1、授课教师：吴中华授课专业：生物科学二零一四年第十一章 胚轴形成 胚胎不但产生不同类型的细胞，而且也要由这些细胞构成执行不同功能的组织和器官并形成有序空间结构的体形模式 (body plan)。胚胎细胞形成不同组织、器官， 构成有序空间结构的过程称为模式形成 (pattern formation). 在动物胚胎发育过程中，最初的模式形成主要涉及胚轴(embryonic axes)的形成及其一系列相关的细胞分化过程 . 胚轴指胚胎的前 -后轴 (anterior-posterior axis)和背 -腹轴 (dorsal-ventral axis)，所有多细胞动物至少具有一种主要的胚轴，而两侧对称
2、的动物还具有中 -侧轴(meddiolateral axis)或左 -右轴 (left-right axis), 由于这些轴在胚体是相互垂直的，可作为形体形态描述的坐标。第一节 果蝇胚轴形成目前已筛选到与胚胎胚轴形成有关的一大批母源效应基因（ maternal-effectgene）和合子基因（ zygotic gene）。 在果蝇最初的发育中，由母源效应基因及其编码蛋白构成位置信息的基本网络，激活合子基因的表达，控制果蝇躯体模式的建立。 一、果蝇胚胎的极性果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前 -后轴和背 -腹轴。 沿前 -后轴果蝇胚胎和幼虫显示有规律的分节，由于这些分节属于 3个解剖区，
3、又可从前到后分为头节、 3个胸节和 8个腹节。在幼虫的两末端又特化成为前面的原头和后端的尾节。 在早期胚胎发育中，沿背 -腹轴分化成为 4个区域，即背部外胚层、腹侧外胚层、中胚层和羊浆膜。 果蝇母源效应基因产物与早期胚轴形成关系： 与胚胎前 -后轴的决定有关，即前端系统（ anterior system）决定头胸部分节区域，后端系统（ posterior system)决定分节的腹部，末端系统（ terminal system）决定胚胎两端的原头区和尾节。决定胚胎的背 -腹轴。 在卵子发生中，这些母源效应基因的 mRNA由滋养细胞合成后迁移进卵子，分别定位于一定区域。它们编码转录因子或翻译调控
4、蛋白因子，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的表达，调控果蝇胚轴的形成。这些母源效应基因的编码蛋白质又称为形态发生素（ morphogen）。 果蝇胚胎、幼虫、成体的前 -后和背 -腹极性均来源于其卵子的极性。在卵子发生中，迁移进卵子的母源效应基因mRNA，及其受精后翻译产物蛋白质的不均匀分布与卵子的极性密切相关。同时，卵子与滋养细胞之间进行一系列双向信号转导，进而引发卵细胞内的基因表达和细胞骨架极性的改变则是卵子极性建立的直接原因。二、果蝇前 -后轴的形成调节果蝇胚胎前 -后轴的形成有 4个非常重要的形态发生素： Bicoid（ BCD）和 Hunchback（
5、 HB）调节胚胎前端结构的形成；Nanos（ NOS）和 Caudal（ CDL)调节胚胎后端结构的形成。 缺口基因 （ gap genes）表达区呈带状，带宽大约相当于 3个体节的宽度。缺口基因翻译的蛋白质以其浓度效应调控成对控制基因的表达。 成对控制基因 （ pair-rule genes）的带状表达区将胚胎沿前 -后轴划分成周期性的单位。与前 -后轴垂直的 7条表达带有关。成对控制基因翻译的蛋白质可激活体节极性基因的转录。体节极性基因 （ segment polarity genes）的表达产物再进一步将胚胎划分为 14个体节。 形态发生素 调节最先表达的合子基因，即缺口基因。 受精后，
6、由定位于卵质中母性效应基因产物如 bcd mRNA立即翻译，激活hb基因表达，而 HB可激活合子基因的表达。沿前 后轴依次激活 4 类主要的合子基因：缺口基因、成对控制基因、体节极性基因。缺口基因和成对控制基因可进一步激活同源异型基因。图中还显示每一类基因的表达方式和主要功能1前端组织中心 Bicoid (BCD )蛋白浓度梯度前端系统至少包括 4个主要的基因，其中 bcd基因对于前端结构的决定起着关键作用。 bcd是一种母源效应基因，在卵子发生中， bcd mRNA于滋养细胞中转录，再转运至卵子中并定位于卵子前极。 BCD具有决定胚胎极性和组织空间图式的功能。 bcd基因也是同源异型框基因，
7、 BCD蛋白是一种转录调节因子，可与 DNA特异性结合并激活合子靶基因的表达。从前向后稳定的浓度梯度，主要覆盖胚胎前2/3区域。 BCD蛋白的浓度梯度可以同时特异性启动不同基因的表达，从而将胚胎划分为不同的区域。 缺口基因 hunchback (hb）是其靶基因之一，是控制胚胎胸部及头部部分结构发育的重要基因。 hb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蛋白从前到后也形成一种浓度梯度。 2.后端组织中心： Nanos蛋白和 Caudal蛋白浓度梯度在卵子发生过程中，后端决定子 Nanos ( NOS )的 mRNA在卵室前端的滋养细胞中转录，通过转运定位到卵子后极，在成熟卵
8、中定位于生殖质。 后端系统是通过抑制转录因子 HB的翻译起作用，该系统包括约 10个基因 .NOS活性从后端向前弥散形成浓度梯度，在胚胎后部抑制 hb mRNA的翻译。 NOS通过抑制转录因子 HB的翻译调控缺口基因 knirps和giant的表达。 hb mRNA在卵子中均匀分布。由于分布在胚胎后部的 hb mRNA的翻译被 NOS的浓度梯度所抑制，而在前部 BCD蛋白浓度梯度可激活合子hb基因的表达，结果 HB蛋白的分布区域主要位于胚胎前半部分。 母源效应基因 caudal(cdl） mRNA最初也是均匀分布于整个卵质内， BCD能抑制 cdl mRNA的翻译。在 BCD活性从前到后降低的浓度梯度作用下形成 CDL蛋白从后向前降低的浓度梯度。
