发育胚胎形体模式形成

1、第七章 胚胎形体模式形成及及器官发生的基因控制从受精卵发育成一个有自主生活能力的，在结构上高度复杂的有机体，是按照严格形体模式进行的。胚胎发育的形体模式是在一些基因的调控下逐渐形成的。胚胎形体模式形成的过程和基因控制机制在果蝇和两栖类中研究得最多和较清楚。第一节：果蝇形体模式的形成极其基因控制通过德国的女科学家Christinane NussleinVolhard和美国的Eric Wieschaus等人的长期研究，确定了果蝇形体模式形成的三层次网络控制机制。他们二人分享了1996年度的诺贝尔生理学或医学奖。这三个层次的基因包括：1、 决定体轴并诱导合子核基因表达的母体效应基因；2、 影响身体分

2、节和各体节极性的基因；3、 决定各体节形态特征发育的同源异型基因。首先起作用的是母体效应基因，这些基因决定胚胎的体轴，划分出胚胎形体模式或基因表达模式的总体格局。接着表达的是负责身体分节的基因，这些基因在体轴确定的格局基础上，进一步将胚体划分为更细的基因表达区域。再后表达的是同源异型基因，这些基因决定每一个体节的发育特征（figure 9. 8）。一、决定体轴的母源效应基因及调控方式初级轴或坐标预决定了果蝇身体的两侧对称基本结构。要获得这样一个结构必须建立两个轴：前后轴或头尾轴（anteriorposterior axis）和垂直于它的背腹轴（dorsal-ventral axis）。在果蝇中

3、，轴决定是在基因影响下发生的。这些基因是母源效应基因（maternal effect genes）而不是胚胎本身的基因。母源效应基因的产物成为建立这些坐标的基础。在母体卵子发生时，这些轴决定基因在卵巢中的滋养细胞或滤泡细胞中非常活跃。这些母源效应基因编码的mRNA和核糖核蛋白结合后，以RNP颗粒的形式经环管或通道转运到卵子内。不同的mRNA分布在卵子的不同区域。这些mRNA编码的是一些转录和翻译的调节因子。卵子受精后，这些mRNA被翻译成蛋白质。这些蛋白质不直接参与胚胎的构建，而是通过梯度分布形成形态发生场，而将整个受精卵的空间划分成不同命运的亚空间。这些母源效应基因分成以下两类：影响前后极性

4、的基因：分为3群，包括以bicoid（bcd）为主的前部群，以nanos（nos）为主的后部群，和以torso和cadual（cdl）为主的端部群。影响背腹极性的的基因：包括dorsal（dl）和toll等基因。（一）、影响前后极性形成的基因及前后轴形成的分子机制1、卵母细胞质极性调节的胚胎学证据经典胚胎学实验证明，在昆虫卵子中至少有两个组织中心。一个位于卵子的前端，另一个位于卵子的后端。例如Klaus Sander在1975年发现，如果在发育的早期将卵子结扎，使胚胎的前半部与后半部分开，则一部分发育成胚胎的前部结构，另一部分发育成胚胎的后部结构。但都没有发育出胚胎中部的结构。如果结扎在较晚的

5、发育阶段进行，则会缺少几个中间的体节。因此，在卵裂过程中的确可能在两极存在形态发生梯度，而且这种梯度的相互作用产生的位置信息决定了每一个体节的特性。而且。当昆虫卵子前端的RNA被用紫外线或是RNA酶破坏时，所发育成的胚胎没有头部和胸部，而形成具有两个腹部和两个尾节成镜像对称排列的胚胎（figure 9.9）。因此，Sander的实验室提出在卵子的两端都存在梯度，并提出了卵子中隔离的mRNA产生了前端形成物质梯度的假说。2、早期胚胎中的蛋白质梯度在上世纪80年代后期，在果蝇胚胎发生的研究中，梯度假说与遗传学方法被结合起来。如果存在梯度，是什么样的形态发生决定子其浓度能发生跨越空间的变化？是什么基

