过程分子生物学4

过程分子生物学523416基因的表达与调控细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学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，如鱼类、果蝇、青蛙、寄生虫等。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。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。 本讲将重点论述果蝇发育的分子生物学原理。 胚胎发育的基因表达谱EBCDA果蝇发育的基本模式母体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盒的普遍意义4A 果蝇发育的基本模式果蝇发育可分成四个阶段： 胚胎生成 体节生成 器官生成 受精 卵子 胚胎 幼虫 成蝇 卵子生成 4A 果蝇发育的基本模式 卵子的前身是卵母细胞。成包囊细胞（cystoblast）经过四次有丝分裂（但胞质呈不完全分裂）后形成16个细胞，其中一个变成卵母细胞，进入减数分裂，最终发育为成熟的卵子；其余15个细胞则变成双倍体的滋养细胞（护士细胞），它们紧密地排列在由卵巢囊状卵泡细胞围成的空间中，形成卵室（egg chamber）。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14个形态学不同的阶段。果蝇卵室的结构卵母细胞 成包囊细胞四次分裂过程中的胞质不完全分裂留下了富含肌动蛋白的胞质桥（又称环管）。这些胞质桥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，护士细胞将其RNA、卵泡细胞 护士细胞 胞质桥蛋白质、甚至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卵子的前极。4A 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，接着精核和卵核相互融合形成两个二倍体合子核，即合子。受精后的合子核分裂非常迅速，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相同核的单个细胞，这样的细胞称为多核体（syncytium）。b 胚胎的生成果蝇合子的发育受精90分钟后，核分裂已进行了8次。核分裂在公共细胞质中进行，末端极性细胞质中的细胞核变成性细胞前体；受精150分钟后，形成多核囊胚层，核迁移到细胞周边并继续分裂4次，形成多核囊胚层；受精195分钟后，形成细胞囊胚层，围绕核的膜形成，并构成大约由6000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。 4A 果蝇发育的基本模式 果蝇体节形成的格局是由细胞囊胚层决定的。果蝇幼虫共有三个胸部体节（T）和八个腹部体节（A），每c 体节的生成个体节又分为两个区，即前极区（A）和后极区（P）。 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。果蝇体节的形成 胚胎发育5至6小时后，表面上的狭长沟槽形成；胚胎发育至9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槽，称为体节，此时体节形成。4A 果蝇发育的基本模式 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下来，但已发育成不同的器官，其中胸部由三个体节组成，腹d 器官的生成部由八个体节组成。4A 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？综合近年来的研究结果表明，负责果蝇发育的基因可分为下列三大部分：母体基因 在卵子生成期间发挥作用体节形成基因 在授精后表达，影响体节形成的数目和极性异位同型基因 控制体节的性质，但不影响体节的大小、数目、极性4B 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。4B 母体基因的表达 卵子的成熟是护士细胞将大量的RNA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（轴型梯a 卵细胞内的轴型梯度度）：前后轴形梯度与背腹轴形梯度。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，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。当受精卵的核经历多次核分裂，并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么类型的细胞乃至器官。 4B 母体基因的表达 轴形梯度的物质基础是RNA和蛋白质，为其编码的基因大都是母蝇携带的，并在母体内表达，因此称为母体基因。根据表达区域的不b 控制轴型梯度形成的母体基因同，母体基因可分为两大类：母体体细胞基因 在卵巢的囊状卵泡细胞中表达母体性细胞基因 在护士细胞或卵母细胞中表达 4B 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b 控制轴型梯度形成的母体基因四种发育途径。