Войти
Вид с вентральной стороны повторяющихся зубчатых лент на кутикуле 22-луночного часовой эмбрион. Голова слева. Эмбриогенез дрозофилы, процесс, посредством которого формируются эмбрионы дрозофилы (плодовой мухи), является излюбленной модельной системой для генетики. и биология развития. Изучение его эмбриогенеза раскрыло вековую загадку того, как контролируется развитие, создав область эволюционной биологии развития. Небольшой размер, короткое время генерации и большой размер выводка делают его идеальным для генетических исследований. Прозрачные эмбрионы облегчают исследования развития. Drosophila melanogaster была введена в область генетических экспериментов Томасом Хантом Морганом в 1909 году.
Дрозофилы демонстрируют голометаболический метод развития, что означает, что у них есть три различных стадии постэмбрионального жизненного цикла, каждая с совершенно разным строением тела: личинка, куколка и, наконец, взрослый. Аппарат, необходимый для функционирования и плавного перехода между этими тремя фазами, развивается во время эмбриогенеза. 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 имагинальных дисках. На стадии куколки тело личинки разрушается, так как имагинальные диски растут и производят взрослое тело. Этот процесс называется полной метаморфозой. Примерно через 24 часа после оплодотворения из яйца вылупляется личинка, которая претерпевает три линьки за 5,5-6 дней, после чего она называется 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.
Материнская муха производит ооциты, которые уже имеют передне-заднюю и дорсально-вентральную части. оси определяются материнской деятельностью.
Эмбриогенез у дрозофилы уникален среди модельных организмов тем, что расщепление происходит в многоядерном синцитии (строго ценоците ). Вначале 256 ядер мигрируют к периметру яйца, создавая синцитиальную бластодерму. зародышевая линия отделяется от соматических клеток посредством образования полюсных клеток на заднем конце эмбриона. 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.
Подобно другим триплобластам метазоа, гаструляция приводит к образованию трех зародышевых листков : энтодермы, мезодермы, и эктодерма. Мезодерма инвагинирует из вентральной борозды (VF), как и эктодерма, которая дает начало средней кишке. Полюсные клетки интернализуются другим путем.
Удлинение зародышевых полосок включает в себя множество перестроек клеток и появление четких различий в клетках трех зародышевых полос и различных областей эмбриона. Задний отдел (включая заднюю кишку) расширяется и тянется к переднему полюсу вдоль дорсальной стороны эмбриона. В это время становятся видимыми сегменты эмбриона, образуя полосатое расположение вдоль передне-задней оси. Самые ранние признаки сегментации появляются во время этой фазы с образованием парасегментарных борозд. Это также когда образуются трахеальные ямки, первые признаки структур для дыхания.
Втягивание полоски зародыша возвращает заднюю кишку на дорсальную сторону заднего полюса и совпадает с явной сегментацией. Остальные стадии включают интернализацию нервной системы (эктодермы) и формирование внутренних органов (в основном мезодермы).
Кутикулярные сегменты брюшной полости эмбриона Drosophila состоят из повторяющихся лент зубцов, разделенных голой кутикулой. Одним из наиболее понятных примеров формирования рисунка является формирование рисунка вдоль будущая ось голова к хвосту (передне-задняя) плодовой мушки Drosophila melanogaster. Есть три основных типа генов, которые уступают место структуре развития мух: гены материнского эффекта, гены сегментации и гомеотические гены. Развитие дрозофилы особенно хорошо изучено, и они являются представителем основного класса животных, насекомых или насекомых. 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.
Распределение мРНК 
Распределение белков Строительные блоки формирования паттерна передне-задней оси у дрозофилы закладываются во время формирования яйца (оогенез ), задолго до того, как яйцо будет оплодотворено и отложено. Гены материнского эффекта ответственны за полярность яйца и эмбриона. Развивающаяся яйцеклетка (ооцит ) поляризована дифференциально локализованными молекулами мРНК.
Гены, кодирующие эти мРНК, называемые генами материнского эффекта, кодируют белки, которые транслируются при оплодотворении, чтобы установить градиенты концентрации, охватывающие яйцо. Bicoid и являются генами материнского эффекта, которые наиболее важны для формирования паттерна передних частей (головы и грудной клетки) эмбриона дрозофилы. Nanos и являются генами материнского эффекта, которые важны в формировании более задних абдоминальных сегментов эмбриона дрозофилы.
У эмбрионов от мутантных матерей с бикоидом структура головы и грудной клетки преобразуется в брюшная полость, в результате чего эмбрион имеет задние структуры на обоих концах, летальный фенотип.
Элементы цитоскелета, такие как микротрубочки, поляризованы внутри ооцита и могут использоваться для локализации молекул мРНК для специфической части клетки. Материнские синтезированные бикоидные мРНК прикрепляются к микротрубочкам и концентрируются на передних концах формирования яиц дрозофилы. 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%. мРНК nanos также прикрепляется к цитоскелету яйца дрозофилы, но концентрируется на заднем конце яйца. горбатые и каудальные мРНК лишены 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 правильные области эмбриона для построения градиентов. Когда мРНК от генов материнского эффекта транслируются в белки, на переднем конце яйца образуется градиент белка Bicoid. Белок Nanos образует градиент на заднем конце. Белок Bicoid блокирует трансляцию каудальной мРНК, поэтому белок каудальной части 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 задней части к передней и является морфогеном, который помогает в формировании брюшной полости. Белок Nanos в комплексе с белком Pumilio связывается с мРНК горбуна и блокирует ее трансляцию в заднем конце эмбрионов дрозофилы.