6、因规划了这种梯度？这些形态发生决定子是激活还是抑制某些基因？Christiane Nusslein-Volhard针对这些问题开展了研究。这些研究人员发现，有一套基因编码了胚胎前部的形态发生决定子；另一套基因编码的形态发生决定子负责胚胎后部区域的组建；第三套基因编码的蛋白质负责制造胚胎两端的端部结构（figure 9. 10, Table 9. 1）。3、母体效应基因mRNA在卵子中定位的机制有4种母体效应mRNA在形成胚胎的前后轴中起关键的作用。Bicoid和hunchback mRNA，其蛋白质产物在形成头部和胸部中起关键作用。Nanos和caudal mRNA，其蛋白质产物在形成腹部结构

7、中起关键作用。Bicoid mRNA定位于未受精卵的前端，锚定在前端的微管上。Nanos mRNA附着在未受精卵后端的细胞骨架上。Hunchback和caudal的mRNA分布在整个卵母细胞中。这种分布在发育的卵母细胞中由微管来完成。卵室前端的滤泡细胞合成mRNA，这些mRNA通过细胞骨架运转到卵母细胞中。在此处，它们通过一系列马达蛋白与微管连接。发育早期的果蝇卵母细胞中的微管的组装受卵母细胞本身位于卵室后端这一因素的影响。在这里，卵母细胞中的Gurken蛋白告知端部的滤泡细胞要分化为后部而不是前部的滤泡细胞。后端的滤泡细胞通过传送一个信号激活卵母细胞膜上的蛋白激酶A作出应答（figure 9

8、. 11）。这种激活引起微管的定向移动。这时微管的生长端朝向卵母细胞的后端而不是朝向滤泡细胞。Bicoid的mRNA在其3端的非编码区域含有一与Exuperantia和Swallow蛋白质相互作用的序列，这两个蛋白将bicoid的mRNA锚定到位于卵母细胞前端的微管组织中心的力蛋白上。在bicoid的mRNA通过力蛋白固定到微管锚定端的同时，后端决定子通过马达蛋白Kinesin I来进行定位。这种蛋白质定位于微管的生长端。Kinesin I将结合oskar的mRNA和Staufen蛋白。Staufen允许oskar的mRNA进行翻译。产生的Oskar蛋白质能够与nanos的mRNA结合。这样，

9、在卵子发生结束时，bicoid的mRNA锚定在卵母细胞的前端，nanos的mRNA定位在卵母细胞的后端。一旦受精，这些mRNA可以被翻译成蛋白质。在前极，bicoid的mRNA翻译出Bicoid蛋白，形成一种在前端浓度最高的浓度梯度。在后极，nanos的mRNA翻译出Nanos蛋白，形成在后端浓度最高的梯度。Bicoid蛋白抑制caudal 的翻译，从而caudal只能在受精卵的后部翻译。相反，Nanos蛋白与Pumilio蛋白一起，结合到hunchback的mRNA上，阻止其在胚胎的后部翻译。Bicoid也能通过结合到hunchback基因的加强子上，激活其转录而在胚胎的前端提高hunchb

10、ack蛋白质的水平。这种相互作用在早期胚胎中造成了4种蛋白质的浓度梯度（figure 9. 12）。从前端到后端逐渐降低的Bicoid蛋白浓度梯度；从前端向后端逐渐降低的Hunchback蛋白浓度梯度；从后端向前端逐渐降低的Nanos蛋白浓度梯度；从后端向前端逐渐降低的Caudal蛋白浓度梯度。Bicoid，Hunchback及Caudal蛋白都是转录因子，它们的相对浓度能够激活或抑制特定合子核基因的表达。4、前端组织中心：Bicoid蛋白梯度前端组织中心：至少包括3个主要基因，其中bicoid是关键基因，exuperantia, swallow与bicoid的定位有关。bicoid基因的mR

