發(fā)育生物學
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發(fā)育生物學(developmental biology)，用分子生物學、細胞生物學的方法研究個體發(fā)育機制的學科。是由實驗胚胎學發(fā)展起來的。實驗胚胎學是研究發(fā)育中的胚胎各部分間的相互關系及其性質(zhì)，如何相互影響，發(fā)育生物學則是追究這種相互關系的實質(zhì)是什么，是什么物質(zhì)（或哪些物質(zhì)）在起作用，起作用的物質(zhì)怎樣使胚胎細胞向一定方向分化，分化中的細胞如何構成組織或器官，以保證組織和器官的發(fā)育，正常發(fā)育的胚胎怎樣生長、成熟、成為成長的個體，后者在發(fā)育到一定階段后為什么逐步走向衰老，如何在規(guī)定的時間和空間的順序下完成個體的全部發(fā)育。
從學科范圍講，發(fā)育生物學比實驗胚胎學大，后者基本上是研究卵子的受精和受精后的發(fā)育，雖然也包括再生及變態(tài)等問題，但主要是胚胎期的發(fā)育。發(fā)育生物學研究的則是有機體的全部生命過程。從雌雄性生殖細胞的發(fā)生、形成、直到個體的衰老。
從研究對象看，實驗胚胎學一般專指動物實驗胚胎學。由于歷史的原因，尤其是材料的不同，像動物實驗胚胎學那樣的植物實驗胚胎學未曾發(fā)展起來。但動植物的發(fā)育原理，尤其是從分子生物學的角度考慮，有許多共同之處，所以發(fā)育生物學既研究動物的也研究植物的個體發(fā)育?！ ?/p>
目錄 |
沿革
發(fā)育生物學從學術思想上可追溯到19世紀末期。W.魯創(chuàng)立的所謂發(fā)育機制學的學科，就提出要研究有機體建成的原因和因子以及這些因子的作用方式。而且這學科是要追究形態(tài)建成功能的產(chǎn)生、維持和衰退的原因。可見他已經(jīng)注意到個體發(fā)育中相互關系的實質(zhì)，而且他所理解的個體發(fā)育也不限于胚胎時期。
由于當時的科學水平，W.魯所賦予這個學科的使命是無法實現(xiàn)的。W.魯之后的實驗胚胎學在條件許可之下，主要致力于胚胎各部分的發(fā)育潛能、器官原基的決定，在決定過程中鄰近組織的影響，或者說主要集中在胚胎的組織與細胞之間的相互影響和它們?nèi)绾谓M排，從這方面分析和了解胚胎發(fā)育，但卻忽略了對發(fā)育機理的追索。
直到40年代，由于組織化學、生物化學的滲透，發(fā)展起化學胚胎學，希望由發(fā)育中的化學變化了解發(fā)育。這在實質(zhì)上是從另一個側面敘述胚胎發(fā)育。這一個發(fā)展階段為以后的發(fā)育生物學創(chuàng)造了條件，使得胚胎學家較容易地接受來自分子生物學和分子遺傳學的影響。
盡管在實驗胚胎學的早期曾經(jīng)探討過細胞核在發(fā)育中的作用，如T.H.博韋里曾經(jīng)指出染色體在發(fā)育中的重要作用，并且不斷有涉及遺傳與發(fā)育的工作，但是由于證實了核的全能性以及關于鑲嵌型卵子的研究，細胞質(zhì)在發(fā)育中的重要性更受到重視。占相當比重的關于器官發(fā)育的研究，始終未考慮細胞核的作用。直到分子遺傳學和分子生物學確定了遺傳物質(zhì)的性質(zhì)和構造，發(fā)現(xiàn)了遺傳密碼，揭露出蛋白質(zhì)合成的機制，才使人們認真考慮基因在發(fā)育中的作用，以及細胞分化的機制──在產(chǎn)生出構成有機體的各種細胞類型的過程中，基因是怎樣地被控制的。在這基礎上逐漸形成了發(fā)育生物學。
