发育71胚胎形体模式形成.docx

发育71胚胎形体模式形成.docx

《发育71胚胎形体模式形成.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发育71胚胎形体模式形成.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

发育71胚胎形体模式形成

第七章胚胎形体模式形成及及器官发生的基因控制

从受精卵发育成一个有自主生活能力的，在结构上高度复杂的有机体，是按照严格形体模式进行的。

胚胎发育的形体模式是在一些基因的调控下逐渐形成的。

胚胎形体模式形成的过程和基因控制机制在果蝇和两栖类中研究得最多和较清楚。

第一节：

果蝇形体模式的形成极其基因控制

通过德国的女科学家ChristinaneNusslein—Volhard和美国的EricWieschaus等人的长期研究，确定了果蝇形体模式形成的三层次网络控制机制。

他们二人分享了1996年度的诺贝尔生理学或医学奖。

这三个层次的基因包括：

1、决定体轴并诱导合子核基因表达的母体效应基因；

2、影响身体分节和各体节极性的基因；

3、决定各体节形态特征发育的同源异型基因。

首先起作用的是母体效应基因，这些基因决定胚胎的体轴，划分出胚胎形体模式或基因表达模式的总体格局。

接着表达的是负责身体分节的基因，这些基因在体轴确定的格局基础上，进一步将胚体划分为更细的基因表达区域。

再后表达的是同源异型基因，这些基因决定每一个体节的发育特征（figure9.8）。

一、决定体轴的母源效应基因及调控方式

初级轴或坐标预决定了果蝇身体的两侧对称基本结构。

要获得这样一个结构必须建立两个轴：

前后轴或头尾轴（anterior—posterioraxis）和垂直于它的背腹轴（dorsal-ventralaxis）。

在果蝇中，轴决定是在基因影响下发生的。

这些基因是母源效应基因（maternaleffectgenes）而不是胚胎本身的基因。

母源效应基因的产物成为建立这些坐标的基础。

在母体卵子发生时，这些轴决定基因在卵巢中的滋养细胞或滤泡细胞中非常活跃。

这些母源效应基因编码的mRNA和核糖核蛋白结合后，以RNP颗粒的形式经环管或通道转运到卵子内。

不同的mRNA分布在卵子的不同区域。

这些mRNA编码的是一些转录和翻译的调节因子。

卵子受精后，这些mRNA被翻译成蛋白质。

这些蛋白质不直接参与胚胎的构建，而是通过梯度分布形成形态发生场，而将整个受精卵的空间划分成不同命运的亚空间。

这些母源效应基因分成以下两类：

影响前后极性的基因：

分为3群，包括以bicoid（bcd）为主的前部群，以nanos（nos）为主的后部群，和以torso和cadual（cdl）为主的端部群。

影响背腹极性的的基因：

包括dorsal（dl）和toll等基因。

（一）、影响前后极性形成的基因及前后轴形成的分子机制

1、卵母细胞质极性调节的胚胎学证据

经典胚胎学实验证明，在昆虫卵子中至少有两个组织中心。

一个位于卵子的前端，另一个位于卵子的后端。

例如KlausSander在1975年发现，如果在发育的早期将卵子结扎，使胚胎的前半部与后半部分开，则一部分发育成胚胎的前部结构，另一部分发育成胚胎的后部结构。

但都没有发育出胚胎中部的结构。

如果结扎在较晚的发育阶段进行，则会缺少几个中间的体节。

因此，在卵裂过程中的确可能在两极存在形态发生梯度，而且这种梯度的相互作用产生的位置信息决定了每一个体节的特性。

而且。

当昆虫卵子前端的RNA被用紫外线或是RNA酶破坏时，所发育成的胚胎没有头部和胸部，而形成具有两个腹部和两个尾节成镜像对称排列的胚胎（figure9.9）。

因此，Sander的实验室提出在卵子的两端都存在梯度，并提出了卵子中隔离的mRNA产生了前端形成物质梯度的假说。

2、早期胚胎中的蛋白质梯度

在上世纪80年代后期，在果蝇胚胎发生的研究中，梯度假说与遗传学方法被结合起来。

如果存在梯度，是什么样的形态发生决定子其浓度能发生跨越空间的变化？

是什么基因规划了这种梯度？

这些形态发生决定子是激活还是抑制某些基因？

ChristianeNusslein-Volhard针对这些问题开展了研究。

这些研究人员发现，有一套基因编码了胚胎前部的形态发生决定子；另一套基因编码的形态发生决定子负责胚胎后部区域的组建；第三套基因编码的蛋白质负责制造胚胎两端的端部结构（figure9.10,Table9.1）。

