e43-2果蠅發(fā)育過程中的組織特異性基因表達

1、卵細剋卵細胞蛋白作用卵-具他闔控蛋I的垠|頭部mRNA翻譯詭控蛋剋環(huán)卵卵K的鞄,越園表達e43-2果蠅發(fā)育過程中的組織特異性基因表達雖然所有果蠅的發(fā)育都開始于一個單一的受精卵，但合子和卵細胞的細胞質(zhì)并不是均一的。事實上，一個卵細胞的內(nèi)部具有非常確定的mRNA和蛋白質(zhì)的分布，這種分布是在一個正在發(fā)育的卵母細胞受到它周圍的滋養(yǎng)細胞(nursecell)和卵泡細胞的作用下形成的。于是母系基因通過這些mRNA和蛋白質(zhì)對后面的發(fā)育進程產(chǎn)生極為重要的影響圖e43-2(l)。卵泡細胞埜因若達./卵泡細胞董白柞用頭部”mRNA圖e43-2(1)果蠅不同發(fā)育階段的基因表達在果蠅的發(fā)育過程中，有三類基因控制或調(diào)節(jié)

2、整個發(fā)育進程。(1)母系基因(maternalgene)這類基因編碼的是貯存在卵細胞內(nèi)的mRNA和蛋白質(zhì)，由它們決定正在發(fā)育的胚胎的前后軸和背腹軸的形成。前后軸(Theanterior-posterioraxis)又名頭尾軸(head-to-tailaxis)，大概由十幾個基因決定，比較重要的有nanos、bicoid、hunchback.、caudal和torso；背腹軸(Thedorsal-ventralaxis)也差不多由十來個基因決定，其中最重要的基因是toll和dorsal。nanos-mRNA和bicoid-mRNA的分布分別局限在卵母細胞的后極(posteriorpole)和前極

3、(anteriorpole)，這兩個基因決定未來胚胎的兩極。hunchback和caudal的mRNA也貯存在卵細胞內(nèi)，但在細胞質(zhì)內(nèi)呈均勻分布。nanos和bicoid的翻譯導(dǎo)致各自蛋白在細胞內(nèi)形成濃度梯度。濃度最高的區(qū)域應(yīng)該是各mRNA集中存在的細胞兩極。bicoid基因產(chǎn)物是激活合子的hunchback基因的表達，而nanos基因產(chǎn)物則抑制hunchback-mRNA(既在卵細胞又在合子內(nèi)表達)的翻譯。兩種基因作用的凈效果是在細胞的兩極之間形成Hunchback蛋白的濃度梯度。Bicoid蛋白還能阻遏貯存在細胞前端的caudal-mRNA的翻譯。于是，Caudal蛋白只存在于細胞的后端，從

4、而決定該端的形成；Hunchback蛋白本身又是一種轉(zhuǎn)錄激活因子，它能激活一系列分節(jié)基因的表達。因此，bicoid和hunchback編碼的產(chǎn)物調(diào)節(jié)其他發(fā)育基因的表達。換句話說，它們是啟動發(fā)育基因表達的主要激活蛋白。Torso蛋白在整個卵母細胞的質(zhì)膜上呈環(huán)形均勻分布，但它只在兩端有活性。Torso是一種受體酪氨酸激酶，只有在與配體結(jié)合以后才有活性。Torso的胚胎僅少量合成，貯存在卵細胞兩極的卵周間隙(perivitellinespace)。在受精以后，配體被釋放，并與Torso受體結(jié)合，后者的酪氨酸激酶活性被激活而導(dǎo)致其他激活合子基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)的磷酸化。對背腹軸建立起決定性作用的母系基因產(chǎn)

5、物是Toll蛋白受體。此種蛋白(如Torso蛋白)也在整個卵母細胞的質(zhì)膜上呈環(huán)形均勻分布。在受精以后，Toll受到Spatzle蛋白片段的激活。Spatzle蛋白片段僅在卵母細胞/合子的腹部區(qū)域相反的卵周間隙中產(chǎn)生。被激活的Toll蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號是促使Cactus蛋白的降解。Cactus蛋白通常阻止Dorsal蛋白進入細胞核，而使Dorsal蛋白無法去激活轉(zhuǎn)錄。(2)分節(jié)基因(segmentationgene)這些基因?qū)儆诤献踊钚曰?在受精后被激活)，它們決定體節(jié)的數(shù)目以及每個體節(jié)具有正確的極性，可進一步分為間隙基因(gapgene)，對律基因(pair-rulegene)和體節(jié)極性基因(s

