胚轴的特化与体轴的建立-PPT.pptx

胚轴的特化与体轴的建立爪蟾尾芽期胚胎得前后轴、背腹轴和左右轴(中侧轴),互成垂直角度。一、果蝇胚轴得形成n现已筛选到与胚胎前后轴和背腹轴形成有关得约50个母体效应基因(maternal effect gene)和120个合子基因(zygotic gene)。通过对这些基因得研究,我们对果蝇胚轴形成得调控机制已有了一个较为清晰得认识。n在果蝇最初得发育中,由母体效应基因构建位置信息得基本网络,激活合子基因得表达,控制果蝇形体模式得建立。n果蝇得卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确得前-后轴和背-腹轴。n果蝇形体模式得形成就是沿前-后轴和背-腹轴进行得。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得原头(acron)和尾端得尾节(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。1、果蝇胚胎得极性果蝇胚胎得极性果蝇沿前后轴、背腹轴和中侧轴建立形体模式。果蝇幼虫与成体分节得比较n早在20 世纪初,胚胎学家就注意到很多动物定位于受精卵中特定部位得细胞质与胚胎某些特定部位得发育有关。果蝇卵前、后极少量细胞质得流失,会分别造成胚胎缺失头胸部和腹部结构,其她部位细胞质得少量流失都不会影响形体模式形成。这说明果蝇卵子前后极得细胞质中含有与果蝇图式形成有关得信息。n果蝇早期胚轴形成涉及一个由母体效应基因产物构成得位置信息网络。在这个网络中,一定浓度得特异性母源性RNA和蛋白质沿前 后轴和背 腹轴得不同区域分布,以激活胚胎基因组得程序。n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 后轴得决定有关,另一组基因决定胚胎得背腹轴。n决定前后轴得3组母体效应基因包括:前端系统(anterior system)决定头胸部分节得区域,后端系统(posterior system)决定分节得腹部,末端系统(terminal system)决定胚胎两端不分节得原头区和尾节。n另一组基因即背腹系统(dorsoventral system),决定胚胎得背 腹轴。n在卵子发生过程中,这些母体效应基因得mRNA由滋养细胞合成转运至卵子,定位于卵子得一定区域。这些mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子,她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得表达,调控果蝇胚轴得形成。n这些母体效应基因得蛋白质产物又称为形态发生素(morphogen)。滋养细胞合成mRNA,rRNA,甚至就是完整得核糖体,并通过细胞间桥得胼合体,单向转运到卵母细胞里。大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点 果蝇前后极性得产生果蝇前后极性得产生n果蝇胚胎、幼虫、成体得前后极性均来源于卵子得极性。n对于调节胚胎前 后轴得形成有4个非常重要得形态发生素:BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)调节胚胎前端结构得形成,NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)调节胚胎后端结构得形成。2 2、果蝇前果蝇前 后轴得形后轴得形成成n形态发生素调节首先表达得合子基因,即缺口基因(gap gene)得表达。n不同浓度缺口基因得蛋白质产物引起成对控制基因(pair-rule gene)得表达,形成与前后轴垂直得7条表达带。n成对控制基因蛋白质产物激活体节极性基因(segment polarity gene)得转录,进一步将胚胎划分为14个体节。n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)得表达,决定每个体节得发育命运。果蝇形体模式建成过程中沿前后轴不同层次基因内得表达。不同组得基因顺序表达沿前后轴建立身体得模式。n前端系统至少包括4个主要基因,其中bicoid(bcd)基因对于前端结构得决定起关键得作用。BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图式得功能。bcd就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得前极。