《發(fā)育生物學(xué)》教學(xué)課件：10 胚軸形成

1、第十章 胚軸形成,胚胎不但要產(chǎn)生不同類(lèi)型的細(xì)胞（細(xì)胞分化），而且要由這些細(xì)胞構(gòu)成功能性的組織和器官并形成有序空間結(jié)構(gòu)的形體模式（body plan）。 胚胎細(xì)胞形成不同組織、器官，構(gòu)成有序空間結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為圖式形成（pattern formation）。,在動(dòng)物胚胎發(fā)育中，最初的圖式形成主要涉及胚軸（embryonic axes）形成及其一系列相關(guān)的細(xì)胞分化過(guò)程。胚軸指胚胎的前后軸（anterior -posterior axes）和背 腹軸（dorsal -ventral axis）。 胚軸的形成是在一系列基因的多層次、網(wǎng)絡(luò)性調(diào)控下完成的。,爪蟾尾芽期胚胎的前后軸、背腹軸和左右軸（中側(cè)軸），

2、互成垂直角度。,第一節(jié) 果蠅胚軸的形成,現(xiàn)已篩選到與胚胎前后軸和背腹軸形成有關(guān)的約50個(gè)母體效應(yīng)基因（maternal effect gene）和120個(gè)合子基因（zygotic gene）。通過(guò)對(duì)這些基因的研究，我們對(duì)果蠅胚軸形成的調(diào)控機(jī)制已有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。 在果蠅最初的發(fā)育中，由母體效應(yīng)基因構(gòu)建位置信息的基本網(wǎng)絡(luò)，激活合子基因的表達(dá)，控制果蠅形體模式的建立。,一、果蠅胚胎的極性 果蠅的卵、胚胎、幼蟲(chóng)和成體都具有明確的前-后軸和背-腹軸。 果蠅形體模式的形成是沿前-后軸和背-腹軸進(jìn)行的。果蠅胚胎和幼蟲(chóng)沿前-后軸可分為頭節(jié)、3個(gè)胸節(jié)和8個(gè)腹節(jié)，兩末端又分化出前面的原頭（acron）和尾

3、端的尾節(jié)（telson）；沿背腹軸分化為背部外胚層、腹側(cè)外胚層、中胚層和羊漿膜。,果蠅沿前后軸、背腹軸和中側(cè)軸建立形體模式。,果蠅的原腸作用。 AB，腹溝的形成與閉合；C，極細(xì)胞的形成；DE，生殖帶的遷移和逆轉(zhuǎn)；F，一齡幼蟲(chóng)。,果蠅幼蟲(chóng)與成體分節(jié)的比較。,早在20 世紀(jì)初，胚胎學(xué)家就注意到很多動(dòng)物定位于受精卵中特定部位的細(xì)胞質(zhì)與胚胎某些特定部位的發(fā)育有關(guān)。果蠅卵前、后極少量細(xì)胞質(zhì)的流失，會(huì)分別造成胚胎缺失頭胸部和腹部結(jié)構(gòu)，其他部位細(xì)胞質(zhì)的少量流失都不會(huì)影響形體模式形成。這說(shuō)明果蠅卵子前后極的細(xì)胞質(zhì)中含有與果蠅圖式形成有關(guān)的信息。,果蠅早期胚軸形成涉及一個(gè)由母體效應(yīng)基因產(chǎn)物構(gòu)成的位置信息網(wǎng)絡(luò)。在

4、這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一定濃度的特異性母源性RNA和蛋白質(zhì)沿前 后軸和背 腹軸的不同區(qū)域分布，以激活胚胎基因組的程序。 有4組母體效應(yīng)基因與果蠅胚軸形成有關(guān)，其中3組與胚胎前 后軸的決定有關(guān)，另一組基因決定胚胎的背腹軸。,決定前后軸的3組母體效應(yīng)基因包括：前端系統(tǒng)（anterior system）決定頭胸部分節(jié)的區(qū)域，后端系統(tǒng)（posterior system）決定分節(jié)的腹部，末端系統(tǒng)（terminal system）決定胚胎兩端不分節(jié)的原頭區(qū)和尾節(jié)。 另一組基因即背腹系統(tǒng)（dorsoventral system），決定胚胎的背 腹軸。,在卵子發(fā)生過(guò)程中，這些母體效應(yīng)基因的mRNA由滋養(yǎng)細(xì)胞合成轉(zhuǎn)運(yùn)至卵

