斑马鱼中囊胚过渡与背腹轴特化的调控

斑马鱼中囊胚过渡是由母型基因调控转向合子型基因调控的重要发育阶段,也是背腹轴特化的重要时间节点。受精卵中的母型因子决定了胚胎背腹轴区域的早期划分,并作为上游因子活化合子型背腹轴决定基因。中囊胚过渡后伴随着母型因子的降解和合子型基因的表达,参与背腹轴特化的信号分子也发生了有序更迭。此外,Wnt/β-catenin及Wnt/IP3-Ca~(2+)信号通路都参与了背腹轴特化,其中Wnt/β-catenin信号通路中的组分在中囊胚过渡前后均有存在,但在中囊胚过渡前或中囊胚过渡后将其过表达造成的背腹方化效应却绝然相反,更提升了中囊胚过渡在背腹轴特化进程中的特殊性。本文将围绕近年有关斑马鱼中囊胚过渡前后的母型及合子型调控因子、信号转导机制及生物学功能等研究进展作一综述。     

TFIID在配子发生和早期胚胎发育过程中的作用

配子发生以及胚胎早期发育过程受严格且有序的基因表达调控。多种转录因子与靶基因结合,激活基因的时空特异性表达,实现受精卵全能性的获得,完成母型基因组转录调控向合子基因组转录调控的转变以及随后胚胎细胞的分化调节。研究表明,TFIID转录因子家族在这些关键阶段起重要作用,在基因转录调节的起始阶段,TFIID转录因子家族成员作为通用转录因子被招募到靶基因的启动子上,与其他转录因子共同形成转录前起始复合物,起始转录。该文总结了TFIID转录因子的结构、作用方式,以及在配子发生和早期胚胎发育中的调控作用。     

小鼠2-细胞胚胎ATP合成酶6基因特异表达分析及鉴定

合子基因组活化是小鼠胚胎早期发育由细胞质调控向核调控转变的关键 .小鼠合子基因组活化发生在 2 细胞胚胎阶段 ,通过对 2 细胞胚胎阶段特异性表达基因的分析 ,可以从分子水平上揭示早期小鼠胚胎的发育机理 .用DD RTPCR技术 ,从单个小鼠 2 细胞胚胎与成熟卵母细胞 (MII细胞 )中分离了 2个差异片段 ,片段 2同小鼠睾丸中表达的一个未知片段具有高度同源性 .经过cDNA文库构建、筛选 ,分离到其全长cDNA .序列分析结果表明 ,该基因为小鼠ATP合成酶亚单位 6基因 .ATP合成酶亚单位 6基因由线粒体DNA编码 ,与细胞内ATP的合成相关 .小鼠 2 细胞胚胎特异表达的ATP合成酶亚单位 6基因可能与胚胎正常发育相关     

哺乳动物早期胚胎的基因表达及其调控

哺乳动物的早期发育包括合子的形成、胚胎基因组的活化和细胞开始分化等。在这段时期,精蛋白被组蛋白取代;二倍体形成后甲基化的单倍体亲本基因组经历了脱甲基作用;母本控制的发育被合子控制所取代。此外,在染色体调节的转录抑制状态形成之后,胚胎基因组活化,但基因的有效表达需要有增强子。这种转录抑制状态的产生很可能发生在染色质结构水平,因为诱导组蛋白过乙酰化可免除对增强子的需求。早期胚胎的mRNA表达模式与在体内或体外成功发育的关系,对确定最佳培养条件和核移植程序是必不可少的。     

兔胚胎时期特异性基因相关新片段的克隆

阶段特异性基因的表达是早期胚胎发育过程中的重要事件,对植入前胚胎基因表达模式的研究是进一步研究植入前胚胎发育调控机制的前提。本实验利用mRNA差异显示技术来研究兔(Oryctolagus cuniculus domestica)植入前各期胚胎的基因表达差异。在获得的42个阳性阶段特异性表达的基因中,有5个在NCBI和EMBL数据库中没有同源序列,登录EMBL,申请了登录号。这些新基因片段都是桑葚期特异表达的基因,而且在以后的囊胚期也有表达。兔由母源型调控向合子型调控的过渡是在8～16细胞期开始的,在桑葚期开始表达的这些基因片段应该是兔胚胎时期特异性基因。这些基因的克隆将为进一步研究兔的植入前胚胎发育模式奠定基础。     

