发育的细胞和分子基础

Developmental Biology,发育的细胞和分子基础,生物发育的主要特点是每一物种都有一种特定的发育模式(pattem)，并且循规蹈矩，世代重复。因此，发育是物种遗传特性的表达和展现，是遗传信息按照特定的时间和空间表达的结果，是生物体基因型与内外环境因子相互作用、并逐步转化为表型的过程。这一过程的复杂程度是难以想像的，它产生了生命机体内的细胞多样性和时序性，同时又保证了生命代代相传的连续性。,第一节 发育生物学的研究范畴,胚胎(embryo)是动植物从受精卵发育到成体的必经之途，因而胚胎是介于基因型和表型即遗传基因和成体之间的过渡体。生物学主要研究成体的结构和功能，而发育生物学则对这一过渡阶段更有兴趣。因此，发育生物学是一门研究生物变化过程的科学。,发育生物学家探讨的常常是变而非不变的问题。例如，我们在分析哺乳动物的性别决定时，发育生物学家决不会用xx基因型通常是雌性、xY基因型通常是雄性这一简单回答来解释，而是要更深层次地了解xx基因型是如何产生雌性及xY基因型是如何产生雄性。同理，就珠蛋白(globin)基因来说，遗传学家可能想知道该基因如何世代相传，生理学家可能想了解其在体内的功能是什么，而发育生物学家则要探讨它为什么仅仅在红细胞中才表达，并想知道它如何在发育的特定时期被激活。,发育生物学试图综合不同层次的生物学。以珠蛋白为例，在分子和化学层次上，可以研究珠蛋白基因如何转录，并追究激活其转录的因子在DNA链上如何相互作用；在胞和组织层次上，我们想了解哪些细胞可以表达珠蛋白，以及其mRNA是如何运出细胞核的；在器官和系统层次上，我们想知道每个组织中的毛细血管如何形成，并且珠蛋白是怎样传送和连接的；在进化和生态层次上，我们想知道珠蛋白基因活化上的差异怎样使氧气从母体流向胎儿，环境因子又怎样诱导更多红细胞的分化。,第二节发育生物学的疑难问题发育,生物学主要包括两个基本问题，受精卵是如何形成成体的?成体又是如何产生另一个成体的?就这两个问题来说，虽然每一个物种皆有自己的答案，但仍有一定的普遍性。总的来说，长期以来一直困惑发育生物学家的疑难问题有5个：,(1)分化难题 开始为单细胞的受精卵经不断分裂可以产生上百种(人至少有250种)诸如肌肉细胞、表皮细胞、神经细胞、淋巴细胞、血细胞和脂肪细胞等不同类型的细胞，这种导致细胞类型多样化的过程被称为分化(differentiation)。由于个体内的每一个细胞都含有相同的基因组，因此必须了解相同的基因组怎样产生不同类型的细胞。,(2)形态发生难题 分化的各种类型的细胞并不随机分布，而是构成复杂的组织和器官，器官又按照一定的方式排列。如手指长在手的顶端，而不是长在手的中间；眼睛长在头上，而不是长在脚趾或肚皮上。这种有序的创造过程被称为形态发生(morphogenesis)。细胞是如何组建自己又如何形成恰当的排序也是长期困惑发育生物学家的难题。,(3)生长难题,如果某人脸上的细胞多分裂一次，他的脸肯定会严重变形，令人可怖。如果我们手臂上的每一个细胞都多分裂一次，我们在系鞋带时就不用弯腰。生物体内的细胞知道它何时该长、何时该停。,(4)生殖难题,精子和卵子是非常特化的细胞，只有它们才能将创造生命的指令代代相传。这些生殖细胞是如何发出指令形成下一代呢?在细胞核和细胞质中允许它们完成这一使命的指令又是什么呢?这就是生殖难题。,(5)进化难题 进化涉及发育中的遗传变化。当我们说今天的一趾马有一个五趾的祖先，我们是说这匹马的祖先在多代胚胎发育过程中其软骨和肌肉发生了变化。在发育中的变化怎样创造新的体型呢?哪些变化是可遗传的呢?也就是说，哪些变化能够起到进化作用呢?这是发育生物学家最近重新强调的进化难题。,第三节 发育的细胞基础,一发育的基本阶段,传统的发育生物学之所以被称为胚胎学(embryology)，是因为其研究的对象主要是胚胎(embryo)，即从卵子受精到出生这一发育的基本阶段。然而，生命在出生后甚至到成年，发育都没有停止。