5、子，定位于卵子的一定區(qū)域。這些mRNA編碼轉(zhuǎn)錄因子或翻譯調(diào)控蛋白因子，它們?cè)谑芫罅⒓捶g且分布于整個(gè)合胞體胚盤(pán)中，激活或抑制一些合子基因的表達(dá)，調(diào)控果蠅胚軸的形成。 這些母體效應(yīng)基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物又稱(chēng)為形態(tài)發(fā)生素（morphogen）。,滋養(yǎng)細(xì)胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖體，并通過(guò)細(xì)胞間橋的胼合體，單向轉(zhuǎn)運(yùn)到卵母細(xì)胞里。,二、果蠅前 后軸的形成 1. 果蠅前后極性的產(chǎn)生 果蠅的胚胎，幼蟲(chóng)、成體的前后極性均來(lái)源于卵子的極性。 對(duì)于調(diào)節(jié)胚胎前 后軸的形成有4個(gè)非常重要的形態(tài)發(fā)生素：BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)調(diào)節(jié)胚胎前端結(jié)構(gòu)的形成，NANOS(NOS)和CAU

6、DAL(CDL)調(diào)節(jié)胚胎后端結(jié)構(gòu)的形成。,形態(tài)發(fā)生素調(diào)節(jié)首先表達(dá)的合子基因，即缺口基因（gap gene）的表達(dá)。 不同濃度缺口基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物引起成對(duì)控制基因（pair-rule gene）的表達(dá)，形成與前后軸垂直的7條表達(dá)帶。,成對(duì)控制基因蛋白質(zhì)產(chǎn)物激活體節(jié)極性基因（segment polarity gene）的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)一步將胚胎劃分為14個(gè)體節(jié)。 缺口基因、成對(duì)控制基因以及體節(jié)極性基因共同調(diào)節(jié)同源異型基因（homeotic gene）的表達(dá)，決定每個(gè)體節(jié)的發(fā)育命運(yùn)。,母源性基因系統(tǒng)突變后產(chǎn)生的結(jié)果 。,果蠅形體模式建成過(guò)程中沿前后軸不同層次基因內(nèi)的表達(dá)。,不同組的基因順序表達(dá)沿前后軸建立

7、身體的模式。,2. 前端組織中心 BICOID（BCD）蛋白濃度梯度 前端系統(tǒng)至少包括4個(gè)主要基因，其中bicoid（bcd）基因?qū)τ谇岸私Y(jié)構(gòu)的決定起關(guān)鍵的作用。BCD具有組織和決定胚胎極性與空間圖式的功能。 bcd是一種母體效應(yīng)基因，其mRNA由滋養(yǎng)細(xì)胞合成，后轉(zhuǎn)運(yùn)至卵子并定位于預(yù)定胚胎的前極。exuperantia、swallow和staufen基因與bcd mRNA的定位有關(guān)。,bcd mRNA由滋養(yǎng)細(xì)胞合成，后轉(zhuǎn)移至卵細(xì)胞中并定位于卵細(xì)胞的前極。,bicoid基因?qū)η岸私Y(jié)構(gòu)的發(fā)育是必需的 。,bcd mRNA 3末端非翻譯區(qū)中含有與其定位有關(guān)的序列。 受精后bcd mRNA迅速翻譯，B

8、CD蛋白在前端累積并向后端彌散，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。,母源性基因bicoid mRNA在卵子中的分布以及受精后biocoid蛋白的濃度梯度。 隨著B(niǎo)CD蛋白在胚胎中的擴(kuò)散，這種蛋白質(zhì)也開(kāi)始降解它有著大約30分鐘的半衰期。這種降解對(duì)于建立起前后濃度梯度是非常重要的。,bcd mRNA在受精后迅速翻譯，形成BCD蛋白從前到后的梯度。突變型的BCD均勻分布，不能形成前后濃度梯度,bcd 基因編碼的BCD蛋白是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。另一母體效應(yīng)基因hunchback（hb）是其靶基因之一, 控制胚胎胸部及頭部部分結(jié)構(gòu)的發(fā)育。 hb在合胞體胚盤(pán)階段開(kāi)始翻譯，表達(dá)區(qū)域主要位于

