第四章(二)胚轴形成

bcd mRNA在受精 mRNA在受精
后迅速翻译， 后迅速翻译，形 BCD蛋白从前 成BCD蛋白从前 到后的梯度。 到后的梯度。 突变型的BCD均 突变型的BCD均 BCD 匀分布， 匀分布，不能形 成前后浓度梯度。 成前后浓度梯度。
• 不同靶基因的启动子与 不同靶基因的启动子与BCD蛋白具有不同 蛋白具有不同 的亲和力， 的亲和力，BCD蛋白的浓度梯度可以同时 蛋白的浓度梯度可以同时 特异性地启动不同基因的表达， 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。 胎划分为不同的区域。 • Hb、btd、ems和otd基因也是 、 和 基因也是BCD蛋白的靶 蛋白的靶 基因也是 基因。 基因。
hunchback又可开启一些缺 又可开启一些缺 母体效应基因hunchback（hb） 母体效应基因 口基因如giant、krüppel （、 ） 口基因如giant 和knips 母源性Bicoid蛋白控制合子型基因 等基因的表达。 蛋白控制合子型基因hunchback 的表达 母源性 蛋白控制合子型基因 等基因的表达。 • hb基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基因， 基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基因， 基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基因
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
母源性基因caudal（cdl） 母源性基因
• 另一个重要的母源性产物 另一个重要的母源性产物caudal（cdl）mRNA最 最 初也是均匀分布于整个卵质内， 初也是均匀分布于整个卵质内，BCD能抑制 能抑制cdl mRNA的翻译。 的翻译。 的翻译 • 在BCD活性从前到后降低的浓度梯度作用下形成 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。 蛋白从后到前降低的浓度梯度。 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。 基因的突变导致腹部体节发育不正常。 基因的突变导致腹部体节发育不正常
背腹轴形成有关的约50个母体效应基因和120个合子基因。 背腹轴形成有关的约50个母体效应基因和120个合子基因。 50
果蝇沿前后轴、 果蝇沿前后轴、背腹轴 • 果蝇形体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。果蝇的卵、 果蝇形体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。果蝇的卵、
胚胎、幼虫和成体都具有明确的前 后轴和背胚胎、幼虫和成体都具有明确的前-后轴和背-腹 果蝇胚胎的极性来自于未受精卵的极性。 轴。果蝇胚胎的极性来自于未受精卵的极性。
胞质极性 母体效应) (母体效应)
形态发生素
果蝇形体 模式建成 过程中沿 前后轴不 同层次基 因的表达
缺口基因(gap gene) 缺口基因
成对控制基因 (pair-rule gene) 同源异型基因 (homeotic gene)
体节极性基因 (segment polarity gene)
三种类型 的母源性 基因系统 突变后影 响前后轴 形成
母体效应基因产物
• 来源：在卵子发生过程中，这些母体效应基因的mRNA由滋养细 来源：在卵子发生过程中，这些母体效应基因的mRNA由 mRNA 合成转运至卵子 定位于卵子的一定区域。 转运至卵子， 胞合成转运至卵子，定位于卵子的一定区域。 • 作用方式：这些mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子，受精 作用方式：这些mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子， mRNA编码转录因子或翻译调控蛋白因子 后立即翻译，分布于整个合胞体胚盘中， 后立即翻译，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。 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形态发生素(morphogen)。 这些母体效应基因的蛋白质产物又称形态发生素(morphogen)。 形态发生素(morphogen) • 决定前后轴的3组母体效应基因包括： 决定前后轴的 组母体效应基因包括： • 前端系统决定头胸部分节的区域， 前端系统决定头胸部分节的区域 决定头胸部分节的区域， • 后端系统决定分节的腹部， 后端系统决定分节的腹部 决定分节的腹部， • 末端系统决定胚胎两端不分节的原头区和尾节。 末端系统决定胚胎两端不分节的原头区和尾节 决定胚胎两端不分节的原头区和尾节。 背腹系统， 腹轴。 • 另一组基因即背腹系统，决定胚胎的背 腹轴。 另一组基因即背腹系统 决定胚胎的背–腹轴
和中侧轴建立形体模式
A-B腹沟 腹沟 的形成与 闭合
C极 极 细 胞 的 形 成
果蝇受精卵 及原肠作用
F一龄幼虫 一龄幼虫
D-E体 体 节的建 成；生 殖带的 迁移和 逆转
实验证明： 实验证明：果蝇卵子 前后极的细胞质中含 有与果蝇图式形成有 关的信息。 关的信息。 果蝇早期胚胎中一定 果蝇早期胚胎中一定 浓度的特异性母源性 RNA和蛋白质沿前 和蛋白质沿前–后 RNA和蛋白质沿前 后 轴和背–腹轴的不同 轴和背 腹轴的不同 区域分布， 区域分布，构成的位 置信息网络，以激活 置信息网络， 胚胎基因组的程序。 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。 与果蝇胚轴形成有关。