3、母体效应基因mRNA在卵子中定位的机制

有4种母体效应mRNA在形成胚胎的前后轴中起关键的作用。

Bicoid和hunchbackmRNA，其蛋白质产物在形成头部和胸部中起关键作用。

Nanos和caudalmRNA，其蛋白质产物在形成腹部结构中起关键作用。

BicoidmRNA定位于未受精卵的前端，锚定在前端的微管上。

NanosmRNA附着在未受精卵后端的细胞骨架上。

Hunchback和caudal的mRNA分布在整个卵母细胞中。

这种分布在发育的卵母细胞中由微管来完成。

卵室前端的滤泡细胞合成mRNA，这些mRNA通过细胞骨架运转到卵母细胞中。

在此处，它们通过一系列马达蛋白与微管连接。

发育早期的果蝇卵母细胞中的微管的组装受卵母细胞本身位于卵室后端这一因素的影响。

在这里，卵母细胞中的Gurken蛋白告知端部的滤泡细胞要分化为后部而不是前部的滤泡细胞。

后端的滤泡细胞通过传送一个信号激活卵母细胞膜上的蛋白激酶A作出应答（figure9.11）。

这种激活引起微管的定向移动。

这时微管的生长端朝向卵母细胞的后端而不是朝向滤泡细胞。

Bicoid的mRNA在其3’—端的非编码区域含有一与Exuperantia和Swallow蛋白质相互作用的序列，这两个蛋白将bicoid的mRNA锚定到位于卵母细胞前端的微管组织中心的力蛋白上。

在bicoid的mRNA通过力蛋白固定到微管锚定端的同时，后端决定子通过马达蛋白KinesinI来进行定位。

这种蛋白质定位于微管的生长端。

KinesinI将结合oskar的mRNA和Staufen蛋白。

Staufen允许oskar的mRNA进行翻译。

产生的Oskar蛋白质能够与nanos的mRNA结合。

这样，在卵子发生结束时，bicoid的mRNA锚定在卵母细胞的前端，nanos的mRNA定位在卵母细胞的后端。

一旦受精，这些mRNA可以被翻译成蛋白质。

在前极，bicoid的mRNA翻译出Bicoid蛋白，形成一种在前端浓度最高的浓度梯度。

在后极，nanos的mRNA翻译出Nanos蛋白，形成在后端浓度最高的梯度。

Bicoid蛋白抑制caudal的翻译，从而caudal只能在受精卵的后部翻译。

相反，Nanos蛋白与Pumilio蛋白一起，结合到hunchback的mRNA上，阻止其在胚胎的后部翻译。

Bicoid也能通过结合到hunchback基因的加强子上，激活其转录而在胚胎的前端提高hunchback蛋白质的水平。

这种相互作用在早期胚胎中造成了4种蛋白质的浓度梯度（figure9.12）。

从前端到后端逐渐降低的Bicoid蛋白浓度梯度；

从前端向后端逐渐降低的Hunchback蛋白浓度梯度；

从后端向前端逐渐降低的Nanos蛋白浓度梯度；

从后端向前端逐渐降低的Caudal蛋白浓度梯度。

Bicoid，Hunchback及Caudal蛋白都是转录因子，它们的相对浓度能够激活或抑制特定合子核基因的表达。

4、前端组织中心：

Bicoid蛋白梯度

前端组织中心：

至少包括3个主要基因，其中bicoid是关键基因，exuperantia,swallow与bicoid的定位有关。

bicoid基因的mRNA定位于未受精卵的前端，通过不翻译的3’—端区域与Exuperantia以及Swallow蛋白相互作用，这两种蛋白质将bIcoidmRNA锚定在卵子前端细胞质内的微管中心的力蛋白上，形成前端组织中心。

