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(píng) 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)劃” (批準(zhǔn)號(hào): 2011CB943800)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 31330052)資助項(xiàng)目 doi: 10.1360/052014-137 摘要 動(dòng)物受精時(shí), 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(chǔ)存的 RNA 和蛋白質(zhì), 即母源因子. 上世紀(jì) 80 年代對(duì)無脊椎動(dòng)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(duì)斑馬魚和小鼠突變體的研究, 也證明母源因子在脊椎動(dòng)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(shí)對(duì)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(dòng)物個(gè)體開始于來自父本的一個(gè)精子與母本的一個(gè)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(chǔ)存的線粒體、RNA 聚合酶、DNA 聚合酶、tRNA, mRNA 等多很多. 動(dòng)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(shí)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(chǔ)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(duì)母源基因重要性的認(rèn)識(shí), 主要來源于模式動(dòng)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(shí)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(jiǎng). 2000年首次在小鼠上報(bào)道了兩個(gè)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(bào)道具有母源突變效應(yīng)的小鼠 基因超過 30 個(gè), 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(bào)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(duì) 稱 動(dòng) 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(shí)也決定了未來胚胎發(fā)育的前后軸線. 卵子不對(duì)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(shí)便已確立. 巴爾比阿尼氏小體最早不對(duì)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(dòng)物極軸線或前后軸線的不對(duì)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(dòng)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(duì) 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(shí)期的卵母細(xì)胞中動(dòng)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(dòng)物極[19,22,23]. 在另一個(gè)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(gè)卵膜孔, 卵子可以同時(shí)與多個(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)物極轉(zhuǎn)運(yùn), 使得位于動(dòng)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(dòng)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(shí)便會(huì)自發(fā)激活. 當(dāng)精子存在時(shí), 卵子的激活與受精幾乎同時(shí)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(dòng)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(gè)時(shí)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(dòng)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(gè)過程持續(xù)的時(shí)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