第十四章 细胞分化

 

第三节 模式动物——果蝇

现在我们可以比较清晰的看到受精卵发育为新个体,是受一系列基因调控的,这些基因在发育过程中,按照时间、空间顺序启动和关闭,互相协调,对胚胎细胞的生长和分化进行调节。细胞分化的实质是在外界信号的作用下,胞内核质相互作用的结果。

根据对果蝇[8]等模式实验动物的研究,发现在卵细胞中,首先表达的是母体基因,这些基因在在滋养细胞中转录,然后被输入卵细胞,如bcdhbnoscdl等基因。这些基因产物在胚形成时,沿前后轴形成一个浓度梯度,决定了胚的前后位置和头尾区域,这些母体基因的产物是一种DNA结合蛋白即转录因子[9],它激活分节基因的转录(图14-10)。

Bicoidbcd)和Hunchbackhb)决定胚胎前端的形态,bcd基因失活会引起头胸部缺失,并使头区变为尾节的特征。Nanosnos)和Caudalcdl)等决定后端的形态,Torsotor)决定胚胎末端的形态,这些基因共同决定胚胎的前后轴。

胚胎的背腹轴由20多个基因决定,其中Dorsaldl)突变会引起胚胎背部化,胚胎只有背部结构而没有腹部结构,而cactuscat)突变会引起胚胎腹部化。

分节基因的功能是把胚胎分为划分为体节,分为三类:间隙基因(gap genes),成对基因(pair-rule genes)和体节极性基因(segment polarity gene)。这三组基因也是等级关系,间隙基因控制成对基因,成对基因控制体节极性基因。

间隙基因。如krkni等的基因产物将胚分为相当于3个体节的区域。间隙基因产物在它们各自的表达区内形成浓度梯度,这些梯度提供位置信息给成对基因。

成对基因的功能是把将间隙基因分成的区域进一步划分为体节,是胚胎分节的前奏。

体节极性基因如enwg被成对基因激活,分别在每个体节的前、后部细胞中表达,以形成和维持体节结构。

体节极性基因又激活同源异形基因(homeotic genehox)。决定每一体节的性质与形态特征,即选择体节向某个方向发育、分化,由于这类基因的产物都含有HD结构,所以又称为同源异形框(盒)基因(homeobox genesHox)。同源异形基因的突变导致发育的异常,如在本来该长触角的地方长出腿来(图14-11),而在该形成平衡棒的部位长出第二对翅(图14-12)。

 

14-10 分节基因

14-11 左、正常果蝇的触角为具芒触角,右、突变果蝇的触角发育为足 引自Lehninger Principles of Biochemistry 3rd ed.

14-12 果蝇的双胸突变(两节中胸,没有后胸,因而没有平衡棒)


[8]具有易于饲养、生长周期短(10天完成一代)和特征易于鉴定等特点,是研究遗传和发育生物学的经典材料。

[9] 所谓的转录因子,是能够识别基因的启动子,增强子,并与之结合控制该基因转录的DNA结合蛋白,通过对许多转录因子的分析,发现它们都有一个与DNA结合的特殊区域:如螺旋-转角-螺旋(HTH),锌指结构,螺旋--螺旋(HLH),同源域结构(DH)主要由60个氨基酸序列构成,高度保守,是结合DNA的部位,又称为同源盒(homeobox