果蝇胚胎早期

DevelopmentalBiology第四章果蝇胚胎早期发育的分子基础DevelopmentalBiology一、果蝇胚胎发育概况DevelopmentalBiology二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定母体基因产物量或活性形成空间分布上的差异，在A－P和D－V轴线的不同区域激活不同的基因，使不同区域的基因活性谱不同而出现分化。DevelopmentalBiology1.A－P轴线由三类母体基因控制：突变鉴定anteriorclass,posteriorclass,terminalclass.DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiology2.Bicoid基因提供A－P轴线形态素梯度Bicoid编码一种转录因子。其突变体缺失头胸结构，原头区由尾区取代。DevelopmentalBiologyBicoidmRNA和蛋白质的分布在未受精卵中，bicoidmRNA定位在胞质前端；其受精后翻译出的蛋白质沿AP轴扩散，形成浓度梯度，为胚胎的后续分化提供位置信息。Bicoid是控制头胸发育的一个关键母体基因，其不同浓度开启不同合子基因的表达。其它的前区母体基因主要涉及bicoidmRNA在未受精卵中的定位及控制其翻译。DevelopmentalBiology3.Nanos和Caudal蛋白梯度控制后区结构Nanos决定后部区的发育，它在受精后形成P－A浓度梯度，其作用是与hunchbackmRNA结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成Hunchback蛋白梯度。nanosDevelopmentalBiologyNanos控制hunchbackmRNA翻译的机制DevelopmentalBiologyA－P轴线形成模式Hunchback：母体mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的Bicoid蛋白激活合子hunchback基因的表达，从而帮助形成hunchback蛋白浓度梯度。Caudal:母体mRNA在卵中均匀分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前区的表达，因而Caudal蛋白形成类似于nanos的浓度梯度。DevelopmentalBiology4.卵膜表面受体的激活决定胚胎AP轴的两个端点torso突变体缺少原头区和尾区，torso蛋白为酪氨酸激酶类受体。未受精前，torso已均匀地分布在卵的质膜上。但其腺体torsolike定位在两端的卵外膜(vitellinemembrane)上，不能与torso结合。受精时，torsolike得以释放，torsolike与torso结合,torso活化，启动信号传导。Torsolike蛋白的存在量很低，受精后其扩散距离有限。其突变体类似torso突变体。DevelopmentalBiology5.卵膜中的母体蛋白决定胚胎D－V极性DevelopmentalBiologyDorsal蛋白的V－D浓度梯度的形成DevelopmentalBiology6.卵发生过程中母体基因产物的合成及分布DevelopmentalBiology卵子发生过程中某些基因特异性表达DevelopmentalBiology卵母细胞A－P极性的确定DevelopmentalBiology在受精前腹部的卵泡细胞合成Pipe、Windbeutel、Nudel，定位在腹部卵外膜上，受精后经一系列反应，最终使卵周质腹部区的Dorsal蛋白释放进入核中，启动腹部特异性基因的表达。卵母细胞D－V极性的确定DevelopmentalBiology三、受精后合子基因的表达DevelopmentalBiology1.Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因Dorsal预置中胚层twist和snail中胚层特异性基因预置腹部外胚层rhomboidVentralizedembryos:snail和twist基因在所有细胞中都表达，而dpp、tolloid、zerknullt在所有细胞中都不表达。Dorsalizedembryos:基因表达状态与ventralizedembryos中相反。DevelopmentalBiology2.背部命运决定于Decapentaplegic(dpp)dpp编码信号蛋白，给胚胎大量注射dppmRNA导致外胚层全部发育为羊浆膜，一定的高浓度dpp使腹部外胚层命运改变为背部外胚层命运。Dpp浓度梯度形成机制如下图：DevelopmentalBiology3.Gap基因的表达使胚胎沿AP轴线区域化Gap基因是指那些在受精后最早沿AP轴线呈区域性表达的合子基因。Gap基因的表达特定：(1).都编码转录因子；(2).都在多核胚期开始表达；(3).其产物的半衰期一般较短，仅数分钟，因而它们的扩散距离较短；(4).其表达局限在一定的区域，其突变会导致胚胎在该区域及附近区域的缺失。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiologyGAP基因突变体DevelopmentalBiology母体bicoid蛋白激活合子hunchback的表达，hunchback蛋白再为其它Gap基因的表达提供位置信息DevelopmentalBiology转基因实验证明hunchback合子基因的表达区域DevelopmentalBiology一定浓度的hunchback蛋白激活kuppel基因的表达，而高浓度的hunchback则对后者起抑制作用。