我国文昌鱼研究50 年

生命科学

Chinese Bulletin of Life Sciences

第20卷 第1期2008年2月

Vol. 20, No. 1Feb., 2008

我国文昌鱼研究50年

张士璀*，郭　斌，梁宇君

（中国海洋大学海洋生物系,青岛266003）

摘　要：文昌鱼是研究脊椎动物起源与进化十分珍贵的模式动物。近50年来,我国在文昌鱼生物学研究

方面取得很大进展。本文系统介绍了我国学者在文昌鱼发育、免疫和进化方面所取得的研究成果。关键词：文昌鱼；发育；进化；免疫中图分类号：Q959.287 文献标识码：A

Fifty years of amphioxus study in China

ZHANG Shi-cui*, GUO Bin, LIANG Y u-jun

(Department of Marine Biology, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Abstract: Amphioxus is becoming an emerging model organism for insights into the origin and evolution of vertebrates. A great progress has been made in the study of amphioxus biology in China in the past 5 decades,and this has been dealt with in the present review.

Key words: amphioxus; development; evolution; immunity

文章编号 ：1004-0374(2008)01-0064-05

早在拙文“文昌鱼——研究脊椎动物起源和进化模式动物”于2001年在《生命科学》刊出时，就计划写篇稿子介绍我国文昌鱼生物学研究概况，至今没能如愿。今年，正值我国文昌鱼胚胎学研究先驱童弟周和吴尚懃等先生“The development of isolated blastomeres of amphioxus ”一文[1]发表半个世纪之际，特撰此文，对50年来我国学者在文昌鱼发育、免疫和进化方面所取得的成果，做一简要概述。

1　发育命运图与发育的分子机理

我国学者对文昌鱼实验胚胎学最主要贡献在于勾勒出器官原基分布图或曰发育命运图。历史上最早进行文昌鱼实验胚胎学研究的人是美国学者Wilson 。他把2-和4-细胞期文昌鱼胚胎放到装有半管海水的试管内，用力摇晃，使分裂球分开，发现分离的1/2和1/4裂球如同完整卵子一样分裂发育，形成正常幼虫一半和1/4大小、结构完全的幼虫。因此，他认为文昌鱼卵子属于调整型卵，其裂球至少到4细胞仍具全能性。40年后，Conklin

[2]

重复Wilson 的实验，发现2-细胞期分开的1/2裂球

收稿日期：2007-07-25；修回日期：2007-09-03基金项目：山东省中青年科学家科研奖励基金(2004BS06017)

*通讯作者：E-mail: sczhang@

形成身体较小的正常幼虫；4-细胞期沿第一次分裂面分开的2/4裂球都形成身体较小的正常幼虫，但是沿第二次分裂面分开的2/4裂球则无一形成正常幼虫；而4-细胞期分开的1/4裂球都不能形成正常幼虫。据此，他认为文昌鱼卵子属于镶嵌型卵，其裂球仅在2-细胞时具有全能性。Wilson 和Conklin 结论的不同之处显而易见。对此，Tung 等通过对2-至32-细胞期文昌鱼胚胎活体染色和裂球分离培养，系统研究文昌鱼早期裂球发育潜能和发育命运，发现“文昌鱼裂球的发育潜能既不像Wilson 所说那样是全能的，也不似Conklin 所说的那样是镶嵌型的”，而是兼具调整型和镶嵌型卵的特点[1,3-5]。在此基础上，他们进而勾勒出文昌鱼8-和32-细胞期发育命运图(图1)。

在8-细胞期，文昌鱼神经系统区主要位于动物极前端裂球内，以后形成脑和前2/3左右的神经

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第1期张士璀，等：我国文昌鱼研究50年管；还有一小部分分布在植物极半球前端两裂球内，形成后1/3左右的神经管。未来脊索区全部分布在植物极前端两裂球内，位于神经系统区下面。未来中胚层区除分布在植物极后端两裂球内之外，还有相当大的一部分分布在植物极前端两裂球内。在后端两裂球内的中胚层区形成自色素点前起到幼虫末端的肌节，而在前端分裂球内的中胚层区则形成自前端起到色素点前的肌节。未来表皮区分布在动物极前端和后端裂球内，即在神经系统区和中胚层区之间。未来内胚层区分布在植物极分裂球内。植物极前端两裂球中的内胚层区形成消化管前段和其他内胚层器官，植物极后端分裂球中的内胚层区形成消化管后段。

