基因分子生物學 -(4) 基因表達的整合 : 發育 動物的發育與基因調控 中央研究院 細胞與個體生物學研究所 蘇怡璇
動物的發育 ( 發育生物學研究的範疇 ) - 生命的週期, 由單細胞至多細胞個體的過程 精卵形成 幼體 成體 受精 卵裂 原腸化 外胚層 變態 中胚層 幼生期 器官生成 內胚層 外胚層 : 皮膚 神經 內胚層 : 腸胃道 中胚層 : 血球 肌肉 骨頭
早期胚胎發育過程 性成熟個體 精 卵 受精 卵裂 囊胚 原腸胚 器官生成 幼生
早期胚胎發育過程 公海膽 母海膽 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂 精 卵 ( 單套染色體 N) 受精 海膽精子 海膽卵子 卵裂 囊胚 原腸胚 器官生成 幼生
早期胚胎發育過程 海膽的受精 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂 精 卵 受精 ( 單套染色體 N) 精卵結合 ( 雙套染色體 2N) 卵裂 囊胚 未受精卵 受精卵 原腸胚 N N N 受精膜 器官生成 幼生
早期胚胎發育過程 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂 海膽的卵裂 精 卵 受精 ( 單套染色體 N) 精卵結合 ( 雙套染色體 2N) 快速細胞分裂 卵裂 囊胚 原腸胚 器官生成 幼生
早期胚胎發育過程 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂 受精膜 精 卵 ( 單套染色體 N) 精卵結合 受精 卵裂 ( 雙套染色體 2N) 快速的細胞分裂將受精卵分割成許多小細胞, 形成囊胚 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 囊胚 原腸胚 器官生成 幼生 小細胞球
早期胚胎發育過程 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂精 卵 ( 單套染色體 N) 精卵結合受精 ( 雙套染色體 2N) 海膽的原腸胚形成 卵裂 快速的細胞分裂將受精卵分割成許多小細胞, 形成囊胚 囊胚原腸化 : 細胞開始在胚胎內移動, 形成胚口和原腸, 產生外 原腸胚中 內三個胚層 器官生成 幼生
海膽的早期發育 原腸 口 胚口 ( 肛門 ) 腸胃道 口面外胚層反口面外胚層纖毛帶內胚層骨骼中胚層植物板中胚層先驅生殖細胞骨針 胚口外胚層內胚層中胚層
不同動物有不同的卵裂模式 1. 完全分裂 均等分裂 ( 卵黃含量少且分布平均 ) 輻射分裂 螺旋分裂 兩側分裂 旋轉分裂不均等分裂 ( 卵黃含量中等且分布不平均 )
2. 不完全分裂 ( 卵黃含量高且分布不平均 ) 兩側分裂 盤狀分裂 表面分裂 ( 卵黃含量高且分布於中央 )
不同動物利用不同的 ( 一種或數種 ) 細胞移動方式進行原腸化 一個區域的細胞向空腔內凹陷 外層細胞向內貼著內壁散佈 個別細胞改變形狀向空腔內移動 單層細胞分成多層細胞 外層細胞延伸包覆胚胎其他部分
早期胚胎發育過程 性成熟個體 ( 雙套染色體 2N) 減數分裂 精 卵 受精 卵裂 ( 單套染色體 N) 精卵結合 ( 雙套染色體 2N) 快速的細胞分裂將受精卵分割成許多小細胞, 形成囊胚 囊胚原腸化 : 細胞開始在胚胎內移動, 形成原腸, 產生外 中 內原腸胚三個胚層 受精卵 囊胚 卵裂 原腸胚 三胚層 - 外胚層 : 皮膚 神經內胚層 : 腸胃道中胚層 : 血球 肌肉 骨頭 器官生成 幼生