Белки Bicoid, Hunchback и Caudal являются факторами транскрипции. Белок Bicoid также является морфогеном. Белок Nanos является белком-репрессором трансляции. Bicoid имеет ДНК-связывающий гомеодомен, который связывает как ДНК, так и мРНК nanos. Bicoid связывает конкретную последовательность РНК в 3'-нетранслируемой области, называемой регуляторным элементом 3'-UTR Bicoid каудальной мРНК, и блокирует трансляцию.
Уровни белка горбуна в раннем эмбрионе значительно увеличиваются за счет транскрипции нового гена горбуна и трансляции полученной зиготически мРНК. Во время раннего эмбриогенеза дрозофилы происходят деления ядер без деления клеток. Многие продуцируемые ядра распределяются по периферии клетки цитоплазмы. Экспрессия генов в этих ядрах регулируется белками Bicoid, Hunchback и Caudal. Например, Bicoid действует как активатор транскрипции транскрипции гена горбуна . 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 Gap Другая важная функция градиентов белков Bicoid, Hunchback и Caudal заключается в регуляции транскрипции других белков, экспрессируемых зиготически. Многие из них представляют собой белковые продукты, полученные из членов семейства «пробелов» генов, контролирующих развитие. гигант, хекебейн, горбун, книжпс, крюппель и бесхвостый - все это гены пробела. Их паттерны экспрессии в раннем эмбрионе определяются продуктами генов материнского эффекта и показаны на диаграммах в правой части этой страницы. Гены гэпа являются частью более крупного семейства, называемого генами сегментации . Эти гены устанавливают сегментированный план тела эмбриона вдоль передне-задней оси. Гены сегментации определяют 14 парасегментов, которые тесно связаны с конечными анатомическими сегментами. Гены разрыва являются первым слоем иерархического каскада генов контроля сегментации.
Правило пар Два дополнительных класса генов сегментации экспрессируются после продуктов гена пробела. Гены парных правил экспрессируются 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, генов полярности сегментов, затем настраиваются посредством взаимодействий между клетками соседних парасегментов с такими генами, как engrailed. Белок Engrailed представляет собой фактор транскрипции, который экспрессируется в одном ряду клеток на краю каждого парасегмента. Этот паттерн экспрессии инициируется генами парных правил (например, пропущенных даже), которые кодируют факторы транскрипции, которые регулируют транскрипцию встроенного гена в синцитиальной бластодерме.
Клетки, которые производят Engrailed, могут производить сигнальный белок между клетками Hedgehog. 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 реагировать на Hedgehog, поскольку они экспрессируют рецепторный белок Patched . Клетки с активированным рецептором Patched вырабатывают белок Wingless . Wingless - это секретируемый белок, который действует на соседние ряды клеток, активируя свой рецептор на клеточной поверхности. Frizzled .
Wingless действует на клетки, экспрессирующие Engrailed, для стабилизации экспрессии Engrailed после формирования клеточной бластодермы. Белок голой кутикулы индуцируется Wingless для ограничения числа рядов клеток, экспрессирующих Engrailed. Ближайшая реципрокная передача сигналов Hedgehog и Wingless, контролируемая белками Patched и Naked, стабилизирует границу между каждым сегментом. Белок Wingless называют «бескрылым» из-за фенотипа некоторых бескрылых мутантов. Wingless и Hedgehog также функционируют во многих тканях на более поздних этапах эмбриогенеза, а также во время метаморфоза.
Факторы транскрипции, кодируемые генами сегментации, регулируют еще одно семейство генов контроля развития, гомеотических селекторных генов.. Эти гены существуют в двух упорядоченных группах на хромосоме 3 дрозофилы. Порядок генов на хромосоме отражает порядок, в котором они экспрессируются вдоль передне-задней оси развивающегося эмбриона. Группа генов гомеотических селекторов Antennapedia включает губные, антеннапедические, уменьшенные, деформированные половые гребни и хобосципедии. 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 завершается в эмбриогенезе.
В 1995 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за исследования, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития Кристиан Нюсслейн-Фольхард, Эдвард Б. Льюис и Эрик Вишаус. Их исследование генетического скрининга мутантов формирования паттерна эмбриона выявило роль, которую в раннем эмбриологическом развитии играют гены гомеобокса, такие как бикоид. Примером гомеотической мутации является так называемая мутация Antennapedia. У дрозофилы 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.
Формирование дорсально-вентральной оси зависит от вентральной ядерной концентрации синтезируемого матерью фактора транскрипции, называемого дорсальным. Определение дорсальной стороны эмбриона происходит во время оогенеза, когда ядро ооцита перемещается по микротрубочкам от заднего к передне-дорсальному краю ооцита. Ядро экспрессирует белок, называемый Gurken, 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. 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, Дорсал активирует различные гены в зависимости от своей ядерной концентрации. Этот процесс устанавливает градиент между вентральной и дорсальной стороной эмбриона бластодермы, при этом репрессия или индукция дорсальных генов-мишеней регулируются по-разному. На вентральном конце эмбриона ядра бластодермы, подвергшиеся воздействию высоких концентраций дорсального белка, индуцируют транскрипцию факторов транскрипции twist и snail, подавляя при этом zerknüllt и декапентаплегия. Это приводит к образованию мезодермы. В латеральных областях эмбриона низкие ядерные концентрации Dorsal приводят к экспрессии ромбовидной, которая 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 нет ядерного дорсального белка, экспрессируют zerknüllt, tolloid и decapentaplegic (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 дрозофилы обусловлена взаимодействием двух градиентов - вентральной концентрации ядерной дорсальной и дорсальной концентрации активности Dpp.
