斑馬魚母源因子在胚胎發(fā)育中的作用

1、中國科學(xué): 生命科學(xué) 2014 年 第 44 卷 第 10 期: 954 ~ 964 SCIENTIA SINICA Vitae www.scichina.com life.scichina.com 引用格式: 胥鵬飛, 孟安明等. 斑馬魚母源因子在胚胎發(fā)育中的作用. 中國科學(xué): 生命科學(xué), 2014, 44: 954–964 Xu P F, Meng A M. Maternal ractors regulate em

2、bryonic development in zebrafish. SCIENTIA SINICA Vitae, 2014, 44: 954–964, doi: 10.1360/052014-138 《中國科學(xué)》雜志社SCIENCE CHINA PRESS中國知名大學(xué)及研究院所專欄 清華大學(xué)專輯 評 述 斑馬魚母源因子在胚胎發(fā)育中的作用 胥鵬飛*, 孟安明 清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 生物膜與膜生物工程國家重點實驗室, 清華大學(xué)-北京

3、大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心, 北京 100084 * 聯(lián)系人, E-mail: xupf08@mails.tsinghua.edu.cn 收稿日期: 2014-08-27; 接受日期: 2014-09-12 科技部“發(fā)育與生殖重大研究計劃” (批準(zhǔn)號: 2011CB943800)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 31330052)資助項目 doi: 10.1360/052014-137 摘要 動物受精時, 精子主要是將雄原核釋放到卵子中

4、, 形成的合子中雌、雄原核融合為合子核, 但受精卵基因組在前幾次有絲分裂過程中不轉(zhuǎn)錄, 合理的邏輯性推測是其早期發(fā)育完全依賴于卵質(zhì)中儲存的 RNA 和蛋白質(zhì), 即母源因子. 上世紀(jì) 80 年代對無脊椎動物的正向遺傳研究發(fā)現(xiàn), 母源因子在卵子和胚胎極性的決定、早期胚胎的圖式形成等方面發(fā)揮了決定性作用. 過去 10 多年來, 通過對斑馬魚和小鼠突變體的研究, 也證明母源因子在脊椎動物胚胎早期發(fā)育中起著重要作用. 本文主要綜述斑馬魚母源因子在

5、卵母細(xì)胞的極性、 卵子的激活、 早期細(xì)胞分裂、 母源 mRNA的清除、合子基因轉(zhuǎn)錄激活以及胚層的形成和分化、體軸的建立等方面的作用, 相關(guān)知識對于研究人類生育障礙和先天性疾病的發(fā)生機(jī)制和診治有借鑒意義. 關(guān)鍵詞 斑馬魚 母源因子 卵子 合子 胚胎 動物個體開始于來自父本的一個精子與母本的一個卵子受精所生成的合子, 精子主要是提供一套染色體, 而卵子不僅提供一套染色體、還提供其他重 要物質(zhì). 與一般體細(xì)胞相比, 卵子的體積大數(shù)十倍、

6、甚至數(shù)百倍, 儲存的線粒體、RNA 聚合酶、DNA 聚合酶、tRNA, mRNA 等多很多. 動物受精后的卵并不立即開始合子基因組的轉(zhuǎn)錄, 而是要等到完成一次(小鼠)到十幾次(果蠅、斑馬魚、爪蛙)有絲分裂后才開始轉(zhuǎn)錄, 因此在合子基因組開始轉(zhuǎn)錄前的那段時間, 胚胎的發(fā)育完全依賴于卵子提供的物質(zhì). 通常, 將在卵子中儲存了表達(dá)產(chǎn)物如蛋白質(zhì)或 RNA 的基因稱為母源基因(maternal gene), 其產(chǎn)物稱為母源因子; 而 只 在 受

