e43-2果蝇发育过程中的组织特异性基因表达

1、卵细剋卵细胞蛋白作用卵-具他阖控蛋I的垠|头部mRNA翻译诡控蛋剋环卵卵K的鞄,越園表达e43-2果蝇发育过程中的组织特异性基因表达虽然所有果蝇的发育都开始于一个单一的受精卵，但合子和卵细胞的细胞质并不是均一的。事实上，一个卵细胞的内部具有非常确定的mRNA和蛋白质的分布，这种分布是在一个正在发育的卵母细胞受到它周围的滋养细胞(nursecell)和卵泡细胞的作用下形成的。于是母系基因通过这些mRNA和蛋白质对后面的发育进程产生极为重要的影响图e43-2(l)。卵泡细胞埜因若达./卵泡细胞董白柞用头部”mRNA图e43-2(1)果蝇不同发育阶段的基因表达在果蝇的发育过程中，有三类基因控制或调节

2、整个发育进程。(1)母系基因(maternalgene)这类基因编码的是贮存在卵细胞内的mRNA和蛋白质，由它们决定正在发育的胚胎的前后轴和背腹轴的形成。前后轴(Theanterior-posterioraxis)又名头尾轴(head-to-tailaxis)，大概由十几个基因决定，比较重要的有nanos、bicoid、hunchback.、caudal和torso；背腹轴(Thedorsal-ventralaxis)也差不多由十来个基因决定，其中最重要的基因是toll和dorsal。nanos-mRNA和bicoid-mRNA的分布分别局限在卵母细胞的后极(posteriorpole)和前极

3、(anteriorpole)，这两个基因决定未来胚胎的两极。hunchback和caudal的mRNA也贮存在卵细胞内，但在细胞质内呈均匀分布。nanos和bicoid的翻译导致各自蛋白在细胞内形成浓度梯度。浓度最高的区域应该是各mRNA集中存在的细胞两极。bicoid基因产物是激活合子的hunchback基因的表达，而nanos基因产物则抑制hunchback-mRNA(既在卵细胞又在合子内表达)的翻译。两种基因作用的净效果是在细胞的两极之间形成Hunchback蛋白的浓度梯度。Bicoid蛋白还能阻遏贮存在细胞前端的caudal-mRNA的翻译。于是，Caudal蛋白只存在于细胞的后端，从

4、而决定该端的形成；Hunchback蛋白本身又是一种转录激活因子，它能激活一系列分节基因的表达。因此，bicoid和hunchback编码的产物调节其他发育基因的表达。换句话说，它们是启动发育基因表达的主要激活蛋白。Torso蛋白在整个卵母细胞的质膜上呈环形均匀分布，但它只在两端有活性。Torso是一种受体酪氨酸激酶，只有在与配体结合以后才有活性。Torso的胚胎仅少量合成，贮存在卵细胞两极的卵周间隙(perivitellinespace)。在受精以后，配体被释放，并与Torso受体结合，后者的酪氨酸激酶活性被激活而导致其他激活合子基因转录的蛋白质的磷酸化。对背腹轴建立起决定性作用的母系基因产

5、物是Toll蛋白受体。此种蛋白(如Torso蛋白)也在整个卵母细胞的质膜上呈环形均匀分布。在受精以后，Toll受到Spatzle蛋白片段的激活。Spatzle蛋白片段仅在卵母细胞/合子的腹部区域相反的卵周间隙中产生。被激活的Toll蛋白转导的信号是促使Cactus蛋白的降解。Cactus蛋白通常阻止Dorsal蛋白进入细胞核，而使Dorsal蛋白无法去激活转录。(2)分节基因(segmentationgene)这些基因属于合子活性基因(在受精后被激活)，它们决定体节的数目以及每个体节具有正确的极性，可进一步分为间隙基因(gapgene)，对律基因(pair-rulegene)和体节极性基因(s

6、egmentpolaritygene)三组图e43-2(2)。这三组基因也是等级关系，间隙基因控制对律基因，对律基因控制体节极性基因。JI正常早期胚胎馬期腿胎忸节极性基因geIf吏变悴E常网p基因pair-rule基因合子极早期胚胎突变体突变怖图e43-2(2)分节基因对体节形成的影响间隙基因决定胚胎沿前后轴大概的分节计划，这一亚类基因的缺失可导致体节数目减少；对律基因的表达产物将胚胎限定为七条带，共由8个基因组成。这些基因的突变会导致每一对体节中的一部分区域缺失；体节极性基因(segmentpolaritygene)决定各个体节的极性，即让每个体节的前端不同于后端，这一亚类基因的缺失可导致各

7、体节具有相似的前端和后端。间隙基因是在合子内首先被激活转录的基因，例如hunchback基因。Hunchback有助于调节其他间隙基因的表达，包括kr祝ppel、knirps和giant。这种调节的净效应是相应的基因产物呈受限的表达样式，即不同的基因产物形成局部的表达条带。这样不难看出体节是如何开始形成的。对律基因在发育的胚胎中层高度局部性表达。最重要的三种初级基因是hairy、even-skipped和runt。而被深入研究的次级基因是fushitarazu。初级对律基因的基因表达受间隙基因产物的激活，次级对律基因表达则受到初级对律基因产物的激活。体节极性基因负责确定各泛体节的界限，其中两种

8、重要的是engrailed和wingless，前者仅在泛体节的前面的分界有活性，后者只在泛体节的后面的分界有活性。(3)同源异形基因(homeoticgene)这一类基因通过控制在体节内发育的器官的性质来决定每一体节的性质图e43-2(3)。一个同源异形基因的突变通常表现为一个身体的器官出现在错误的地方。在果蝇基因组上有两类主要的同源异形基因簇：一是双胸复合体(bithoraxcomplex，BX-C),另一类是触角足复合体(antennapediacomplex，ANT-C)。BX-C位于染色体上的5-端，包含了三个基因，主要是控制身体后端的发育；而ANT-C则是位于染色体的3-端，包含了五

9、个基因，主要控制身体前端的发生。当簇内的某个同源异形基因发生缺失时，会使得该基因控制的部位发生异常，例如，当果蝇的bx基因突变时，会使得果蝇的第三胸节(T3)发育成第二胸节。图e43-2(3)果蝇的同源异形基因的排列在果蝇体内所有的同源异形基因皆含有一段高度保守的DNA序列，命名为同源异形盒(homeobox),共有180个bp，可以翻译出60个氨基酸并且形成特殊的结构域，称为同源异形结构域(homeodomain)。同源异形结构域属于b-HTH家族转录因子中的DNA结合结构域。从酵母到人类，皆含有一段高度保守性的同源异形盒序列。这种现象显示，这些物种中所含有的同源异形盒基因皆是从同一原始基因

10、通过串联基因重复(tandemgeneduplication)的方式演化而来的。果蝇的同源异形基因与其他动物(包括人)的同源异形基因高度同源。这意味着胚胎发育过程中的遗传控制机制在6.5亿年的进化长河中被基本保留。现在，凡是含有同源异形盒序列的基因，皆称为同源异形盒基因(homeoboxgene)或同源异形基因(homeogene)。这类基因表达出来的蛋白质则称为同源异形蛋白。在脊椎动物体内，同源异形盒序列基因的簇群很大，大约有170个不同的同源异形盒序列基因已被克隆。脊椎动物的同源异形基因有一类为串群性的同源异形盒序列基因，如同果蝇的HOM-C。脊椎动物方面Hox基因表示，其中人类的基因是以大写斜体代表，如HOXA4。老鼠的基因则以第一字母大写为代表，如Hoxa-4。以