动物个体是由受精卵经过复杂的细胞分化过程形成的。在个体形成过程中,第一个至关重要的步骤是外胚层、中胚层和内胚层这三个胚层的分化。三个胚层的分化过程受到复杂的信号转导网络的精确调控。已有的很多研究发现Nodal/activin、FGF.、BMP和Wnt/β-catenin信号通路在调控胚层分化上起到非常重要的作用。这些信号通路在适当的位置和时间被激活对于胚胎的正常发育是非常重要的。在非洲爪蛙早期胚胎的发育过程中,植物极细胞中的母源转录因子VegT负责激活Nodal信号通路的配体基因Xnr1-6。Nodal配体随后启动Nodal信号通路从而激活中、内胚层分化基因,例如Xbra、Mix1、Mix2、Gsc、Mixer、 Milk、Sox17、GATA4-6等的表达。同时,内胚层特异表达的基因会抑制中胚层基因的表达,从而使中、内胚层的形成维持在各自特定的区域内。Nodal信号通路负责诱导中内胚层的形成,而母源的β-catenin信号通路则负责胚层沿腹背体轴形成适当的型式。在背部植物极细胞中,母源的β-catenin信号激活Siamois基因的表达。而转录因子Siamois进一步激活Noggin、Chordin、Cerberus、Dkk1、 Xnr3等基因在Spemann组织者中的表达。这些在Spemann组织者中的特异表达的基因编码的分泌蛋白在背部区域抑制Nodal/activin、BMP和Wnt信号通路,从而与腹部信号相互作用建立正确的体轴图式。胚胎分化发育的过程是一个伴随着多能性流失的过程,而多能性的维持又是由一些多能性因子来调控的。对哺乳动物的研究发现这些多能性因子主要有Oct4、Sox2、Nanog、cMyc和Klf4。这些多能性基因可能在早期胚胎发育中起着非常重要的作用。目前关于Klf4在早期胚胎发育中的作用还不是很清楚,非洲爪蛙是研究早期胚胎发育的非常重要的模式动物,因此在本篇论文中我们主要用非洲爪蛙的胚胎来探索Klf4基因在早期胚胎发育过程中的功能及其分子机制。Klf4是含有三个锌指结构的转录因子,从斑马鱼到人类中都十分保守,其在在非洲爪蛙中的相关研究还没有。我们的研究首次报道了在非洲爪蛙中存在Klf4的同源蛋白。第一,我们检测了Klf4基因的时空表达谱,发现Klf4在母源和合子期均有表达,并且随着胚胎发育的过程呈现动态表达。第二,我们通过基因过表达和敲降的分析发现Klf4在早期胚胎发育的过程中起到了非常重要的作用。在胚胎中过表达Klf4导致中胚层的形成受到明显抑制,然而内胚层和神经外胚层的形成则受到了显著促进。我们利用反义寡核苷酸敲降内源的Klf4后发现三个胚层的形成均受到了明显的抑制。过表达和敲降的结果提示我们Klf4在三个胚层的诱导形成过程确实起到了至关重要的作用。第三,进一步的研究我们发现Klf4可以调节Nodal/activin信号通路,并且为胚胎提供感受Nodal/activin信号的能力,从而作用于中内胚层的形成。第四,Klf4可以直接激活Dkk1、Cerberus和Noggin在Spemann组织者中的表达。这些基因编码的分泌蛋白可以抑制Nodal/activin、BMP和Wnt信号通路,从而促使胚胎发生前部化和背部化。第五,我们发现Wnt/β-catenin信号通路的下游转导因子TCF3和LEF1可以激活Klf4基因的转录。综上所述,我们的研究首次揭示了Klf4在非洲爪蛙早期胚胎发育中的功能和作用机制,同时我们也探索了Klf4基因的转录调控机制。我们的研究对于揭示早期胚胎发育这一精密过程的调控以及多能性基因在早期胚胎发育中的作用提供了很好的借鉴,加深对胚胎发育过程中调控机制的理解。由于Klf4在胚胎干细胞中的重要作用,我们的结果对于胚胎干细胞的研究也具有重要的借鉴价值。