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。这些信号的表现形式便是一种蛋白质的不对称分布，这种依靠浓度变化决定周边区域发育结构的蛋白质称为成形素。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前后极发育的，一条与背腹轴形成有关：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。果蝇的前极系统 前极系统负责头部和胸部的发育。该途径中的母体性细胞基因表达产物对bcd（bicoid）基因产物在卵细胞前极的定位至关重要。bcd基因的mRNA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。Bcd蛋白是一种成形素和转录调控因子，同时又是另一些靶基因的翻译抑制因子。Bcd蛋白控制合子中脊柱后凸基因hun（hunchback）及其它相关基因的表达。果蝇的后极系统 后极系统负责腹部的发育。该途径中为数众多的母体性细胞基因表达产物使 nos（nanos）基因产物定位于卵子的后端。nos 基因产物也是一种成形素，它抑制 hun mRNA 在授精卵后极区域的翻译，从而关闭该区域的前极途径，同时启动后极系统基因的表达。果蝇的末梢系统 末梢系统负责发育细胞两端的非体节的特殊结构，如头部的头节和尾部的尾节。该系统依赖于母体体细胞（囊状卵泡细胞）中基因torso 的表达，该基因编码卵母细胞的Torso受体。母体体细胞的其它基因表达产物通过卵母细胞的Torso受体进入卵母细胞，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，母体体细胞基因产物影响母体性细胞基因产物的表达。果蝇的背腹系统 背腹系统负责发育背腹部位的结构。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 toll 编码的受体将信号分子转入卵细胞内，激活dor（dorsal）基因编码的转录调控因子，由其控制受精卵合子的相关基因表达。 大约有30个与胚胎发育格局形成有关的母体基因已被鉴定。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 Torso 和 Toll 将信号传输到细胞内。 所有母体基因的普遍特征是：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。4B 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不对称性（非均匀性）是发育个体复杂结构的基础。在卵细胞中，建立这种不对称性需要某些RNA或蛋白质组分的区域化定位，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mRNA被固定在前极区域，当这些mRNA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度梯度。bcd 基因的产物就是介导前极系统发育格局形成的成形素。bcd 基因表达产物浓度梯度的建立 bcd基因是在护士细胞中转录的，其mRNA通过胞质桥进入卵母细胞内，并固定在卵母细胞的前极。该mRNA的翻译发生在授精之后，翻译出的Bcd蛋白质沿着合子的前后轴扩散。当核分裂七次后形成Bcd浓度梯度，这种浓度梯度一直稳定地维持到细胞囊胚层的形成，浓度梯度符合自然对数规律，即 c = A e - Bd。协助Bcd这种浓度梯度建立的蛋白因子包括：Exu、Swa、Stau，它们均是母体性细胞基因表达的产物，或参与bcd-mRNA进入卵母细胞的运输，或限制其扩散，其分子机制是序列特异性地与bcd-mRNA的3端非编码区结合。bcd 基因表达产物浓度梯度的建立受精后第5次核分裂受精后第13次核分裂受精后第14次核分裂bcd 基因表达产物浓度梯度的功能 bcd基因表达产物的浓度决定了胚胎前极发育结构的位置，因此称为成形素（Morphogen）。换句话说，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Bcd蛋白浓度决定的。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；而较强的浓度梯度将导致胚胎的前极样结构伸展得更远。Bcd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。bcd 基因表达产物浓度梯度的功能 Bcd蛋白是一种序列特异性的DNA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，从而构成一个级联反应。在受Bcd调控的几个靶基因中，最重要的是脊柱后凸基因hun。hun基因的高效转录是Bcd产物浓度依赖型的，即当Bcd蛋白的浓度超过某一临界值时，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由量变到质变的一个典型案例。 Bcd诱导hun基因高效表达后，hun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。