exuperantia、swallow和staufen基因与bcd mRNA得定位有关。前端组织中心前端组织中心bcd mRNA由滋养细胞合成,后转移至卵细胞中并定位于卵细胞得前极。BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图式得功能nbcd mRNA 3末端非翻译区中含有与其定位有关得序列。n受精后bcd mRNA迅速翻译,BCD蛋白在前端累积并向后端弥散,形成从前向后稳定得浓度梯度,主要覆盖胚胎前2/3区域。母源性基因bicoid mRNA在卵子中得分布以及受精后biocoid蛋白得浓度梯度。随着BCD蛋白在胚胎中得扩散,这种蛋白质也开始降解她有着大约30分钟得半衰期。这种降解对于建立起前后浓度梯度就是非常重要得。bcd mRNA在受精后迅速翻译,形成BCD蛋白从前到后得梯度。突变型得BCD均匀分布,不能形成前后浓度梯度nbcd 基因编码得BCD蛋白就是一种转录调节因子。另一母体效应基因hunchback(hb)就是其靶基因之一,控制胚胎胸部及头部部分结构得发育。nhb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基因得表达受BCD蛋白浓度梯度得控制,只有BCD蛋白得浓度达到一定临界值才能启动hb基因得表达。母源性bicoid蛋白控制合子型基因hunchback 得表达。四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布得浓度变化。hunchback又可开启一些缺口基因如giant、krppel和knips等基因得表达。缺口基因按一定顺序沿前后轴进行表达。krppel基因得活性受hunchback蛋白得控制。l不同靶基因得启动子与BCD蛋白具有不同得亲和力,BCD蛋白得浓度梯度可以同时特异性地启动不同基因得表达,从而将胚胎划分为不同得区域。lbtd、ems和otd基因很可能也就是BCD蛋白得靶基因。n后端系统包括约10个基因,这些基因得突变都会导致胚胎腹部得缺失。在这一系统中起核心作用得就是nanos(nos)基因。n后端系统在控制图式形成中起得作用与前端系统有相似之处,但发挥作用得方式与前端系统不同。后端组织中心后端组织中心n后端系统并不像BCD蛋白那样起指导性得作用,不能直接调节合子基因得表达,而就是通过抑制一种转录因子得翻译来进行调节。n在果蝇卵子发生过程中,nos mRNA定位于卵子后极。nos基因得编码产物NANOS(NOS)蛋白活性从后向前弥散形成一种浓度梯度。NOS蛋白得功能就是在胚胎后端区域抑制母性hb mRNA得翻译。Nanos mRNA也就是由滋养细胞合成,后转运至卵细胞中,定位于卵细胞得后极。母源性hunchback蛋白浓度梯度得建立 nhb基因就是在卵子发生过程中转录得母体效应基因,hb mRNA在卵子中就是均匀分布得。在卵裂阶段HB蛋白开始合成。分布在胚胎后部得hb mRNA得翻译被NOS得浓度梯度所抑制,而在前部BCD蛋白浓度梯度可以激活合子hb基因得表达。结果HB蛋白得分布区域只位于胚胎前半部分。nNOS对hb和bcd基因表达得抑制作用就是在翻译水平上进行得。n另一个重要得母源性产物caudal(cdl)mRNA最初也就是均匀分布于整个卵质内,BCD能抑制cdl mRNA得翻译。在BCD活性从前到后降低得浓度梯度作用下形成CDL蛋白从后到前降低得浓度梯度。ncdl基因得突变导致腹部体节发育不正常。四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布得浓度变化。前端系统和后端系统蛋白因子之间得翻译调控确立了果蝇得前后轴。n末端系统包括约9个母体效应基因。这个系统基因得失活会导致胚胎不分节得部分,即前端原头区和后端尾节缺失。在这一系统中起关键作用得就是torso(tor)基因。n如果前端和后端系统都失活,果蝇胚胎仍可产生某些前后图式,形成具有两个尾节得胚胎。末端系统:TORSO信号途径TorsoTorso系统基因得失活会导致胚胎不分节得部分系统基因得失活会导致胚胎不分节得部分,即前即前端原头区和后端尾节缺失端原头区和后端尾节缺失ntor基因编码一种跨膜酪氨酸激酶受体(receptor tyrosine kinase,RTK),在整个合胞体胚胎得表面表达。n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、后末端细胞命运得特化。torso-like(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参与胚胎末端得特化。