《第十章发育分化与遗传毒理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章发育分化与遗传毒理（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第十章发育分化与遗传毒理 第一节发育过程的遗传调节 迄今对于胚胎发生过程的遗传调节的信息仍很少。但是对于低等生物，特别是对黑腹果蝇(Doshil mangstr)的研究已经识别出若干基因和基因家族，这些基因在早期发育过程中起重要作用。这些基因的产物多为转录因子。转录因子蛋白可与特定的调节DN序列结合形成复合物，这些复合物通过RA聚合酶来启动转录，从而控制从DNA模板转录出RNA。 转录因子通过激活和抑制基因表达而开启和关闭基因。重要的转录因子，多以涉及基本胚胎发育过程的协同的连续的级联式反应，控制其他基因。这里所说的基本的胚胎发育过程,包括分节、诱导、移动、分化,以及细胞程序性死亡或细胞凋
2、亡。现在已经知道以上过程是由生长因子、细胞受体和叫做成形素(morphogen)的化学物质介导的。这些物质能够刺激细胞受体，而且在某种结构（例如肢芽）中形成浓度梯度，由此决定体轴的发育和组织特异性.在鸡的肢芽中已识别的生长因子包括成纤维细胞生长因子和骨形态发生蛋白,并发现与转化生长因子有关。也已有证据表明,在指（趾)形成和分化中，所涉及的成形素主要是视黄酸。 从一个受精卵发育成一个生物个体，有赖于受精卵内的全部DNA序列,正常发育过程也有赖于多个基因的表达、生化过程与信号转导通路的仔细配合。致畸剂可扰乱胚胎发育过程。这种扰乱可以由异常的信号产物所引起，也可以由致畸剂改变了细胞对信号的反应而引起
3、。而两者均可直接影响生化通路或那个通路上的调节分子的水平。视黄酸(retnoi cid，RA)是一种颇具说服力的致畸剂,已有较多资料说明RA对早期胚胎发育过程中的基因表达有明显的影响.生长因子与RA均可影响胚胎发育过程，但是生长因子是亲水的信号分子,而RA是疏水分子. 致畸剂影响胚胎发育的机制大致上可划分为以下两类： 1）修饰定位信息(positonal infoation）； ）直接影响细胞的分化、增生或死亡。 以上的划分是相对的，实际上不能把它们看作完全无关联的两种机制。 HOX或HOM类(oobx,含有影响前后体轴的基因）属于定位信息基因.诱导信号，例如骨形态发生蛋白(BPs)，属于对细
4、胞的直接影响。 一种特定的致畸剂可直接影响一种信号通路，但他的影响也可能被另一信号通路的间接影响所放大。信号与许多其他信号分子（例如生长因子和激素）有相互作用。因此研究众多信号转导通路的结合及其对胚胎发育过程的调节是很重要的。 在下面将在上述内容的基础上讨论早期胚胎发育过程的遗传调节及A所起的作用。p312 一、定位信息 正常形态发生的关键是在正确的空间和时间范型（spatia and tmporal patm）内调节分化特异的基因。在胚胎中首先被确立的空间范型是前后、背腹和左右体轴（ais)。在昆虫和两栖类中，这些空间范型是由母体(卵母细胞)确立的或与精子进入点有关。在哺乳类中则是在胚胎发育
5、若干天之后才确立体轴。许多高度保守的基因在不同的生物（昆虫、两栖类、鸟类和哺乳类中)体轴的确立中起作用。许多这类基因的产物是转隶因子,它们协同调节一组基因并决定特定细胞的分化. 二、组 织 者 就原肠形成期胚胎而言，两栖类动物的胚孔背唇、鸟类和哺乳类的原结具有诱导或组织一个新体轴的能力。现在证明这种组织者（gnier)是受基因控制的。应用两栖类胚胎的生物鉴定，并利用果蝇的调节因子的DNA结合结构域的十分保守的序列已识别出许多与这种组织者功能有关的基因。这些基因的功能在昆虫和脊椎动物之间显然是很保守的。例如，蝇类的orhdetce基因和相关的小鼠0x2基因对于蝇类和小鼠的头部发育是必需的。胚胎学
