基因与发育

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基因与发育·

由GPT-5.6-Sol-Ultra生成

果蝇的发育与调控·

生命周期、卵子发育与卵裂·

  • 果蝇个体小、生活周期短、易繁殖，巨大多线染色体便于遗传分析和基因定位，是研究基因与发育的模式生物。
  • $25^{\circ}\mathrm C$下一个发育周期约$9\sim14$ d：第1天为胚胎期，幼虫经3个阶段后蛹化，再经约5 d变态成为成虫。

果蝇从胚胎、幼虫、蛹到成虫的发育时期

  • 卵原细胞经4次有丝分裂形成16个以胞质桥相连的细胞：1个发育为卵母细胞，另15个成为抚育细胞。
    • 卵母细胞起初为二倍体，减数分裂后成为单倍体；抚育细胞因反复复制DNA成为多倍体。

果蝇卵原细胞形成卵母细胞和抚育细胞

果蝇早期卵裂和细胞胚盘形成

  • 胚胎最初仅进行快速核分裂，约每9 min一次，形成约6 000个核而不立即分隔细胞质，故卵成为合胞体（syncytium）。
  • 核数超过256后，细胞核迁往皮层；质膜沿核间内陷并包围各核，形成细胞胚盘。其腹部形成生殖带，后续发生中胚层、神经索和脑等结构的分化。
  • 果蝇沿前－后轴依次形成头节、3个胸节和8个腹节，两端另特化为原头和尾节；形体模式还具有明确的背－腹轴。

果蝇幼虫前后轴的头节、胸节、腹节及两端结构


母源效应基因与前－后轴·

  • 合胞体使mRNA和蛋白质可经扩散、运输、合成和降解形成不对称梯度；卵母细胞核本身无转录活性，因此早期胚轴由母体提供的基因产物决定。
  • 母源效应基因（maternal effect gene）

    在母体抚育细胞或滤泡细胞中表达，其mRNA和物质输入卵母细胞并决定胚胎早期模式的基因。

  • 4组母源效应基因系统：前端系统决定头、胸分节；后端系统决定腹部分节；末端系统决定不分节的原头和尾节；背－腹系统决定背－腹轴。
母源mRNA/蛋白 定位与梯度 主要作用
bicoid mRNA与swallow、exuperantia、staufen结合后锚定于卵前端；蛋白由前向后递减 与hunchback共同调控前端
nanos mRNA与tudor、oskar等结合后运至后端；蛋白由前向后递增 与caudal共同调控后端
  • bicoid是兼有DNA、RNA结合能力的同源域转录因子，并表现浓度阈值效应：高浓度激活orthodenticle等前端基因，较低浓度激活hunchback等间隙基因。
  • bicoid还结合caudal mRNA的$3’$ UTR，并干扰eIF4E与eIF4G识别及核糖体装配，抑制其翻译，因此caudal蛋白主要位于后端。
  • nanos抑制hunchback mRNA翻译，使hunchback蛋白由前向后降低；caudal蛋白则由前向后升高。

bicoid以浓度阈值激活前端基因并抑制caudal翻译

母源效应mRNA在果蝇卵前后端的定位

bicoid与nanos蛋白沿前后轴形成相反梯度

hunchback与caudal蛋白沿前后轴的互补分布


分节基因的层级调控·

  • 躯体分节的核心级联：

    $$ \text{母源效应基因}\rightarrow\text{间隙基因}\rightarrow\text{成对控制基因}\rightarrow\text{体节极性基因}\rightarrow\text{同源域基因}\rightarrow\text{各体节命运} $$

