第5章器官系统发生的奠定

第5章器官系统发生的奠定 三个胚层的建立给出了动物器官系统发育来源的基本划定 但在许多器官发生以前 还需要经过一个胚层组织进一步发育分化的中间过程和阶段 这一过程包括必要的过渡性结构的建设 特定区域环境的营造 原基的形成 前体细胞分化的准备等 大致对应于在许多动物 如线虫 爪蟾 胚胎发育研究中发现的继体轴分化和三胚层形成后出现的胚体伸长期 这是高度特化的器官系统发生的必要条件 5 2脊椎动物器官系统发生的奠定 从三个方面考察脊椎动物器官系统发生的准备各胚层的分化HOX基因在前 后体轴分化上发挥着重要的作用胚胎背 腹和左 右分化的基因控制 体节 在脊索两侧 中胚层发育为两条密集的沿体轴纵行排列的细胞索 即近轴中胚层 在神经管形成时 它进一步断成若干小的组织团块 称为体节 体节在发育中是一个过渡性的结构 脊椎和肋骨 背部皮肤的真皮 背部的骨骼肌 体壁和肢体的骨骼肌均来自于体节 体节始出现于胚胎的前部 并依次向后推移形成 5 2 2Hox基因对前 后轴分化的重要作用 染色体Hox基因的组织结构和命名高等脊椎动物有四套Hox基因 分别定位在不同的染色体上 各套染色体包含有顺序排列的13个Hox基因 有的有缺失 它们分别被定为Hoxa Hoxb Hoxc Hoxd系列 同一染色体上的Hox基因 例如有Hoxa 1 Hoxa 2 Hoxa 13 各自构成一个同源异型基因簇 不同染色体的对应Hox基因 例如Hoxa 1 Hoxb 1 Hoxc 1 Hoxd 1 各自构成了一个同源异型基因组 Hox基因工作模式 同源异型基因簇不同基因在体轴前后的错位表达造成前后不同体位表达的Hox基因的组合不同 奠定了体轴前后差异分化的基础 而同一体位上不同的同源异型基因组的不同表达组合提供了它们各自的侧向差异分化的信息 脊椎动物Hox基因表达的调控 多种因子对Hox基因的表达具有调控的作用Cdx1基因在原肠胚期原条中表达 敲除Cdx1基因后 Hox基因的表达图案和发育结构均出现向体轴后面推移的现象Embryoticectodermdevelopment eed 基因对Hox基因表达的影响表现出类同的效果研究表明 对Hox基因表达影响最大的是视黄酸 RA 与果蝇早在卵细胞期就奠定了背腹轴分化的基础不同 鸟类背腹的分化源于胚胎发育早期下胚层的定位 哺乳动物背腹的分化源于内细胞团在囊胚腔中的定位 因为下胚层细胞出现在面向囊胚腔的一面 以后脊索和神经管的形成进一步发展了背腹轴的分化 5 2 3胚胎背 腹与左 右方向上的分化 5 3 1果蝇体节的形成与分化5 3 2果蝇的同源异型选择者基因与执行基因5 3 3节肢动物的长胚基模式和短胚基模式 5 3节肢动物体节的形成与分化 果蝇体节形成的基本过程 在胚胎早期头尾分化基因产物 形态发生原 的作用下 间隙基因表达并形成复杂的分布图案间隙基因诱导成对规则基因的表达 7条eve基因表达条带 偶数带 出现 初级 而后7条ftz基因表达条带 奇数带 出现 次级 它们相间排列从前向后共同产生14条条带 称为副体节 parasegment 在各条带的范围内 在体节极化基因的作用下又分化形成前 后两个区室 compartment 每个副体节的后区室与后一个副体节的前区室发育组成一个未来的体节 segment 每个胚胎由3个头节 Mb 上颚 Mx 下颚 Lb 唇 3个胸节 T1 T3 和8个腹节 A1 A8 组成 5 3 1果蝇体节的形成与分化 控制果蝇体节发生的基因 间隙基因 gapgene kruppel Kr knirps kni hunckback hb giant gt tailess tll huckebein hkb buttonhead btd emptyspiracles ems orthodenticle otd 成对规则基因 pair rulegene 初级hairy h even skipped eve runt run 次级fushitarazu ftz odd paired opa odd skipped odd sloppy paired slp paird prd 体节极性基因 segmentpolaritygene engrailed en wingless wg cubitus interruptusD ciD hedgehog hh fused fu armadillo arm patched ptc gooseberry gsb pangolin pan 这类基因的突变会导致胚胎体节图式出现空缺 