Developmental Biology
第四章 果蝇胚胎早期
发育的分子基础
Developmental Biology
一、果蝇胚胎发育概况
Developmental Biology
二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定
母体基因产物量或
活性形成空间分布
上的差异,在 A－
P和 D－ V轴线的不
同区域激活不同的
基因，使不同区域
的基因活性谱不同
而出现分化。
Developmental Biology
1,A－ P轴线由三类母体基因控制, 突变鉴定
anterior class,posterior class,terminal class.
Developmental Biology
Developmental Biology
2,Bicoid基因提供 A－ P轴线形态素梯度
Bicoid编码一
种转录因子。
其突变体缺失
头胸结构，原
头区由尾区取
代。
Developmental Biology
BicoidmRNA和蛋白质的分布
在未受精卵中，
bicoid mRNA定
位在胞质前端；
其受精后翻译
出的蛋白质沿
AP轴扩散，形
成浓度梯度，
为胚胎的后续
分化 提供位置
信息 。
Bicoid是控制头胸发育的一个关键母体基因，其
不同浓度开启不同合子基因的表达。其它的前
区母体基因主要涉及 bicoidmRNA在未受精卵中
的定位及控制其翻译 。
Developmental Biology
3,Nanos和 Caudal蛋白梯度控制后区结构
Nanos决定后部区的发育，它在受精后形成 P－ A浓度梯度，其作用是与
hunchback mRNA结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成 Hunchback蛋白梯度。
nanos
Developmental Biology
Nanos控制 hunchback mRNA翻译的机制
Developmental Biology A－ P轴线形成模式
Hunchback,母体 mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的 Bicoid蛋白
激活合子 hunchback基因的表达，从而帮助形成 hunchback蛋白浓度梯度。
Caudal,母体 mRNA在卵中均匀分布，受精后 bicoid蛋白抑制其在前区
的表达，因而 Caudal蛋白形成类似于 nanos的浓度梯度。
Developmental Biology
4,卵膜表面受体的激活决定胚胎 AP轴的两个端点
torso突变体 缺少原头区和尾区，
torso蛋白为酪氨酸激酶类受体。
未受精前,torso已均匀地分布
在卵的质膜上 。但其腺体 torsolike
定位在两端的卵外膜 (vitelline
membrane)上，不能与 torso结合。
受精时,torsolike得以释放，
torsolike与 torso结合,torso活化，
启动信号传导。
Torsolike蛋白的存在量很低，
受精后其扩散距离有限。其突变体
类似 torso突变体。
Developmental Biology5,卵膜中的母体蛋白决定 胚胎 D－ V极性
Developmental Biology
Dorsal蛋白 的 V－ D浓度梯度的形成
Developmental Biology
6,卵发生过程中母体基因产物的合成及分布
Developmental Biology
卵子发生过程中某些基因特异性表达
Developmental Biology
卵母细胞 A－ P极性的确定
Developmental Biology
在受精前腹部的卵泡细
胞合成 Pipe,Windbeutel、
Nudel,定位在腹部卵外膜
上，受精后经一系列反应，
最终使卵周质腹部区的
Dorsal蛋白释放进入核中，
启动腹部特异性基因的表
达 。
卵母细胞 D－ V极性的确定
Developmental Biology
三、受精后合子基因的表达
Developmental Biology1,Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因
Dorsal 预置中胚层 twist和 snail 中胚层特异性基因
预置腹部外胚层 rhomboid
Ventralized embryos,snail和 twist基因在所有细胞中都表达，而 dpp、
tolloid,zerknullt在所有细胞中都不表达。
Dorsalized embryos,基因表达状态与 ventralized embryos中相反。
Developmental Biology
2,背部命运决定于 Decapentaplegic (dpp)
dpp编码信号蛋白，给胚胎大量注射 dpp mRNA导致外胚
层全部发育为羊浆膜，一定的高浓度 dpp使腹部外胚层命运改
变为背部外胚层命运。 Dpp浓度梯度形成机制如下图：
Developmental Biology
3,Gap基因的表达使胚胎沿 AP轴线区域 化
