分子胚胎學(xué)
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分子胚胎學(xué)(molecular embryology)，胚胎學(xué)分支學(xué)科，研究動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中生長、分化和形態(tài)發(fā)生的分子基礎(chǔ)。它在70年代出現(xiàn)，是胚胎學(xué)不斷向分子水平深入發(fā)展的結(jié)果。
化學(xué)胚胎學(xué)的研究說明細(xì)胞分化的基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)大分子（酶、結(jié)構(gòu)蛋白等）的專一合成。然而，這些研究多停留在對發(fā)育過程中表型變化的生化描述，還未能深入闡明這種合成活動(dòng)的遺傳基礎(chǔ)。50年代以來，分子生物學(xué)取得的重大成就，促進(jìn)了從分子水平研究發(fā)育問題。分子生物學(xué)在微生物中發(fā)現(xiàn)的遺傳信息傳遞的“中心法則”，揭示了生物的發(fā)育、遺傳和進(jìn)化的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，也指出只有根據(jù)發(fā)育和遺傳統(tǒng)一的觀點(diǎn)，從分子水平來研究發(fā)育問題才能闡明發(fā)育的根本原因。細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)證明高等動(dòng)物已分化細(xì)胞的核可能含有全套遺傳信息，而其中只有一小部分表現(xiàn)功能活動(dòng)，說明細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。從分子水平來看，細(xì)胞分化和性狀發(fā)育都是由于合成表型專一的蛋白質(zhì)大分子。因此，無比復(fù)雜的胚胎發(fā)育過程，可以簡化為從基因到合成表型專一大分子和從大分子的裝配到產(chǎn)生特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)兩個(gè)步驟，用分子生物學(xué)方法來加以分析，其關(guān)鍵是發(fā)育過程中基因表達(dá)的時(shí)、空秩序問題。
70年代以來，核酸分子結(jié)構(gòu)和功能的研究方法日臻完善，尤其是重組DNA技術(shù)的發(fā)明和進(jìn)展，為研究基因在發(fā)育中的表達(dá)和調(diào)控，提供了有力的手段。因而越來越多的分子生物學(xué)家轉(zhuǎn)向研究發(fā)育問題，他們把在解決遺傳問題時(shí)發(fā)展起來的新方法和新概念，用來分析發(fā)育的分子機(jī)制，由此逐漸形成了分子胚胎學(xué)。
分子胚胎學(xué)的主要內(nèi)容是：
發(fā)育過程中的基因表達(dá)及其調(diào)控 從分子胚胎學(xué)的觀點(diǎn)看來，全部發(fā)育問題可以大致表述為：卵子發(fā)生和成熟過程中，發(fā)育信息如何儲(chǔ)存在卵的結(jié)構(gòu)內(nèi)；經(jīng)過受精而引起發(fā)育的卵細(xì)胞又如何通過核質(zhì)之間、分裂球之間，以及胚胎不同部位之間的相互作用，使基因按一定的時(shí)、空秩序選擇性地表達(dá)，從而控制專一蛋白質(zhì)的合成和裝配，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分化和個(gè)體的發(fā)育。
個(gè)體發(fā)育不同時(shí)期，基因表達(dá)的調(diào)控可能在不同水平（轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后的加工、翻譯）上，以各種不同的機(jī)制進(jìn)行。其中一些機(jī)制與遺傳物質(zhì)本身的改變（基因的缺失、放大、移位重組、修飾以及染色質(zhì)構(gòu)造變化等）有關(guān)，另一些則沒有這些改變，而只是涉及基因表達(dá)過程的不同環(huán)節(jié)(基因及其轉(zhuǎn)錄本RNA的選擇和利用、mRNA存活時(shí)間長短等) 的調(diào)節(jié)。多基因族在調(diào)節(jié)基因表達(dá)的數(shù)量、多樣性和時(shí)間程序上也起著重要的作用。
某些脊椎動(dòng)物和昆蟲的卵子發(fā)生過程中，核糖體核糖核酸(rRNA)基因通過基因擴(kuò)增而大量增加，以適應(yīng)早期發(fā)育中迅速合成大量核糖體的需要。果蠅卵巢卵泡細(xì)胞的卵殼蛋白基因，在開始迅速合成這些蛋白質(zhì)前，先大量復(fù)制而擴(kuò)增。這是已知正常發(fā)育過程中，編碼蛋白質(zhì)的基因擴(kuò)增的第一個(gè)例子。從受精到卵裂，所需的發(fā)育信息是在卵子發(fā)生過程中，以“掩蓋的”信使核糖核酸形式儲(chǔ)存在卵質(zhì)內(nèi)的。受精時(shí)，“掩蓋的”mRNA被激活，開動(dòng)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)而引起發(fā)育。這說明在早期發(fā)育中，基因表達(dá)可能存在翻譯水平的調(diào)節(jié)。從囊胚或原腸胚以后，轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平(包括mRNA加工和選擇性輸送)的調(diào)節(jié)，成為主要的調(diào)控方式。