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1、胚胎发育的基因表达谱 哺乳类动物发育的研究极为困难，因为它们的胚胎发育都是在母体子宫内进行，这给观察哺乳类动物发育的研究极为困难，因为它们的胚胎发育都是在母体子宫内进行，这给观察与分析带来了很大的不便，而且整个发育过程往往延续几周甚至几月的时间。因此，发育分子与分析带来了很大的不便，而且整个发育过程往往延续几周甚至几月的时间。因此，发育分子生物学家们通常选择发育速度快且简单的发育系统作为研究模型，如生物学家们通常选择发育速度快且简单的发育系统作为研究模型，如鱼类鱼类、果蝇果蝇、青蛙青蛙、寄生寄生虫虫等。这些动物发育的基本特征是胚胎发育在离体情况下完成，且发育周期短，一般在数天之等。这些动物发育
2、的基本特征是胚胎发育在离体情况下完成，且发育周期短，一般在数天之内。科学家期望由这些模型发现的发育调控基因和机制有助于了解哺乳动物的发育，这个愿望内。科学家期望由这些模型发现的发育调控基因和机制有助于了解哺乳动物的发育，这个愿望达到了。目前已经知道，所有动物发育的分子机制是相同或者相似的。达到了。目前已经知道，所有动物发育的分子机制是相同或者相似的。第1页/共100页胚胎发育的基因表达谱 在动物发育的经典研究模型中，果蝇发育研究得最为成熟。一方面是因为果蝇的经典遗在动物发育的经典研究模型中，果蝇发育研究得最为成熟。一方面是因为果蝇的经典遗传学早在上世纪初就开始了；另一方面，果蝇的基因分子生物学
3、从上世纪八十年代初已有长传学早在上世纪初就开始了；另一方面，果蝇的基因分子生物学从上世纪八十年代初已有长足的发展，这为发育的分子生物学研究提供了坚实的基础。足的发展，这为发育的分子生物学研究提供了坚实的基础。本讲将重点论述果蝇发育的分子生物学原理。本讲将重点论述果蝇发育的分子生物学原理。第2页/共100页胚胎发育的基因表达谱E B C D A 果蝇发育的基本模式母体基因的表达母体基因的表达体节形成基因的表达体节形成基因的表达异位同型基因的表达异位同型基因的表达异位同型盒的普遍意义异位同型盒的普遍意义第3页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式果蝇发育可分成四个阶段：果蝇发育
4、可分成四个阶段：胚 胎 生 成胚 胎 生 成 体 节 生 成体 节 生 成 器 官 生 成器 官 生 成 受精受精 卵子卵子 胚胎胚胎 幼虫幼虫 成蝇成蝇 卵 子 生 成卵 子 生 成 第4页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式 卵子卵子的前身是的前身是卵母细胞卵母细胞。成包囊细胞成包囊细胞（cystoblastcystoblast）经过四次）经过四次有丝分裂有丝分裂（但胞质呈不完（但胞质呈不完全分裂）后形成全分裂）后形成1616个细胞，其中一个变成卵母细胞，进入个细胞，其中一个变成卵母细胞，进入减数分裂减数分裂，最终发育为成熟的卵子；，最终发育为成熟的卵子；其余其余15
5、15个细胞则变成双倍体的个细胞则变成双倍体的滋养细胞滋养细胞（护士细胞护士细胞），它们紧密地排列在由卵巢），它们紧密地排列在由卵巢囊状卵泡细囊状卵泡细胞胞围 成 的 空 间 中，形 成围 成 的 空 间 中，形 成卵 室卵 室（e g g c h a m b e re g g c h a m b e r）。由 卵 室 发 育 产 生 一）。由 卵 室 发 育 产 生 一a 卵子的生成个成熟的卵母细胞共需要经过个成熟的卵母细胞共需要经过1414个形态学不同的阶段。个形态学不同的阶段。第5页/共100页果蝇卵室的结构果蝇卵室的结构卵母细胞卵母细胞 成包囊细胞四次分裂过程中的胞质不完全分成包囊细胞四
6、次分裂过程中的胞质不完全分裂留下了富含肌动蛋白的裂留下了富含肌动蛋白的胞质桥胞质桥（又称（又称环管环管）。这些。这些胞质桥胞质桥将所有护士细胞和卵母细胞物将所有护士细胞和卵母细胞物理上连为一体。在整个卵子生成期间，护士理上连为一体。在整个卵子生成期间，护士细胞将其细胞将其RNARNA、卵泡细胞卵泡细胞 护士细胞护士细胞 胞胞质桥质桥蛋白质蛋白质、甚至、甚至细胞器细胞器通过胞质桥源源不断地注入卵母细胞。这些物质的积累便构成了成熟卵细通过胞质桥源源不断地注入卵母细胞。这些物质的积累便构成了成熟卵细胞的主要内含物。胞质桥位于卵母细胞的一端，胞的主要内含物。胞质桥位于卵母细胞的一端，之后这个端点便成为