9、胚胎前部，HB蛋白從前向后也形成一種濃度梯度。hb基因的表達(dá)受BCD蛋白濃度梯度的控制，只有BCD蛋白的濃度達(dá)到一定臨界值才能啟動(dòng)hb基因的表達(dá)。,母源性bicoid蛋白控制合子型基因hunchback 的表達(dá)。,四種形態(tài)發(fā)生素在果蠅受精卵和胚胎中沿前后軸分布的濃度變化。,hunchback又可開(kāi)啟一些缺口基因如giant、krppel和knips等基因的表達(dá)。缺口基因按一定順序沿前后軸進(jìn)行表達(dá) 。,krppel基因的活性受hunchback蛋白的控制。,不同靶基因的啟動(dòng)子與BCD蛋白具有不同的親和力，BCD蛋白的濃度梯度可以同時(shí)特異性地啟動(dòng)不同基因的表達(dá)，從而將胚胎劃分為不同的區(qū)域。 btd

10、、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶基因。,濃度梯度建立位置信息的模型,3. 后端組織中心： NANOS蛋白和CAUDAL蛋白濃度梯度 后端系統(tǒng)包括約10個(gè)基因，這些基因的突變都會(huì)導(dǎo)致胚胎腹部的缺失。在這一系統(tǒng)中起核心作用的是nanos（nos）基因。 后端系統(tǒng)在控制圖式形成中起的作用與前端系統(tǒng)有相似之處，但發(fā)揮作用的方式與前端系統(tǒng)不同。,后端系統(tǒng)并不像BCD蛋白那樣起指導(dǎo)性的作用，不能直接調(diào)節(jié)合子基因的表達(dá)，而是通過(guò)抑制一種轉(zhuǎn)錄因子的翻譯來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在果蠅卵子發(fā)生過(guò)程中，nos mRNA定位于卵子后極。nos基因的編碼產(chǎn)物NANOS（NOS）蛋白活性從后向前彌散形成一種濃度梯度。N

11、OS蛋白的功能是在胚胎后端區(qū)域抑制母性hb mRNA的翻譯。,Nanos mRNA也是由滋養(yǎng)細(xì)胞合成，后轉(zhuǎn)運(yùn)至卵細(xì)胞中，定位于卵細(xì)胞的后極。,母源性hunchback蛋白濃度梯度的建立,hb基因是在卵子發(fā)生過(guò)程中轉(zhuǎn)錄的母體效應(yīng)基因，hb mRNA在卵子中是均勻分布的。在卵裂階段HB蛋白開(kāi)始合成。分布在胚胎后部的hb mRNA的翻譯被NOS的濃度梯度所抑制，而在前部BCD蛋白濃度梯度可以激活合子hb基因的表達(dá)。結(jié)果HB蛋白的分布區(qū)域只位于胚胎前半部分。 NOS對(duì)hb和bcd基因表達(dá)的抑制作用是在翻譯水平上進(jìn)行的。,另一個(gè)重要的母源性產(chǎn)物caudal（cdl）mRNA最初也是均勻分布于整個(gè)卵質(zhì)內(nèi)，

12、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蛋白從后到前降低的濃度梯度。 cdl基因的突變導(dǎo)致腹部體節(jié)發(fā)育不正常。,四種形態(tài)發(fā)生素在果蠅受精卵和胚胎中沿前后軸分布的濃度變化。,前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)蛋白因子之間的翻譯調(diào)控確立了果蠅的前后軸。,4. 末端系統(tǒng)：TORSO信號(hào)途徑 末端系統(tǒng)包括約9個(gè)母體效應(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，即前端原頭區(qū)和后端尾節(jié)，缺失。在這一系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的是torso（tor）基因。 如果前端和后端系統(tǒng)都失活，果蠅胚胎仍可產(chǎn)生某些前后圖式，形成具有兩個(gè)尾節(jié)的胚胎。,Torso系統(tǒng)基因的失活會(huì)導(dǎo)致胚胎不分節(jié)的部

13、分，即前端原頭區(qū)和后端尾節(jié)，缺失,tor基因編碼一種跨膜酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinase，RTK），在整個(gè)合胞體胚胎的表面表達(dá)。 其N(xiāo)H2基端位于細(xì)胞膜外，COOH基端位于細(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（配體）時(shí)可使TOR特異性活化，最終導(dǎo)致胚胎前、后末端細(xì)胞命運(yùn)的特化。torso-like （tsl）基因可能編碼這一配體。,末端系統(tǒng)：Torso信號(hào)途徑,受體蛋白torso參與胚胎末端的特化。,TOR與配體結(jié)合后，引起自身磷酸化，經(jīng)一系列信號(hào)傳遞，最終激活合子靶基因的表達(dá)。在卵子發(fā)生過(guò)程中，tsl在卵子前極的邊緣細(xì)胞和卵室后端的極性濾泡細(xì)胞中表達(dá)

