Hedgehog和Dpp信号通路在果蝇翅发育中的新作用

发布时间：2018-08-18 12:43

【摘要】：生物体进行正常的生命活动需要多种发育过程参与其中,包括细胞存活,细胞生长,细胞形貌发生以及构型的构造等。其中,Hedgehog(Hh)和Decapentaplegic(Dpp)信号通路参与其中大部分发育过程。但Hh信号通路在细胞存活中的作用以及Dpp信号通路在变态发育中的作用没有深入研究报道。本文以果蝇翅芽为研究对象,对Hh和Dpp在细胞存活和变态发育中的作用机理开展了深入研究,主要结果如下:1.发现了果蝇幼虫翅芽中心区域细胞的存活需要Hedgehog(Hh)信号活力。通过遗传学工具在Hh的转录水平,运输水平,信号传导水平上分别抑制Hh信号活力后,均在翅芽中心区域引起大量的细胞凋亡。这些细胞凋亡的产生与Hh的下游靶标即细胞存活因子Dpp无关,表达Dpp也不能拯救Hh缺失所诱导的细胞凋亡。Jun N-terminal Kinase(JNK)信号通路的激活通常会诱导翅芽细胞的凋亡,Hh缺失所诱导的细胞凋亡也与JNK信号通路的激活无关,不能通过抑制JNK信号通路被挽救。抑制Hh信号通路可以导致细胞凋亡通路中的凋亡基因前体hid的激活和细胞存活因子Diap1的抑制。表达diap1可以拯救Hh信号活力降低所引起的幼虫翅芽中心区域的细胞凋亡和成虫翅缩小的现象。2.发现了 Tbx6家族成员Dorsocross(Doc)是Dpp信号通路的靶标基因,在变态发育过程中,Dpp-Doc信号促进果蝇翅芽背板区域愈合为成虫背板。Doc在果蝇翅芽背板区的前沿细胞有特异性表达。抑制Dpp的受体Thickvein(Tkv)或表达信号通路的抑制者Daughter against Dpp(Dad),均抑制Doc在翅芽背板区的表达。这些结果说明了 Doc的表达需要Dpp信号活力。在果蝇翅芽的背板区抑制Dpp-Doc信号活力,导致成虫背板愈合缺陷现象。在背板愈合过程中,DE-cadherin(DE-Cad),Disc large(Dlg),Tubulin 等细胞骨架蛋白参与其中,受到 Dpp-Doc 信号通路的调控。这些骨架蛋白的表达模式和表达量的动态变化是背板愈合的顺利进行的保障。当抑制Dpp-Doc信号通路时,通过表达DE-Cad,背板愈合的缺陷可以被拯救。Dpp-Doc信号通路与JNK信号通路分别独立参与背板愈合过程,二者处于平行关系。3.发现了 Doc基因的过表达能够促进果蝇翅上皮细胞向周围神经细胞的命运转决。当在果蝇翅芽细胞中异位表达Doc基因,可以诱导周围神经细胞原基因的表达。这种命运转决与Notch-Wingless(Wg)信号通路不相关,是通过抑制Groucho(Gro)和激活Achaete/Scute Complex(AS-C)起作用的。T-box家族的其他成员,如Tbx2也可以引起明显的细胞命运转决的表型。与Doc引起命运转决所不同的是,Tbx2通过异位激活Wg信号激活下游靶标Ac导致神经细胞的命运,而对Gro没有抑制作用。以上试验证明,T-box家族成员在介导上皮细胞向周围神经细胞的命运转决中存在共性及各自的特性。4.初步分析了 Doc的下游基因。对果蝇翅芽全盘过表Doc基因以及抑制Doc基因进行了表达谱分析。对于过表达Doc基因的翅芽,表达谱分析得到有效上调基因1118个,下调基因84个。对于全盘抑制Doc基因的翅芽,表达谱分析得到有效上调基因22个,下调基因51个。对这些基因进行后续的功能研究将有利于分析Doc在翅发育中相关作用。以上试验对相关基因以及信号通路进行细致研究,揭示了昆虫翅发育的新机理,对农业昆虫的翅发育提供了理论基础,为遗传学控制昆虫迁飞提供了候选靶标基因。
[Abstract]:The normal life activities of organisms require a variety of developmental processes, including cell survival, cell growth, cell morphology and configuration. Among them, Hedgehog (Hh) and Decapentaplegic (Dpp) signaling pathways are involved in most of the developmental processes. However, the role of Hh signaling pathways in cell survival and Dpp signaling are also involved. In this paper, the mechanisms of Hh and Dpp in cell survival and metamorphosis were studied in Drosophila wing buds. The main results were as follows: 1. It was found that the survival of cells in the central region of the wing buds of Drosophila larvae required the activity of Hedgehog (Hh) signal. After inhibiting the activity of Hh signal at the transcriptional, transport and signal transduction levels, a large number of apoptotic cells were induced in the central region of the wing bud. Inhibition of the Hh signaling pathway can lead to the activation of the apoptotic gene precursor hid and the inhibition of cell survival factor Diap1 in the apoptotic pathway. Dpp-Doc signal promotes the healing of dorsal plate of fin bud of Drosophila melanogaster to dorsal plate of adult during metamorphosis. The expression of Doc in dorsal plate of wing bud was inhibited by Thickvein (Tkv), the receptor of Dpp, or Daughter against Dpp (Dad), the inhibitor of Dpp signaling pathway. These results indicate that the expression of Doc requires Dpp signaling activity. De-cadherin (DE-Cad), Disc large (Dlg), Tubulin and other cytoskeletal proteins participate in the process of dorsal healing and are regulated by the Dpp-Doc signaling pathway. The dynamic changes of the expression patterns and quantities of these cytoskeletal proteins are the guarantee for the smooth progress of dorsal healing. Dpp-Doc signaling pathway and JNK signaling pathway participated in the process of dorsal healing independently, and they were in parallel. 3. It was found that the overexpression of Doc gene could promote the fate of Drosophila wing epithelial cells to peripheral nerve cells. The OC gene, which can induce the expression of progenitor genes in peripheral nerve cells, is not related to Notch-Wingless (Wg) signaling pathway, but by inhibiting Groucho (Gro) and activating Achaete/Scute Complex (AS-C). The difference is that Tbx2 activates downstream target Ac by ectopic activation of Wg signal, which leads to the fate of nerve cells, but has no inhibitory effect on Gro. These results show that members of the T-box family have similarities and respective characteristics in mediating the fate of epithelial cells to peripheral nerve cells. 4. Preliminary analysis of downstream genes of Doc. Over-expressed Doc gene and down-regulated Doc gene were analyzed in the whole winged bud of flies. 1118 genes were up-regulated and 84 genes were down-regulated in the over-expressed winged bud of flies. 22 genes were up-regulated and 51 genes were down-regulated in the whole-suppressed winged bud of flies. Further functional studies will be helpful to analyze the role of Doc in wing development. Detailed studies on related genes and signaling pathways revealed new mechanisms of insect wing development, provided theoretical basis for wing development of agricultural insects, and provided candidate target genes for genetic control of insect migration.
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q963

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