дрозофилы Эмбриогенез

Вентральный вид повторяющихся полосок зубчиков на кутикуле 22-часового эмбриона. Голова находится слева.

дрозофилы Эмбриогенез , процесс формирования эмбрионов дрозофилы (плодовой мухи), является излюбленной модельной системой в генетике и биологии развития . Изучение его эмбриогенеза открыло вековую загадку того, как контролируется развитие, создав область эволюционной биологии развития . ^[1] 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.

Жизненный цикл

Дрозофила демонстрирует голометаболический метод развития, а это означает, что у них есть три различные стадии постэмбрионального жизненного цикла, каждая из которых имеет радикально разное строение тела: личинка, куколка и, наконец, взрослая особь. Механизм, необходимый для функционирования и плавного перехода между этими тремя фазами, развивается во время эмбриогенеза . Во время эмбриогенеза муха на личиночной стадии развивается и вылупляется на стадии своей жизни, известной как первая личиночная стадия. Клетки, которые будут производить взрослые структуры, откладываются в имагинальных дисках . На стадии куколки тело личинки разрушается, поскольку имагинальные диски растут и образуют взрослое тело. Этот процесс называется полной метаморфозой . Примерно через 24 часа после оплодотворения из яйца вылупляется личинка, которая проходит три линьки, продолжающиеся примерно 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 примерно 10–12 дней при температуре 25 ° C. ^[2]

Муха-мать производит ооциты , которые уже имеют передне-заднюю и дорсально-вентральную оси, определенные материнской деятельностью.

Ранний эмбриогенез, показывающий циклы делений ядер синцитиальной бластодермы и морфогенетические движения гаструляции.

Эмбриогенез у дрозофилы уникален среди модельных организмов тем, что расщепление происходит в многоядерном синцитии (строго ценоците ). Вначале 256 ядер мигрируют по периметру яйца, образуя 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 примерно 6000 ядер накапливаются в неразделенной цитоплазме ооцита, прежде чем они мигрируют на поверхность и покрываются плазматическими мембранами, образуя клетки, окружающие желточный мешок, образуя клеточную бластодерму.

Как и у других триблобластных многоклеточных животных , гаструляция приводит к образованию трех зародышевых листков : энтодермы , мезодермы и эктодермы . Мезодерма инвагинирует из вентральной борозды (VF), как и эктодерма, которая дает начало средней кишке. Полюсные клетки интернализуются другим путем.

Удлинение зародышевых полосок включает множество перестроек клеток и появление отчетливых различий в клетках трех зародышевых полосок и различных областей эмбриона.Задний отдел (включая заднюю кишку) расширяется и распространяется к переднему полюсу вдоль дорсальной стороны зародыша. В это время становятся видны сегменты зародыша, образующие полосатое расположение вдоль передне-задней оси. На этой фазе появляются самые ранние признаки сегментации с образованием парасегментарных борозд . В это же время формируются трахеальные ямки — первые признаки структур дыхания.

Ретракция зародышевых полосок возвращает заднюю кишку на дорсальную сторону заднего полюса и совпадает с явной сегментацией . Остальные этапы связаны с интериоризацией нервной системы (эктодермы) и формированием внутренних органов (преимущественно мезодермы).

Рисунок передне-задней оси у дрозофилы

Брюшные кутикулярные сегменты эмбриона *дрозофилы* состоят из повторяющихся полосок зубчиков, разделенных обнаженной кутикулой. ^[3]

Одним из наиболее изученных примеров формирования рисунка является формирование рисунка вдоль будущей оси от головы до хвоста (передне-задней части) плодовой мухи Drosophila melanogaster . Существует три фундаментальных типа генов, которые определяют структуру развития мухи: гены материнского эффекта, гены сегментации и гомеозисные гены. Развитие дрозофилы особенно хорошо изучено, и она является 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 выше, чем в описанном здесь примере.

Гены материнского эффекта

Строительные блоки формирования передне-задней оси у дрозофилы закладываются во время формирования яиц ( оогенеза ), задолго до того, как яйцеклетка оплодотворяется и откладывается. Гены материнского эффекта отвечают за полярность яйцеклетки и эмбриона. Развивающаяся яйцеклетка ( ооцит ) поляризуется дифференциально локализованными молекулами мРНК .

