第八講性別決定基因鑒定及性染色體進(jìn)化

1、第二十章性別決定基因鑒定及性染色體進(jìn)化性別決定機(jī)制的探討一肓是生命科學(xué)研究中最具吸引力和最熱門領(lǐng)域之一。對(duì)兩性生物而 言，性別與分化是個(gè)體正常發(fā)育和自下而上不可缺少的一環(huán)，也是種族得以繁衍延續(xù)的物質(zhì) 基礎(chǔ)。自古以來有很多關(guān)于性別決定的稀奇古怪的說法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到 雌性和雄性個(gè)體在形態(tài)、生理和行為的許多特征及基因產(chǎn)物上才有很人的差異，然而它們?cè)?遺傳信息上絕大部分是一致的，這就更引起了人們的興趣，去揭示其中的奧秘。至今，對(duì)性 別決定機(jī)制的研究已經(jīng)形成了由遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)及進(jìn)化等多學(xué)科交叉的前 沿研究領(lǐng)域。性別發(fā)育是一個(gè)多基因調(diào)控的復(fù)雜的分化事件，是對(duì)兩套可輪換的遺

2、傳程序之 一的精確決定和執(zhí)行，而其分了機(jī)制及其多樣性使得性別決定機(jī)制的研究成為冇關(guān)胚胎發(fā)育 過程屮分了調(diào)節(jié)開關(guān)如何起作用的一個(gè)豐富的信息源泉。發(fā)育4：物學(xué)家的目標(biāo)是追溯出性別決定和分化的基因通路，并以性別決定機(jī)制作為一種模式 去理解發(fā)育的各個(gè)過程。同吋，研究人員也致力于研究在大腦屮是如何導(dǎo)致產(chǎn)生特殊的性行 為，以及在不同的生物中，進(jìn)化是如何產(chǎn)生截然不同的機(jī)制而最終獲得相同的結(jié)果。在無脊 椎動(dòng)物中，研究人員以果蠅和線蟲為實(shí)驗(yàn)對(duì)彖，已接近實(shí)現(xiàn)這個(gè)冃標(biāo)，可繪制出詳細(xì)的信號(hào) 轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，其研究領(lǐng)先于脊椎動(dòng)物；在低等脊椎動(dòng)物屮，性染色體的分化程度較低，而且其 性別決定受環(huán)境的影響較人，研究人員在此領(lǐng)域一直

3、沒有獲得突破性進(jìn)展；在哺乳動(dòng)物中， 已經(jīng)克降了一些調(diào)控性別決定和分化的基因，追溯出性別分化早期的一部分信號(hào)通路，并先 后提出了一系列模型來解釋哺乳動(dòng)物的性別決定機(jī)制。由于線蟲和果蠅決定性別分化的基因 完全不同，哺乳動(dòng)物又具冇不相關(guān)的第三套基因，這使得研究人員無法應(yīng)用從簡(jiǎn)單生物中所 獲得的信息來指導(dǎo)對(duì)高等生物的研究。因此，脊推動(dòng)物性別決定基因及其作用機(jī)制的研究主 要依賴于本身的研究系統(tǒng)。第一節(jié)哺乳動(dòng)物的性別決定一、性別決定基因的鑒定20世紀(jì)50年代確立了哺乳動(dòng)物性別決定的兩條規(guī)律：笫一，性腺的分化決定了性別的分化, 這條規(guī)律是通過一系列胎兔閹割實(shí)驗(yàn)確立的；第二，y染色體決定雄性，這條規(guī)律是在發(fā)現(xiàn)

4、 性逆轉(zhuǎn)病人的基礎(chǔ)上確立的。哺乳動(dòng)物性別決定基因的鑒定主要也是來自于對(duì)性反轉(zhuǎn)動(dòng)物的 研究?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的性別決定基因見圖201。二、性別決定和分化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑人類性別分化始于胚胎發(fā)育笫4周，牛殖皤發(fā)育成包括皮質(zhì)和髓質(zhì)的未分化性腺。男性山髓 質(zhì)分化成睪丸，而皮質(zhì)萎縮；女性由皮質(zhì)分化成卵巢，而髓質(zhì)萎縮。內(nèi)生殖器起源于中腎管 和副屮腎管。男胚中腎管分化成精巢、輸精管和副睪，副屮腎管退化；女胚副屮腎管發(fā)冇成 輸卵管、子宮和陰道的前1/3部分，中腎管退化。（圖20-2） （20-3）中b圖認(rèn)為單拷貝 的流行性dss能在正常的xx雌性小阻礙雄性發(fā)育途徑，a圖中xy雄性同受到sry基因 的作用失活。二、果

5、蠅的染色體性別決定一、果蠅體細(xì)胞性別決定20世紀(jì)初，一-系列遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)致了 “果蠅的性別由x染色體和常染色體數(shù)目比率決 定（x： a）”這一重要概念的確定，即x:a比值形成了最初的個(gè)體性別決定信號(hào)。在果蠅和大多數(shù)昆蟲中，可以獲得雌雄肉體嵌合體，為研究x染色體和性別間的聯(lián)系提供 了一個(gè)完美的典范。對(duì)這些雌雄嵌合體的研究發(fā)現(xiàn),y染色體在果蠅性別決定屮無任何作川, 僅是雄性可育的一個(gè)必需因素，在精了形成過程屮被激活。由x:a信號(hào)啟動(dòng)的果蠅性別決定包括3個(gè)不同的性別分化過程：一是體細(xì)胞的性別分化； 二是生殖細(xì)胞的性別決定；三是劑量補(bǔ)償。這三個(gè)過程有著各口的調(diào)控體系。具體見圖20 -4o二、體細(xì)胞

6、的劑量補(bǔ)償果蠅的體細(xì)胞存在類似哺乳動(dòng)物的劑最補(bǔ)償問題。哺乳動(dòng)物是通過雌性胚胎體細(xì)胞屮2條x 染色體之一的隨機(jī)失活來完成這一平衡過程的，但是果蠅體細(xì)胞的2條x染色體是同時(shí)被 激活的，因此，它的劑量補(bǔ)償可以通過降低雌性屮x連鎖基因活性的負(fù)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，也可 以通過提高雄性x連鎖基因活性的正調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，那么究竟是那一種劑量補(bǔ)償方式呢？ x:a比例不僅啟動(dòng)果蠅體細(xì)胞性別決定，也是體細(xì)胞劑量補(bǔ)償?shù)钠鹗夹盘?hào)。性致死sxl棊因， 作為果蠅性別決定的樞紐，也是這一過程的開關(guān)調(diào)控者。但是在隨后起作用的是另一套獨(dú)立 的調(diào)控基因，即被全稱為msls的4個(gè)基因。在雌性體細(xì)胞中，msls突變無任何效應(yīng)，表明雌性個(gè)體不需這

7、些基因的產(chǎn)物。但對(duì)雄性來, msls發(fā)生突變，雄性x連鎖基因的活性水平則低于正常值，此雄性突變體在幼蟲晚期和螂 早期死亡。這些結(jié)果表明劑量補(bǔ)償是通過捉髙雄性x連鎖基因的活性的正調(diào)控過程來完成 的。在雌性中,x： a之比為1, sxl基因被激活,從而msls基因則處于非活性狀態(tài),x連 鎖基因以基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄；而在雄性中，缺乏有功能的sxl蛋白，msls基因被激活，使x染 色體高水平轉(zhuǎn)錄。第三節(jié)線蟲的性別決定線蟲通常有兩種性別表型：雌雄同體和雄性。大多數(shù)個(gè)體為雌雄同體，同時(shí)具有精巢和卵巢。 在幼蟲期，產(chǎn)生精子并儲(chǔ)存在生殖道中，而成蟲產(chǎn)生卵子，當(dāng)卵子進(jìn)入子宮吋就被儲(chǔ)存的精 子所受精。線蟲的自體受精則產(chǎn)

