在有些条件下能正常分化 但转染编码CyclinD1DNA 具可供控制的活性启动子 之后 却抑制了成肌细胞的分化 这种正常仅在G1相出现的CyclinD1的表达 在不少类型细胞中能被一些生肌因子上调 在体外 CyclinD1阻止成肌细胞分化的能力可能模拟了一些在体内拮抗分化的信号某些方面特征 在G1相进程中 一些负和正调控因子之间的拮抗作用似乎在体内肌发生机制中起到主要作用 总之 生肌程序是由交错的调控网络来维持的 肌节不同区域中的前躯细胞 Precursorcells 形成不同的肌肉 背内侧的前躯细胞演变成轴上肌 epaxialmuscles 侧向的前躯细胞演变成轴下肌 hypaxialmuscles 而腹 侧向的前躯细胞 在迁移之后 演变成肢体肌肉 每一群前躯细胞通过其周围组织提供的不同信号诱导显示出有区别的生肌基因活化途径 一旦生肌程序在体节某一区域被活化 一大串相互交错的调控机制行使着维持活化的作用 这些交错的调控机制发生在两个水平上 首先 生肌因子 myogenicfactors MRFs和MEFs通过与一些顺式作用调节位点结合 相互正调控各自的表达 其次 MRFs和MEFs相互作用 协调促进一些驱动分化的生肌基因表达 因此 虽然生肌程序是由体节周围组织瞬间表达的细胞外信号诱导的 但一种细胞内相互作用的网络维持着无信号情况下的生肌程序 这些交错的调控机制发生在两个水平上 首先 生肌因子 myogenicfactors MRFs和MEFs通过与一些顺式作用调节位点结合 相互正调控各自的表达 其次 MRFs和MEFs相互作用 协调促进一些驱动分化的生肌基因表达 因此 虽然生肌程序是由体节周围组织瞬间表达的细胞外信号诱导的 但一种细胞内相互作用的网络维持着无信号情况下的生肌程序 生肌程序的维持 Figure Maintenanceofthemyogenicprogram Transientsignalsfromthedevelopingspinalcordandectoderminduceasubsetofcellsinthedevelopingsomitetobecomemyoblasts InductionismarkedbytheexpressionofMRFsandother sexpressionandalsodirectlyinteracttocontroltranscriptionofothermyogenicgenes Thisnetworkofinteractionsmaintainsthemyogenicprogramafterthetransientinductivesignalsdisappear Variousfactorscontrolthefinaldecisiontobecomepostmioticandtodifferentiateintomuscle 发育转录程序与细胞间信号通讯的关系 TGF 超家族蛋白决定背腹图式的机制为例 一些在调控无脊椎动物和脊椎动物发育过程中起广泛作用的相关细胞外信号组成了 转化生长因子超家族 Transforminggrowthfactors Superfamily TGF s TGF 超家族首批成员的鉴定是建立在体外它们具有诱导培养物中某些细胞的表型转化的基础上 业已知这些分泌型的生长因子对生长和发育具一些明显的广谱效应 有些TGF 超家族成员对某些组织具抑制增殖的作用 而对另一些组织则具促增殖作用 这些生长因子也具促进一些细胞粘连分子 其它的生长因子和细胞外基质分子的生成 我们先介绍TGF 蛋白的通用结构 一些能与之结合的受体 然后述及TGF 与受体结合后引起活化信号转导的通路 最后 讨论有关这些分子在背腹图式形成中的作用 以Xenopuslaevis为例 借此揭示发育相关的转录程序与细胞间信号通讯的关系 TGF 超家族成员源自无活性分泌型前躯蛋白 经蛋白酶酶解加工而成 其前躯蛋白 precursor 含一个N终末端信号肽 一个处在中央的含50 375氨基酸的原结构域 Pro domain 以及一个C末端的成熟结构域 构成活性生长因子 生长因子单体 monomer 具110 140个氨基酸 由4个反平行的 链和3个分子内二硫键构成的所谓胱氨酸结 Cystineknot 等组成 该胱氨酸结具相对强的抗变性作用 可能适合于细胞外分子 2020 2 28 precursor monomer Matureform homo orheterodimer Figure TGF superfamilyproteinsfunctionasinducersduringvertebrateandinvertebrate SchematicdiagramofformationofmaturedimericTGF proteinsfromsecretedmonomericTGF precursors Thematuredomaincontainssixcysteineresidues yellowdots whichformthreeintrachaindisulfidebonds AnotherN terminalcysteineinthematuredomainformsaninterchaindisulfidebondthatlinksmonomersintotheactivehomo