發(fā)育的細胞和分子基礎(chǔ)

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生物發(fā)育的主要特點是每一物種都有一種特定的發(fā)育模式(pattem)，并且循規(guī)蹈矩，世代重復(fù)。因此，發(fā)育是物種遺傳特性的表達和展現(xiàn)，是遺傳信息按照特定的時間和空間表達的結(jié)果，是生物體基因型與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用、并逐步轉(zhuǎn)化為表型的過程。這一過程的復(fù)雜程度是難以想像的，它產(chǎn)生了生命機體內(nèi)的細胞多樣性和時序性，同時又保證了生命代代相傳的連續(xù)性。第2頁/共28頁

第一節(jié)發(fā)育生物學(xué)的研究范疇胚胎(embryo)是動植物從受精卵發(fā)育到成體的必經(jīng)之途，因而胚胎是介于基因型和表型即遺傳基因和成體之間的過渡體。生物學(xué)主要研究成體的結(jié)構(gòu)和功能，而發(fā)育生物學(xué)則對這一過渡階段更有興趣。因此，發(fā)育生物學(xué)是一門研究生物變化過程的科學(xué)。發(fā)育生物學(xué)家探討的常常是變而非不變的問題。例如，我們在分析哺乳動物的性別決定時，發(fā)育生物學(xué)家決不會用xx基因型通常是雌性、xY基因型通常是雄性這一簡單回答來解釋，而是要更深層次地了解xx基因型是如何產(chǎn)生雌性及xY基因型是如何產(chǎn)生雄性。同理，就珠蛋白(globin)基因來說，遺傳學(xué)家可能想知道該基因如何世代相傳，生理學(xué)家可能想了解其在體內(nèi)的功能是什么，而發(fā)育生物學(xué)家則要探討它為什么僅僅在紅細胞中才表達，并想知道它如何在發(fā)育的特定時期被激活。

第3頁/共28頁發(fā)育生物學(xué)試圖綜合不同層次的生物學(xué)。以珠蛋白為例，在分子和化學(xué)層次上，可以研究珠蛋白基因如何轉(zhuǎn)錄，并追究激活其轉(zhuǎn)錄的因子在DNA鏈上如何相互作用；在胞和組織層次上，我們想了解哪些細胞可以表達珠蛋白，以及其mRNA是如何運出細胞核的；在器官和系統(tǒng)層次上，我們想知道每個組織中的毛細血管如何形成，并且珠蛋白是怎樣傳送和連接的；在進化和生態(tài)層次上，我們想知道珠蛋白基因活化上的差異怎樣使氧氣從母體流向胎兒，環(huán)境因子又怎樣誘導(dǎo)更多紅細胞的分化。第4頁/共28頁

第二節(jié)發(fā)育生物學(xué)的疑難問題發(fā)育生物學(xué)主要包括兩個基本問題，①受精卵是如何形成成體的?②成體又是如何產(chǎn)生另一個成體的?就這兩個問題來說，雖然每一個物種皆有自己的答案，但仍有一定的普遍性。總的來說，長期以來一直困惑發(fā)育生物學(xué)家的疑難問題有5個：

(1)分化難題開始為單細胞的受精卵經(jīng)不斷分裂可以產(chǎn)生上百種(人至少有250種)諸如肌肉細胞、表皮細胞、神經(jīng)細胞、淋巴細胞、血細胞和脂肪細胞等不同類型的細胞，這種導(dǎo)致細胞類型多樣化的過程被稱為分化(differentiation)。由于個體內(nèi)的每一個細胞都含有相同的基因組，因此必須了解相同的基因組怎樣產(chǎn)生不同類型的細胞。

(2)形態(tài)發(fā)生難題分化的各種類型的細胞并不隨機分布，而是構(gòu)成復(fù)雜的組織和器官，器官又按照一定的方式排列。如手指長在手的頂端，而不是長在手的中間；眼睛長在頭上，而不是長在腳趾或肚皮上。這種有序的創(chuàng)造過程被稱為形態(tài)發(fā)生(morphogenesis)。細胞是如何組建自己又如何形成恰當?shù)呐判蛞彩情L期困惑發(fā)育生物學(xué)家的難題。