由于認識到，外表相去甚遠的植物和動物在發(fā)育上有很多共同點，有些簡單的有機體（如藻類和粘菌）是研究細胞分化的非常有利的模式系統(tǒng)，發(fā)育的過程不僅僅出現(xiàn)在一個有機體的胚胎發(fā)生期間，而且出現(xiàn)在整個生命期間的各個階段，這就使發(fā)育生物學研究的對象和范圍遠比實驗胚胎學擴大了。
主要研究方法及常用實驗材料
發(fā)育生物學是一個多學科的研究領域，它利用一切有關學科的技術方法，也利用它們的研究成果，來研究和解釋發(fā)育中的問題。例如要了解早期發(fā)育時的基因活動，就需要用分子生物學的技術研究受精之前和受精之后以至卵裂時期的RNA，以判斷哪些是受精前已有的，哪些是受精后轉錄的，它們是哪些類型，何時開始、在哪些細胞中轉錄的；要研究某一結構基因的調(diào)節(jié)控制，分子遺傳學關于原核基因的研究就是不可缺少的基礎。
但是關于發(fā)育機制的探索，不能僅限于某一水平，既可以是分子水平的研究，也可以是亞顯微或細胞水平的，如果涉及某些細胞器在細胞分化中的變化和作用；或者如果涉及到不同胚層的細胞在形成某一特定結構中的相互作用，就是更高水平的事。或者如果涉及個體的極性或?qū)ΨQ等的形成，那就是個體水平的了。不論哪個水平的發(fā)育，追究到底都可以從有關基因的調(diào)節(jié)、激活去探索。有關基因在何時被激活，它的產(chǎn)物在何時、如何在不同的水平上起作用，導致出現(xiàn)各個水平的形態(tài)發(fā)生過程，則是發(fā)育生物學的重點所在。
研究基因的結構，轉錄的時刻，轉譯產(chǎn)物的性質(zhì)等自然要用分子生物學的方法；研究某種超微結構在發(fā)育中的變化，就要應用電子顯微鏡技術；研究某種蛋白的出現(xiàn)，細胞膜受體等可能需要免疫學技術，如果要離體地研究某種細胞的終末分化，或者不同組織在形成某種構造中的相互作用，就離不開細胞培養(yǎng)或組織培養(yǎng)的技術，顯然，在哪個水平上工作，或者研究什么問題，決定了采用什么技術。
一些過去在實驗胚胎學中較少使用的，但是對研究某些發(fā)育生物學問題有利的材料已受到重視。如果蠅，經(jīng)過遺傳學家?guī)资甑呐?，對它的性狀遺傳已經(jīng)充分了解，而且培育出大量的突變型。果蠅的有些突變型正是了解某一基因在何時起影響，起什么樣的影響的理想材料，這是用野生型做材料無法做到的。雖然果蠅體積較小，難以得到足夠的量供生化分析，但有可能通過大量培養(yǎng)和發(fā)展微量化檢測方法克服這一困難。
小鼠是另一種常用的材料。因為已經(jīng)培養(yǎng)出一些突變型，而且它的胚胎在體內(nèi)發(fā)育與人類比較接近。另一種使用范圍有擴大趨勢的材料是一種自由生活的秀麗隱桿線蟲。已經(jīng)用實驗方法得到許多突變型。它們繁殖迅速，可以在短期內(nèi)培養(yǎng)出大量材料供生化分析和提取之用。
實驗胚胎學的傳統(tǒng)材料──棘皮動物、兩棲類、鳥類等，仍然是重要的，只是用來研究的問題不同。例如關于早期發(fā)育中基因的活動，用海膽作材料的研究曾經(jīng)提供大量資料。關于器官發(fā)生的分析，細胞分化的分子基礎，兩棲類和鳥類仍然是重要的材料。
主要研究內(nèi)容