7、卵子的之后这个端点便成为卵子的前极前极。第6页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式 成熟的卵子受精后，两个单倍体核各分裂一次，接着精成熟的卵子受精后，两个单倍体核各分裂一次，接着精核和卵核相互融合形成两个二倍体合子核，即核和卵核相互融合形成两个二倍体合子核，即合子合子。受精后。受精后的的合子核分裂合子核分裂非常迅速，以至于快到来不及形成子细胞的细非常迅速，以至于快到来不及形成子细胞的细胞膜结构。因此，果蝇早期的胚胎实质上就是一个含有许多胞膜结构。因此，果蝇早期的胚胎实质上就是一个含有许多相同核的单个细胞，这样的细胞称为相同核的单个细胞，这样的细胞称为多核体多核体（sync
8、ytiumsyncytium）。）。b 胚胎的生成第7页/共100页果蝇合子的发育果蝇合子的发育受精受精9090分钟后，核分裂已进行了分钟后，核分裂已进行了88次。核分裂在公共细次。核分裂在公共细胞质中进行，末端极性细胞质中进行，末端极性细胞质中的细胞核变成性细胞前体；胞质中的细胞核变成性细胞前体；受精受精150150分钟后，形成分钟后，形成多核囊胚层多核囊胚层，核迁移到细胞周边，核迁移到细胞周边并继续分裂并继续分裂44次，形成多核次，形成多核囊胚层；囊胚层；受精受精195195分钟后，形成分钟后，形成细胞囊胚层细胞囊胚层，围绕核的膜形成，围绕核的膜形成，并构成大约由并构成大约由6000600
9、0个细胞组成的单细胞层（体细胞）。个细胞组成的单细胞层（体细胞）。这些核的定位决定了它们将来发育的细胞类型。这些核的定位决定了它们将来发育的细胞类型。第8页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式 果蝇体节形成的果蝇体节形成的格局格局是由是由细胞囊胚层细胞囊胚层决定的。果蝇决定的。果蝇幼虫共有幼虫共有三三个个胸部体节胸部体节（T T）和和八八个个腹部体节腹部体节（A A），），每每c 体节的生成个体节又分为两个区，即个体节又分为两个区，即前极区前极区（A A）和和后极区后极区（P P）。第9页/共100页果蝇副体节的形成果蝇副体节的形成 细胞囊胚层继续发育，逐渐形成一系列分离
10、的特定空间，空间内质量大，空间与空间的交细胞囊胚层继续发育，逐渐形成一系列分离的特定空间，空间内质量大，空间与空间的交界处质量小，这个空间称为界处质量小，这个空间称为副体节副体节。副体节。副体节是分子水平上的胚胎发育结构，肉眼不能辨别。是分子水平上的胚胎发育结构，肉眼不能辨别。第10页/共100页果蝇体节的形成果蝇体节的形成 胚胎发育胚胎发育55至至66小时后，表面上的狭长沟槽形成；胚胎发育至小时后，表面上的狭长沟槽形成；胚胎发育至99小时表面上的沟纹移动并加小时表面上的沟纹移动并加深，从而形成肉眼能辨出的幼虫形态学上的沟深，从而形成肉眼能辨出的幼虫形态学上的沟槽，称为体节，此时体节形成。槽，
11、称为体节，此时体节形成。第11页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式 果蝇的器官发育是由体节决定的。果蝇的器官发育是由体节决定的。幼虫体表面上的体节在成蝇体上保留幼虫体表面上的体节在成蝇体上保留下来，但已发育成不同的器官，其中下来，但已发育成不同的器官，其中胸 部 由 三 个 体 节 组 成，腹胸 部 由 三 个 体 节 组 成，腹d 器官的生成部由八个体节组成。部由八个体节组成。第12页/共100页4A4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育的基本模式 那么从卵母细胞形成到成蝇的一系列发育中，基因是怎样起作用的呢？综合近年来的研那么从卵母细胞形成到成蝇的一系列发育中，基因是怎样
12、起作用的呢？综合近年来的研究结果表明，负责果蝇发育的基因可分为下列究结果表明，负责果蝇发育的基因可分为下列三大部分：三大部分：母体基因母体基因 在卵子生成期间发挥作用在卵子生成期间发挥作用体节形成基因体节形成基因 在授精后表达，影响体节形成的数目和极性在授精后表达，影响体节形成的数目和极性异位同型基因异位同型基因 控制体节的性质，但不影响体节的大小、数控制体节的性质，但不影响体节的大小、数目、极性目、极性第13页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达 在果蝇母体内表达的基因对早期发育是很重要的，但对在果蝇母体内表达的基因对早期发育是很重要的，但对母体本身没有很大的影响。所有母体基因