Gap基因 是指那些在受精后最早沿 AP轴线 呈区域
性 表达的合子基因。
Gap基因的表达特定：
(1),都编码转录因子；
(2),都在多核胚期开始表达；
(3),其产物的半衰期一般较短，仅数分钟, 因而它们的
扩散距离较短；
(4),其表达局限在一定的区域，其突变会导致胚胎在该
区域及附近区域的缺失。
Developmental Biology
Developmental Biology
GAP
基
因
突
变
体
Developmental Biology
母体 bicoid蛋白激活合子 hunchback的表达,hunchback
蛋白再为其它 Gap基因的表达提供位置信息
Developmental Biology
转基因实验证明 hunchback合子基因的表达区域
Developmental Biology
一
定
浓
度
的hu
nc
hb
ac
k
蛋
白
激
活
ku
pp
el
基
因
的
表
达
，
而
高
浓
度
的
hu
nc
hb
ac
k
则
对
后
者
起
抑
制
作
用
。
Developmental Biology
四,Pair-rule基因的表达界定胚胎的类体节
1.类体节 (parasegment)由 pair-rule基因活性界定
在原肠作用开始后，胚胎表面沿 AP轴线出现一些过渡
性的浅沟，将胚胎分为 14个区域，这些区域即为 类体节。
每个类体节受一套特定的基因的控制，做为独立的发育
单位，将逐渐获得自身特有的特性。
原肠期后，胚胎沿 AP轴线出现有规则的节段，即 体节
(segments),每个体节有不同的特性及发育命运。
体节是在类体节的基础上形成的，即 一个体节是由前一
个类体节的后半部和下一个类体节的前半部组成 。
Developmental Biology
类
体
节
与
体
节
的
关
系
及
其
发
育
命
运
Developmental Biology
类体节的边界由 pair-rule基因活性决定 。它们的表达特点包括：
(1),每个基因只在半数类体节中表达，如 even-skipped在奇数类体节 (1,3、
5,7,9,11,13)中表达，而 fushi tarazu在偶数类体节中表达。表达横
纹一般只有 3个细胞宽。
(2),绝大多数编码转录因子，表达开始于胚胎细胞化前夕。
eve
ftz
Developmental Biology
Pair-rule基因的突变导致胚胎缺失相应的区域
Developmental Biology
2,
Pair
-r
ule
基
因
的
不
同
表
达
横
纹
由
不
同
的
调
控
区
控
制
Developmental Biology
Pair-rule基因的每个表达横纹由一组 Gap转录因子控制
Pair-rule基因表达
的间隔性重复,无
法通过单一浓度梯
度来控制,而是由
多个转录因子来控
制。例如,Even-
skipped在第三类
体节中的表达受
bicoid和 hunch-
back的激活，而受
giant和 kuppel的抑
制。
Developmental Biology
Developmental Biology
五、体节极性基因 (segment polarity
genes)与细胞谱系的建立
体节极性基因 是指在 pair-rule基因表达之后立即表达的
基因,它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运 。这些
基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。
类体节之间或体节之间均没有细胞的相互迁移。
Developmental BiologyEngrailed是确定类体节和体节边界的关键基因,它 在每个类体
节的前部表达, 占居 一行细胞，从而确定了类体节的前部边界。
体节出现后，它 在每个体节的后部表达,将一个体节分成前后两
个区域，两个区域内的细胞不发生交换，各自有不同的发育命运。
Developmental Biology
Developmental Biology
Engrailed的表达受高浓度 fushi tarazu和 even-skipped的激活
Developmental Biology
体节边界的维持
机制,pair-rule基
因的表达时间较短，
不足以维持体节极
性基因的长期表达，
后者必须依赖于另
外的机制。
高 浓度 eve或
ftz激活 eng基因，
不表达 eve和 ftz的区
域表达 wingless，
其后 Eng和 Wingless
间的互作使二者的
表达都得以维持，
从而使体节边界得
到巩固。
Developmental Biology
体节内细胞命运的确定
同一体节内不同区
域的表皮角质结构
有所不同，这可能
是由 Hedgehog和
Wingless的梯度分
布控制，或者由它
们作用于相邻细胞、
逐级传递诱导信号。
Developmental Biology
六、不同体节的发育命运决定于
homeotic selector genes