  • 间隙、成对控制和体节极性基因产物还共同作用于同源域基因上游调控区；胚胎自身基因开始表达后，各调控因子局限于特定表达区，形成空间模式。

果蝇胚胎模式建立中各级调控基因的表达顺序

分节基因 表达模式与功能 代表基因
间隙基因 由早期全胚弱表达转为不连续区带，先划定较大区域 hunchback、knippel、Knirps
成对控制基因 以两个体节为单位周期表达，形成斑马纹条带；把间隙区进一步分成预定体节，是最早分节标志之一 eve、ftz
体节极性基因 在细胞囊胚期把体节再分成更小条纹；突变会使每个体节缺失特定区域 engrailed（en）、wingless（wg）

间隙、成对控制及体节极性基因的条带表达谱

幼虫体节特征与ENGRAILED表达条带相对应

  • en在每一副体节最前端一列细胞表达，wg表达带紧邻其前方，两者边界确立副体节边界。
  • eve、ftz等成对控制因子调控en和wg起始；en仅在FTZ、EVE达到较高阈值时激活，而wg所需阈值较低。

末端系统与背－腹轴·

  • 末端系统约含9个母源效应基因；缺失会使前端原头区和后端尾节同时消失。
  • torso（tor）编码跨膜酪氨酸激酶受体，虽遍布合胞体胚胎表面，但受精后释放的配体仅在前、后端使其活化，因而诱导两端细胞特化。

torso受体仅在胚胎两端被配体激活并决定末端

  • 背－腹轴链条：腹侧定位的spatzl前体经蛋白酶释放配体$\rightarrow$配体结合母源Toll跨膜受体$\rightarrow$DORSAL蛋白磷酸化并重新分布$\rightarrow$腹侧细胞核中DORSAL浓度最高$\rightarrow$形成腹侧结构。
  • DORSAL缺失时不能形成腹侧结构，整个胚胎呈背侧外观，称背部化胚胎。

Toll信号建立DORSAL蛋白的背腹轴核内梯度


同源域基因决定体节命运·

  • 同源域基因不负责基本躯干、体节或肢芽的建立，而是赋予已形成体节和肢芽最终的典型特征。
  • 果蝇同源域基因统称HOM复合体（HOM-C），多数位于第3号染色体，分为含5个基因的触角复合体（Antp-C）和含3个基因的双胸复合体（BX-C）。
  • 同源异型转换（homeotic transformation）：同源域基因异常使形态正确的结构出现在错误位置。如Antennapedia显性突变在头部异位表达，使触角位置形成足；相关突变还可使平衡器变成翅。

Antp-C突变造成触角变足或平衡器变翅的同源异型转换

高等植物花发育的基因调控·

花器官与分生组织·

  • 植物由营养生长转向花发育依次经历：

    $$ \text{营养分生组织}\rightarrow\text{花序分生组织}\rightarrow\text{花分生组织}\rightarrow\text{花器官原基}\rightarrow\text{花器官} $$

  • 成年花由外向内为4轮结构：花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊（心皮）。拟南芥和金鱼草野生型通常分别为4个萼片、4个花瓣、6个雄蕊及2个融合心皮。

花萼、花瓣、雄蕊和心皮组成的四轮花器官

  • 花分生组织决定基因促进花序分生组织形成花分生组织并产生器官原基，也可激活部分同源域基因；具体形成哪类花器官则由同源域基因决定。
  • 花器官同源异型突变常同时影响相邻两轮，说明植物器官发生与动物一样受同源域基因调控。

MADS-BOX转录因子·

  • 金鱼草DEFA和拟南芥AG等花发育基因编码DNA结合型转录因子；MCM1、AG、DEFA、SRF共有的保守区称MADS-BOX。

三组同源异型基因决定四轮花器官的ABC模型

结构域 主要特点
MADS 位于N端，结合DNA
I 保守性较低
K 由$\alpha$螺旋构成，介导蛋白质互作和二聚化
C 保守性较低，参与MADS蛋白形成多聚体