8、生更多的雌雄同體個(gè)體，僅有0.2%的后代為雄性。雄性個(gè) 體能與雌雄同體個(gè)體交配，因其產(chǎn)生的精了比雌雄同體產(chǎn)生的內(nèi)源性精了更具競(jìng)爭(zhēng)力，這樣 交配產(chǎn)生的后代有高達(dá)50%的雄性個(gè)體。在線蟲中，xx為雌雄同體，xo為雄性。與果蠅一樣，性別山x染色體和常染色體的比值 所決定。具體見圖206。圖20-7是假設(shè)的線蟲性別決定基因相互作用簡(jiǎn)圖。第四節(jié)魚類的雌雄同體和性逆轉(zhuǎn)在蠕蟲和昆蟲中雌雄同體是不常見的，在脊椎動(dòng)物中就更罕見了。在鳥類和哺乳類，雌雄同 體是病態(tài)的口不育。脊椎動(dòng)物中大多數(shù)雌雄同休動(dòng)物存在于魚類，并分為三種類型，一種為 雌雄同熟；-種為雌性先熟；-種為雄性先熟。在魚類小還存在著性逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。識(shí)別性逆

9、轉(zhuǎn)的最有力的手段是直接觀察己確定的個(gè)體，如起 始為雄性，后來轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)卵的雌性。當(dāng)雌雄個(gè)體在外部形態(tài)和顏色上冇明顯差異時(shí)，就提供 了性逆轉(zhuǎn)的可信的證據(jù)。另一個(gè)用于鑒定性逆轉(zhuǎn)的手段是通過対確定性別的個(gè)體進(jìn)行系統(tǒng)的 活性組織檢查。如精巢中存在卵巢腔是性逆轉(zhuǎn)的有力證據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室中常利用社會(huì)系統(tǒng)改變 導(dǎo)致性逆轉(zhuǎn)的研究方法來判斷一個(gè)種類的性逆轉(zhuǎn)，或分析引起性逆轉(zhuǎn)的社會(huì)原因，如許多珊 瑚礁魚類可在實(shí)驗(yàn)室小建立雌雄比為1： 1 （單配組）體系和多配組體系。早在40多年前，就有了個(gè)體大小決定性逆轉(zhuǎn)的說法，至今仍有人堅(jiān)持，但并沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù) 表明在恒定的條件下個(gè)休達(dá)到某個(gè)特殊年齡和人小時(shí)就發(fā)牛性逆轉(zhuǎn)。然而，野外和實(shí)

10、驗(yàn)室 觀察表明，有17種原性逆轉(zhuǎn)是山社會(huì)因素或行為因素引起的，但這觀點(diǎn)并不適用于所有種 類。性逆轉(zhuǎn)發(fā)生以后，其配子細(xì)胞可能有2個(gè)來源。笫一，在原始性別發(fā)育期間，有一個(gè)靜止的 2種生殖細(xì)胞的潛在庫。性逆轉(zhuǎn)時(shí)，潛在庫就開始產(chǎn)生適宜的生殖細(xì)胞。笫二，在早期發(fā)育 屮可能產(chǎn)生了2套分化的細(xì)胞，這2種細(xì)胞在第一成體性別期間一直保持著，當(dāng)?shù)诙追只?的細(xì)胞擴(kuò)散到整個(gè)性腺時(shí)，就發(fā)生性逆轉(zhuǎn)。無論是第一種惜況的快速分化和增殖，還是第二 種情況的已分化細(xì)胞的簡(jiǎn)單增殖，都可以由外界兇索對(duì)配子細(xì)胞施加彩響而誘導(dǎo)產(chǎn)生。單性物種始終是性別進(jìn)化研究爭(zhēng)論的焦點(diǎn)z。絕人多數(shù)哺乳類和鳥類等高等脊椎動(dòng)物行有 性生殖，而爬行類和血類等

11、低等脊椎動(dòng)物中，行有性生殖或無性生殖，但不會(huì)同時(shí)貝備2 種生殖方式。而銀鯽卻同時(shí)具備兩種生殖方式，即雌核發(fā)和兩性生殖。當(dāng)川界源精了與銀鯽 卵了受精時(shí)，精核不解凝，呈凝固狀態(tài)，僅刺激銀鯽雌核的發(fā)育，所獲后代全為雌性，此過 程為典型的雌核發(fā)冇。單用同源精子銀鯽卵子受精時(shí)，進(jìn)入的精核可解凝成雄性原核，而且 雄性原核可與雌性原核結(jié)合，所獲得的后代中有一定的雄性個(gè)體,這個(gè)過程類似于兩性生殖。 銀鯽的這些特性使得具在脊椎動(dòng)物進(jìn)化過程屮位于單和兩性的過渡階段，它將有助于解答銀 鯽進(jìn)化生物學(xué)上的許多問題，如非必需基因、性別的起源與進(jìn)化和遺傳重組等。第五節(jié)環(huán)境因子與性別決定在低等脊椎動(dòng)物中，性別決定與分化受環(huán)境

12、因素的影響較大，這些因素有溫度、光照、ph 值、離子強(qiáng)度、食物供給、外源激素及動(dòng)物群體行為等。銀魚屬的性別決定，在其幼蟲完全變態(tài)z前的發(fā)育時(shí)期，受到遺傳和依賴溫度的環(huán)境因了的 調(diào)控，且不同母木的后代的性比率差異顯著，對(duì)溫度的反應(yīng)也不相同，這意味著雌雄異體的 仇的性比率可能受到環(huán)境因子的影響。采用藥餌投喂或浸浴幼仇的方法，可利用性激素誘導(dǎo) 改變魚類的生理性別，現(xiàn)已在金魚、羅非魚、鯉魚等魚類中獲得成功。而在堿性水中孵化的 有些血類，其性別比率強(qiáng)烈地偏向雄性，而在酸性的水中，偏向雄性。孵化溫度可以決定某些爬行動(dòng)物的性別,在大多數(shù)龜和鱷魚中，受精卵發(fā)育的一段特定時(shí)期, 溫度是性別分化的決定因了，而且溫

13、度的微小改變也會(huì)引起性率的劇烈改變。通常，卵在低 溫（22-27°c ）下孵化，產(chǎn)生一種性別，而在較高溫度（30c ）下孵化則產(chǎn)生另一性別的后 代。同一批卵僅在一非常狹窄的溫度范圍內(nèi)孵化呆同吋產(chǎn)生雌雄2種后代。判定決定性別分 化的發(fā)育時(shí)期可以通過將卵在產(chǎn)生雄性的溫度下培育一段時(shí)間再轉(zhuǎn)入產(chǎn)生雌性的溫度下培 育的方法來研究。如密西西比鱷的性別決定。研究表明，在孵化的7-24天的是性別分化的 決定時(shí)期。卵在30°c或更低溫度卜孵化產(chǎn)生雌性鱷魚，而在34°c或更高的溫度時(shí)則全產(chǎn)生 雄性后代。而且，當(dāng)其巢建筑在土堤上（接近34°c）產(chǎn)牛雄性后代；建筑在濕沼澤地（接

14、 近30°c）產(chǎn)生雌性后代。-種蠕蟲的性別決定依賴于其幼蟲的生長(zhǎng)環(huán)境。雌性是附著在海洋巖石上的生物，長(zhǎng)大約 10cm,具有一個(gè)可延伸至lm長(zhǎng)的吻突。吻突貝有2個(gè)功能，一是將食物從巖石上掃入其消 化道中，二是將幼蟲產(chǎn)在吻突上，并由此進(jìn)入雌性口中，遷移至子宮，長(zhǎng)成l-3mni長(zhǎng)的雄 性。因此，當(dāng)幼蟲附著在巖石表而，發(fā)育為雌性；但當(dāng)相同的幼蟲附著在雌性的吻突上，則 發(fā)育成雄性。雄性個(gè)體終生生活在雌性個(gè)體向上，為其卵授精。當(dāng)幼蟲在無雌性成蟲的環(huán)境 中培養(yǎng)，人約90%幼蟲發(fā)冇成雌性；而當(dāng)這些幼蟲在有雌性成蟲時(shí)，70%的個(gè)體附著在吻突 上，發(fā)育為雄性結(jié)構(gòu)。幼蟲雄性分子研究可以通過抽提雌性的吻突來

