我看发育生物学

我看发育生物学——从分子和进化的角度看发育当我还是个小孩子的时候，我很好奇毛毛虫为什么会变成蝴蝶，小蝌蚪的妈妈为什么会是青蛙，我们又是从哪里来，为什么会长成这个模样……现在，我依然在思考一个受精卵经历了怎样的际遇而变成了一个复杂的生命体。

这一连串的问号将我带入了发育生物学这片神奇的土地。

公元前五世纪的希波克拉底（Hippocrates）和公元前四世纪的亚里士多德（Aristotle）是这片土地的第一批拓荒者，之后无数的探险家踏上了这片土地，在这里寻找着一个又一个宝藏。

发育过程是一个复杂的过程，不仅贯穿生命的始终，而且从第一个生命开始延续至今，形形色色的生命的发育过程在某些角度来看是那么的相似，从另外的角度来看又是那么的不同。

发育的本质是什么？发育与进化的关系又是怎样的呢？以下是我在分子、细胞、个体、物种几个层面对发育生物学和进化发育生物学的一些认识。

一．信号调控与发育无可否认，发育生物学有着悠久的历史：公元前五世纪，希腊医生希波克拉底首次对鸡胚进行了发育观察，并试图用热，湿和固化的效应来解释发育；公元前四世纪，亚里士多德基于对鸡的受精卵研究提出了“后成论”（epigenesis）原理；17世纪，显微技术的发展催生了“先成说”（preformationism）随后又将其推翻，并建立起了胚胎的雏形；19世纪之后的描述胚胎学和实验胚胎学进一步引导人们在这片土地上探索。

在我看来，发育生物学发展史上真正的里程碑当属“摩尔根的背离”，正是摩尔根放弃实验胚胎学转而研究遗传学，并将果蝇带入发育生物学的国土，而正是果蝇性染色体架起了基因和发育之间的桥梁，为今天的发育生物学研究奠定了基础。

分子遗传学的手段和果蝇等模式生物正在帮我们揭开生命发育的面纱。

无论是个体的发育还是物种的进化都是以细胞的分化为基础的，发育的核心问题是细胞分化，指导这一过程的是由遗传物质的时空特异性表达而建立的一套信号调控系统。

可以说发育过程中的每一个事件都是由一系列的信号引发，同时这些事件的发生又产生了其他的信号，构成生物体的各个分子就像组成一台电脑的电子元件，存在于一个具有时空特异性的信号调控的网络中。

一个细胞自身的蛋白质折叠错误可能会引发凋亡通路的开启，而导致细胞的凋亡；在一个已经特化的细胞中，原癌基因的表达会导致其去分化并且进行无终止的细胞分裂。

细胞自身的调控网络还可以使细胞在不同的环境中走向共同的目的地，即自主发育（autonomous development）。

生物发育的调控网络涉及时间和空间两个方面，生物发育网络的时间性体现在基因在生物体发育的不同阶段的表达。

在哺乳动物和鸟类中，乳酸脱氢酶C （LDH-C）的基因只会在精子发生时表达，在其他时期是不会表达的。

人的血红蛋白在不同的发育阶段组成也不同，胚胎、胎儿、成体红细胞中的血红蛋白的分子组成是不同的，在妊娠两到三个月时由胚胎型向胎儿型转变，而出生后血红蛋白分子迅速转换成成体型，这些转变正是由于产生不同珠蛋白链的基因的时序性表达。

同时，在一个生物体的整个生命进程中，并非所有的基因都在所有的细胞中表达：编码血红蛋白的基因只会在红细胞中特异的表达；神经细胞中不会表达生成血红蛋白的基因。

基因的空间特异性表达与位置信息有着很大的关系，或者可以说位置信息决定着基因表达的空间特异性。

形态发生素梯度（morphogen gradient）所引发的果蝇的体轴特化，即母体影响导致的胚胎轴向决定可以作为位置信息影响个体发育的经典例子，同时这也是我感兴趣的问题之一。