13、的共同特征是它们母体本身没有很大的影响。所有母体基因的共同特征是它们均在授精之前表达（至少是转录），但其表达产物有的在表均在授精之前表达（至少是转录），但其表达产物有的在表达后就发挥作用，有的暂时储存起来。母体基因产物作用于达后就发挥作用，有的暂时储存起来。母体基因产物作用于卵子，但大部分产物却在卵母细胞以外的地方合成。卵子，但大部分产物却在卵母细胞以外的地方合成。第14页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达 卵子的成熟是护士细胞将大量的卵子的成熟是护士细胞将大量的RNARNA和蛋白质向卵母细胞输送的过程。这些物质进入卵和蛋白质向卵母细胞输送的过程。这些物质进入卵母细胞后，通过扩
14、散作用遍及细胞前后上下，但其浓度是不均一的，在细胞质内形成两个方母细胞后，通过扩散作用遍及细胞前后上下，但其浓度是不均一的，在细胞质内形成两个方向的浓度梯度（向的浓度梯度（轴型梯轴型梯a 卵细胞内的轴型梯度度度）：）：前后轴前后轴形梯度与形梯度与背腹轴背腹轴形梯度。形梯度。第15页/共100页果蝇卵细胞内轴型梯度的形成果蝇卵细胞内轴型梯度的形成在授精之后，由于大量蛋白质的合成，在授精之后，由于大量蛋白质的合成，轴形梯度变得更加明显，但此时这种浓轴形梯度变得更加明显，但此时这种浓度梯度仍是溶液型的。当受精卵的核经度梯度仍是溶液型的。当受精卵的核经历多次核分裂，并开始迁移至合子膜周历多次核分裂，并
15、开始迁移至合子膜周围时，它们参考前后梯度与背腹梯度的围时，它们参考前后梯度与背腹梯度的正交坐标系统而准确地定位。正是这种正交坐标系统而准确地定位。正是这种有序地定位决定了这些核最后发育成什有序地定位决定了这些核最后发育成什么 类 型 的 细 胞 乃 至 器 官。么 类 型 的 细 胞 乃 至 器 官。第16页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达 轴形梯度的物质基础是轴形梯度的物质基础是RNARNA和和蛋白质蛋白质，为其编码的基因大都是母蝇携带的，并在母体内，为其编码的基因大都是母蝇携带的，并在母体内表达，因此称为表达，因此称为母体基因母体基因。根据表达区域的不。根据表达区域的不b
16、 控制轴型梯度形成的母体基因同，母体基因可分为两大类：同，母体基因可分为两大类：母体体细胞基因母体体细胞基因 在卵巢的囊状卵泡细胞中表达在卵巢的囊状卵泡细胞中表达母体性细胞基因母体性细胞基因 在护士细胞或卵母细胞中表达在护士细胞或卵母细胞中表达 第17页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达 目前，共有四组与胚胎发育有关的母体基因已被鉴定。每组基因均构成能反映目前，共有四组与胚胎发育有关的母体基因已被鉴定。每组基因均构成能反映它们作用顺序的顺序组织，并分别控制胚胎不同区域的发育，称为它们作用顺序的顺序组织，并分别控制胚胎不同区域的发育，称为母体基因依赖的母体基因依赖的b 控制轴型梯
17、度形成的母体基因四种发育途径四种发育途径。这四种途径具有一个共同的特征：。这四种途径具有一个共同的特征：途径的开始是卵子细胞外部的物质定位，进而导致卵子细胞内部的信号定位。途径的开始是卵子细胞外部的物质定位，进而导致卵子细胞内部的信号定位。这些信号的表现形式便是一种蛋白质的这些信号的表现形式便是一种蛋白质的不对称分布不对称分布，这种依靠浓度变化决定周边区，这种依靠浓度变化决定周边区域发育结构的蛋白质称为域发育结构的蛋白质称为成形素成形素。在每条途径中，成形素均作为转录调控因子作用。在每条途径中，成形素均作为转录调控因子作用 上述四条途径有三条是控制上述四条途径有三条是控制前后极前后极发育的，一
18、条与发育的，一条与背腹轴背腹轴形成有关：形成有关：于受精卵合子的相关基因，使其表达出控制下一步发育基因的转录调控因子。于受精卵合子的相关基因，使其表达出控制下一步发育基因的转录调控因子。第18页/共100页果蝇的前极系统果蝇的前极系统 前极系统前极系统负责负责头部头部和和胸部胸部的发育。该途径中的的发育。该途径中的母体性细胞基因母体性细胞基因表达产物对表达产物对bcdbcd（bicoidbicoid）基因产物在卵细胞基因产物在卵细胞前极前极的定位至关重要。的定位至关重要。bcdbcd基因的基因的mRNAmRNA是在护士细胞中转录出来的，然后是在护士细胞中转录出来的，然后被输送到卵母细胞中表达。