15、進(jìn)行。當(dāng)幼蟲在無雌性 成蟲的正常海水中發(fā)育，大多數(shù)個(gè)體發(fā)育成雌性。當(dāng)在含有吻突組織抽提液的海水中生長(zhǎng)時(shí), 人多數(shù)個(gè)體發(fā)冇成雄性或間性體。因此，環(huán)境因子是決定某些低等脊椎動(dòng)物性別的關(guān)鍵。在這些動(dòng)物屮，雌性和雄性在遺傳上 并沒有區(qū)別，環(huán)境信號(hào)啟動(dòng)基因的表達(dá)不同，從而影響動(dòng)物的性別。笫六節(jié) 性別及性染色體的進(jìn)化一、調(diào)控性別的遺傳途徑及具進(jìn)化在動(dòng)物界，存在有性生殖和無性生殖兩種主要的生殖方式。絕人部分動(dòng)物行有性生殖，但有 性生殖似乎得不償失。對(duì)生物而言，性別常常意味著需要花人量的精力去尋找配偶，并與z 交配；對(duì)細(xì)胞而言，雌雄基因組必須重組，并不能發(fā)生任何重大錯(cuò)誤；配子發(fā)生和諧的融合, 而且維持種間障礙

16、。對(duì)每一步而言，為了使整個(gè)種獲利，不同性別的利益沖突必須梢確地協(xié) 商解決。有性生殖占主導(dǎo)地位，這促使研究人員去探討性別能提供什么樣的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。關(guān)于這個(gè)問題 的爭(zhēng)論依然很激烈，主要集中在2個(gè)問題上：第一，為什么最初進(jìn)化出性別？為什么性別在 口然界普遍存在？第二，這些復(fù)雜的性別系統(tǒng)是如何進(jìn)化而來的？在20世紀(jì)的前半葉,細(xì)胞遺傳學(xué)的研究表明，性染色體在動(dòng)物種間,甚至非常相近種間的 存在著變異，這意味著性染色體進(jìn)化較快。而此后的遺傳學(xué)研究表明，即使在一些染色 體明顯相同的種間，性別決定機(jī)制也顯著不同，這就進(jìn)一步加寬了性別決定機(jī)制潛在的變異 性，甚至鑒定出了性別決定機(jī)制在種內(nèi)的差界。二、性別決定發(fā)主改變

17、的節(jié)律在許多理論和實(shí)驗(yàn)去研究性別決定突變是如何固定在自然種群屮的c從這些研究中可以得岀 3個(gè)結(jié)論。第一，不是所冇的改變都是平等的。每一種改變的頻率高度依賴性別決定的遺傳 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。第二，在許多種中，最初的性別決定機(jī)制與性別的二態(tài)性緊密聯(lián)系在一起，而這 種二態(tài)性通常與性染色體所攜帶的基因的不同和關(guān)。界型染色體的存在極大地影響了性別的 改變。第三，性別決定的轉(zhuǎn)換在一些有利的方面。除去所有的內(nèi)在因了（遺傳結(jié)構(gòu)和異型染色體的存在），同樣也有一些外在的因了影響性別 決定變界固定下來的可能性。考慮到對(duì)性別決定基因的選擇壓力，產(chǎn)生了一個(gè)要討論的問題: 性別決定基因以較快的速度進(jìn)化。曾經(jīng)有人認(rèn)為性別決定棊因的

18、快速進(jìn)化少止向選擇壓力有 關(guān)。一般認(rèn)為，異形性染色體是由原始的同源染色體演變而來的，異配性別的2條性染色體只冇 在保持隔離的情形下，相對(duì)的性別決定才能積累在原始的性染色體上。隔離是性染色體分化 的一個(gè)重要的條件。隔離可能來自xy或zw之間的同源片段的缺失、重復(fù)、倒位等局部變 化。從原始的些須同體進(jìn)化到雌雄界體的關(guān)鍵涉及兩步突變：雄性不育突變使雌雄同體轉(zhuǎn)變 為雌性；雌性不冇突變使雌雄同體轉(zhuǎn)變?yōu)樾坌?。假設(shè)一個(gè)原初隱性雄性不冇突變，為防止交 換而在其非常近的連鎖位點(diǎn)上會(huì)發(fā)生一些雌性不育突變。這一系列的突變將產(chǎn)生攜帶雌性口 j 育、雄性不育基因的原始x染色體和攜帶雌性不育、雄性可育的原始y染色體。對(duì)兩

19、性差 界的選擇將導(dǎo)致在原始x、y染色體之間一個(gè)較寬的區(qū)域內(nèi)遺傳物質(zhì)的交換減少。而缺乏交 換將在y染色體上積累有害突變、轉(zhuǎn)朋因子、串連重復(fù)dna。在許多無脊椎動(dòng)物和脊椎 動(dòng)物屮，染色體結(jié)構(gòu)上的微小變化也會(huì)導(dǎo)致性染色體間dna順序在組織上有很大不同，從 而使y染色體與x染色體不同，除了性別特界的功能外，y染色體累進(jìn)地丟失有功能的序 列，而其它遺傳物質(zhì)是惰性的。y染色體上有害物質(zhì)的積累是一個(gè)隨機(jī)的過程或通過與有利 的y連鎖的突變等位基因的結(jié)合而擴(kuò)展開來。在界配綸殖中，與y染色體相比，x染色體 上與性別無關(guān)的區(qū)域的活性相對(duì)于y染色體而言增加了，因此必須進(jìn)化了一個(gè)劑量補(bǔ)償系 統(tǒng)。盡管在不同的分類群有著獨(dú)

20、立的起源，構(gòu)成染色體水平上的性別決定的分子機(jī)制的性質(zhì)是大 致相同的。魚類在脊椎動(dòng)物的系統(tǒng)演化屮處于承前啟示的地位，是揭開包括人類在內(nèi)的所有脊椎動(dòng)物進(jìn) 化奧秘的關(guān)鍵。魚類的性染色體的分化處在不同的時(shí)期，其進(jìn)化以極其多樣的方式進(jìn)行。鳥類的z染色體為哺乳動(dòng)物的x染色體具有不同的基因，表明它們?cè)谶^程中具有不同的起 始遺傳物質(zhì)。在脊椎動(dòng)物屮，x、y染色體具有高度的同源性，這與性染色休由一對(duì)同源染色體進(jìn)化而來 的假說相一致；有袋類動(dòng)物屮，僅失活父源的x染色體，可能是真獸類x染色體隨機(jī)失活 的一種小間過渡狀態(tài)。有袋類動(dòng)物和人類在x染色體長(zhǎng)臂和短臂近端部分的位點(diǎn)的保守性, 表明祖先x染色體也存在著這些位點(diǎn)。和

21、反，在人類x染色體短骨上（包括擬常染色質(zhì)區(qū)或 x、y重紐配對(duì)區(qū)），定位了有袋類和單孔類動(dòng)物的兩個(gè)常染色體基因簇。這表明x染色體 的短臂的人部分來自于常染色體向祖先x染色體的易位。在有袋類的y染色體上發(fā)現(xiàn)了 sry 基因的同源序列，而在單孔類尚未發(fā)現(xiàn)類似序列，這表明sry <11先基因的表達(dá)方式。性染色體進(jìn)化假說，原始x、y染色體為常染色體，性別由環(huán)境因子或基因（與現(xiàn)今的性別 調(diào)控基因座不同）調(diào)控。（圖20-8）所示的基因sox3和sst（sexual selected trait ,性別選擇特 性基因）分別為可能的性別決定基因和性別選擇基因。sox3是一個(gè)已知的位于哺乳動(dòng)物x 染色體上在

22、，sst慕因冃前是理論上的。最初，s0x3和sst的2個(gè)等位基因在功能是一致 的，見圖20-8ao在進(jìn)化過程屮，一個(gè)原始性染色體上的s0x3基因發(fā)生突變，從而具有睪 丸決定的功能，最終iii s0x3進(jìn)化為現(xiàn)在的sry基因。含有sry基因的性染色體被定義為 y染色體(右邊)，而含有sox3基因的被定義為x染色體(左邊)，sry/s0x3的個(gè)體為雄性, sox3/sox3的個(gè)體為雌性。在這個(gè)階段，沒有選擇壓力促使性染色體分化，見圖20-8bo y 染色體上的第二個(gè)位點(diǎn)sst突變?yōu)閟stm(scxual selected trait in male,雄性性別選擇特性基 因)有利丁雄性個(gè)體攜帶，并擴(kuò)

