概述

图式形成与胚轴

  • 图式形成（pattern formation）：胚胎细胞形成不同组织、器官、构成有序空间结构的过程
  • 图式形成涉及躯体模式的建立，包括：胚轴形成、胚层的分化、体节形成、器官原基的形成等细胞分化过程
  • 胚轴（embryonic axes）：
    • 前后轴（anterior-posterior axis）
    • 背腹轴（dorsal-ventral axis）
    • 左右轴（left-right axis）

基因层级调控系统

  • 母源效应基因（maternal-effect gene）：在卵子发生过程中表达并在卵子发生及早期胚胎发育中具特定功能的基因
  • 合子基因（zygotic gene）：在受精后才表达的胚胎基因，如：缺口基因、成对控制基因、体节极性基因、同源异型选择者基因
  • 果蝇胚轴形成调控路径：母源基因 → 缺口基因 → 成对控制基因 → 体节极性基因和同源异型基因

果蝇胚胎极性

胚胎结构概述

  • 沿背腹轴分化：4个区 - 背部外胚层、腹侧外胚层、中胚层和羊浆膜
  • 沿前后轴分节：原头、3个胸节、8个腹节和原尾
  • 有4组母体效应基因与果蝇胚轴形成有关：
    • 前端系统
    • 后端系统
    • 末端系统
    • 背腹系统
  • 形态发生素（morphogen）：母体效应基因的蛋白质产物，形成浓度梯度提供位置信息

前-后轴形成

突变体研究

  • 前端系统突变（bicoid）：头胸结构缺失，被尾区取代
  • 后端系统突变（nanos）：腹部大部分缺失
  • 末端系统突变（torso）：原头区和尾区缺失
基因 突变表型 功能与结构
前端系统
bicoid (bcd) 头胸缺失，被倒置的尾区取代 梯度形态发生素；含同源结构域；抑制caudal
exuperantia (exu) 前头部结构缺失 锚定bicoid mRNA
swallow (swa) 前头部结构缺失 锚定bicoid mRNA
后端系统
nanos (nos) 无腹部 后部形态发生素；抑制hunchback
tudor (tud) 无腹部，无极细胞 定位Nanos
oskar (osk) 无腹部，无极细胞 定位Nanos
末端系统
torso (tor) 无末端结构 末端形态发生素
trunk (trk) 无末端结构 传递信号至Torso

前端系统

bicoid基因的作用机制

  • bicoid mRNA在未受精卵中定位在胞质前端
  • 受精后翻译的Bicoid蛋白沿AP轴扩散，形成浓度梯度（前高后低）
  • Bicoid是转录因子，不同浓度开启不同合子基因表达
  • 功能：
    • 激活hunchback表达
    • 抑制caudal mRNA翻译
    • 为胚胎前后分化提供位置信息

后端系统

nanos基因的作用机制

  • Nanos决定后部区的发育，形成后-前浓度梯度
  • 与hunchback mRNA结合，阻止其在后区翻译
  • 形成Hunchback蛋白梯度，调控knirps和giant等腹部图式形成基因的表达
  • 控制机制：
    • 前部：Pumilio蛋白结合hunchback mRNA的NRE区域，正常翻译
    • 后部：Nanos与Pumilio结合，使hunchback mRNA去腺苷酸化，阻止翻译

末端系统

Torso信号系统

  • 涉及9个母体效应基因
  • Torso受体为酪氨酸激酶类受体，均匀分布在卵的质膜上
  • 配体定位在卵的两端卵黄膜上
  • 受精时配体释放，与Torso结合，激活信号传导
  • 信号通路：Torso激活 → SOS → RAS → RAF → MAP激酶 → 转录因子
  • 激活合子靶基因(huckebein, tailless)表达

背-腹轴形成

背腹系统

  • 约20个基因参与，dorsal、cactus主导
  • dorsal突变：仅产生背部化
  • cactus突变：仅产生腹部化
  • 作用机制：通过信号系统界定Dorsal蛋白在背腹细胞核中的分布梯度
  • TOLL受体在卵子腹侧质膜上被配体SPATZLE激活
  • 信号通路：Spatzle → Toll → Pelle/Tube → Cactus降解 → Dorsal进入核内

滤泡细胞极性的确定

  • 背腹极性：
    • 卵母细胞核移至卵子前背侧，grk mRNA聚集
    • GRK蛋白合成，与背侧TOP受体结合
    • 引起背侧滤泡细胞分化
  • 腹侧：
    • 无GRK，腹侧滤泡细胞合成NUDEL、PIPE蛋白
    • 激活下游EASTER，进一步激活spätzle
    • 最终激活TOLL信号系统

分节基因与体节形成

缺口基因（Gap genes）

  • 受精后最早沿AP轴线呈区域性表达的合子基因
  • 表达特点：
    • 受母源效应基因启动
    • 多核胚期开始表达
    • 表达局限在一定区域（每个表达区涵盖3个副体节）
    • 产物半衰期短（仅数分钟）
  • 主要基因：
    • hunchback（1-3副体节）
    • Kriippel（4-6副体节）
    • knirps（7-12副体节）
  • 都编码转录因子，相互作用调节和稳定表达图式

成对控制基因（Pair-rule genes）

  • 功能：把缺口基因确定的区域进一步分成副体节
  • 表达特点：
    • 细胞化胚盘期表达
    • 以两个副体节为单位做周期性、交替性表达
    • 分为初级（hairy, eve, runt）和次级（ftz, opa, slip, prd）
  • 受缺口基因调控：既可在一定带区活化基因表达，又可抑制其它表达带区形成
  • 例如：
    • even-skipped在奇数副体节表达
    • fushi tarazu在偶数副体节表达

体节极性基因（Segment polarity genes）

  • 决定体节的边界和体节内细胞的命运
  • 关键基因：
    • engrailed（en）：在每个副体节前部的一行细胞中表达
    • wingless（wg）：在每一副体节的最后一列细胞表达
  • 边界维持机制：
    • EN细胞接受WG信号，激活hh和en表达
    • HH与邻近WG细胞Patched受体结合，介导wg表达
    • 二者互作维持表达，巩固体节边界

同源异型选择者基因

HOM-C基因复合体

  • 位于第三染色体上的两个区域：
    • Antennapedia complex（Antp-C）：参与头部体节特化
    • Bithorax complex（BX-C）：参与胸部和腹部体节分化
  • 表达图式与基因排列次序呈线性关系（3'-前端，5'-后端）
  • 主要基因：
    • labial（lab）
    • Deformed（Dfd）
    • Sex combs reduced（Scr）
    • Antennapedia（Antp）
    • Ultrabithorax（Ubx）
    • abdominal A（abdA）
    • Abdominal B（AbdB）

突变表型

  • Ultrabithorax缺失：第三胸节(T₃)的平衡棒转变为翅膀
  • Antennapedia突变：触角转变为腿
  • 功能区域：
    • Ubx：T3、A1
    • abdA：A2-4
    • abdB：A5-8

表达调控

  • 受Gap和Pair-rule基因控制
  • 例如：
    • Kruppel激活antp表达、抑制abd-B和abd-A表达
    • Hunchback激活Ubx，抑制abd-A和abd-B表达
  • 调控机制：
    • TRX（Trithorax）蛋白家族：正向控制
    • PC（Polycomb）蛋白家族：负向控制