7、精 后 才 開 始 轉(zhuǎn) 錄 的 基 因 稱 為 合 子 基 因(zygotic gene); 在卵子和合子階段均轉(zhuǎn)錄的基因稱為母源合子基因(maternal-zygotic gene). 許多在卵子中表達(dá)的基因, 在合子階段也轉(zhuǎn)錄, 屬于母源合子基因. 對母源基因重要性的認(rèn)識, 主要來源于模式動物上的研究成果. 20 世紀(jì) 70 年代末、80 年代初, 科學(xué)家在果蠅上通過大規(guī)?；瘜W(xué)誘變篩選突變體和定位克隆突變基因, 發(fā)現(xiàn)果蠅卵子和胚胎的

8、極性都是由母源基因表達(dá)產(chǎn)物所控制, 從而充分地認(rèn)識到母源基因?qū)τ谂咛グl(fā)育的重要性[1~7]. Nusslei-Volhard和 Wieschaus 1995 年因這方面的研究成果獲得了諾貝爾獎. 2000年首次在小鼠上報道了兩個胚胎致死性母源基因突變體, 即 HSF1[6]和 Mater(后來稱為Nlrp5)[8]基因. 目前已報道具有母源突變效應(yīng)的小鼠 基因超過 30 個, 它們的功能涉及雌雄原核的融合、 母源產(chǎn)物的清除、合子基因組激

9、活、卵裂、胚胎致密化等, 詳細(xì)介紹可見近期的相關(guān)綜述[9,10]. 胥鵬飛等: 斑馬魚母源因子在胚胎發(fā)育中的作用 956 的報道. 2 母源因子調(diào)控卵母細(xì)胞的極性 卵 子 形 成 過 程 中 不 對 稱 動 物 - 營 養(yǎng) 極 極 性(animal-vegetal polarity)的建立非常重要, 它決定了生殖泡遷移的方向及精子進(jìn)入卵子的位置, 同時也決定了未來胚胎發(fā)育的前后軸線. 卵子不對稱極性在卵母細(xì)胞形成早期、巴爾比阿尼氏小體

10、(balbiani body)形成時便已確立. 巴爾比阿尼氏小體最早不對稱地分布于Ⅰ期卵母細(xì)胞生殖泡周圍, 其主要組成有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、 線粒體、 高爾基體等細(xì)胞器和大量的蛋白質(zhì). 巴爾比阿尼氏小體能夠作為卵母細(xì)胞中營養(yǎng)極轉(zhuǎn)運(yùn)通道, 將定位于其中的 vasa, nanos, dazl 等母源因子 mRNA 向營養(yǎng)極轉(zhuǎn)運(yùn), 導(dǎo)致它們沿營養(yǎng)極-動物極軸線或前后軸線的不對稱分布[19]. 卵子的極性普遍存在于多種模式生物如線蟲、 果蠅、斑馬魚、爪蛙、

11、哺乳動物中. 在果蠅卵母細(xì)胞發(fā)育的早期, oskar mRNA 從周圍的營養(yǎng)細(xì)胞中轉(zhuǎn)運(yùn)至卵母細(xì)胞質(zhì), 然后遷移至卵母細(xì)胞的后端; Milton 也能夠募集營養(yǎng)細(xì)胞中的線粒體向卵母細(xì)胞中的巴爾比 阿 尼 氏 小 體 轉(zhuǎn) 運(yùn) , 導(dǎo) 致 了 卵 母 細(xì) 胞 的 不 對 稱 性[20,21]. 斑馬魚突變品系 bucky ball(buc)的合子突變體雌魚的卵母細(xì)胞不能形成巴爾比阿尼氏小體, 因而不具備極性, 其與正常精子受精后的胚胎不

12、能形成胚盤. Buc mRNA 在不同時期的卵母細(xì)胞中動態(tài)分布, 最早 buc mRNA 定位于巴爾比阿尼氏小體中, 逐漸向營養(yǎng)極遷移; 但是在卵母細(xì)胞形成后期又定位在動物極[19,22,23]. 在另一個斑馬魚 magellan 突變品系中, 編 碼 微 管 微 絲 交 聯(lián) 因 子 1(microtubule actin crosslinking factor 1, MACF1)蛋 白 的 基 因 發(fā) 生 突 變[17,24].

