Developmental Biology第十章第十章 果蝇躯体模式建立果蝇躯体模式建立的分子基础的分子基础Developmental Biology一、果蝇胚胎的极性一、果蝇胚胎的极性卵、胚胎、幼虫和成体卵、胚胎、幼虫和成体均具有明确的前均具有明确的前-后轴后轴和背和背-腹轴。腹轴。前前-后轴：后轴： 头节、胸节、腹节，头节、胸节、腹节，原头和尾节背背-腹轴：腹轴： 羊浆膜、背部外胚层、羊浆膜、背部外胚层、腹侧外胚层、中胚层腹侧外胚层、中胚层Developmental Biology二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定母体基因产物量或母体基因产物量或活性形成空间分布活性形成空间分布上的差异，上的差异，在在AP和和DV轴线的不轴线的不同区域激活不同的同区域激活不同的基因，使不同区域基因，使不同区域的基因活性谱不同的基因活性谱不同而出现分化。而出现分化。Developmental Biology1. AP轴线由三类母体基因控制轴线由三类母体基因控制：突变鉴定突变鉴定anterior class, posterior class, terminal class.Developmental BiologyDevelopmental Biology2. Bicoid基因提供基因提供A AP P轴线形态素梯度轴线形态素梯度Bicoid编码一编码一种转录因子。种转录因子。其突变体缺失其突变体缺失头胸结构，原头胸结构，原头区由尾区取头区由尾区取代。代。Developmental BiologyBicoid mRNAmRNA和蛋白质的分布和蛋白质的分布在未受精卵中，在未受精卵中，bicoid mRNA定定位在胞质前端；位在胞质前端；其受精后翻译其受精后翻译出的蛋白质沿出的蛋白质沿AP轴扩散，形轴扩散，形成浓度梯度，成浓度梯度，为胚胎的后续为胚胎的后续分化分化提供位置提供位置信息信息。Bicoid是控制头胸发育的一个关键母体基因，其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区母体基因主要涉及bicoid mRNA在未受精卵中在未受精卵中的定位及控制其翻译的定位及控制其翻译。Developmental Biology3. Nanos3. Nanos和和CaudalCaudal蛋白梯度控制后区结构蛋白梯度控制后区结构 Nanos决定后部区的发育，它在受精后形成决定后部区的发育，它在受精后形成PA浓度梯度，其作用是与浓度梯度，其作用是与 hunchback mRNA结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成Hunchback蛋白梯度。蛋白梯度。nanosDevelopmental BiologyNanos控制hunchback mRNA翻译的机制Developmental BiologyA AP P轴线形成模式轴线形成模式Hunchback：母体母体mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的Bicoid蛋白蛋白激活合子激活合子hunchback基因的表达，从而帮助形成基因的表达，从而帮助形成hunchback蛋白浓度梯度。蛋白浓度梯度。 Caudal: 母体母体mRNA在卵中均匀分布，受精后在卵中均匀分布，受精后bicoid蛋白抑制其在前区蛋白抑制其在前区的表达，因而的表达，因而Caudal蛋白形成类似于蛋白形成类似于nanos的浓度梯度。的浓度梯度。Developmental Biology4. 4. 卵膜表面受体的激活决定胚胎卵膜表面受体的激活决定胚胎APAP轴的两个端点轴的两个端点 torso突变体突变体缺少原头区和尾区，缺少原头区和尾区，torso蛋白为酪氨酸激酶类受体。蛋白为酪氨酸激酶类受体。 未受精前，未受精前，torso已均匀地分布已均匀地分布在卵的质膜上在卵的质膜上。但其配体。但其配体torsolike定位在两端的卵外膜定位在两端的卵外膜 (vitelline membrane)上，不能与上，不能与torso结合。结合。 受精时，受精时，torsolike得以释放，得以释放，torsolike与与torso结合结合, torso活化，活化，启动信号传导。启动信号传导。 Torsolike蛋白的存在量很低，蛋白的存在量很低，受精后其扩散距离有限。其突变体受精后其扩散距离有限。其突变体类似类似torso突变体。突变体。Developmental Biology5. 5. 卵膜中的母体蛋白决定卵膜中的母体蛋白决定胚胎胚胎D DV V极性极性Developmental Biology Dorsal蛋白蛋白的的VD浓度梯度的形成浓度梯度的形成Developmental Biology三、受精后合子基因的表达三、受精后合子基因的表达Developmental Biology 1. Dorsal1. Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因激活腹部合子基因、抑制背部基因 Dorsal 预置中胚层预置中胚层twist和和snail 中胚层特异性基因中胚层特异性基因 预置腹部外胚层预置腹部外胚层rhomboidVentralized embryos: snail和和twist基因在所有细胞中都表达，而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。在所有细胞中都不表达。Dorsalized embryos: 基因表达状态与基因表达状态与ventralized embryos中相反。