6、egmentpolaritygene)三組圖e43-2(2)。這三組基因也是等級關(guān)系，間隙基因控制對律基因，對律基因控制體節(jié)極性基因。JI正常早期胚胎馬期腿胎忸節(jié)極性基因geIf吏變悴E常網(wǎng)p基因pair-rule基因合子極早期胚胎突變體突變怖圖e43-2(2)分節(jié)基因?qū)w節(jié)形成的影響間隙基因決定胚胎沿前后軸大概的分節(jié)計劃，這一亞類基因的缺失可導(dǎo)致體節(jié)數(shù)目減少；對律基因的表達產(chǎn)物將胚胎限定為七條帶，共由8個基因組成。這些基因的突變會導(dǎo)致每一對體節(jié)中的一部分區(qū)域缺失；體節(jié)極性基因(segmentpolaritygene)決定各個體節(jié)的極性，即讓每個體節(jié)的前端不同于后端，這一亞類基因的缺失可導(dǎo)致各

7、體節(jié)具有相似的前端和后端。間隙基因是在合子內(nèi)首先被激活轉(zhuǎn)錄的基因，例如hunchback基因。Hunchback有助于調(diào)節(jié)其他間隙基因的表達，包括kr祝ppel、knirps和giant。這種調(diào)節(jié)的凈效應(yīng)是相應(yīng)的基因產(chǎn)物呈受限的表達樣式，即不同的基因產(chǎn)物形成局部的表達條帶。這樣不難看出體節(jié)是如何開始形成的。對律基因在發(fā)育的胚胎中層高度局部性表達。最重要的三種初級基因是hairy、even-skipped和runt。而被深入研究的次級基因是fushitarazu。初級對律基因的基因表達受間隙基因產(chǎn)物的激活，次級對律基因表達則受到初級對律基因產(chǎn)物的激活。體節(jié)極性基因負責(zé)確定各泛體節(jié)的界限，其中兩種

8、重要的是engrailed和wingless，前者僅在泛體節(jié)的前面的分界有活性，后者只在泛體節(jié)的后面的分界有活性。(3)同源異形基因(homeoticgene)這一類基因通過控制在體節(jié)內(nèi)發(fā)育的器官的性質(zhì)來決定每一體節(jié)的性質(zhì)圖e43-2(3)。一個同源異形基因的突變通常表現(xiàn)為一個身體的器官出現(xiàn)在錯誤的地方。在果蠅基因組上有兩類主要的同源異形基因簇：一是雙胸復(fù)合體(bithoraxcomplex，BX-C),另一類是觸角足復(fù)合體(antennapediacomplex，ANT-C)。BX-C位于染色體上的5-端，包含了三個基因，主要是控制身體后端的發(fā)育；而ANT-C則是位于染色體的3-端，包含了五

9、個基因，主要控制身體前端的發(fā)生。當簇內(nèi)的某個同源異形基因發(fā)生缺失時，會使得該基因控制的部位發(fā)生異常，例如，當果蠅的bx基因突變時，會使得果蠅的第三胸節(jié)(T3)發(fā)育成第二胸節(jié)。圖e43-2(3)果蠅的同源異形基因的排列在果蠅體內(nèi)所有的同源異形基因皆含有一段高度保守的DNA序列，命名為同源異形盒(homeobox),共有180個bp，可以翻譯出60個氨基酸并且形成特殊的結(jié)構(gòu)域，稱為同源異形結(jié)構(gòu)域(homeodomain)。同源異形結(jié)構(gòu)域?qū)儆赽-HTH家族轉(zhuǎn)錄因子中的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。從酵母到人類，皆含有一段高度保守性的同源異形盒序列。這種現(xiàn)象顯示，這些物種中所含有的同源異形盒基因皆是從同一原始基因

10、通過串聯(lián)基因重復(fù)(tandemgeneduplication)的方式演化而來的。果蠅的同源異形基因與其他動物(包括人)的同源異形基因高度同源。這意味著胚胎發(fā)育過程中的遺傳控制機制在6.5億年的進化長河中被基本保留?，F(xiàn)在，凡是含有同源異形盒序列的基因，皆稱為同源異形盒基因(homeoboxgene)或同源異形基因(homeogene)。這類基因表達出來的蛋白質(zhì)則稱為同源異形蛋白。在脊椎動物體內(nèi)，同源異形盒序列基因的簇群很大，大約有170個不同的同源異形盒序列基因已被克隆。脊椎動物的同源異形基因有一類為串群性的同源異形盒序列基因，如同果蠅的HOM-C。脊椎動物方面Hox基因表示，其中人類的基因是以大寫斜體代表，如HOXA4。老鼠的基因則以第一字母大寫為代表，如Hoxa-4。以