果蠅體軸形成的分子機(jī)制

1、果蠅體軸形成的分子機(jī)制果蠅的卵、胚胎、幼蟲、成蟲都有明確的前后和背腹軸，在果蠅最初的發(fā)育中，由母源效應(yīng)基因及其編碼蛋白構(gòu)成位置信息的基本網(wǎng)絡(luò)，激活合子基因的表達(dá)，控制果蠅軀體模式的建立。1、果蠅胚胎的極性果蠅早期胚軸形成設(shè)計(jì)由母源效應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成的位置信息網(wǎng)絡(luò)，其中有3組與前-后軸形成有關(guān)，為前端系統(tǒng)；1組決定胚胎的背腹軸，即后端系統(tǒng)；還有一組決定背腹軸形成。2、果蠅前-后軸的形成在果蠅前-后軸的形成中，有四個(gè)非常重要的形態(tài)發(fā)生素：Biociod(BCD)和Hunchback(HB)調(diào)節(jié)胚胎前端結(jié)構(gòu)的形成；Nanos(NOS)和Candal(CDL)調(diào)節(jié)胚胎后端結(jié)構(gòu)的形成。1）前端組織中心： BC

2、D蛋白濃度梯度前端系統(tǒng)至少包括4個(gè)主要的基因，其中起關(guān)鍵作用的是BCD，bcd是一種母源效應(yīng)基因，在卵子發(fā)生時(shí)，bcd mRNA于滋養(yǎng)細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄，再轉(zhuǎn)運(yùn)至卵子中并定位于卵子前極。受精后迅速翻譯，BCD具有決定胚胎極性和組織空間圖示的功能。受精后BCD蛋白在前端積累并向后端彌散，形成從前向后穩(wěn)定的濃度梯度，主要覆蓋胚胎前2/3區(qū)域。bcd 基因也是同源異型框基因，BCD蛋白是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可與DNA特異性結(jié)合并激活合子靶基因的表達(dá)。BCD蛋白濃度梯度可以同時(shí)特意新啟動(dòng)不同基因的表達(dá)，從而將胚胎劃分為不同的區(qū)域。2）后端組織中心：Nanos蛋白和Candal蛋白濃度梯度后端系統(tǒng)在控制圖式形成中

3、起到作用與前端系統(tǒng)相似。決定胚胎后端的最初信息也是母源效應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，在卵子發(fā)生過程中，后端決定子Nanos(NOS)的mRNA在卵室前端的滋養(yǎng)細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄，通過轉(zhuǎn)運(yùn)定位到卵子后極，在成熟卵中定位于生殖質(zhì)。后端系統(tǒng)是通過抑制轉(zhuǎn)錄因子HB的翻譯起作用，該系統(tǒng)包括約10個(gè)基因，這些基因都是腹部圖示形成所必須的基因。NOS活性從后端向前彌散形成濃度梯度，在胚胎后部抑制hb mRNA的翻譯。HB蛋白的分布區(qū)域主要位于胚胎前半部分。另一個(gè)重要的母源效應(yīng)基因cdl 的mRNA最初也是均勻分布于整個(gè)卵質(zhì)中，BCD能抑制cdl mRNA的翻譯。在BCD活性從前到后降低的濃度梯度作用下形成CDL蛋白從后向前降低

4、的濃度梯度。cdl基因的突變導(dǎo)致腹部體節(jié)發(fā)育不正常。3）末端系統(tǒng)：Torso信號(hào)途徑如果前端后端系統(tǒng)都失活，果蠅胚胎仍可生成某些圖式，形成具有兩個(gè)尾節(jié)的胚胎，這與末端系統(tǒng)的建立有關(guān)。末端系統(tǒng)包括大約9個(gè)母源效應(yīng)基因，這個(gè)系統(tǒng)基因的失活會(huì)導(dǎo)致胚胎不分節(jié)的部分缺失，即前端原頭區(qū)和尾端尾節(jié)的缺失。末端系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的是torso(tor)基因。Tor基因編碼一種跨膜酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinase,RTK)。TOR蛋白在整個(gè)合胞體胚胎的表面表達(dá)，其NH2端序列位于細(xì)胞膜外，COOH端在細(xì)胞膜內(nèi)。當(dāng)胚胎前、后端細(xì)胞外存在某種信號(hào)分子時(shí)可使TOR特異性活化，最終導(dǎo)致胚胎

5、前、后末端細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)化。在卵子發(fā)生中，tsl在兩組特異性濾泡細(xì)胞中表達(dá)，即位于卵子前極邊緣細(xì)胞和卵室后極相對(duì)的極性濾泡細(xì)胞。配體TSL蛋白被分泌到卵子兩極圍卵隙中,通過與卵黃膜的結(jié)合而維系在兩極，直到TOR蛋白表達(dá)TSL才被釋放。由于存在過量的TOR蛋白，TSL不會(huì)擴(kuò)散到末端區(qū)以外，從而保證tor基因只在末端區(qū)有活性。3、背-腹軸的形成在果蠅發(fā)育過程中，控制背腹軸形成的大約有20多個(gè)基因，其中，dosol(dl)等基因的突變會(huì)導(dǎo)致胚胎背部化，即產(chǎn)生具有背部結(jié)構(gòu)而沒有腹部結(jié)構(gòu)的胚胎；cactus等基因的突變引起胚胎腹部化，產(chǎn)生只具有腹部的胚胎。背-腹系統(tǒng)的作用方式與末端系統(tǒng)有相似之處，通過局部