MADS-BOX蛋白的M、I、K、C结构域

花器官发育的ABCE模型·

花轮 基因组合 决定的器官
第1轮 A+E 花萼
第2轮 A+B+E 花瓣
第3轮 B+C+E 雄蕊
第4轮 C+E 心皮
  • 代表基因：A类为AP1、AP2，B类为AP3、PI，C类为AG，E类为SEP1/SEP2/SEP3。
  • A类基因在第1、2轮表达，B类在第2、3轮表达，C类在第3、4轮表达；除AP2外，ABC基因均为MADS-BOX转录因子。
  • **A与C相互拮抗：**AP2结合AG启动子、AP1与其他蛋白结合AG第二内含子，均抑制C类基因；AG结合AP1启动子并抑制A类基因。
  • AP2 mRNA虽存在于4轮器官，但第3、4轮中的miRNA172抑制其翻译，使AP2蛋白限于第1、2轮；花发育早期A类基因还可激活AP3。
  • 典型失活表型：A失活使萼片$\rightarrow$心皮、花瓣$\rightarrow$雄蕊；B失活使花瓣$\rightarrow$萼片、雄蕊$\rightarrow$心皮；C失活使雄蕊$\rightarrow$花瓣、心皮$\rightarrow$花萼。
  • E类基因为SEP1/SEP2/SEP3；三重突变体产生大量萼片。SEP3像“胶水”一样介导A+B、B+C等蛋白形成不同四聚体，共同调控花器官特征。

A、B、C、E类基因组合及其花器官突变表型


花分生组织决定基因·

  • LEAFY（LFY）决定花分生组织特性并影响开花时间：lfy突变使本应形成花的侧枝成为无限枝，花偏绿色且主要由萼片样、心皮样器官构成；过量表达则提前开花并使茎尖或次生枝转为花。
  • TERMINAL FLOWER1（TFL1）在分生组织而非幼花原基中表达，维持无限生长。tfl1突变使初级花序很快成为末端花、侧枝和花数减少，其表型与lfy相反，提示两者相互拮抗。

lfy突变使花转为无限枝

LFY过量表达使枝条和茎尖提前转为花

tfl1突变体初级花序形成末端花

tfl1突变体末端花的局部结构

  • AP1、AP2和CAL也参与花分生组织决定；ap1、ap2突变会强化lfy表型。
  • 开花诱导时LFY迅速升高；AP1在花诱导开始后$1\sim2$ d才于花原基表达；AP2贯穿生活史表达，但在花分生组织确定期显著升高。

LFY、AP1和AP2在营养顶端与成花顶端的表达模式

控制植物开花时间的分子机制·

  • 植物从营养生长转为生殖生长受4条途径调控：外部的光周期、春化途径，以及内部的自主、赤霉素（GA）途径。

光周期的定义与感受·

  • 光周期：一日内昼夜长度的相对变化；植物感受昼夜长短并据此控制开花的现象称光周期现象。

不同日长下烟草突变体与野生型的开花差异

类型 对日长的反应
长日照植物 日照等于或长于临界日长时开花；如拟南芥
短日照植物 日照等于或短于临界日长时开花；如水稻、烟草
日中性植物 开花对日长不敏感
  • 临界日长：昼夜周期中诱导植物开花所需的最低或最高极限日照长度。
  • 光打断长夜会产生短夜效应，使短日植物不开花、长日植物开花；暗间断长日不改变效应，说明决定开花的关键是夜长而非昼长。

长日照与短日照植物对临界日长的不同反应

  • 光周期由叶片感受，而花芽在顶端分生组织分化；诱导叶形成的可移动信号经维管组织长距离运输至顶端并诱导开花，该信号称开花素（florigen）。

诱导叶产生的开花素经维管组织运输到顶端分生组织

  • 外在重合模型：昼夜节律钟把24 h分为光敏期和暗敏期；光敏期内节律调节因子在光下达到阈值，可促进长日植物、抑制短日植物开花，故日长度量来自外界光信号与昼夜节律的重合。
  • 叶片以PhyA～PhyE 5类光敏色素和Cry1、Cry2两种隐花色素感受日长与光强，并经节律钟和信号通路调控开花。

