第5章器官系统发生的奠定

1、第第5章章 器官系统发生的奠定器官系统发生的奠定v三个胚层的建立给出了动物器官系统发育来源的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；基本划定；v但在许多器官发生以前，还需要经过一个胚层组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；织进一步发育分化的中间过程和阶段；v这一过程包括必要的这一过程包括必要的过渡性结构的建设过渡性结构的建设、特定区特定区域环境的营造域环境的营造、原基的形成原基的形成、前体细胞分化的准前体细胞分化的准备备等；等；v大致对应于在许多动物（如线虫、爪蟾）胚胎发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

2、层形成后出现育研究中发现的继体轴分化和三胚层形成后出现的的胚体伸长期胚体伸长期；v这是高度特化的器官系统发生的必要条件。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从三个方面考察脊椎动物器官系统发生的准备生的准备v各胚层的分化各胚层的分化vhox基因在前基因在前-后体轴分化上发挥着重要后体轴分化上发挥着重要的作用的作用v胚胎背胚胎背-腹和左腹和左-右分化的基因控制右分化的基因控制体体 节节v在脊索两侧，中胚层发育为两条密集的沿体轴纵行在脊索两侧，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。排列

3、的细胞索，即近轴中胚层。v在神经管形成时，它进一步断成若干小的组织团块，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。称为体节。v体节在发育中是一个过渡性的结构，脊椎和肋骨、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。骼肌均来自于体节。v体节始出现于胚胎的前部，并依次向后推移形成。体节始出现于胚胎的前部，并依次向后推移形成。5.2.2 hox基因对前基因对前-后轴分化的重要作用后轴分化的重要作用染色体染色体hox基因的组织结构和命名基因的组织结构和命名v高等脊椎动物有四套高等脊椎

4、动物有四套hox基因，分别定位在不同基因，分别定位在不同的染色体上。的染色体上。v各套染色体包含有顺序排列的各套染色体包含有顺序排列的13个个hox基因（有基因（有的有缺失），它们分别被定为的有缺失），它们分别被定为hoxa、hoxb、hoxc、hoxd系列，系列，v同一染色体上的同一染色体上的hox基因（例如有基因（例如有hoxa-1、hoxa-2、.hoxa-13 ）各自构成一个同源异）各自构成一个同源异型基因簇。型基因簇。v不同染色体的对应不同染色体的对应hox基因（例如基因（例如hoxa-1、hoxb-1、hoxc-1、hoxd-1）各自构成了一个同）各自构成了一个同源异型基因组。源异

5、型基因组。hox基因工作模式基因工作模式v同源异型基因簇不同基因在体轴前后的错位表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达造成前后不同体位表达的hox基因的组合不同，基因的组合不同，奠定了体轴前后差异分化的基础。奠定了体轴前后差异分化的基础。v而同一体位上不同的同源异型基因组的不同表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。达组合提供了它们各自的侧向差异分化的信息。脊椎动物脊椎动物hox基因表达的调控基因表达的调控v多种因子对多种因子对hox基因的表达具有调控的作用基因的表达具有调控的作用vcdx1基因在原肠胚期原条中表达，敲除

6、基因在原肠胚期原条中表达，敲除cdx1基因后，基因后，hox基因的表达图案和发育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结构均出现向体轴后面推移的现象vembryotic ectoderm development (eed)基因对基因对hox基因表达的影响表现出类同的效基因表达的影响表现出类同的效果果v研究表明，对研究表明，对hox基因表达影响最大的是视基因表达影响最大的是视黄酸（黄酸（ra）v与果蝇早在卵细胞期就奠定了背腹轴分化的基与果蝇早在卵细胞期就奠定了背腹轴分化的基础不同；础不同；v鸟类背腹的分化源于胚胎发育早期下胚层的定鸟类背腹的分化源于胚胎发育早期下胚层的定位；位；v哺乳

7、动物背腹的分化源于内细胞团在囊胚腔中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的定位（因为下胚层细胞出现在面向囊胚腔的一面；一面；v以后脊索和神经管的形成进一步发展了背腹轴以后脊索和神经管的形成进一步发展了背腹轴的分化。的分化。5.2.3 胚胎背胚胎背-腹与左腹与左-右方向上的分化右方向上的分化 5.3.1 果蝇体节的形成与分化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果蝇的同源异型选择者基因 与执行基因与执行基因 5.3.3 节肢动物的长胚基模式和短节肢动物的长胚基模式和短 胚基模式胚基模式5.3 节肢动物体节的形成与分化节肢动物体节的形

8、成与分化果蝇体节形成的基本过程果蝇体节形成的基本过程v在胚胎早期头尾分化基因产物（形态发生原）的作用下，间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隙基因表达并形成复杂的分布图案v间隙基因诱导成对规则基因的表达，间隙基因诱导成对规则基因的表达，7条条eve基因表达条带基因表达条带（偶数带）出现（初级），而后（偶数带）出现（初级），而后7条条ftz基因表达条带（奇数基因表达条带（奇数带）出现（次级），它们相间排列从前向后共同产生带）出现（次级），它们相间排列从前向后共同产生14条条条条带，称为副体节（带，称为副体节（parasegment）v在各条带的范围

9、内，在体节极化基因的作用下又分化形成前、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（后两个区室（compartment）v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（未来的体节（segment）。每个胚胎由）。每个胚胎由3个头节个头节(mb上颚、上颚、mx下颚、下颚、lb唇唇)、3个胸节个胸节(t1-t3)和和8个腹节个腹节(a1-a8)组组成。成。5.3.1 果蝇体节的形成与分化果蝇体节的形成与分化控制果蝇体节发生的基因控制果蝇体节发生的基因v间隙基因间隙基因 (gap gene) (gap gen