6、分布的信號(hào)分子，即定位于卵子腹側(cè)卵黃膜上的配體激活分布于腹側(cè)卵子質(zhì)膜上的受體，進(jìn)而調(diào)節(jié)合子基因的表達(dá)；另外還有toll基因，在合胞體胚盤階段，Toll蛋白在整個(gè)細(xì)胞膜表面表達(dá)；此外調(diào)節(jié)DL蛋白進(jìn)入細(xì)胞核所涉及的基因還有pipe,nudel,windbentel等，在濾泡細(xì)胞中表達(dá)。4、分節(jié)基因與果蠅胚胎體節(jié)的形成分節(jié)基因的功能是把早期胚胎沿前-后軸分為一系列重復(fù)的體節(jié)原基，突變會(huì)導(dǎo)致體節(jié)或部分體節(jié)缺失，包括3類基因：缺口基因、成對(duì)控制基因、體節(jié)極性基因，這三類基因的調(diào)控是逐級(jí)進(jìn)行的。1）缺口基因通常最初直接受母體效應(yīng)基因的調(diào)控。缺口基因最初通常在整個(gè)胚胎中都有較弱的表達(dá)，然后隨著卵裂的進(jìn)行逐漸

7、變成一些不連續(xù)的區(qū)域。缺口基因的表達(dá)最初由母體效應(yīng)基因啟動(dòng)；缺口基因的表達(dá)區(qū)域比較寬，相當(dāng)于3個(gè)體節(jié)，表達(dá)區(qū)之間可有部分重疊。2）成對(duì)控制基因的表達(dá)區(qū)域以兩個(gè)體節(jié)為單位且具有周期性，在相互間隔的一個(gè)副體節(jié)中表達(dá)。成對(duì)控制基因的作用是把胚體分隔成為一系列重復(fù)的體節(jié)，并且進(jìn)一步控制體節(jié)極性基因的表達(dá)。3）體節(jié)極性基因是）在每一體節(jié)的特定區(qū)域細(xì)胞中表達(dá)。）在每一體節(jié)的特定區(qū)域細(xì)胞中表達(dá)。engrailed（en）和wingless（wg）基因是最重要的體節(jié)極性基因。前者在每一副體節(jié)最前端的一列細(xì)胞中表達(dá)，而后者在每一副體節(jié)的最后一列細(xì)胞中表達(dá)，這兩個(gè)基因的表達(dá)界限正好確立了副體節(jié)的界線。4）同源異型

8、基因的表達(dá)主要調(diào)控體節(jié)界限確立后每個(gè)體節(jié)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步特化。果蠅大部分同源異型選擇者基因位于3號(hào)染色體相鄰的兩個(gè)區(qū)域，其一為觸角足復(fù)合體Antp-C，另一個(gè)為雙胸復(fù)合體BX-C，二者統(tǒng)稱同源異型復(fù)合體HOM-C。HOM-C基因的結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，有的基因有多個(gè)啟動(dòng)子和多個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，其另一個(gè)重要特征是都含有一段的保守序列，稱為同源異型框。羊膜類（雞和小鼠）體軸形成的分子機(jī)制 鳥類：鳥類胚胎的體軸形成在原腸時(shí)期完成，但背腹軸特化開始與卵裂期，其標(biāo)志是上下胚層的分化。上胚層的外表面即向清蛋白的一面形成預(yù)定胚胎背部，向胚盤下腔的一面形成預(yù)定胚胎腹部，胚盤舉起的區(qū)域是預(yù)定胚胎的后端邊緣區(qū)，也是原條開始

9、形成的位置和胚胎的后端，而原條延伸的方向則指向胚胎的前端，隨著原腸作用的進(jìn)行，原條從胚胎后端向前端延伸，胚胎前-后軸逐漸建立。哺乳類：小鼠胚胎從輻射對(duì)稱到兩側(cè)對(duì)稱的轉(zhuǎn)化發(fā)生在發(fā)育的5.5天，是由前端一團(tuán)特異性表達(dá)hex基因的AVE（anterior visceral endoderm)細(xì)胞，這些AVE細(xì)胞所在的位置是前端的標(biāo)志。原條是羊膜類動(dòng)物原腸作用的組織中心，也是原腸胚期胚胎的中軸性結(jié)構(gòu)。在原腸作用中，整個(gè)上胚層細(xì)胞經(jīng)歷了大規(guī)模的遷移，特別是AVE向前端遷移和近端上胚層細(xì)胞的向后遷移，是導(dǎo)致胚胎轉(zhuǎn)動(dòng)的直接原因。哺乳動(dòng)物胚胎前-后軸的形成必須受兩個(gè)信號(hào)中心調(diào)控，一個(gè)是位于原條前端的原節(jié)（組織者），另一個(gè)位于前端內(nèi)臟內(nèi)胚層（AVE）。原節(jié)能夠產(chǎn)生Chordin和Noggin,AVE表達(dá)幾種頭部形成必需的基因，包括編碼轉(zhuǎn)錄因子Hesx-1、Lim-1、Otx-2的基因和旁分泌因子Cerberus的基因。在哺乳動(dòng)物的胚胎發(fā)育中，胚外組織與胚胎