hb mRNA在卵子中是均匀分布的。在卵裂阶段 在卵子中是均匀分布 在卵子中是均匀分布的 在卵裂阶段HB 缺口基因按一定顺序沿前后 蛋白开始合成。 蛋白开始合成。 轴进行表达 。 • 分布在胚胎后部的 mRNA的翻译被 分布在胚胎后部的hb 的翻译被NOS的浓度 的翻译被 的浓度 梯度所抑制，而在前部BCD蛋白浓度梯度可以激活 梯度所抑制，而在前部 蛋白浓度梯度可以激活 合子hb基因的表达 基因的表达。 合子hb基因的表达。 • NOS对hb和bcd基因表达的抑制作用是在翻译水平 对 和 基因表达的抑制作用是在翻译水平 上进行的。 上进行的。 • 结果 蛋白的分布区域只位于胚胎前半部分，从 结果HB蛋白的分布区域只位于胚胎前半部分 蛋白的分布区域只位于胚胎前半部分， 前向后也形成一种浓度梯度， 前向后也形成一种浓度梯度，控制胚胎胸部及头部 部分结构的发育。 部分结构的发育。
1. 前 – 后轴的形成
• 对于调节胚胎前 后轴的形成有4个非常重要的形 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： 态发生素： • BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)调节胚胎前端结构 BICOID(BCD) HUNCHBACK(HB) BCD HB 的形成； 的形成； • NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)调节胚胎后端结构的形 NANOS(NOS NOS) CAUDAL(CDL CDL) 成。 • 它们沿前后体轴分布，控制前后体轴的构建。 它们沿前后体轴分布，控制前后体轴的构建。
• bcd mRNA 3’末端非翻译区中含有与其定位 末端非翻译区中含有与其定位 有关的序列。 有关的序列。 • 受精后bcd mRNA迅速翻译，BCD蛋白在前 迅速翻译， 受精后 迅速翻译 蛋白在前 端累积并向后端弥散， 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 区域。 的浓度梯度，主要覆盖胚胎前 区域。
图示母源性基因 bicoid mRNA在卵子中 mRNA在卵子中 的分布以及受精后 biocoid蛋白的浓度梯 biocoid蛋白的浓度梯 度。 随着BCD蛋白在胚胎中 随着BCD蛋白在胚胎中 BCD 的扩散，这种蛋白质 的扩散， 也开始降解——它有 也开始降解 它有 着大约30 30分钟的半衰 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。 非常重要的。
浓度梯度建立位置信息的模型
(2) 果蝇胚胎后端的确定
母源性Hunchback蛋白浓度梯度的建立 蛋白浓度梯度的建立 母源性 后端组织中心：NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度 后端组织中心：NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度 蛋白和CAUDAL
• 后端系统包括约10个基因，这些基因的突变都会导致 后端系统包括约10个基因， 10个基因 胚胎腹部的缺失。后端系统通过抑制一种转录因子的 胚胎腹部的缺失。后端系统通过抑制一种转录因子的 翻译来进行调节 来进行调节。 翻译来进行调节。在这一系统中起核心作用的是nanos 基因。 （nos）基因。 • 在果蝇卵子发生过程中，nos mRNA由滋养细胞合成， 在果蝇卵子发生过程中， mRNA由滋养细胞合成 由滋养细胞合成， 后转运至卵细胞中，定位于卵子后极。 后转运至卵细胞中，定位于卵子后极。 • nos基因的产物NANOS（NOS）蛋白活性从后向前弥散形 基因的产物NANOS NOS）蛋白活性从后向前弥散形 NANOS（ 成一种浓度梯度。功能是在胚胎后端区域抑制母源性 成一种浓度梯度。功能是在胚胎后端区域抑制母源性 hb mRNA的翻译。 mRNA的翻译 的翻译。
bicoid基因 基因 对前端结 1）果蝇胚胎前端的确定 （ 构的发育 是必需的 前端组织中心 ： BICOID（BCD）蛋白浓度梯度 （ ） • • • 前端系统至少包括4个主要基因，其中 前端系统至少包括 个主要基因，其中bicoid（bcd）基因 个主要基因 ） 对于前端结构的决定起关键的作用。 对于前端结构的决定起关键的作用。 bcd 基因编码的 基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子。具有组 蛋白是一种转录调节因子。 蛋白是一种转录调节因子 织和决定胚胎极性与空间图式的功能。 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 是一种母体效应基因， 由滋养细胞合成， 是一种母体效应基因 由滋养细胞合成 转运至卵子并定位于预定胚胎的前极。 、 转运至卵子并定位于预定胚胎的前极。exuperantia、 swallow和staufen基因与 和 基因与bcd mRNA的定位有关。 的定位有关。 基因与 的定位有关
第四章 原、两栖类胚轴的建立 三、鸟类胚轴的建立 四、哺乳类胚轴的建立
引言： 引言：关于胚轴形成
• 胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化），而且要 胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化），而且要 ）， 由构成功能性的组织和器官并形成有序空间结构的形体 功能性的组织和器官并形成有序空间结构的 由构成功能性的组织和器官并形成有序空间结构的形体 爪蟾尾芽期胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴（中侧轴） 爪蟾尾芽期胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴（中侧轴）互相垂直 模式（ plan） 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 胚胎细胞形成不同组织、器官， 程称为图式形成 图式形成（ formation）。 程称为图式形成（pattern formation）。 • 在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴 在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴 axes）形成及其一系列相关的细胞分化过 （embryonic axes）形成及其一系列相关的细胞分化过 程。 • 胚轴的形成是在一系列基因的多层次、网络性调控下完 胚轴的形成是在一系列基因的多层次、 成的。 成的。