11、NA定位于未受精卵的前端，通过不翻译的3端区域与Exuperantia以及Swallow蛋白相互作用，这两种蛋白质将bIcoid mRNA锚定在卵子前端细胞质内的微管中心的力蛋白上，形成前端组织中心。在受精后数分钟内，bicoid被翻译成蛋白质。产生的BECOID蛋白质由前向后扩散，从而形成由前向后逐渐降低的浓度梯度。BICOID蛋白质的扩散有一定的限制，沿卵的纵轴方向延伸至一半的地方（figure 9. 10）。Bicoid 基因的突变导致BICOID蛋白的缺陷。如果两个等位基因都突变产生有缺陷的蛋白质，则发育成的幼虫无头和胸，顶节也被一个反向的尾节所代替（figure 9. 13）。相应地

12、，如果在卵子发生时，使卵母细胞位于卵室的中间而不是在一端，则卵母细胞的两端都有滋养细胞（图3-18）。由于两端的滋养细胞都向卵母细胞输送bicoid mRNA，造成bicoid mRNA在卵子的两端都分布。这样的卵室中产生的卵子受精后发育成在两端各有一个头的双头幼虫。双头幼虫也可以通过注射野生型bicoid mRNA到正常卵的后端部位产生(figure 9. 15)。BICOID蛋白梯度被认为是提供位置信息。当通过遗传操作，使母体卵子发生时有更多的bicoid被活化，从而使卵的前端BICOID蛋白的浓度增加时，头和胸的后部边沿都向后移，头、胸也相应增大。在卵裂期的胚胎中，BICOID蛋白进入到

13、胚胎前部区域细胞的细胞核中。它是一个转录因子，含有螺旋折叠螺旋的结构区（helixturnhelix domain），由该基因中的同源异型框（homeobox）区域编码。由于具有这个结构域，BECOID蛋白可以结合到其他基因的启动子上，激活这些基因的表达。被BICOID转录因子激活的下游基因是合子核基因。高浓度的BICOID蛋白导致头特异性基因的激活，相对较低的浓度时导致胸特异性基因的激活。结合到这些基因的启动子区域后，BICOID蛋白作为转录因子启动这些基因的转录和表达。Hunchback（hb）是BICIOD转录因子调控的靶基因之一。这是一个控制头胸部结构发育的重要基因。Bc通过结合到hb

14、的加强子区域而刺激其转录。提高胚胎前端hb的浓度。Hunchback的转录只发生在胚胎的前半部分，即Bicoid蛋白存在的区域。Hunchback也是一个转录因子，可以抑制腹部特异性基因的表达，从而允许hunchback表达的区域形成头部和胸部。Bicoid蛋白也作为后部结构形成的的抑制因子起作用。这种抑制是通过与caudal的mRNA结合而抑制其翻译而起作用的。Caudal蛋白能激活负责后肠折叠的基因的表达而在胚胎后部区域的特化中起关键作用。Bicoid蛋白结合到Caudal的mRNA3端非翻译区域（3-untranslated region）的一个特定位置上，从而阻止其在胚胎的前部区域翻译

15、成蛋白质（figure 9. 16）。这种翻译的抑制是必要的，如果Caudal蛋白在胚胎的前部区域产生，则头部和胸部就不能正常形成。5、后部组织中心：nanos的定位和激活后部组织中心是由nanos基因的活性能决定的。nanos RNA由卵巢中的滋养细胞合成并运输到卵子的后端区域的。nanos的mRNA通过其3端的非翻译区以及数个其他基因的产物（oskar, valois,vasa, staufen, and tudor）结合到卵子后端的细胞骨架上。如果nanos或其他几个母体效应基因中的任何一个在母本中缺失，就不能形成腹部结构。Nanos的mRNA在未受精卵中处于沉默状态（be dorman