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(3)生長難題如果某人臉上的細胞多分裂一次，他的臉肯定會嚴重變形，令人可怖。如果我們手臂上的每一個細胞都多分裂一次，我們在系鞋帶時就不用彎腰。生物體內(nèi)的細胞知道它何時該長、何時該停。

(4)生殖難題精子和卵子是非常特化的細胞，只有它們才能將創(chuàng)造生命的指令代代相傳。這些生殖細胞是如何發(fā)出指令形成下一代呢?在細胞核和細胞質(zhì)中允許它們完成這一使命的指令又是什么呢?這就是生殖難題。

(5)進化難題進化涉及發(fā)育中的遺傳變化。當我們說今天的一趾馬有一個五趾的祖先，我們是說這匹馬的祖先在多代胚胎發(fā)育過程中其軟骨和肌肉發(fā)生了變化。在發(fā)育中的變化怎樣創(chuàng)造新的體型呢?哪些變化是可遺傳的呢?也就是說，哪些變化能夠起到進化作用呢?這是發(fā)育生物學(xué)家最近重新強調(diào)的進化難題。第6頁/共28頁第三節(jié)發(fā)育的細胞基礎(chǔ)一．發(fā)育的基本階段傳統(tǒng)的發(fā)育生物學(xué)之所以被稱為胚胎學(xué)(embryology)，是因為其研究的對象主要是胚胎(embryo)，即從卵子受精到出生這一發(fā)育的基本階段。然而，生命在出生后甚至到成年，發(fā)育都沒有停止。我們每天要更換1g多皮膚細胞，我們的骨髓每分鐘要產(chǎn)生幾百萬個新的血細胞。因此，現(xiàn)今的發(fā)育生物學(xué)應(yīng)該說是一門研究胚胎和其他發(fā)育過程的學(xué)科。

第7頁/共28頁動物發(fā)育的基本階段及其主要特征用蛙的發(fā)育歷程來圖示最有代表性，如圖2—1所示，動物發(fā)育可細分為受精(fertilization)、卵裂(cleavage)、原腸形成(gastrulation)、器官發(fā)生(organogenesis)、變態(tài)(metamorphosis)和成熟(maturity)6個基本階段。一般來說，上述的前4個階段被統(tǒng)稱為胚胎發(fā)生(embryogenesis)期，因此動物的發(fā)育要經(jīng)歷胚胎期、變態(tài)期和成體期3個階段，很多動物沒有變態(tài)期，只有胚胎期和成體期2個基本階段。第8頁/共28頁第9頁/共28頁二．發(fā)育的細胞共性事件（發(fā)育的細胞基礎(chǔ)）

