ショウジョウバエの胚発生

ショウジョウバエの前後軸形成の構成要素は、受精・産卵のはるか前の卵形成期に形成される。母性効果遺伝子は、卵および胚の極性を決定する役割を担っている。発生中の卵（卵母細胞）は、局在が異なるmRNA分子によって極性化される。

これらのmRNAをコードする遺伝子は母性効果遺伝子と呼ばれ、受精時に翻訳されて卵全体に濃度勾配を形成するタンパク質をコードしています。BicoidとHunchbackは、ショウジョウバエ胚の前部（頭部と胸部）のパターン形成に最も重要な母性効果遺伝子です。NanosとCaudalは、ショウジョウバエ胚のより後方の腹部セグメントの形成に重要な母性効果遺伝子です。^{[ 4 ] [ 5 ]}

bicoid変異体母から生まれた胚では、頭部と胸部の構造が腹部に変化し、両端に後部構造を持つ胚となり、致死表現型となる。^{[ 4 ]}

微小管などの細胞骨格要素は卵母細胞内で極性化しており、mRNA分子を細胞の特定の部位に局在させるために利用できる。母性的に合成されたbicoid mRNAは微小管に付着し、形成中のショウジョウバエ卵の前端に集中している。未受精卵では、転写産物は先端に厳密に局在しているが、受精直後、卵の前方20%に小さなmRNA勾配が形成される。別の報告では、mRNA勾配が最大40%に達することが記録されている。nanos mRNAもショウジョウバエ卵の細胞骨格に付着するが、卵の後端に集中している。hunchback およびcaudal mRNAには特別な局在制御システムがなく、卵細胞の内部全体にかなり均等に分布している。

dsRNA結合タンパク質STAUFEN（STAU1）は、前後軸の形成に関与するビコイド、ナノス、その他のタンパク質を胚の適切な領域に誘導し、勾配を形成する役割を担っていることが示されている。母性効果遺伝子のmRNAがタンパク質に翻訳されると、卵の前端にビコイドタンパク質の勾配が形成される。ナノスタンパク質は後端に勾配を形成する。ビコイドタンパク質は尾部mRNAの翻訳を阻害するため、尾部タンパク質は胚の前部では低濃度、後部では高濃度となる。これはビコイドタンパク質とは逆方向である。尾部タンパク質はその後活性化し、体節形成期に遺伝子をオンにして後部構造を形成する。ナノスタンパク質は後部から前部への傾斜を作り出し、腹部形成を助けるモルフォゲンである。 Nanosタンパク質は、Pumilioタンパク質と複合体を形成し、ショウジョウバエ胚の後端部においてhunchback mRNAに結合し、その翻訳を阻害する。

ビコイド、ハンチバック、カウダルタンパク質は転写因子である。ビコイドタンパク質は形態形成因子でもある。ナノスタンパク質は翻訳抑制タンパク質である。ビコイドはDNA結合ホメオドメインを持ち、DNAとナノスmRNAの両方に結合する。ビコイドはカウダルmRNAの3'非翻訳領域にある特定のRNA配列（ビコイド3'-UTR調節エレメントと呼ばれる）に結合し 、翻訳を阻害する。

初期胚におけるハンチバックタンパク質のレベルは、新たなハンチバック遺伝子の転写と、その結果として接合子で生成されたmRNAの翻訳によって著しく増加します。ショウジョウバエの初期胚発生では、細胞分裂を伴わない核分裂が起こります。生成された多数の核は、細胞質周辺に分布します。これらの核における遺伝子発現は、ビコイド、ハンチバック、およびカウダルタンパク質によって制御されます。例えば、ビコイドはハンチバック遺伝子転写の転写活性化因子として機能します。発生が継続するためには、ハンチバックは前方から後方に向かって量が減少する領域で必要となります。これは、後方から前方に向かって存在量が減少するナノスタンパク質によって作り出されます。

ビコイド、ハンチバック、カウダルタンパク質の勾配のもう1つの重要な機能は、他の接合子発現タンパク質の転写調節です。これらの多くは、発生制御遺伝子の「ギャップ」ファミリーのメンバーから派生したタンパク質産物です。giant 、huckebein、hunchback、knirps、Krüppel、taillessはすべてギャップ遺伝子です。初期胚におけるこれらの発現パターンは、母性効果遺伝子産物によって決定され、このページの右側の図に示されています。ギャップ遺伝子は、セグメンテーション遺伝子と呼ばれるより大きなファミリーの一部です。これらの遺伝子は、胚の前後軸に沿った分節体構造を確立します。セグメンテーション遺伝子は、最終的な解剖学的セグメントに密接に関連する14のパラセグメントを指定します。ギャップ遺伝子は、セグメンテーション制御遺伝子の階層的カスケードの最初の層です。