16、t），因为它的3端非编码区域上被Smaug蛋白占据了。受精后，可能是借助于Oskar蛋白质的作用，这种抑制在胚胎的后极被解除，Nanos蛋白得以合成。并通过扩散而形成后高前低的浓度梯度。Nanos通过抑制hunchback的mRNA翻译活性而产生作用。在卵裂期胚胎的前部区域，hunchback的mRNA通过其3-UTR与Pumilio蛋白结合而能够翻译成Hunchbak蛋白质。而在后部区域，Nanos结合到Pumilio蛋白上，而使hunchback的mRNA脱腺苷酸化（dadenylate），阻止其行使翻译功能。如此， Bicoid在胚胎前部区域激活hunchback基因的转录，而Nanos

17、在胚胎的后部区域抑制hunchback mRNA的翻译，Bicoid和Nanos蛋白导致了受精卵中Hunchback浓度梯度的形成。6、决定端部结构的基因系统如果前端和后端系统都失活，果蝇胚胎仍可以产生某些前、后端结构，形成具有两个尾节的胚胎。说明还存在第三个与前后轴决定有关的系统。这个系统称为端部系统。包括有9个母体效应基因。这个系统的基因失活可导致胚胎顶节和尾节的缺失。在端部系统中起关键作用的基因似乎是torso。它编码一种酪氨酸激酶的受体蛋白，是一种细胞质膜上的跨膜蛋白。母本是torso纯合突变体时，其卵子受精后发育成的胚胎即无顶节（acron）也无尾节（telson），意味着胚胎两端结

18、构是通过同样的途径来形成的。Torso的mRNA由卵巢细胞合成后储藏在卵母细胞中。受精后才进行翻译。跨膜的Torso蛋白受体在空间上的分布不是限定在卵子的两极，而是均匀地分布在卵子的整个质膜上。正常情况下torso只能在卵子的两端被活化。能使其在任何位置都处于活化状态的torso显性突变体可以将胚胎的整个前半部转换成顶节，整个后半部转换成尾节。实验证明Torso蛋白只能在卵母细胞的两极被滤泡细胞活化。Torso蛋白的配体分子是Torsolike蛋白。由torso-like基因编码。这种基因的突变体产生的表型与torso突变体产生的表型几乎完全一致；torso-like基因的异位表达可以使Tor

19、so在新的位置被激活。torso-like基因通常只在卵母细胞外前后端的滤泡细胞中表达。滤泡细胞中合成的Torsolike被分泌出来后，穿过卵黄膜进入到到卵子前后端的卵周隙（卵黄膜与卵母细胞之间的空隙）中，并通过与卵黄膜的结合而维系在两极区域。直到Torso蛋白表达，Torsolike蛋白才被从卵黄膜上释放。由于Torso蛋白过量，Torsolike蛋白不会扩散到卵子两极以外的区域，从而保障Torso蛋白只在两极区域被活化。受精后一定时期，Torsolike蛋白被从卵黄膜上被释放出来，与Torso结合，导致Torso蛋白的酪氨酸残基磷酸化，而激活Ras和Raf蛋白。这两种蛋白质又使MAP激酶被

20、活化，抑制Groucho蛋白这种tailless和hunchbein基因转录抑制因子的活性，从而使与端部结构发育相关的tailless和hunchbein等合子的缝隙基因转录。这些缝隙基因的转录启动了顶节和尾节的形成过程（figure 9. 18）。如果这两个基因单独作用则发育成尾节；如果有Bicoid蛋白参与作用则发育成顶节。果蝇发育的下一步是利用这些转录因子的浓度梯度沿前后轴激活特异性基因。（二）、影响背腹极性的基因及背腹轴形成的分子机制背腹极性是由称为Dorsal的转录因子的浓度梯度建立的。与Bicoid蛋白的梯度是建立在合胞体中不同，Dorsal形成的梯度跨越细胞。这种梯度的建立是细胞

