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基因信号:转录因子瀑布和分割

:特蕾莎菲利普斯博士(写科学)©2008自然教育
引用:菲利普斯,T。 (2008)基因信号:转录因子瀑布和分割。自然教育 1 (1):200
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你可能认为理所当然,你的身体不是相同的从头到脚。你停下来,想知道为什么吗?控制基因表达在特定的时间打开或关闭没有简单的壮举。
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许多基因编码转录因素,进而诱发其他转录因子的表达,从而创造的级联基因表达在一个多步信号通路导致初始信号的放大。这将导致高水平的控制的表达目标基因或复合,从一个小的初始信号。

在大多数分化细胞,几个级别的感应产生大量的转录因子。此外,在胚胎发展,实际的过程分化本身需要一个集成的系统的转录因子基因表达了与严格的精度和时间。在分割的情况下尤其如此。

分割是用于描述的分化模式脊椎动物和节肢动物的连续重复类似的身体解剖模块创建一个轴。在脊椎动物中,分割结果在脊柱的发展,头和四肢;在昆虫,它导致形成腹部,头部和胸腔。分割的结果被认为是有节奏的激活和失活的某些信号指示特定相关的细胞过程。这个振荡过程称为细分时钟。作为科学家了解更多关于分割时钟的计时和机制,他们还继续发现监管信息交互和信号级联。

瀑布在昆虫分类的作用

大部分现有的基因控制的分段进行了研究使用果蝇。例如,在过去的25年里,超过40个基因已经被确认为分割中发挥作用黑腹果蝇(皮et al。,2005)。分割在果蝇是由一连串的转录因子,其中一些被发现在其他节肢动物。通常,级联系统发生在单个细胞;然而,在分割过程中,信号级联进行跨多个细胞的特定区域内发展胚胎

已存在的记录在鸡蛋促进转录因子梯度的形成

在果蝇中,信号级联是由母体提供的成绩单,存在于鸡蛋的时候受精。同时记录尾(cad)和驼背(hb)无所不在地分布在果蝇胚胎,另一个记录称为bicoid (bcd;图1)只在前胚胎的一部分;同样,nano(南)成绩单是只存在于后的部分。一旦翻译,这些信号函数控制基因表达的转录因子在发展中果蝇。

表达式的信使核糖核酸(信使核糖核酸)记录在时间和空间,以便控制蛋白质产品的这些记录出现在梯度每个受精。这些蛋白质抑制翻译导致更高的其他蛋白质浓度不同的多肽的前部和后部部分发展中胚胎。例如,nano抑制驼背翻译;因此,虽然驼背mRNA无处不在,驼背蛋白质更集中在前部分的胚胎。Bicoid和驼背是两个重要的基因产物参与这个过程(图2)。事实上,突变的基因代码对这些产品已被证明导致幼虫发育异常。幼虫携带这些突变可能功能缺失,胸区域,或腹部区域,根据确切的突变。

早期的梯度差距基因激活

基因表达在果蝇胚胎的级联信号时开始孕产妇蛋白质激活一组基因称为“缺口”基因沿轴之间的前部和后部部分胚胎。这些差距genes-Kruppel (基米-雷克南)、无尾的(tll),大(gt)和knirps (kni)——在一个特定的表示在胚胎(图2中的步骤2;图3)。这些领域开始进一步细化通过另一组称为基因的作用基因配对原则;这些基因识别差异基因并生成周期基因表达事件称为配对原则条纹。段之间的配对原则条纹预测后边界将建立。因此,整个级联的基因表达最终导致的分化和形成段构成一个果蝇的身体。

配对原则基因表达是不稳定的,然而,许多这样的基因作为转录因子诱导的表达部分极性基因,十字的()和无翼(工作组)。发展中片段之间的边界被定义工作组表达模式,通过建立配对原则的非周期表达因素。

图纸三个果蝇胚胎垂直堆叠显示不同的条带模式代表了三个基因的基因表达的位置:kruppel,巨人,knirps。胚胎是椭圆形,略尖前结束,前后水平轴谎言是面向下,从左到右。基因表达的胚胎是白色带模式所示颜色紫色。
图3:三个例子的差距在果蝇胚胎基因表达。
Kruppel,巨大的差距和knirps基因在果蝇中,执政早期胚胎发育。每个人都有一个独特的表达模式。这些图纸显示的结果为每个基因表达标签在整个胚胎,通过显微镜。
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脊椎动物Somitogenesis Notch信号