bcd 基因表达产物浓度梯度的功能 Bcd蛋白又是一种靶mRNA的翻译抑制剂，它通过与 caudal mRNA 3 端的非翻译区序列结合而阻止其翻译。Caudal 蛋白是那些控制后极分化的基因的特异性激活因子。 hunchback 和 caudal 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，但两者却在Bcd蛋白的控制下于胚胎不同的部位被翻译成相应的蛋白质。hun mRNA仅在前极被翻译；而 cau 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。Bcd 成形素扩散及作用的实时观察与定量测定 2007年，Gregor等人利用免疫荧光染色技术及Bcd蛋白-绿色荧光蛋白（GFP）标记技术，实时观察到果蝇中Bcd浓度梯度是怎样建立的，又是怎样控制hun表达的。测量数据显示，Bcd浓度梯度的建立大约要花1小时；它激活hun基因转录的阈值为每核平均690个分子；大约5个Bcd蛋白分子协同结合在hun基因的调控位点上，方能打开hun基因的表达开关。（from：Julian Lewis，Science 322（5900），399，2008）4B 母体基因的表达d nos 基因的表达与功能 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，而另一些则与物质在卵细胞内的运输和定位有关。nos 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表达。与前极系统相似，nos基因也是在护士细胞中转录的。nos-mRNA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，然后在后极翻译。Nos蛋白沿着前后极轴由后向前形成浓度梯度。Nos的定位及表达至少需要八个基因产物的协同作用。nos 基因表达产物浓度梯度的建立后极系统是以一系列基因表达产物的区域化定位的形式进行工作的。其中spire和cappu两个基因的功能是将Staufen蛋白固定在卵细胞的后极端点处；Staufen蛋白依次固定oskar-mRNA（可能装配形成RNA-蛋白复合物）；而这些功能又是固定Vasa所需要的，Vasa是一种RNA结合蛋白，其下游的靶物质尚不清楚。事实上，valois和tudor两个基因的功能也是未知的。 cappuccino spirestaufenoskarvasavaloistudornanospumilioproteinmRNAproteinmRNANanos性细胞发育 ？nos 基因表达产物浓度梯度的建立在后极途径中，以tudor为分支点，形成两条不同的分支途径：一支的成形素为nos基因产物，控制腹部发育，因此Nos被称为后极决定因子；另一支为一未知蛋白，控制性器官的发育。所有的后极系统的基因，除了nos和pumilio外，都是两个分支途径所必需的，而nos和pumilio两个基因则是腹部发育专用的。cappuccino spirestaufenoskarvasavaloistudornanospumilioproteinmRNAproteinmRNANanos性细胞发育 ？nos 基因表达产物浓度梯度的功能 Nos蛋白是hun-mRNA翻译的抑制剂，通过抑制Hun蛋白的翻译，阻止那些与前极发育有关的基因表达，这种抑制作用与Bcd对hun基因转录的促进作用一样，也是浓度依赖型的。 Bcd和Nos两者均作用于hun基因的表达，Bcd浓度梯度的高值在前极区域促进hun基因的转录；Nos浓度梯度的高值在后极区域阻止hun-mRNA的翻译。nos 基因表达产物控制后极结构发育的分子机制 Bcd蛋白和Nos蛋白均作用于hun基因的表达。hun基因编码的是一种转录阻遏因子，它的存在为前极结构（胸部区域）形成所必需，它的缺失为后极结构的发育所必需。 hun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mRNA均匀地分布在卵细胞质中。授精后，其分子布局以两种形式被改变：Bcd蛋白浓度梯度在前极区域激活hun-mRNA的大量合成；而Nos蛋白则阻止hun-mRNA在后极区域的翻译，其结果是mRNA的降解。总的效果是：前极一半区域hun-mRNA水平在提高；后极一半区域hun-mRNA则消失。高浓度的Hun蛋白阻遏knirps和giant两基因的表达，它们均为腹部发育所必需，因此Hun总的功能就是抑制腹部结构的发育。前极决定途径 后极决定途径 卵母细胞 卵母细胞 多核囊胚层 多核囊胚层细胞囊胚层 细胞囊胚层胚胎 胚胎hunchback RNA caudal RNA bicoid RNA nanos RNA BcdNosHunCau前极体节 后极体节 4B 母体基因的表达e grk 基因的表达与功能 果蝇胚胎背腹格局的发育需要一组11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背腹轴线，这个系统对背腹部结构的发育是必需的。grk（gurken）基因的表达产物介导了背腹系统中背部结构发育格局的形成。grk 转录物在卵母细胞背部一侧的固定grk-mRNA位点特异性地固定在卵母细胞的背部一侧，果蝇背腹系统的极性随之建立起来。其中，cni和brin基因的表达产物对grk-mRNA的合适定位及其蛋白质的激活是必需的；其它的基因如k10、spd、orb、capu、spir等对grk-mRNA在前后极的定位也至关重要。