形态发生素既是一类转录调控因子又可以导致局部区域转录因子的激活，有四种形态发生素参与果蝇的体轴形成，其中三个系统与前后轴的发育有关，另外一个系统与背腹轴的发育有关。

在前部系统（anterior system）中，母源的bicoid mRNA定位于卵母细胞的一端（这一端将要发育成胚胎的前端），它受到受精作用产生的信号的影响而翻译出bicoid蛋白。

这一蛋白会沿着细胞形成浓度梯度，从而导致处于不同浓度区域的靶基因的开启或关闭，即形成了“一种影响基因表达的位置开关”。

bicoid基因的重要靶基因是hunchback基因，bicoid蛋白的浓度梯度破坏了hunchback mRNA在卵细胞内的均匀分布，而使hunchback基因的表达空间被限制在卵的前部。

与此同时，定位于卵细胞后端的nanos mRNA 翻译生成的nanos蛋白从卵细胞的后部扩散，形成与bicoid蛋白浓度梯度方向相反的浓度梯度。

nanos蛋白可以抑制hunchback mRNA在后部的翻译。

在bicoid蛋白和nanos蛋白浓度梯度的共同作用下，hunchback mRNA在细胞中进行空间特异性的翻译，从而保证了受精卵的正常发育。

图：Bicoid mRNA 浓度梯度对hunchback等基因表达的影响bicoid和nanos都在滋养细胞中转录，然后这两种mRNA再通过胞质桥转运到卵细胞中。

这两种mRNA在细胞中又是怎样运输的呢？是什么机制保证其准确地定位呢？原来，bicoid mRNA和nanos mRNA在细胞内是通过由微管形成的轨道运输的，这是细胞内物质运输的一种经典的方式，运输过程中的能量来自于马达蛋白水解ATP。

mRNA的3’UTR区在与转运蛋白的结合中起到了重要作用，但是对于这两种mRNA与蛋白的结合具有怎样的特异性这一点仍然不是很清楚。

如果这两种mRNA定位出现错误，进一步导致其浓度梯度出现异常，那么又会产生什么结果呢？在基因VIII中提到，通过补救试验的方法证实，将野生型胚胎的前部细胞质或后部细胞质分别注射到bicoid突变体或nanos突变体胚胎的任何部位都能在该部位相应的形成前部或后部（这称为异位表达，ectopic expression）。

如果把bicoid mRNA注射到野生型果蝇胚胎的后部，那么将发育成两端各有一个头的双头胚胎（Driever et al. 1990），在这种情况下，卵细胞的后部处于高浓度的bicoid蛋白和nanos蛋白的共同作用下，那么为什么原本应发育成后部的区域为什么会发育成头部？难道nanos蛋白没有起作用么？我猜测这可能是因为bicoid蛋白和nanos蛋白的作用机制是不同的，前者为转录因子，而后者不是转录因子，不能结合到DNA上而是通过卵后部的hunchback mRNA-核糖体抑制转录，所以这两种不同的作用机制导致它们所产生的作用的强度有所不同，当然这只是一个猜测还需要具体试验的支持。

bicoid蛋白是不是形成卵的前部的充分条件呢？头部的形成还需要其他的因素么？研究表明，如果没有hunchback 基因的协助，也不会形成正常的前部。

在受精前，卵细胞中已经均匀的分布了hunchback mRNA，如果将母源的和合子中的hunchback mRNA去除，将会导致无法形成正常的前部。

这一系列的研究表明，形态发生素需要与其他的调节蛋白共同作用，通过mRNA的定位和空间特异性的翻译实现形态建成。

另外一个我感兴趣的与位置信息相关的例子是神经诱导。

Speman 和Mangold 在1924年进行的背唇移植试验可以说是发育生物学史上的一块里程碑。

背唇移植试验证明胚孔背唇具有两种非凡的能力：第一，在它的诱导作用下受体胚胎的腹部改变了原定的发育命运转而发育成神经管和背部中胚层组织；第二，在它的作用下来自供体和受体的细胞有序的组织在一起，发育成次级胚胎。