14、。TSL蛋白被釋放到卵子兩極處的卵周隙中，由于TOR蛋白過(guò)量，TSL不會(huì)擴(kuò)散末端區(qū)以外，從而保證tor基因只在末端區(qū)被活化。 除TSL外，末端系統(tǒng)所需要的其他成分如trk、fssDN和fssDph在胚胎中都是均勻分布的。,Torso信號(hào)傳導(dǎo)途徑,影響果蠅胚胎前后極性的母體效應(yīng)基因,A，母源性轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控缺口基因的轉(zhuǎn)錄；B，母源性轉(zhuǎn)錄因子在確定缺口基因表達(dá)位置時(shí)發(fā)揮重要作用。,三、果蠅背 腹軸的形成 與果蠅胚軸形成有關(guān)的4組母體效應(yīng)基因中，背腹系統(tǒng)最為復(fù)雜，涉及約20個(gè)基因。其中dorsal（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(méi)有腹部結(jié)構(gòu)的胚胎。與此相反，cactus等基因

15、的突變則引起胚胎腹部化，產(chǎn)生只具有腹部結(jié)構(gòu)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(guò)一種局部分布的信號(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)卵黃膜上的受體，進(jìn)而調(diào)節(jié)合子基因的表達(dá)。 背-腹系統(tǒng)對(duì)合子靶基因表達(dá)的調(diào)節(jié)方式與前端系統(tǒng)相似，通過(guò)一種轉(zhuǎn)錄因子的濃度梯度來(lái)完成。,但背腹系統(tǒng)濃度梯度形成的方式卻與前端系統(tǒng)完全不同。dl基因是這一信號(hào)傳導(dǎo)途徑的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，它編碼一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。dl mRNA和DL蛋白在卵子中是均勻分布。當(dāng)胚胎發(fā)育到第9次細(xì)胞核分裂之后，細(xì)胞核遷移到達(dá)合胞體胚盤(pán)的外周皮質(zhì)層，在腹側(cè)的DL蛋白開(kāi)始往核內(nèi)聚集，但背側(cè)的DL蛋白仍位于胞質(zhì)中。從而，使DL

16、蛋白在細(xì)胞核內(nèi)的分布沿背腹軸形成一種濃度梯度。,DL蛋白定位于細(xì)胞核中的機(jī)制。 cactus基因與DL蛋白能否進(jìn)入細(xì)胞核這一調(diào)控過(guò)程有關(guān)。CACTUS與DL結(jié)合時(shí)，DL蛋白不能進(jìn)入細(xì)胞核。,toll基因在這一系統(tǒng)中具有及其重要的作用。TOLL是一種跨膜受體蛋白，其配體分子也是母源性產(chǎn)物，是sptzle基因編碼蛋白的裂解片段。Sptzle蛋白由卵室腹側(cè)的特異性濾泡細(xì)胞產(chǎn)生，在胚胎發(fā)育的早期被釋放定位于卵周隙中。 Sptzle蛋白與DL受體結(jié)合并使之活化，進(jìn)而激發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，最終使CACTUS蛋白降解，DL蛋白釋放進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞核。,DL蛋白的濃度梯度通過(guò)對(duì)下游靶基因的調(diào)控，控制沿背-腹軸

17、產(chǎn)生區(qū)域特異性的位置信息。這種濃度梯度在腹側(cè)組織中可活化合子基因twist （twi）和snail （sna）的表達(dá)，同時(shí)抑制dpp和zen基因的表達(dá)，進(jìn)而指導(dǎo)腹部結(jié)構(gòu)的發(fā)育。dpp和zen基因在胚胎背側(cè)表達(dá)，指導(dǎo)背部結(jié)構(gòu)的發(fā)育。,Toll蛋白的活化導(dǎo)致沿背腹軸方向細(xì)胞核之間dorsal蛋白梯度的形成。,果蠅核蛋白dorsal沿背腹軸的梯度將身體分為不同部分的模型。,twist和dpp等基因的激活解讀dorsal蛋白的濃度梯度,Dpp蛋白的活性在sog蛋白的拮抗作用下局限于胚胎最背部的區(qū)域。,卵子發(fā)生過(guò)程中體軸的極化 果蠅卵子發(fā)生過(guò)程中，母源性的mRNA和蛋白是如何進(jìn)入卵子的？它們又是如何定位