ギャップ遺伝子産物の後に、さらに2種類の体節形成遺伝子が発現する。ペアルール遺伝子は、前後軸に垂直な7本の縞模様で発現する。これらの発現パターンは、合胞体胚盤葉内で確立される。これらの初期パターン形成イベントの後、合胞体胚盤葉の核の周囲に細胞膜が形成され、細胞性胚盤葉へと変化する。

最後のクラスの分節遺伝子である分節極性遺伝子の発現パターンは、隣接するパラセグメントの細胞とengrailedなどの遺伝子との相互作用によって微調整される。Engrailedタンパク質は、各パラセグメントの端にある1列の細胞で発現する転写因子である。この発現パターンは、合胞体胚盤葉におけるengrailed遺伝子の転写を制御する転写因子をコードするペアルール遺伝子（even-skippedなど）によって開始される。

Engrailed を生成する細胞は、細胞間シグナル伝達タンパク質Hedgehog を生成することができる。Hedgehog の動きは脂質修飾によって制限されるため、Hedgehog は Engrailed を発現する細胞の前方にある細い帯状の細胞を活性化する。Engrailed を発現する細胞の片側にある細胞のみが、受容体タンパク質Patched を発現しているため、Hedgehog に応答することができる。活性化された Patched 受容体を持つ細胞はWinglessタンパク質を生成する。Wingless は分泌タンパク質であり、細胞表面受容体Frizzled を活性化することで隣接する細胞列に作用する。

Winglessは、細胞性胚盤葉形成後にEngrailedを発現する細胞に作用し、Engrailedの発現を安定化させる。Nakedクチクラタンパク質はWinglessによって誘導され、Engrailedを発現する細胞の列数を制限する。HedgehogとWinglessによる短距離の相互シグナル伝達は、PatchedおよびNakedタンパク質によって抑制され、各体節間の境界を安定化させる。Winglessタンパク質は、一部のwingless変異体の表現型から「wingless」と呼ばれる。WinglessとHedgehogは、胚発生の後期および変態期にも複数の組織で機能する。

体節形成遺伝子によってコードされる転写因子は、発生制御遺伝子のもう一つのファミリーであるホメオティックセレクタ遺伝子を制御します。これらの遺伝子は、ショウジョウバエの第3染色体上に2つの順序付けられたグループとして存在します。染色体上の遺伝子の順序は、発生中の胚の前後軸に沿って発現する順序を反映しています。アンテナペディア群のホメオティックセレクタ遺伝子には、labial、antennapedia、sex combs reduced、deformed、proboscipediaが含まれます。labialおよびdeformedタンパク質は頭部体節で発現し、頭部の特徴を定義する遺伝子を活性化します。sex-combs-reducedおよびAntennapediaは胸部体節の特性を規定します。ビソラックス群のホメオティックセレクタ遺伝子は、第3胸部体節および腹部体節の特殊化を制御します。一部のホメオティック遺伝子の突然変異はしばしば致死的であり、生命のサイクルは胚発生で終了します。

1995年、初期胚発生の遺伝的制御に関する研究で、クリスティアーネ・ニュスライン＝フォルハルト、エドワード・B・ルイス、エリック・ヴィーシャウスにノーベル生理学・医学賞が授与されました。胚のパターン形成変異体の遺伝子スクリーニングに関する彼らの研究は、ビコイドなどのホメオボックス遺伝子が初期胚発生で果たす役割を明らかにしました。ホメオティック変異の例として、いわゆるアンテナペディア変異があります。ショウジョウバエでは、触角と脚は同じ基本的な「プログラム」によって作られ、1つの転写因子のみが異なります。この転写因子が損傷すると、ハエは触角の代わりに頭に脚を生やします。この「アンテナペディア」変異体やその他の変異体の画像は、FlyBaseで見ることができます。もう1つの例は、ビソラックス複合体です。この複合体で非致死性変異が発生すると、ハエは1対の翅と1対の平均棍の代わりに2対の翅を持つようになり、飛行中のバランスを保つことができます。