nTOR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得表达。在卵子发生过程中,tsl在卵子前极得边缘细胞和卵室后端得极性滤泡细胞中表达。TSL蛋白被释放到卵子两极处得卵周隙中,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。n除TSL外,末端系统所需要得其她成分如trk、fssDN和fssDph在胚胎中都就是均匀分布得。Torso信号传导途径影响果蝇胚胎前后极性得母体效应基因3 3、果蝇背果蝇背 腹轴得形成腹轴得形成n与果蝇胚轴形成有关得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)等基因得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得胚胎。与此相反,cactus等基因得突变则引起胚胎腹部化,产生只具有腹部结构得胚胎。n背腹系统得作用方式与末端系统有相似之处。通过一种局部分布得信号分子,即定位于卵子腹侧卵黄膜上得配体激活分布于腹侧卵黄膜上得受体,进而调节合子基因得表达。n背-腹系统对合子靶基因表达得调节方式与前端系统相似,通过一种转录因子得浓度梯度来完成。n但背腹系统浓度梯度形成得方式却与前端系统完全不同。dl基因就是这一信号传导途径得最后一个环节,她编码一种转录调节因子。dl mRNA和DL蛋白在卵子中就是均匀分布。当胚胎发育到第9次细胞核分裂之后,细胞核迁移到达合胞体胚盘得外周皮质层,在腹侧得DL蛋白开始往核内聚集,但背侧得DL蛋白仍位于胞质中。从而,使DL蛋白在细胞核内得分布沿背腹轴形成一种浓度梯度。DL蛋白定位于细胞核中得机制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。ntoll基因在这一系统中具有及其重要得作用。TOLL就是一种跨膜受体蛋白,其配体分子也就是母源性产物,就是sptzle基因编码蛋白得裂解片段。Sptzle蛋白由卵室腹侧得特异性滤泡细胞产生,在胚胎发育得早期被释放定位于卵周隙中。Sptzle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。nDL蛋白得浓度梯度通过对下游靶基因得调控,控制沿背-腹轴产生区域特异性得位置信息。这种浓度梯度在腹侧组织中可活化合子基因twist(twi)和snail(sna)得表达,同时抑制dpp和zen基因得表达,进而指导腹部结构得发育。dpp和zen基因在胚胎背侧表达,指导背部结构得发育。Toll蛋白得活化导致沿背腹轴方向细胞核之间dorsal蛋白梯度得形成。果蝇核蛋白dorsal沿背腹轴得梯度将身体分为不同部分得模型。n分节基因得功能就是把早期胚胎沿前 后轴分为一系列重复得体节原基。分节基因得突变可使胚胎缺失某些体节或体节得某些部分。根据分节基因得突变表型及作用方式可分为三类:缺口基因、成对控制基因和体节极性基因,这三类基因得调控就是逐级进行得。4 4、分节基因与胚胎体节得形成分节基因与胚胎体节得形成n首先由母体效应基因控制缺口基因得活化,其次缺口基因之间互相调节彼此得转录且共同调节成对控制基因得表达,然后成对控制基因之间相互作用,把胚体分隔成为一系列重复得体节,并且进一步控制体节极性基因得表达。所以,胚盘末期得每一个体节原基都具有其独特基因表达得组合,从而决定每个体节得特征。n缺口基因(gap gene)得表达区域为一些较宽得区域,每个区域得宽度约相当于3个体节,表达区之间可有部分重叠。当缺口基因突变时胚胎缺失相应得区域。缺口基因直接受母体效应基因得调控。果蝇胚胎得体节与副体节n果蝇晚期胚胎和幼体得每个体节由前一副体节得后区和后一副体节得前区构成。Gap基因Krppel在果蝇胚胎发育过程中不同时期得表达。n成对控制基因(pair-rule gene)得表达区域以两个体节为单位且具有周期性,在相互间隔得一个副体节中表达。这些基因得功能就是把缺口基因确定得区域进一步分成体节。成对控制基因得表达就是胚胎出现分节得最早标志,她们在细胞化胚盘期第13次核分裂时表达。表达图式沿前后轴形成一系列斑马纹状得条带,将胚胎分为预定体节。果蝇胚胎进行细胞化之前 成对控制基因even-skipped(blue)和fushi tarazu(brown)得条纹状表达模式。缺口基因得作用方式:既可以在一定得带区活化基因表达既可以在一定得带区活化基因表达,又可同时抑制其她表达带区得形成。又可同时抑制其她表达带区得形成。n体节极性基因(segment polarity gene)在每一体节得特定区域细胞中表达。