體軸與對稱性 動物極 植物極 前後軸 頭尾軸 背腹軸 左右軸 遠近軸 ( 適用於探討肢體的發育 ) 左右不對稱性
體軸與極性 動物極 植物極 前 ( 頭 ) 蛙卵 - 深色為動物極, 淺色為植物極 右 背 腹 左 後 ( 尾 )
發育生物學的發展史 描述性的胚胎學 以顯微鏡觀察來描述各種動物的發育過程 實驗胚胎學 二十世紀初胚胎學家利用顯微手術操弄胚胎 ( 主要是用蛙胚和海膽胚胎 ) 以了解胚胎發育的機制
實驗胚胎學 利用 剪下 與 貼上 的實驗證明蠑螈胚胎胚口的背面細胞具有誘導其他細胞的功能
實驗胚胎學 利用 剪下 與 貼上 的實驗證明海膽胚胎的小細胞球具有誘導其他細胞的功能
發育生物學的發展史 描述性的胚胎學 以顯微鏡觀察來描述各種動物的發育過程 實驗胚胎學 二十世紀初胚胎學家利用顯微手術操弄胚胎 ( 主要是用蛙胚和海膽胚胎 ) 以了解胚胎發育的機制 發育遺傳學 利用突變的果蠅來篩選與發育相關的性狀 平衡桿 觸角 翅膀 腳
發育生物學的發展史 描述性的胚胎學 以顯微鏡觀察來描述各種動物的發育過程 實驗胚胎學 二十世紀初胚胎學家利用顯微手術操弄胚胎 ( 主要是用蛙胚和海膽胚胎 ) 以了解胚胎發育的機制 發育遺傳學 利用突變的果蠅來篩選與發育相關的性狀 現代發育生物學 結合實驗胚胎學 發育遺傳學 與分子生物學的技術與知識來瞭解發育的分子機制
大哉問 : 胚胎的每一個細胞都含有相同的基因, 胚胎如何建立體軸方向性? 怎麼知道在哪裡進行原腸化? 如何產生不同的胚層與器官? 如何從單細胞的受精卵發育成多細胞的複雜個體? 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N 2N
某些 RNA 或蛋白質在未受精卵或受精卵內就呈現不平均的分佈 爪蟾卵 果蠅卵 海膽卵
這些不均勻分布的分子通常為 工具分子, 能影響基因表現 ( 開啟或關閉 ) 工具分子包括 : 1. 轉錄因子 : 在細胞核內會與 DNA 結合, 調控基因表現 2. 訊息分子 : 會分泌到細胞外經由訊息傳遞至細胞內影響轉錄因子的活性 細胞外訊息分子 受體 轉錄因子 DNA DNA 轉錄因子
基因 (Gene)- 遺傳的基本單位, 由片段的 DNA 組成 細胞核 染色體 細胞 轉錄 (National Genome Research Institute, USA) 轉譯 蛋白質 氨基酸 (Campbell, Biology)
基因調控 - 基因的開啟與關閉 基因 1 基因 2 基因 3 轉錄因子 RNA 聚合酶 DNA 轉錄因子目標序列 轉錄 mrna ( 訊息核醣核酸 ) 轉譯 蛋白質
在受精卵內分佈不平均的轉錄因子或訊息分子, 在早期卵裂過程中, 只有部分細胞含有這些工具分子, 因此基因在胚胎的不同部位有不同的調控方式
基因調控基因的開啟與關閉 - 時間與地點指令 C 轉錄因子 B A RNA 聚合酶 轉錄因子 C 目標序列 轉錄因子 B 目標序列 轉錄因子 A 目標序列 基因表現調控序列 - 組織 X 轉錄 mrna ( 訊息核醣核酸 ) 轉譯 蛋白質
基因表現的調控邏輯 調控序列決定了轉錄因子的共同作用方式及基因的表現位置 - DNA 序列影響基因開啟的時間與地點 兩個促進表現的轉錄因子協同作用 A B C C A C B C 交集 VS. 聯集 A B A B 促進表現的轉錄因子與抑制表現的轉錄因子協同作用 C C 差集