即成串的副体节发生丢失 这是胚胎中转录的第一批合子基因 而hunchback hb 是BICOID激活表达的第一个合子基因 BICOID结合在该基因上游启动子区的5个相同序列5 TCTAATCCC 3 的位点上以激活hb进行表达 HB蛋白又调控其它间隙基因的活性 间隙基因 gapgene hb是抑制腹节形成的专一胚胎基因 其表达的部位生成头胸部 hb hb 则不能形成头部和胸部 BICOID于前激活hb NANOS于后抑制hbmRNA的翻译 若NANOS缺失 则HB遍布整个胚胎 抑制生成腹节的间隙基因Knirps的活性 另间隙基因Kr pple主要在第 副体节内表达 该基因缺失 胚胎就缺失第4 第6副体节 在间隙基因产物的调控下 每隔一个副体节的胚区被激活 以7条条纹图式 patternsofsevenstrip 表达同一基因 如evenskipped在偶数副体节表达 Fushitarazu在奇数副体节内表达 成对规则基因突变则每隔1个体节就缺失1部分 hairy even skipped及runt为初级成对规则基因 Primarypair rulegenes 直接受控于间隙基因 fushitarazu ftz 为次级成对规则基因 Secondarypair rulegenes 受控于初级成对规则基因 ftz ftz 纯合体的体节仅及正常的一半 成对规则基因于细胞化之前已大量进行表达 成对规则基因 pair rulegenes 发育到细胞囊胚期 成对规则基因的产物激活体节极性基因 形成更小的条纹表达区 在副体节中间划分最后的 可见的体节分界线 14个转录带区 这中间起主要作用的基因有 engrailed en wingless wg 和hedgehog hh 等 这些基因突变 会使每一体节的一部分结构缺失 而被该体节剩余部分的镜像结构所取代 例如 engrailed保持前 后体节的分界 en en 纯合体则出现前后体节复合为一 每一体节后半部被后一体节的前半部的镜像重复结构所替代 体节极性基因 Segmentpolaritygenes 在果蝇体节的分化中同源异形基因起着核心的作用 果蝇的同源异形基因多排布于第三染色体上 分两大基因簇 触角足复合体 Antennapediacomplex Antp C 含5个同源异形基因 负责头部体节特化的labial Lab唇 Deformed Dfd变形 负责胸节特化的SexCombreduced Scr性梳减少 和Antennapedia Antp触角足 基因 此外还有只在成蝇中起作用的proboscipedia Pb鼻足 基因 其突变使唇嘴部触须转变成腿 双胸复合体 bithoraxcomplex Bx C 含4个同源异形基因 控制胸节和8个腹节的发育 分别是Ultrabithorax Ubx超双胸 基因 负责第三胸节特征结构的发育 AbdominalA AbdA腹A 和AbdominalB AbdB腹B 及Caudal Cad 基因 控制腹节结构的形成 Antp C和Bx C在第三染色体上呈直线排列 其顺序大致与它们在时空上的表达顺序相吻合 在早期胚胎发育过程中 基因活性的级联反应被启动 前期表达的基因启动后期待表达的下游基因 或关闭另一些已表达的相关基因 当体节分化确定之后 再由同源异形基因 homeoticgenes 确定每一体节的具体发育方向 结构特征和器官形成 限定每个体节与整体一致性 如决定某一特定体节为前胸无翅 中胸有翅 后胸长出平衡棒等 这种负责作出决定的基因称同源异形选择基因 homeoticselectorgenes 或同源异型主导基因 同源异形基因与发育途径的选择 同源异形基因结构的相似性果蝇第3染色体上两个同源异形基因簇复合体Antp C和Bx C统称为HOM C 在人和小鼠基因组中共有4份HOM C拷贝 小鼠定名为HoxA B C D 人定名为HOXA B C D 它们在染色体上的排序与果蝇极为相似 其表达图式也是相同的 同源异形框结构的保守性同源异形基因和影响果蝇胚胎发育的母体效应基因 体节分节基因一样 含有一个180个核苷酸的保守序列 编码60个氨基酸的多肽 前者称同源异形框 homeobox 后者则称同源异形域 homeodomain 为转录因子 可与受控基因的调控序列结合以调节其转录活性 同源异形基因的定位与时空表达的一致性同源异形基因在空间上的表达顺序一致 即果蝇在胚前部表达 哺乳动物亦于前表达 果蝇于胚后部表达 哺乳动物亦表达于后 二者在发育时序上的表达也高度一致 但果蝇和哺乳动物