Гены, кодирующие эти мРНК, называемые генами материнского эффекта , кодируют белки, которые транслируются при оплодотворении, чтобы установить градиенты концентрации, охватывающие яйцеклетку. Bicoid и Hunchback — гены материнского эффекта, которые наиболее важны для формирования паттерна передних частей (головы и груди) эмбриона дрозофилы . Nanos и Caudal являются генами материнского эффекта, которые важны для формирования более задних брюшных сегментов эмбриона дрозофилы . ^[4]^[5]

У эмбрионов от матерей-мутантов bicoid голова и грудные структуры преобразуются в брюшко, что приводит к летальному фенотипу эмбриона с задними структурами на обоих концах. ^[4]

Цитоскелетные элементы, такие как микротрубочки , поляризованы внутри ооцита и могут использоваться для локализации молекул мРНК в определенных частях клетки. Материнские синтезированные бикоидные мРНК прикрепляются к микротрубочкам и концентрируются на передних концах формирующихся яиц дрозофилы . В неоплодотворенных яйцеклетках транскрипты еще строго локализованы на кончике, но сразу после оплодотворения в передних 20% яиц формируется небольшой градиент мРНК. В другом отчете зафиксирован градиент мРНК до 40%. мРНК nanos также прикрепляется к цитоскелету яйца дрозофилы , но концентрируется на заднем конце яйца. Горбатые и каудальные мРНК не имеют специальных систем контроля местоположения и довольно равномерно распределены по всей внутренней части яйцеклеток.

Было показано, что дцРНК-связывающий белок STAUFEN ( STAU1 ) отвечает за направление бикоида, нанос и других белков, играющих роль в формировании передне-задней оси, в правильные области эмбриона для построения градиентов.Когда мРНК генов материнского эффекта транслируются в белки, на переднем конце яйца формируется бикоидный белковый градиент. Белок Nanos образует градиент на заднем конце. Белок Bicoid блокирует трансляцию каудальной мРНК, поэтому каудальный белок имеет более низкую концентрацию в передней части эмбриона и более высокую концентрацию в задней части эмбриона. Это противоположное направление белка Bicoid. Затем каудальный белок активируется позже, чтобы включить гены для формирования задних структур во время фазы сегментации. Белок Nanos создает наклон назад-вперед и является морфогеном , который помогает в формировании живота. Белок Nanos в комплексе с белком Pumilio связывается с мРНК горбуна и блокирует ее трансляцию на заднем конце Эмбрионы 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 специфическую последовательность РНК в 3'-нетранслируемой области , называемой регуляторным элементом 3'-UTR Bicoid , каудальной мРНК и блокирует трансляцию.

Уровни белка горбуна в ранних эмбрионах значительно увеличиваются за счет транскрипции нового гена горбуна и трансляции образующейся зиготно продуцируемой мРНК. Во время раннего эмбриогенеза дрозофилы происходят деления ядра без деления клеток. Многие образующиеся ядра распределяются по периферии цитоплазмы клетки . Экспрессия генов в этих ядрах регулируется белками Bicoid, Hunchback и Caudal. Например, Bicoid действует как транскрипционный активатор горбуна транскрипции гена . Для продолжения развития Hunchback необходим в области, объем которой уменьшается от передней к задней части. Это создается белком Nanos, существование которого снижается от заднего конца к переднему.

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 контроля развития. гигантский , хакебейн , горбун , книрпс , круппель и бесхвостый - все это пробельные гены . Паттерны их экспрессии в раннем эмбрионе определяются продуктами генов материнского эффекта и показаны на диаграммах в правой части этой страницы. Гены разрыва являются частью более крупного семейства, называемого генами сегментации . Эти гены определяют сегментированный план тела эмбриона вдоль передне-задней оси. Гены сегментации определяют 14 парасегментов , которые тесно связаны с конечными анатомическими сегментами. Гены разрыва представляют собой первый уровень иерархического каскада генов контроля сегментации.

Дополнительные гены сегментации

Два дополнительных класса генов сегментации экспрессируются после продуктов гена разрыва. Гены парного правила 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 вокруг ядер синцитиальной бластодермы формируются клеточные мембраны, превращающие ее в клеточную бластодерму.

