发育生物学的前景展望

..心叫.翻..夕

续

三

粤一;-蕊次

自德国生物学家罗克斯和他的同事于1894年创立发育生物学以来今年正是发育生物学诞生的百岁大庆人至百岁已近死亡而发育生物学正处于繁荣的顶峰时期当人们揭开一个受精卵细胞是如何通过复杂和美好的模式预定而发育为一个完整生物体的奥秘时发育生物学领域令人喜悦和笑好的未来从来也不会更大卡内荃研究院的布郎说过你可以争辩认为发育生物学是一门很成熟的学科因为它的方法似乎很适当为纪念这百年大庆《科学》杂志征寻了10多位发育生物学领域的学科带头人并展示了这些专家共同认为的该领域中最大的未解难题同时也是今后5年有望进展最快的问题这些间题大致包括以下几个方面:1形态发生的分子机制,2发育与进化的联系;3细胞如何走向特殊的命运,4发育中细胞间的信号作用;5早期胚中模式的建立,6神经元是如何建立特殊联系的,7细胞如何知道何时分裂并在器官及组织形成中何时死亡,8转录因子如何控制分化等以上顺序代表了专家们共同的看法发育生物学家们正在利用手头的所有技术和模型系统来研究这些主要间题他们充满了对未来成功的极大希望考劳尼大学的莱勃廷在征答中写道“我的第一个回答就是所有领域中都会有快速的进展因为有那么多极好的研究者在为之而努力奋斗”制造翻官和组织形态发生”间题位居很高在组织和器官形成前肯定发生了较早的事件这些事件预知了细胞将会是什么它们将发育为何种组织这些早期的事件对于发育来说能在控制的条件下发生那以形态发生也就是发生在工厂车间里的事了—动植物组织和器官的实际组装近年来发育生物学家们正在集中于寻找启动形态发生事件的将异分子普林斯顿大学的威士灿斯说你真正想知道的是正在傲工的人—劳工他认为对这些分子的了解可以帮助从组织的水平搞清形态发生的实际机制14形态发生包括所有组织和器官的形成从第一个胚性组织层到成熟的心脏脑或肾的全过程威士灿斯和莱勃廷就是研究形态发生中最早期事件的发育学家

的二位这些最早期事件可能是最简单的过程如原肠胚形成即球形胚折叠包围细胞重新排列形成三层胚性细胞层—内胚层中胚层和外胚层他们两个小组对这一方面的研究正获得遗传学上的进展为此他们收集了数千万个突变的果蝇这些果蝇缺乏控制原肠

胚形成的荃因其中的一个基因就是威士灿斯实验室

的折叠的原肠胚形成基因该基因在早期发育两次不同的时间可能控制一种特别的细胞移动即一种胚细胞移向胚内部的称为内折的细胞移动他们认为折叠的原肠胚形成基因正是内折过程中起主要作用的东西同时伯克莱分校的凯勒研究原肠胚形成所得

