发育生物学论文

鲁东大学生命科学学院20 09－20 10学年第二学期《》课程论文

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摘要:发育具有严格的时间和空间的次序性,这种次序性由发育的遗传程序控制。发育是有机体的各个细胞协同作用的结果,也是一系列基因网络性调控的结果。DNA上的一维信息是如何控制生物体三维形态结构构建和生命现象的发展是目前研究的热点之一。文章从早期胚胎细胞全能性、胚胎空间结构定位、发育程序的控制、形状变化、胚胎血液的形成以及胚胎发育的调控因子等,对近几年胚胎发育与形成机理的研究进展做了简要综述。

关键词:发育;调控因子;胚胎

一个有机体的发生,从简单到复杂,从单细胞到功能多样的多细胞,里面隐含着极

其精妙的发育调控机制。发育的核心问题是细胞分化,而导致细胞分化的则是基因的作用。发育是物种遗传特性的表达,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,它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。胚胎发育的遗传程序及其形成机理已经成为目前生命科学领域的研究重点之一。

1、早期胚胎基因组的活化

胚胎生长发育初始需要的所有物质都是由成熟卵母细胞提供的,因此,卵子在充分生长前活跃地转录和翻译其自身特有的基因,在此期间,卵母细胞中合成并积聚了多种RNA、蛋白质、细胞器,这些构成了早期胚胎发育的母源物质。完全生长的卵子在随后的减数分裂过程中,基因转录完全停止,翻译减少,母源性基因的表达程序可能被消除。受精以后,母源物质逐渐下降,胚胎基因组的转录表达开始,胚胎的发育逐渐由自身合成的物质来调控,这一过程即发育由母源向胚胎调控的转变(transition from maternal to embryonic control of development, MET),以胚胎基因组的活化(embryonic genome activation,EGA)为主要特征。在MET之前,DNA一直与来自卵母细胞的组蛋白结合,

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而来自于胚胎细胞合成的组蛋白一般在MET期与DNA结合,且结合速度与DNA转录和复制活性直接相关。

胚胎基因组的转录取代了直接作用于早期发育的母本转录,使得高度分化的卵母细胞在胚胎附植前的早期卵裂阶段转变为卵裂球。胚胎细胞核中组蛋白的乙酰化或DNA的复制是启动其基因组转录的首要条件。

2、早期胚胎发育与调控因子的研究

2.1早期胚胎细胞全能性的研究

在某些非哺乳类动物,如果蝇卵子不同部位的特定分子浓度不同。如果将昆虫卵一分为二,它们会分别发育成为昆虫的前半部和后半部。但是哺乳动物不同,取一个卵裂成两个细胞的小鼠胚胎,毁掉其中一个细胞,剩下的细胞仍然能发育成一只完整的小鼠,这使人们认为,哺乳动物早期胚胎细胞是全能的,能够发育成任何类型的细胞。

但是最近,科学家使用处于2-细胞阶段的小鼠胚胎,用染料给其中一个细胞染色,以便追踪其发展过程。在大多数胚胎中,一个细胞会纵向分裂,另一个会横向分裂。如果纵向分裂首先发生,分裂产生的细胞就会形成小鼠的身体,随后横向分裂产生的细胞则形成胎盘。从处于4-细胞阶段的胚胎中取出细胞,仅利用纵向分裂产生的细胞或仅利用横向分裂产生的细胞来培育新的胚胎。结果,胚胎植入小鼠子宫后,纵向分裂细胞形成的胚胎有85%完全发育,而横向分裂胚胎只有30%能够完全发育。结果表明在4-细胞的小鼠胚胎里,各个细胞是彼此不同的。这一实验对于哺乳动物早期胚胎里的细胞是否具有全能性提出了质疑。

2.2早期胚胎发育空间结构的定位机制

动物在胚胎发育早期,左右两部分会开始出现差异,这会影响到内脏器官以后的布局。广川信隆等发现了形成胚胎空间结构的定位机制。在小鼠早期胚胎中,作为细胞分裂中心的节点部位存在着纤毛,纤毛旋转引发的液体流,能自右向左运输由节点所分泌的类维生素A和一种名为Shh的蛋白质,于是在节点的右侧和左侧出现了物质不均