中相反。Developmental Biology 2. 2. 背部命运决定于背部命运决定于Decapentaplegic (dpp)Decapentaplegic (dpp) dpp编码信号蛋白，给胚胎大量注射编码信号蛋白，给胚胎大量注射dpp mRNA导致外胚导致外胚层全部发育为羊浆膜，一定的高浓度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使腹部外胚层命运改变为背部外胚层命运。变为背部外胚层命运。Dpp浓度梯度形成机制如下图：浓度梯度形成机制如下图：Developmental Biology3. Gap3. Gap基因的表达使胚胎沿基因的表达使胚胎沿APAP轴线区域化轴线区域化 Gap基因基因是指那些在受精后最早沿是指那些在受精后最早沿AP轴线呈区域轴线呈区域性表达的合子基因。性表达的合子基因。 Gap基因的表达特性：基因的表达特性：(1). 都编码转录因子；都编码转录因子；(2). 都在多核胚期开始表达；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，因而它们其产物的半衰期一般较短，仅数分钟，因而它们的的 扩散距离较短；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其表达局限在一定的区域，其突变会导致胚胎在该该 区域及附近区域的缺失。区域及附近区域的缺失。Developmental BiologyDevelopmental BiologyGAP基基因因突突变变体体Developmental Biology母体母体bicoid蛋白激活合子蛋白激活合子hunchback的表达，的表达，hunchback蛋白再为其它蛋白再为其它Gap基因的表达提供位置信息基因的表达提供位置信息Developmental Biology转基因实验证明转基因实验证明hunchback合子基因的表达区域合子基因的表达区域Developmental Biology一一定定浓浓度度的的hunchback蛋蛋白白激激活活kuppel基基因因的的表表达达，而而高高浓浓度度的的hunchback则则对对后后者者起起抑抑制制作作用用。Developmental Biology四、四、Pair-rule基因的表达界定胚胎的类体节基因的表达界定胚胎的类体节1.1.类体节类体节(parasegment)(parasegment)由由pair-rulepair-rule基因活性界定基因活性界定 在原肠作用开始后，胚胎表面沿在原肠作用开始后，胚胎表面沿AP轴线出现一些过渡轴线出现一些过渡性的浅沟，将胚胎分为性的浅沟，将胚胎分为14个区域，这些区域即为个区域，这些区域即为类体节。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。单位，将逐渐获得自身特有的特性。 原肠期后，胚胎沿原肠期后，胚胎沿AP轴线出现有规则的节段，即轴线出现有规则的节段，即体节体节(segments)，每个体节有不同的特性及发育命运。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，即体节是在类体节的基础上形成的，即一个体节是由前一一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个类体节的后半部和下一个类体节的前半部组成。Developmental Biology类类体体节节与与体体节节的的关关系系及及其其发发育育命命运运Developmental Biology 类体节的边界由类体节的边界由pair-rule基因活性决定基因活性决定。它们的表达特点包括：。它们的表达特点包括：(1). 每个基因只在半数类体节中表达，如每个基因只在半数类体节中表达，如even-skipped在奇数类体节在奇数类体节(1、3、 5、7、9、11、13)中表达，而中表达，而fushi tarazu在偶数类体节中表达。表达横在偶数类体节中表达。表达横 纹一般只有纹一般只有3个细胞宽。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。绝大多数编码转录因子，表达开始于胚胎细胞化前夕。eveftzDevelopmental BiologyPair-rule基因的突变导致胚胎缺失相应的区域基因的突变导致胚胎缺失相应的区域Developmental Biology2 2. . P Pa ai ir r- -r ru ul le e基基因因的的不不同同表表达达横横纹纹由由不不同同的的调调控控区区控控制制Developmental BiologyPair-rulePair-rule基因的每个表达横纹由一组基因的每个表达横纹由一组GapGap转录因子控制转录因子控制Pair-rule基因表达基因表达的间隔性重复，的间隔性重复，无无法通过单一浓度梯法通过单一浓度梯度来控制度来控制，而是由，而是由多个转录因子来控多个转录因子来控制。例如，制。例如， Even-skipped在第三类体在第三类体节中的表达受节中的表达受bicoid和和hunch-back的激活，而受的激活，而受giant和和kuppel的抑的抑制。制。Developmental BiologyDevelopmental Biology五、体节极性基因五、体节极性基因(segment polarity genes)与细胞谱系的建立与细胞谱系的建立 体节极性基因体节极性基因是指在是指在pair-rule基因表达之后立即表达的基因表达之后立即表达的基因，基因，它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运。