CO整合昼夜节律与光信号·

  • CO编码锌指转录因子，位于昼夜节律钟输出途径；突变体在长日照下晚花。
  • CO mRNA受节律钟控制：长日照时傍晚达峰并持续至夜间；短日照时从傍晚升高、夜间达峰；持续光照下仍保持节律。

长日照下CO转录节律及傍晚表达峰

持续光照下CO转录仍呈昼夜节律

短日照条件下CO转录峰移至夜间

不同光周期中CO转录量的时间变化

连续条件下CO表达节律的重复验证

  • 上午，CDF1/2/3/5结合CO启动子并抑制转录；长日照傍晚前，蓝光受体FKF1与GI共同达到表达峰，FKF1吸收蓝光后形成FKF1－GI复合体并介导CDF降解，解除抑制，使CO mRNA在傍晚达峰。

早晨CDF抑制CO而傍晚FKF1-GI降解CDF

  • CO还受光的转录后调控：缺失phyA或cry2导致长日照晚花，缺失phyB则提前开花；这些变化可不改变CO mRNA节律，而改变CO蛋白量。
  • 教材所述日变化：早晨phyB活性高、CO蛋白量低；傍晚phyA和Cry活性高，CO蛋白积累。
  • 夜间核内COP1与CO结合，使其泛素化降解；白天活化的Cry促COP1由细胞核转至细胞质，抑制CO降解。只有傍晚CO mRNA高且蛋白稳定时，CO才能大量积累并激活FT。
  • 植物以CO转录节律和蛋白稳定性整合光信号与昼夜节律；决定能否开花的核心是CO蛋白丰度。

光受体和昼夜节律钟共同决定CO蛋白量


FT蛋白是开花素·

  • 开花诱导链：

    $$ \text{长日照使叶片CO蛋白稳定}\rightarrow FT\text{转录、翻译}\rightarrow FT\text{蛋白经维管组织到达顶端分生组织} $$

    $$ \rightarrow FT\text{与分生组织特异的FD锌指转录因子互作}\rightarrow AP1\text{表达}\rightarrow\text{开花} $$

  • 嫁接及FT/Hd3a融合蛋白实验的共同结论是：顶端可检测到来自叶片的蛋白而非相应mRNA，故FT蛋白而不是FT mRNA是开花素。

叶片FT蛋白运输至顶端并与FD共同激活AP1

染色质调控FT表达·

  • 长日照下CO促进H3K4三甲基化并激活FT；H3K4去甲基酶PKDM7B则抑制FT。
  • PRC2维持FT位点H3K27三甲基化，PRC1识别该标记并抑制FT；REF6去除H3K27甲基，与PRC2共同维持动态平衡。
  • 温度由$17^{\circ}\mathrm C$升至$27^{\circ}\mathrm C$时，转录起始点附近的$\mathrm H_2\mathrm A.Z$核小体脱离，促进FT转录。
  • MADS-box因子SVP、FLC，B3域因子TEM1/2及AP2-like因子AP2均抑制FT。FT的时空表达由保守染色质因子和维管组织特异因子共同保证。

组蛋白甲基化和H2A.Z动态调控FT表达

春化作用与FLC开关·

  • 春化作用（vernalization）：低温处理促进植物获得开花能力的现象。
  • 冬季生态型需越冬低温后于次春开花；夏季生态型不需低温。后者多因显性位点FRI突变或缺失而形成。
  • FLC编码MADS-box转录因子，结合SOC1、FT的CArG盒并抑制其表达，从而削弱光周期途径；FRI促进FLC表达。教材称FLC和FRI均为春化所必需；春化抑制FLC后，植物无需持续低温仍保留开花能力。

