(发育生物学)10第十章果蝇胚轴形成

母源性bicoid蛋白控制合子型基因hunchback 的表达。
四种形态发生素在 果蝇受精卵和胚胎 中沿前后轴分布的 浓度变化。
hunchback又可开启一些
缺口基因如giant、krüppel
和knips等基因的表达。缺 口基因按一定顺序沿前后 轴进行表达 。
krüppel基因的活性受hunchback蛋白的控制。
母源性基因bicoid mRNA在卵子中的分 布以及受精后biocoid 蛋白的浓度梯度。
随着BCD蛋白在胚胎中的扩散， 这种蛋白质也开始降解——它 有着大约30分钟的半衰期。这 种降解对于建立起前后浓度梯 度是非常重要的。
bcd mRNA在 受精后迅速翻 译，形成BCD 蛋白从前到后 的梯度。突变 型的BCD均匀 分布，不能形 成前后浓度梯 度
作用的是nanos（nos）基因。
后端系统在控制图式形成中起的作用与前端系 统有相似之处，但发挥作用的方式与前端系统 不同。
后端系统并不像BCD蛋白那样起指导性的作用， 不能直接调节合子基因的表达，而是通过抑制 一种转录因子的翻译来进行调节。
在果蝇卵子发生过程中，nos mRNA定位于卵 子后极。nos基因的编码产物NANOS（NOS） 蛋白活性从后向前弥散形成一种浓度梯度。 NOS蛋白的功能是在胚胎后端区域抑制母性hb mRNA的翻译。
NOS对hb和bcd基因表达的抑制作用是在翻译 水平上进行的。
另一个重要的母源性产物caudal（cdl）mRNA
最初也是均匀分布于整个卵质内，BCD能抑制 cdl mRNA的翻译。在BCD活性从前到后降低 的浓度梯度作用下形成CDL蛋白从后到前降低 的浓度梯度。
cdl基因的突变导致腹部体节发育不正常。
DL蛋白定位于细胞 核中的机制。
cactus基因与DL蛋白能 否进入细胞核这一调控 过程有关。CACTUS与 DL结合时，DL蛋白不 能进入细胞核。
toll基因在这一系统中具有及其重要的作用。 TOLL是一种跨膜受体蛋白，其配体分子也是 母源性产物，是spätzle基因编码蛋白的裂解片 段。Spätzle蛋白由卵室腹侧的特异性滤泡细胞 产生，在胚胎发育的早期被释放定位于卵周隙 中。 Spätzle蛋白与DL受体结合并使之活化， 进而激发一系列细胞内信号传导，最终使 CACTUS蛋白降解，DL蛋白释放进而进入细 胞核。
四种形态发生素在 果蝇受精卵和胚胎 中沿前后轴分布的 浓度变化。
前端系统和后端 系统蛋白因子之 间的翻译调控确 立了果蝇的前后 轴。
4. 末端系统：TORSO信号途径
末端系统包括约9个母体效应基因。这个系统 基因的失活会导致胚胎不分节的部分，即前端 原头区和后端尾节，缺失。在这一系统中起关
键作用的是torso（tor）基因。
果蝇早期胚轴形成涉及一个由母体效应基因产 物构成的位置信息网络。在这个网络中，一定 浓度的特异性母源性RNA和蛋白质沿前 – 后轴 和背 – 腹轴的不同区域分布，以激活胚胎基因 组的程序。
有4组母体效应基因与果蝇胚轴形成有关，其 中3组与胚胎前 – 后轴的决定有关，另一组基 因决定胚胎的背腹轴。
system），决定胚胎的背 – 腹轴。
在卵子发生过程中，这些母体效应基因的 mRNA由滋养细胞合成转运至卵子，定位于卵 子的一定区域。这些mRNA编码转录因子或翻 译调控蛋白因子，它们在受精后立即翻译且分 布于整个合胞体胚盘中，激活或抑制一些合子 基因的表达，调控果蝇胚轴的形成。
这些母体效应基因的蛋白质产物又称为形态发 生素（morphogen）。
Toll蛋白的活化导致沿背腹轴方向细胞核之间dorsal蛋 白梯度的形成。
DL蛋白的浓度梯度通过对下游靶基因的调控， 控制沿背-腹轴产生区域特异性的位置信息。 这种浓度梯度在腹侧组织中可活化合子基因 twist （twi）和snail （sna）的表达，同时抑制 dpp和zen基因的表达，进而指导腹部结构的发 育。dpp和zen基因在胚胎背侧表达，指导背部 结构的发育。
与果蝇胚轴形成有关的4组母体效应基因：
决定前-后轴的3组母体效应基因包括： 1. 前端系统（anterior system）决定头胸部分
节的区域， 2. 后端系统（posterior system）决定分节的腹
部， 3. 末端系统（terminal system）决定胚胎两端
不分节的原头区和尾节。 另一组基因即背-腹系统（dorsoventral
缺口基因、成对控制基因以及体节极性基因共 同调节同源异型基因（homeotic gene）的表达， 决定每个体节的发育命运。
母源性基 因系统突 变后产生 的结果 。
果蝇躯体模式建成过 程中沿前后轴不同层 次基因内的表达。
不同组的基因 顺序表达沿前 后轴建立身体 的模式。
2. 前端组织中心
BICOID（BCD）蛋白浓度梯度
bcd mRNA由滋养细胞合成，后转移至卵细胞中并定 位于卵细胞的前极。
bicoid基因 对前端结构 的发育是必 需的 。
bcd mRNA 3’末端非翻译区中含有与其定位有 关的序列。
受精后bcd mRNA迅速翻译，BCD蛋白在前端 累积并向后端弥散，形成从前向后稳定的浓度 梯度，主要覆盖胚胎前2/3区域。
bcd 基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子。 另一母体效应基因hunchback（hb）是其靶基 因之一, 控制胚胎胸部及头部部分结构的发育。