19、被输送到卵母细胞中表达。BcdBcd蛋白是一种蛋白是一种成形素成形素和和转录调控因子转录调控因子，同时又是另一些靶基因的，同时又是另一些靶基因的翻 译 抑 制 因 子。翻 译 抑 制 因 子。B c dB c d蛋 白 控 制 合 子 中蛋 白 控 制 合 子 中脊 柱 后 凸脊 柱 后 凸基 因基 因h u nh u n（h u n c h b a c kh u n c h b a c k）及其它相关基因的表达。及其它相关基因的表达。第19页/共100页果蝇的后极系统果蝇的后极系统 后 极 系 统后 极 系 统负 责负 责腹 部腹 部的发育。该途径中为数众多的的发育。该途径中为数众多的母 体
20、 性 细 胞 基 因母 体 性 细 胞 基 因表 达 产 物 使表 达 产 物 使 nosnos（nanosnanos）基因产物定位于卵子的基因产物定位于卵子的后端后端。nosnos 基因产物也是一种基因产物也是一种成形素成形素，它抑制，它抑制 hunhun mRNA mRNA 在授精卵后极区域的在授精卵后极区域的翻译翻译，从而，从而关闭关闭该区域的该区域的前极途径前极途径，同时，同时启动后极系统启动后极系统基因的表达。基因的表达。第20页/共100页果蝇的末梢系统果蝇的末梢系统 末梢系统末梢系统负责发育细胞两端的非体节的特殊结构，如负责发育细胞两端的非体节的特殊结构，如头部头部的头节和的头节
21、和尾部尾部的尾节。该系统依的尾节。该系统依赖于赖于母体体细胞母体体细胞（囊状卵泡细胞）中（囊状卵泡细胞）中基因基因torso torso 的表达，该基因编码卵母细胞的的表达，该基因编码卵母细胞的TorsoTorso受体受体。母。母体体细胞的其它基因表达产物通过卵母细胞的体体细胞的其它基因表达产物通过卵母细胞的TorsoTorso受体受体进入卵母细胞，激活卵子内相关基因进入卵母细胞，激活卵子内相关基因的表达。授精后，这些基因的表达产物又导致合子中相关基因的表达。换言之，母体体细胞基的表达。授精后，这些基因的表达产物又导致合子中相关基因的表达。换言之，母体体细胞基因产物影响母体性细胞基因产物的表因
22、产物影响母体性细胞基因产物的表达。达。第21页/共100页果蝇的背腹系统果蝇的背腹系统 背腹系统背腹系统负责发育负责发育背腹背腹部位的结构。这个途径启动时，囊状卵泡细胞中的信号分子（母体部位的结构。这个途径启动时，囊状卵泡细胞中的信号分子（母体体细胞基因编码产物）传递至卵子细胞的腹部一侧边缘，并通过由体细胞基因编码产物）传递至卵子细胞的腹部一侧边缘，并通过由母体体细胞基因母体体细胞基因 tolltoll 编码的编码的受体受体将信号分子转入卵细胞内，激活将信号分子转入卵细胞内，激活dordor（dorsaldorsal）基因编码的基因编码的转录调控因子转录调控因子，由其控制，由其控制受精卵合子的
23、相关基因表达。受精卵合子的相关基因表达。第22页/共100页 大约有大约有3030个与胚胎发育格局形成有关的个与胚胎发育格局形成有关的母体基因母体基因已被鉴定。四种途径中的前两种途径由母已被鉴定。四种途径中的前两种途径由母体性细胞（护士细胞与卵母细胞）基因表达产物直接启动，这些启动产物通过胞质桥直接进入体性细胞（护士细胞与卵母细胞）基因表达产物直接启动，这些启动产物通过胞质桥直接进入卵子中；后两种途径由母体体细胞（囊状卵泡细胞）基因表达产物启动，这些启动产物卵子中；后两种途径由母体体细胞（囊状卵泡细胞）基因表达产物启动，这些启动产物通过卵子细胞表面受体通过卵子细胞表面受体 Torso Tors
24、o 和和 Toll Toll 将信号传输到细胞内。将信号传输到细胞内。所 有 母 体 基 因 的所 有 母 体 基 因 的普 遍 特 征普 遍 特 征是：它 们 在 授 精 之 前 已 表 达（至 少 已 经是：它 们 在 授 精 之 前 已 表 达（至 少 已 经转录），但其表达产物有些暂时贮存起来不发挥作用。转录），但其表达产物有些暂时贮存起来不发挥作用。第23页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达c bcd 基因的表达与功能 卵母细胞和受精卵合子细胞中物质含量的卵母细胞和受精卵合子细胞中物质含量的不对称性不对称性（非均匀性）是发育个体复杂结构的基（非均匀性）是发育个体复杂结
25、构的基础。在卵细胞中，建立这种不对称性需要某些础。在卵细胞中，建立这种不对称性需要某些RNARNA或蛋白质组分的或蛋白质组分的区域化定位区域化定位，而不是在细胞，而不是在细胞质中的均匀扩散。例如，在果蝇的前极发育过程中，一些基因的质中的均匀扩散。例如，在果蝇的前极发育过程中，一些基因的mRNAmRNA被固定在前极区域，当被固定在前极区域，当这些这些mRNAmRNA翻译后，其蛋白产物扩散离开卵细胞的前极固定端点，并沿着前后极轴形成一个翻译后，其蛋白产物扩散离开卵细胞的前极固定端点，并沿着前后极轴形成一个浓浓度梯度度梯度。bcd bcd 基因的产物就是介导前极基因的产物就是介导前极系统发育格局形成
