分子胚胎学

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分子胚胎学(molecular embryology),胚胎学分支学科,研究动物胚胎发育过程中生长、分化和形态发生的分子基础。它在70年代出现,是胚胎学不断向分子水平深入发展的结果。
  化学胚胎学的研究说明细胞分化的基础是蛋白质大分子(酶、结构蛋白等)的专一合成。然而,这些研究多停留在对发育过程中表型变化的生化描述,还未能深入阐明这种合成活动的遗传基础。50年代以来,分子生物学取得的重大成就,促进了从分子水平研究发育问题。分子生物学在微生物中发现的遗传信息传递的“中心法则”,揭示了生物的发育、遗传和进化的内在联系。同时,也指出只有根据发育和遗传统一的观点,从分子水平来研究发育问题才能阐明发育的根本原因。细胞核移植实验证明高等动物已分化细胞的核可能含有全套遗传信息,而其中只有一小部分表现功能活动,说明细胞分化是基因选择性表达的结果。从分子水平来看,细胞分化和性状发育都是由于合成表型专一的蛋白质大分子。因此,无比复杂的胚胎发育过程,可以简化为从基因到合成表型专一大分子和从大分子的装配到产生特定的形态结构两个步骤,用分子生物学方法来加以分析,其关键是发育过程中基因表达的时、空秩序问题。
  70年代以来,核酸分子结构和功能的研究方法日臻完善,尤其是重组DNA技术的发明和进展,为研究基因在发育中的表达和调控,提供了有力的手段。因而越来越多的分子生物学家转向研究发育问题,他们把在解决遗传问题时发展起来的新方法和新概念,用来分析发育的分子机制,由此逐渐形成了分子胚胎学
  分子胚胎学的主要内容是:
  发育过程中的基因表达及其调控  从分子胚胎学的观点看来,全部发育问题可以大致表述为:卵子发生和成熟过程中,发育信息如何储存在卵的结构内;经过受精而引起发育的卵细胞又如何通过核质之间、分裂球之间,以及胚胎不同部位之间的相互作用,使基因按一定的时、空秩序选择性地表达,从而控制专一蛋白质的合成和装配,实现细胞的分化和个体的发育。
  个体发育不同时期,基因表达的调控可能在不同水平(转录、转录后的加工、翻译)上,以各种不同的机制进行。其中一些机制与遗传物质本身的改变(基因的缺失、放大、移位重组、修饰以及染色质构造变化等)有关,另一些则没有这些改变,而只是涉及基因表达过程的不同环节(基因及其转录本RNA的选择和利用、mRNA存活时间长短等) 的调节。多基因族在调节基因表达的数量、多样性和时间程序上也起着重要的作用。
  某些脊椎动物和昆虫的卵子发生过程中,核糖体核糖核酸(rRNA)基因通过基因扩增而大量增加,以适应早期发育中迅速合成大量核糖体的需要。果蝇卵巢卵泡细胞卵壳蛋白基因,在开始迅速合成这些蛋白质前,先大量复制而扩增。这是已知正常发育过程中,编码蛋白质的基因扩增的第一个例子。从受精到卵裂,所需的发育信息是在卵子发生过程中,以“掩盖的”信使核糖核酸形式储存在卵质内的。受精时,“掩盖的”mRNA被激活,开动蛋白质合成系统而引起发育。这说明在早期发育中,基因表达可能存在翻译水平的调节。从囊胚原肠胚以后,转录及转录后水平(包括mRNA加工和选择性输送)的调节,成为主要的调控方式。然而,在组织、器官的终末分化过程中,如红细胞发生、胰上皮细胞晶状体细胞的分化中,仍然可能先合成“掩盖的”mRNA,再转入活动状态,合成表型专一的蛋白质分子,然后再装配成具有特定功能的结构单位,表现出可见的形态分化。在此过程中,激素等因子可能影响mRNA的稳定性,改变其存活时间。70年代末还发现B淋巴细胞分化中,免疫球蛋白基因表达的调节是在DNA水平,通过V、D、J、C基因片段的移位重组机制实现的。除已知酵母交配型的转换存在类似的机制外,在高等真核生物细胞分化中,这种机制有无普遍意义还不清楚(见免疫遗传学)。
  动物发育过程中基因表达的另一个特点是存在多基因族,即合成相似功能的蛋白质的一组核苷酸顺序略有不同的一些基因(如肌动蛋白微管蛋白等的同族异构基因)或功能上相关的多个基因(如各种 α型和β型珠蛋白基因)簇集在染色质的一定区段上。这些基因能按一定程序在时、空上(不同发育时期,不同组织、细胞内)先后不同地、分别地表达。如鸡胚红细胞发育过程中,珠蛋白基因表达的转换是同有关的染色质从不活跃的结构(对DNA酶I不敏感,甲基化程度高)到活跃结构(对DNA酶I敏感)的转变密切相关的。实际上,在发育过程中,染色体在形态上发生的种种明显的变化(消减、灯刷染色体多线染色体的出现及异染色质化等),与此相应的 DNA的甲基化、超螺旋程度、核小体相位关系及包装状态等分子水平的变化,都可能选择地影响基因的功能活动。