21、之间信号相互传导的结果。背腹轴的特化是通过几个阶段发生的。关键的一步是在细胞质中的Dorsal蛋白在第14次卵裂时进入到腹部细胞的核中。Anderson和Nusslein-Volhard分离了11个母源效应基因，其中的任何一个基因的缺失都与某种腹部结构的缺失相关（figure 9. 34）。另一个母源效应基因cactus的缺失会导致所有的细胞腹部化。这些母源基因的编码的蛋白质对保证Dorsal蛋白只进入胚胎腹部表面细胞的核中是至关重要的。在定位到细胞核中后，Dorsal蛋白在细胞核中的活动使胚胎不同区域特化。细胞核中不同的Dorsal蛋白浓度似乎使细胞特化出不同的命运。1、Dorsal蛋白转入

22、到细胞核中（Translocation of dorsal to the nucleus）能够真正区分背部和腹部的蛋白质是dorsal基因编码的。母体的dorsal基因转录的mRNA是由卵巢细胞安放在卵母细胞中的。但在受精后的90分钟前，这种母源mRNA不翻译成Dorsal蛋白。当Dorsal被翻译出来时存在于整个胚胎中，而不是只分布在腹侧或背侧。它这样平均分布在胚胎中，又如何能作为形态发生决定子起作用呢？1989年，科学家得到了一个令人惊奇的答案。虽然Dorsal在早期分布于整个合胞体胚胎中，但只进入胚胎腹部区域的细胞核中（figure 9. 35 A，B）。在核中，Dorsal结合到某些特

23、定的基因上，激活或抑制这些基因的转录。如果Dorsal不进入细胞核，负责腹部细胞类型特化的基因snail和twist就不能转录；负责背部细胞类型特化的基因decapentaplegic和zerknullt就不会被抑制，所有的细胞都特化为背部细胞。对能导致全部背部化和全部腹部化的突变体进行的分析支持果蝇中背腹轴形成的上述模型（figure 9. 35 C, D）。在所有细胞都背部化的突变体中，Dorsal蛋白未进入任何细胞的核中。相反，在所有细胞都腹部化的突变体中，Dorsal进入了所有细胞的核中。Dorsal进入胚胎腹部区域细胞的细胞核与母源效应基因toll以及cactus有关。母源toll

24、mRNA转录的蛋白质也为卵母细胞提供跨膜受体，一感应外部并提示胚胎应该在何处制造出腹部。与这种受体结合的信号分子也锚定在卵细胞周围的卵黄膜上。这种信号分子可能是母源效应基因spatzle编码的一个产物，是由卵室腹侧的滤泡细胞产生的。它能被一种蛋白酶从锚定复合体中释放出来。由于Spatzle前体只存在于卵子的腹侧，因此只有腹侧的Toll受体能够找到配体。Toll被配体结合后，能激活一系列的细胞内信号传导，导致Dorsal蛋白的磷酸化而使Dorsal蛋白重新分布。Cactus蛋白与Dorsal蛋白能否进入细胞核这一调控过程相关。当Cactus与Dorsal结合在一起时，Dorsal蛋白不能进入细胞

25、核（figure 9. 36）。当Toll被激活后，引发的细胞内信号传导使Cactus被磷酸化，一旦被磷酸化，Cactus蛋白就被分解，Dorsal便能进入细胞核中。信号传导的联级反应产生了Spatzle蛋白的浓度梯度。由于Spatzle蛋白在最腹侧的区域区域最高，向背侧逐渐降低，因此造成胚胎腹侧细胞中Dorsal蛋白的转运的梯度，在最腹面细胞的的细胞核中Dorsal的浓度最高。2、Dorsal蛋白梯度的效应高浓度的Dorsal蛋白引导细胞变为中胚层细胞，较低浓度的Dorsal 蛋白引导细胞变为外胚层组织或胶质细胞。Dorsal蛋白通过两种方式使最腹侧的细胞转化成中胚层细胞。第一种方式是Dor