基因調控基因的開啟與關閉 - 時間與地點指令 轉錄因子 C B A RNA 聚合酶 D E F 轉錄因子 C 目標序列 轉錄因子 B 目標序列 轉錄因子 A 目標序列 基因表現調控序列 - 組織 X 轉錄 基因表現調控序列 - 組織 Y mrna ( 訊息核醣核酸 ) 轉譯 蛋白質
基因表現的調控 組織特異性的表現調控 大腦調控序列 四肢調控序列 大腦細胞內的轉錄因子 RNA 聚合酶 四肢細胞內的轉錄因子 RNA 聚合酶
實例 : 老鼠的 Pax6 基因在眼睛及胰臟的表現由不同的調控序列控制 眼睛調控序列神經管調控序列胰臟調控序列 Pax6 基因 調控序列 Pbx1 及 Meis 轉錄因子辨認調控序列以開啟 Pax6 基因在胰臟的表現 Pbx1 及 Meis 是 Pax6 的上游分子
Pax6 蛋白質本身也是轉錄因子, 其在眼睛及胰臟細胞內會和其他轉錄因子合作, 共同開啟與眼睛發育或胰臟發育必須的基因 Pax6 的下游基因如水晶體蛋白 ( 在眼睛表現 ) 體抑素 ( 在胰臟表現的賀爾蒙 ) 水晶體蛋白基因 體抑素基因
發育基因調節網路 假想的胚胎因為工具分子分佈不平均而區分為兩大區塊 工具分子 : 轉錄因子與訊息分子 轉錄因子 bc 基因之間的正向回饋 訊息分子 d 由第一區輸出, 提供訊息給第二區, 得到訊息的第二區開啟基因 f 隨著發育的進展, 胚胎被區分為更多區塊, 各自含有不同的轉錄因子組合, 能夠開啟不同的基因 訊息分子能夠影響周邊細胞的狀態 Davidson, 2006
海膽胚胎的中內胚層發育基因調控網路 http://sugp.caltech.edu/endomes/#endonetworkdiagrams
中內胚層發育基因調控網路的主要迴路? 生活在五億年前海膽與海星的共同祖先 海膽與海星共有的迴路
心臟發育基因調控網路 心臟? 生活在九億年前兩側對稱動物的共同祖先
不同的發育基因調控網路導致了不同的型態特徵 人的受精卵 海膽的受精卵 蝴蝶的受精卵
物種之間的親緣關係提供了互相比較的基準 人的受精卵 海膽的受精卵 蝴蝶的受精卵
隨著時間的演進, 共同祖先的發育基因調控網路在不同的後代產生了不同的改變, 導致了不同的型態發生 人和海膽的共同祖先 兩側對稱動物的共同祖先 人的受精卵 海膽的受精卵 蝴蝶的受精卵 九億年前 八億年前 現在
由於發育基因調控網路的結構取決於個別物種 DNA 的序列, DNA 序列的改變使得發育基因調控網路隨之而變 人和海膽的共同祖先 兩側對稱動物的共同祖先 人的受精卵 海膽的受精卵 蝴蝶的受精卵 九億年前 八億年前 現在
達爾文雀鳥喙的型態變異
達爾文雀鳥喙的型態變異 - 發育與演化 地棲者吃種子果核類 在雞胚內提升 BMP4 的量使雞喙顯著的變寬變厚 仙人掌攝食者 Abzhanov et al., 2005
英國的胡椒蛾在工業化之後的體色變異 Cortex 基因 袖蝶屬蝴蝶翅膀花色也受 Cortex 基因調控 van t Hof et al., 2016 Nadeau et al., 2016
發育生物學 研究物種的發育基因調控網路, 以了解單細胞受精卵如何發育成複雜的多細胞個體 演化與發育生物學 透過比較現生動物的發育基因調控網路, 以推測祖先的發育基因調控網路, 並探討在演化過程中 DNA 發生何種改變, 使發育機制改變並導致型態的變異