Паттерны экспрессии последнего класса генов сегментации, генов полярности сегментов , затем тонко настраиваются посредством взаимодействия 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 парного правила (например, Even-skiped ), которые кодируют факторы транскрипции, которые регулируют транскрипцию закрепленного гена в синцитиальной бластодерме.

от клетки к клетке Клетки, вырабатывающие Engrailed, могут вырабатывать сигнальный белок Hedgehog . Движение Hedgehog ограничено его липидной модификацией, поэтому Hedgehog активирует тонкую полоску клеток впереди клеток, экспрессирующих Engrailed. Только клетки по одну сторону от клеток, экспрессирующих Engrailed, способны реагировать на Hedgehog, поскольку они экспрессируют рецепторный белок Patched . Клетки с активированным рецептором Patched производят белок Wingless . Wingless — это секретируемый белок, который действует на соседние ряды клеток, активируя рецептор клеточной поверхности Frizzled .

Wingless действует на клетки, экспрессирующие Engrailed, стабилизируя экспрессию Engrailed после формирования клеточной бластодермы. Белок голой кутикулы индуцируется Wingless, чтобы ограничить количество рядов клеток, экспрессирующих Engrailed. Взаимная передача сигналов ближнего действия от 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 стадиях эмбриогенеза, а также во время метаморфоза .

Факторы транскрипции, которые кодируются генами сегментации, регулируют еще одно семейство генов контроля развития — гомеозисные селекторные гены . Эти гены существуют в двух упорядоченных группах на хромосоме 3 дрозофилы . Порядок генов на хромосоме отражает порядок их экспрессии вдоль передне-задней оси развивающегося эмбриона. Группа гомеотических селекторных генов Antennapedia включает губные , антеннопедические , половые гребни редуцированные , деформированные и хоботковые . Лабиальные и деформированные белки экспрессируются в сегментах головы, где они активируют гены, определяющие особенности головы. Половые редуцированные гребни и Antennapedia уточняют свойства грудных сегментов. Группа гомеотических селекторных генов биторакса контролирует специализацию третьего грудного сегмента и брюшных сегментов. Мутации в некоторых гомеозисных генах часто могут быть летальными, и жизненный цикл заканчивается в эмбриогенезе.

В 1995 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за исследования, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития , Кристиане Нюсляйн-Фольхард , Эдварду Б. Льюису и Эрику Вишаусу . Их исследования по генетическому скринингу мутантов по паттерну эмбриона выявили роль, которую в раннем эмбриологическом развитии играют гомеобоксные гены, такие как bicoid . Примером гомеотической мутации является так называемая мутация Antennapedia. У дрозофилы усики и ноги созданы по одной и той же основной «программе», они отличаются лишь одним фактором транскрипции. Если этот фактор транскрипции поврежден, у мухи на голове вместо усиков вырастают ноги. См. изображения этого мутанта-антеннапедии и других на сайте 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 жужжальца, которые помогают сохранять равновесие в полете.

Дорсально-вентральная ось

Формирование дорсально-вентральной оси зависит от вентральной ядерной концентрации синтезируемого материнским транскрипционного фактора, называемого дорсальным. Определение дорсальной стороны зародыша происходит в ходе оогенеза , когда ядро ооцита движется по микротрубочкам от заднего к передне-дорсальному краю ооцита. Ядро экспрессирует белок под названием Gurken , который секретируется локально и, таким образом, активирует клетки фолликула только в дорсальной области путем взаимодействия с рецептором Torpedo. Это ингибирует выработку белка Pipe, и, таким образом, фолликулярные клетки, экспрессирующие Pipe, располагаются на вентральной стороне. Pipe активирует внеклеточный каскад 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 Cactus, что предотвращает его перемещение в ядро. Передача сигналов Toll приводит к деградации Cactus, что позволяет Дорсалу проникать в ядра на вентральной стороне бластодермы. ^[6] В целом, разница в локализации ядра ооцита приводит к разнице в сигнальном состоянии окружающих клеток фолликула, которые затем передают сигнал образовавшимся ядрам бластодермы.

