背-腹侧的发育展示了卵母细胞和卵泡细胞之间复杂的相互作用。模式的形成开始于卵母细胞中基因的表达，这是卵母细胞正确发育所必需的。然后，卵泡细胞中基因的表达能把信号传递给卵母细胞，于是引起腹部结构的发育。在发育的卵中，另一条途径与背部结构的发育有关。这些系统都是通过激活特定位点的受体-配体相互作用从而引发信号转导途径来发挥其功能的。
此过程开始于gurken mRNA 的定位。然后经历两个阶段，第一个阶段在前-后模式中起作用，第二个在背-腹模式中起作用。这些事件对决定卵室空间的不对称性很重要。两个途径都对gurken 的需求是打破它们独立性的唯一特征。
首先gurken mRNA 定位于卵母细胞的后端。这就产生了一个信号，该信号使邻近的卵泡细胞发育成后端。卵泡细胞发出信号返回到卵母细胞，这个过程导致建立极性的微管网络。正如我们以前讨论的一样，这对bicoid 和oskar 母体效应基因产物定位到相反极是必需的。
稍后当gurken mRNA 定位到卵母细胞的背侧时，背-腹极性就产生了。其途径和结果如图29.9 所示。cornichon 和brainiac 的产物对gurken mRNA 的正确定位或蛋白质的活化是必需的。在起作用较早的基因座中，K10 和squid 的产物是定位RNA 所需要的。cappuccino 和spire 突变体产生一个缺陷的排列，这些缺陷表明它们的产物在构建卵母细胞骨架中有普遍的作用。因此，cuppuccino 和spire 也同样是前-后模式中gurken mRNA 最初定位所必需的。
基因gurken 编码一种类似生长因子TGFa的蛋白质。在这条途径中下个基因座是编码雌蝇EGF 受体的torpedo，它在卵泡细胞中表达。因此，当暴露在卵母细胞胞外区域的跨膜形式存在的配体(Gurken) 与位于卵泡细胞质膜上的受体(Torpedo) 相互作用时，途径可能从卵母细胞转移到卵泡细胞。
Torpedo 是一个典型的受体酪氨酸激酶，从它的活化中可以显现一个有趣而普遍的原理。Torpedo 的活化导致Ras 信号途径激活，经过Raf 和D-mek( 相当于MAPKK) 继续激活典型的MAP 激酶途径。这条途径的最终输出尚不清楚，但它能抑制我们以下要讨论的腹部决定系统的胚胎背侧活化。
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| 图29.9 果蝇的一些mRNA 以核蛋白颗粒的形式转运，它们沿着微管或肌动蛋白纤维移动，直至最终位点。 |
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| 图29.10 当gurken (grk) mRNA 被定位至卵母细胞的背侧面时，胚胎的“背”和“腹”的区别第一次明显起来。Grk 蛋白将torpedo 基因编码的一个受体激活，此过程引发卵泡细胞中的一个MAPK 通路。 |
该途径的利用表明，相似的途径可以在不同的环境中运用以产生高度专一的效果。Gurken 蛋白的特异定位能激活卵母细胞-卵泡细胞相互作用途径。结果使卵泡细胞的特性发生变化，使卵泡细胞无法获得腹部发育的命运。尽管如此，途径中最基本的成分和脊椎动物增殖信号转导中运用的成分是相同的。同样的途径也出现在果蝇视网膜细胞的特定发育中。在视网膜细胞中，另外的反受体(Counter receptor) 与受体的相互作用激活了Ras 途径，对细胞分化产生特定的、截然不同的影响。因此，实际上，在解释最初的信号和产生通过细胞表现型预先决定的反应时，可以运用相同的途径。
腹部结构发育需要11 个母体效应基因，它们的产物在受精到产生细胞囊胚层期间建立了背-腹轴(如图29.4)。图29.10 表示了从侧面(通过表皮的表型)以及剖面观察到的背-腹模式，剖面模式代表不同类型组织的形成。dorsal 系统对腹部结构包括中胚层和神经外胚层的发育是必需的(该系统是以突变产生的影响而命名为背部化dorsalize 的，并非以基因产物的作用而命名为腹部化ventralize) 。dorsal 组群中任何基因的突变体将缺少腹部结构， 并且在腹侧出现背部结构，正如图中所示。但是在突变体胚胎中注射野生型的细胞质就会弥补缺陷从而使腹部结构能够发育。