Grk 蛋白的功能grk基因编码一种与生长因子TGFa相似的蛋白质。囊状卵泡中的 top（torpedo）基因编码EGF受体，因此Grk与Top受体的相互作用使信号从卵母细胞进入囊状卵泡细胞。Top受体含有酪氨酸激酶活性，其激活后进入Ras通路，通过Raf和D-mek（与MAPKK相当）最后激活传统的MAPK途径。该通路最终阻遏pipe，将其限制在腹部一侧的卵泡上皮细胞中表达，从而阻止腹部决定途径在胚胎背部一侧的激活。EGF信号转导途径4B 母体基因的表达f toll 基因的表达与功能toll 基因的表达产物介导背腹系统腹部发育格局的形成。 背腹系统中有三个母体体细胞基因在囊状卵泡细胞中表达，其产物（Pipe、Nud、Win）参与将信号传递至卵母细胞的腹部一侧。囊状卵泡细胞与卵母细胞之间的信号传递一旦授精，卵子腹部一侧的卵周间隙在上述信号的作用下，发生一系列的蛋白水解作用。sna和eas两个基因分别编码蛋白酶Sna和Eas，Sna裂解Eas，Eas激活后裂解Spz，裂解后的Spz变成一个有活性的信号分子，与卵母细胞表面的Toll受体专一性结合，由Toll将信号传入卵母细胞内，Toll与Spz的结合是腹部发育格局激活的必要环节。卵母细胞卵母细胞SnaEasSpz囊状卵泡细胞Toll 受体PipeNudWin卵周间隙Toll 受体介导的信号转导Toll与配体Spz结合后，将信号经Tub传送至Pel。Pel是一种蛋白激酶，其靶分子是cac基因的表达产物，Cac又是dor基因所编码的转录因子的调节因子。Dor蛋白与Cac形成一对蛋白因子，控制下游基因的转录，其作用原理与NF-kB和IkB相似。Dor-Cac组成的复合物原本以无活性留在胞质中呈无活性状态，而Dor本身在细胞中是均匀分布的。Spz卵母细胞的形式存在于细胞质中，一旦Cac被磷酸化，磷酸化了Cac释放Dor，Dor进入核内，形成核内有活-核外无活的梯度。在腹部一侧，Dor在核内有活性；但在背部一侧Dor仍TubPelDorCacTollToll 信号转导途径Dorsal（Dor ）蛋白的功能Dor蛋白既能激活基因的表达又能抑制基因的表达。它激活腹部结构发育基因twi和snail的表达，同时阻遏背部结构发育基因dpp和zen的表达，而Dpp是诱导背部结构形成的成形素 Spz卵母细胞TubPelDorCac囊状卵泡细胞Toll背腹发育的分子机制背腹发育最重要的特征是系统之间的相互联系：前一个系统通过阻遏后一个系统的表达，达到将相关活性限制在胚胎合适部分的目的。首先，Grk和Top的相互作用阻遏了Spz活性在胚胎背部一侧的表达，这就限制了腹部蛋白在胚胎背部区域活化的可能性；腹部蛋白在核内的结构形成于Dor蛋白的核内扩散，而背部结构则形成于Dpp蛋白的梯度。定位依此阻遏dpp基因的表达，因此形成由背部开始的梯度扩散。在这种情况下，腹部 阻遏Spz产生 SpzGrkDor阻遏Dpp表达囊状卵泡细胞 背部一侧 腹部一侧 Dpp背腹发育的分子机制背腹发育最重要的特征是系统之间的相互联系：前一个系统通过阻遏后一个系统的表达，达到将相关活性限制在胚胎合适部分的目的。首先，Grk和Top的相互作用阻遏了Spz活性在胚胎背部一侧的表达，这就限制了腹部蛋白在胚胎背部区域活化的可能性；腹部蛋白在核内的结构形成于Dor蛋白的核内扩散，而背部结构则形成于Dpp蛋白的梯度。定位依此阻遏dpp基因的表达，因此形成由背部开始的梯度扩散。在这种情况下，腹部 卵母细胞 多核囊胚层受精 Dor 分布Dpp 分布4B 母体基因的表达g torso 基因的表达与功能 末梢系统的启动与背腹系统相似，torso基因编码的转膜受体由母体RNA在授精之后翻译出来，这种受体遍及整个胚胎的所有细胞表面上，但由于其配体Trunk（Tru）的区域性合成，因此仅在胚胎的两个 Torso蛋白具有激酶活性，能够启动导致tai-mRNA和huc-mRNA区域性表达的级联反应，而这两个mRNA的翻译产物又是下游基因的转录调控因子。Torso由此介导末梢系统发育格局的形成。端点被激活。4B 母体基因的表达h 母体基因表达的特征如在前后极系统中： 母体基因表达区域的不对称性bcd-mRNA固定在前极系统表达nos-mRNA固定在后极系统表达 这种固定作用取决于mRNA 3末端与母体蛋白质的相互作用。 4B 母体基因的表达h 母体基因表达的特征如在背腹系统和末梢系统中： 母体基因表达产物激活的不对称性受体蛋白Top（背部发育）、Toll（腹部发育）、Torso（末梢发育）在限定的区域内分别被相应的配体Grk、Spz、Tru蛋白特异性激活，在此情况下，所有的受体蛋白都是均匀分布的，但它们的配体分子则只在限定的区域内表达。 4B 母体基因的表达h 母体基因表达的特征母体基因表达产物的成形素形成梯度分布： 母体基因表达产物分布的不对称性或者是量的梯度（浓度梯度），如：Bcd 定位前极；Nos 定位后极或者是核质分布，如：Dor 定位腹部一侧的核内；Dpp 定位背部一侧的胞质内母体基因表达产物分布的不对称性 对于每个发育系统来说，上述四种成形素活性的延伸区域均是卵母细胞或胚胎的50%。 前后极梯度和背腹部梯度的建立是决定胚胎空间及发育方向的第一步下一步则是形成机体不同部位的各分离区域的发育。4C 体节形成基因的表达 前后极和背腹轴浓度梯度的建立是决定胚胎方向和空间组织的第一步。在母体基因的指导下，浓度梯度横贯公共细胞质并影响存在于胞质中的细胞核行为。