Дрозофила эмбриогенез - Drosophila embryogenesis
 | Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. (Ноябрь 2010 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
Дрозофила эмбриогенез, процесс, с помощью которого Дрозофила (плодовая муха) форма зародыша, является любимым модельная система за генетика и биология развития. Изучение ее эмбриогенез раскрыл вековую загадку того, как контролируется развитие, создав область эволюционная биология развития.[1] Небольшой размер, короткое время генерации и большой размер выводка делают его идеальным для генетических исследований. Прозрачные эмбрионы облегчают исследования развития. Drosophila melanogaster был введен в область генетических экспериментов Томас Хант Морган в 1909 г.
Жизненный цикл
Дрозофила показать голометаболический Метод развития, означающий, что у них есть три различных стадии постэмбрионального жизненного цикла, каждая с совершенно разным строением тела: личинка, куколка и, наконец, взрослая особь. Механизм, необходимый для функционирования и плавного перехода между этими тремя фазами, развивается во время эмбриогенез. Во время эмбриогенеза муха личиночной стадии развивается и вылупляется на стадии ее жизни, известной как первая личиночная стадия. Клетки, которые будут производить взрослые структуры, откладываются в имагинальные диски. На стадии куколки тело личинки разрушается, так как имагинальные диски растут и производят взрослое тело. Этот процесс называется полный метаморфоза. Примерно через 24 часа после оплодотворения из яйца вылупляется личинка, которая проходит три линьки за 5,5-6 дней, после чего ее называют куколкой. Куколка превращается во взрослую муху, что занимает от 3,5 до 4,5 дней. Весь процесс роста от яйца до взрослой мухи занимает от 10 до 12 дней при температуре 25 ° C.[2]
Мать-муха производит ооциты которые уже имеют передне-заднюю и дорсально-вентральную оси, определяемые материнской деятельностью.
Эмбриогенез в Дрозофила является уникальным среди модельных организмов тем, что расщепление происходит в многоядерный синцитий (строго ценоцит ). Вначале 256 ядер мигрируют к периметру яйца, создавая синцитиальную бластодерму. В линия зародыша отделяется от соматических клеток посредством образования полюсные ячейки на заднем конце зародыша. После тринадцати митотических делений и примерно через 4 часа после оплодотворения в неразделенной цитоплазме ооцита накапливается примерно 6000 ядер, прежде чем они мигрируют на поверхность и охватываются плазматическими мембранами с образованием клеток, окружающих желточный мешок, производящих клеточную бластодерму.
Как и другие триплобластический метазоа, гаструляция приводит к образованию трех ростковые отростки: the энтодерма, мезодерма, и эктодерма. Мезодерма инвагинирует из брюшной борозды (VF), как и эктодерма, которая дает начало средней кишке. Полюсные клетки интернализуются другим путем.
Удлинение зародышевой полосы включает в себя множество перестроек клеток и появление отчетливых различий в клетках трех зародышевых лент и различных областей эмбриона. Задняя область (включая заднюю кишку) расширяется и простирается к переднему полюсу вдоль дорсальной стороны эмбрион. В это время становятся видимыми сегменты эмбриона, образуя полосатое расположение вдоль передне-задней оси. Самые ранние признаки сегментации появляются на этом этапе с образованием парасегментарные борозды. Это также когда образуются трахеальные ямки, первые признаки структур для дыхания.
Втягивание зародышевой ленты возвращает заднюю кишку на дорсальную сторону заднего полюса и совпадает с явным сегментация. Остальные стадии включают интернализацию нервной системы (эктодермы) и формирование внутренних органов (в основном мезодермы).
Рисунок передне-задней оси в Дрозофила
Один из наиболее понятных примеров формирования паттерна - паттерн вдоль будущей оси голова к хвосту (переднезадняя) плодовой мушки. Drosophila melanogaster. Есть три основных типа генов, которые уступают место структуре развития мух: гены материнского эффекта, гены сегментации и гомеотические гены. Развитие Дрозофила особенно хорошо изучен, и он является представителем основного класса животных, насекомых или насекомое. Другие многоклеточные организмы иногда используют аналогичные механизмы для формирования оси, хотя относительная важность передачи сигнала между самыми ранними клетками многих развивающихся организмов больше, чем в примере, описанном здесь.