在32-细胞期，未来表皮区域分布在an 1层和an 2层的大半部分，前者形成身体前段的表皮，后者形成身体后段的表皮。未来神经系统区大部分分布在an 2层，一小部分分布在veg 1层。未来脊索区绝大部分分布在veg 1层，一小部分分布在veg 2层。veg 2中的脊索区将来形成脊索的最前面一小段。未来中胚层区绝大部分分布在veg 1层，一小部分分布在veg 2层。veg 2的中胚层区将来形成身体最前端的少数肌节。未来内胚层区绝大部分分布在veg 2层，一小部分分布在veg 1层。veg 1中的内胚层区将来形成消化道后段。

裂球分离与组合实验表明分离的an 1层裂球单独培养时从不形成神经管，分离的veg 2层裂球单独培养只分化成内胚层，而an 1+veg 2组合体发育的幼虫却具有正常的神经系统[3,4]。这说明文昌鱼胚胎发育中存在胚胎诱导作用，从而修正了Conklin [2]认为“文昌鱼胚胎的前后轴和背腹轴早在第一次卵裂时或此前就已决定”，文昌鱼胚胎发育不存在诱导现象的论述。显然，文昌鱼胚胎神经管是由外胚层细胞在脊索诱导之下形成的[6]。

在32-至64-细胞期，把文昌鱼胚胎的外胚层细胞移植到内胚层区域可以形成内胚层器官，如消化道；而把脊索中胚层细胞移植到外胚层区域也可以形成外胚层组织，如表皮[7]。因此，文昌鱼胚胎细胞在32-至64-细胞期时，其发育命运尚未完全决定，仍具一定的可塑性。Zhang 等[8]证明在囊胚期之前，文昌鱼胚胎植物极细胞的发育命运尚未

完全决定，仍具可塑性，增加植物极细胞内的Ca 浓度可使它们朝外胚层细胞方向分化。这一点和海胆胚胎十分类似。

自20世纪90年代初，从文昌鱼中克隆出首个基因Hox 基因并研究其表达以来，我国学者也相继开展了文昌鱼分子胚胎学研究，从分子水平研究发育机理。首先，Zhang 等[9]将经典实验胚胎学和分子胚胎学技术相结合，证明文昌鱼原肠胚背唇、侧唇和腹唇都表达中胚层特异性基因Brachyury ，说明胚唇构成中胚层前体。随着原肠作用进行，整个原肠胚胚唇细胞都发生少量内卷；内卷的细胞向前端背中部和背部两侧集中延伸，参与脊索中胚层和轴旁中胚层的发育，从而澄清了前人有关文昌鱼原肠胚胚唇细胞内卷运动混乱不清的描述。Li 等[10]还发现酚氧化酶与文昌鱼表皮外胚层和神经外胚层分化有关，并可作为两者分化的指标性酶。另外，我国学者克隆到一批与文昌鱼早期发育分化相关基因，例如ApoD 、hedgehog 、TCTP 、p23、som 、mdp 和GABARAPL2，并研究了它们在胚胎发育过程中的时空表达[11-16]。总体来说，这些基因序列和表达模式都与低等脊椎动物中的同源基因一致，符合文昌鱼是脊椎动物始祖代表的观点，同时又显示出一定程度的独特性，表现出特化性。遗憾的是对这些基因在发育分化中的作用和功能及其相互作用网络缺乏研究，应引起足够重视。2　垂体前体“哈氏窝(Hatschek’s pit)”

脊椎动物生殖系统主要的分泌器官有丘脑、垂体和性腺。丘脑产生肽类促性腺素释放激素，垂体产生肽类促性腺激素，而性腺则产生类甾醇激素。垂体促性腺激素的合成和分泌受经门脉系统运送到垂体前叶的丘脑肽类释放激素调控，而性腺类甾醇激素的合成和分泌则受经循环系统运送到性腺的垂体促性腺激素调控。圆口动物已具有“丘脑-垂体-性腺”生殖内分泌调控系统。原索动物文昌鱼是否存在类似的“丘脑-垂体-性腺”轴调控系统？解

决这一问题的关键是证明文昌鱼体内是否存在类似

图1　文昌鱼8-和32-细胞期胚胎发育命运图

注：endo: 内胚层；ep: 外胚层；m: 肌肉；n: 神经；ch: 脊索