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| 图29.11 背-腹发育通路的简化图(右)以及详图(左), 此过程包含卵母细胞和卵泡细胞之间的相互作用。当spatzle(Tol1 产物配体)与Tol1 结合并激活形态发生因子时，通路进入卵母细胞。当背部转录因子被转运至细胞核时通路结束。 |
腹侧决定途径(Ventral-determining pathway) 也开始于卵泡细胞终止于卵母细胞，如图29.11 所示。在图中，最初的步骤没有详细解释，它们需要腹侧卵泡细胞的3 个基因座表
达。这些基因作在受精前起作用，但卵直到受精后才接受到信号。信号的本质仍然是未知的，尽管我们已经知道随后发生在卵母细胞中的大部分变化。
信号导致在卵黄周空间(卵母细胞的最外层) 发生卵裂(Proteolytic cleavage) 。snake 的产物可能分裂easter 的产物，easter 的产物又被激活从而分解spatzle 的产物。卵裂激活spatzle，因此就为Toll 基因编码的受体提供了配体。Toll 是在卵母细胞中起作用的途径中第一个成分。
挽救实验证明，Toll 是一个极其重要的基因，它可以把信号输送到卵母细胞。Toll-突变体缺少背-腹梯度，但注射Toll 则导致背-腹结构形成。背侧其它基因编码的产物或者调控Toll 的作用或者是Toll 作用所必需的，但是它们没有建立最初的极性。
Toll 蛋白质的分布存在着矛盾。当细胞质被抽出并进行注射试验后，发现Toll 基因产物的活性存在于提供细胞质的胚胎的各个部位。然而，在正常发育中它仅仅在适当的位置导致腹侧结构的产生。Toll 基因产物最初的普遍分布必定以某种方式通过局域性事件转变成为活性产物的集中分布。
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| 图29.12 哺乳动物IL1 受体的激活引发了一个含衔接蛋白与激酶在内的复合体的合成。IRAK 激酶激活了NIK，后者将I-kB 磷酸化。此过程引发了I-kB 的降解，从而使NF-kB 得以释放。NF-kB 转位至细胞核，激活转录。 |
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| 图29.13 背部蛋白(dorsal) 从胚胎的腹侧到背侧形成一个梯度分布。在腹侧(靠下)蛋白为亮红色，在背侧(靠上)的核团因缺少蛋白而显示为黑色小洞。 |
Toll 是一种跨膜蛋白，与脊椎动物的白细胞介素-1(IL1) 的受体同源。与配体结合可以充分地激活腹侧决定途径。这个反应发生在卵黄周(Perivitelline) 空间的腹侧。spatzle 配体不能从其分裂位置扩散到很远，或者也许它会非常迅速地结合到Toll 上，结果仅仅胚胎腹侧的Toll 被激活。因为受体不能被激活，Toll 功能丧失的突变体呈现背部化。但也存显性突变(TollD)，这些突变赋予背部区域以腹部特性，功能获得性突变因为使受体处于连续活性状态而腹部化。基因分析表明，toll 通过tube 和pelle 起作用。Tube 可能是一个衔接蛋白(Adaptor) ，能聚集激酶pelle 来激活受体。pelle 激酶的靶位还没有被证实，但是它的活化能导致cactus 的产物磷酸化，它是背部基因编码的转录因子中的最末端调控因子。图29.12 平行比较了蝇类toll 信号途径和脊椎动物IL1 途径(以生化为特征)。受体的激活引起包括与激酶结合的衔接蛋白质(脊椎动物中有几种)形成的复合物聚集。脊椎动物激酶(Vertebrate kinase，IRAK) 激活后反过来激活NIK 激酶，这就使I-k B 磷酸化。
蝇类的激酶(pelle)是直接作用于cactus(相当于I-kB)还是通过中间物作用仍不清楚。在所有的事件中，dorsal 和cactus 形成相互作用的蛋白质偶对，它们与转录因子NF-kB 及其调控因子I-kB 相关联。NF-kB 包括两个亚单位(在顺序上相关联)，它们被I-kB 限定在细胞质中。当I-kB 磷酸化时就释放NF-kB，然后NF-kB 移向细胞核，在细胞核中它作为启动子中含有kB 模序的转录因子起作用(图21.2 描述了该途径)。cactus 似乎以I-kB 调控NF-kB 的相同方式来调控dorsal。cactus-dorsal 复合物在细胞质中是无活性的，但是当cactus 磷酸化后就会释放dorsal 蛋白，后者进入细胞核。由于IL1 受体的激活对NF-kB 的激活有主要影响，而且Toll 的激活会引起dorsal 的激活，因此途径可由受体转移到效应物。
