复杂的控制下发展模式是令人惊讶的简单的信号

黑腹果蝇胚胎的正常发育是由其母亲传给受精卵的蛋白质活动模式所控制的。当胚胎还是一个单细胞时，它周围的母细胞会在它的特定位置沉积某些蛋白质。这就建立了蛋白质梯度，指导胚胎特征沿着它的前-后轴和腹-背轴的发展。后来，胚胎接受到另一轮的母体信息，称为末端模式，引导它的头和尾巴的发展。

末端图案是由一种被称为躯干的蛋白质驱动的，这种蛋白质由母亲制造并沉积在整个胚胎中。躯干通过与其他蛋白质结合而受到刺激，这些蛋白质也由母亲产生，但只存在于胚胎的前后两端。躯干刺激启动了几个信号级联反应，包括Ras/ERK通路，它的激活引导了对胚胎发育至关重要的基因表达。缺乏躯干或与之结合的蛋白质的母亲是不育的，因为他们的胚胎无法发育头部和尾部结构，最终死亡。

普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员利用光遗传学研究了胚胎的发育，利用光刺激经过改造的果蝇胚胎。他们发现，尽管所有被置于黑暗中的转基因胚胎都因不能正常发育而死亡，但在受光刺激的胚胎中，约有三分之一发育正常。

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分子生物学助理教授杰瑞德?托特彻(Jared Toettcher)说，“目前，大多数发育模式已经得到了详细研究，因此生物学家知道它们何时何地出现和消失。”“未知的就是这种模式中到底包含了什么信息。”

例如，一个模式蛋白表达的水平可能传递关于身份或目的的信息。(例如应该表达哪些基因)到胚胎细胞。另外，这些信息也可以由其他因素编码，比如蛋白质在哪里表达，表达多长时间。研究给定蛋白质功能的传统方法不能以足够的空间或时间精度来操纵蛋白质表达来解决这些问题。然而，Toettcher的实验室早些时候利用新兴的“光遗传学”技术开发了一种新的研究工具:一种名为OptoSOS的蛋白质，当它在细胞中表达时，研究人员可以在蓝光照射下激活Ras/Erk信号通路。

“这很棒，因为我们可以高精度地产生光的图案，让我们可以在胚胎上画任何我们想画的图案，”Toettcher说。

为了研究末端模式在何时何地需要Ras/Erk信号传导，Johnson和他的同事在没有躯干信号传导的果蝇胚胎中表达了视光。然后，他们把胚胎放在显微镜下，用足够长的光线精确地刺激动物的前后末端，以模拟Ras/Erk信号传导的自然持续时间。接下来，他们观察胚胎的发育。

值得注意的是，尽管所有被置于黑暗中的胚胎都因不能正常发育而死亡，但在受光刺激的胚胎中，约有三分之一发育正常。尽管取出过程和在显微镜室中生长的创伤，这些胚胎形成头和尾结构，最终孵化成虫。通过这种方式繁殖出来的雌性果蝇甚至还会下蛋——尽管正如预期的那样，这些卵是不育的，因为与它们的母亲一样，果蝇也缺乏躯干信号，但与它们的母亲不同的是，它们的卵没有受到光线的刺激。

许多终端模式是由两个基因驱动的，它们的表达是由响应躯干信号的Ras/Erk通路控制的。在正常的胚胎中，这两个基因在不同的细胞中出现在不同的时间。然而，在缺乏躯干信号传导的光刺激光胚胎中，这两个基因的表达在空间和时间上有更多的重叠，这表明它们的精确表达模式对发育来说并不是必需的。

接下来，作者研究了发展计划的不同方面是否在相同或不同的刺激阈值下被触发。为了做到这一点，他们在改变缺乏躯干信号的视光胚胎的光刺激强度和持续时间后，监测胚胎的发育。

Toettcher说:“我们发现终端模式似乎是作为一系列的开关工作的，在那里连续的较长的光脉冲触发一个可预测的序列的身体部位被一个接一个的‘拯救’。”

总之，这些数据表明，对于终端信号，看似非常复杂的发育程序实际上是在一个相对简单的系统的控制下，该系统依赖于Ras/Erk信号的不同阈值。

“这些发现证明了利用光遗传学在时间和空间上激活和灭活信号通路的力量，”Gertrude Schupbach说，他的工作在早期识别终端图案组成的研究中起到了重要作用。“更令人惊讶的是，他们能够调节信号的强度，并获得关于活胚胎机制的精确定量信息。”

Toettcher说:“我们认为这是一个开始，我们需要在什么时候和什么地方绘制出特定的身体结构。”

由Heath E. Johnson, Nareg J.V. Djabrayan, Stanislav Y. Shvartsman和Jared E. toettcheran撰写的《发育模式突变体的光基因拯救》于7月23日发表在《当代生物学》(DOI: 10.1016/ j.f cub.2020.06.059)上。这项工作得到NIH (Ruth Kirschstein F32GM119297, DP2EB024247, 5R01HD085870)和国家科学基金职业奖(1750663)的支持。