從胚胎學的角度，個體發(fā)育從受精開始，因為卵子受精之后才能發(fā)育，但發(fā)育生物學則應把個體發(fā)育追溯到卵子的形成。因為卵子在長大中不僅被動地積累營養(yǎng)物質(zhì)，而且要通過細胞核中的基因活動，合成下一代發(fā)育中、尤其是早期發(fā)育中所需要的物質(zhì)。一方面，成熟的卵子中含有大量的核酸，除rRNA主要是通過基因擴增產(chǎn)生的，其他的如mRNA、5SRNA、tRNA的相當大的部分是在卵子發(fā)生過程中從染色體轉錄下來的。這時的染色體呈燈刷狀，顯示活躍的轉錄功能。另一方面已經(jīng)知道一些基因，它們的產(chǎn)物顯示所謂母體效應，決定下一代某些性狀的發(fā)育，而受精之后父方的細胞核不能改變這種情況。例如美西螈的O突變型，純合雌體產(chǎn)出卵子，即使由正常雄體的精子受精，也不能進行原腸形成。也發(fā)現(xiàn)了果蠅的一些影響卵子的結構和空間格局的突變型，例如雙腹端(bicaudal，bic)和背方 (dorsal，dl)。純合的雙腹端突變型（bic/bic）雌體所產(chǎn)的卵子，受精后只能發(fā)育出腹部后端的結構，所形成的胚胎由兩個對稱排列的腹部后端組成，缺乏頭部、胸部和前腹部。這方面的研究使人們對以前難以理解的體形的基本格局──極性、對稱──的建立的問題，有了一些認識。
受精之后，合子基因組發(fā)揮作用的時期一般地都比較晚。小鼠和海膽的情況比較特殊，各種RNA的轉錄相當早，在爪蟾則在囊胚中期才進行mRNA前體的轉錄，rRNA（28S和18S）的轉錄還要晚些。用實驗方法去除爪蟾早期原腸胚雄雌性原核，去除可以用于轉錄的DNA，這樣的胚胎只能停留在囊胚期，根本沒有進行原腸形成的跡象，這說明，依靠受精前轉錄的RNA可以進行一定的發(fā)育，但進一步發(fā)育則依賴于合子基因組的轉錄物。
母方基因組的轉錄物既然能維持一段時間的發(fā)育，必然行使應有的功能，根據(jù)組蛋白的合成已經(jīng)判斷出，母方mRNA可以轉譯出所有 5種組蛋白 (H1，H2B，H2A，H3，H4)，大約占卵裂期組蛋白的 60％，到囊胚期，合子基因組轉錄的mRNA轉譯出的組蛋白大約占 2/3。兩種海膽（Dendraster和Strongylocentrotus）組蛋白H1在電泳時顯示不同組分。利用兩種海膽的雜交，判斷出囊胚期組蛋白中已有父方組蛋白基因的產(chǎn)物。
原腸形成是動物發(fā)育中形態(tài)建成的關鍵，通過囊胚各部分細胞的一系列運動形成原腸胚，才能產(chǎn)生3個胚層，才有進一步的細胞分化和器官發(fā)生。雖然目前還不知道引發(fā)細胞運動的根本原因，但是從小鼠T基因復合體的研究得知，它所包括的一系列隱性致死或半致死突變型(t)中，t9大致就是在這時起作用，這一突變基因在原條期產(chǎn)生影響，阻礙中胚層細胞不能從原條上遷出，干擾了原腸形成的正常進行，使中軸器官不能正常發(fā)育。這一基因可能影響了胚盤中下胚層細胞的表面抗原和位于其下的微絲，從而影響了細胞的運動。
絕大多數(shù)昆蟲的卵子是中黃卵，它們的卵裂屬于表面卵裂，以后的發(fā)育模式也和其他動物迥然不同，但是在果蠅已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ftz+只在早期囊胚和原腸胚表達；與胚胎的分節(jié)過程有關。同配(ftz-/ftz-)突變型胚胎的體節(jié)不正常，在孵化前死亡。ftz+基因的產(chǎn)物，在囊胚早期，在圍繞每個細胞核的細胞膜還未完全形成之前，就以帶狀的形式出現(xiàn)了。因此被認為，基因的表達與分節(jié)的決定可能與卵子的皮層細胞質(zhì)與細胞核的相互作用有關，細胞核按照它們的皮層中的位置調(diào)節(jié)ftz+基因。