母型-合子型过渡的研究进展

母型-合子型过渡,是许多动物胚胎发育的一个重要时期。在这一时期,大批合子型基因开始转录,胚胎发育由母型因子调控转为合子型基因调控,细胞周期逐步加长,细胞分裂不再同步。这些变化对于保证早期胚胎顺利过渡到后期发育阶段至关重要。目前母型-合子型过渡的分子机制还不是很清楚,但研究表明,启动母型-合子型过渡的因素主要集中在以下几个方面,如核质比、周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶、DNA复制/损伤检测点、DNA结构的改变以及母型因子的降解和一些合子型基因的转录等。现主要对母型-合子型过渡的特征以及启动母型-合子型过渡的机制作一简要综述。     

mED2-一个小鼠胚胎发育的新基因

克隆参与胚胎发育的新基因并研究其表达规律和功能是揭示胚胎发育的基因调控机理的重要途径。囊胚形成和原肠形成是哺乳动物胚胎发育过程中的两个关键阶段。囊胚阶段发生了胚胎的第一次分化,是细胞多能性和分化的一个转折点。此时涉及的基因活动,既有维持胚胎干细胞全能性或多能性的基因活动,又有按照预定发育模式参与胚胎定向分化的基因活动。原肠期是胚胎发育过程中的第二个关键转折点,涉及到3个胚层的形成和细胞命运决定等多种变化。在这个时期胚胎获得了胎儿原基的所有信息,新组织的产生和细胞迁移的再生组织与形态发生、细胞增殖、细胞分化、模式形成等存在着非常复杂而相互协调的关联。大多数细胞正由原来的多潜能逐渐向寡潜能发展,控制组织器官形态建成的基因正逐渐开启。这两个时期的基因表达图式、特征和种类会有很大的差异和变化,因此研究这两个时期的新基因的表达规律和功能,将是了解胚胎发育的基因调控机理的重要途径。文章以这两个时期胚胎为原始材料,利用减法杂交方法克隆到一新的小鼠胚胎基因mED2,对其进行了表达规律和生物学功能的初步分析。RT-PCR-Southern和原位杂交实验表明,mED2基因转录水平具有发育阶段的依赖性;随着发育过程的进行,其表达主要在胚神经系统和中胚层衍生的组织表达。mED2基因活性的knockdown对于合子的卵裂和植入前早期胚胎发育均有抑制作用。亚细胞定位实验表明,mED2基因编码的蛋白基本定位于细胞核膜及其临近的内膜细胞器（粗糙内质网和高尔基体）。根据生物信息学分析,mED2蛋白可能为一跨膜蛋白且与含有硫氧还蛋白结构域的蛋白有部分匹配。由此推测mED2基因参与了小鼠植入前早期胚胎发育,其基因产物可能通过蛋白之间的相互作用,即对蛋白进行后期修饰、折叠及行使分子伴侣等作用来活化或抑制其靶蛋白的活性,进而参与小鼠的早期胚胎发育。     

合子基因mcm3在斑马鱼肝早期发育中的作用

目的研究斑马鱼合子基因mcm3是否参与了斑马鱼肝早期发育的调控。方法运用原位杂交分析mcm3在斑马鱼发育早期表达谱;运用mcm3 MO敲降mcm3基因功能,然后用原位杂交及转基因鱼胚胎分析肝的发育状况。结果 mcm3为合子表达基因,在中囊胚期后到尾牙期广泛表达,而在体节发生期及以后分别在体节、头部及内胚层组织高表达。进一步研究发现在mcm3功能敲降后肝变小,而中胚层器官血管心脏的发育并未受到明显影响。mcm3 mRNA回救实验表明mcm3特异的调控了肝的发育。结论斑马鱼合子基因mcm3参与了肝早期发育的调控。     

囊胚形成的基因表达与调控

囊胚形成是胚胎早期发育过程中一个重要阶段,涉及几个重要的生理事件,即细胞融合（compaction,亦称致密化作用）、囊胚腔出现、囊胚腔扩张及滋养层和内细胞团的分化。在细胞间连接蛋白的作用下,各种细胞间连接方式逐步建立起来,在合子型基因组表达调控下,促进了最终囊胚的形成。细胞间连接蛋白和细胞粘附相关蛋白参与组建各种细胞间连接,参与细胞融合、囊胚腔形成、滋养层分化和囊腔扩张等过程。通过顶部的紧密连接、侧部的缝隙连接和桥粒,建立起细胞的连接复合体。在人胚胎8－细胞之前,卵裂球细胞界限明显,可能从中间连接方式相互作用;8－细胞期发生致密化作用,通过紧密连接将细胞分成顶部和基部,使得胚胎处于半封闭状态,促进胚胎内部积液,形成囊胚腔。细胞融合的同时也产生缝隙连接。桥粒最初出现在人胚胎达到32－细胞阶段,桥粒连接参与囊胚腔形成以及在囊胚扩张时维持滋养层的稳定性。桥粒由一些跨膜粒蛋白组成,包括参与细胞内粘附的桥粒子和桥粒球以及一些细胞质内蛋白（如desmoplakins,plakoglobin,plakophilin),由细胞内蛋白质形成空斑结构并介导细胞角蛋白丝固定。对植入前牛胚胎的研究表明,只有DcII,DcIII和plako三种桥粒蛋白参与桥粒组建。在鼠囊胚中DcII的表达部位位于滋养外胚层,对于滋养层的形成具有重要的作用。在牛中,直到桑椹胚期可能才出现紧密连接方式。人胚胎发育至囊胚期时,可检测到角蛋白－18基因的活跃表达,作为细胞骨架蛋白的角蛋白－18参与桥粒位点的细胞与细胞间“识别”的建立。缝隙连接蛋白连接子（Connexin43,Cx43)对于维持细胞融合以及之后囊胚的形成是十分必要的。细胞融合和囊胚腔形成还需要一些介导细胞粘附和滋养层细胞分化的分子表达,如整合素家族中的E－钙调素、链接子（caknin)和ZQ（一种细胞质带状咬合紧密连接相关蛋白）。Na/K-ATP酶基因及细胞因子、生长因子等可促进Na^ 浓度梯度变化,使水分进入囊胚内部,形成囊胚腔,并维持囊腔腔扩张状态。调节发育和分化的基因参与胚胎的发育和内细胞团和滋养外胚层细胞的分化,调节胚胎由未分化状态向分化状态过渡。另外,某些细胞因子对内细胞团细胞增殖有影响。在小鼠胚胎培养基中,添加IGF和EGF有利于胚胎从透明带孵出,TGF－α和EGF在小鼠胚胎发育中能分别通过自泌作用和旁分泌作用囊胚腔的扩张膨大。许多基因参与囊胚的发育和分化,如Pem基因调节早期胚胎细胞分化,可调节鼠早期胚胎由未分化状态向分化状态过渡,Oct-4表达与未分化表型有关,在早期胚胎发育中起转录调节作用。植入前胚胎发育基因调节鼠胚植入前卵裂速度的快慢,以及胚胎预后生存能力。植入前因子PIF在受精后妇女的血清中就能检测出来,其特点和功能与囊胚形成的关系仍需进一步研究。Rex-1编码锌指蛋白,可能是一个转录调节因子,它参与滋养层发育以及精子发生,它是研究内细胞团早期细胞命运决定的有用标志物,对于维持胚胎干细胞的未分化状态和全能性有作用,当其表达显著降低时,内细胞团将分化成胚层。总之,多种蛋白、因子参与囊胚形成的表达调控。通过基因调控的研究,将有助于培养液的研制以及通过测定一些标志基因的表达筛选健康的胚胎。     