23、展到整個(gè)種群屮。sry和sstm重組獲得的重組體不具備這 種優(yōu)勢(shì)而不能擴(kuò)展，見圖20-8co由x染色體突變產(chǎn)生xist基因，通過雄性減數(shù)分裂過程 濃縮未成熟的性染色體來抑制sry和sstm間發(fā)生的重組，以穩(wěn)定y染色體1二sry和sstm 間的有利的排列，見圖20-8do在muller ratchet的作用下，y染色體開始積聚突變(由圖上 *表示)，且因倒位等因素抑制重組，見圖20-8eo當(dāng)y染色體積聚突變吋，x染色體上基因 的活性互補(bǔ)性增加，以補(bǔ)償y染色體上基因活性的喪失，xist基因的活性適應(yīng)了 x染色體 失活的功能，以平衡雌雄個(gè)體間x連鎖基因的表達(dá)水平；y染色體上大塊革因缺火，獲得 人面積

24、異染色質(zhì)。原始sstm基因可能被丟失，而獲得新的雄性有利突變。而且通過添加 染色體片段等方式y(tǒng)染色體獲得新的基因，即par(pseudoautosomal region,假常染色質(zhì)區(qū)), 這些添加的皋因在進(jìn)化中可能滲入到y(tǒng)特異區(qū)域而獲得新的功能，見圖20-8fox染色體失活的進(jìn)化假說：在進(jìn)化過程中，雄性個(gè)體x染色體的濃縮發(fā)生在雌性個(gè)體一個(gè)x 染色體失活之前，而且二者都應(yīng)用了 xist激活機(jī)制。界型性染色體的進(jìn)化導(dǎo)致了雄性仆人 可不配對(duì)染色體片段的出現(xiàn)，見圖20-9(a), (b),不利于性染色休間有害交換的發(fā)牛和非同 源配對(duì)。在發(fā)生次數(shù)分裂的細(xì)胞屮富含諸如核酸酶等因了，由于不配對(duì)染色體暴露在這

25、些因 了的作用下，可能受到損壞。假設(shè)為了減少這些潛在的冇害效應(yīng)，選擇了一種染色質(zhì)濃縮機(jī) 制，產(chǎn)牛x染色體的兼性異染色質(zhì)，見圖20-9(c),極人地阻礙了酶的作用。x染色體的保 護(hù)性濃縮由xist rna所介導(dǎo)，其表達(dá)受x失活中心調(diào)控。雄性個(gè)體在減數(shù)分裂過程x染色 體濃縮的一個(gè)不可避免的結(jié)果是x連鎖基因的失活。性染色體的異形性，不論具起源方式, 都需要產(chǎn)生劑量補(bǔ)償系統(tǒng)以平衡雌雄間x連鎖基因的劑氐現(xiàn)在已提出幾種劑錄補(bǔ)償機(jī)制, 在雌性哺乳動(dòng)物中，通過濃縮而火活，很可能是通過在雄性個(gè)體中所獲得的xist rna機(jī)制 的補(bǔ)充形式來完成，見圖20-9(c), (d)0有趣的是，在精子形成過程中xist基因

26、的甲基化方 式與雌性外源胚胎組織x染色體非隨機(jī)部分失活一致。xy小體中失活x和y染色體的結(jié) 合特性及巴氏小體失活x染色體的特性在2咱性別町能是由相同的分了機(jī)制作用的。根據(jù)對(duì)人類x和y染色體上19對(duì)同源基因片段的分了進(jìn)化資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這19對(duì) 基因可依其堿基替換率而明顯地分成4組，每組分別與一個(gè)進(jìn)化年代相對(duì)應(yīng)，同時(shí)他們也在 參考了近年來對(duì)單孔類、有袋類等低等哺乳動(dòng)物性染色體分子進(jìn)化分子進(jìn)化研究資料的基礎(chǔ) 上，提出了哺乳動(dòng)物祖先到人類的性染色體進(jìn)化的4個(gè)階段(four evolutionary strata)的假說, 指出在這4個(gè)進(jìn)化階段屮，y染色體經(jīng)過4次倒位，分別形成x染色休的一部分，這

27、4部 分按照進(jìn)化時(shí)期集依次排列聯(lián)結(jié)，最終構(gòu)成人類的完整x染色體。見圖20-10。第七節(jié)性行為的發(fā)育一、組織激活假說若將胚胎或剛出生的嬰兒置于特殊的激素中，會(huì)導(dǎo)致其中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)牛永久的性別專一的 變化嗎？在雌性小鼠出牛的笫一周，由于睪酮的缺乏，導(dǎo)致成熟雌性小鼠垂休循壞分泌促黃 體素。可以雌性小鼠出生示4d通過注射睪酮使其在成熟示不循環(huán)分泌促黃體素；相反，也 可以在雄性小鼠出生后id內(nèi)去除睪丸使其循環(huán)分泌促黃體索。一般認(rèn)為，性激索在哺乳動(dòng) 物的胚胎期或剛出主時(shí)作用于組織神經(jīng)系統(tǒng)，而且在其成體屮，同樣的激索也有短轉(zhuǎn)的活性 效應(yīng)。這就是組織激活假說。冇趣的是，決定雄性大腦方式的主要激素是雌二醇。在胚

28、胎或剛岀生的嬰兒的血液中，睪酗 檢測(cè)這標(biāo)記是否存在“非同性戀者”家族的男性）并沒冇報(bào)道，統(tǒng)計(jì)的偏差被認(rèn)為冇問題， 特別是其他實(shí)驗(yàn)室并沒能重復(fù)此實(shí)驗(yàn)。在相同實(shí)驗(yàn)室的-個(gè)最近的結(jié)果，hu和他的同事發(fā) 現(xiàn)當(dāng)同性戀另人與他非同性戀兄弟比較，該區(qū)域沒有或僅有極少增加。因此他們的結(jié)論：這 段區(qū)域?qū)π詢A向來說既不是必要也不是充分的。基因是編碼rna和蛋白質(zhì)的，而非行為的。當(dāng)基因可能偏向行為結(jié)果時(shí)，我們沒有證據(jù)證 明這些基因是如何“控制”行為的?！岸鄠€(gè)性綜合癥”的人的存在，表明一個(gè)表型可支持一 廣范圍的個(gè)性。既然很多人在同性戀利界性戀行為間轉(zhuǎn)換，肯定對(duì)“同性戀表型”定義出了 問題。因此，同性戀渴求的形式是山核

29、內(nèi)的基因、胚胎發(fā)育期的性激素，不是出生后的經(jīng)驗(yàn) 所決定的這個(gè)問題仍然沒有明確的答案。性別分化雖然是最基木的發(fā)冇事件之一，但其分了機(jī)制卻極其多樣化，幾乎所有已知類型的 調(diào)控機(jī)理都被用上了。哺乳類決定于y染色體；果蠅和線蟲決定于x染色體的多少，龜和 鱷決定丁其卵的孵化溫度，boneilia依賴丁幼蟲的生長(zhǎng)環(huán)境。不同動(dòng)物涉及的劑量補(bǔ)償機(jī)制 也不相同。哺乳類通過將x染色體隨機(jī)失活一條平衡雌雄兩性的x連鎖基因產(chǎn)物的數(shù)量， 果蠅是使雄性的x染色體的轉(zhuǎn)錄水平捉高1倍，線蟲則是使xx個(gè)體的x轉(zhuǎn)錄水平降低。 性別決定的多樣性為研究胚胎發(fā)冇過程中分了調(diào)節(jié)開關(guān)作用機(jī)制提供了一個(gè)豐富的信息源 泉。關(guān)丁性別決定的研究已

30、在國際上全面展開，涉及哺乳類、有袋類、昆蟲、線蟲和蕨類等諸多 物種，在性別決定因子、級(jí)聯(lián)調(diào)控體系、生殖細(xì)胞的性別決定、劑最補(bǔ)償和性染色體的進(jìn)化 等領(lǐng)域都取得了引人注冃的進(jìn)展。第二一章細(xì)胞核的全能性與可塑性100多年前,德國病理學(xué)家r.virchow的著名論斷“細(xì)胞來自細(xì)胞” （omnis cellula e cellula） 使人們認(rèn)識(shí)到一個(gè)有機(jī)體的所有細(xì)胞都來源于一個(gè)受精卵細(xì)胞。細(xì)胞分裂及dna的半保留 復(fù)制方式的發(fā)現(xiàn)又使遺傳物質(zhì)一代一代精確的傳遞一目了然。染色體是遺傳物質(zhì)的載體，它 們集中在每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核中，因此細(xì)胞核指導(dǎo)牛物體的個(gè)體發(fā)育。既然受精卵能夠發(fā)育成 一個(gè)完整的有機(jī)體，具有發(fā)育