的结

果完全不同他们用培养的蛙胚做试验试图搞清细胞如何利用原肠胚形成中启动复杂移动的物理力凯勒认为细胞团块做了某些事情使得胚发生扭曲问题

在

于他们到底干了些什么通过切去胚的一部分研究培

养中的组织他发现细胞的移动可以解释原肠胚形成

中所看到的形状改变如胚长轴方向的延长是由

于边

缘细胞向着轴爬行并相互紧抱的结果就象一群人全

部挤成一个长队列时会使队列的末端偏离开很远一样凯勒打算研究蛙中与果蝇原肠胚形成荃因相对应

的东西然后干扰蛙胚中的这些基因观察因之而引起

的细胞移动情况他说我们希望能走上从分子到细胞

行为再到机制的道路细胞运动是形态发生中的重要事件但细胞自身

还应知道何时停止生长甚至死亡而发育为组织和最终的表现形式例如手足形成期间细胞必须死

亡在

手指及足趾间形成空间细胞的死亡及生长控制被征答者列为一个独立的课题与发育领域的其他方面一样对细胞死亡研究的进展也是来自于简单系统的研

究其中一例是线虫蠕虫中的输精管这种精子进入泄

殖腔的输精管首先发育成封闭的末端堵塞管末端的

细胞帮助输精管与泄殖腔相连然后死亡细胞死亡后引起向泄殖腔开口的形成研究这种细胞的死亡可帮.皿塞璐翔.助搞清管形成中的细胞死亡如何演化管形成的普遍性仍待揭示但斯通伯格的计划也不容过分乐观考虑到发育过程中迅猛增加的观察结果有机体在进化中如何以相似的步序通常是相同的荃因而独立地发育为编虫和哺乳动物这些相似的普遍性已激发起发育生物学家足够的兴趣因而他们把进化间题放在未解决难题中的第二位回答这些间题需比较不同的种观察他们的异同并检测每一机体内特异性基因的作用研究人们通过比较不同模型系统中的异同可能会自然地发现这些信息目前有些研究者正在设计特异性研究亲缘关系非常密切的种间的发育模式的比较如最近卡罗尔研究了控制蝴蝶翅详细的色彩模式的墓因时发现蝴操与果蝇中所用的基因相同其他种间的比较结果也增加了许多这方面的例子卡罗尔说进化就是时机生物利用他们的环境并对其产生改变而并不是从头开始地创造事物”专家们一致认为研究进化在未来社会将会更加热门订定模式模式形成不仅对蝴操翅的正确发育至为关键对动物或植物的每一部分的正常发育也极为重要为反映其发育中的中心地位模式形成是与关键间题排列中第三个间题关系密切的3个课题中的1个对正在发育的胚中的模式是如何形成的也并非一无所知相反果蝇早期胚分化为不同部分的模式形成过程的解决正是发育生物学领域中最大的成功例子儿童健康和人类发育研究所的戴卫德说虽然我们还不知道所要了解事件的各个方面但对果蝇的早期胚我们确实知道得相当多了”其中之一是早期胚中的部分模式是通过母体遗留而产生如80年代一些实验室的工作雌果蝇的卵巢细胞形成一种称之为bicoid基因的mRNA该基因指导卵头部末端的形成由这种mRNA翻译产生的bicoid蛋白通过胚扩散形成一浓度梯度在未来的头部区域浓度最高梯度形成后bicoid的作用如同一主开关不同浓度的蛋白开启着沿胚长轴不同部位的各种不同基因这些基因编码的蛋白控制着其他静止基因的表达胚各区域系列基因的开启决定着该区域是否会发育为带触角的头和嘴巴部分或带有翅或肢的胸部由于对与果蝇模式建立有关的一系列基因很好的研究专家们有关未来激动人心的成就将由于对蝇的了解而推及高等动物和植物并找出相同的决定动物和植物棋式的基因果蝇中许多决定部分特异性的被称之为看家”(卜。meoticgenes)的荃因已在脊椎动物中发现且他们在脑和脊柱的分节中起着相似的作用这种模式甚至对植物也