春化抑制冬季生态型FLC并解除开花抑制

越冬前：FRI依赖的FLC激活·

  • FRI是植物特异的脚手架蛋白，与FRL1、FES1、SUF4、FLX组成FRIc；SUF4识别FLC启动子顺式元件，复合体亚基缺失均使FLC降低并导致早花。
  • FRI依赖的活性染色质链：
    1. PAF1c在转录激活和延伸中为组蛋白修饰酶提供平台，并参与H2B单泛素化。
    2. COMPASS及ATX1、ATXR3提高转录起始区H3K4三甲基化，激活FLC。
    3. EFS介导H3K36二、三甲基化；HUB－UBC介导H2B单泛素化，并与FACT协同促进PolⅡ通过核小体、延伸转录。
    4. SWR1c以$\mathrm H_2\mathrm A.Z$替换$\mathrm H_2\mathrm A$；其失活会降低FLC并使植物早花。
  • 上述修饰共同维持FLC高表达，从而抑制越冬前开花。

FRIc招募转录与染色质因子激活FLC

H3K4、H3K36甲基化和H2B泛素化促进FLC转录

低温后：lncRNA－PRC2建立表观记忆·

  • 春化对FLC的抑制在恢复$20\sim25^{\circ}\mathrm C$生长后仍持续，构成植物对冬季的表观记忆。
  • 低温诱导VIN3；VIN3与VRN5、VRN2、CLF（或SWN）、FIE、MSI1形成PHD－PRC2复合体，在FLC第1外显子附近存储H3K27三甲基化信息并抑制转录。
  • 冷处理诱导3种FLC位点lncRNA：
    • COOLAIR可能以共转录方式参与抑制，但不是主要决定因子。
    • COLDAIR始于第1内含子，与CLF互作并把PHD－PRC2特异招募到FLC染色质。
    • COLDWRAP始于启动子区，为春化抑制所必需；与COLDAIR共同形成抑制性基因内染色质环。

COLDAIR和COLDWRAP形成染色质环并招募PRC2抑制FLC

植物激素的表观调控·

  • GA、JA、ABA、乙烯和生长素可经DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰等改变染色质紧密程度，并最终作用于FLC、SOC1、FT等开花因子。
  • PKL编码染色质重塑酶并促进H3K27三甲基化；pkl突变体晚花，外施GA可使其提前开花，而内源GA量不变，说明PKL参与GA信号感知而非GA合成。
  • 低温诱导乙烯并延迟开花；乙烯诱导HDA6、HDA19，HDA6进一步上调FLC。

激素通过染色质修饰汇入FLC、SOC1和FT调控网络

激素/因子 教材所述调控关系
ABA 经ABI5激活FT，促进开花
JA 作用于COI1，抑制开花
GA、IAA、ET 正向或负向调节DELLA；教材图注将该支路归为抑制开花
DELLA 与PKL互作，并招募PRC2作用于FLC、提高H3K27三甲基化，调控FT和SOC1
FLD 介导H3K4me2去甲基化，促使FLC上的H4去乙酰化
SA 抑制SIZ1介导的FLD SUMO化

ABA、JA、GA、IAA、乙烯和SA对开花通路的整合调控

本章名词·

同源域基因｜homeotic gene

最终决定躯体体节命运, 躯体的部分最终是发育成为无翅的前胸还是有翅的中胸, 是有平衡器的后胸还是腹部的体节, 都是由同源域基因决定的。

果蝇｜Drosophila

果蝇（Drosophila）是一种双翅目昆虫，幼虫和成虫依赖腐烂的果实生活。其个体小、生命周期快、繁殖容易，每只雌虫两周可产生约300个后代，且具有巨大多线染色体，是遗传分析和基因定位的理想模式生物。果蝇发育周期在25℃下为9～14天，经历胚胎、幼虫、蛹和成虫等阶段。

间隙基因｜gap genes

这类基因包括 hunchback(hb)、krüppel 和 Knirps(kni) 等, 这些基因的表达很有特点, 最初在整个胚胎中都有很弱的表达, 以后随着卵裂的进行而逐渐变转成一些不连续的表达区带。