了解基因起作用的時間還可以利用溫度敏感突變型。這是只能在較低溫度(17℃)下飼養(yǎng)，在較高溫度(29℃)則出現(xiàn)變化──致死，缺乏某一結構或出現(xiàn)不同形態(tài)的突變型，其所以如此是因為基因突變導致蛋白質(zhì)的氨基酸順序有了改變，在高溫下不能維持其三維構象，影響其功能。不同的溫度敏感基因有的只需短暫的溫度處理即出現(xiàn)突變性狀，有的則需較長時間的處理。它們發(fā)生作用的時期不同，有的在早期，有的在晚期，有的基因作用是一次性的，有的是二次或多次的，有的則是連續(xù)性的。由這些突變型可以推斷在發(fā)育或性狀發(fā)育的某一時期需要某些專一的基因。
對細胞分化的分子機制，在各種細胞，例如水晶體、紅細胞、軟骨、肌肉等，已經(jīng)有相當深入的研究，這些細胞的共同特點是結構蛋白比較單一，因而為研究提供了方便?？梢运w和紅細胞為例。
?、偎w的分化：水晶體是經(jīng)過眼杯的誘導產(chǎn)生的。關于水晶體原基的決定和分化，實驗胚胎學的大量工作為研究分化的分子基礎準備了條件。雞的水晶體中含有α，β，δ3種晶體蛋白，前兩種在胚胎發(fā)育中出現(xiàn)較晚，δ晶體蛋白是出現(xiàn)最早的，主要的蛋白質(zhì)，約占水晶體所合成的蛋白質(zhì)總量的60～80％。因此了解晶體的早期分化應弄清δ晶體蛋白的出現(xiàn)與細胞形態(tài)分化的關系。
細胞質(zhì)中首先要有晶體蛋白mRNA的積累，才能專一地合成晶體蛋白。從雞的水晶體提取mRNA，用體外轉譯的技術測試，所合成的蛋白質(zhì)中70～80％是δ晶體蛋白，說明從mRNA的積累，可以反映細胞合成蛋白的情況。用提純的δ晶體蛋白mRNA制備互補DNA(cDNA)，再用cDNA與不同發(fā)育時期的水晶體中提取到的δ晶體蛋白mRNA進行分子雜交，可以判斷這一蛋白在晶體發(fā)育中何時出現(xiàn)，以及出現(xiàn)后的量的變化。雜交的實驗指出，在孵化大約43～44小時的時候，也就是在晶體受到眼杯誘導之后8～9小時，或者在晶體纖維細胞開始伸長前1～2小時，δ晶體蛋白mRNA就開始積累了?？梢钥闯?，表皮受到眼杯的誘導，首先積累δ晶體蛋白mRNA，隨著mRNA的轉譯細胞逐漸改變形態(tài)。但還存在一系列問題，例如纖維細胞為什么會積累δ晶體蛋白mRNA，其調(diào)控是否發(fā)生在轉錄水平，僅由于基因?qū)Ｒ坏乇患せ?？或者，積累是由于這種mRNA優(yōu)先地被穩(wěn)定下來，降解速度放慢了？或者，mRNA是否唯一地能說明專一地合成δ晶體蛋白的機制？
?、诩t細胞的分化：一方面在形態(tài)上從造血干細胞經(jīng)過原紅細胞──它的形成和分化在紅細胞形成素的控制之下──再經(jīng)過早幼、中幼、晚幼紅細胞，網(wǎng)織紅細胞形成紅細胞，在各個階段所合成的血紅蛋白不同。另一方面它們的起源地點不同，最初由胚胎的血島中的中胚層細胞產(chǎn)生，然后由肝臟、骨髓產(chǎn)生。已經(jīng)知道各種血紅蛋白包含著哪些珠蛋白多肽，它們的氨基酸順序以及有關基因的位點，例如α 珠蛋白在染色體16，β、δ珠蛋白在染色體11。最早在人胚胎血管中流動的細胞含有混合的胚胎血紅蛋白(Hb Gower 1，Hb Gower2)，后來，肝臟中開始產(chǎn)生紅細胞，細胞中出現(xiàn)胎兒血紅蛋白 (HbF)。這一轉換不是由于出現(xiàn)了新的細胞，因為用熒光抗體測試，一個細胞里可以結合兩種血紅蛋白的抗體。到妊娠第3個月胎兒紅細胞中出現(xiàn)成人型血紅蛋白(HbA)。和第1次轉換一樣，這次轉換也與紅細胞的形成地點無關，在第3個月末HbA只占微量，出現(xiàn)在一部分細胞里，細胞中還含有大量的HbF，到出生后一個星期HbA就占顯著優(yōu)勢了。
