果蝇胚胎进行细胞化之前 成对控制基因even-skipped (blue)和fushi tarazu (brown)的条纹状表达模式。
有三个基因直接受到缺口基因的调控，即hairy、 even-skipped（eve）和runt基因，称为初级成对控 制基因。缺口基因可以识别初级成对控制基因的 启动子。 关于缺口基因的作用方式还不是很清楚。有些证 据表明缺口蛋白对成对控制基因表达起抑制作 用，但也有实验表明缺口基因既可以在一定的带 区活化基因表达，又可同时抑制其他表达带区的 形成。
体节极性基因engrailed在果蝇胚胎发育不同时期 的表达。
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 wg→WG（分泌性蛋 达，后者必须依赖于另 外的机制。 白）→邻近细胞膜 上的受体，进而激 通过en和wg间的互作 活副体节最前端一 使二者的表达都得以维 列细胞核内的hh和 持，从而使体节边界得 en表达， hh与en表 到巩固。 达区一致。 Porc, dsh, zw3, arm等 产生的HEDGEHOG 参与wg对en表达的维 出现于邻近细胞的 持 体节分界线处，介
engrailed、wingless和hedgehog的相互作用
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。
hedgehog信号 途径。
• 在体节界限确定之后每个体节的结构被进一步特 化 ， 此 过 程 由 主 调 节 基 因 （ master regulatory gene）或称为同源异型选择者基因调控完成。同 源异型选择者基因的突变或异位表达可引起同源 转化现象（homeotic transformation）。同源异型 选择者基因表达图式的建立受成对控制基因和缺 口基因的调控。 • 果蝇大部分同源异型选择者基因位于3号染色体相 邻的两个区域，其一为触角足复合体Antp-C，另 一个为双胸复合体BX-C，二者统称同源异型复合 体HOM-C。
hb对eve的表达有明显的增强效应，从而弥补了gt对eve表达 的抑制作用，而其他eve都表达在间隙基因低浓度的部位
缺口基因的作用方式：既可以在一定的带区活化 基因表达，又可同时抑制其他表达带区的形成。
Even-skipped 上 特异启动区控制 特异条带的分化
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 , Evenskipped在第三副 体节中的表达受 BCD 和 HB 的 激 活，而受GIANT 和KR的抑制。
缺口基因蛋白对even-skipped基因表达的调控。
• 体节极性基因(segment polarity gene)在每一体节 的特定区域细胞中表达。Engrailed(en)、 hedgehog (hh)和wingless(wg)基因是最重要的体节 极性基因。前两者在每一副体节最前端的一列细 胞中表达，而后者在每一副体节的最后一列细胞 中表达；这两个基因的表达界限正好确立了副体 节的界线。 • 果蝇晚期胚胎和幼体的每个体节由前一副体节的 后区和后一副体节的前区构成。
总结 果蝇：胚轴的形成是一系列基因 多层次、网络性的调控 母源性基因 ↓ 激活合子基因组 gap gene ↓ Pair-rule gene ↓ Segment polarity gene
同源异型基因
（homeotic gene）
第九章 果蝇胚轴形成（二） Axis specification in drosophila
果蝇躯体模式建成过程 中沿前后轴不同层次基 因内的表达。 果蝇前后极的产生 4 个 重 要 的 形 态 发 生素 ( 母 源 效 应 基 因 bicoid, hunchback,nanos,cauda l)→合子基因(缺口基因） →成对控制基因→体节 极性基因和同源异形基 因。
果蝇副体节、体节与区室
副体节指由果蝇胚胎的一系列中胚层加厚和外胚层沟 分隔形成的区域。 副体节与胚胎晚期、幼虫或成虫的体节并不一致，每 一副体节包含前一体节的后半部和后一体节的前半部。 副体节只在原肠作用后一个短暂的时期能够观察到， 是体节分化的过渡时期。
成对控制基因fushi tarazu在果蝇胚胎发育不同时期的 表达。
四、分节基因与胚胎体节的形成 • 分节基因的功能是把早期胚胎沿前 – 后轴分为一 系列重复的体节原基。分节基因的突变可使胚胎 缺失某些体节或体节的某些部分。根据分节基因 的突变表型及作用方式可分为三类：缺口基因、 成对控制基因和体节极性基因，这三类基因的调 控是逐级进行的。
• 首先由母体效应基因控制缺口基因的活化，其次 缺口基因之间互相调节彼此的转录且共同调节成 对控制基因的表达，然后成对控制基因之间相互 作用，把胚体分隔成为一系列重复的体节，并且 进一步控制体节极性基因的表达。所以，胚盘末 期的每一个体节原基都具有其独特基因表达的组 合，从而决定每个体节的特征。