18、于卵子中特定位置的呢？ 滋養(yǎng)細(xì)胞（nurse cell）合成大量的蛋白和mRNA通過(guò)胞質(zhì)橋（cytoplasmic bridge）轉(zhuǎn)運(yùn)至卵細(xì)胞中。濾泡細(xì)胞在決定卵軸極性方面發(fā)揮這重要的作用。,果蠅卵子的發(fā)育,果蠅卵子與15個(gè)滋養(yǎng)細(xì)胞相連，被一層濾泡細(xì)胞（700個(gè)左右）覆蓋。卵細(xì)胞和濾泡細(xì)胞協(xié)同作用確定將來(lái)卵子的背腹軸。圖示一個(gè)基因僅在卵細(xì)胞背前方的濾泡細(xì)胞中表達(dá)。,果蠅的卵細(xì)胞進(jìn)入卵室（egg chamber）的后端，與后端的濾泡細(xì)胞建立聯(lián)系。但卵細(xì)胞與前端的濾泡細(xì)胞被滋養(yǎng)細(xì)胞隔開(kāi)。卵細(xì)胞中合成gurken mRNA，而gurken蛋白在局部分泌。Gurken蛋白與后極濾泡細(xì)胞上表達(dá)的受體to

19、rpedo的結(jié)合引起相鄰的濾泡細(xì)胞特化為后極濾泡細(xì)胞。,后極濾泡細(xì)胞發(fā)送信號(hào)至卵細(xì)胞，重排細(xì)胞骨架微管，從而將BCD和oskar蛋白分別定位于卵的前端和后端確定了卵的前后軸。隨后卵細(xì)胞的核運(yùn)動(dòng)到將來(lái)的背側(cè)，gurken蛋白的局部釋放使相鄰的濾泡細(xì)胞特化為背部的濾泡細(xì)胞，卵子將來(lái)的背方也得到確定。,果蠅卵子發(fā)生過(guò)程中前后和背腹軸的特化。 濾泡細(xì)胞的相互作用可引起卵母細(xì)胞前后和背腹軸的特化 。,在卵子發(fā)生過(guò)程中，濾泡細(xì)胞背腹極性的獲得是由卵細(xì)胞的信號(hào)調(diào)控的。這個(gè)過(guò)程與TOR途徑有相似之處，但是信號(hào)傳遞的方式卻相反。這個(gè)信號(hào)傳遞途徑至少包括7個(gè)基因，這些基因的突變會(huì)影響卵殼和卵的極性。grk、top

20、或cni的突變產(chǎn)生腹部化的胚胎，而fs(1)k10、sqd、spir或capu的失活則產(chǎn)生背部化的卵和胚胎。,四、分節(jié)基因與胚胎體節(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。分節(jié)基因的突變可使胚胎缺失某些體節(jié)或體節(jié)的某些部分。根據(jù)分節(jié)基因的突變表型及作用方式可分為三類(lèi)：缺口基因、成對(duì)控制基因和體節(jié)極性基因，這三類(lèi)基因的調(diào)控是逐級(jí)進(jìn)行的。,首先由母體效應(yīng)基因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之間互相調(diào)節(jié)彼此的轉(zhuǎn)錄且共同調(diào)節(jié)成對(duì)控制基因的表達(dá)，然后成對(duì)控制基因之間相互作用，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)。所以，胚盤(pán)末期的每一個(gè)體節(jié)原基都具

21、有其獨(dú)特基因表達(dá)的組合，從而決定每個(gè)體節(jié)的特征。,缺口基因（gap gene）的表達(dá)區(qū)域?yàn)橐恍┹^寬的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的寬度約相當(dāng)于3個(gè)體節(jié)，表達(dá)區(qū)之間可有部分重疊。當(dāng)缺口基因突變時(shí)胚胎缺失相應(yīng)的區(qū)域。缺口基因直接受母體效應(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)，其表達(dá)圖式的維持可能依賴(lài)于缺口基因之間的相互作用。,Gap基因Krppel在果蠅胚胎發(fā)育過(guò)程中不同時(shí)期的表達(dá)。,成對(duì)控制基因（pair-rule gene)的表達(dá)區(qū)域以?xún)蓚€(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)。這些基因的功能