胚孔背唇在这里提供了位置信息，这种信息决定了周围细胞的发育命运。

背唇是如何具有这样的能力的呢？原来，组织者也是由其他细胞诱导产生的，执行这一任务的就是背部化决定子的植物极(vegetative pole)细胞的后代细胞。

背唇被诱导后又进一步引发了后续的诱导事件，使诱导作用一级一级的传递下去。

由此看来，在动物发育过程中，许多细胞都处于诱导与被诱导的状态，也许正是诱导机制的存在使得各种细胞能够有序的联合起来形成不同得组织和器官，进而构成整个个体。

胚孔背唇是不是可以诱导任意阶段的细胞形成神经管和背部中胚层组织呢？对蝾螈胚胎进行的实验表明，只有用早期原肠胚的细胞进行移植试验时才会产生诱导现象，胚孔背唇对于晚期原肠胚的细胞没有诱导能力。

为什么晚期原肠胚细胞失去了被诱导的能力呢？是什么机制导致它们只能定向的分化呢？这些问题现在仍然需要进一步的研究。

除了蝾螈的背唇移植外，在鸟类的发育过程中也存在类似的诱导现象（亨氏结诱导次级胚胎的形成），这就说明不同进化水平的物种在发育的机理方面有着一定的相似性，这些现象都可以作为研究物种进化关系的线索，为进一步的得到更多的发现提供了途径。

由内部或外部因素所产生的信号在生物体的复杂的信号网络中有序的传递，使生命能够从一个受精卵发育成一个“庞大”而复杂的有机体系，在这个过程中还有很多问题还没有被彻底搞清楚。

生物体在发育过程中到底运行着什么样的程序，这个问题将吸引研究者们不断的探索。

在生命进化的过程中，这些信号通路发生了怎样的变化，也是分子进化研究的热点问题。

二．干细胞与发育客观地说，干细胞研究是发育生物学的一个部分，但由于它的重要性和受关注的程度，在这里我将它单独提出来。

1896年，Wilson首次使用了“干细胞（stem cell）”这个词，专门用于描述寄生虫生殖系的祖细胞。

在此后的一百多年中，干细胞的研究取得了巨大的进展，特别是最近十几年，成为生物学中的热点。

干细胞可以用于帕金森病、糖尿病、慢性心脏病、终末肾病、肝脏衰竭和癌症等疾病，这些应用使得它成为研究的焦点。

但我认为，干细胞研究在发育生物学和进化的基础研究中也起到了重要的作用，研究干细胞的发育可以有助于我们理解发育的基本过程。

此外，不同物种干细胞发育过程也可以作为进化发育生物学的研究的对象。

在每一个动物体内都有许多的干细胞在分裂和分化间进行着选择，那么，是什么机制决定了干细胞是发生分化还是继续进行分裂呢？就好像动物发育过程中的其他事件一样，细胞内和细胞外的信号在这里也起到了重要的作用。

细胞的命运必然与细胞内某些基因的特异性表达有关，所以不难想到像转录因子这一类的细胞内部的信号会对干细胞的命运产生影响。

对于多细胞生物，每一个细胞都处于另外一些细胞所构成的微环境中并受到微环境中的信号的作用，干细胞当然也不例外。

曾经读过一些文献讲到果蝇卵巢干细胞的发育，它是研究干细胞微环境的一个很好的模型。

果蝇卵巢干细胞周围的几种细胞对其发育起到了重要的作用，比如，体细胞中dpp基因的过量表达会阻止生殖细胞的分化，dpp基因的低表达会使生殖干细胞分化而离开生发区。

除Dpp外，还有很多在体细胞中表达的蛋白参与了卵巢生殖干细胞的维持与分化，其中有一些蛋白的功能已经知道，比如，在末端丝状细胞和帽子细胞中高度表达的hedgehog(hh)基因，它的表达产物Hh可以作为Dpp信号分子的诱导剂；还有一些蛋白虽然参与了这一过程，但是它们的作用机理现在还不是很清楚，比如，piwi基因的产物。