31、的全能性，那么它產(chǎn)生的子代細(xì)胞、直至高度分化的體細(xì)胞是 否在發(fā)育的潛能上同受精卵一樣呢？這個(gè)現(xiàn)在看來似乎很容易冋答的問題從提出到有最終定論經(jīng)過了科學(xué)家的努力，從細(xì)胞學(xué)說 的提出到體細(xì)胞克隆羊的誕生，前后共計(jì)158年的時(shí)間。細(xì)胞核具有發(fā)展全能性（totipotency） 的結(jié)論至少要接受如下兒個(gè)方血的證明：1,細(xì)胞核包含有指導(dǎo)該細(xì)胞發(fā)育成完整個(gè)體需要 的全部遺傳信息；2,細(xì)胞的分裂過程中，遺傳物質(zhì)能精確、完整地傳遞；3,細(xì)胞分化沒有 破壞基因組織結(jié)構(gòu)的完整性；4,細(xì)胞分化沒有導(dǎo)致細(xì)胞核兵至細(xì)胞的發(fā)冇潛能的不可逆性 變化。低等動(dòng)物很強(qiáng)的再生能力和在生產(chǎn)實(shí)踐中已廣泛應(yīng)用近千年的植物無性繁殖技術(shù)使人們

32、隱 約得到答案。但是真正用實(shí)驗(yàn)方法直接證實(shí)卻是20世紀(jì)創(chuàng)建的單細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)（植物）和細(xì) 胞核移植技術(shù)（動(dòng)物）。1958年，高等分化的植物體細(xì)胞具有全能性和町逆性得到了證明。1997 年，體細(xì)胞克隆羊“多莉”的誕生宣告了高等動(dòng)物的體細(xì)胞核同樣具有全能性。以下是與細(xì) 胞核全能性的證明有關(guān)的重要事件：1839年，schwann在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，正式提出細(xì)胞學(xué)說；1855年,virchow提出“細(xì)胞來自細(xì)胞”論斷;1865年，mendel首次報(bào)道了用豌豆進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了遺傳因了的分離和重纟r 規(guī)律。1870年，flemming證實(shí)了細(xì)胞核在保持細(xì)胞連續(xù)性方面具有重要作用；1883年，

33、roux主張染色體是遺傳單位的攜帶者；1884年，hertwing和strasburger認(rèn)為細(xì)胞核含有控制遺傳的相關(guān)因子；1885年,wcismann提出了種質(zhì)學(xué)說;1888年，roux開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的新領(lǐng)域，但是其最初在蛙胚實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失敗卻支持了當(dāng) 時(shí)流行的“體細(xì)胞的分化是由于遺傳物質(zhì)丟失造成的”錯(cuò)誤觀點(diǎn)；1892年，driesch證明海膽2細(xì)胞和4細(xì)胞胚胎的單個(gè)細(xì)胞能分別發(fā)育成完整的胚胎；1894年，loeb進(jìn)行早期的核移植實(shí)驗(yàn)，將單個(gè)細(xì)胞的核移植到一個(gè)去核卵的細(xì)胞質(zhì)屮； 1914年，spcmann在蛾!k和火蜥蜴中（1928年）進(jìn)行了核移植實(shí)驗(yàn)；1938 年,spemann 在&qu

34、ot;embryonic development and induction一書中公開 了一個(gè)"奇異"的 想法，提出如果將一個(gè)分化細(xì)胞的核導(dǎo)入去核卵代替卵細(xì)胞核后，所形成的組合細(xì)胞將如何 發(fā)育。14年后，這一奇特實(shí)驗(yàn)構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)；1952年，briggs和king開發(fā)出細(xì)胞核移植技術(shù)，并首先用美洲豹蛙的囊胚細(xì)胞進(jìn)行核移植 獲得正常發(fā)育的蝌蚪。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果震動(dòng)了整個(gè)生物界；1953年，watson和crick報(bào)道了 dna的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；1958年，fischberg, elsdale, gurdon用爪蟾囊胚早期細(xì)胞作核供體進(jìn)行核移植；1962年，gurdon宣布將川高

35、度分化的成體蛙的腸細(xì)胞作核供體進(jìn)行核移植；1963 年,haldane 在一次名為 “biological possibilities for the human species of the next ten-thousand years,i講中首次使用 “clone” 一詞；1977年,gurdon以一只白化蝌蚪的腸上皮細(xì)胞作核供體，通過核移植獲得30只白化成體蛙, 引起世人囑目;1981年,illmensee和hoppe宣布將具遺傳標(biāo)記的小鼠囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞核移植去核受精卵, 得到了幼鼠，這是世界上第一例哺乳類克隆的報(bào)道；1995年，wilmut和campbell用已經(jīng)分化的、體外培養(yǎng)的

36、綿羊胚胎細(xì)胞，經(jīng)核移植獲得世界 上第一例分化細(xì)胞克隆羊；1997年，wilmut和他的同事采用成體母羊的乳腺細(xì)胞作核供體，獲得世界上笫一例類體克 隆哺乳動(dòng)物真正意義上的體細(xì)胞克隆羊“多莉”。第一節(jié)細(xì)胞核是細(xì)胞全能性的基礎(chǔ)細(xì)胞核的全能性是指一個(gè)細(xì)胞核具冇該物種完整的遺傳信息，在適當(dāng)?shù)臈l件下能夠發(fā)育成一 個(gè)完整個(gè)體的能力。植物體細(xì)胞和動(dòng)物受精卵、早期胚胎細(xì)胞具有發(fā)育的全能性就在于每個(gè) 細(xì)胞的細(xì)胞核中都含有和同的、完整的遺傳信息，因此細(xì)胞核是細(xì)胞具有發(fā)育全能性的基礎(chǔ)。 冇關(guān)細(xì)胞核全能性的介紹還得從細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立開始。一、細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立細(xì)胞學(xué)說（cell theory）是19世紀(jì)德國的植物學(xué)家施萊登和

37、牛:理學(xué)家施旺共同捉出的。1838年, 施萊登根據(jù)口己的實(shí)驗(yàn)觀察，提出所有植物體都是由細(xì)胞組合而成的。一年后，施旺認(rèn)為所 有動(dòng)物體也是由細(xì)胞所組成，在總結(jié)前人的工作的基礎(chǔ)上，首次提出“細(xì)胞學(xué)說”這一名稱。 施旺雖然提出了細(xì)胞學(xué)說，但是對(duì)于細(xì)胞的來源問題卻不清楚。后來德國的病理學(xué)家 r.virchow明確提出“細(xì)胞來自于細(xì)胞”的著名論斷，使細(xì)胞學(xué)說更加充實(shí)。這樣細(xì)胞學(xué)說 就包含了 3個(gè)方而的內(nèi)容，1、細(xì)胞是多細(xì)胞牛物的最小結(jié)構(gòu)單位，對(duì)單細(xì)胞生物來說，一 個(gè)細(xì)胞就是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體；2、多細(xì)胞生物的每一個(gè)細(xì)胞即是一個(gè)代謝活動(dòng)單位，執(zhí)行特 定的功能;3、細(xì)胞只能由細(xì)胞分裂而來,即細(xì)胞來自細(xì)胞。細(xì)胞學(xué)說

38、和后來廉生質(zhì)理論的捉出，冇力推動(dòng)了生物學(xué)家對(duì)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，使對(duì)細(xì)胞 的研究出現(xiàn)了一個(gè)繁榮時(shí)期。相繼發(fā)現(xiàn)了一系列的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞活動(dòng)現(xiàn)彖，包括受精過程 中卵子和梢子原核的融合、有絲分裂和減數(shù)分裂，明確了細(xì)胞核在兩代個(gè)體之間連續(xù)性的重 要作用。細(xì)胞學(xué)說也促進(jìn)和推動(dòng)了各生物學(xué)科的發(fā)展和細(xì)胞學(xué)的聯(lián)系。如細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用到分類學(xué)上, 從而把動(dòng)物分為原生動(dòng)物（單細(xì)胞動(dòng)物）和后牛動(dòng)物（多細(xì)胞）；將細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用胚胎學(xué)上，確 定了精了和卵都是細(xì)胞；將細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用到病理學(xué)上，認(rèn)為病理過程是在細(xì)胞和組織中進(jìn)行 的，由此發(fā)展了細(xì)胞病理學(xué)。但是將細(xì)胞學(xué)說應(yīng)用到發(fā)冇生物學(xué)上，在當(dāng)時(shí)卻無法解釋細(xì)胞 遺傳和細(xì)胞分化在有機(jī)體