Gap基因 Krüppel在果蝇 胚胎发育过程 中不同时期的 表达。
Hunchback诱导缺口基因如giant ， 而 krüppel 表 达 的 区 域 在 hunchback 之后的区域 。 高浓度的Hunchback 会 抑 制 krüppel 等 基 因 的 表 达 。 Caudal负责激活knirps和Giant在后 部的表达。缺口基因按一定顺序沿 前后轴进行表达 。缺口基因的稳定 和保持是靠不同缺口基因之间的相 互作用。
导wg的表达。 wg只在en表达区相 邻的一列细胞中维 持表达，en仅在wg 表达区之后的1-2列 细胞中表达
Ptc, fu, slp基因参与HH 蛋白调节wg的表达 晚期胚胎，en将在每一 个体节的后部表达，构 成体节的界线
hedgehog、 wingless和 engrailed基因 和蛋白在区室 分界处的相互 作用控制模式 的建成。
• HOM- C基因的结构是十分复杂的，有的基因有 多个启动子和多个转录起始位点。 其另一个重要 特征是都含有一段的保守序列，称为同源异型框 （homeobox）。含有同源异型框的基因统称为同 源异型框基因（homeobox gene）。 • 由同源异型框编码的同源异型结构域 （homeodomain）可形成与DNA特异性结合的螺 旋-转角-螺旋结构（helix-turn-helix）。
Gap/Pair-rule proteins (repressor)
果蝇 HOM-C 的区域表 达进一步 特化体节。
果蝇HOM-C的表达使每一个体节被进一步特化， 这一机制在无脊椎动物和脊椎动物中都十分保守。
Hox基因在小鼠体节中的表达
• 目前对果蝇胚胎早期发育机制已基本了解，胚胎 的前 – 后轴和背 – 腹轴分别独立地由母体效应基 因产物决定。这些母体效应基因主要编码转录因 子，它们的产物通常形成一种浓度梯度并产生特 异的位置信息，以进一步激活一系列合子基因的 表达。随着这些基因的表达，胚胎被分成不同的 区域。每个区域表达特异性基因的组合，沿前- 后 轴形成间隔性的图式，即体节的前体形式。最后 每一体节通过HOM-C基因的特异性表达而确定其 特征。
• 成对控制基因的表达是胚胎出现分节的最早标 志，它们在细胞化胚盘期第13次核分裂时表达。 表达图式沿前后轴形成一系列斑马纹状的条带， 将胚胎分为预定体节。 • 成对控制基因(pair-rule gene)的表达区域以两个 体节为单位且具有周期性，在相互间隔的一个副 体节中表达。这些基因的功能是把缺口基因确定 的区域进一步分成体节。
果 蝇 晚 期 胚 胎 （ 11 期 ） 中 engrailed 基 因 的 表 达 。
Engrailed在Eve, ftz , Paried表达水平高的区域被激活，而在oddskipped, Runt, Sloppy-paired 表 达 水 平 高 的 区 域 被 抑 制 。 而 Wingless则相反
HOM-C表达图式的调节机制 • 自我调节：部分HOM-C gene产物可自身调节其基因的表达 （与自己启动区结合），这种结合需蛋白质达一定浓度才 进行。如：dfd、ubx • HOM-C的相互调节（后部优势现象）：有重叠区，表达区 域靠后的基因可部分和全部抑制表达区靠前的基因。 如： BX-C均可抑制Antp-C基因的表达，ABD-A可部分抑制ubx 表达 • 正向控制和负向控制的机制：使HOM-C具有组织、时间、 位置特异性 TRX（Trithorax）蛋白家族为正向控制体系，TRITHCRAX 调控因子与已表达的调控区结合 PC（Polycomb）蛋白家族为负向控制体系，POLYCOMB调 控因子具有抑制基因表达的作用 PC、TRX共同稳定HOM-C表达
• 缺口基因（gap gene）的表达区域为一些较宽的 区域，每个区域的宽度约相当于3个体节，表达区 之间可有部分重叠。当缺口基因突变时胚胎缺失 相应的区域。缺口基因直接受母体效应基因的调 控。 • 缺口基因最初通常在整个胚胎中都有较弱的表 达，然后随着卵裂的进行逐渐变成一些不连续的 区域。缺口基因的表达最初由母体效应基因启 动，其表达图式的维持可能依赖于缺口基因之间 的相互作用。
同源异型选择者基因表达图式的建立和调节机制
HOM-C表达图式的建立 A、HOM-C的表达受pair-rule genes的控制 ftz失活，胚胎的scr, antp, ubx的转录水平下降（正调控）； 但对dfd转录具负调控（dfd后端表达线延伸）。eve, odd可激 活dfd表达 B、HOM-C表达区的确立需要pair-rule、gap genes共同参与 HOM-C在连续的体节中表达，而不是间隔性表达图式（单 有成对控制基因），推测gap基因可能在其表达界限的确立过 程中起作用。Kr激活antp表达、抑制abd-B的表达；knirps抑 制antp和abd-B的表达
触角足复合体Antp-C和双胸复合体BX-C同源异型框 选择者基因
双胸复合体BX-C的突变 导致翅膀和平衡棒之间 的同源转化现象。