相同植物中的类似的看家基因控制着花瓣的形成所有这些系统中看家基因的作用相似他们编码的蛋白称为转录因子控制着基因的表达沙克研

究所

的威盖尔说过这种相似性“并非纯机会的问题”而显示着控制转录是你必需做的基本事件”来建立胚中

的模式事实上发育中转录因子的重要性作用由专家

们把它放在第七位可以体现出来在快速进展的领域中位列第四

信号发送转录因子不仅仅是应答者们挑选出来引起重视的

分子康乃尔大学的沃夫纳在过去的10年中做了大

量

有关转录因子方面的工作但是沃夫纳认为未来5年极可能被标以核外围的5年因为越来越多

的注意

力转移到另一类分子上这类分子携带着细胞间的信号然后逢释这些信号到细胞内细胞间的通讯是发育中的关键间题如伯克莱分

校的哈兰德和他的同事在早期蛙胚中发现一种叫

noggin

的蛋白这一蛋白由一组称为组织者

的细胞所

产生并引起了相邻细胞变成有机体中成千上万种不

同事件的前体

要揭开这些关键的信号途径还有很多工作要做

这一课题不仅对发育生物学家位置极高事实上也是

众多应答者所望有快速进展的领域耶鲁大学的阿特

维尼斯替康纳斯用遗传学的手段在果蝇中寻找信号途径所研究的是一种称之为notch的蛋白这一蛋白在决定从线虫到人的动物细胞的命运中起关键作用

他说拥有用分子遗传学来鉴定信号途径的能力以及

配合揭开信号途径间功能关系的能力将是未来数年

中发育生物学的中心事件细胞如何知道自身命运信号途径的一个共同作用就是决定细胞的命运如果蝇个别细胞中notch蛋白的激活使得这些细胞变

为皮肤细胞而不是神经系统的细胞细胞如何知道

自

身的命运这一间题被应答者列为信号传导但细胞间

的信号传递并不是细胞未来固定的一条途径伊利诺

斯大学的多伊说有一个完全独立的问题这一问题

刚被揭开那就是你也可以通过向细胞内不均匀地

添

加某种东西去决定细胞的命运多伊还引述了一例

即一种称为numb的蛋白形成于果蝇一类发育为感

觉器官的特殊细胞加州圣弗朗西斯科分校的简和他的同事最近报道在细胞分裂期间numb蛋白在细胞

的一端分泌分裂结果一个子细胞接受所有的num

b

蛋白另一个则完全不接受接受numb蛋白的子细胞

发展为感觉神经元不接受的则(下转第13页).活那翻翻密日.之长的距离的光聚集在数十厘米大小的镜面上这是一项极为复杂的技术为了极精确地控制光的传播方向需要开发很多迄今世界上还没有的新技术例如用能控制非常小的推力的徽控制器来补偿太铂光的压力或其他压力等除了在宇宙空间建立引力波天线外美国字航局的喷气推进研究所还提出了建立围绕地球运转距地面60万公里的引力波天线以上这些计划无论哪一个都是以地面上的引力波天线技术的最新发展为墓础的例如根据地面上的实验结果作为激光光探可使用由半导体橄光器激励的YAG(忆铝拓榴石)激光器这样就可使装工高度轻量化和小型化从而使得在宇宙间建立激光干涉仪引力波天线成为可能未来探侧宇宙的断,口宇宙激光干涉仪引力波天线要探测的频段是1一10一赫兹的引力波比地面上的引力波夭线的探测频段低得多宇宙引力波天线的观侧目标是双中子性大的黑洞或星系中的星体碰撞所产生的引力波另外还有宇宙诞生时发出的背景辐射对如此低频的引力波进行探测迄今为止有过两次其中之一是精密的测定在太空中飞行的旅行者号行星探测器距地球的距离引力波会使这一距离有起伏因此根据探测到的距离变化就能枪测有无引力波这一探测技术称为多普勒跟踪它能侧得频率约为1。一赫兹的引力波对毫秒脉冲星进行定时测量可以检测叔率更低的引力波在脉冲星之中有一种以极快速度旋转的单星体中子星它以毫秒的脉冲间距发出毫秒射电脉冲

这种星被称为毫秒脉冲星毫秒脉冲星在10~10.秒(年的t级)的时间范围内均匀地发射脉冲因而利用

它有希望建成比地上的原子钟更为精确的时钟另外如果能正确地测定脉冲星的脉冲周期此周期起伏就

表示有引力波信号存在但据估计利用这一手段检侧还需要将探测灵敏度提高2~3个数量级为了填补地面引力波天线和LISA计划之间的间隙还有人提出了在月球上建立引力波天文台的设想

地面上的公里级的引力波天线大约在本世纪内或者下世纪初就可运转这类引力波天线的探测目标是脉冲双星并体或超新星爆发时产生的引力波但是脉冲双星并体或超新星爆发会在哪里发生发生的几率有多大就现在看不可否认有关观测数据是不足的不过有人估计本世纪内在地面上接收到引力波的可能性大

约

在

50

%以上

引力波探测最终会打开21世纪探测宇宙的新窗口发展引力波天文学的意义也正在于此为此在较

宽的频段内检测引力波是很重要的从探测波段看LisA计划大大扩展了现有的观测窗口同时它也大大地拓宽了观测对象因此它是一

项重要计划另外在这一计划中发展的技术不仅对物

理学和天文学研究很有价值而且从实用方面看在未

来的宇宙卫星间光通信上也能获得利用因而这一计划又十分引人注目

不管怎么说大概到201。年地面上的引力波天