hb在合胞体胚盘阶段开始翻译，表达区域主要 位于胚胎前部，HB蛋白从前向后也形成一种 浓度梯度。hb基因的表达受BCD蛋白浓度梯度 的控制，只有BCD蛋白的浓度达到一定临界值 才能启动hb基因的表达。
不同靶基因的启动子与BCD蛋白具有不同的亲 和力，BCD蛋白的浓度梯度可以同时特异性地 启动不同基因的表达，从而将胚胎划分为不同 的区域。
btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶基 因。
浓度梯度建立位 置信息的模型
3. 后端组织中心：
NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度
后端系统包括约10个基因，这些基因的突变都 会导致胚胎腹部的缺失。在这一系统中起核心
滋养细胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖体，
并通过细胞间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞里。
第二节 果蝇前 –- 后轴的形成
1. 果蝇前--后极性的产生
果蝇的胚胎，幼虫、成体的前后极性均来源于 卵子的极性。
对于调节胚胎前 – 后轴的形成有4个非常重要 的形态发生素：BICOID(BCD)和 HUNCHBACK(HB)调节胚胎前端结构的形成， NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)调节胚胎后端 结构的形成。
其NH2－基端位于细胞膜外，COOH基端位于 细胞膜内。当胚胎前、后端细胞外存在某种信 号分子（配体）时可使TOR特异性活化，最终 导致胚胎前、后末端细胞命运的特化。torsolike （tsl）基因可能编码这一配体。
末端系统：Torso信号途径
受体蛋白torso参与 胚胎末端的特化。
TOR与配体结合后，引起自身磷酸化，经一系列 信号传递，最终激活合子靶基因的表达。在卵子 发生过程中，tsl在卵子前极的边缘细胞和卵室后 端的极性滤泡细胞中表达。TSL蛋白被释放到卵 子两极处的卵周隙中，由于TOR蛋白过量，TSL 不会扩散末端区以外，从而保证tor基因只在末端 区被活化。
前端系统至少包括4个主要基因，其中bicoid
（bcd）基因对于前端结构的决定起关键的作用。
BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图式的功能。
bcd是一种母体效应基因，其mRNA由滋养细胞 合成，后转运至卵子并定位于预定胚胎的前极。 exuperantia、swallow和staufen基因与bcd mRNA 的定位有关。
第十章 果蝇胚轴形成
第一节 果蝇胚胎的极性 第二节 果蝇前--后轴的形成 第三节 果蝇背--腹轴的形成
胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化）， 而且要由这些细胞构成功能性的组织和器官并形成有 序空间结构的躯体模式（body plan）。
胚胎细胞形成不同组织、器官，构成有序空间结 构的过程称为图式形成（pattern formation）。
Nanos mRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中， 定位于卵细胞的后极。
母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立
hb基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基 因，hb mRNA在卵子中是均匀分布的。在卵裂 阶段HB蛋白开始合成。分布在胚胎后部的hb mRNA的翻译被NOS的浓度梯度所抑制，而在 前部BCD蛋白浓度梯度可以激活合子hb基因的 表达。结果HB蛋白的分布区域只位于胚胎前 半部分。
形态发生素调节首先表达的合子基因，即缺 口基因（gap gene）的表达。
不同浓度缺口基因的蛋白质产物引起成对控 制基因（pair-rule gene）的表达，形成与前后 轴垂直的7条表达带。
成对控制基因蛋白质产物激活体节极性基因 （segment polarity gene）的转录，进一步将胚 胎划分为14个体节。
除TSL外，末端系统所需要的其他成分如trk、 fssDN和fssDph在胚胎中都是均匀分布的。
第三节 果蝇背 -- 腹轴的形成
与果蝇胚轴形成有关的4组母体效应基因中， 背–腹系统最为复杂，涉及约20个基因。其中
dorsal（dl）等基因的突变会导致胚胎背部化，
即产生具有背部结构而没有腹部结构的胚胎。 与此相反，cactus等基因的突变则引起胚胎腹 部化，产生只具有腹部结构的胚胎。
第一节 果蝇胚胎的极性
果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前 -后轴和背-腹轴。
果蝇形体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进 行的。果蝇胚胎和幼虫沿前--后轴可分为头节、 3个胸节和8个腹节，两末端又分化出前面的原 头（acron）和尾端的尾节（telson）；沿背-腹轴分化为背部外胚层、腹侧外胚层、中胚层 和羊浆膜。