  实验胚胎学的早期研究已注意到卵质内可能存在基因调控物质,如双翅目昆虫卵的极质决定生殖细胞的发育;马副蛔虫植物极卵质使染色质不发生消减,都是著名的例子。两栖类细胞核移植实验更证明早期发育中,核内基因表达受细胞质控制。如将爪蟾的肾细胞核移植到有肋螈的卵母细胞内,在卵质成分影响下,肾细胞核的基因表达程序重新编排,结果肾细胞的专一的基因活动被抑制,而卵母细胞专一的基因活动被激活,使接受肾细胞核的卵母细胞继续合成卵母细胞的专一蛋白质。70年代以来,把用DNA纯系扩增得到的5SRNA纯基因,输入从爪蟾卵母细胞核提取物制备的离体转录系统,发现5SRNA基因的调控部位位于该基因的中段,而不是象原核生物那样位于5′端;并且,还从卵质中找到一个专一的转录调控因子,能与 5SRNA基因调控部位选择地结合。目前,纯基因和 DNA序列分析在发育遗传问题研究中正得到日益广泛的应用。
  目前分子胚胎学研究大都沿用两栖类和海胆等实验胚胎学的传统研究材料。这些动物的突变型少、遗传背景不清楚,加之繁殖周期长,在遗传分析上十分不便。因此,一些有远见的分子生物学家主张采用发育较简单的一种营自由生活的秀丽隐杆线虫作材料。这种线虫的身体和各器官的细胞数目恒定,数量又少。胚胎发育为镶嵌型,有确定的细胞谱系可循。另一方面,基因数目少(约2000个可鉴定的基因),易于用实验方法得到突变型。目前对秀丽隐杆线虫从分子水平研究发育遗传已很活跃。有人预言,秀丽隐杆线虫在分子胚胎学的发展中,可望起大肠杆菌分子遗传学的发展中所起过的重要作用。
  形态发生的分子基础  发育过程中,由于基因选择表达产生的专一大分子如何装配成基本的结构单位,再形成细胞器,以至细胞、组织和器官等各级形态构造的问题,是分子胚胎学研究的另一个方面。
  现在已知道许多超分子构造(病毒多酶系、核糖体和膜等)都能在没有外加信息的条件下,从组成它们的亚基通过非共价连接(疏水性相互作用、离子键和氢键)自行装配形成。这一过程称为大分子的自装配。大多数超分子体系中,自装配所需的信息是由蛋白质亚基提供的,而在另一些体系(如烟草花叶病毒、核糖体等)中,蛋白质亚基和RNA都能提供装配信息。此外,在膜层建造中,磷脂分子也能提供这类信息。
  由遗传决定的蛋白质亚基的氨基酸顺序包含有形成超分子构造的双重信息。在一个水平上,亚基多肽链一级结构(氨基酸顺序)决定该亚基的三维构象。同时,在另一个水平上,每一个亚基的三维构象又含有同相邻亚基间的识别和结合的部位,各亚基借此按一定的空间关系形成特定蛋白质大分子的四级结构。然后,再通过蛋白质大分子之间,以及蛋白质同核酸、磷脂分子之间特定的相互作用,从超分子构造到细胞器,逐级地装配成越来越复杂的形态构造。
  大肠杆菌的T4噬菌体可以作为研究形态发生的遗传控制和分子基础的模型。T4噬菌体的形状象一个注射器,具有头、尾和尾丝等复杂的形态构造。这些构造及其装配是由40多个基因决定的。对这些基因之温度敏感的致死突变型进行的实验表明,噬菌体在形态发生过程中,先是头、尾和尾丝3个部分分别沿3条“装配线”按一定顺序装配形成;然后,这些部件再按一定顺序总装成一个完整的病毒颗粒。全部过程中,除去一个步骤(尾丝和底盘的连接)需酶的催化反应外,其余各步骤均为非共价连接的自装配过程。这种自装配过程表现出一定的顺序性和协同作用,上一个亚基的装配是促成下一个亚基装配的条件。另一个有趣的例子是鼠伤寒菌之P22噬菌体头部的形态发生。这种噬菌体的头部是由 420个相同的蛋白质亚基,在另一种“支架蛋白”的支持下,装配形成的。支架蛋白本身并不参加头部的构成,拆除后还可供下次再度使用。从以上两个例子可以看出由 DNA决定的、编排在蛋白质亚基氨基酸顺序里的一维信息,如何产生出高度复杂的三维形态构造的蛛丝马迹。虽然,噬菌体的构造远比细胞简单,其形态发生的复杂性更不能同胚胎的形态发生相提并论,但对于了解细胞器的建造仍有可借鉴之处。实际上,在核糖体30S亚基的重组实验中已发现,其21个蛋白质组分和16SRNA同样是按一定顺序并协同地自装配的。此外,还发现细胞的各种基本结构和功能单位(如微管细菌鞭毛、各种多酶体系,以及肌原纤维的粗丝等)的建造,都表现自装配现象。值得注意的是细菌鞭毛的亚基,必需要有一段现成的鞭毛作为“晶种”的情况下,自装配过程才能进行。