26、sal蛋白激活制造中胚层的特异性基因。Dorsal的3个靶基因是twist，snail，以及rhomboid（figure 9. 41）。这些基因只在接受了高浓度的Dorsal蛋白的细胞核中转录。因为这些基因的加强子与Dorsal蛋白结合的亲和力不是很强。Twist蛋白激活中胚层基因，而Snail蛋白抑制可能被活化的非中胚层基因的表达。Rhonboid蛋白很有趣，它被Dorsal激活，但被Snail蛋白抑制。因此，rhonboid基因不在胚胎最腹侧的细胞中表达，但在靠近中胚层，形成预定神经外胚层的细胞中表达。Twist和Snail都是中胚层形成和原肠形成所需要的。中胚层细胞和临近的胶质细胞之间

27、的分界是由最腹侧细胞中存在的Snail和Twist产生的，在上方紧靠的细胞中则只有Twist蛋白存在。同时，细胞核中中等水平的Dorsal蛋白激活sog（short gastulation）基因在腹面twist表达区域两侧面的带型区域（约12-14个细胞的宽度）内细胞中的转录。Sog基因编码一种阻止这一区域的外胚层变为表皮外胚层，并能开启神经分化过程的蛋白质。Dorsal蛋白也能直接决定中胚层。除了激活中胚层活化基因（twist和snail）之外，它能直接抑制背部化基因zerknullt（zen）以及tacapentaplegic（dpp）。如此，在同一个细胞中，Dorsal可以作为某些基因的

28、活化剂，也可以作为另一些基因的抑制剂。Dorsal是起活化作用还是起抑制作用依赖于靶基因启动子的结构。Zek基因的一个沉默区中含有Dorsal的结合位点和其他两个DNA结合蛋白的结合位点。这两个DNA结合蛋白的结合位点使Dorsal与转录抑制蛋白结合并将其带到DNA上。Dorsal突变体中dpp和zek在整个胚胎中都表达；缺失dpp和zek基因的不能形成背部结构。所以，在野生型胚胎中中胚层前体表达twist和snail而不是dpp和zek；背部表皮外胚层前体表达zek和dpp而不是twist和snail。胶质细胞前体表达twist和rhomboid。而这4个基因在侧面的神经外胚层和羊浆膜（am

29、nioserosa）前体中都不表达。如此，作为应答Dorsal蛋白浓度的结果，背腹轴被进一步划分为中胚层、中外胚层、神经外胚层、表皮外胚层和羊浆膜（figure 9.41）。二、分节基因（The Segmentation Genes）果蝇中，从特化到定型的转换是通过分节基因来调节的。这些基因按前后轴将早期胚胎划分为一列重复的体节。分节基因的突变会导致发育成的胚胎缺少某些体节或身体的某些部分。这些突变常常是影响副体节，一些通过中胚层增厚和外胚层的沟分开的胚胎区域。分节基因将胚胎划分为14个副体节。胚胎的副体节并不会直接成为幼虫和成虫的体节。每一个副体节包含了前一个体节的后半部分和后一个体节的前半

30、部分（figure 9. 19）。分节是分步发生的。在合胞体囊胚层中，胚胎细胞在母源效应基因的启动下，可是转录合子自身的mRNA和蛋白质。其中许多新蛋白质是基因表达调控因子。这些基因并不沿身体均匀表达，而是在空间上被限制于一定的表达区域内。有3类分节基因，即缝隙基因、配对法则基因和体节极化基因。这几类基因按照一定的顺序表达（figure 9. 8）。首先表达的是缝隙基因（gap gene）。缝隙基因被母源效应基因激活或抑制。它们的功能是将胚胎划分为大的区域和启动配对法则基因的表达。其表达区域较宽，约相当于三个体节的宽度。每个区域都包含几个副体节原基。例如krupple基因，最初是在第46副体节