26、的成形素系统发育格局形成的成形素。第24页/共100页bcd bcd 基因表达产物浓度梯度的建立基因表达产物浓度梯度的建立 bcd bcd基因是在护士细胞中转录的，其基因是在护士细胞中转录的，其mRNAmRNA通过胞质桥进入卵母细胞内，并固定在卵母细通过胞质桥进入卵母细胞内，并固定在卵母细胞的前极。该胞的前极。该mRNAmRNA的的翻译发生在授精之后翻译发生在授精之后，翻译出的，翻译出的BcdBcd蛋白质沿着合子的前后轴扩散。当蛋白质沿着合子的前后轴扩散。当核分裂七次后形成核分裂七次后形成BcdBcd浓度梯度浓度梯度，这种浓度梯度一直稳定地维持到，这种浓度梯度一直稳定地维持到细胞囊胚层细胞囊胚
27、层的形成，浓度梯的形成，浓度梯度符合自然对数规律，即度符合自然对数规律，即 c=A e c=A e-Bd-Bd。协助协助BcdBcd这种这种浓度梯度建立的蛋白因子包括：浓度梯度建立的蛋白因子包括：ExuExu、SwaSwa、StauStau，它们均是它们均是母体性细胞基因母体性细胞基因表达的产物，或参与表达的产物，或参与bcdbcd-mRNA-mRNA进入卵母细胞的运输，进入卵母细胞的运输，或限制其扩散，其分子机制是或限制其扩散，其分子机制是序列特异性地与序列特异性地与bcdbcd-mRNA-mRNA的的33端非编码区结合。端非编码区结合。第25页/共100页bcd bcd 基因表达产物浓度梯
28、度的建立基因表达产物浓度梯度的建立受精后受精后第第55次核分裂次核分裂受精后受精后第第1313次核分裂次核分裂受精后受精后第第1414次核分裂次核分裂第26页/共100页bcd bcd 基因表达产物浓度梯度的功能基因表达产物浓度梯度的功能 bcdbcd基因表达产物的浓度决定了胚胎前极发育结基因表达产物的浓度决定了胚胎前极发育结构的位置，因此称为成构的位置，因此称为成形素形素（MorphogenMorphogen）。）。换句换句话说，胚胎前极部分的细胞发育类型是由这些细胞话说，胚胎前极部分的细胞发育类型是由这些细胞所处位置附近的所处位置附近的BcdBcd蛋白浓度蛋白浓度决定的。较弱的浓度梯决定的
29、。较弱的浓度梯度将导致前极体节发育得更带有后极的特征；而较度将导致前极体节发育得更带有后极的特征；而较强的浓度梯度将导致胚胎的前极样结构伸展得更远。强的浓度梯度将导致胚胎的前极样结构伸展得更远。B c dB c d浓 度 梯 度 一 破 坏，就 会 发 生 腹 部 结 构 长 到 胸 部 位 置 上，或 者 幼 虫 只浓 度 梯 度 一 破 坏，就 会 发 生 腹 部 结 构 长 到 胸 部 位 置 上，或 者 幼 虫 只头部和胸部，没有腹部。头部和胸部，没有腹部。第27页/共100页bcd bcd 基因表达产物浓度梯度的功能基因表达产物浓度梯度的功能 BcdBcd蛋白蛋白是一种序列特异性的是
30、一种序列特异性的DNADNA结合蛋白，能与相应靶基因的启动子区域结合，并调控其结合蛋白，能与相应靶基因的启动子区域结合，并调控其转录，而这些靶基因的表达产物又可进一步控制其它基因的表达，从而构成一个转录，而这些靶基因的表达产物又可进一步控制其它基因的表达，从而构成一个级联反应级联反应。在。在受受BcdBcd调控的几个靶基因中，最重要的是脊柱后凸基因调控的几个靶基因中，最重要的是脊柱后凸基因hunhun。hunhun基因的基因的高效转录高效转录是是BcdBcd产物浓度产物浓度依赖型的，即当依赖型的，即当BcdBcd蛋白的浓度超过某一蛋白的浓度超过某一临界值临界值时，该基因才能启动高效转录。在此，
31、浓度梯度时，该基因才能启动高效转录。在此，浓度梯度成为基因表达的开关，这是分子生物学领域成为基因表达的开关，这是分子生物学领域由量变到质变的一个典型案例。由量变到质变的一个典型案例。B c dB c d诱 导诱 导h u nh u n基 因 高 效 表 达 后，基 因 高 效 表 达 后，h u nh u n基 因 产 物 又 引 发 一 系 列 基 因 表 达基 因 产 物 又 引 发 一 系 列 基 因 表 达或抑制的级联反应，其最终结果是胚胎前极部分结构的形成。或抑制的级联反应，其最终结果是胚胎前极部分结构的形成。第28页/共100页bcd bcd 基因表达产物浓度梯度的功能基因表达产物