為什么會發(fā)生轉換還不知道，現(xiàn)在只能講，血紅蛋白的產(chǎn)生大概是轉錄控制的。因為如果把網(wǎng)織紅細胞的珠蛋白基因的染色質(zhì)與從未表達過的卵白蛋白基因染色質(zhì)相比，前者對DNase1或小球菌核酸酶的作用敏感，可降解成較小的核苷酸片段。已知珠蛋白基因的染色質(zhì)的構型在轉錄前發(fā)生了變化，推測是由于構型的變化使得這一區(qū)域得以進行轉錄（轉錄處易被核酸酶水解）。此外在轉譯水平也有調(diào)節(jié)機制，與網(wǎng)織細胞中血紅素的水平有關。在血紅素存在下蛋白激酶失活，不能進行磷酸化，從而不能使起始因子eIF-2在進行多肽合成的第一步中充分發(fā)揮作用。
在個體發(fā)育中細胞分化和組織發(fā)生、器官發(fā)生──不同來源的細胞構成器官──是并行的。組織的排列是怎樣控制的，也是發(fā)育生物學的中心問題。這里包括細胞識別、細胞遷移、細胞的選擇性親和和不同胚層細胞間的相互作用等一系列尚不甚了解的現(xiàn)象。
例如腺體，如同甲狀腺、胸腺、肺、唾液腺、乳腺和胰臟等，各自分泌特有的產(chǎn)物。在發(fā)育中都是首先出現(xiàn)被間質(zhì)細胞包圍著的由腺體上皮形成的圓的芽狀體。然后腺體上皮逐漸產(chǎn)生出分枝的管狀構造。用離體培養(yǎng)的方法把上皮、間質(zhì)細胞分別培養(yǎng)和混合培養(yǎng)，表明在發(fā)育中間質(zhì)細胞對腺體上皮產(chǎn)生的管狀分枝起決定性作用。但各種腺體的間質(zhì)細胞的作用并不相同。唾液腺間質(zhì)可以使唾液腺上皮產(chǎn)生分枝，另一方面唾液腺上皮在大量的肺間質(zhì)的影響下也可產(chǎn)生分枝，可以說凡是分枝腺體中的間質(zhì)都具有使上皮產(chǎn)生分枝的作用，只是其強弱不同。
管狀的腺體上皮之所以產(chǎn)生分枝，一般認為和上皮細胞分泌的基底膜中的葡萄糖胺聚糖 (GAG)以及間質(zhì)細胞都有關系。如果在體外培養(yǎng)時用透明質(zhì)酸酶把 GAG去掉，即使在間質(zhì)細胞存在下，管狀上皮也不能分枝，除非等上皮重新分泌出GAG之后。用同位素標記的GAG前身物進行的實驗指出，管狀上皮頂端GAG的轉換特別快，標記會很快失去，所以這里的GAG特別薄，這為間質(zhì)細胞的作用提供條件。在胰臟已經(jīng)證明間質(zhì)細胞分泌間質(zhì)因子(MF)，它與上皮細胞的表面相互作用，刺激DNA合成，促進細胞分裂。
唾液腺間質(zhì)不僅可以使乳腺上皮形成分枝，而且形成唾液上皮那樣的分枝，這樣的乳腺上皮會分泌什么樣的產(chǎn)物？把這樣的構造移到懷孕并且生育的小鼠，證明它們?nèi)匀划a(chǎn)生乳汁，胰腺上皮與唾腺間質(zhì)混合得到一致的結果，這都說明，細胞分化并不因上皮形態(tài)結構改變了而發(fā)生改變，而是仍然按照已決定的方向進行。
意義
發(fā)育生物學的研究使人們了解到，脊椎動物中，不論是低等的卵生的或高等的胎生的，發(fā)育的原則是一致的，即使存在著一些乍看起來頗為懸殊的差別，例如兩棲類、鳥類、哺乳類早期胚胎體形的不同等等，實際上這仍然是一些末節(jié)，因為形成這些胚胎的基本機制，例如形成各個胚層時的細胞運動、各種器官原基的發(fā)育中的細胞間相互關系等，都是大同小異。隨著研究的深入，求同存異可以找到適用于各類動物的基本原則；存同求異則可了解到不同之處是如何產(chǎn)生的，為何會產(chǎn)生出來，從而了解物種進化中發(fā)育機制的演變，從個體發(fā)育了解系統(tǒng)發(fā)育。