22、是把缺口基因確定的區(qū)域進(jìn)一步分成體節(jié)。 成對(duì)控制基因的表達(dá)是胚胎出現(xiàn)分節(jié)的最早標(biāo)志，它們?cè)诩?xì)胞化胚盤(pán)期第13次核分裂時(shí)表達(dá)。表達(dá)圖式沿前后軸形成一系列斑馬紋狀的條帶，將胚胎分為預(yù)定體節(jié)。,hunchback又可開(kāi)啟一些缺口基因如giant、krppel和knips等基因的表達(dá)。缺口基因按一定順序沿前后軸進(jìn)行表達(dá) 。,果蠅胚胎進(jìn)行細(xì)胞化之前 成對(duì)控制基因even-skipped （blue）和fushi tarazu（brown）的條紋狀表達(dá)模式。,Pair-rule 基因fushi tarazu在果蠅胚胎發(fā)育不同時(shí)期的表達(dá)。,有三個(gè)基因直接受到缺口基因的調(diào)控，即hairy、even-skipp

23、ed（eve）和runt基因，稱(chēng)為初級(jí)成對(duì)控制基因。缺口基因可以識(shí)別初級(jí)成對(duì)控制基因的啟動(dòng)子。 關(guān)于缺口基因的作用方式還不是很清楚。有些證據(jù)表明缺口蛋白對(duì)成對(duì)控制基因表達(dá)起抑制作用，但也有實(shí)驗(yàn)表明缺口基因既可以在一定的帶區(qū)活化基因表達(dá)，又可同時(shí)抑制其他表達(dá)帶區(qū)的形成。,成對(duì)控制基因hairy的表達(dá)模式,缺口基因的作用方式：既可以在一定的帶區(qū)活化基因表達(dá)，又可同時(shí)抑制其他表達(dá)帶區(qū)的形成。,缺口基因蛋白對(duì)even-skipped基因表達(dá)的調(diào)控。,體節(jié)極性基因（segment polarity gene）在每一體節(jié)的特定區(qū)域細(xì)胞中表達(dá)。engrailed（en）、hedgehog （hh）和wing

24、less（wg）基因是最重要的體節(jié)極性基因。前兩者在每一副體節(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。 果蠅晚期胚胎和幼體的每個(gè)體節(jié)由前一副體節(jié)的后區(qū)和后一副體節(jié)的前區(qū)構(gòu)成。,engrailed在每一副體節(jié)最前端的一列細(xì)胞中表達(dá)，確立了每一副體節(jié)的界限。,果蠅晚期胚胎（11期）中engrailed基因的表達(dá)。,體節(jié)極性基因engrailed在果蠅胚胎發(fā)育不同時(shí)期的表達(dá)。,體節(jié)極性基因的表達(dá)區(qū)域。,hedgehog、wingless和engrailed基因和蛋白在區(qū)室分界處的相互作用控制小齒模式的建成。,engrailed、wi

25、ngless和hedgehog的相互作用,hedgehog信號(hào)途徑。,果蠅早期胚胎、晚期胚胎和成體中副體節(jié)和體節(jié)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,在體節(jié)界限確定之后每個(gè)體節(jié)的結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步特化，此過(guò)程由主調(diào)節(jié)基因（master regulatory gene）或稱(chēng)為同源異型選擇者基因調(diào)控完成。同源異型選擇者基因的突變或異位表達(dá)可引起同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（homeotic transformation）。同源異型選擇者基因表達(dá)圖式的建立受成對(duì)控制基因和缺口基因的調(diào)控。 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(chēng)同源異型復(fù)合體HOM-C。,觸角

26、足復(fù)合體Antp-C和雙胸復(fù)合體BX-C同源異型框選擇者基因,雙胸復(fù)合體BX-C的突變導(dǎo)致翅膀和平衡棒之間的同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。,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(chēng)為同源異型框（homeobox）。含有同源異型框的基因統(tǒng)稱(chēng)為同源異型框基因（homeobox gene）。 由同源異型框編碼的同源異型結(jié)構(gòu)域（homeodomain）可形成與DNA特異性結(jié)合的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)（helix-turn-helix）。,HOM-C同源異型框形成與DNA特異結(jié)合的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)。,果蠅HOM-C的區(qū)域表達(dá)進(jìn)一步特化體節(jié)