hairy1 mRNA expression occurs during the formation of each somite in chick embryos.", "true", "Figure 4", "The expression pattern of the hairy1 transcription factor correlates with the formation of each individual somite. At the top row, microscopy images show hairy1 mRNA expression in chicken embryos with 15, 16, and 17 somites (dark blue). The lower row shows drawings of those same areas that clarify how hairy1 expression moves as a wave during somite formation, and embryo maturation. Hairy1 mRNA, shown in blue, starts broadly in the posterior (bottom). With time, the band of expression progresses upward and narrows as it approaches the anterior end. Eventually, it forms a narrow stripe at the posterior end of the newly formed somite (SI or SII). This entire process takes approximately 90 minutes. Scale bar 200μm.", "true", "All rights reserved.", '812', '590', 'http://www.cell.com');">九显微照片伴随着四示意图显示变化hairy1表达式在体节形成小鸡胚胎的发展。三组的显微照片排列三顶部地区,代表三个发展阶段:15、16、17体节。蓝染色在这些胚胎表明hairy1 mRNA的表达。在较低的行,原理图代表一个广义的基因表达模式在一个体节的形成。这种模式是毛1表达作为一个前波方向移动;开始作为一个后端宽带和结束在一个窄带年底后新成立的体节。
©1997爱思唯尔有限公司Palmeirim,我。。禽毛基因表达识别分子钟与脊椎动物分割和somitogenesis。细胞 91年639 - 648 (1997)doi: http://dx.doi.org/10.1016/s0092 - 8674 (00) 80451 - 1。保留所有权利。视图的使用条款
hairy1 mRNA expression occurs during the formation of each somite in chick embryos.", "Figure 4", "The expression pattern of the hairy1 transcription factor correlates with the formation of each individual somite. At the top row, microscopy images show hairy1 mRNA expression in chicken embryos with 15, 16, and 17 somites (dark blue). The lower row shows drawings of those same areas that clarify how hairy1 expression moves as a wave during somite formation, and embryo maturation. Hairy1 mRNA, shown in blue, starts broadly in the posterior (bottom). With time, the band of expression progresses upward and narrows as it approaches the anterior end. Eventually, it forms a narrow stripe at the posterior end of the newly formed somite (SI or SII). This entire process takes approximately 90 minutes. Scale bar 200μm.", '812','http://www.cell.com', "In the photographs, a dark-blue stain indicates hairy1 mRNA expression. Images A, B, and C are from embryos with 15 somites. D, E, and F are images of embryos with 16 somites, and G, H, and I are images from embryos with 17 somites. Each set of three photographs shows a different stage in somite formation. The previously formed somites are at the top of the images, which is the anterior end of the embryo. The hairy1 expression in these somites appears as narrow, horizontal bands on both sides of the midline of the embryo. Hairy1 expression changes dramatically in the posterior end of the embryo. In the first image of each set (images A, D, and G), hairy1 is spread out in a broad band at the posterior end of the embryo. In the subsequent images, the band moves anteriorly and narrows until it lies adjacent to the previously formed somites. In the final images of each set (C, F, and I), a new band of hairy1 expression is starting to form at the posterior end. The schematic diagram, which is shown below the photomicrographs, has four parts to show three stages of somite formation and the beginning of the formation of the next somite. The presomatic mesoderm and the somites are shown for each stage with the posterior end, which contains the presomatic mesoderm, in the lower portion of the diagram and the somites at the top. The presomatic mesoderm is U-shaped, and the somites are depicted as ovals on both sides of the midline above the U. In stage I, an oval on each side of the midline indicates that there is a single, fully formed somite, which is labeled \"SI.\" A blue band at the bottom of the ovals indicates that hairy1 is expressed at the posterior end of the somite. The presomatic mesoderm has two regions of blue shading: a broad band covering the posterior two-thirds of the presomatic mesoderm and a narrow band, which lies a small distance from the top of the presomatic mesoderm. The top portion of the presomatic mesoderm is labeled \"S0.\" The second part of the diagram shows stage II of somite formation. Hairy1 is no longer at the posterior end of the presomatic mesoderm. Instead, it has moved anteriorly and has narrowed to about half its previous width. The second narrow band of hairy1 expression looks similar to the band in stage I, but black lines at the bottom of this narrow band indicate that a fissure is starting to separate a new somite from the presomatic mesoderm. The third part of the diagram shows that the broad band has narrowed further and has moved anteriorly. The separation of the new somite is complete. The top of the diagram shows two fully formed somites, which are labeled \"SII\" and \"SI.\" The label \"S0\" at the top of the presomatic mesoderm indicates where the next somite will form. The final illustration in the diagram shows stage I again, but with two fully formed somites. Somite formation occurs in a cycle that takes 90 minutes.")" class="inlineLinks">细节图