衡,结果导致胚胎内物质出现浓度差异,最终分别决定动物身体左右两部分的基因开始发挥作用。

研究人员在对斑马鱼的研究中发现一种在内在器官不对称的情况下,确保身体外在对称性发育的机制:维生素A是一种能够在初期胚胎干细胞中减轻不对称信号的特殊物质,并且能使这些细胞对称发育,在胚胎进入胚胎的节点区域并开始形成胚胎的三胚层时起作用。缺乏维生素A时,身体外部可能发育成不对称。因此,维生素A既能影响身体内的器官和组织的非对称性排列,同时又影响生物外形的对称性发育。

动物的每个器官都有固定的位置。Levin M发现一种药物能使青蛙胚胎中轴线发生左右偏移在配制胚胎发育的培养液时加入该药物,将刚受精的青蛙受精卵浸浴到含药的培养液中,然后在胚胎发育出器官之前将该药洗脱。结果25%用过药的胚胎的器官发生错位,而未用药的胚胎器官的错位率还不到1%,发现该药作用的青蛙蛋白是14-3-蛋白。14-3-3蛋白是14-3-3家族成员,它是广泛分布于真核生物高度保守性多功能蛋白质。14-3-3蛋白在钙离子/钙调素依赖的蛋白激酶Ⅱ存在的情况下激活酪氨酸羟化酶,并且强力激活蛋白激酶C,很可能是细胞信号程序的调节因子。受精卵卵裂为个细胞之后,胚胎细胞中的未知分子介导14-3-3蛋白进入其中一个细胞,表明14-3-3蛋白在发育最初阶段就参与确定胚胎的左右轴向,当14-3-3蛋白比未知分子表达得更多时,14-3-3蛋白遏制未知分子并溢入另一细胞,使得蛋白错位,最终导致器官易位。

2.3早期胚胎发育程序的控制

具有独特功能的蛋白因子的相互作用可改变发育命运。自配子配合形成单细胞胚胎后,个体发育就开始启动,早期胚胎中的细胞就呈现出不同的形状,并分成多个层面,这些层面最终将发育形成不同的有机组织和器官。但细胞分裂和变化的形态,则是两个截然不同的过程,不能同时发生。Volk T等通过对果蝇胚胎的发育过程进行研究,发现胚胎细胞中存在一种蛋白Twist,这种蛋白控制着cdc25蛋白的产生。cdc25蛋白能够暂时中止细胞分裂,让其他过程得以进行,即细胞从初生胚胎的外部转向胚胎内部,

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发生着形状的改变,形成了中胚层,并最终促使肌肉和其他内部组织的产生,一旦中胚层构造完成,被内部中胚层束缚的细胞移动滞后时,细胞则面临着一个分裂波,即当细胞完成形状变化和定位在某处时, cdc25可达到一个促进细胞分裂的临界水平。

2.4早期胚胎的形状变化机制

收敛延伸是胚胎形状变化的一个重要机制,它涉及细胞的有序运动,导致它们的空间重排和整个组织沿着其中线的延伸。一项新的研究表明,在脊椎动物中,收敛延伸的方向是与身体轴向一致的。

2.5早期胚胎血液的形成机制

在研究突变斑马鱼胚胎的贫血症起因时,科学家证明了cdx4控制着某些hox基因,它调节着血液的发育。通过研究小鼠胚胎造血干细胞,发现小鼠胚胎干细胞中过量表达的cdx4不仅改变了小鼠hox基因的表达,还引起造血祖细胞数目的明显增多。

3、早期胚胎发育与形成的调控因子

调控因子通过自分泌和旁分泌的形式作用于胚胎和母体,从而对受精卵的分裂和进一步发育发挥重要的作用,利用RNA干扰技术,研究线虫亲代表达的基因和被传递到卵细胞中的基因,这些基因被用于受精后最早期的发育阶段,发现大约有另外的150种新基因是胚胎发育所需的。