13、Magellan 合子突變體雌魚的卵母細(xì)胞能夠形成巴爾比阿尼氏小體, 但是其體積異常增大, 并且不能向營養(yǎng)極遷移, 卵子激活后沒有極性. 除此之外, magellan 突變體卵母細(xì)胞出現(xiàn)多個卵膜孔, 卵子可以同時與多個精子受精. 由此可見, 母源因子調(diào)控了卵母細(xì)胞的極性. 3 母源因子調(diào)控卵子的激活 在果蠅、 線蟲、 爪蛙、 小鼠等多種模式生物中, 受精作用誘導(dǎo)卵子的激活. 激活后的卵子首先完成減數(shù)第二次分裂、 釋放第二極體以形成單倍

14、體的雌原核, 然后雌原核與雄原核融合成為二倍體的胚胎. 目前研究表明, 卵子的激活是由胞質(zhì)中 Ca2+濃度升高引起的[25]. 1, 4, 5-三磷酸肌醇(IP3)誘導(dǎo)卵黃內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放, Ca2+濃度呈有規(guī)律的躍遷, 稱為鈣波[26]. 卵子正常激活的標(biāo)志為絨毛膜(又稱為透明帶)的鼓起, 一是形成包裹在胚胎外周的保護(hù)膜, 對胚胎的早期生長起重要的保護(hù)作用; 二是阻隔精子的作用, 防止多個精子與卵子受精. 絨毛膜是由卵黃中皮質(zhì)顆

15、粒胞吐(cortical granule exocytosis)形成的, 皮質(zhì)顆粒主要的成分為多種酶及結(jié)構(gòu)蛋白[27,28]. 另外, 卵子激活后, 卵黃中的物質(zhì)開始定向轉(zhuǎn)運(yùn), 該過程又被稱為“胞質(zhì)環(huán)流”. 斑馬魚卵受精后, 營養(yǎng)極的非卵黃胞質(zhì)向動物極轉(zhuǎn)運(yùn), 使得位于動物極的胚盤細(xì)胞與卵黃顆粒豐富的營養(yǎng)極分離, 形成胚盤卵裂球[29]. 與其他脊椎動物卵子的激活方式不同, 斑馬魚卵子的激活并不依賴于受精過程. 斑馬魚卵子在接觸低滲透壓溶

16、液時便會自發(fā)激活. 當(dāng)精子存在時, 卵子的激活與受精幾乎同時發(fā)生. 在斑馬魚 hnrnp I(又名 ptbp1a)基因的母源突變體 brom bones(brb)中, 卵子受精后絨毛膜不能鼓起, 并且非卵黃胞質(zhì)不能向動物極轉(zhuǎn)運(yùn), 呈現(xiàn)典型的卵子激活缺陷的表型[30]. 注射 Ca2+或者 IP3 可以挽救卵子激活的缺陷. 原位雜交結(jié)果顯示, hnrnp I 在各個時期的斑馬魚卵母細(xì)胞中均表 達(dá) , 并 且 在 晚 期 卵 母 細(xì) 胞 中

17、 集 中 表 達(dá) 于 皮 質(zhì) 區(qū)[30,31]. 爪蛙中的研究發(fā)現(xiàn), hnrnp I 直接影響 Vg1 在卵子營養(yǎng)極的定位[32,33]. 4 母源因子調(diào)控卵裂 脊椎動物的卵母細(xì)胞受精后并不立即進(jìn)行有絲分裂. 前面提到受精引起卵子激活, 受精后的卵子首先完成減數(shù)分裂、釋放第二極體, 然后雌原核與雄原核進(jìn)行遷移并融合, 這個過程持續(xù)的時間因物種而異. 在斑馬魚中, 該過程大約持續(xù) 40 min[29]. 通常, 將受精卵發(fā)育初期的