Гены материнского эффекта
Строительные блоки построения передне-задней оси в Дрозофила выкладываются во время формирования яиц (оогенез ), задолго до того, как яйцо будет оплодотворено и отложено. Гены материнского эффекта ответственны за полярность яйца и эмбриона. Развивающееся яйцо (ооцит ) поляризован дифференциально локализованными мРНК молекулы.
Гены, кодирующие эти мРНК, называются гены материнского эффекта, кодируют белки, которые транслируются при оплодотворении, чтобы установить градиенты концентрации, охватывающие яйцо. Бикоид и Горбун являются генами материнского эффекта, которые наиболее важны для формирования паттерна передних частей (головы и грудной клетки) Дрозофила эмбрион. Нано и Каудальный являются генами материнского эффекта, которые важны в формировании более задних сегментов брюшной полости Дрозофила эмбрион.[4][5]
В эмбрионах от бикоид У мутантных матерей голова и грудные структуры превращаются в брюшную полость, в результате чего эмбрион с задними структурами на обоих концах становится летальным фенотипом.[4]
Цитоскелет такие элементы, как микротрубочки поляризованы внутри ооцита и могут использоваться для обеспечения локализации молекул мРНК в определенных частях клетки. Материнский синтез бикоид мРНК прикрепляются к микротрубочкам и концентрируются на передних концах образующихся Дрозофила яйца. В неоплодотворенных яйцах транскрипты все еще строго локализованы на кончике, но сразу после оплодотворения небольшой градиент мРНК формируется в передних 20% яиц. Другой отчет документирует градиент мРНК до 40%.нано мРНК также прикрепляется к Дрозофила цитоскелет яйца, но сосредоточен на заднем конце яйца.горбун и каудальный мРНК не имеют специальных систем контроля местоположения и довольно равномерно распределены по всей внутренней части яйцеклетки.
Было показано, что дцРНК-связывающий белок STAUFEN (STAU1 ) отвечает за направление бикоидных, наноразмерных и других белков, которые играют роль в формировании передне-задней оси, к правильным областям эмбриона для создания градиентов. когда мРНК из генов материнского эффекта являются переведено в белки, на переднем конце яйца образуется градиент белка Bicoid. Белок Nanos образует градиент на заднем конце. Белок Bicoid блокирует трансляцию каудальный мРНК, поэтому каудальный белок имеет более низкую концентрацию в передней части эмбриона и более высокую концентрацию в задней части эмбриона. Это противоположное направление белку Bicoid. Затем каудальный белок активируется позже, чтобы включить гены, чтобы сформировать задние структуры во время фазы сегментации. Белок Nanos создает наклон от заднего к переднему краю и является морфоген что помогает в формировании живота. Белок Nanos в комплексе с белком Pumilio связывается с горбун мРНК и блокирует ее трансляцию в заднем конце Дрозофила эмбрионы.
Белки Bicoid, Hunchback и Caudal являются факторы транскрипции. Белок Bicoid также является морфогеном. Белок Nanos является белком-репрессором трансляции. Бикоид имеет ДНК-связывание гомеодомен который связывает ДНК и нано мРНК. Бикоид связывает определенную последовательность РНК в 3 'нетранслируемая область, называется Регуляторный элемент Bicoid 3'-UTR, из каудальный мРНК и блокирует трансляцию.
Уровни белка горбуна в раннем эмбрионе значительно увеличиваются за счет новых горбун транскрипция генов и трансляция полученных зиготно продуцируемая мРНК. В начале Дрозофила В эмбриогенезе встречаются деления ядер без деления клеток. Многие производимые ядра распределяются по периферии клетки. цитоплазма. Экспрессия генов в этих ядрах регулируется белками Bicoid, Hunchback и Caudal. Например, Bicoid действует как активатор транскрипции горбун транскрипция гена. Для продолжения развития горбун необходим в области, размер которой уменьшается от переднего к заднему. Это создается белком Nanos, который находится на нисходящем уровне от заднего к переднему концам.
Гены разрыва
Другая важная функция градиентов белков Bicoid, Hunchback и Caudal заключается в регуляции транскрипции других зиготически экспрессируемых белков. Многие из них представляют собой белковые продукты, полученные из членов семейства «пробелов» генов, контролирующих развитие. гигант, Huckebein, горбун, ножки, Krüppel и бесхвостый все гены разрыва. Их паттерны экспрессии в раннем эмбрионе определяются продуктами генов материнского эффекта и показаны на диаграммах в правой части этой страницы. Гены разрыва являются частью большого семейства, называемого гены сегментации. Эти гены устанавливают сегментированный план тела эмбриона вдоль передне-задней оси. Гены сегментации определяют 14 парасегменты которые тесно связаны с конечными анатомическими сегментами. Гены разрыва являются первым слоем иерархического каскада генов контроля сегментации.