31、中表达，位于胚胎的中部（figure 9. 20 A and 9. 8 C）。缺失krupple蛋白的胚胎就不会发育出这一区域。缝隙基因的蛋白质产物与相邻区域的缝隙基因蛋白相互作用，以激活配对法则基因（pair-rule genes）的转录。这些基因的产物将缝隙基因划分的区域进一步细分为副体节。配对法则基因，如fushi的突变通常会减少体节的数目（figur 9. 21）。配对法则基因包括很多的基因，如hariy, even-skipped，runt以及fushi farazu等。已知hariy, even-skipped，runt等3个基因是在胚胎上形成周期性的式样所必须的基因。这3个基因直

32、接由缝隙基因控制。配对法则基因共同的表达特点是每隔一个体节交替表达。如fushi farazu在奇数副体节中表达，而even skipped在偶数副体节中表达（figure 9. 26）。因为果蝇胚胎要产生14个体节，所以在7个副体节中表达even skipped，在另7个副体节中表达fushi farazu。如果其中一个基因突变而丧失了功能，则所负责的7个体节不能发育，产生的成的胚胎只有7个体节。果蝇胚胎的一些细胞核是如何知道表达某些特殊的基因，而相邻区细胞核又如何知道不表达这些基因呢？缝隙基因表达的蛋白质产物的不连续分布看来与此过程的控制相关。上述过程都是在合胞体阶段进行的。一旦胚胎细胞化

33、，胚胎发育进入囊胚期，细胞间的相互作用就开始了。这种细胞的相互作用是通过体节极性基因来调节的。体节极性基因完成两个重要的任务：一是强化和启动真正的分节，把体节再分为更小的单位，在副体节中间划分出最终的，可见的体节分界线。二是通过细胞见的通信，在每一个副体节中确定细胞的命运。体节级性基因编码的蛋白质是wigless和hedgehog信号途径中的成分。这些基因的突变导致体节的缺陷和基因表达的式样跨越整个副体节。正常的基因表达式样建立在每一个副体节中只有一列细胞可以允许表达Hedgehog蛋白质，和只有一列细胞允许表达Wingless蛋白质的基础上。这种表达式样的关键是在这些要表达hedgehog蛋

34、白的细胞中engrailed基因被活化。engrailed基因在那些Even-skipped, fushi farazu或Paired等转录因子浓度很高的细胞中被激活。而在获得了高浓度的Odd-skipped, Runt或Sloppy-paired蛋白质的细胞中被抑制。其结果是Engrailed沿胚胎的前后轴在14个条带中表达（figure 9. 8E）。这些engrailed转录条带制造了每个副体节的前端边界（也是每个体节的后端边界）。Wingless基因在那些很少或没有Even-skipped或Fushi tarazu蛋白质，但含有Slopp-paired蛋白的细胞中被表达。这种式样导致w

35、ingless在紧接engrailed表达细胞带的前面一列细胞中被缓慢表达（figure 9. 26 A）。一旦wingless 和engrailed的表达在相邻的细胞中表达，这种式样必须保持下来以维持由配对法则基因建立的形体模式中副体节的周期性。这种式样的维持是通过相邻细胞间的相互作用来调节的。那些分泌hedgehog的细胞激活wingless基因的在相邻细胞中表达，Wingless蛋白质又被分泌Hedgehog蛋白的细胞接收而保持hedgehog基因的表达。此外，这种激活启动了这条相互作用途径中的另一部分。Engrailed蛋白激活hedgehog基因在表达了engrailed基因的细胞中

36、转录。Hedgehog蛋白可以结合到相邻细胞的Hedgehog受体（the patched 蛋白）上。当它结合到相邻的后面细胞上时，激活这些细胞中wingless基因的表达。这样就构成一个循环回路，合成Engrailed蛋白的细胞分泌hedgehog蛋白质，维持相邻细胞中表达wingless基因，反过来，分泌Wingless的细胞又维持engrailed和hedghog基因在相邻细胞中表达。通过这种方式建立了这两类细胞的的基因表达式样。这种相互作用产生了体节间稳定的边界，也产生了Hedghog和Wingless蛋白质向整个副体节扩散的信号中心。这些蛋白质的扩散被认为提供了一种梯度，通过这种梯度