32、浓度梯度的功能 BcdBcd蛋白蛋白又是一种靶又是一种靶mRNAmRNA的的翻译抑制剂翻译抑制剂，它通过与，它通过与 caudal caudal mRNAmRNA 3 3 端的非翻译区序列端的非翻译区序列结结合合而阻止其翻译。而阻止其翻译。C a u d a l C a u d a l 蛋白是那些控制后极蛋白是那些控制后极分化的基因的特异性激活因子。分化的基因的特异性激活因子。hunchback hunchback 和和 caudal caudal 两个基因均两个基因均在护士细胞中转录，并被输送至卵母细胞中均匀分布在护士细胞中转录，并被输送至卵母细胞中均匀分布，但，但两两者却在者却在BcdBc
33、d蛋白的控制下于胚胎不同的部位被翻译成相应蛋白的控制下于胚胎不同的部位被翻译成相应的蛋白质。的蛋白质。hunhun mRNA mRNA仅在前极被翻仅在前极被翻译；而译；而 caucau mRNA mRNA仅在后极被翻译。随后，两种蛋白分别以前极和后极为起点，各自向胚胎中仅在后极被翻译。随后，两种蛋白分别以前极和后极为起点，各自向胚胎中部 扩 散 形 成 浓 度 梯 度。这 两 种 浓 度 梯 度 或 激 活 或 抑 制 其 靶 基 因 的 表 达部 扩 散 形 成 浓 度 梯 度。这 两 种 浓 度 梯 度 或 激 活 或 抑 制 其 靶 基 因 的 表 达并由此介导胚胎进一步的发育进程。并由
34、此介导胚胎进一步的发育进程。第29页/共100页Bcd Bcd 成形素扩散及作用的实时观察与定量测定成形素扩散及作用的实时观察与定量测定 20072007年，年，GregorGregor等人等人利用免疫荧光染色技术及利用免疫荧光染色技术及BcdBcd蛋白蛋白-绿色荧光蛋白（绿色荧光蛋白（GFPGFP）标记技术，）标记技术，实时观察到果蝇中实时观察到果蝇中BcdBcd浓度梯度是怎样建立的，又是怎样控制浓度梯度是怎样建立的，又是怎样控制hunhun表达的。测量表达的。测量数据显示，数据显示，BcdBcd浓度梯度浓度梯度的建立大约要花的建立大约要花11小时小时；它激活；它激活hunhun基因转录的阈
35、值为每核平均基因转录的阈值为每核平均690690个分子个分子；大约；大约55个个B c dB c d蛋 白 分 子蛋 白 分 子协 同 结 合 在协 同 结 合 在h u nh u n基 因 的 调 控 位 点 上，方 能 打 开基 因 的 调 控 位 点 上，方 能 打 开h u nh u n基 因 的基 因 的表达开关。表达开关。（fromfrom：Julian LewisJulian Lewis，ScienceScience 322322（59005900），），399399，20082008）第30页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达d nos 基因的表达与功能 nos
36、nos 基因的表达产物介导果蝇后极发育格局的形成。后极发育依赖于一个庞大基因组的表基因的表达产物介导果蝇后极发育格局的形成。后极发育依赖于一个庞大基因组的表达。这些基因中的任何一个发生突变均会导致胚胎拥有正常的头部和胸部，但缺少完整的腹部达。这些基因中的任何一个发生突变均会导致胚胎拥有正常的头部和胸部，但缺少完整的腹部结构。这些基因表达产物中的一部分与物质从护士细胞到卵细胞的运输有关，而另一些结构。这些基因表达产物中的一部分与物质从护士细胞到卵细胞的运输有关，而另一些则与物质在卵细胞内的运输和定位有关。则与物质在卵细胞内的运输和定位有关。第31页/共100页n nosos 基因表达产物浓度梯度
37、的建立基因表达产物浓度梯度的建立 果蝇胚胎后极系统的发育需要更多基因的顺序性果蝇胚胎后极系统的发育需要更多基因的顺序性表达。与前极系统相似，表达。与前极系统相似，nnosos基因也是在护士细胞中基因也是在护士细胞中转录的。转录的。nosnos-mRNA-mRNA从护士细胞通过胞质桥进入卵母从护士细胞通过胞质桥进入卵母细胞，穿过整个卵母细胞并定位于后极位点，然后在细胞，穿过整个卵母细胞并定位于后极位点，然后在后极翻译。后极翻译。NNosos蛋白蛋白沿着前后极轴沿着前后极轴由后向前由后向前形成形成浓度浓度梯 度梯 度。NNosos的定位及表达至少需要八个基因产的定位及表达至少需要八个基因产物的协同