engrailed(en)、hedgehog(hh)和wingless(wg)基因就是最重要得体节极性基因。前两者在每一副体节最前端得一列细胞中表达,而后者在每一副体节得最后一列细胞中表达;这两个基因得表达界限正好确立了副体节得界线。果蝇晚期胚胎(11期)中engrailed基因得表达。engrailed、wingless和hedgehog得相互作用hedgehog信号途径。果蝇早期胚胎、晚期胚胎和成体中副体节和体节得对应关系。n在体节界限确定之后每个体节得结构被进一步特化,此过程由主调节基因(master regulatory gene)或称为同源异型选择者基因调控完成。同源异型选择者基因得突变或异位表达可引起同源转化现象(homeotic transformation)。同源异型选择者基因表达图式得建立受成对控制基因和缺口基因得调控。n果蝇大部分同源异型选择者基因位于3号染色体相邻得两个区域,其一为触角足复合体Antp-C,另一个为双胸复合体BX-C,二者统称同源异型复合体HOM-C。触角足复合体触角足复合体Antp-CAntp-C和双胸复合体和双胸复合体BX-CBX-C同源异型框选择者基因同源异型框选择者基因HOM-C结构和表达示意图双胸复合体双胸复合体BX-CBX-C得突变得突变导致翅膀和平衡棒之间导致翅膀和平衡棒之间得同源转化现象。得同源转化现象。nHOM-C基因得结构就是十分复杂得,有得基因有多个启动子和多个转录起始位点。其另一个重要特征就是都含有一段得保守序列,称为同源异型框(homeobox)。含有同源异型框得基因统称为同源异型框基因(homeobox gene)。n由同源异型框编码得同源异型结构域(homeodomain)可形成与DNA特异性结合得螺旋-转角-螺旋结构(helix-turn-helix)。HOM-C同源异型框形成与DNA特异结合得螺旋-转角-螺旋结构。果蝇HOM-C得表达使每一个体节被进一步特化,这一机制在无脊椎动物和脊椎动物中都十分保守。n目前对果蝇胚胎早期发育机制已基本了解,胚胎得前 后轴和背 腹轴分别独立地由母体效应基因产物决定。这些母体效应基因主要编码转录因子,她们得产物通常形成一种浓度梯度并产生特异得位置信息,以进一步激活一系列合子基因得表达。随着这些基因得表达,胚胎被分成不同得区域。每个区域表达特异性基因得组合,沿前 后轴形成间隔性得图式,即体节得前体形式。最后每一体节通过HOM-C基因得特异性表达而确定其特征。n不同物种之间图式形成得机制有着惊人得相似,果蝇图式形成机制得研究成果对于其她动物得发育机制研究具有重要得借鉴意义。二、两栖类胚轴形成n两栖类就是调整型胚胎发育得典型模型,也就是在胚轴形成机制方面了解较多得脊椎动物。n脊椎动物胚轴得形成不仅与定位于囊胚期大量分裂球中得各种决定因子相关,更重要得作用机制则存在于以后得发育阶段,发生在邻近细胞之间得一系列相互作用。n两栖类胚胎得背-腹轴和前-后轴就是由受精时卵质得重新分布而决定得。受精时在精子入卵处得对面产生有色素差异得灰色新月区,由此标志预定胚胎得背侧,精子进入得一侧发育成为胚胎得腹侧。在动物极附近得背侧形成头部,而与其相反得一侧形成尾,从而形成胚胎得背-腹轴和前-后轴。中侧轴或左右轴就是随着脊索得形成而确定得。受精时得皮层转动形成两栖类得左右对称。n在原肠作用过程中,由组织者(organizer)诱导背部外胚层形成中枢神经系统得原基神经管,并作用于侧中胚层共同形成背-腹轴和前-后轴。n背唇细胞及其衍生物脊索和脊索中胚层虽然还不足以作为整个胚胎得诱导者,在以后器官原基形成和器官形成中都存在诱导作用,但组织者启动了胚胎发育中得一系列诱导事件。1、组织者和Nieuwkoop 中心组织者得精细结构。组织者特异基因得表达,可以把早期组织者细分成含有不同信息组合得亚区。n爪蟾和其她脊椎动物胚胎前-后轴得形成在背-腹轴形成之后,胚胎得背部一旦建立随即开始中胚层细胞得内卷运动,并建立前-后轴。n最先经过胚孔背唇迁入得中胚层细胞产生前端结构,从侧唇和腹唇迁入得中胚层细胞形成后端结构。n在两栖类囊胚中最靠近背侧得一群植物半球细胞,对组织者具有特殊得诱导能力,称为Nieuwkoop中心(Nieuwkoop center)。Nieuwkoop中心就是兼具动物极和植物极细胞质得特殊区域,含有背部中胚层诱导信号。n原肠作用过程中新形成得中胚层就是由其下方得植物极半球预定内胚层细胞对动物半球预定外胚层细胞诱导得结果。Nieuwkoop中心爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中胚层诱导模型 Nieuwkoop中心得分子生物学研究n爪蟾得内胚层细胞通过诱导预定中胚层细胞表达Xenopus Brachyury(Xbra)基因,进而诱导中胚层得形成。