组蛋白甲基化修饰酶与早期胚胎发育

早期胚胎发育是胚胎发育中细胞分裂与分化最为活跃的时期,也是合子型基因大规模转录的时期,而此时组蛋白的甲基化修饰也显示出动态学的变化。这一时期,在细胞内外信号的共同调控下,经历着一系列基因的激活与抑制,许多调控机制参与其中的调控。而近年来的研究表示,表观遗传学调控显示越来越重要的作用。组蛋白甲基化修饰是表观遗传学重要调控机制之一,在胚胎的早期发育过程中扮演着重要的角色。就近年来组蛋白甲基化修饰酶在早期胚胎发育过程中的作用与功能做一简要综述。     

Gene Expression from Endogenou and Exogenously-introduced DNAs in Early Embryogenesis of Xenopus laevis

In Xenopus laevis embryogenesis, gene expression from endogenous and exogenously-introduced DNAs is reported to start only after 12 rounds of cleavage, at the stage called midblastula transition (MBT). In isotopic labeling experiments, however, we found that the synthesis of heterogeneous mRNA-like RNA occurs from the early cleavage stage, and that gene expression from zygotic genomes occurs sequentially in three characteristically different phases: the pre-MBT phase, in which heterogeneous mRNA-like RNA and small amounts of small-molecular-weight RNAs are synthesized; the MBT phase, in which there is a large increase in 4S RNA synthesis, and the post-MBT phase, in which rRNA is also synthesized. Moreover in our studies on the expression of exogenously introduced DNA, we found that circular forms of bacterial chloramphenicol acetyltransferase (CAT) genes connected to viral promoters were expressed from the early cleavage stage, whereas circular forms of genes connected to Xenopus cardiac α-actin promoter were expressed only after the embryos reached the neurula stage, when the endogenous α-actin gene started to be expressed. We, therefore, conclude that in Xenopus embryogenesis, DNA-dependent RNA polymerases II, III and I are activated in this order, and that the promoter, not changes associated with the MBT, probably determine the timing of gene expression.     

Chk1 is activated transiently and targets Cdc25A for degradation at the Xenopus midblastula transition

In Xenopus embryos, cell cycle elongation and degradation of Cdc25A (a Cdk2 Tyr15 phosphatase) occur naturally at the midblastula transition (MBT), at which time a physiological DNA replication checkpoint is thought to be activated by the exponentially increased nucleo-cytoplasmic ratio. Here we show that the checkpoint kinase Chk1, but not Cds1 (Chk2), is activated transiently at the MBT in a maternal/zygotic gene product-regulated manner and is essential for cell cycle elongation and Cdc25A degradation at this transition. A constitutively active form of Chk1 can phosphorylate Cdc25A in vitro and can target it rapidly for degradation in pre-MBT embryos. Intriguingly, for this degradation, however, Cdc25A also requires a prior Chk1-independent phosphorylation at Ser73. Ectopically expressed human Cdc25A can be degraded in the same way as Xenopus Cdc25A. Finally, Cdc25A degradation at the MBT is a prerequisite for cell viability at later stages. Thus, the physiological replication checkpoint is activated transiently at the MBT by developmental cues, and activated Chk1, only together with an unknown kinase, targets Cdc25A for degradation to ensure later development.