Homeotic selector genes是指在体节边界建立之后，用
来控制每个体节的特征结构发育的基因，它们编码
homeodomain(含 60aa)转录因子。
果蝇的绝大多数 homeotic selector genes位于第三染色体
上的两个区域，即 Antennapedia complex和 bithorax
complex。 它们的表达区与其在染色体上的位置相关，控制
其表达区的结构的发育 (see next slide)。
Developmental Biology
Developmental Biology
Ultrabithorax缺失
后，第三胸节 (T3)
的平衡棒会象 T2
一样长出一对翅膀
Homeotic selector genes 突变将
改变其表达区的结构
Developmental Biology如果使原来只在 T1表达的 Antennapedia也在头部表达，则
头窝中长出的不是触角而是腿。
Developmental Biology
Homeotic selector genes 的表达调控
Homeotic selector genes
的表达受 Gap和 Pair-rule
基因的控制。如 abdA和
abdB受到 Hunchback和
Kuppel的抑制，使腹部
基因不能在头部和胸部表
达。 Ubx的激活需要一定
浓度的 Hunchback,Antp
由 Kuppel激活。
AbdA
7
Ubx
Antp
Developmental BiologyBithorax基因的发育控制区的鉴定
结论：
ubx,P5,P6
abdA,P7-9
abdB,P10-13
Developmental Biology
Homeotic selector genes
表达的长程调控
Polycomb Proteins,与染色质上的 homeotic
genes基因的调控区结合，
使其处于非活性状态。
Trithorax Proteins,与已经表达的 homeotic
genes的调控区结合，维
持其活性状态。
Developmental Biology
Gap/Pair-rule
proteins (repressor)
Developmental Biology
哺
乳
动
物
的Ho
x
基
因
第四章 果蝇胚胎早期
发育的分子基础
Developmental Biology
一、果蝇胚胎发育概况
Developmental Biology
二、胚胎躯体轴线的建立由母体基因决定
母体基因产物量或
活性形成空间分布
上的差异,在 A－
P和 D－ V轴线的不
同区域激活不同的
基因，使不同区域
的基因活性谱不同
而出现分化。
Developmental Biology
1,A－ P轴线由三类母体基因控制, 突变鉴定
anterior class,posterior class,terminal class.
Developmental Biology
Developmental Biology
2,Bicoid基因提供 A－ P轴线形态素梯度
Bicoid编码一
种转录因子。
其突变体缺失
头胸结构，原
头区由尾区取
代。
Developmental Biology
BicoidmRNA和蛋白质的分布
在未受精卵中，
bicoid mRNA定
位在胞质前端；
其受精后翻译
出的蛋白质沿
AP轴扩散，形
成浓度梯度，
为胚胎的后续
分化 提供位置
信息 。
Bicoid是控制头胸发育的一个关键母体基因，其
不同浓度开启不同合子基因的表达。其它的前
区母体基因主要涉及 bicoidmRNA在未受精卵中
的定位及控制其翻译 。
Developmental Biology
3,Nanos和 Caudal蛋白梯度控制后区结构
Nanos决定后部区的发育，它在受精后形成 P－ A浓度梯度，其作用是与
hunchback mRNA结合，阻止后者在后区的翻译，帮助形成 Hunchback蛋白梯度。
nanos
Developmental Biology
Nanos控制 hunchback mRNA翻译的机制
Developmental Biology A－ P轴线形成模式
Hunchback,母体 mRNA在卵中均匀分布，受精后前区高浓度的 Bicoid蛋白
激活合子 hunchback基因的表达，从而帮助形成 hunchback蛋白浓度梯度。
Caudal,母体 mRNA在卵中均匀分布，受精后 bicoid蛋白抑制其在前区
的表达，因而 Caudal蛋白形成类似于 nanos的浓度梯度。
Developmental Biology
4,卵膜表面受体的激活决定胚胎 AP轴的两个端点
torso突变体 缺少原头区和尾区，
torso蛋白为酪氨酸激酶类受体。
未受精前,torso已均匀地分布
在卵的质膜上 。但其腺体 torsolike
定位在两端的卵外膜 (vitelline
membrane)上，不能与 torso结合。
受精时,torsolike得以释放，
torsolike与 torso结合,torso活化，
启动信号传导。
Torsolike蛋白的存在量很低，
受精后其扩散距离有限。其突变体