n最靠近背侧得植物半球细胞,由于表达一些特殊得细胞因子而形成Nieuwkoop中心。-CATENIN就是Nieuwkoop中心得一个主要细胞因子。2、两栖类胚轴形成得机制n-catenin就是一种母体效应基因,其编码得蛋白质-CATENIN既能锚定细胞膜上得钙粘着蛋白,又就是一个核内转录因子。n-CATENIN在受精时卵质得旋转移动过程中在预定胚胎背部累积,在整个早期卵裂阶段仍然主要在胚胎背部累积。到卵裂晚期只有Nieuwkoop中心得细胞具有-CATENIN。-CATENIN 对于形成背部结构就是必要得。n-CATENIN属于Wnt信号传导途径得一个分子,糖原合成激酶-3(GSK-3)对-CATENIN有负调控作用,进而对背侧细胞得分化起抑制作用。在腹侧细胞中GSK-3介导得磷酸化作用引起-CATENIN得降解,而在背侧细胞中由于存在GSK-3得抑制因子Disheveled(DSH)蛋白,所以背侧得-CATENIN不会被降解。DSH蛋白开始存在于爪蟾未受精卵植物半球得皮层部,受精时沿微管迁移到胚胎得背侧起作用。CATENIN就是WNT信号途径中得成分。DSH将 CATENIN定位于胚胎背部得机制1DSH将 CATENIN定位于胚胎背部得机制2DSH将 CATENIN定位于胚胎背部得机制3n-CATENIN与一种普遍存在得转录因子TCF3结合形成得复合物能够激活对胚轴形成具有重要作用得其她基因,如siamois(sms)基因。SMS能激活goosecoid基因得表达。ngoosecoid基因就是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用得主要靶基因之一。gcd mRNA表达得区域与组织者得范围有关。背部中胚层诱导形成组织者得可能机制ngcd基因得激活也同时受到定位于植物半球和Nieuwkoop中心得TGF家族蛋白产物得协同作用。这里所涉及得TGF 蛋白因子就是Vg1、VegT和Nodal相关蛋白。n-CATENIN与VG1、VEGT信号相互作用得结果形成Nodal-相关蛋白从背侧到腹侧得浓度梯度。Nodal-相关蛋白得浓度梯度使中胚层细胞分化。含有大量Nodal相关蛋白得分化为组织者,较少得分化为侧板中胚层,不含Nodal相关蛋白得分化成腹侧中胚层。-CATENIN-CATENIN与与TGFTGF家族蛋白协同作用诱导组织家族蛋白协同作用诱导组织者形成得机制者形成得机制n总之,为维持正常得发育,在胚胎背部细胞中必须含有-CATENIN,并使sms基因表达,SMS与TGF-基因家族得蛋白质协同作用使gcd基因激活,在SMS和GCD等共同作用下才能形成组织者。组织者得形成涉及多种基因得激活,存在于Nieuwkoop中心得分泌蛋白激活位于其上方中胚层细胞中一系列转录因子,后者再激活编码组织者分泌产物得一些基因。n尽管蛙、斑马鱼、鸡和小鼠体轴形成得机制存在差异,但就是不同物种之间胚体图式形成得机制却具惊人得相似性。在此发育过程中,都涉及母体效应基因得产物母体效应决定子得定位、外源信号得影响和细胞间得相互作用,涉及一系列信号传导分子得作用。有关这些信号传导机制得研究就是目前最活跃得领域之一。三、哺乳类体轴得建立三、哺乳类体轴得建立 n尚未发现小鼠卵中存在母源因子可以影响胚胎得发育,小鼠胚胎得体轴就是由细胞间得相互作用决定得。n哺乳动物背腹轴得建立与内细胞团得位置有关,前后轴线得形成还不清楚,来自子宫得信息可能起一定得作用。胚胎体轴得形成同源异型基因在果蝇和小鼠中得转录表达10h果蝇胚胎和12h小鼠胚胎得HOM-C和Hox-B转录图案得分别比较。同源异型基因进化保守性Hox基因族得组织方式n脊椎动物得Hox基因共有4套,分别定位在4条不同得染色体上,而各套中又包含13个不同得基因(实际上并不就是每一条染色体都包含有全套得13个Hox基因),并在染色体上以她们对应得顺序排列着。n同一染色体上不同得不同Hox基因构成一个同源异型基因簇,而同一号数位于不同染色体上得基因合称为平行进化同源异型基因组(paralogous group)。Hox基因对体轴分化得工作模式n同一Hox基因簇中得不同基因组成一组,她们得协同作用对于完成个体前后轴向上区域分化就是必需得,而处于同一排列位置上得不同Hox平行进化同源异型基因组成另一组,她们负责同一区域中得侧向分化。Hoxa-3 Hoxa-3 缺陷型小鼠咽弓发育不正常缺陷型小鼠咽弓发育不正常敲除敲除Hoxc-8 Hoxc-8 基因后基因后,第一腰椎部分变形成胸椎第一腰椎部分变形成胸椎只有胸椎上面生有肋骨