動物和植物的發(fā)育模式雖然有很多變化，甚至差異很大，但發(fā)育過程中有許多事件帶有普遍性，從細胞水平來說，其共性事件主要包括有：

(1)細胞分裂(ceUdivision)，滿足了細胞的快速增殖和發(fā)育進程；

(2)細胞分化(celldifferentiation)，為機體細胞的多樣性提供了保證；

(3)模式形成(patternformation)，使細胞分化按一定的時空順序發(fā)生，確立了機體的統(tǒng)一性；

(4)細胞遷移(cellmigration)，為器官發(fā)生提供了細胞來源；

(5)細胞凋亡(apoptosis)，抑制癌變細胞或受損細胞的增殖并及時清除。第10頁/共28頁

因此，發(fā)育涉及細胞分裂、細胞分化、模式形成、細胞遷移和細胞凋亡等一系列事件，是它們相互作用、相互協(xié)調(diào)的結(jié)果。受精(fertilization)，是兩個單倍體配子——精子和卵子，融合形成二倍體合子的過程，正是這一融合刺激了卵子子的發(fā)育。隨著受精，卵裂同時也開始了。卵裂是一系列極為快速的有絲分裂，通過這些分裂，從一個體積較大的合子形成眾多較小的細胞，這些細胞被稱為囊胚細胞，到卵裂結(jié)束，它們一起形成球形囊胚。實質(zhì)上，從第一次卵裂開始，胚胎發(fā)育就按一定的模式(pattern)進行，通過這一模式，保證了細胞活動的時空順序，也保證了胚胎內(nèi)細胞間各種活動的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。控制模式形成的原因已被證明是卵子內(nèi)母源mRNA極性定位的結(jié)果(在后面的章節(jié)中將要詳細描述)。模式形成最早和最明顯的表現(xiàn)是胚胎主軸(mainaxis)的特化。在所有的多細胞生物中，至少都能區(qū)分出一個主體軸。動物的主體軸是從頭到尾，植物的主體軸是從尖到根。許多動物還有一個可分辨的前后軸，一般被稱為背腹(dorsal一veiltral)軸。有趣的是，這些體軸之間總是保持直角，兩軸構(gòu)成了一個協(xié)調(diào)統(tǒng)一的體系(圖2—2)。第11頁/共28頁第12頁/共28頁

當球形囊胚形成后，細胞分裂速率開始降低，卵裂期即告結(jié)束。此時，囊胚細胞活動加劇，相互變換位置，發(fā)生一系列的細胞重排，這一過程被稱為原腸胚形成。原腸胚中的細胞重排產(chǎn)生了3個胚層(．gelrmlayer)，即外胚層(ectoderm)、中胚層(mesoderm)和內(nèi)胚層(endoderm)。外胚層產(chǎn)生表皮和神經(jīng)系統(tǒng)細胞；內(nèi)胚層產(chǎn)生消化管道及與之相連的器官，如胰、肝和肺等；中胚層最具多能性，將產(chǎn)生如心、腎和腺體等多種器官及骨骼、肌肉、肌腱和血管等結(jié)締組織和血細胞等。圖2—3是以脊椎動物和無脊椎動物(昆蟲)為例，將這些來源給出的一個形象的圖解。第13頁/共28頁

一旦胚層建立，細胞繼續(xù)重排和相互作用形成器官，其過程被稱為器官發(fā)生(organogenesis)，也就是說，器官發(fā)生開始于原腸期。在脊椎動物中，器官發(fā)生以神經(jīng)胚形成為起始標志，因為正是胚體背中部外胚層細胞的一系列相互作用形成了神經(jīng)管，最終形成了中樞神經(jīng)系統(tǒng)。許多器官含有不止一個胚層的細胞，且在器官發(fā)生期間，有些細胞發(fā)生了長距離的遷移，如血細胞、淋巴細胞、色素細胞和配子細胞的前體細胞都屬于長距離的遷移細胞。我們臉上的大多數(shù)骨骼也是由頭背部的細胞遷移衍變而來的。第14頁/共28頁這里還要提到的是最終形成配子的前體細胞，它們起源于卵子細胞質(zhì)中一個特化的稱為種質(zhì)(germplasm)的區(qū)域，被稱為種系細胞(germcell)。相對而言，種系細胞與體細胞(somaticcell)的分化是動物發(fā)育過程中最早分化的事件之一，它們最終遷移入性腺，其發(fā)育過程被稱為配子發(fā)生(gainetogenesis)。到成熟階段，配子釋放，并參與受精，由此創(chuàng)造出新的生命。成體則最終趨于衰老和死亡。與細胞分裂、分化等發(fā)育過程相比，模式形成往往較難理解。實質(zhì)上，模式形成與細胞分化密切相關(guān)，而又明顯不同。舉例來說，我們?nèi)祟惖谋酆屯榷己邢嗤愋偷募毎缂∪?、軟骨、骨骼和皮膚等，但它們排列的模式明顯不同。正是由于模式的作用，不但使物種間的體形明顯不同，而且也使個體間表現(xiàn)出差異。第15頁/共28頁第16頁/共28頁第四節(jié)發(fā)育的分子基礎(chǔ)發(fā)育的分子基礎(chǔ)是基因的特異表達，生物體基因型與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用，是基因按照特定的時間和空間表達的結(jié)果，是并逐步轉(zhuǎn)化為表型的過程。第17頁/共28頁一、通過調(diào)控蛋白的生成來控制細胞行為