轮性｜whorl

金鱼草、拟南芥等植物的花都由四种类型的花器官组成, 花器官排列成向心的圆环形。

母源效应基因｜maternal effect genes

是指那些由母源抚育细胞及滤泡细胞(follicle cells)等利用自身的基因和细胞资源提供遗传信息和营养物质, 然后输入到卵母细胞中的基因。

Fire｜Fire

火是可燃物与助燃物发生剧烈氧化反应而释放光和热的化学现象。

HOM复合体｜HOM complex

在果蝇中，同源域基因统称为HOM复合体（HOM-C），它们位于第三号染色体上，排成两簇：触角复合体（Antp-C）和双胸复合体（BX-C）。HOM复合体基因编码的转录因子决定躯体体节的最终命运，不参与基本躯干的建成，但保证体节或肢芽的典型特征。这些基因的突变会导致同源异型转换，使正常结构长在错误位置。

成对控制基因｜pair-rule gene

成对控制基因（pair-rule gene）是果蝇胚胎发育中调控体节形成的一类分节基因，受间隙基因激活后以间隔体节数的模式在合胞体囊胚层中呈带状表达。其编码的转录调控因子进一步激活体节极性基因，并与间隙基因、体节极性基因产物共同调节同源域基因表达，从而决定每个体节的命运。

分离规律｜law of segregation

分离规律是孟德尔提出的遗传学基本定律之一，指在杂合子中，控制一对相对性状的等位基因在形成配子时彼此分离，分别进入不同的配子，从而每个配子只含有每对等位基因中的一个。

溶菌周期｜lytic cycle

溶菌周期是噬菌体的一种增殖类型，指噬菌体感染宿主后，将宿主细胞转变为大量产生子代噬菌体颗粒的“制造厂”，最终导致宿主裂解。只具有溶菌周期的噬菌体称为烈性噬菌体。

溶原周期｜lysogenic cycle

溶原周期是指噬菌体DNA整合到宿主细胞染色体DNA上成为其一部分，且感染过程中不产生子代噬菌体颗粒的一种噬菌体生命周期。此周期中，噬菌体基因组随宿主细胞分裂而复制，并保持潜伏状态。具有溶原周期的噬菌体称为温和噬菌体。

体节极性基因｜segment polarity gene

体节极性基因是果蝇胚胎发育中一类参与体节精细结构形成的分节基因，由成对控制基因激活表达。其编码产物与间隙基因、成对控制基因的产物共同作用于同源域基因上游调控区，调节同源域基因的表达，从而最终决定每个体节的命运。

自交｜selfing

自交是指植物中同一植株上的花粉授予本株雌蕊的受粉方式，导致后代基因型趋于纯合。

成对规则基因｜pair-rule genes

这些基因一般以两个体节为单位相互间隔一个副体节表达, 其分布具有周期性, 成对规则基因的功能是把间隙基因确定的区域进一步分化成体节, 它们表达是胚胎出现分节的最早标志之一, 它们的表达模式较为独特, 沿前-后轴形成一系列斑马纹状的条带分布, 正好把胚胎分为预定的体节。

春化作用｜vernalization

低温处理可促使植物开花的现象。

光周期现象｜photoperiodism

光周期指一日之内昼夜长度的相对变化, 也即日长, 该现象即植物通过感受昼夜长短变化而控制开花的现象。

开花素｜florigen

当植物叶片感受到适当的日照长度, 会形成一种物质, 该物质可以进行长距离运输, 传导到顶芽分生组织后引起开花, 研究发现为 FT 蛋白。

临界日长｜Critical daylengths

是区别长日照或短日照的日照长度的标准, 指昼夜周期中能诱导植物开花所需的最低或最高的极限日照长度。

体节极化基因｜segment polarity genes

发育到细胞囊胚期时, 体节极化基因就把不同体节再进一步划分成更小的条纹, 当果蝇体节极化基因发生突变时, 每个体节都会缺失一个特定的区域。