39、的矛盾和統(tǒng)一。二、細(xì)胞分化是遺傳物質(zhì)丟失觀點(diǎn)的捉出roux做了開創(chuàng)性的工作。他用一根燒燙的針破壞蛙2細(xì)胞屮的其屮一個(gè)細(xì)胞，以觀察胚胎 的兩個(gè)細(xì)胞的分化差異及胚胎的發(fā)情況。他發(fā)現(xiàn)被破壞的細(xì)胞不再繼續(xù)發(fā)育，而存活的另一 個(gè)細(xì)胞則只能進(jìn)一步發(fā)育成胚胎的左半部分或右半部分（如圖21-l）o此實(shí)驗(yàn)證明了從2細(xì)胞 時(shí)期起，胚胎兩分裂球未來發(fā)育命運(yùn)就已經(jīng)被確定，毀掉一個(gè)細(xì)胞，另一個(gè)只能形成半個(gè)胚 胎。然而這個(gè)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論卻是錯(cuò)誤的，原因口j能是燒燙的針對(duì)胚胎的一部分造 成了不可逆的損傷，活的分裂球由于接觸到死的卵裂球從而彩響了進(jìn)一步的發(fā)冇。 driesch（1892）不久就心海膽做了類似的實(shí)驗(yàn)。激

40、烈搖動(dòng)海膽的2細(xì)胞胚胎和4細(xì)胞胚胎，可 將單個(gè)分裂球（細(xì)胞）分離開來，結(jié)果每個(gè)細(xì)胞依然能夠繼續(xù)發(fā)育成完整的海膽幼蟲。1885年, weismann提出了種質(zhì)學(xué)說，卻仍然以roux的錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來支持他提出的細(xì)胞分化和 發(fā)育源于遺傳物質(zhì)的丟失造成的，每一種組織只保留了其特冇的遺傳物質(zhì)。染色體不發(fā)生丟 失的細(xì)胞成為種質(zhì)細(xì)胞（生殖細(xì)胞），發(fā)生丟失的細(xì)胞則成為體質(zhì)細(xì)胞（體細(xì)胞）。他把遺傳物 質(zhì)稱為決定子（determineant）,并描述了染色體自我復(fù)制決定子的假說。但是他乂認(rèn)為，胚胎 決定子的不同分布，導(dǎo)致了細(xì)胞分化。細(xì)胞類型少細(xì)胞功能的差杲是由于分化細(xì)胞的細(xì)胞核 屮只保存了自身組織和細(xì)胞所特有的

41、遺傳物質(zhì)，而其他遺傳物質(zhì)在分化過程小丟失了。因此 細(xì)胞特化是一種不可逆的過程。導(dǎo)致weismann這一觀點(diǎn)能夠在以后5（）多年間廣泛流行的原因述有當(dāng)時(shí)馬蛔蟲細(xì)胞在胚胎 發(fā)育過程中發(fā)生的染色體消減現(xiàn)象。1910年boveri用馬蛔蟲卵做了一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)（如圖 21-2）o馬蛔蟲的合子核有2對(duì)染色體，第一次卵裂時(shí)為緯線分裂而不是一-般的經(jīng)線分裂， 結(jié)果將受精卵的動(dòng)物極和植物分隔成2個(gè)卵裂球（a圖），更為奇怪的是，在產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì) 胞中，染色體的命運(yùn)也不和同。第二次分裂時(shí)，動(dòng)物極細(xì)胞（ps）為經(jīng)線裂而植物極細(xì)胞仍為 緯線裂（b圖），來口動(dòng)物極的細(xì)胞每一條染色體的中央部分分裂成許多小碎片，而超下兩端

42、人的部分。以后這些小碎片重新組成子核，進(jìn)行分裂，兩端兩塊人的則位于細(xì)胞膜附近的細(xì) 胞質(zhì)小，不進(jìn)入核內(nèi)，逐漸消失在細(xì)胞質(zhì)中，因此許多基因也隨z喪失（c圖）。與動(dòng)物極相 反，植物極細(xì)胞可以正常進(jìn)行核分裂成為2個(gè)細(xì)胞（b圖撚而靠近動(dòng)物極的細(xì)胞也發(fā)生染色 體丟失（d圖）的ps部分，另一細(xì)胞卻能正常分裂。如此反復(fù)分裂，最后保持正常染色體（s-pg） 的細(xì)胞將來成為生殖細(xì)胞，染色體部分丟失的細(xì)胞分化成體細(xì)胞。這種在卵裂過程除原始生 殖細(xì)胞保留完整的兩條染色體，其他細(xì)胞染色體均發(fā)生大段丟火的現(xiàn)象稱為染色體消減 （chromosome diminution）o boveri推測(cè)這種現(xiàn)象是由于卵內(nèi)細(xì)胞質(zhì)成分不平

43、衡造成的,在卵 子植物極可能含有某種特殊的細(xì)胞質(zhì)能肌止染色體消減，并且用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述推論的正確 性。馬蛔蟲染色體消減現(xiàn)象雖然是一個(gè)特例，但在當(dāng)時(shí)卻作為實(shí)際例證被學(xué)術(shù)界普遍接受。三、分化細(xì)胞的遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生變化1901-1903年，spcmann用嬰兒細(xì)發(fā)結(jié)扎嫌?jì)愂芫?，將第一次卵裂形成?個(gè)分裂球分離, 分別進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個(gè)分裂球都能發(fā)育成一個(gè)正常而較小的胚胎。他分析roux得出 錯(cuò)誤結(jié)論的原因，可能是因?yàn)楸粺後槧C死的細(xì)胞対正常細(xì)胞的發(fā)育具有抑制作用，是一種不 幸的人為現(xiàn)象。1933年，schmidt $復(fù)了 roux的實(shí)驗(yàn)，但他把燙死的一個(gè)分裂球去掉，使 存活的分裂球不受影響，結(jié)果

44、這個(gè)存活的細(xì)胞能繼續(xù)發(fā)育成完整的胚胎。至此，在rouxz 后的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，早期胚胎的分裂球是全能的。但是這包括某些無脊椎動(dòng)物，如 線蟲，它們的發(fā)育是一種規(guī)則的發(fā)育：即使分離受精卵最初分裂所產(chǎn)生的2個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì) 胞也有自己不同的命運(yùn)。后來的研究解釋了線蟲早期卵裂球有不同命運(yùn)的原因：山于線蟲細(xì) 胞以一種不對(duì)稱的分裂方式進(jìn)行分裂，雖然冇絲分裂產(chǎn)生的了代細(xì)胞繼承了母細(xì)胞的遺傳信 息，但是細(xì)胞質(zhì)成分是不均等分配的，因此導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)不同的命運(yùn)，這表明細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞 發(fā)育的命運(yùn)是有影響的。隨著對(duì)細(xì)胞有絲分裂的逐步認(rèn)識(shí)和理解，人們開始對(duì)weismann的學(xué)說產(chǎn)牛了懷疑。有絲分 裂足以保證細(xì)胞核屮的遺

45、傳物質(zhì)在2個(gè)子代細(xì)胞中的均等分配，因此子代細(xì)胞的染色體數(shù)目 或遺傳信息應(yīng)該與受精卵札i同。dna半保留精確復(fù)制的發(fā)現(xiàn)更加表明細(xì)胞核遺傳物質(zhì)在細(xì) 胞分裂中的穩(wěn)定性。因此，weismann的學(xué)說從理論上已經(jīng)被否決。既然細(xì)胞核所具冇的遺 傳信息沒有發(fā)生改變，遺傳物質(zhì)在個(gè)體發(fā)育有重耍指導(dǎo)作用，那么胚胎細(xì)胞、分化細(xì)胞或特 化細(xì)胞及其細(xì)胞核是否具有發(fā)育的全能性呢？即是否能發(fā)育成完整的個(gè)體或者指導(dǎo)細(xì)胞發(fā) 育成完整的個(gè)體呢？于是，研究細(xì)胞(核)的全能性很自然就成為許多發(fā)育生物學(xué)家倍感興趣 的課題。四、細(xì)胞核的全能性和細(xì)胞全能性全能性最早用動(dòng)物胚胎學(xué)，是指分裂球發(fā)育成為完整胚胎的能力?，F(xiàn)在所謂的全能性問題, 是