27、。,果蠅HOM-C的表達(dá)使每一個(gè)體節(jié)被進(jìn)一步特化，這一機(jī)制在無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物中都十分保守。,Hox基因在小鼠體節(jié)中的表達(dá),目前對(duì)果蠅胚胎早期發(fā)育機(jī)制已基本了解，胚胎的前 后軸和背 腹軸分別獨(dú)立地由母體效應(yīng)基因產(chǎn)物決定。這些母體效應(yīng)基因主要編碼轉(zhuǎn)錄因子，它們的產(chǎn)物通常形成一種濃度梯度并產(chǎn)生特異的位置信息，以進(jìn)一步激活一系列合子基因的表達(dá)。隨著這些基因的表達(dá)，胚胎被分成不同的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域表達(dá)特異性基因的組合，沿前 后軸形成間隔性的圖式，即體節(jié)的前體形式。最后每一體節(jié)通過(guò)HOM-C基因的特異性表達(dá)而確定其特征。,第二節(jié) 兩棲類(lèi)胚軸形成,兩棲類(lèi)是調(diào)整型胚胎發(fā)育的典型模型，也是在胚軸形成機(jī)制方面了

28、解較多的脊椎動(dòng)物。 脊椎動(dòng)物胚軸的形成不僅與定位于囊胚期大量分裂球中的各種決定因子相關(guān)，更重要的作用機(jī)制則存在于以后的發(fā)育階段，發(fā)生在鄰近細(xì)胞之間的一系列相互作用。,兩棲類(lèi)胚胎的背- 腹軸和前-后軸是由受精時(shí)卵質(zhì)的重新分布而決定的。受精時(shí)在精子入卵處的對(duì)面產(chǎn)生有色素差異的灰色新月區(qū)，由此標(biāo)志預(yù)定胚胎的背側(cè)，精子進(jìn)入的一側(cè)發(fā)育成為胚胎的腹側(cè)。在動(dòng)物極附近的背側(cè)形成頭部，而與其相反的一側(cè)形成尾，從而形成胚胎的背-腹軸和前-后軸。中側(cè)軸或左右軸是隨著脊索的形成而確定的。,受精時(shí)的皮層轉(zhuǎn)動(dòng)形成兩棲類(lèi)的左右對(duì)稱(chēng)。,一、組織者和Nieuwkoop 中心 在原腸作用過(guò)程中，由組織者（organizer）誘導(dǎo)

29、背部外胚層形成中樞神經(jīng)系統(tǒng)的原基神經(jīng)管，并作用于側(cè)中胚層共同形成背-腹軸和前-后軸。 背唇細(xì)胞及其衍生物脊索和脊索中胚層雖然還不足以作為整個(gè)胚胎的誘導(dǎo)者，在以后器官原基形成和器官形成中都存在誘導(dǎo)作用，但組織者啟動(dòng)了胚胎發(fā)育中的一系列誘導(dǎo)事件。,組織者細(xì)胞在早期胚胎發(fā)育中的重要功能： 1）組織者能夠啟動(dòng)原腸作用； 2）組織者細(xì)胞有能力發(fā)育成背部中胚層包括前脊索板，脊索中胚層等； 3）組織者能夠誘導(dǎo)外胚層背部化形成神經(jīng)板，并使后者發(fā)育為神經(jīng)管。 4） 組織者能夠誘導(dǎo)其周?chē)闹信邔颖巢炕只癁閭?cè)板中胚層，而不是腹側(cè)中胚層。,爪蟾和其他脊椎動(dòng)物胚胎前-后軸的形成在背-腹軸形成之后，胚胎的背部一旦建立

30、隨即開(kāi)始中胚層細(xì)胞的內(nèi)卷運(yùn)動(dòng)，并建立前-后軸。 最先經(jīng)過(guò)胚孔背唇遷入的中胚層細(xì)胞產(chǎn)生前端結(jié)構(gòu)，從側(cè)唇和腹唇遷入的中胚層細(xì)胞形成后端結(jié)構(gòu)。,2. Nieuwkoop中心 在兩棲類(lèi)囊胚中最靠近背側(cè)的一群植物半球細(xì)胞，對(duì)組織者具有特殊的誘導(dǎo)能力，稱(chēng)為Nieuwkoop中心（Nieuwkoop center）。 Nieuwkoop中心是兼具動(dòng)物極和植物極細(xì)胞質(zhì)的特殊區(qū)域，含有背部中胚層誘導(dǎo)信號(hào)。 原腸作用過(guò)程中新形成的中胚層是由其下方的植物極半球預(yù)定內(nèi)胚層細(xì)胞對(duì)動(dòng)物半球預(yù)定外胚層細(xì)胞誘導(dǎo)的結(jié)果。,爪蟾組織者和Nieuwkoop中心及中胚層誘導(dǎo)模型,二、兩棲類(lèi)胚軸形成的機(jī)制 1. Nieuwkoop中心