下一步就是能产生机体不同部分的分隔区域的发育，这个过程需要授精卵基因组的表达，此时活化的位点称为授精卵基因，它们是从体节突变体鉴定出来的。4C 体节形成基因的表达 体节形成基因是以授精卵合子基因组的形式进行工作的，其表达产物在前后极轴上形成由粗浅到精细的若干区域或条带，而在背腹轴上则形成三种胚胎分化区域，从腹部到背部依次为：中胚层、神经外胚层、背外胚层。体节形成基因的功能是建立体节形成的“定律”，这些基因的突变直接导致体节的缺陷或错位形成，致胚胎于死地。根据体节生成基因的作用范围和性质不同，可将这类约由30个基因组成 a 体节形成基因的功能与特征的基因组分成三大类： 间隙基因（gap） 间隙基因在授精后最早被转录，其表达产物均为转录调控因子，并将授精卵细胞限定为七大区域，由下列五个基因控制这些区域的形成，其它的基因则与头部和尾部结构的形成有关。间隙基因规定了体节发育的区域，因此间隙基因突变会丧失几个相邻的体节。 hunchback（Hun）：脊柱后凸基因Krpple（Kr）：跛脚基因knirps（Kni）：侏儒基因giant（Gia）：巨人基因tailless（Tll）：无尾基因对律基因（pair-rule） 对律基因受母体基因和间隙基因表达产物的控制，在间隙基因之后被转录，其表达产物将胚胎细分为14条带（对应未来发育的体节）这些基因的突变会间隔性地丧失体节，失去的体节可以是偶数体节，也可以是奇数体节。对律基因共有八个，其中最重要的是： fushi tarazu（Ftz）：缺失基因，编码转录调控因子even skipped（Eve）：偶数条带基因，编码转录调控因子极性基因（polarity） 极性基因的表达产物进一步在由对律基因创建的每条体节带中再精细区分出前极区（A）和后极区（P），即28个空间，共有16个基因参与这一功能。它们控制体节发育的方向，其突变体绝大部分失去每个体节的P区，而以A区的拷贝取而代之。少数突变体也会丧失A空间甚至体节的中间部分。极性基因中最重要的是： engrailed（En）：波纹基因，编码转录调控因子wingless（Wg）：无翅基因，编码信号转导分子体节形成基因的特征 上述三组基因在发育期间是先后表达的。母体基因只是在前后两极建立梯度，这个梯度或激活或抑制间隙基因的表达。间隙基因在授精后（第11次核分裂）最早被转录，其翻译的蛋白将授精卵细胞分成七大区域，并分别控制相应的对律基因，而对律基因的表达产物再控制体节极性基因。体节极性基因在核分裂13次时开始表达，表达产物所形成的区域已经是幼虫的体节了。 极性基因 前极 后极 对律基因 间隙基因 母体基因 Hun Kni Gia Kr Bcd Nos FtzFtz4C 体节形成基因的表达直接对母体基因产物Bcd成形素的调控产生应答反应，b 间隙基因的表达与调控间隙基因参与调控的方式有三个方面其结果是Hun蛋白的合成；一个间隙基因产物调控另一个间隙基因的表达；间隙基因产物调控对律基因的表达。七大区域的构成程序 第一区域带是前极区，由Hun（Hunchback）蛋白构成，后者是从其mRNA上翻译出来的。hun基因的高效转录为定位在前极的Bcd 第四区域带由Kr（Krppel）蛋白构成，其编码基因的转录为Hun蛋白所抑制。 第二和第五区域带由Kni（Knirps）蛋白构成，其表达分别为较低浓度的Hun和Cau所激活； 第三和第六区域带由Gia（giant）蛋白构成，其表达分别为更低浓度的Hun和更高浓度的Cau所激活； Hun Kni Gia Kr 浓度梯度所激活； 4C 体节形成基因的表达c 对律基因的表达与调控 对律基因控制14条斑纹的发育，大多数对律蛋白均存在于胚胎的这些条斑纹带中，分别对应头部、尾部和11个体节。这14条斑纹最终又由极性基因界定为28个空间，每相邻两条斑纹带（包括两条端点斑纹带）分别由一奇数带和一偶数带组成。有两个对律基因分别控制这七组条带的奇数部分和偶数部分的形成，它们分别是eve和ftz基因。其它的对律基因表达产物也参与这些条带的构成，其中odd-skipped基因的表达还受到Caudal蛋白的激活。ftz基因的表达控制体节带偶数部分的发育ftz基因在早期的胚胎发育过程中是统一转录的，其mRNA均匀分布于胚胎的前后极，它在偶数部分区域翻译成Ftz蛋白质，并由其控制这些区域的发育，每个区域约3-4个细胞的宽度；而在奇数部分区域上的ftz-mRNA则被降解，这种规律性的降解与该区域内间隙基因产物与对律基因产物的成分性质及浓度配比有关。 1 副体节 Hun Kni Gia Kr Kni Gia 14 Ftz Eve胚胎eve基因的表达控制体节带奇数部分的发育eve基因表达的产物控制奇数区域的发育。与ftz基因表达调控机制相同的是，eve基因的表达同样是由该区域内间隙基因产物和对律基因表达产物不同成份与浓度的配比决定的，但这些配比的直接结果是作用于eve基因启动子上的各个专一性结合位点，或激活或抑制该基因转录的启动，从而形成七条带的奇数部分。 HunKniBcdEve第2条带 第3副体节-1550 bp -1070bpeve 启动子eve 编码区KniHunBcd对律基因突变导致胚胎畸形发育ftz和eve两基因各控制七条体节带中一半部分的发育，如果两个基因中任何一个突变失去功能，便会出现14条体节带一条隔一条地缺失，导致畸形发育。 4C 体节形成基因的表达d 极性基因的表达与调控 对律基因控制极性基因的表达，而极性基因的表达产物则将14条斑纹再精细划分为28个空间。