38、作用。物的协同作用。第32页/共100页n nosos 基因表达产物浓度梯度的建立基因表达产物浓度梯度的建立后极系统后极系统是以一系列基因表达产是以一系列基因表达产物的物的区域化定位区域化定位的形式进行工作的形式进行工作的。其中的。其中spirespire和和cappucappu两个基因两个基因的功能是将的功能是将StaufenStaufen蛋白固定在卵蛋白固定在卵细胞的后极端点处；细胞的后极端点处；StaufenStaufen蛋白蛋白依次固定依次固定oskaroskar-mRNA-mRNA（可能装可能装配形成配形成RNA-RNA-蛋白复合物）；而这蛋白复合物）；而这些功能又是固定些功能又是固
39、定VasaVasa所需要的，所需要的，VasaVasa是一种是一种RNARNA结合蛋白，其下结合蛋白，其下游的靶物质尚不清楚。事实上，游的靶物质尚不清楚。事实上，valoisvalois和和tudortudor两个基因的功能也两个基因的功能也是未知的。是未知的。cappuccinocappuccinospirespirestaufenstaufenoskaroskarvasavasavaloisvaloistudortudornanosnanospumiliopumilioproteinproteinmRNAmRNAproteinproteinmRNAmRNANanosNanos性细胞发育性细
40、胞发育？第33页/共100页n nosos 基因表达产物浓度梯度的建立基因表达产物浓度梯度的建立在后极途径中，以在后极途径中，以tudortudor为分支点，形成为分支点，形成两条不同的分支途径：一支的两条不同的分支途径：一支的成形素成形素为为nnosos基因产物，控制腹部发育，因此基因产物，控制腹部发育，因此NNosos被称为被称为后极决定因子后极决定因子；另一支为一未知；另一支为一未知蛋白，控制蛋白，控制性器官性器官的发育。所有的后极的发育。所有的后极系统的基因，除了系统的基因，除了nnosos和和pumiliopumilio外，都外，都是两个分支途径所必需的，而是两个分支途径所必需的，而
41、nosnos和和p u m i l i op u m i l i o两个基因则是两个基因则是腹部发育腹部发育专用的。专用的。cappuccinocappuccinospirespirestaufenstaufenoskaroskarvasavasavaloisvaloistudortudornanosnanospumiliopumilioproteinproteinmRNAmRNAproteinproteinmRNAmRNANanosNanos性细胞发育性细胞发育？第34页/共100页n nosos 基因表达产物浓度梯度的功能基因表达产物浓度梯度的功能 NNosos蛋白是蛋白是hunhun-m
42、RNA-mRNA翻译的翻译的抑制剂抑制剂，通过抑制，通过抑制HunHun蛋白蛋白的翻译，阻止那些与前极发育有关的翻译，阻止那些与前极发育有关的基因表达，这种抑制作用与的基因表达，这种抑制作用与BcdBcd对对hunhun基因基因转录转录的促进作用一样，也是浓度依赖型的。的促进作用一样，也是浓度依赖型的。BcdBcd和和NNosos两者均作用于两者均作用于hunhun基因基因的表达，的表达，BcdBcd浓度梯度的浓度梯度的高值高值在前极在前极区域区域促进促进hunhun基因的基因的转录转录；NNosos浓度梯浓度梯度的度的高值高值在 后 极 区 域在 后 极 区 域阻止阻止hunhun-mRNA
43、-mRNA的的翻译翻译。第35页/共100页n nosos 基因表达产物控制后极结构发育的分子机制基因表达产物控制后极结构发育的分子机制 BcdBcd蛋白和蛋白和NNosos蛋白均作用于蛋白均作用于hunhun基因的表达。基因的表达。hunhun基因编码的是一种基因编码的是一种转录阻遏因子转录阻遏因子，它的，它的存在存在为为前极结构前极结构（胸部区域）形成所（胸部区域）形成所必需必需，它的，它的缺失缺失为为后极结构后极结构的发育所的发育所必需必需。hunhun基因的表达相当复杂，它在卵子生成期间以基底水平转录，其基因的表达相当复杂，它在卵子生成期间以基底水平转录，其mRNAmRNA均匀地分布在
44、卵均匀地分布在卵细胞质中。细胞质中。授精后授精后，其分子布局以两种形式被改变：，其分子布局以两种形式被改变：BcdBcd蛋白浓度梯度在前极区域激活蛋白浓度梯度在前极区域激活hun-hun-mRNAmRNA的大量的大量合成合成；而；而NNosos蛋白则阻止蛋白则阻止hun-hun-mRNAmRNA在后极区域的在后极区域的翻译翻译，其结果是，其结果是mRNAmRNA的的降解降解。总的效果是：总的效果是：前极前极一半区域一半区域hun-hun-mRNAmRNA水平在水平在提高提高；后极后极一半区域一半区域hun-hun-mRNAmRNA则则消失。高浓度消失。高浓度的的HunHun蛋白蛋白阻遏阻遏kn