6、家正利用小鼠基因打靶技术,进一步鉴定组织者的性质。 有许多转录因子在组织者所在的组织中表达.在非洲爪蟾（Xenopu)中，这些转录因子的表达与组织者的功能按预期的方式相互关联。同源(异型)框（oeoo)所包含的转录因子基因ooseco(Gc）在非洲爪蟾和小鼠中具有组织者的活性.但是s不能与内源性的鼠组织者进行竞争,因为缺乏Gsc功能的胚胎具有一个不受影响的体轴.其他3种转录因子基因(t、3和Lim）均介导哺乳类的组织者活性，都是很好的候选基因。每个基因的靶向阻断（targetd disrptn）将引起脑前部结构的缺如，例如前脑和中脑。用A处理也将导致前脑和中脑的缺陷。这既是由于前组织者（ner
7、i organize）功能所需要的基因(例如0x2)发生抑制,又由于HOX 或OM基因的前诱导(nterior indution)在后脑中正常表达。缺少Lal功能则完全破坏了组织者对头部的诱导活性。带有被阻断的Liml基因的小鼠则头部完全缺如，而其他结构的Li1正常表达，其Liml实质上是正常的.Bachyury（T）基因能影响躯干和尾部的形成。若干生长因子调节组织者一特异转录因子的表达（见本章第十五节)。 三、脑部的分节 果蝇（Dsphla)的胚胎范型(er0satter）是经过一个相继分裂的过程形成的,起初合子分裂形成一个大的块状结构，然后经过特异的分化形成狭长的细胞结，间隔基因(gap
8、e)转录因子使其形成前、中或后原基(es）.然后配对律基因（par-rule ene）和节极性基因(egmen polaritygns)表达，使狭长的细胞条发展成为特异的分节原基。与此相类似的过程也见于脊椎动物，而所涉及到的基因在序列及表达范型（ressio patern）方面都是高度保守的。另外，蝇类中许多基因的同源物通过相互作用来控制313细胞命运，在脊椎动物中也是如此. 通过基因的相继表达所进行的范型特化控制了发育过程中脑的分节。脑从形态上分成几个大的部分，即前脑、中脑和后脑，接着再分成狭小的单位,例如后脑的菱脑.这些脑节表现了转录因子的独特型,转录因子规定了每个脑节的命运.前面已说过,
9、0tx2是前脑和中脑的发育所需要的.3种转录因子Engrale(n)、P2和，以及分泌因子Wnt和Fg8介导中脑和后脑前部的分节。缺乏Wnt以的小鼠缺少这些脑节。正常情况下，中脑和后脑前部表达n,n的表达需要nt1,缺少E时，这些脑节便不能发育。En1则足以诱导这些区域的发育。通过在中后脑中由Wnt1以引发的Enl的信号一非依赖性表达，v无效等位基因的纯合小鼠得以获救(rescue），胚胎也恢复了其他2个基因Pa5和gf8的表达。这些基因是这个区域的发育所必需的。Winles和egrl（是果蝇的Wnt1和E的同源基因)的相互作用表明这种范型形成机制是十分保守的。 后脑进一步分成8个节，称之为r
10、homboer（r),每个r和由r迁移来的神经嵴细胞都有独特的发育命运,而这是由转录因子表达的独特范型所决定的。例如r3表达锌指编码基因Kox0及oxb2.与此完全不同的是r4缺乏Ko20，既表达oxb也表达Hoxb。这两个r中的细胞命运有巨大的差异.从r4迁移来的神经嵴细胞位于第二鳃弓,而，的大多数神经嵴细胞通过细胞凋亡而死亡。化学物质例如A修饰这些转录因子的表达，也改变每个r的分化命运。 四、同源(异型)框基因：限定前后体轴定位特性 同源(异型)框基因编码的是影响胚胎细胞定位特性的蛋白质。可以预期那些改变细胞定位特性的致畸剂也会改变同源（异型）框基因的表达.由同源（异型)框基因控制的蛋白质