我们每天要更换1 g多皮肤细胞，我们的骨髓每分钟要产生几百万个新的血细胞。因此，现今的发育生物学应该说是一门研究胚胎和其他发育过程的学科。,动物发育的基本阶段及其主要特征用蛙的发育历程来图示最有代表性，如图21所示，动物发育可细分为,受精(fertilization)、卵裂(cleavage)、原肠形成(gastrulation)、器官发生(organogenesis)、,变态(metamorphosis)和成熟(maturity)6个基本阶段。,一般来说，上述的前4个阶段被统称为胚胎发生(embryogenesis)期，因此动物的发育要经历胚胎期、变态期和成体期3个阶段，很多动物没有变态期，只有,胚胎期和成体期2个基本阶段。,二发育的细胞共性事件（,发育的细胞基础）,动物和植物的发育模式虽然有很多变化，甚至差异很大，但发育过程中有许多事件带有普遍性，从细胞水平来说，其共性事件主要包括有：,(1)细胞分裂(ceU division)，满足了细胞的快速增殖和发育进程；,(2)细胞分化(cell differentiation)，为机体细胞的多样性提供了保证；,(3)模式形成(pattern formation)，使细胞分化按一定的时空顺序发生，确立了机体的统一性；,(4)细胞迁移(cell migration)，为器官发生提供了细胞来源；,(5)细胞凋亡(apoptosis)，抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及时清除。,因此，发育涉及细胞分裂、细胞分化、模式形成、细胞迁移和细胞凋亡等一系列事件，是它们相互作用、相互协调的结果。,受精(fertilization)，是两个单倍体配子精子和卵子，融合形成二倍体合子的过程，正是这一融合刺激了卵子子的发育。随着受精，卵裂同时也开始了。卵裂是一系列极为快速的有丝分裂，通过这些分裂，从一个体积较大的合子形成众多较小的细胞，这些细胞被称为囊胚细胞，到卵裂结束，它们一起形成球形囊胚。,实质上，从第一次卵裂开始，胚胎发育就按一定的模式(pattern)进行，通过这一模式，保证了细胞活动的时空顺序，也保证了胚胎内细胞间各种活动的协调统一。控制模式形成的原因已被证明是卵子内,母源mRNA极性定位的结果,(在后面的章节中将要详细描述)。模式形成最早和最明显的表现是,胚胎主轴(main axis)的特化,。在所有的多细胞生物中，至少都能区分出一个主体轴。动物的主体轴是从头到尾，植物的主体轴是从尖到根。许多动物还有一个可分辨的前后轴，一般被称为背腹(dorsal一veiltral)轴。有趣的是，这些体轴之间总是保持直角，两轴构成了一个协调统一的体系(图22)。,当球形囊胚形成后，细胞分裂速率开始降低，卵裂期即告结束。此时，囊胚细胞活动加剧，相互变换位置，发生一系列的细胞重排，这一过程被称为,原肠胚形成,。原肠胚中的细胞重排产生了3个胚层(gelrm layer)，即外胚层(ectoderm)、中胚层(mesoderm)和内胚层(endoderm)。外胚层产生表皮和神经系统细胞；内胚层产生消化管道及与之相连的器官，如胰、肝和肺等；中胚层最具多能性，将产生如心、肾和腺体等多种器官及骨骼、肌肉、肌腱和血管等结缔组织和血细胞等。图23是以脊椎动物和无脊椎动物(昆虫)为例，将这些来源给出的一个形象的图解。,一旦胚层建立，细胞继续重排和相互作用形成器官，其过程被称为器官发生(organogenesis)，也就是说，,器官发生开始于原肠期,。,在脊椎动物中，器官发生以神经胚形成为起始标志，,因为正是胚体背中部外胚层细胞的一系列相互作用形成了,神经管,，最终形成了中枢神经系统。许多器官含有不止一个胚层的细胞，且在器官发生期间，有些细胞发生了长距离的迁移，如血细胞、淋巴细胞、色素细胞和配子细胞的前体细胞都属于长距离的迁移细胞。我们脸上的大多数骨骼也是由头背部的细胞迁移衍变而来的。