Дополнительные гены сегментации
Два дополнительных класса генов сегментации экспрессируются после продуктов гена пробела. В парные гены выражаются в виде полосатых узоров из семи полос, перпендикулярных передне-задней оси. Эти паттерны экспрессии устанавливаются в синцитиальной бластодерме. После этих начальных событий формирования паттерна клеточные мембраны формируются вокруг ядер синцитиальной бластодермы, превращая ее в клеточную бластодерму.
Паттерны экспрессии последнего класса генов сегментации, гены сегментной полярности, затем настраиваются посредством взаимодействия клеток соседних парасегментов с такими генами, как закрепленный. В Гравированный белок представляет собой фактор транскрипции, который экспрессируется в одном ряду клеток на краю каждого парасегмента. Этот паттерн экспрессии инициируется генами парных правил (например, четный), которые кодируют факторы транскрипции, которые регулируют закрепленный транскрипция гена в синцитиальной бластодерме.
Клетки, которые производят Engrailed, могут вырабатывать сигнальный белок между клетками. Ежик. Движение Hedgehog ограничено его липидной модификацией, и поэтому Hedgehog активирует тонкую полосу клеток перед клетками, экспрессирующими Engrailed. Только клетки с одной стороны от клеток, экспрессирующих Engrailed, компетентны отвечать на Hedgehog, потому что они экспрессируют рецепторный белок. Исправлено. Клетки с активированным рецептором Patched делают Бескрылый белок. Бескрылый - это секретируемый белок, который действует на соседние ряды клеток, активируя свой рецептор на клеточной поверхности, Завитые.
Wingless действует на клетки, экспрессирующие Engrailed, для стабилизации экспрессии Engrailed после формирования клеточной бластодермы. В Голая кутикула белок индуцируется Wingless, чтобы ограничить количество рядов клеток, которые экспрессируют Engrailed. Ближайшая реципрокная передача сигналов Hedgehog и Wingless, контролируемая белками Patched и Naked, стабилизирует границу между каждым сегментом. Белок Wingless называют «бескрылым» из-за фенотип некоторых бескрылый мутанты. Бескрылый и Ежик также функционируют во многих тканях позже в эмбриогенезе, а также во время метаморфоза.
Факторы транскрипции, которые кодируются генами сегментации, регулируют еще одно семейство генов контроля развития, гомеотические селекторные гены. Эти гены существуют в двух упорядоченных группах на Дрозофила хромосома 3. Порядок генов в хромосоме отражает порядок, в котором они экспрессируются вдоль передне-задней оси развивающегося эмбриона. Группа генов гомеотических селекторов Antennapedia включает: губной, антеннапедия, секс гребни уменьшены, деформированный, и хобосипедия. Лабиальные и деформированные белки экспрессируются в сегментах головы, где они активируют гены, определяющие особенности головы. Sex-combs-Reduction и Antennapedia определяют свойства грудных сегментов. Группа генов гомеотических селекторов bithorax контролирует специализации третьего грудного сегмента и брюшных сегментов. Мутации в некоторых гомеотических генах часто могут быть летальными, и жизненный цикл заканчивается в эмбриогенезе.
В 1995 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине был награжден за исследования по генетическому контролю раннего эмбрионального развития до Кристиан Нюсслейн-Фольхард, Эдвард Б. Льюис и Эрик Вишаус. Их исследование генетического скрининга мутантов формирования паттерна эмбриона выявило роль, которую играют в раннем эмбриологическом развитии гены гомеобокса подобно бикоид. Примером гомеотической мутации является так называемая мутация Antennapedia. В Дрозофила, усики и ноги создаются одной и той же базовой «программой», они отличаются только одним фактором транскрипции. Если этот фактор транскрипции поврежден, у мухи на голове вместо усиков вырастают ноги. См. Изображения этого мутанта "антеннапедии" и других на FlyBase. Другой пример - комплекс биторакса. Если в этом комплексе происходят несмертельные мутации, это может привести к тому, что у мухи будет два набора крыльев вместо одной пары крыльев и одной пары жужжальцев, которые помогают сохранять равновесие в полете.