Tanaka M等利用消减杂交的方法发现了一种与cs-H1和B4类似的卵母细胞特异性连接组蛋白H1oo,H1oo不但能够在卵母细胞-胚胎发育转换过程中发挥功能,而且还可能在基因组重编程过程中起到关键性作用。

子宫产生的转化生长因子-α(transforming growth factor,TGF-α)通过自分泌及旁分泌与表皮生长因子受体(EGFR)结合,经信号转导途径作用于早期胚胎,刺激胚胎内细胞的DNA和蛋白质合成及胚泡腔的扩展,从而发挥促进胚胎发育的作用。小鼠胚胎体外培养,于桑椹胚阶段加入TGF-α,明显增加了发育到胚泡的数目,并且促进胚泡植入子宫。

低氧诱导因子-l(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是由α和β两个亚单位形成的二聚体,广泛表达于体内的组织和细胞。有研究发现,将HIF-1α+/-胚胎干细胞注射到小鼠胚泡中,HIF-1α-/-胚胎在E9.0前发育停止,且在El0.5死于心脏、血管、鳃弓、神经管缺陷以及广泛的细胞死亡。HIF-1α-/-胚胎最初的血管发生比较正常,但随着发育,在E9.25之前会发生剧烈的血管退化和重建。这些都说明HIF-1α在胚胎血管形成和神经形成过程中发挥着重要作用。

Noggin在发育中有重要功能,对小鼠的研究表明,Noggin基因表达于小鼠的脊索、节点和背侧体节,并对神经管的生长与模式有重要作用。Noggin是骨骼系统发育的重要调控基因,在软骨的形成中有重要作用。Noggin通过压制BMP4的抑制性作用在胚胎皮肤器官中诱导毛囊的产生,还参与心脏中隔的形成。

齐伟亚等在培养怀孕14 d的大鼠胚胎脑神经细胞中加入不同浓度碱性成纤维细胞生长因子(bFGF),结果发现中脑神经细胞胞体较大,突起较长,而且有丰富的神经纤维连结成网络状,细胞相对蛋白质含量增加,说明bFGF能促进中脑神经细胞分化和增殖,增加中脑神经细胞突起的长度,促进中脑神经细胞的活性。

应用免疫组化技术观察STAT3在小鼠胚胎肝脏中期发育中的表达,结果STAT3蛋白在El3.5d鼠胚肝脏中出现较强表达,在E14.5d和E15.5d鼠胚肝脏中的表达有所下降。说明STAT3可能参与了胚胎肝脏中期发育的调控,并可能涉及胚胎肝脏的造血功能。

Ulger H等在体外胚胎培养过程中去除VEGF,则胚胎发育迟缓甚至停止,再加入VEGF后,胚胎发育恢复正常并可见心血管形成,表明VEGF在胚胎发育过程中,通过促进血管生长而调节各组织器官乃至整个胚胎的正常发育。

4、展望

任何生命现象都是遗传信息按一定时间、空间和次序表达的结果,即按照发育的遗传程序(genetic program)展开的结果。发育是从基因型实现表型的过程,是基因组内

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的基因选择性表达的结果。阐明发育机制的核心问题是弄清遗传信息以何种方式编码在基因组上,DNA上的一维信息又是如何控制生物体的三维形态结构的构建和生命现象的发展。研究胚胎发育与调控因子对于解决人口、健康、农业生产的发展和生物资源的利用都有着重要意义。

目前,人们对真核细胞基因组的结构和基因表达的调控,基因产物构建细胞结构和调节细胞功能的机制已有一定的了解,特别是近十年来,人们开始能够认识动物发育的分子机制,对动物发育过程中基因水平的分析已经全面展开,应用各种分子遗传学和基因工程技术对高等生物发育和遗传的分析取得了惊人的进展,基因、细胞和发育已经成为生命科学研究最活跃的领域之一。生物体的整个生命周期都处于动态的发育中,一个单细胞受精卵如何通过一系列的细胞分裂和细胞分化,产生有机体的所有形态和功能不同的细胞,这些细胞又如何通过细胞之间的作用共同构建各种组织和器官,建成一个有机体并完成各种发育过程等等一系列问题,有待于我们深入去探索与研究。

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