每条斑纹定义一个成蝇的体节，则每个空间便是任一体节的前极（A）和后极（B）。极性基因表达的空间区域是极其精确的，这种精确性是由 eng（engrailed）基因的表达产物所提供。eng 基因编码的功能是所有体节都需要的，并且是14条斑纹中每个A空间和P空间之间差异的主要来源。 eng基因表达产物的性质与功能 体节极性基因的表达格局极其精确。首先是在奇数区和偶数区内分别再界定出P区和A区，其中eng基因只在P区内表达，因此eng基因的表达产物又将14条带划分为28个区。 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A 七大斑纹带 十四条体节带 二十八个空间区eng基因表达产物的性质与功能eng基因编码产物En也是一种转录调控因子，其初始的表达由对律基因的表达产物启动，但随后不久便被一种罕见的自调节系统所取代，并在很短的时间内，使P小区由一个细胞的宽度迅速扩展为数十个细胞的宽度。奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 奇 偶 P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A P A 七大斑纹 十四条体节带 二十八个空间区介导A小区和P小区发育的自调节正控制系统 在上述的自调节系统中，Wg（wingless）也响应Ftz和Eve蛋白而启动表达，开始时它只在紧贴着微量表达En蛋白的细胞的前极一侧一排细胞中表达，表达后Wg蛋白分泌出细胞，再通过著名的wnt信号转导途径将信号传入到表达En蛋白的P小区细胞，并激活这些细胞中编码En的基因高效表达。高浓度的En启动Hh编码基因的转录, Hh蛋白表达并修饰后分泌出细胞,并作用于A小区细胞的受体上，以Hh信号转导途径维持Wg蛋白的持续大量合成，从而形成A和P小区共同发育的自调节正控制系统，这就使得A和P两个小区的边界更加清晰。 En Wg En Wg En Wg En WgWgAPHhEnAPAPAPAPFzPtcWg介导的wnt信号转导的普遍意义 值得注意的是，由Wg蛋白介导的wnt信号转导通路也广泛存在于脊椎动物体内，具有重要的生物学意义。其中，由porc基因编码的Porc是一种转膜蛋白，它能协助Wg从前极细胞分泌，但Wg在后极细胞膜上的受体却是Fz（DFrz2）Fz是一种七跨膜蛋白，但不偶联G蛋白。信号分子与受体相互作用后，激活由dsh基因编码的Dsh。Dsh是一种胞质型磷蛋白，能直接或间接地抑制Ser/Thr激酶Zw3。当Zw3有活性时，便抑制下一个蛋白Arm（由arm基因编码）的功能；而当Zw3被Dsh抑制后，便会释放Arm，后者转入核内，与其伙伴Pan蛋白结合，进而激活一组靶基因的表达。 Hh介导的Hh信号转导途径 Hh蛋白在P小区细胞中表达后，其两端分别经过胆固醇化和棕榈酰化修饰，并由膜蛋白Disp帮助分泌至胞外。修饰型的Hh蛋白作用于A小区细胞膜蛋白Ptc上，解除后者对另一受体Smo的阻遏。活化了的Smo通过Cos2/Fu复合物一方面直接磷酸化激活转录调控因子Ci，另一方面抑制Ci的降解。进入核内的Ci分别启动wnt、ptc、Dpp基因的转录。from：Leni Jacob et al. Science 318, 66, 2007PA 最后，众多其它的极性基因表达产物再为14个条带和28个区提供特征性信息谱。这种产物信息谱包括：分泌性蛋白谱、转膜蛋白受体谱、蛋白激酶谱、细胞骨架蛋白谱、转录因子谱等，进而控制体节的分化发育，但这方面的详细机制远未搞清。 4D 异位同型基因的表达 如果说体节极性基因控制着各体节内部构成的信息或格局，那么异位同型基因（Homeotic Gene）则决定了各体节独自的分化发育程序。异位同型基因在胚胎生成期间发挥作用，其表达依赖于先前表达的体节形成基因。换句话说，异位同型基因是按照体节形成基因创建的信息样本去装配体节，因此异位同型基因突变往往会导致一个区域中的细胞发育成另一区域的细胞表型特征，例如在果蝇的触角区长出脚或在眼区长a 异位同型基因的功能与特征出翅膀来。 果蝇异位同型基因的结构 果蝇的异位同型基因分属两大基因簇：即触角组(Ant-C)和双胸组(BX-C)。触角组控制头部和胸部各体节特征结构的形成；双胸组控制腹部各体节特征结构的形成。这两大基因簇都定位于果蝇的第3号染色体上，但被分隔在两处。 labpbDfdScrAntpUbxAbdAAbdBAnt-CBX-C果蝇异位同型基因的表达谱 Hox基因转录物的全胚原位杂交成像4D 异位同型基因的表达 果蝇最前面的第1-4个副体节是由ANT-C基因簇决定的，它含有labial（lab）、proboscipedia（pb）、Deformed（Dfd）、Sex combs reduced（Scr）、Antennapedia（Antp）等若干个异位同型基因，其编码产物均为器官结构形成基因的转录调控因子。该基因簇总长大约350kb，中间有几个非异位同型基因散布其中，但它们大部分也是在发b Ant-C基因簇的顺序组织育的不同阶段起调控作用的。Ant-C基因顺序组织与其功能的对应关系令人感兴趣的是，Ant-C基因簇的顺序组织与其效应有着明显的对应关系：最左边的基因lab负责头部发育，最右边的基因Antp负责胸部体节T2T3的发育。在正常情况下,胸节T2T3的形成以及头部结构的抑制都需要Antp的表达，因此其丧失会导致T2T3体节更像其前极结构T1体节。