46、指與合子具有相同遺傳內(nèi)容的體細(xì)胞、胚胎細(xì)胞等或它們的細(xì)胞核是否也同合子一樣具有 相同的發(fā)育潛能，即細(xì)胞發(fā)育全能性或細(xì)胞核發(fā)育全能性問題。全能性的基礎(chǔ)在于所冇的細(xì) 胞核包含一個(gè)物種的全套染色體組，具有發(fā)冇成一個(gè)完整個(gè)體所需要的全部遺傳物質(zhì)。細(xì)胞核全能性和細(xì)胞全能性是2個(gè)不同的概念，不能混為一談。對(duì)于受粕卵，它能夠分化岀 各種組織和細(xì)胞，并能發(fā)育成完整的個(gè)體，因此，受精卵具有的全能性加于細(xì)胞全能性。相 同性質(zhì)還有-高等植物的體細(xì)胞，以及動(dòng)物的早期胚胎細(xì)胞都具啟細(xì)胞全能性。高度分化的動(dòng) 物細(xì)胞，其發(fā)育潛能變得越來越窄，失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力，但是細(xì)胞核的基因組仍 然保持完整。如果將分化的細(xì)胞核通

47、過核移植等方法導(dǎo)入公核的卵細(xì)胞或受精卵，在供體核 和受體卵細(xì)胞質(zhì)的共同作用下，依然可能發(fā)育成一個(gè)完整的個(gè)體，體細(xì)胞克隆動(dòng)物的成功就 是很好的例證。在這些例子屮，表現(xiàn)出來的全能性就是細(xì)胞核全能性。因此核的全能性并不 代表細(xì)胞具有全能性，細(xì)胞分化過程屮是逐漸失去其全能性的。笫二節(jié)細(xì)胞分化與潛能的變化多細(xì)胞生物由受粘卵開始生長(zhǎng)發(fā)育，最終形成由多種類型的細(xì)胞、組織和器官構(gòu)成的有機(jī)體。 如人類個(gè)體即由200多種細(xì)胞組成，每種類型的細(xì)胞無論在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能上等都具有 明顯的差異。像這樣在個(gè)體發(fā)育過程小，細(xì)胞間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定差異的 過程稱為細(xì)胞分化(cell differentiati

48、on)o細(xì)胞分化能力的強(qiáng)弱稱為發(fā)育潛能(developmental potential).,根據(jù)發(fā)育潛能可以將細(xì)胞分成 全能性、多能性、單能性細(xì)胞及終末分化細(xì)胞。受精卵具有分化出各種組織和細(xì)胞的潛能, 并能發(fā)冇成一個(gè)完整的個(gè)體，表明受精卵的發(fā)冇潛能具有全能性(totipotency)o高等動(dòng)物除 受精卵外，第一次卵裂后產(chǎn)生的兩個(gè)裂球(細(xì)胞)，以及胚胎t細(xì)胞(embryo stem cell ,esc)也 具有發(fā)育的全能性。在有機(jī)體的成熟組織中存在一類干細(xì)胞，可以分化成多種細(xì)胞類型，以 補(bǔ)充該組織衰老和死廣的細(xì)胞，這種細(xì)胞貝有的發(fā)育潛能稱為多能性(multipotency),如多能 選血干細(xì)胞就

49、具有多能性，可以分化成紅細(xì)胞、口細(xì)胞、單核細(xì)胞和血小板等。有的干細(xì)胞 只能分化岀一種類型的細(xì)胞，此種細(xì)胞的發(fā)冇潛能稱為單能性(monopotency)。終末分化細(xì) 胞是不能分裂的高度分化的細(xì)胞，雖然細(xì)胞核仍具有發(fā)育全能性，但是對(duì)于整個(gè)細(xì)胞其發(fā)育 可塑性卻幾乎消失。某些具有特定大小、形狀、結(jié)構(gòu)和功能的特化細(xì)胞，如人的成熟紅細(xì)胞, 失去了細(xì)胞核，因此就失去了發(fā)育潛能。一、細(xì)胞分化與核基因差異表達(dá)細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是組成機(jī)體的不同類型細(xì)胞合成不同種類的特異性蛋片質(zhì)，也就是說某一種 類型的細(xì)胞僅冇部分特定基因被激活。分了朵交實(shí)驗(yàn)也證明，在任何時(shí)間一種細(xì)胞的基因組 只有少部分基因在活動(dòng)，大約占全部基因的5%

50、-10%o真核細(xì)胞的基因可以大致分為2類， 類基因在所有細(xì)胞中都表達(dá),這類基因即管家基因(house-keeping genes),另類在不同細(xì) 胞中專一地選擇性表達(dá)，稱為奢侈革因(luxury gcnc)0細(xì)胞分化就是這些特異棊因表達(dá)的結(jié) 果。細(xì)胞分化是一個(gè)漸變的過程。有機(jī)體的所有細(xì)胞源于一個(gè)受梢卵的有絲分裂，早期的胚胎發(fā) 育是一種母性調(diào)jj(maternal regulation)。受精作丿ij開始后，儲(chǔ)存在卵母細(xì)胞內(nèi)的rna和蛋白 質(zhì)就被激活，以啟動(dòng)和調(diào)節(jié)胚胎發(fā)冇。有關(guān)胚胎發(fā)冇的繼續(xù)推進(jìn)，胚胎自身合了基因組開始 轉(zhuǎn)錄、表達(dá)對(duì)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控的基因，此為合子型調(diào)節(jié)(zygotic regula

51、tion)o因此在細(xì)胞分化開 始前，早期所有胚胎細(xì)胞在最初都是等同的(initially equivalent),包括發(fā)育的全能性，核移 植實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)這一點(diǎn)。隨著進(jìn)一步發(fā)育，這些全能性的胚胎細(xì)胞將受到不同因素的影響，向不同方向分化。胚胎細(xì) 胞的這種發(fā)冇狀態(tài)就是決定(determination)o細(xì)胞一旦獲得決定，就意味著細(xì)胞內(nèi)部u.經(jīng)發(fā) 牛了穩(wěn)定的變化，基因活動(dòng)模式已發(fā)牛了改變。即使細(xì)胞還沒有岀現(xiàn)形態(tài)差界，但是細(xì)胞分 化的最終命運(yùn)已經(jīng)確定，各種細(xì)胞的基因被激活或抑制都在獲得決定后循序進(jìn)行，直至最后 分化成末端分化細(xì)胞。細(xì)胞分化過程中細(xì)胞核也在不斷發(fā)生分化，主要體現(xiàn)在不同分化類型細(xì)胞的棊因的選

52、擇性表 達(dá)。同時(shí)，在胚胎發(fā)冇過程中，不同組織細(xì)胞還有印記基因(imprinted gene)的表達(dá)或沉默的 差界，以及在少數(shù)細(xì)胞中染色體的消減甚至是細(xì)胞核的丟失等待。細(xì)胞核的變化也影響了細(xì) 胞或細(xì)胞核發(fā)育的可塑性。二、分化細(xì)胞與受精卵的基因組等值性分化細(xì)胞染色體數(shù)冃冇沒冇發(fā)生變化？前面雖然冇染色體消減現(xiàn)彖。但是，細(xì)胞分化導(dǎo)致遺 傳物質(zhì)數(shù)量的變化只是生物界中的特殊現(xiàn)彖，普遍現(xiàn)彖是分化細(xì)胞仍然保簾著同受精卵一樣 的全部基因。在受梢卵和以后的有絲分裂過程中，侮個(gè)細(xì)胞核dna都是通過嚴(yán)格的半保留 復(fù)制方式被完整地傳遞下來，因此分化細(xì)胞仍然具有該牛物有機(jī)體住長(zhǎng)發(fā)育所需要的全部遺 傳信息。1、分化細(xì)胞的d