45、irpsknirps和和giantgiant两基因的表达，它们均为腹部发育所必需，因此两基因的表达，它们均为腹部发育所必需，因此HunHun总的功能就是总的功能就是抑制腹部抑制腹部结构的发育。结构的发育。第36页/共100页前极决定途径前极决定途径 后极决定途径后极决定途径 卵母细胞卵母细胞 卵母细胞卵母细胞 多核囊胚层多核囊胚层 多核囊胚层多核囊胚层细胞囊胚层细胞囊胚层 细胞囊胚层细胞囊胚层胚胎胚胎 胚胎胚胎hunchback hunchback RNARNA caudalcaudal RNARNA bicoid bicoid RNARNA nanos nanos RNARNA BcdBcd
46、NosNosHunHunCauCau前极体节前极体节 后极体节后极体节 第37页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达e grk 基因的表达与功能 果蝇胚胎果蝇胚胎背腹格局背腹格局的发育需要一组的发育需要一组1111个母体基因的表达，其功能是在授精与细胞囊胚层形个母体基因的表达，其功能是在授精与细胞囊胚层形成这段时间内建立成这段时间内建立背腹轴线背腹轴线，这个系统对背腹部结构的发育是必需的。，这个系统对背腹部结构的发育是必需的。grkgrk（gurkengurken）基因的基因的表达产物介导了背腹表达产物介导了背腹系统中系统中背部结构发育背部结构发育格局的形成格局的形成。第38页/
47、共100页grk grk 转录物在卵母细胞背部一侧的固定转录物在卵母细胞背部一侧的固定grkgrk-mRNA-mRNA位点特异性地固定在卵母细位点特异性地固定在卵母细胞的胞的背部背部一侧，果一侧，果蝇背腹系统的极性随蝇背腹系统的极性随之建立起来。其中，之建立起来。其中，cnicni和和brinbrin基因的表基因的表达产物对达产物对grk-grk-mRNAmRNA的合适定位及其蛋的合适定位及其蛋白质的激活是必需的；其它的基因如白质的激活是必需的；其它的基因如k10k10、spdspd、orborb、capucapu、spirspir等对等对grk-grk-m R N Am R N A在 前 后
48、 极 的 定 位 也在 前 后 极 的 定 位 也至关重要。至关重要。第39页/共100页GrkGrk 蛋白的功能蛋白的功能grkgrk基基因因编编码码一一种种与与生生长长因因子子TGFTGFaa相相似似的的蛋蛋白白质质。囊囊状状卵卵泡泡中中的的 toptop（torpedotorpedo）基基因因编编码码EGFEGF受受体体，因因此此GrkGrk与与TopTop受受体体的的相相互互作作用用使使信信号号从从卵卵母母细细胞胞进进入入囊囊状状卵卵泡泡细细胞胞。TopTop受受体体含含有有酪酪氨氨酸酸激激酶酶活活性性，其其激激活活后后进进入入RasRas通通路路，通通过过RafRaf和和D-D-me
49、kmek（与与MAPKKMAPKK相相当当）最最后后激激活活传传统统的的MAPKMAPK途途径径。该该通通路路最最终终阻阻遏遏pipepipe，将将其其限限制制在在腹腹部部一一侧侧的的卵卵泡泡上上皮皮细细胞胞中中表表达达，从从而而阻阻止止腹腹部部决决定定途途径径在在胚胚胎胎背背部部一一侧侧的的激活。激活。EGFEGF信号转导途径信号转导途径第40页/共100页4B4B 母体基因的表达母体基因的表达f toll 基因的表达与功能toll toll 基因的表达产物介导背腹系统基因的表达产物介导背腹系统腹部发育格局腹部发育格局的形成。的形成。背腹系统背腹系统中有三个中有三个母体体细胞基因母体体细胞基
50、因在囊状卵泡细胞中表在囊状卵泡细胞中表达，其产物（达，其产物（PipePipe、NudNud、WinWin）参与将信号传递至卵母参与将信号传递至卵母细胞的腹部一侧。细胞的腹部一侧。第41页/共100页囊状卵泡细胞与卵母细胞之间的信号传递囊状卵泡细胞与卵母细胞之间的信号传递一旦授精，卵子腹部一侧的一旦授精，卵子腹部一侧的卵周间隙在上述信号的作用卵周间隙在上述信号的作用下，发生一系列的蛋白水解下，发生一系列的蛋白水解作用。作用。snasna和和easeas两个基因分两个基因分别编码蛋白酶别编码蛋白酶SnaSna和和EasEas，SnaSna裂解裂解EasEas，EasEas激活后裂激活后裂解解Sp