Попав в ядро, Дорсал активирует различные гены в зависимости от его ядерной концентрации. Этот процесс устанавливает градиент между вентральной и дорсальной стороной эмбриона бластодермы, при этом репрессия или индукция дорсальных генов-мишеней регулируется дифференциально.На вентральном конце эмбриона ядра бластодермы, подвергнутые воздействию высоких концентраций дорсального белка, индуцируют транскрипцию транскрипционных факторов « www and snail» , одновременно подавляя zerknüllt и decapentaplegic . В результате формируется мезодерма.В латеральных областях эмбриона низкие ядерные концентрации Дорсала приводят к экспрессии ромбовидной кости , которая идентифицирует будущую нейроэктодерму. Более дорсально активная передача сигналов Dpp репрессирует ромбовидную мышцу, ограничивая ее, таким образом, латеральными ядрами бластодермы.На дорсальной стороне эмбриона ядра бластодермы, где этого ядерного дорсального белка мало или вообще нет, экспрессируют zerknüllt , tolloid и decapentaplegic (Dpp). Это приводит к спецификации ненейральной эктодермы, а затем, на стадии бластулы, к анмиосерозе. 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 расщепление Sog с помощью Tolloid также обеспечивает усиление градиента Dpp на дорсальной стороне. Ось DV У дрозофилы возникает взаимодействие двух градиентов – вентральной концентрации ядерной дорсальной и дорсальной концентрации активности Dpp. ^[6]

См. также

Ссылки

^ Кэрролл, Шон Б. «Происхождение формы» . Естественная история . Проверено 12 октября 2016 г.
^ Рассел, П.Дж. (2009). iGenetics , с. 564
^ Бейсовец А, Вишаус Э (1993). «Взаимодействие генов полярности сегментов модулирует формирование эпидермального паттерна у эмбрионов дрозофилы» . Разработка . 119 (2): 501–517. дои : 10.1242/dev.119.2.501 . ПМИД 8287799 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Рассел, Питер (2010). iGenetics: молекулярный подход . Сан-Франциско: Pearson Education. стр. 564–571. ISBN 978-0-321-56976-9 .
^ Ривера-Помар Р; Джекл Х. (1996). «От градиентов к полосам в эмбриогенезе дрозофилы: заполнение пробелов». Тенденции Жене . 12 (11): 478–483. дои : 10.1016/0168-9525(96)10044-5 . ПМИД 8973159 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Вулперт, Льюис (2002). Принципы развития . Издательство Оксфордского университета. стр. 151–161.

Источники

Ривера-Помар, Р.; Джекл, Х. (1996). «От градиентов к полосам в эмбриогенезе дрозофилы : заполнение пробелов». Тенденции Жене . 12 (11): 478–483. дои : 10.1016/0168-9525(96)10044-5 . ПМИД 8973159 .
Рассел, Питер Дж. (2009). iGenetics: Молекулярный подход (Третье изд.). Benjamin-Cummings Pub Co. Сан-Франциско, Калифорния: ISBN паба 978-0321569769 .

Внешние ссылки

[CarrollNatHist-1] Кэрролл, Шон Б. «Происхождение формы» . Естественная история . Проверено 12 октября 2016 г.

[2] Рассел, П.Дж. (2009). iGenetics , с. 564

[3] Бейсовец А, Вишаус Э (1993). «Взаимодействие генов полярности сегментов модулирует формирование эпидермального паттерна у эмбрионов дрозофилы» . Разработка . 119 (2): 501–517. дои : 10.1242/dev.119.2.501 . ПМИД 8287799 .

[iGenetics-4] Перейти обратно: ^а ^б Рассел, Питер (2010). iGenetics: молекулярный подход . Сан-Франциско: Pearson Education. стр. 564–571. ISBN 978-0-321-56976-9 .

[5] Ривера-Помар Р; Джекл Х. (1996). «От градиентов к полосам в эмбриогенезе дрозофилы: заполнение пробелов». Тенденции Жене . 12 (11): 478–483. дои : 10.1016/0168-9525(96)10044-5 . ПМИД 8973159 .

[Wolpert-6] Перейти обратно: ^а ^б Вулперт, Льюис (2002). Принципы развития . Издательство Оксфордского университета. стр. 151–161.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]