在脊椎动物中,发展的先驱动物的骨骼系统叫做somitogenesis。因为脊椎动物的脊柱由重复单位,这些单位的发展可以比作节肢动物的分割过程。脊髓的发展,然而,是由一个振荡过程,依赖于一组基因通路中的,只有其中一些的同系物果蝇细分控制机械。

在脊椎动物脊髓的发展过程中,基因表达的振荡发生在时间的基础上。具体地说,一个信号通路中的“on”脊髓前兆时,或体节,开始形成,但“关闭”体节形成的时候就完成了。因为切口作为转录因子的浓度,它改变了它的目标在体节的前面和后面,因此建立不同的片段。

Notch通路被激活时,一种蛋白质配体信号从相邻的细胞,称为δ,结合细胞表面的缺口。在这方面,缺口作为跨膜受体。在三角洲绑定,切口的细胞中发现的细胞质从膜释放。这部分作为转录因子,它在分割中起着重要作用。级联激活几个下游基因,包括毛/分裂增强剂()基因编码一个转录因子。事实上,hairy1转录因子是第一个这样的决定因素是管理时间的方式;在调查中使用鸡,研究人员指出,这种蛋白质的表达与所花费的时间是一致的形成一个体节(90分钟)(图4;Palmeirimet al。,1997)。通路的负面反馈循环导致的基因表达,最终,身体发展观察胚胎期间增长的模式。Notch信号似乎主要是在脊椎动物中发现,没有证据表明它在早期昆虫分割(皮过程中发挥作用et al。,2005)。

提出了几个模型来解释在不同的生物体基因表达的振荡。在斑马鱼,Her1似乎和定期Her7转录因子可以压制自己的表达式,从而创建一个振荡对基因表达的影响(Dequeant & Pourquie, 2008)。类似的负面反馈系统由他控制的蛋白家族在老鼠也被观察到。然而,在老鼠身上,表情DNA微阵列分析还发现了大量的额外的基因表达在一个周期性的模式,似乎与分割相关的时钟。这些基因是否控制由他家族的转录因子直接或间接地通过HES-mediated下游转录因子诱导作用尚未完全清楚。

的作用Hox基因

看来,母体因素的作用在果蝇不是普遍在所有昆虫,也不是常见的脊椎动物。然而,在几乎所有的昆虫和脊椎动物的级联Hox基因扮演一个角色在确定每一段和定义的一部分身体每一部分将成为(图5)。在果蝇,Hox基因的发现是通过观测的自发突变体。在特定Hox基因突变导致腿长一只苍蝇的头,翅膀,他们不应该,和许多其他身体畸形。


由三部分组成的示意图显示了一个地区的上面板的果蝇基因组有两个基因簇。第一个基因簇,贴上antennapedia集群,在左边,包含四个基因。第二个基因簇,贴上bithorax集群,在右边,包含三个基因。基因组区域显示为卧式矩形,并且每个基因是一个不同颜色的矩形框。中心面板显示发展中飞胚胎。胚胎的不同部分颜色匹配的颜色对应的基因在上面的面板中。底部面板显示了充分发展成人飞。不同身体部位的成年飞颜色匹配的颜色对应的段中心面板,和相应的基因在前面板。
图5:基因在果蝇中定义部分。
两个基因簇表达(上)在一个特定地区发展中果蝇胚胎(中心)。这些基因在成人的身体飞定义段(底部)。
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未来的发展方向

由于广泛的实验果蝇,多少人知道这些遗传因素控制身体的模式。类似的实验与脊椎动物要复杂得多,介绍了一系列伦理问题。由于这些原因,还有小脊椎动物数据分割和振荡时钟。然而,关于特定的模式,如上面所讨论的,可以帮助研究人员开发策略来治疗疾病引起的异常节段在人类发展模式。

引用和推荐阅读


Dequeant, M。& Pourquie, o .节段模式脊椎动物胚胎的轴。自然遗传学评论9370 - 382 (2008)doi: 10.1038 / nrg2320 (文章链接)

Kageyama, R。。的基因家族:阻遏蛋白和编排胚胎发生的振荡器。发展134年1243 - 1251 (2007)doi: 10.1242 / dev.000786

Nibu, Y。,。由Knirps dCtBP介导转录镇压,Kruppel和蜗牛果蝇胚胎。EMBO杂志177009 - 7020 (1998)doi: 10.1093 / emboj / 17.23.7009

Palmeirim,我。et al。禽毛基因表达识别分子钟与脊椎动物分割和somitogenesis。细胞91年639 - 648 (1997)

皮、。。节肢动物细分:超越果蝇范例。自然遗传学评论6905 - 916 (2005)doi: 10.1038 / nrg1724 (文章链接)

Sadava、D。生活:生物学的科学,8日。(桑德兰,MA /弗里曼,纽约,Sinauer Associates 2006)
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