紅細胞能輸送氧氣，是因為其中含有大量的血紅蛋白(hemoglobin)；骨骼肌能收縮，是因為它們含有一組可導(dǎo)致收縮的蛋白，如肌球蛋白,肌動蛋白和其他肌肉特異的蛋白。正是這些特異的蛋白使細胞之間出現(xiàn)差異，并使其產(chǎn)生特定的功能。因此，與直接決定細胞行為的蛋白相比，基因是一個間接的參與者，其主要是通過調(diào)控哪些細胞在哪個時候生成哪些蛋白來控制發(fā)育。第18頁/共28頁一種特定的蛋白在一個細胞中的合成，首先取決于其基因打開與否，即這個基因可以被轉(zhuǎn)錄成了RNA。雖然RNA最終被翻譯成蛋白，但這也不是自動的，因為在蛋白表達過程中受到多步控制。圖2-4顯示了蛋白生成過程中的主要控制階段。例如，在mRNA被從核中送出之前有可能被降解；即使被輸送到細胞質(zhì)中，翻譯也可能被抑制。如在許多動物的卵子中，母源mRNA的翻譯在受精之前一直受到抑制；甚至有些蛋白已經(jīng)生成，但不能行使功能，因為它們在獲得生物學(xué)活性之前，還需要進行翻譯后修飾。當然，有些基因雖然沒有生成蛋白，其RNA也可起到重要的調(diào)節(jié)作用，且有些基因，如核糖體RNA，本身就沒有編碼蛋白。第19頁/共28頁第20頁/共28頁二．參與胚胎發(fā)育的基因數(shù)

發(fā)育生物學(xué)家感興趣的基因主要是編碼轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor)或調(diào)節(jié)蛋白的基因，因為調(diào)節(jié)蛋白可以激活或抑制轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到基因的控制區(qū)或與其他DNA結(jié)合蛋白互作而控制發(fā)育。基因組中到底有多少基因參與了胚胎發(fā)育呢?在果蠅的早期發(fā)育中，從模式形成到體節(jié)出現(xiàn)，參與的基因約有60個；在線蟲生殖結(jié)構(gòu)的特化過程中，需要50個基因參與。與成千個在任何時候都保持活性的管家基因housekeepinggene)相比，這仍舊是一個小數(shù)字。據(jù)估測，果蠅和脊椎動物的發(fā)育基因都可達成千上萬。因此，與哺乳動物基因組中被認為具有的40000基因相比，這個數(shù)字還是很大的，還有相當多的研究工作要做。、第21頁/共28頁三．基因的差異表達控制發(fā)育多細胞生物中眾多的細胞都是由一個受精卵通過一系列的細胞分裂產(chǎn)生，只要分裂正常，所有的細胞一般都含有等同的遺傳信息，即基因組(genome)是一致的。因此細胞間的差異必須通過基因活動的差異來體現(xiàn)。第22頁/共28頁四、發(fā)育的循序漸進和細胞命運的決定隨著發(fā)育進程的延伸，胚胎的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也逐步增加，不同類型的細胞形成了，空間模式出現(xiàn)了，胚胎的形態(tài)也發(fā)生了變化。在這些漸進的變化過程中，首先是分區(qū)，分成諸如外胚層、中胚層和內(nèi)胚層；接著是區(qū)域內(nèi)的細胞進行分化，如中胚層細胞要分化肌肉細胞、軟骨細胞、骨骼細胞、結(jié)締組織的成纖維細胞和真皮細胞，并由此細胞命運。因此，決定(determination)意