  形态发生之分子基础的研究还可在更高的水平上进行。用形成细胞骨架的各种蛋白质(如微管蛋白、肌动蛋白、辅肌动蛋白原肌球蛋白细胞角蛋白,支条蛋白和纽带蛋白等)的专一抗体免疫细胞化学方法,及各种药物(如秋水仙素细胞松弛素B等),可以研究这些蛋白质在细胞形态的建造和维持中的作用。这方面的研究发现,这些蛋白质在胚胎发育过程中的出现和活动,同胚胎的形态发生运动和细胞形态分化有密切关系。至于各种细胞如何进一步形成组织和器官,则涉及细胞表面问题。
  细胞表面  细胞表面担负着细胞间识别、信息传递、物质交换以及运动等重要功能。两栖类原肠胚各胚层的细胞之间表现出的选择亲和性,以及视网膜等组织细胞选择聚合实验,都表明细胞识别在形态发生和组织分化中起重要作用(见细胞的亲和性)。在胚胎发育中,细胞间识别的分子基础还不甚清楚。但有证据提示可能同细胞表面糖蛋白大分子有密切关系。从鸡胚视网膜细胞表面已分离出的一种具有组织专一性的细胞凝聚因子,是分子量为 50000的糖蛋白。海鞘卵从受精到卵裂的过程中,双花扁豆凝集素受体的分布发生有规则的变化:从原来分散在整个卵表面,逐渐聚中到植物极,然后,再局限到将来产生尾部肌肉的B4,1裂球内。这提示发育过程中细胞表面糖基团的改变可能同细胞系的分离有关。
  神经系统发育中,脑内神经原网络图式的建立,神经纤维的定向生长,以及神经嵴细胞的迁移等,都可能同细胞表面特性有关。视觉系统发育过程中,网膜轴突和脑顶盖间的特定联系的建立机制,多年来一直是最令人感兴趣的问题。70年代以来,发现脑顶盖细胞膜和网膜神经突起间的亲和性,表现出沿网膜前后轴的梯度差异。此外,还在鸡胚网膜上发现一种抗原,其浓度沿网膜的腹前-背后轴呈梯度分布,推测这种抗原可能作为网膜细胞位置的标记。
  胚胎细胞间存在能容许分子量从1300~1900之间的小分子通过的间隙连结(见细胞间连结)。这些连结在发育过程中的出现和改变与发育信息传递的关系,也是受到注意的问题。
  发育程序的遗传控制  在发育的研究中最重要而目前又最不清楚的是基因表达的时、空秩序,或发育程序的遗传控制。从理论上讲,进化过程中形成的这种遗传程序的逻辑结构应当存在于基因组和基因本身的结构中。对于基因数目少的发育系统,如秀丽隐杆线虫,有可能利用它的不同发育时期对温度敏感的一系列突变型,测定不同基因起作用的时间,进而分析发育程序的遗传控制。然而,这是十分繁复而旷日持久的工作。
  控制果蝇体节发育的基因群,为研究这一重要问题提供了一个模式系统。在系统发育上,一般认为果蝇是从四翅的昆虫进化来的,而昆虫又是从多足的节肢动物进化来的。假定果蝇进化过程中,演变出两类基因:一类是抑制其多足类祖先腹节足的发育的基因;另一类是抑制其四翅祖先第 2对翅的发育的基因。如果这一假设是对的,后一类基因的突变将产生四翅的果蝇,前一类基因的变突将产生逾数的足。事实上,这两类突变型都已发现,有关的基因总称为双胸基因群(BX-C),包括至少 8个基因,按顺序为:abx,bx,ubx,bxd,pbx,iab-2,iab-5和iab-8。每一个位于前一位置的基因的产物控制该体节向后一体节转化,如ubx基因控制中胸向后胸发育,其后的bxd基因控制后胸向第一腹节发育,如此等等;因而在个体发育中,BX-C基因群的作用顺序就好象重演它们本身的系统发育顺序。有人用遗传学方法和重组DNA技术,已得到一组包含有BX-C突变基因的DNA片段,正着手结构分析,以揭示BX-C基因群结构及其调控机制与基因进化过程的关系。
  除核内基因的控制外,卵质本身的活动还表现自主的时间程序,其分子机制还不清楚。
  最后,还应提到从分子水平重新研究实验胚胎学未解决的一些古典问题,如卵的胚区定位,形态发生梯度和场区以及初级胚胎诱导作用等,仍然是分子胚胎学面临的难题。
  参考书目
 T.Leighton and W.F.Loomis, ed.,The Molecular Genetics of Development, Academic Press,New York,London, Torants, Lydney,San Francisco,1980.

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