Дорсально-вентральная ось
Формирование дорсально-вентральной оси зависит от вентральной ядерной концентрации синтезируемого матерью фактора транскрипции, называемого дорсальным. Определение дорсальной стороны эмбриона происходит во время оогенез когда ядро ооцита движется по микротрубочкам от заднего к передне-дорсальному краю ооцита. Ядро экспрессирует белок, называемый Гуркен который секретируется локально и, таким образом, активирует клетки фолликула только в дорсальной области, взаимодействуя с рецептором Torpedo. Это подавляет продукцию белка Pipe, и, таким образом, фолликулярные клетки, экспрессирующие Pipe, находятся на вентральной стороне. Pipe активирует каскад внеклеточных протеаз в перивителлиновом пространстве между клетками фолликула и яйцеклеткой, что приводит к расщеплению Toll-лиганда Spätzle и активации сигнального каскада Toll на вентральной стороне. Дорсальный белок присутствует во всей цитоплазме эмбриона, но связан с кактусом, что предотвращает его перемещение в ядро. Передача сигналов Toll приводит к деградации Cactus, что позволяет Dorsal проникать в ядра на вентральной стороне бластодермы.[6] В целом, различие в локализации ядра ооцита становится различием в сигнальном состоянии окружающих клеток фолликула, которые затем сигнализируют образующимся в результате ядрам бластодермы.
Попадая в ядро, дорсальный канал активирует различные гены в зависимости от его ядерной концентрации. Этот процесс устанавливает градиент между вентральной и дорсальной стороной эмбриона бластодермы с дифференцированной регуляцией репрессии или индукции дорсальных генов-мишеней. На вентральном конце эмбриона ядра бластодермы, подвергающиеся воздействию высоких концентраций дорсального белка, индуцируют транскрипцию факторы транскрипции крутить и улитка подавляя Zerknüllt и декапентаплегический. Это приводит к образованию мезодермы. В латеральных областях эмбриона низкие ядерные концентрации Dorsal приводят к экспрессии ромбовидный который определяет будущую нейроэктодерму. Более дорсально, активная передача сигналов Dpp репрессирует ромбовидный таким образом, ограничивая его латеральными ядрами бластодермы. На дорсальной стороне эмбриона ядра бластодермы, где этого мало или не экспрессируются ядерный дорсальный белок Zerknüllt, толлоид, и декапентаплегический (Dpp). Это приводит к спецификации ненейральной эктодермы, а затем на стадии бластулы к анмиозерозе. Вентральная активность сигнального белка Dpp семейства TGF-β поддерживается за счет экспрессии секретируемого Dpp-антагониста Sog (короткая гаструляция) в нейроэктодерме. Sog связывается с Dpp и предотвращает его диффузию на вентральную сторону эмбриона, а через расщепление Sog с помощью Tolloid также делает возможным усиление градиента Dpp на дорсальной стороне. Ось DV Дрозофила происходит из-за взаимодействия двух градиентов - вентральной концентрации ядерной дорсальной и дорсальной концентрации активности Dpp.[6]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Кэрролл, Шон Б. «Истоки формы». Естественная история. Получено 12 октября 2016.
- ^ Рассел, Питер Дж. iGenetics. п. 564.
- ^ Бейсовец А, Вишаус Э (1993). «Взаимодействие генов полярности сегментов модулирует формирование эпидермального паттерна у эмбрионов дрозофилы». Разработка. 119 (2): 501–517. PMID 8287799.
- ^ а б Рассел, Питер (2010). iGenetics: молекулярный подход. Сан-Франциско: образование Пирсона. С. 564–571. ISBN 978-0-321-56976-9.
- ^ Ривера-Помар Р; Джекл Х. (1996). «От градиентов к полосам в эмбриогенезе дрозофилии: заполнение пробелов». Тенденции Genet. 12 (11): 478–483. Дои:10.1016/0168-9525(96)10044-5. PMID 8973159.
- ^ а б Вольперт, Льюис (2002). Принципы развития. Издательство Оксфордского университета. С. 151–161.
Источники
- Рассел, П. Дж. Генетика, молекулярный подход. В третьих. Сан-Франциско, Калифорния: Benjamin-Cummings Pub Co, 2009.
- Rivera-Pomar, R .; Джекл, Х. (1996). "От градиентов к полосам в Дрозофилия эмбриогенез: заполнение пробелов ». Тенденции Genet. 12 (11): 478–483. Дои:10.1016/0168-9525(96)10044-5. PMID 8973159.