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尽管胚胎仍然是单个细胞 但围绕它的母体细胞在特定位置将某些蛋白质沉积在其中

果蝇果蝇的正确胚胎发育受其母亲遗赠给受精卵的蛋白质活性模式的控制。尽管胚胎仍然是单个细胞,但围绕它的母体细胞在特定位置将某些蛋白质沉积在其中。这将建立蛋白质梯度,指导其前,后和腹背轴的胚胎发育。后来,胚胎接受了另一轮称为末端模式的母体信息,该信息指导其头部和尾巴的发育。

终端模式是由一种称为“躯干”的蛋白质驱动的,该蛋白质由母亲制造并沉积在整个胚胎中。躯干通过与母亲也产生但仅存在于胚胎的前端和后端的其他蛋白质结合而受到刺激。躯干刺激启动了多个信号级联反应,包括一个称为Ras / ERK通路的信号通路,其激活指导着对胚胎发育至关重要的基因的表达。缺乏躯干或与其结合的蛋白质的母亲是不育的,因为她们的胚胎无法发育出头和尾的结构,最终死亡。

“到现在为止,已经对大多数发育模式进行了详细的研究,因此生物学家知道它们何时何地出现和消失,” Toettcher说。“未知的是在这种模式中到底包含了什么信息。”

例如,表达图案化蛋白的水平可以向胚胎细胞传达有关同一性或目的(即,应表达什么基因)的信息。或者,该信息可以由其他因素编码,例如在哪里表达蛋白质或表达多长时间。研究给定蛋白质功能的传统方法无法以足够的空间或时间精度来操纵蛋白质表达以解决此类问题。然而,Toettcher的实验室更早地使用了新兴的“光遗传学”技术来开发一种新的研究工具:一种称为OptoSOS的蛋白质,当在细胞中表达时,它可以使研究人员激活Ras / Erk信号传导途径,同时将OptoSOS用蓝光照射。

“这很棒,因为我们可以产生高精度的光图案,从而使我们可以在胚胎上绘制任何想要的图案,” Toettcher说。

为了调查在何时何地需要Ras / Erk信号进行末端构图,Johnson及其同事在没有Torso信号的果蝇的胚胎中表达了OptoSOS。然后他们将胚胎放在显微镜下,并用足够长的光线精确刺激动物的前端和后端,以模仿Ras / Erk信号传导的自然持续时间。接下来,他们看着胚胎发育。

值得注意的是,所有留在黑暗中的胚胎在未能正常发育后死亡,而大约三分之一的受光刺激胚胎正常发育。尽管提取过程很麻烦并且在显微镜室中生长,这些胚胎仍形成头尾结构,最终孵化并成年。以这种方式产生的雌蝇甚至会产卵-尽管正如预期的那样,这些卵是不育的,因为像它们的母亲一样,这些蝇缺乏Torso信号传导,但是与它们的母亲不同,它们的卵没有受到光刺激。

末端模式的大部分是由两个基因驱动的,这两个基因的表达受Ras / Erk途径控制,响应于躯干信号。在正常胚胎中,这两个基因的表达发生在不同时间的不同细胞中。然而,在缺乏躯干信号转导的光刺激下的OptoSOS胚胎中,两个基因的表达在空间和时间上都有更多的重叠,这表明它们的精确表达模式不是发育所必需的。

接下来,作者研究了在相同或不同的刺激阈值下是否触发了开发计划的不同方面。为此,他们在改变缺少躯干信号的OptoSOS胚胎中光刺激的强度和持续时间后,监测了胚胎的发育。

Toettcher解释说:“我们发现终端模式似乎是一系列开关的工作,在这些开关中,连续较长的光脉冲会触发可预测的身体部位被依次“救助”的顺序。”

总之,这些数据表明,对于终端信令,看似非常复杂的开发程序实际上是在一个相对简单的系统的控制下,该系统取决于Ras / Erk信令的不同阈值。

研究员GertrudeSchüpbach表示:“这些发现证明了使用光遗传学在时空上激活和灭活信号通路的力量。”他的工作在早期研究中研究了终端模式的组成部分。“更令人惊讶的是,它们能够调节信号强度并获得有关活胚胎中机制的精确定量信息。”

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