orheterodimericproteins 不同TGF 蛋白间序列差异的大部分位于N 终末端区 连结 链的环和 螺旋中 每个单体近N 末端的一个半胱氨酸 将TGF 单体连结成功能化的同源二聚体和异源二聚体 借助于单体和其结构上的差异 能增加不同单体组合的异源二聚体功能的多样性 通过放射性碘标记TGF 分子结合细胞表面的实验分析 发现存在分子量分别为55 85和280kD等三种不同TGF 受体 分别称作I型 II型和III型TGF 受体 I型和II型TGF 受体均为跨膜的丝氨酸 苏氨酸激酶 TGF 的结合会导致多聚受体形成 该多聚受体为异源四聚体 由I型和II型受体组成 四聚体中的II型亚基将I型亚基毗邻膜区的高度保守序列中丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化 由此激活其激酶活性 III型TGF 为分布在细胞表面的蛋白聚糖 proteoglycan 称之为 glycan 它似乎起着调节TGF 与I型 II型受体异源四聚体之间信号转导的易接近性 活化的TGF 受体将一些Smad转录因子磷酸化 通过遗传学研究 揭示出TGF 家族受体信号转导途径下游的一些转录因子及相关基因 这些转录因子统称为Smads 有三种Smad蛋白 受体调节的Smads R Smads 具协调性能或合作性能的Smads co Smads 以及具抑制性能的Smads I Smads Smad是线虫和果蝇Mad基因的同源基因 MADS是MCM1 AGAMOUS DEFICIENS和SRF Serumresponsefactor 的字首组成的缩写 它们均属MADS家族 首先 配体TGF 与I和II受体 均为丝氨酸 苏氨酸激酶 结合 诱导形成多聚体形式的受体 II型受体将I型受体磷酸化使后者活化 接着近R SmadsC 末端的一些残基被活化的I型TGF 受体磷酸化 磷酸化的R Smads与co Smads形成二聚体 该异源二聚体进入细胞核内 与其它的转录因子一起激活靶基因的转录活动 R Smads有两个结构域 MH1和MH2 它们由一柔性较强的连接区隔开 在无活性的状态下 N末端的MH1结构域阻遏C 末端MH2结构域的转录活动 在有活性的磷酸化状态下 MH1结构域与DNA结合 而MH2结构域调整R Smads与co Smads的相互作用 促进R Smads与相关DNA结合蛋白相互作用 由此激发靶基因的转录活动 MH为Mad Homology的缩写 TGF 信号转导途径 TGF signalingpathway BindingofligandtothetypeIandtypeIIreceptors whichareserine threoninekinases inducesformationofmultimericreceptors TypeIIreceptorsphosphorylatetypeIreceptorsinthejuxtamembraneregion Phosphorylatereceptor regulatedSmads R Smads whichthendimerizewithCo Smadinthecytosol TheR Smad Co Smadcomplextranslocatestothenucleuswhereitbindstoregulatorysequencesincombinationwithspecifictranscriptionfactors leadingtotranscriptionofspecifictargetgenes 不同的TGF 超家族生长因子与它们的特异受体结合 产生不同的细胞反应 通过这些相关受体产生的专一性反应是细胞内信号发放的共有现象 TGF 信号发放途径是达到这种反应专一性的战略极佳例证 例如 TGF 结合其受体 导致Smad2的磷酸化 并与Smad4二聚体化 随即移位至细胞核内 激活专一的靶基因转录活动 另一TGF 家族成员BMP2与受体结合后导致Smad1磷酸化 与Smad4二聚体化 分别活化专一的转录活动 一些有序诱导事件调控着爪蟾的早期发育 未受精的爪蟾卵具固有的不对称性 动物极多色素 植物极富卵黄 精子穿入动物极 导致富含肌动蛋白的皮质区旋转约30 皮质的旋转产生第2个不对称性 即导致将来背腹轴的产生 精子入口处为胚胎的腹侧 如果皮质旋转遭抑制 例如通过紫外线辐射的办法 背腹极性的建立就遭阻断 从受精开始 早期胚胎按常规模式进行快速 同步的细胞分裂 当胚胎动物极出现囊胚腔 该胚胎就取名为囊胚 经历12次细胞分裂后 合子基因组转录活动开始 届时的细胞分裂速度减慢并变得不同步 约在中囊胚期 三胚层细胞沿着动物极 植物极轴按单层模式排列 动物极将成为外胚层 ectoderm 如皮肤和神经组织 植物极成为内胚层 endoderm 如肠 两极间的边缘带 marginalzone 成为中胚层 将形成脊索 肌肉 血液等等 在原肠胚形成期间 中胚层和内胚层细胞向胚胎内部迁移 进入胚胎内部的细胞运动始于胚孔背唇 原肠胚形成时 其整个外表覆盖着外胚层 内胚层在胚胎中央 中胚层将内胚层与外胚层分隔开 沿着背腹轴的诱导中胚层形成模式有赖于源自三方面的信号 在囊胚期间 源自腹侧植物极的信号诱导腹侧中胚层组织的形成