相反，如果在头部使Antp过量表达，则导致前极头部区域发育胸部结构，因为Antp的一个功能是阻止能促进触角结构发育的hth和exd基因的表达。Hth和Exd蛋白进入核内后，能激活制造触角结构基因的转录。 Antp基因的结构及表达Antp基因含有8个外显子，并为很大的内含子所分隔，总长103kb。单一的阅读框架仅存在于第5外显子中，编码的蛋白质为43kD，也就是说，编码区仅占基因总长度的1%。该基因的转录可起源于两个启动子中的任何一个，但这两个启动子竟相距70kb！一个启动子位于第1外显子的上游，另一个则位于第3外显子的上游。每个启动子介导的转录均可终止在第8外显子的内部或者之后，但所有的四种转录产物均编码相同的蛋白质，因此这些mRNA的意义在于它们非编码区的不同结构，其中含有不同的翻译控制元件，从而实现翻译的特异性。 4D 异位同型基因的表达 BX-C基因簇控制T2到A8体节的结构形成，因此负责果蝇大部分机体的发育。与ANT-C基因簇一样，BX-C中各基因的排列顺序与其控制的结构顺序基本一致。BX-C与ANT-C的不同之处在于，ANT-C只靠蛋白质发挥调控功能，而BX-C除了蛋白因子的反式作用外，还含有RNA之间的顺式调控作用。BX-C全长315kb，其中只有1.4%的区域为蛋c BX-C基因簇的顺序组织白质编码，其突变体可分为下列两大类型：BX-C基因簇顺序组织 三个编码蛋白质的基因Ubx、abdA、abdB构成一组。它们的转录单位很大，Ubx大于75kb，abdA和abdB均大于20kb，且均含有很大的内含子结构。bxd、iab4、iab7区域转录不编码蛋白质的RNA，原转录单位也很大，但被剪切成小片段。其中，iab4和iab7的功能与RNA干扰作用有关，但近来的研究却揭示bxd的转录产物介导了一种基因表达调控的新机制。BX-C基因簇顺序组织ubxbxdTRE1 TRE2 TRE3Me非编码RNA（ucRNA）ASH1组蛋白H3催化H3 K4 甲基化：基因激活H3 K27 甲基化：基因沉默from：Tilman et al. Science 311, 1118, 2006BX-C基因的表达区域 ubx基因在前极的表达边界位于T2P区（第5副体节），abdA基因从A1P空间（第7副体节）开始表达，abdB基因从A4P空间（第10副体节）开始表达，三者部分重叠。ubx的转录研究得最为详细，其初始转录产物大约75kb，后经多样性剪切，产生几种短小的RNA分子。首先出现的是4.7kb的RNA分子，随后便被3.2kb和4.3kb的RNA分子所取代。BX-C基因的功能 Ubx蛋白在T2P-A1区域的浓度较高，在A2-A8区则相对低些。它定位于核内，是一种普通的携带异位同型结构域的转录调控因子。如果Ubx蛋白单独存在，发育出的幼虫拥有第4副体节（T1P/T2A）、第5副体节（T2P/T3A）、以及8个拷贝的第6副体节（T3P/A1A），这表明A1A以前的体节发育需要Ubx蛋白。若将abdA基因加入到只含有ubx的突变体中，会产生第7至第9副体节，也就是说，ubx加上abdA能将其控制区域拓展至A3P/A4A，而后面的体节一律保持A3P/A4A的表型。只有当加入abdB后，才会出现第10至第14副体节。 BX-C基因控制体节形成的分子机制 那么，上述三种蛋白质是怎样控制10个副体节的特征的呢？答案是在不同区域内，分别存在着三种蛋白不同的量，这种质与量的差别构成了对靶基因控制的多样性。 Ubx中的abx、bx、pbx三个编码区各发生一个点突变，会使果蝇胚胎发育成畸型的四翅膀成蝇突变体。4D 异位同型基因的表达 比较Ant-C和BX-C两个基因簇的基因顺序及其所控制的组织顺序，可以看出：各基因在染色体DNA上的排列顺序与这些基因所控制的体节排列顺序一致，例如，5端的基因控制果蝇头部的发育，3端的基因控制尾部的发育。体节的空间发育顺序与基因的线性排列顺序一致，这被d 异位同型基因的时空共线性原则 进一步的研究发现，5端的基因往往先于3端的基因，而且这种一致性在脊椎动物前肢发育过程中也表现出来，于是“空间共线性原则”又修改为“时空共线性原则”。这个原则较好地解释了四维信息蕴藏在称为“空间共线性原则”。一维信息中的机制。4D 异位同型基因的表达e 异位同型基因对器官生成的诱导作用7 8 1 6 5 2 3 4 3 果蝇的复眼由800个小眼构成 每个小眼由20个细胞构成其中R1-R8为光受体细胞 每个光受体细胞由感杆束和细胞体构成机械感应细胞（垂直排列） 三级色素细胞（垂直排列）次级色素细胞果蝇复眼发育的第一阶段：眼形态沟纹的出现与行进原头盘 触角/眼区 眼区发育启动（第三龄幼虫） 形态沟纹行进 Hh-Ptc 信号转导 Hh Hh Hh Hh Hh Hh Dpp Dpp Dpp Dpp Dpp Dpp Dpp-Tkv 信号转导 + Dpp+ Ptc+ Wg- - Hth前极 后极 Spi-EGFR 信号转导 Dl-Notch 信号转导 ey - dll - 决定触角发育命运 决定眼区发育命运 1 2 1 Wnt-Fz 信号转导 + Ato+ eya+ so+ dac- - EYA SO DAC2 WgWgWgWg头皮发育，眼部抑制对律基因 极性基因 ey：视网膜决定基因网络+果蝇复眼发育的第二阶段：小眼细胞簇的分隔与分化小眼细胞簇分隔 小眼细胞簇分化 R8 细胞 由后极一列细胞产生抑制因子Sca和Spi-EGFR信号转导途径的一个下游未知因子启动细胞簇的分隔Notch信号转导途径依次将Ato基因的表达限制在中间组、三细胞组、直至R8细胞。 