DevelopmentalBiology四、Pair-rule基因的表达界定胚胎的类体节1.类体节(parasegment)由pair-rule基因活性界定在原肠作用开始后，胚胎表面沿AP轴线出现一些过渡性的浅沟，将胚胎分为14个区域，这些区域即为类体节。每个类体节受一套特定的基因的控制，做为独立的发育单位，将逐渐获得自身特有的特性。原肠期后，胚胎沿AP轴线出现有规则的节段，即体节(segments)，每个体节有不同的特性及发育命运。体节是在类体节的基础上形成的，即一个体节是由前一个类体节的后半部和下一个类体节的前半部组成。DevelopmentalBiology类体节与体节的关系及其发育命运DevelopmentalBiology类体节的边界由pair-rule基因活性决定。它们的表达特点包括：(1).每个基因只在半数类体节中表达，如even-skipped在奇数类体节(1、3、5、7、9、11、13)中表达，而fushitarazu在偶数类体节中表达。表达横纹一般只有3个细胞宽。(2).绝大多数编码转录因子，表达开始于胚胎细胞化前夕。eveftzDevelopmentalBiologyPair-rule基因的突变导致胚胎缺失相应的区域DevelopmentalBiology2.Pair-rule基因的不同表达横纹由不同的调控区控制DevelopmentalBiologyPair-rule基因的每个表达横纹由一组Gap转录因子控制Pair-rule基因表达的间隔性重复，无法通过单一浓度梯度来控制，而是由多个转录因子来控制。例如，Even-skipped在第三类体节中的表达受bicoid和hunch-back的激活，而受giant和kuppel的抑制。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiology五、体节极性基因(segmentpolaritygenes)与细胞谱系的建立体节极性基因是指在pair-rule基因表达之后立即表达的基因，它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运。这些基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。类体节之间或体节之间均没有细胞的相互迁移。DevelopmentalBiologyEngrailed是确定类体节和体节边界的关键基因，它在每个类体节的前部表达，占居一行细胞，从而确定了类体节的前部边界。体节出现后，它在每个体节的后部表达，将一个体节分成前后两个区域，两个区域内的细胞不发生交换，各自有不同的发育命运。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiologyEngrailed的表达受高浓度fushitarazu和even-skipped的激活DevelopmentalBiology体节边界的维持机制：pair-rule基因的表达时间较短，不足以维持体节极性基因的长期表达，后者必须依赖于另外的机制。高浓度eve或ftz激活eng基因，不表达eve和ftz的区域表达wingless，其后Eng和Wingless间的互作使二者的表达都得以维持，从而使体节边界得到巩固。DevelopmentalBiology体节内细胞命运的确定同一体节内不同区域的表皮角质结构有所不同，这可能是由Hedgehog和Wingless的梯度分布控制，或者由它们作用于相邻细胞、逐级传递诱导信号。DevelopmentalBiology六、不同体节的发育命运决定于homeoticselectorgenesHomeoticselectorgenes是指在体节边界建立之后，用来控制每个体节的特征结构发育的基因，它们编码homeodomain(含60aa)转录因子。果蝇的绝大多数homeoticselectorgenes位于第三染色体上的两个区域，即Antennapediacomplex和bithoraxcomplex。它们的表达区与其在染色体上的位置相关，控制其表达区的结构的发育(seenextslide)。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiologyUltrabithorax缺失后，第三胸节(T3)的平衡棒会象T2一样长出一对翅膀Homeoticselectorgenes突变将改变其表达区的结构DevelopmentalBiology如果使原来只在T1表达的Antennapedia也在头部表达，则头窝中长出的不是触角而是腿。DevelopmentalBiologyHomeoticselectorgenes的表达调控Homeoticselectorgenes的表达受Gap和Pair-rule基因的控制。如abdA和abdB受到Hunchback和Kuppel的抑制，使腹部基因不能在头部和胸部表达。Ubx的激活需要一定浓度的Hunchback,Antp由Kuppel激活。AbdA7UbxAntpDevelopmentalBiologyBithorax基因的发育控制区的鉴定结论：ubx:P5、P6abdA:P7-9abdB:P10-13DevelopmentalBiologyHomeoticselectorgenes表达的长程调控PolycombProteins:与染色质上的homeoticgenes基因的调控区结合，使其处于非活性状态。TrithoraxProteins:与已经表达的homeoticgenes的调控区结合，维持其活性状态。DevelopmentalBiologyGap/Pair-ruleproteins(repressor)DevelopmentalBiology哺乳动物的Hox基因