类似 torso突变体。
Developmental Biology5,卵膜中的母体蛋白决定 胚胎 D－ V极性
Developmental Biology
Dorsal蛋白 的 V－ D浓度梯度的形成
Developmental Biology
6,卵发生过程中母体基因产物的合成及分布
Developmental Biology
卵子发生过程中某些基因特异性表达
Developmental Biology
卵母细胞 A－ P极性的确定
Developmental Biology
在受精前腹部的卵泡细
胞合成 Pipe,Windbeutel、
Nudel,定位在腹部卵外膜
上，受精后经一系列反应，
最终使卵周质腹部区的
Dorsal蛋白释放进入核中，
启动腹部特异性基因的表
达 。
卵母细胞 D－ V极性的确定
Developmental Biology
三、受精后合子基因的表达
Developmental Biology1,Dorsal激活腹部合子基因、抑制背部基因
Dorsal 预置中胚层 twist和 snail 中胚层特异性基因
预置腹部外胚层 rhomboid
Ventralized embryos,snail和 twist基因在所有细胞中都表达，而 dpp、
tolloid,zerknullt在所有细胞中都不表达。
Dorsalized embryos,基因表达状态与 ventralized embryos中相反。
Developmental Biology
2,背部命运决定于 Decapentaplegic (dpp)
dpp编码信号蛋白，给胚胎大量注射 dpp mRNA导致外胚
层全部发育为羊浆膜，一定的高浓度 dpp使腹部外胚层命运改
变为背部外胚层命运。 Dpp浓度梯度形成机制如下图：
Developmental Biology
3,Gap基因的表达使胚胎沿 AP轴线区域 化
Gap基因 是指那些在受精后最早沿 AP轴线 呈区域
性 表达的合子基因。
Gap基因的表达特定：
(1),都编码转录因子；
(2),都在多核胚期开始表达；
(3),其产物的半衰期一般较短，仅数分钟, 因而它们的
扩散距离较短；
(4),其表达局限在一定的区域，其突变会导致胚胎在该
区域及附近区域的缺失。
Developmental Biology
Developmental Biology
GAP
基
因
突
变
体
Developmental Biology
母体 bicoid蛋白激活合子 hunchback的表达,hunchback
蛋白再为其它 Gap基因的表达提供位置信息
Developmental Biology
转基因实验证明 hunchback合子基因的表达区域
Developmental Biology
一
定
浓
度
的hu
nc
hb
ac
k
蛋
白
激
活
ku
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el
基
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高
浓
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hu
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hb
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对
后
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起
抑
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作
用
。
Developmental Biology
四,Pair-rule基因的表达界定胚胎的类体节
1.类体节 (parasegment)由 pair-rule基因活性界定
在原肠作用开始后，胚胎表面沿 AP轴线出现一些过渡
性的浅沟，将胚胎分为 14个区域，这些区域即为 类体节。
每个类体节受一套特定的基因的控制，做为独立的发育
单位，将逐渐获得自身特有的特性。
原肠期后，胚胎沿 AP轴线出现有规则的节段，即 体节
(segments),每个体节有不同的特性及发育命运。
体节是在类体节的基础上形成的，即 一个体节是由前一
个类体节的后半部和下一个类体节的前半部组成 。
Developmental Biology
类
体
节
与
体
节
的
关
系
及
其
发
育
命
运
Developmental Biology
类体节的边界由 pair-rule基因活性决定 。它们的表达特点包括：
(1),每个基因只在半数类体节中表达，如 even-skipped在奇数类体节 (1,3、
5,7,9,11,13)中表达，而 fushi tarazu在偶数类体节中表达。表达横
纹一般只有 3个细胞宽。
(2),绝大多数编码转录因子，表达开始于胚胎细胞化前夕。
eve
ftz
Developmental Biology
Pair-rule基因的突变导致胚胎缺失相应的区域
