Эмбриогенез дрозофилы

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Эмбриогенез дрозофилы»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( ноябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Вид с вентральной стороны повторяющихся лент зубчиков на кутикуле 22-часового эмбриона. Голова слева.

Эмбриогенез дрозофилы , процесс, с помощью которогоформируются эмбрионы дрозофилы (плодовой мухи), является излюбленной модельной системой для генетики и биологии развития . Изучение его эмбриогенеза раскрыло 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 [ править ]

Дрозофилы демонстрируют голометаболический метод развития, а это означает, что у них есть три различных стадии постэмбрионального жизненного цикла, каждая с радикально разным строением тела: личинка, куколка и, наконец, взрослая особь. 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 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]

Материнская муха производит ооциты , у которых уже есть передне-задняя и дорсально-вентральная оси, определяемые материнской деятельностью.

Эмбриогенез у Drosophila 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 сегрегируется из соматических клеток через формирование полюса 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.

Как и другое triploblastic многоклеточного , гаструляция приводит к образованию трех зародышевых слоев : от энтодермы , мезодермы и эктодермы . Мезодерма инвагинирует из вентральной 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 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 зародышевой ленты 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).

Формирование паттерна передне-задней оси у Drosophila [ править ]

Один из наиболее понятных примеров формирования паттерна - паттерн вдоль будущей оси голова к хвосту (передне-задняя) у 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.

Гены материнского эффекта [ править ]

Строительные блоки формирования паттерна передне-задней оси у Drosophila закладываются во время формирования яйца ( оогенез ), задолго до того, как яйцо оплодотворяется и откладывается. 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 Hunchback - это гены материнского эффекта, которые наиболее важны для формирования паттерна передних частей (головы и грудной клетки) эмбриона дрозофилы . Nanos и Caudal являются генами материнского эффекта, которые важны в формировании более задних брюшных сегментов эмбриона Drosophila . ^{[4] [5]}

У эмбрионов от бикоидных мутантных матерей голова и грудные структуры превращаются в брюшную полость, в результате чего эмбрион с задними структурами на обоих концах становится летальным фенотипом. ^[4]

Элементы цитоскелета, такие как микротрубочки , поляризованы внутри ооцита и могут использоваться для обеспечения локализации молекул мРНК в определенных частях 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. горбатый и хвостовой 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, в нужные области эмбриона для создания градиентов. Когда мРНК из 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 каудальногомРНК, 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 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 определенную последовательность РНК в 3'-нетранслируемой области , называемой регуляторным элементом Bicoid 3'-UTR , каудальной мРНК и блокирует трансляцию.

Уровни белка горбуна в раннем эмбрионе значительно увеличиваются за счет транскрипции нового гена горбуна и трансляции полученной зиготически продуцируемой мРНК. Во время раннего эмбриогенеза дрозофилы происходят деления ядер 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 активатор транскрипции транскрипции гена горбатого. . 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 [ править ]

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 , 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.

Дополнительные гены сегментации [ править ]

Два дополнительных класса генов сегментации экспрессируются после продуктов гена пробела. Эти гены , пара-правила выражены в полосатых узорах семи полос , перпендикулярных к 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 тонко настраиваются посредством взаимодействий между клетками соседних парасегментов с такими генами, как engrailed . Engrailed белок представляет собой фактор транскрипции , который экспрессируется в одном ряду ячеек на краю каждого parasegment. 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 продуцировать межклеточный сигнальный белок 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, способны отвечать на Hedgehog, потому что они экспрессируют рецепторный белок Patched . Клетки с активированным рецептором Patched образуют 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. Кутикулы Голый белок индуцируется Wingless , чтобы ограничить число 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 фенотипа некоторых бескрылых мутантов. Бескрылые и ежи 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, гены гомеотических селекторов . 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 хобосипедии.. 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 генетического контроля раннего эмбрионального развития Кристиану Нюсслейн-Фольхард , Эдварду Б. Льюису и Эрику Вишаусу . 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.

Дорсально-вентральная ось [ править ]

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 под названием 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. ^[6]В целом, различие в локализации ядра ооцита становится различием в сигнальном состоянии окружающих фолликулярных клеток, которые затем сигнализируют образующимся 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, при этом репрессия или индукция дорсальных генов-мишеней регулируются по-разному. На вентральном конце эмбриона ядра бластодермы, подвергнутые воздействию высоких концентраций дорсального белка, индуцируют транскрипцию факторов транскрипции twist и snail при репрессии zerknüllt и decapentaplegic . Это приводит к образованию мезодермы. В латеральных областях эмбриона низкие ядерные концентрации Dorsal приводят к экспрессии ромбовиднойкоторый определяет будущую нейроэктодерму. Более дорсально, активная передача сигналов Dpp репрессирует ромбовидный, тем самым ограничивая его латеральными ядрами бластодермы. На дорсальной стороне эмбриона ядра бластодермы, где этого мало или отсутствует ядерный дорсальный белок, 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 у Drosophila обусловлена ​​взаимодействием двух градиентов - вентральной концентрации ядерной дорсальной и дорсальной концентрации активности Dpp. ^[6]

См. Также [ править ]

• Пограничные ячейки
• Морфогенез
• Формирование паттерна
• Региональная спецификация

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

• 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 эмбриогенезе дрозофилии : заполнение пробелов». Тенденции Genet . 12 (11): 478–483. DOI : 10.1016 / 0168-9525 (96) 10044-5 . PMID  8973159 .

Внешние ссылки [ править ]

• Fly Move
• Интерактивная муха
• Апрель 2012 г. Комментарий Cell о последних достижениях, бросающих вызов научному пониманию концентрационно-зависимого морфогенеза.