第4次作业果蝇及羊膜类体轴的分子机制王祎铭

1、果蝇体轴形成的分子机制 果蝇的卵、胚胎、幼虫、成虫都有明确的前后和背腹轴，在果蝇最初的发育 中，由母源效应基因及其编码蛋白构成位置信息的基本网络， 激活合子基因的表 达，控制果蝇躯体模式的建立。1、果蝇胚胎的极性 果蝇早期胚轴形成设计由母源效应产物构成的位置信息网络， 其中有 3 组与 前- 后轴形成有关，为前端系统； 1 组决定胚胎的背腹轴，即后端系统；还有一 组决定背腹轴形成。2、果蝇前 -后轴的形成在果蝇前-后轴的形成中，有四个非常重要的形态发生素： Biociod(BCD) 和 Hunchback(HB)调节胚胎前端结构的形成； Nanos(NOS和) Candal(CDL)调节胚胎

2、后端结构的形成。1) 前端组织中心： BCD蛋白浓度梯度前端系统至少包括 4 个主要的基因，其中起关键作用的是 BCD，bcd 是一种 母源效应基因，在卵子发生时， bcd mRNA于滋养细胞中转录，再转运至卵子中 并定位于卵子前极。受精后迅速翻译， BCD具有决定胚胎极性和组织空间图示的 功能。受精后 BCD蛋白在前端积累并向后端弥散， 形成从前向后稳定的浓度梯度， 主要覆盖胚胎前 2/3 区域。 bcd 基因也是同源异型框基因， BCD蛋白是一种转录 调节因子，可与 DNA特异性结合并激活合子靶基因的表达。 BCD蛋白浓度梯度可 以同时特意新启动不同基因的表达，从而将胚胎划分为不同的区域。

3、2) 后端组织中心： Nanos蛋白和 Candal 蛋白浓度梯度后端系统在控制图式形成中起到作用与前端系统相似。 决定胚胎后端的最初 信息也是母源效应基因转录产物，在卵子发生过程中，后端决定子 Nanos(NOS) 的 mRNA在卵室前端的滋养细胞中转录，通过转运定位到卵子后极，在成熟卵中 定位于生殖质。后端系统是通过抑制转录因子 HB的翻译起作用，该系统包括约 10 个基因，这些基因都是腹部图示形成所必须的基因。 NOS活性从后端向前弥散 形成浓度梯度，在胚胎后部抑制 hb mRNA的翻译。 HB 蛋白的分布区域主要位于 胚胎前半部分。另一个重要的母源效应基因 cdl 的 mRNA最初也是

4、均匀分布于整个卵质中，BCD能抑制 cdl mRNA 的翻译。在 BCD活性从前到后降低的浓度梯度作用下形成 CDL蛋白从后向前降低的浓度梯度。 cdl 基因的突变导致腹部体节发育不正常。3) 末端系统： Torso 信号途径如果前端后端系统都失活， 果蝇胚胎仍可生成某些图式， 形成具有两个尾节 的胚胎，这与末端系统的建立有关。 末端系统包括大约 9个母源效应基因， 这个 系统基因的失活会导致胚胎不分节的部分缺失，即前端原头区和尾端尾节的缺 失。末端系统中起关键作用的是 torso(tor) 基因。Tor 基因编码一种跨膜酪氨酸 激酶受体( receptor tyrosine kinase,R

5、TK)。 TOR蛋白在整个合胞体胚胎的表面表达，其 NH2端序列位于细胞膜外， COOH端在细胞膜内。当胚胎前、后端细 胞外存在某种信号分子时可使 TOR特异性活化，最终导致胚胎前、 后末端细胞命 运的转化。在卵子发生中， tsl 在两组特异性滤泡细胞中表达，即位于卵子前极 边缘细胞和卵室后极相对的极性滤泡细胞。 配体 TSL蛋白被分泌到卵子两极围卵 隙中, 通过与卵黄膜的结合而维系在两极，直到 TOR蛋白表达 TSL才被释放。由 于存在过量的 TOR蛋白， TSL不会扩散到末端区以外，从而保证 tor 基因只在末 端区有活性。3、背-腹轴的形成在果蝇发育过程中，控制背腹轴形成的大约有 20