Developmental Biology
2,
Pair
-r
ule
基
因
的
不
同
表
达
横
纹
由
不
同
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调
控
区
控
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Developmental Biology
Pair-rule基因的每个表达横纹由一组 Gap转录因子控制
Pair-rule基因表达
的间隔性重复,无
法通过单一浓度梯
度来控制,而是由
多个转录因子来控
制。例如,Even-
skipped在第三类
体节中的表达受
bicoid和 hunch-
back的激活，而受
giant和 kuppel的抑
制。
Developmental Biology
Developmental Biology
五、体节极性基因 (segment polarity
genes)与细胞谱系的建立
体节极性基因 是指在 pair-rule基因表达之后立即表达的
基因,它们决定了体节的边界和体节内细胞的命运 。这些
基因的产物包括扩散分子、受体、转录因子等多种类型。
类体节之间或体节之间均没有细胞的相互迁移。
Developmental BiologyEngrailed是确定类体节和体节边界的关键基因,它 在每个类体
节的前部表达, 占居 一行细胞，从而确定了类体节的前部边界。
体节出现后，它 在每个体节的后部表达,将一个体节分成前后两
个区域，两个区域内的细胞不发生交换，各自有不同的发育命运。
Developmental Biology
Developmental Biology
Engrailed的表达受高浓度 fushi tarazu和 even-skipped的激活
Developmental Biology
体节边界的维持
机制,pair-rule基
因的表达时间较短，
不足以维持体节极
性基因的长期表达，
后者必须依赖于另
外的机制。
高 浓度 eve或
ftz激活 eng基因，
不表达 eve和 ftz的区
域表达 wingless，
其后 Eng和 Wingless
间的互作使二者的
表达都得以维持，
从而使体节边界得
到巩固。
Developmental Biology
体节内细胞命运的确定
同一体节内不同区
域的表皮角质结构
有所不同，这可能
是由 Hedgehog和
Wingless的梯度分
布控制，或者由它
们作用于相邻细胞、
逐级传递诱导信号。
Developmental Biology
六、不同体节的发育命运决定于
homeotic selector genes
Homeotic selector genes是指在体节边界建立之后，用
来控制每个体节的特征结构发育的基因，它们编码
homeodomain(含 60aa)转录因子。
果蝇的绝大多数 homeotic selector genes位于第三染色体
上的两个区域，即 Antennapedia complex和 bithorax
complex。 它们的表达区与其在染色体上的位置相关，控制
其表达区的结构的发育 (see next slide)。
Developmental Biology
Developmental Biology
Ultrabithorax缺失
后，第三胸节 (T3)
的平衡棒会象 T2
一样长出一对翅膀
Homeotic selector genes 突变将
改变其表达区的结构
Developmental Biology如果使原来只在 T1表达的 Antennapedia也在头部表达，则
头窝中长出的不是触角而是腿。
Developmental Biology
Homeotic selector genes 的表达调控
Homeotic selector genes
的表达受 Gap和 Pair-rule
基因的控制。如 abdA和
abdB受到 Hunchback和
Kuppel的抑制，使腹部
基因不能在头部和胸部表
达。 Ubx的激活需要一定
浓度的 Hunchback,Antp
由 Kuppel激活。
AbdA
7
Ubx
Antp
Developmental BiologyBithorax基因的发育控制区的鉴定
结论：
ubx,P5,P6
abdA,P7-9
abdB,P10-13
Developmental Biology
Homeotic selector genes
表达的长程调控
Polycomb Proteins,与染色质上的 homeotic
genes基因的调控区结合，
使其处于非活性状态。
Trithorax Proteins,与已经表达的 homeotic
genes的调控区结合，维
持其活性状态。
Developmental Biology
Gap/Pair-rule
proteins (repressor)
Developmental Biology
哺
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基
因