,这里还要提到的是最终形成配子的前体细胞，它们起源于卵子细胞质中一个特化的称为种质(germ plasm)的区域，被称为种系细胞(germ cell)。相对而言，种系细胞与体细胞(somatic cell)的分化是动物发育过程中最早分化的事件之一，它们最终迁移入性腺，其发育过程被称为配子发生(gainetogenesis)。到成熟阶段，配子释放，并参与受精，由此创造出新的生命。成体则最终趋于衰老和死亡。,与细胞分裂、分化等发育过程相比，模式形成往往较难理解。实质上，模式形成与细胞分化密切相关，而又明显不同。举例来说，我们人类的臂和腿都含有相同类型的细胞，如肌肉、软骨、骨骼和皮肤等，但它们排列的模式明显不同。正是由于模式的作用，不但使物种间的体形明显不同，而且也使个体间表现出差异。,第四节 发育的分子基础,发育的分子基础是基因的特异表达，生物体基因型与内外环境因子相互作用，是基因按照特定的时间和空间表达的结果，是并逐步转化为表型的过程。,一、通过调控蛋白的生成来控制细胞行为,红细胞能输送氧气，是因为其中含有大量的血红蛋白(hemoglobin)；骨骼肌能收缩，是因为它们含有一组可导致收缩的蛋白，如肌球蛋白,肌动蛋白和其他肌肉特异的蛋白。正是这些特异的蛋白使细胞之间出现差异，并使其产生特定的功能。因此，与直接决定细胞行为的蛋白相比，基因是一个间接的参与者，其主要是通过调控哪些细胞在哪个时候生成哪些蛋白来控制发育。,一种特定的蛋白在一个细胞中的合成，首先取决于其基因打开与否，即这个基因可以被转录成了RNA。虽然RNA最终被翻译成蛋白，但这也不是自动的，因为在蛋白表达过程中受到多步控制。图2-4显示了蛋白生成过程中的主要控制阶段。例如，在mRNA被从核中送出之前有可能被降解；即使被输送到细胞质中，翻译也可能被抑制。如在许多动物的卵子中，母源mRNA的翻译在受精之前一直受到抑制；甚至有些蛋白已经生成，但不能行使功能，因为它们在获得生物学活性之前，还需要进行翻译后修饰。当然，有些基因虽然没有生成蛋白，其RNA也可起到重要的调节作用，且有些基因，如核糖体RNA，本身就没有编码蛋白。,二参与胚胎发育的基因数,发育生物学家感兴趣的基因主要是编码转录因子(transcription factor)或调节蛋白的基因，因为调节蛋白可以激活或抑制转录，转录因子可以结合到基因的控制区或与其他DNA结合蛋白互作而控制发育。,基因组中到底有多少基因参与了胚胎发育呢?在果蝇的早期发育中，从模式形成到体节出现，参与的基因约有60个；在线虫生殖结构的特化过程中，需要50个基因参与。与成千个在任何时候都保持活性的管家基因housekeeping gene)相比，这仍旧是一个小数字。据估测，果蝇和脊椎动物的发育基因都可达成千上万。因此，与哺乳动物基因组中被认为具有的40 000基因相比，这个数字还是很大的，还有相当多的研究工作要做。、,三基因的差异表达控制发育,多细胞生物中众多的细胞都是由一个受精卵通过一系列的细胞分裂产生，只要分裂正常，所有的细胞一般都含有等同的遗传信息，即基因组(genome)是一致的。因此细胞间的差异必须通过基因活动的差异来体现。,四、发育的循序渐进和细胞命运的决定,随着发育进程的延伸，胚胎的结构复杂性也逐步增加，不同类型的细胞形成了，空间模式出现了，胚胎的形态也发生了变化。在这些渐进的变化过程中，首先是分区，分成诸如外胚层、中胚层和内胚层；接着是区域内的细胞进行分化，如中胚层细胞要分化肌肉细胞、软骨细胞、骨骼细胞、结缔组织的成纤维细胞和真皮细胞，并由此细胞命运。因此，决定(determination)意味着细胞的发育命运发生了稳定的不可逆的变化，命运决定了的细胞即使处在胚胎的另一区域，仍不受周围其他细胞或组织的影响，仍按原已指定的命运自主地进行分化。命运特化了的细胞是指将其置于中性环境下培养仍能自主分化的细胞。图25较形象地显示了细胞命运、细胞决定和细胞特化三者间的差别。,五、诱导信号的相互作用可改变发育命运,诱导(induction)导致发育变化的最经典而又最有影响的例子是Speman