10、e) kruppel(kr)kruppel(kr)，knirps(kni)knirps(kni)，hunckback(hb)hunckback(hb)，giant(gt),tailess(tll)giant(gt),tailess(tll)， huckebein(hkb)huckebein(hkb)，buttonhead(btd), empty spiracles(ems), buttonhead(btd), empty spiracles(ems), orthodenticle(otd)orthodenticle(otd)v成对规则基因成对规则基因 (pair-rule gene)(pair

11、-rule gene) 初级初级 hairy(h)hairy(h)，even-skipped(eve)even-skipped(eve)，runt(run)runt(run) 次级次级 fushi tarazu(ftz)fushi tarazu(ftz)，odd-paired(opa)odd-paired(opa)，odd-skipped(odd)odd-skipped(odd)， sloppy-paired(slp) paird(prd)sloppy-paired(slp) paird(prd)v体节极性基因体节极性基因 (segment polarity gene)(segment pol

12、arity gene) engrailed(en)engrailed(en)，wingless(wg)wingless(wg)，cubitus,interruptuscubitus,interruptusd d(ci(cid d), ), hedgehog(hh) hedgehog(hh)，fused(fu)fused(fu)，armadillo(arm)armadillo(arm)，patched(ptc)patched(ptc)， gooseberry(gsb)gooseberry(gsb)，pangolin(pan)pangolin(pan)v这类基因的突变会导致胚胎体节图式出现这类基因

13、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。空缺，即成串的副体节发生丢失。v这是胚胎中转录的第一批合子基因，而这是胚胎中转录的第一批合子基因，而hunchback(hb)是是bicoid激活表达的第一激活表达的第一个合子基因。个合子基因。bicoid结合在该基因上游启结合在该基因上游启动子区的动子区的5个相同序列个相同序列5tctaatccc3的位点上以激活的位点上以激活hb进行表达，进行表达，hb蛋白又蛋白又调控其它间隙基因的活性。调控其它间隙基因的活性。间隙基因间隙基因(gap gene)vhb是是抑制腹节抑制腹节形成的专一胚胎基因，其表达形成的专一胚胎基因，其表达的部位生成

14、头胸部，的部位生成头胸部，hb-hb-则不能形成头部则不能形成头部和胸部。和胸部。bicoid于前激活于前激活hb， nanos于后于后抑制抑制hb mrna的翻译。的翻译。v若若nanos缺失，则缺失，则hb遍布整个胚胎，抑制遍布整个胚胎，抑制生成腹节的间隙基因生成腹节的间隙基因knirps的活性。的活性。v另间隙基因另间隙基因 krpple主要在第副体节主要在第副体节内表达，该基因缺失，胚胎就缺失第内表达，该基因缺失，胚胎就缺失第4-第第6副副体节。体节。v在间隙基因产物的调控下，每隔一个副体节的胚区被在间隙基因产物的调控下，每隔一个副体节的胚区被激活，以激活，以7条条纹图式条条纹图式(p

15、atterns of seven strip)表达表达同一基因。如同一基因。如even skipped在偶数副体节表达，在偶数副体节表达，fushi tarazu在奇数副体节内表达。在奇数副体节内表达。v成对规则基因突变则每隔成对规则基因突变则每隔1个体节就缺失个体节就缺失1部分。部分。hairy,even-skipped及及runt为为初级成对规则基因初级成对规则基因(primary pair-rule genes)，直接受控于间隙基因；，直接受控于间隙基因；fushi tarazu (ftz)为为次级成对规则基因次级成对规则基因(secondary pair-rule genes)，受控于

16、初级成对规则基因。，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。纯合体的体节仅及正常的一半。v成对规则基因于成对规则基因于细胞化之前细胞化之前已大量进行表达。已大量进行表达。成对规则基因成对规则基因(pair-rule genes)v发育到发育到细胞囊胚期细胞囊胚期，成对规则基因的产物激活体节，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，极性基因，形成更小的条纹表达区，在副体节中间在副体节中间划分最后的、可见的体节分界线划分最后的、可见的体节分界线(14个转录带区个转录带区)。这。这中间起主要作用的基因有：中间起主要作用的基因有：engrailed(en)

17、, wingless(wg)和和hedgehog(hh) 等。等。v这些基因突变，会使每一体节的一部分结构缺失，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，而被该体节剩余部分的镜像结构所取代。例如，engrailed保持前保持前后体节的分界，后体节的分界，en- en-纯合体则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。节的前半部的镜像重复结构所替代。体节极性基因体节极性基因(segment polarity genes)在果蝇体节的分化中在果蝇体节的分化中同源异形基因

18、起着核心的作用同源异形基因起着核心的作用v果蝇的同源异形基因多排布于第三染色体上，分两大基因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：簇：1.触角足复合体触角足复合体(antennapedia complex,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sex comb reduced(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。2.双胸复合体双胸复合体(bithorax comp

19、lex,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；abdominal a(abda腹a)和abdominal b(abdb腹b)及caudal(caudal(cadcad) ) 基因，控制腹节结构的形成。antp-c和和bx-c在第三染色体上呈直线排列，其顺序大致与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，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基因活性的级联反应被启动，前期表达的基因启动后

20、期待表达的下游基因，或关闭另一些已表达的相关基因。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，再由当体节分化确定之后，再由同源异形基同源异形基因因(homeotic genes)确定每一体节的具体发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种负责作出决定的基因称同源异形选择基因同源异形选择基因(homeotic selector genes)或或同源异型主导同源异型主导基因。基因。同源异形基因与发育途径的选择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同源异形基因结构的相似性v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