第二章 发育的细胞与分子基础

7 第二章 发育的细胞和分子基础 生物之所以不同于机器主要在于其功能的展现。机器在其建造完工前可以说是无任何功能可言，而生物在其形成过程中就必须行使功能。一个动物在肺形成前就必须呼吸，在消化道形成前就必须消化，等等。然而，生物发育的主要特点是每一个生物物种都有一种特定的发育模式(pattern)，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象的，因为这一发育过程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基因型通常是雌的、XY基因型通常是雄的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的以及XY基因型是如何产生雄的。同理，就珠蛋白(globin)基因来说，遗传学家可能想知道是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。 发育生物学是一门试图综合不同层次生物学的大科学。以珠蛋白为例，在分子和化学层次上，我们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；在细胞和组织层次上，我们想了解哪些细胞可以表达珠蛋白，并想知道其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。因此，发育生物学家能够研究任何生物和任何类型的细胞。 发育生物学是生物学中发展最快且最令人鼓舞的领域之一。这一方面来自于学科本身，因为我们刚刚开始了解动物发育的分子机制；另一方面来自于其整合作用，因为发育生物学正在形成综合分子生物学、生理学、细胞生物学、遗传学、解剖学、癌症研究、神经生物学、免疫学、生态学和进化生物学的基本构架。发育研究在生物学中已无处不在，已成为了解生物学任何其它领域的基本要素。 8

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，即1）受精卵是如何形成成体的？2）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，但仍有一些普遍性。总的来说，长期以来一直困惑在发育生物学家心中的疑难问题有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)。由于一个生物体内的每一个细胞都含有同等的基因组，因此必需了解这同等的基因组是怎样产生不同类型的细胞，这就是长期困惑发育生物学家的分化难题。 2. 形态发生难题：细胞分化了，且分化的细胞并不随机分布，而是有各种类型的细胞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其恰如其分的排序呢？这就是长期困惑发育生物学家的形态发生难题。 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，这就是长期困惑发育生物学家的生长(growth)难题。 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？这就是长期困惑发育生物学家的生殖难题。 5. 进化难题：进化涉及到发育中的遗传变化。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？哪些变化能够产生可遗传的变化呢？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)，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，发育并没有停止。发育始于受精卵，发育在生命机体内持续进行，发育是细胞不断分裂和 9

分化的结果。就拿人来说，我们每天要更换一克多皮肤细胞，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它发育过程的学科。 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2-1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期(embryogenesis)，因此动物的发育一般要经历胚胎期、变态期和成体期三个基本阶段，很多动物没有变态期，只有胚胎期和成体期两个基本阶段。

图2-1 一个典型动物——蛙的发育历程（自Gilbert, 2000） 裂 卵

孵化 原 肠 形 成

器 官

形

成

变 态

成 熟

受 精

配子发生 10

二、发育的细胞共性事件 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(cell 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(blastomere)，到卵裂结束，它们一起形成球形囊胚(blastula)。 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 axes)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(anterior-posterior)，植物的主体轴是从尖到根。许多动物还有一个可分辩的前后轴，一般被称为背腹轴(dorsal-ventral) 。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2-2）。

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，这种细胞重排过程被称为原肠胚形成

图2-2 一个发育中的爪蟾胚胎的主轴 头尾轴和背腹轴相互之间为直角，构成一个协调统一的体系。 （自Wolpert et al., 1998）

背 腹 前(头) 后(尾)

右

左 11

(gastrulation)。原肠胚中由于细胞重排的结果，产生了三个胚层(germ layers)，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以及与之相连的器官，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以及如骨骼、肌肉、肌腱和血管等结缔组织和血细胞等。图2-3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，细胞就开始了重排和相互作用，其相互作用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。 这里还要提到的是那些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，被我们称为种系细胞(germ cells)（见图2-1）。相对而言，种系细胞与体细胞(somatic cells)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(gametogenesis)。到成熟阶段，配子释放，并参与受精，由此创造出新的生命。成体则最终趋于老化和死亡。 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

图2-3 脊椎动物和昆虫不同器官（组织）来源的三胚层图解。 （自Wolpert et al., 1998）

背面 腹面 脊椎动物 昆虫 胚 层 器 官 或 组 织 内胚层 肠、肝、肺 肠 中胚层 骨骼、肌肉、肾、心脏、血液 肌肉、心脏、血液 外胚层 皮肤、神经系统 表皮、神经系统