这些。这些基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。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。类体节之间或体节之间均没有细胞的相互迁移。Developmental BiologyEngrailed是确定类体节和体节边界的关键基因是确定类体节和体节边界的关键基因，它，它在每个类体节在每个类体节的前部表达的前部表达，占居一行细胞，从而确定了类体节的前部边界。体，占居一行细胞，从而确定了类体节的前部边界。体节出现后，它节出现后，它在每个体节的后部表达在每个体节的后部表达，将一个体节分成前后两个，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。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。Developmental BiologyDevelopmental BiologyEngrailed的表达受高浓度的表达受高浓度fushi tarazufushi tarazu和和even-skippedeven-skipped的激活的激活Developmental Biology体节边界的维持体节边界的维持机制：机制：pair-rule基基因的表达时间较短，因的表达时间较短，不足以维持体节极不足以维持体节极性基因的长期表达，性基因的长期表达，后者必须依赖于另后者必须依赖于另外的机制。外的机制。 高高浓度浓度eve或或ftz激活激活eng基因，基因，不表达不表达eve和和ftz的区的区域表达域表达wingless，其，其后后Eng和和Wingless间间的互作使二者的表的互作使二者的表达都得以维持，从达都得以维持，从而使体节边界得到而使体节边界得到巩固。巩固。Developmental Biology体节内细胞命运的确定体节内细胞命运的确定同一体节内不同区同一体节内不同区域的表皮角质结构域的表皮角质结构有所不同，这可能有所不同，这可能是由是由Hedgehog和和Wingless的梯度分的梯度分布控制，或者由它布控制，或者由它们作用于相邻细胞、们作用于相邻细胞、逐级传递诱导信号。逐级传递诱导信号。Developmental Biology六、不同体节的发育命运决定于六、不同体节的发育命运决定于 homeotic selector genes Homeotic selector genes是指在体节边界建立之后，用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，它们编码来控制每个体节的特征结构发育的基因，它们编码homeodomain(含含60aa)转录因子。转录因子。 果蝇的绝大多数果蝇的绝大多数homeotic selector genes位于第三染色体位于第三染色体上的两个区域，即上的两个区域，即Antennapedia complex和和bithorax complex。它们的表达区与其在染色体上的位置相关，控制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其表达区的结构的发育(see next slide)。Developmental BiologyDevelopmental BiologyUltrabithorax缺失缺失后，第三胸节后，第三胸节(T3)的平衡棒会象的平衡棒会象T2 一样长出一对翅膀一样长出一对翅膀Homeotic selector genes Homeotic selector genes 突变将突变将改变其表达区的结构改变其表达区的结构Developmental Biology如果使原来只在如果使原来只在T1表达的表达的Antennapedia也在头部表达，则也在头部表达，则头窝中长出的不是触角而是腿。头窝中长出的不是触角而是腿。Developmental BiologyHomeotic selector genes Homeotic selector genes 的表达调控的表达调控 Homeotic selector genes 的表达受的表达受Gap和和Pair-rule基因的控制。如基因的控制。如abdA和和abdB受到受到Hunchback和和Kuppel的抑制，使腹部的抑制，使腹部基因不能在头部和胸部表基因不能在头部和胸部表达。达。Ubx的激活需要一定的激活需要一定浓度的浓度的Hunchback, Antp由由Kuppel激活。激活。AbdA7UbxAntpDevelopmental BiologyHomeotic selector genesHomeotic selector genes表达的长程调控表达的长程调控Polycomb Proteins: 与染色质上的与染色质上的homeotic genes基因的调控区结合，基因的调控区结合， 使其处于非活性状态。使其处于非活性状态。Trithorax Proteins: 与已经表达的与已经表达的homeotic genes的调控区结合，维的调控区结合，维 持其活性状态。持其活性状态。Developmental BiologyGap/Pair-rule proteins (repressor)Developmental Biology哺哺乳乳动动物物的的H Ho ox x基基因因