37、，副体节中的细胞获得了定性。第三节：同源异型选择者基因（The Homeotic Selector Genes）同源异型选择者基因决定每一个体节将发育出哪一种特殊类型的细胞类型和形态。例如，一个指定的体节是发育成为一个无翅的前胸，还是有翅的中胸或有平衡器的后胸，或是一个腹部的体节。做出决定的是同源异型选择者基因或同源异型主导基因。这些基因限定了每一个体节的形态特征，并与整个胚胎的其他部分保持协调。一、同源异型基因的表达式样在体节的前后边界建立以后，每个体节的结构特征开始特化。这种特化是由同源异型选择者基因来完成的。大多数同源异型选择者基因位于果蝇第3号染色体上，排列成两簇（figure 9.

38、28）。一簇叫触角足复合体（Antennapedia comlex），其中有labial (lab), antennapedia (antp), sex combs reduced (scr), deformed (dfd), 以及proboscipedia (pb) 5个同源异型基因。Labial和deformed基因特化头部体节，sex combs reduced和antennpedia的作用是确定胸部体节的特性；proboscipedia基因只在成体中起作用。但在缺失时口器的下唇须会转化发育成腿。第二簇叫双胸复合体（bithorax complex）。其中有3个同源异型基因：ultrab

39、ithorax (ubx)基因是第3个胸节定性所需要的；abdominal A (abdA)和abdominal B (abdB)基因负责腹部体节的定性。这两簇基因一起构成同源异型复合体（Homeotic complex, Hom-C）。这些基因在染色体上的排列顺序与起在发育过程中表达的时间和空间顺序有近似线性的对应关系，第一基因簇的第一个基因最先在头部的前端表达；第二个基因簇中的最后一个基因在尾部最晚表达。这些同源异型选择者基因的突变换缺失能导致惊人的同源异转换。即正确的结构长在错误的地方。例如正常果蝇有3个胸节，每个胸节都长出一对腿。第一胸节不在发育出其他器官，第二胸节则还产生出一对翅膀。

40、第3胸节还产生出一对平衡棒。当发生同源异型突变时，这种特性会发生改变，当ultrabithorax 基因缺失时，第3胸节被转换成第2胸节，结果是果蝇产生了2对翅膀（figure 9. 29）。同样，Antennapedia通常是使第二胸节特化，当发生突变而使这个基因在头部表达时，则头部成虫盘转化为腿成虫盘，在头部长出一对腿（figure 9. 30）。当Antennapedia发生隐性突变而不能在第2胸节表达时，则在腿的位置长出触角。主要的同源异型基因已经被克隆，并通过原位杂交 (in situ hybridization)分析了它们的表达。每个基因的转录产物都可以在胚胎的特定区域检测出来（f

41、igure 9. 28）。二、同源异型基因表达式样的启动（initiating the patterns of homeotic gene expression）同源异型基因的表达受缝隙基因和配对法则基因的影响。例如abdA和abdB基因的表达被缝隙基因Hedgehog和Kruppel蛋白的抑制。这种抑制阻止这些腹部特异性基因在头部和胸部表达。相反，Antennapedia基因被特定浓度的Hedgehog蛋白激活。所以Antennapedia最初在第4副体节中表达，使中胸体节特化。同源异型基因在副体节中的表达边界很快就被Fushi tarazu和Even-skipped蛋白所限定。三、同源异型基因的特点在细胞分化决定过程中，负责作出决定的主导基因或选择者基因是同源异型基因。为什么同源异型基因能在细胞分化中起主导和决定的作用呢，这与同源