果蝇复眼发育的第二阶段：小眼细胞簇的分隔与分化5 4 3 2 1 6 7 8 8 8 5 2 8 5 2 4 3 8 5 2 4 3 6 1 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 Spi-EGFR 信号转导 R8 细胞 AtoDl-Notch 信号转导 诱导R1-R6 细胞分化Spi 成熟果蝇复眼发育的第二阶段：小眼细胞簇的分隔与分化5 4 3 2 1 6 7 8 8 8 5 2 8 5 2 4 3 8 5 2 4 3 6 1 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 Dl-Notch 信号转导 诱导R7 细胞分化R8 BossBoss-Sev 信号转导 果蝇复眼发育的第二阶段：小眼细胞簇的分隔与分化5 4 3 2 1 6 7 8 8 8 5 2 8 5 2 4 3 8 5 2 4 3 6 1 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 8 5 2 4 3 6 1 7 Dl-Notch 信号转导 依次诱导机械感应细胞、次级色素细胞、三级色素细胞分化Spi-EGFR 信号转导 果蝇复眼发育的第三阶段：视网膜神经元与大脑椎板的偶联前极后极Hh和Spi信号沿光受体轴突向下运输以组织靶区域。Hh促进椎板沟纹（LF）后极中椎板前体细胞（LPC）的最终划分，并穿过与光受体轴突结合在一起的Sim。Hh也诱导LPC表达Dac，后者激活EGFR的表达，使得LPC响应Spi。随后，Sim促进LPC在视网膜轴突邻近区域分化。响应Hh而表达Dac和EGFR的LPC细胞4E 异位同型盒的普遍意义 异位同型盒（Homeobox，HB）首先是在异位同型基因中发现的，故此得名。果蝇的体节生成基因、异位同型基因、甚至少数母体基因中约有40个基因含有这种保守顺序，它位于基因的3端编码区内，长度为183bp，编码61个氨基酸残基。由HB编码的蛋白质区域称为异位同型区（HD），其氨基酸排列顺序的同源性高达70%-80%。HD共分为四个小区，分别为N-端臂、螺旋1、螺旋2、螺旋3。HD的功能是与DNA结合，a 异位同型盒的结构与功能故亦称DNA结合功能域。异位同型区的结构序列 由于几乎所有的体节生成基因及异位同型基因产物均是转录调控因子，因此它们含有HD结构是其功能的需要。HB或HD不但普遍存在于调转录，它们靠自身的浓度差异进行竞争。于发育调控蛋白中的合理解释为：几种调控因子同时激活一个靶基因的控发育的基因或因子中，而且也存在于其它类型的转录调控因子中。 HD广泛存在4E 异位同型盒的普遍意义 不同的HD蛋白质虽然都具有典型的HD同源区域，但在胚胎发育过程中却各有其独特的调控模式，这种调控独特性表现在以下两个方面：一是结合DNA的靶序列不同；二是所导致的基因转录效应不同，有的b HD DNA结合区域的特异性HD蛋白激活基因转录，有的则阻遏基因转录。HB蛋白结合DNA序列的特异性 第一种情况的机理是：HD蛋白具有DNA结合的通性，但特异性靶顺序的结合却依赖于HD结构的关键性差异，如bcd基因编码的HD区域与靶顺序专一性结合位点是a a螺旋III第9位Lys与GGATTA；而ftz基因编码的HD区域在a a螺旋III的第9位是Gln，这就决定了它结合于DNA靶顺序中的CCATTA。HB蛋白控制基因表达的性质 第二种情况的机理是：HD蛋白在调控基因转录时，往往与其它特定的转录因子协同作用，导致有时为正调控，有时为负调控。4E 异位同型盒的普遍意义 果蝇的异位同型基因分布在两大基因簇上，Ant-C和BX-C两者分离地定位在同一染色体上，形成HOM-C位点。令人惊异的是在哺乳动物（如鼠和人类）的染色体上，同样存在着相似的HB基因簇，而且果蝇、鼠、人三者的HB基因簇在HD序列、染色体DNA上的顺序组织以及调控发育的功能三方面都基本相同。迄今为止，在小鼠、人类以及其它许多脊锥动物体内共鉴定出了38个与果蝇异位同型基因同源的Hoxc HD/HB结构的进化学意义基因。人和鼠的HB基因结构 人和鼠所有的HB基因均分成四个基因簇，位于四条染色体上，分别为HoxA、HoxB、HoxC、HoxD，它们不但彼此之间而且与果蝇的HOM-C基因簇均呈高度的同源性。其中，HoxA4和HoxB4与果蝇的Dfd高度相关；哺乳动物中的第1至第9组基因与果蝇的ANT-C/BX-C相关；第10至第13组基因似乎是从第9组基因（与abdB同源）扩增出来的。 动物的Hox基因簇据信起源于5亿至6亿年前祖先的单基因簇。自那时起，果蝇在进化过程中断裂成两个分离的基因簇；而哺乳动物的基因簇则被扩增，它们的某些个体成员甚至在扩增后又丧失了一些基因簇拷贝人和鼠的HB基因结构Hox AHox BHox CHox DANT C前极后极labpbDfdScr AntpUbx abdA abdB12345678910111213转录方向人、鼠、蝇 Hox 基因簇均采用相似的基因表达调控模式人、鼠、蝇 Hox 基因簇均遵循时空共线性原则 更为有意义的是，上述人、鼠、蝇的挥作功能。五个基因簇都以时空共线性原则排列并发 另外，HB基因还广泛存在于真菌、无脊椎动物、两栖类动物、高等植物体内这表明HB基因在多细胞的真核生物中具有共同的进化学祖先。