11、含有高度保守的6个氨基酸序列,称之为同源(异型)框结构域(eodoin）。同源（异型)框基因中的Hox或M类排列于个不同的基因簇中，他们的线性次序在脊椎动物与无脊椎动物之间是保守的。Hox基因沿着脊椎动物胚胎的前后体轴(aneiorDostei，ais)以及在发育中的肢芽内的重叠的范型进行表达.表达范型提供一个定位密码（postionl code)，这个定位密码引发出细胞分化的一种范型而且适合于那个胚胎区域. R处理和A信号转导的突变分别模拟Ho的过表达(overexpesio）或低表达(ndeexreso）。例如在A处理过的胚胎中观察到的发育异常与许多ox基因过表达胚胎的表型相似。当RA信号
12、被阻断时则发生一种相互补的情况。缺乏功能性RAv的小鼠表型类似于Hoxd。无效突变的表型。RA信号的改变对于Hox突变的表型模拟强烈提示RA破坏了胚胎细胞的定位特性，这种定位特性是由x基因的表达所限定的。 在若干o基因中,不同的视黄酸反应元件介导由A进行的直接转录调节。随着这些基因的异常转录诱导便会发生致畸作用。其余的Hox基因对的反应是间接的。但是这些基因的表达在RA处理的细胞中可能改变，这是由于先前被激活的o基因的错调节(mrgultion)所致。越来越多的证据提示在胚胎早期表达的x基因激活了级联式的ox基因的后继表达。转录激活的次序与Hox基因在基因簇（gene clste）中的位置是对
13、应的。Ho基因保守的线性相关（coleaity）反映了这一系列基因的激活，虽p31然对此尚未完全了解.但是这种基因相继激活提示，在妊娠早期发生的致畸损害,可能一直到妊娠晚期才表现出畸形。在原肠形成前期用RA处理小鼠胚胎，出现严重的妊娠中期缺陷。因为这些缺陷包括肢体及躯干下部的重复,必定是由于RA破坏Tilt；胎范型的特化。尽管许多致畸剂是在靶器官发育时起作用，某些致畸剂例如RA的影响，一直到致畸剂从胚胎被清除后很久才能觉察出来。 历来认为同源(异型）框结构域蛋白是转录激活因子，DA是与同源（异型)框结构域相结合的。但是后来发现，一些同源（异型)结构域蛋白可抑制转录或抑制翻译，是一种强烈的转录抑
14、制因子,DNA结(异型）结构域并不是sx一1介导的转录抑制所需要的,这提示了Msx一1干扰了基本的转录机构.更奇特的是一种果蝇的同源(异型）结构域蛋白BICOD可与尾部mA（caual mRA)结合并且抑制翻译.Bi编码果蝇的初级前一后体轴的成形素,与脊椎动物基因Goosecoid相似,可以诱导非洲爪蟾和小鼠胚胎的前部结构。Mx一和Bco可能是罕见的，很可能是x基因通过若干调节机制控制胚胎范型和分化. 五、左右不对称的确立 内部器官的正确定位有赖于左右不对称（1eftrght symme)。脊椎动物的这种不对称的早期形态学标记就是心脏环化（ear opig)及旋转方向。l995年首次鉴定出了脊椎动物中与决定左右体轴相关的基因.在鸡中，分泌因子、活化素、Sonichedgo（)、noalreate （NR一1)，以及转录因子HF3一的结构域表达扩展到Henen氏结的左侧.一种活化素（ctivin)受体基因cAtRa在右侧表达,活化素的不对称作用改变了这些基因的表达并使心脏环化随机化。这表明活化素和Sh控制鸡的左右不对称。 小鼠中的情形与鸡既有相似性也有差异。TG家