如研究果蠅的同源異形突變型時發(fā)現(xiàn)，有些同源異型基因可能具有某些共同的順序，在觸角足(Antp)、ftz和超雙胸 (Ubx)的外顯子3′端確實也找到稱之為H重復順序的片段，它們DNA順序的同源性約為75～79％，它們編碼的多肽，有75～87％的同源性，含有大量堿性氨基酸，其中30％是精氨酸或賴氨酸，稱之為同源異型蛋白。因為同源性限于一段短而高度重復的DNA片段〔大約180堿基對(bp)〕，也稱之為同源異型框，以此為探針還釣出了其他一些含同源異型框的基因，而且還在其他節(jié)肢動物和節(jié)肢動物的祖先──環(huán)節(jié)動物──中找到；也在脊索動物，如海鞘、文昌魚，在脊椎動物，如爪蟾、小鼠和人類的基因庫中找到了，盡管這些動物的體節(jié)與無脊椎動物有不同的解剖學結構。這個例子說明了同源異型框在進化中的高度保守性，如果脊椎動物與無脊椎動物是在5億年前分道揚鑣的，它必然出現(xiàn)在這之前，而且在進化中變化不大；說明了生物界發(fā)育的基本機制的共同性。
凡是與發(fā)育有關的生產(chǎn)實踐中的技術問題都是隨著發(fā)育生物學工作的深入而得到解決的。最淺顯的例子是關于經(jīng)濟動物的繁育，用低溫可以長期保存精子，利于長途運輸；早期胚胎也可貯存，進行異體移植，而且被移植的胚胎不受寄母的遺傳條件的影響。這些在家畜已見實效的措施在人類也逐漸成為可行的(例如試管嬰兒)。
此外，由于發(fā)育的基本原則也適用于人類，研究人類自身的發(fā)育機制謀求人類的康泰，這本身就具有很大的實際意義。①控制人口和優(yōu)生，只有對于生殖細胞的形成、排卵、受精等一系列過程有更深入的了解才能采取更安全更有效的避孕措施。人類的畸形可能來自遺傳的、藥物的影響等種種原因，但都是在發(fā)育過程中出現(xiàn)的，都要從發(fā)育的角度了解才能預防。②癌癥實際上是異常的細胞分化，對癌的控制需要對正常的生長和分化過程有深入的了解。③衰老實際上是發(fā)育的一個方面或一個階段，對衰老過程的理解，依賴于對全部生命過程中細胞、組織以至機體生長的認識，在這基礎上才能控制衰老。
展望
發(fā)育生物學的成就，在某些方面把實驗胚胎學提出的問題推進了一大步，但是對某些問題，例如胚層的形成，如何在胚層的基礎上產(chǎn)生出組織和器官，進展并不大。對于某些分化過程的分子基礎雖然已經(jīng)了解得比較清楚，例如水晶體或紅細胞，但歸根到底仍是敘述性的，即在分子水平敘述某一過程，對于胚胎細胞怎樣才能進行分化，或者說關于基因的開動機制，知道得不多，而基因的開動，或者說基因表達的時空順序──某種細胞的結構基因如何必須在某時某地表達，這正是發(fā)育生物學的中心問題。
利用分子生物學技術的分析，對某些基因的結構，以至所包括的調(diào)節(jié)片段，已經(jīng)有所了解，但是關于起調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)，在真核生物還很少了解，研究發(fā)育中基因的時間、空間調(diào)節(jié)，這應是重要的方向，調(diào)節(jié)蛋白本是基因的產(chǎn)物，基因產(chǎn)物反轉過來又調(diào)節(jié)基因的表達，顯然在分子水平上也存在著這樣的對立統(tǒng)一。
在分子水平上進行深入分析對于了解基本機制固然重要，另一方面應當承認，經(jīng)過幾代人的努力，雖然對于一些動物的發(fā)育已經(jīng)有所了解，但是了解的廣度和深度仍然參差不齊。因此，進一步發(fā)掘研究對象和充分利用已有的材料，在各個水平上進一步分析過去尚不甚了解的現(xiàn)象，才有利于發(fā)育生物學的發(fā)展。
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