6、多个基因，其中，dosol(dl) 等基因的突变会导致胚胎背部化，即产生具有背部结构而没有腹部结构的胚胎； cactus 等基因的突变引起胚胎腹部化，产生只具有腹部的胚胎。背 - 腹系统的作 用方式与末端系统有相似之处， 通过局部分布的信号分子， 即定位于卵子腹侧卵 黄膜上的配体激活分布于腹侧卵子质膜上的受体， 进而调节合子基因的表达； 另 外还有 toll 基因，在合胞体胚盘阶段， Toll 蛋白在整个细胞膜表面表达；此外 调节 DL 蛋白进入细胞核所涉及的基因还有 pipe,nudel,windbentel 等，在滤泡 细胞中表达。4、分节基因与果蝇胚胎体节的形成分节基因的功能是把早期胚胎

7、沿前 - 后轴分为一系列重复的体节原基，突变 会导致体节或部分体节缺失，包括 3 类基因：缺口基因、成对控制基因、体节极 性基因，这三类基因的调控是逐级进行的。1）缺口基因通常最初直接受母体效应基因的调控。缺口基因最初通常在整 个胚胎中都有较弱的表达， 然后随着卵裂的进行逐渐变成一些不连续的区域。 缺 口基因的表达最初由母体效应基因启动；缺口基因的表达区域比较宽，相当于 3 个体节，表达区之间可有部分重叠。2）成对控制基因的表达区域以两个体节为单位且具有周期性，在相互间隔 的一个副体节中表达。成对控制基因的作用是把胚体分隔成为一系列重复的体 节，并且进一步控制体节极性基因的表达。3）体节极性基

8、因是） 在每一体节的特定区域细胞中表达。 ）在每一体节的特 定区域细胞中表达。 engrailed （en）和 wingless （wg）基因是最重要的体节极 性基因。前者在每一副体节最前端的一列细胞中表达， 而后者在每一副体节的最 后一列细胞中表达，这两个基因的表达界限正好确立了副体节的界线。4）同源异型基因的表达主要调控体节界限确立后每个体节结构的进一步特 化。果蝇大部分同源异型选择者基因位于 3 号染色体相邻的两个区域， 其一为触 角足复合体 Antp-C ，另一个为双胸复合体 BX-C，二者统称同源异型复合体 HOM-C。 HOM-C基因的结构是十分复杂的，有的基因有多个启动子和多个转

9、录起始位点， 其另一个重要特征是都含有一段的保守序列，称为同源异型框。羊膜类（鸡和小鼠）体轴形成的分子机制鸟类：鸟类胚胎的体轴形成在原肠时期完成，但背腹轴特化开始与卵裂期， 其标志是上下胚层的分化。上胚层的外表面即向清蛋白的一面形成预定胚胎背 部，向胚盘下腔的一面形成预定胚胎腹部， 胚盘举起的区域是预定胚胎的后端边 缘区，也是原条开始形成的位置和胚胎的后端， 而原条延伸的方向则指向胚胎的 前端，随着原肠作用的进行，原条从胚胎后端向前端延伸，胚胎前 - 后轴逐渐建 立。哺乳类：小鼠胚胎从辐射对称到两侧对称的转化发生在发育的 5.5 天，是由 前端一团特异性表达 hex 基因的 AVE（anter

10、ior visceral endoderm）细胞，这些 AVE细胞所在的位置是前端的标志。原条是羊膜类动物原肠作用的组织中心， 也是原肠胚期胚胎的中轴性结构。 在原肠作用中， 整个上胚层细胞经历了大规模 的迁移，特别是 AVE向前端迁移和近端上胚层细胞的向后迁移， 是导致胚胎转动 的直接原因。哺乳动物胚胎前 - 后轴的形成必须受两个信号中心调控，一个是位 于原条前端的原节（组织者） ，另一个位于前端内脏内胚层（ AVE）。原节能够产 生 Chordin 和 Noggin,AVE 表达几种头部形成必需的基因，包括编码转录因子 Hesx-1、Lim-1 、Otx-2 的基因和旁分泌因子 Cerberus 的基因。在哺乳动物的胚 胎发育中， 胚外组织与胚胎细胞之