53、na含量沒有發(fā)牛變化很早就有人測(cè)量了各種動(dòng)物分化細(xì)胞的dna含量，發(fā)現(xiàn)同種動(dòng)物來口不同組織的細(xì)胞仍然 含硼相同的dna含量，差界甚微。如牛的各種組織細(xì)胞中dna含量分別為：肚6.4ng；脾 6.4ng；胸腺 6.4ng；胰 6.6ng；精子 3.3ng«2、分化細(xì)胞中染色體數(shù)最沒有發(fā)生變化研究人員曾檢查過從人體8種不同組織中制備的1825個(gè)不同分化類型細(xì)胞的染色體組，發(fā) 現(xiàn)除了 2個(gè)細(xì)胞的染色體數(shù)冃為45條和47條外，其余細(xì)胞都是46條，這說叨在疋常情況 下染色體是不會(huì)在細(xì)胞發(fā)冇和分化屮丟失的。3、分化細(xì)胞的基因數(shù)目沒有發(fā)牛變化果蠅基因組包含5000左右的橫帶，平均每-橫帶約含10個(gè)

54、基因。從不同細(xì)胞類型中所得到 的多線染色體，不僅橫帶數(shù)量沒有變化而且排列順序也部是相同。4、分化細(xì)胞具有同種全部基因的直接證據(jù)一一分子雜交實(shí)驗(yàn)1964年，研究人員利用分了競(jìng)爭(zhēng)雜交實(shí)驗(yàn)肓接證明了小鼠分化細(xì)胞的細(xì)胞核部含有指導(dǎo)發(fā) 育成完整個(gè)體的物種的全部基因。具體結(jié)果見圖213。事實(shí)上，隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，通 過基因序列分析于段已經(jīng)能很清處的顯示分化基因組同受精卵細(xì)胞基因組的等同性。雖然分 化細(xì)胞只有部分基因紐表達(dá)，而且不同分化類型細(xì)胞表達(dá)的特界基因也不盡相同，但是細(xì)胞 核基因纟r仍保持著完整，也就是說分化細(xì)胞屮不表達(dá)的基因仍然存在。5、細(xì)胞分化并沒冇導(dǎo)致細(xì)胞核不可逆轉(zhuǎn)的變化分化細(xì)胞依然具有同受精

55、卵樣的完整慕因組，但是細(xì)胞核的分化有沒有影響細(xì)胞的發(fā)育潛 能呢？ 20世紀(jì)50年代，在植物單細(xì)胞培養(yǎng)方血的實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了細(xì)胞分化沒有影響植物高 度分化的體細(xì)胞的發(fā)育全能性。在動(dòng)物細(xì)胞，細(xì)胞分化卻是影響細(xì)胞全能性和細(xì)胞核全能性 的限制因索。動(dòng)物細(xì)胞的可塑性隨著分化程度的加劇雖然越來越低，但是細(xì)胞核仍然具冇在 適當(dāng)條件下指導(dǎo)細(xì)胞發(fā)育成完整個(gè)體的發(fā)育全能性。三、植物分化細(xì)胞全能性與可塑性的證明利用無性系繁殖技術(shù)，植物營養(yǎng)器官的栽培在牛產(chǎn)實(shí)踐屮已經(jīng)有上千年的歷史。雖然在發(fā)育 潛能上，高度分化的植物營養(yǎng)紐織仍然具有全能性是眾所周知的事實(shí)，但是真正用科學(xué)的試 驗(yàn)方法證明物的組織和體細(xì)胞具冇全能性，則是20

56、世紀(jì)50年代的事。具體見圖21-4o 到今天，植物分化細(xì)胞的全能性得到了充分論證，建立在此基礎(chǔ)上的組織培養(yǎng)技術(shù)也得到了 迅速發(fā)展。四、低等動(dòng)物細(xì)胞也具冇發(fā)育成完整個(gè)體的全能性。如動(dòng)物個(gè)體的再生能力的例了。與低等 動(dòng)物札i比，高等動(dòng)物的體細(xì)胞的發(fā)冇潛能有顯著差異。在胚胎發(fā)冇屮，早期的胚胎細(xì)胞同受 楷卵一樣，具有發(fā)育的全能性。但是隨著細(xì)胞分化程度的捉高，細(xì)胞的發(fā)育潛能逐漸變窄， 細(xì)胞的生理活動(dòng)逐漸發(fā)生不同的變化。如細(xì)胞的分裂能力逐漸降低，直至缺乏分裂能力成為 末端分化細(xì)胞。細(xì)胞的可塑性隨分化程度加深而降低在細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)中得到了有力證明： 以發(fā)育時(shí)期越晚、分化程度越高的細(xì)胞做供體，核移植后重新編程

57、的能力也越差，成功率也 越低。但動(dòng)物體細(xì)胞的細(xì)胞核仍然具有全能性，只是可翔性很低，必須在合適的條件下才表 現(xiàn)出全能性。五、組織干細(xì)胞分化屮發(fā)育潛能的變化干細(xì)胞是一種具有自我更新能力、能夠分化出至少一種高分化后代的細(xì)胞。在成熟組織屮也 存在十細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞細(xì)胞的止常代謝更新、組織受損時(shí)補(bǔ)充新細(xì)胞、維持組織細(xì)胞總量和功 能起著重要作用。如造血干細(xì)胞，能分化成不同的血細(xì)胞(紅細(xì)胞、血小板、巨噬細(xì)胞、中 性口細(xì)胞等8種細(xì)胞)。隨著多能造血干細(xì)胞的分裂分化，所形成的細(xì)胞的分化程度越來越 高，分裂能力逐漸降低直到最終消失，細(xì)胞發(fā)育潛能性也逐漸變窄，有的其至消失，如紅細(xì) 胞。而在哺乳類動(dòng)物(除了駱駝外)的紅細(xì)

58、胞，以及皮膚、羽毛和毛發(fā)的角化細(xì)胞是一類特化細(xì) 胞，它們?cè)谧罱K的發(fā)育過程中失去了整個(gè)細(xì)胞核，也失去了發(fā)育的潛能。六、去分化與轉(zhuǎn)分化每種分化細(xì)胞都有適應(yīng)自身功能和特異基因的表達(dá)，因此分化細(xì)胞的表型也要保持相對(duì)穩(wěn) 定，而且在正常情況下，細(xì)胞分化發(fā)生的是一種不可逆的變化。然而在有些特殊的條件下, 分化細(xì)胞也表現(xiàn)出不穩(wěn)定，基因表達(dá)模式發(fā)牛了可逆的改變，乂回到未分化狀態(tài)或貝有一定 分化能力的干細(xì)胞狀態(tài)，分化細(xì)胞的這種變化過程稱為脫分化或公分化(dedifferentiation)o 如肝臟再生時(shí)就有部分肝細(xì)胞的去分化，然后重新進(jìn)入細(xì)胞周期。有的細(xì)胞在去分化z后，能夠重新分化成另外一種分化細(xì)胞，這種現(xiàn)象叫

59、做轉(zhuǎn)分化 (transdifferentation)0如蛛嫄肢體再生吋，脫分化的肌細(xì)胞口j分化成軟骨。體細(xì)胞在重新發(fā) 育成一個(gè)個(gè)體時(shí)，首先必須去分化，回到分化狀態(tài)麗的最初起點(diǎn)。動(dòng)物體細(xì)胞核移植的目的 就在于使分化的細(xì)胞核在受體細(xì)胞質(zhì)的作用卜回到未分化狀態(tài)的起點(diǎn)，這也是核移植成功的 關(guān)鍵。第三節(jié)動(dòng)物分化細(xì)胞的細(xì)胞核的全能性早在19世紀(jì)末期，科學(xué)家就開始了對(duì)動(dòng)物細(xì)胞發(fā)育潛能的研究，并發(fā)現(xiàn)動(dòng)物胚胎細(xì)胞和體 細(xì)胞的可塑性規(guī)律與植物細(xì)胞迥然不同。直至1997年體細(xì)胞克隆羊“多莉”的涎牛.才證實(shí) 高度分化動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞核具有全能性。一、早期兩棲類的核移植研究1、細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)的開始20世紀(jì)初，基本弄清楚細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，明白細(xì)胞核中含有染色體，而染色體是物種遺傳物質(zhì) 的攜帶者。但是，作為包含遺傳物質(zhì)