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| 图29.14 背-腹发育方式需要三种定位系统的连续作用(腹结构在dorsal 梯度中形成，背结构在Dpp 梯度中形成，Dpp: 果蝇骨形态发生蛋白)。 |
Toll 激活的结果导致在细胞核中形成dorsal 蛋白的梯度(从胚胎的腹侧到背侧)。在腹侧，dorsal 蛋白释放到细胞核中，但在胚胎的背侧dorsal 蛋白仍然保留在细胞质中。在合胞体囊胚层(Cyncytial blarstoderm) 阶段，形成一个陡峭的轴性梯度，并在细胞囊胚层阶段变得更加陡峭。dorsal 蛋白在细胞核中的比例是与此区域的腹部表型相关联的。通过抗体与dorsal 蛋白的显色反应可以观察到轴性梯度，如图29.13 所示。dorsal 蛋白在胚胎中的总量不会改变：轴性梯度仅仅是通过细胞核和细胞质中蛋白质的重新分布而建立。
Dorsal 可以激活也可以抑制基因表达。Dorsal 激活twist 和snail 基因，它们在腹部结构发育中是必需的。Dorsal 抑制基因dpp 和zen 基因，它们在背部结构发育中是必需的。因此，这些基因在胚胎的背部仅仅有40%表达。在下一部分我们将讨论Dpp 途径对背腹结构的决定情况。
各个系统之间的相互关系是背-腹发育中极为重要的一方面，如图29.14 所示。一个系统对下一个系统的抑制能力，对限制胚胎特定部分的定位能力很重要。gurken 和torpedo 之间的最初相互作用导致了胚胎背侧的spatzle 活性被抑制。这就限制了dorsal 蛋白对胚胎背侧的活化。dorsal 蛋白的核定位反过来又抑制dpp 基因的表达，因此造成了轴性梯度从背侧的扩散。通过这种方式，腹部结构按dorsal 蛋白的核轴性梯度形成，而背部结构按dpp 蛋白的轴性梯度形成。
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| 图29.15 三种轴决定系统中，卵细胞中的定位产物能使母体RNA 或蛋白在合胞体囊胚中弥散开来，合子RNA 在细胞胚层的各个带中进行转录。 |
末端系统最初是以背-腹系统相似的方法形成的。由torso 基因编码的跨膜受体是在受精后通过母体效应mRNA 翻译产生的。受体在胚胎中被定位，在极上被细胞外配体产物激活。Torso 蛋白有激酶活，这就形成一个导致tailless 和huckebein RNA 局部表达的级联，tailless 和huckebein RNA 编码调控转录的因子。
系统发育各个阶段的调控因子模型如图29.15 所示。最初的不对称性通过两种机制产生。在前-后系统中，RNA 被定位在卵的一端(bicoid 位于前端，nanos 位于后端)；定位依赖RNA 3￠末端序列与母系蛋白质的相互作用。在背-腹和末端系统中，由于配体获得量有限，受体蛋白以特异性定位的方式被激活。所有这些相互作用都是依赖于RNA 和母体效应基因表达的蛋白质。
局域化事件导致产生形态发生因子，在数量上(bicoid) 或通过核质分布(dorsal) 形成轴性梯度，或者被定位在一个较宽的区域内(nanos) 。对每个系统，形态发生因子具有活性的区域范围大约是卵的50%。形态发生因子由母体效应基因RNA 翻译产生，因此到这个阶段发育仍然依赖于母体效应基因。
在决定胚胎的方向和空间组织的第一步，是建立前-后和背-腹轴性梯度。在母体效应基因的指导下，在普通细胞质中形成轴性梯度，进而影响定位其中的细胞核行为。下一步是形成不同身体部分的不连续区域的发育。这需要合子(zygotic) 基因类群表达，此时具有活性的基因坐称为合子基因(zygotic gene) 。此阶段涉及的基因可通过体节突变体进行鉴定。
体节基因(Segmentation gene) 的产物在前-后轴形成不同的特殊区带。当同时考虑前后系统时，能看到有几个较宽区域(由前系统产生的两个区域和后系统限定的两个区域接近，见下图)。在背-腹轴系统，有三个相当宽的带，这就限定了中胚层(Mesoderm) 、神经外胚层(Neuroectoderm) 和脊外胚层(Dorsal ectoderm) 形成的区域(从腹侧向背侧伸展)。