2019-08-03 00:21:02
精心策划飞胚胎的发育

地球上的大多数多细胞生物 - 包括你 - 以单个受精卵开始,然后经历复杂的细胞生长编排,成为由无数细胞组成的功能成人。了解这一过程是发育生物学领域的一个主要目标。现在,使用果蝇Drosophila melanogaster作为模型系统,一项新研究说明了两种蛋白质如何像导体一样,在果蝇发育的最早阶段提供线索。

这项工作是在生物学教授Angelike Stathopoulos的实验室完成的,并于7月23日在Cell Reports杂志上发表。

尽管它们看起来与人类非常不同,但果蝇通常被用作模型生物来理解我们发展的基础生物学。 Stathopoulos实验室研究的很大一部分侧重于回答这个问题:胚胎果蝇的细胞如何决定在适当的时间表达哪些基因以便发育成正确的身体部位?

细胞分化过程的关键 - 细胞在特定位置发展特定功能的能力 - 涉及基因表达的调节。虽然苍蝇中的每个细胞都具有与苍蝇基因组相同的拷贝,但是单个细胞随着时间的推移表达不同的基因。作为一个类比,人们可以想到一个交响乐:管弦乐队中的所有音乐家都获得相同的完整乐谱,但每个音乐家只能扮演自己的角色。

在果蝇发育的最初阶段,胚胎形状像美式足球。构成胚胎的5,000个细胞中的一些细胞一起定位在一条条纹中,该条纹在足球形状的中间向下纵向排列(缝线将在球上),注定要制造特定类型的细胞,例如神经元。为了支持这种分化,条带中的细胞决定表达不是由位于该结构域外的细胞产生的特定基因。基因表达的这种空间差异是维持条纹图案的关键部分。

细胞基因表达的差异可以通过称为激活剂(其增加基因表达)和阻遏物(其降低基因表达)的蛋白质实现。最常研究的阻遏物是空间定位的,这意味着它们被限制在特定位置的细胞中。然而,Stathopoulos和博士后学者Theodora Koromila旨在研究两种抑制因子,称为无毛[Su(H)]的Runt和Suppressor,它们被广泛表达,这意味着它们存在于整个胚胎的细胞中。

“最初,我们假设广泛表达的抑制因子在整个发育过程中会有一致的活动,但是发现它们在调节基因表达方面发挥着暂时不同的作用是令人惊讶的。它们甚至可以及时改变行为,从抑制因子到激活因子,它告诉我们这些蛋白质具有复杂的功能,“Koromila说。

研究小组发现,Runt实际上协调了胚胎中基因表达的时间。就像一个管弦乐指挥可能伸出一只手以确保器具部分不会过早进入,Runt阻遏物抑制某些基因表达,直到胚胎发育正确。另一方面,Su(H)控制基因表达的水平,类似于指导一个部分播放更响亮或更柔和的指挥。

在这项研究中,Koromila使用了一种实时成像技术,在这种技术中,她实时开发了果蝇胚胎的电影,以研究阻遏物在何时何地起作用。然后,在进一步的实验中,Koromila遗传突变DNA序列以消除Runt和无毛蛋白的输入,以检查胚胎的发育如何受到影响。以前在该领域的工作只关注飞胚的小部分,但Koromila的成像方法允许她立刻检查整个胚胎。

“胚胎发育很快,基因表达是动态的。因此,了解发育如何随着时间的推移进行是很重要的。过去,我们采取静态观点,专注于固定胚胎,但现在我们有令人兴奋的能力通过拍摄电影开发现场。这使我们能够发现新的见解,包括转录因子如何随着时间的推移而发挥作用,“Stathopoulos说。 “果蝇中超过一半的基因也可以在人类身上发挥作用,因此了解简单果蝇的发育方式与我们息息相关。”

该论文的标题是“广泛表达的抑制因子的不同作用支持动态增强作用和时间变化。”

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