在受精后数分钟内，bicoid被翻译成蛋白质。

产生的BECOID蛋白质由前向后扩散，从而形成由前向后逐渐降低的浓度梯度。

BICOID蛋白质的扩散有一定的限制，沿卵的纵轴方向延伸至一半的地方（figure9.10）。

Bicoid基因的突变导致BICOID蛋白的缺陷。

如果两个等位基因都突变产生有缺陷的蛋白质，则发育成的幼虫无头和胸，顶节也被一个反向的尾节所代替（figure9.13）。

相应地，如果在卵子发生时，使卵母细胞位于卵室的中间而不是在一端，则卵母细胞的两端都有滋养细胞（图3-18）。

由于两端的滋养细胞都向卵母细胞输送bicoidmRNA，造成bicoidmRNA在卵子的两端都分布。

这样的卵室中产生的卵子受精后发育成在两端各有一个头的双头幼虫。

双头幼虫也可以通过注射野生型bicoidmRNA到正常卵的后端部位产生（figure9.15）。

BICOID蛋白梯度被认为是提供位置信息。

当通过遗传操作，使母体卵子发生时有更多的bicoid被活化，从而使卵的前端BICOID蛋白的浓度增加时，头和胸的后部边沿都向后移，头、胸也相应增大。

在卵裂期的胚胎中，BICOID蛋白进入到胚胎前部区域细胞的细胞核中。

它是一个转录因子，含有α螺旋—β折叠—α螺旋的结构区（helix—turn—helixdomain），由该基因中的同源异型框（homeobox）区域编码。

由于具有这个结构域，BECOID蛋白可以结合到其他基因的启动子上，激活这些基因的表达。

被BICOID转录因子激活的下游基因是合子核基因。

高浓度的BICOID蛋白导致头特异性基因的激活，相对较低的浓度时导致胸特异性基因的激活。

结合到这些基因的启动子区域后，BICOID蛋白作为转录因子启动这些基因的转录和表达。

Hunchback（hb）是BICIOD转录因子调控的靶基因之一。

这是一个控制头胸部结构发育的重要基因。

Bc通过结合到hb的加强子区域而刺激其转录。

提高胚胎前端hb的浓度。

Hunchback的转录只发生在胚胎的前半部分，即Bicoid蛋白存在的区域。

Hunchback也是一个转录因子，，可以抑制腹部特异性基因的表达，从而允许hunchback表达的区域形成头部和胸部。

Bicoid蛋白也作为后部结构形成的的抑制因子起作用。

这种抑制是通过与caudal的mRNA结合而抑制其翻译而起作用的。

Caudal蛋白能激活负责后肠折叠的基因的表达而在胚胎后部区域的特化中起关键作用。

Bicoid蛋白结合到Caudal的mRNA3’—端非翻译区域（3’-untranslatedregion）的一个特定位置上，从而阻止其在胚胎的前部区域翻译成蛋白质（figure9.16）。

这种翻译的抑制是必要的，如果Caudal蛋白在胚胎的前部区域产生，则头部和胸部就不能正常形成。

5、后部组织中心：

nanos的定位和激活

后部组织中心是由nanos基因的活性能决定的。

nanosRNA由卵巢中的滋养细胞合成并运输到卵子的后端区域的。

nanos的mRNA通过其3’—端的非翻译区以及数个其他基因的产物（oskar,valois,vasa,staufen,andtudor）结合到卵子后端的细胞骨架上。

如果nanos或其他几个母体效应基因中的任何一个在母本中缺失，就不能形成腹部结构。

Nanos的mRNA在未受精卵中处于沉默状态（bedormant），因为它的3’—端非编码区域上被Smaug蛋白占据了。

受精后，可能是借助于Oskar蛋白质的作用，这种抑制在胚胎的后极被解除，Nanos蛋白得以合成。

并通过扩散而形成后高前低的浓度梯度。

Nanos通过抑制hunchback的mRNA翻译活性而产生作用。

在卵裂期胚胎的前部区域，hunchback的mRNA通过其

3’-UTR与Pumilio蛋白结合而能够翻译成Hunchbak蛋白质。

而在后部区域，Nanos结合到Pumilio蛋白上，而使hunchback的mRNA脱腺苷酸化（dadenylate），阻止其行使翻译功能。

如此，Bicoid在胚胎前部区域激活hunchback基因的转录，而Nanos在胚胎的后部区域抑制hunchbackmRNA的翻译，Bicoid和Nanos蛋白导致了受精卵中Hunchback浓度梯度的形成。

6、决定端部结构的基因系统