31、的分子生物學(xué)研究 爪蟾的內(nèi)胚層細(xì)胞通過(guò)誘導(dǎo)預(yù)定中胚層細(xì)胞表達(dá)Xenopus Brachyury （Xbra）基因，進(jìn)而誘導(dǎo)中胚層的形成。 最靠近背側(cè)的植物半球細(xì)胞，由于表達(dá)一些特殊的細(xì)胞因子而形成Nieuwkoop中心。-CATENIN是Nieuwkoop中心的一個(gè)主要細(xì)胞因子。,組織者的精細(xì)結(jié)構(gòu)。組織者特異基因的表達(dá)，可以把早期組織者細(xì)分成含有不同信息組合的亞區(qū)。,-catenin是一種母體效應(yīng)基因，其編碼的蛋白質(zhì)-CATENIN既能錨定細(xì)胞膜上的鈣粘著蛋白，又是一個(gè)核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子。 -CATENIN在受精時(shí)卵質(zhì)的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)過(guò)程中在預(yù)定胚胎背部累積，在整個(gè)早期卵裂階段仍然主要在胚胎背部累積。到卵

32、裂晚期只有Nieuwkoop中心的細(xì)胞具有-CATENIN 。-CATENIN 對(duì)于形成背部結(jié)構(gòu)是必要的。,-CATENIN在背腹軸特化中的作用,-CATENIN屬于Wnt信號(hào)傳導(dǎo)途徑的一個(gè)分子，糖原合成激酶-3 （GSK-3）對(duì)-CATENIN有負(fù)調(diào)控作用，進(jìn)而對(duì)背側(cè)細(xì)胞的分化起抑制作用。在腹側(cè)細(xì)胞中GSK-3介導(dǎo)的磷酸化作用引起-CATENIN的降解，而在背側(cè)細(xì)胞中由于存在GSK-3的抑制因子Disheveled （DSH）蛋白，所以背側(cè)的-CATENIN不會(huì)被降解。DSH蛋白開(kāi)始存在于爪蟾未受精卵植物半球的皮層部，受精時(shí)沿微管遷移到胚胎的背側(cè)起作用。, CATENIN是WNT信號(hào)途徑中的

33、成分。,DSH將 CATENIN定位于胚胎背部的機(jī)制1,DSH將 CATENIN定位于胚胎背部的機(jī)制2,DSH將 CATENIN定位于胚胎背部的機(jī)制3,-CATENIN與一種普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子TCF3結(jié)合形成的復(fù)合物能夠激活對(duì)胚軸形成具有重要作用的其他基因，如siamois （sms）基因。SMS能激活goosecoid基因的表達(dá)。 goosecoid基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用的主要靶基因之一。gcd mRNA表達(dá)的區(qū)域與組織者的范圍有關(guān)。GCD能夠激活腦形成關(guān)鍵基因Xotx2，使其在前端中胚層和預(yù)定腦外胚層表達(dá)。,背部中胚層誘導(dǎo)形成組織者的可能機(jī)制,gcd基因的激活也同時(shí)受

34、到定位于植物半球和Nieuwkoop中心的TGF家族蛋白產(chǎn)物的協(xié)同作用。這里所涉及的TGF 蛋白因子是Vg1、VegT和Nodal相關(guān)蛋白。 -CATENIN與VG1、VEGT信號(hào)相互作用的結(jié)果形成Nodal-相關(guān)蛋白從背側(cè)到腹側(cè)的濃度梯度。Nodal-相關(guān)蛋白的濃度梯度使中胚層細(xì)胞分化。含有大量Nodal相關(guān)蛋白的分化為組織者，較少的分化為側(cè)板中胚層，不含Nodal相關(guān)蛋白的分化成腹側(cè)中胚層。,-CATENIN與TGF家族蛋白協(xié)同作用誘導(dǎo)組織者形成的機(jī)制,總之，為維持正常的發(fā)育，在胚胎背部細(xì)胞中必須含有-CATENIN，并使sms基因表達(dá)，SMS與TGF-基因家族的蛋白質(zhì)協(xié)同作用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作用下才能形成組織者。組織者的