然而，在組織、器官的終末分化過程中，如紅細(xì)胞發(fā)生、胰上皮細(xì)胞和晶狀體細(xì)胞的分化中，仍然可能先合成“掩蓋的”mRNA，再轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)，合成表型專一的蛋白質(zhì)分子，然后再裝配成具有特定功能的結(jié)構(gòu)單位，表現(xiàn)出可見的形態(tài)分化。在此過程中，激素等因子可能影響mRNA的穩(wěn)定性，改變其存活時(shí)間。70年代末還發(fā)現(xiàn)B淋巴細(xì)胞分化中，免疫球蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是在DNA水平，通過V、D、J、C基因片段的移位重組機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。除已知酵母交配型的轉(zhuǎn)換存在類似的機(jī)制外，在高等真核生物細(xì)胞分化中，這種機(jī)制有無普遍意義還不清楚（見免疫遺傳學(xué)）。
動(dòng)物發(fā)育過程中基因表達(dá)的另一個(gè)特點(diǎn)是存在多基因族，即合成相似功能的蛋白質(zhì)的一組核苷酸順序略有不同的一些基因（如肌動(dòng)蛋白、微管蛋白等的同族異構(gòu)基因）或功能上相關(guān)的多個(gè)基因（如各種 α型和β型珠蛋白基因）簇集在染色質(zhì)的一定區(qū)段上。這些基因能按一定程序在時(shí)、空上（不同發(fā)育時(shí)期，不同組織、細(xì)胞內(nèi)）先后不同地、分別地表達(dá)。如雞胚紅細(xì)胞發(fā)育過程中，珠蛋白基因表達(dá)的轉(zhuǎn)換是同有關(guān)的染色質(zhì)從不活躍的結(jié)構(gòu)（對DNA酶I不敏感，甲基化程度高）到活躍結(jié)構(gòu)（對DNA酶I敏感）的轉(zhuǎn)變密切相關(guān)的。實(shí)際上，在發(fā)育過程中，染色體在形態(tài)上發(fā)生的種種明顯的變化（消減、燈刷染色體和多線染色體的出現(xiàn)及異染色質(zhì)化等），與此相應(yīng)的 DNA的甲基化、超螺旋程度、核小體相位關(guān)系及包裝狀態(tài)等分子水平的變化，都可能選擇地影響基因的功能活動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的早期研究已注意到卵質(zhì)內(nèi)可能存在基因調(diào)控物質(zhì)，如雙翅目昆蟲卵的極質(zhì)決定生殖細(xì)胞的發(fā)育;馬副蛔蟲植物極卵質(zhì)使染色質(zhì)不發(fā)生消減，都是著名的例子。兩棲類細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)更證明早期發(fā)育中，核內(nèi)基因表達(dá)受細(xì)胞質(zhì)控制。如將爪蟾的腎細(xì)胞核移植到有肋螈的卵母細(xì)胞內(nèi)，在卵質(zhì)成分影響下，腎細(xì)胞核的基因表達(dá)程序重新編排，結(jié)果腎細(xì)胞的專一的基因活動(dòng)被抑制，而卵母細(xì)胞專一的基因活動(dòng)被激活，使接受腎細(xì)胞核的卵母細(xì)胞繼續(xù)合成卵母細(xì)胞的專一蛋白質(zhì)。70年代以來，把用DNA純系擴(kuò)增得到的5SRNA純基因，輸入從爪蟾卵母細(xì)胞核提取物制備的離體轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)5SRNA基因的調(diào)控部位位于該基因的中段，而不是象原核生物那樣位于5′端；并且，還從卵質(zhì)中找到一個(gè)專一的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，能與 5SRNA基因調(diào)控部位選擇地結(jié)合。目前，純基因和 DNA序列分析在發(fā)育遺傳問題研究中正得到日益廣泛的應(yīng)用。
目前分子胚胎學(xué)研究大都沿用兩棲類和海膽等實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的傳統(tǒng)研究材料。這些動(dòng)物的突變型少、遺傳背景不清楚，加之繁殖周期長，在遺傳分析上十分不便。因此，一些有遠(yuǎn)見的分子生物學(xué)家主張采用發(fā)育較簡單的一種營自由生活的秀麗隱桿線蟲作材料。這種線蟲的身體和各器官的細(xì)胞數(shù)目恒定，數(shù)量又少。胚胎發(fā)育為鑲嵌型，有確定的細(xì)胞譜系可循。另一方面，基因數(shù)目少（約2000個(gè)可鑒定的基因），易于用實(shí)驗(yàn)方法得到突變型。目前對秀麗隱桿線蟲從分子水平研究發(fā)育遺傳已很活躍。有人預(yù)言，秀麗隱桿線蟲在分子胚胎學(xué)的發(fā)展中，可望起大腸桿菌在分子遺傳學(xué)的發(fā)展中所起過的重要作用。
形態(tài)發(fā)生的分子基礎(chǔ) 發(fā)育過程中，由于基因選擇表達(dá)產(chǎn)生的專一大分子如何裝配成基本的結(jié)構(gòu)單位，再形成細(xì)胞器，以至細(xì)胞、組織和器官等各級形態(tài)構(gòu)造的問題，是分子胚胎學(xué)研究的另一個(gè)方面。
現(xiàn)在已知道許多超分子構(gòu)造（病毒、多酶系、核糖體和膜等）都能在沒有外加信息的條件下，從組成它們的亞基通過非共價(jià)連接（疏水性相互作用、離子鍵和氫鍵）自行裝配形成。這一過程稱為大分子的自裝配。大多數(shù)超分子體系中，自裝配所需的信息是由蛋白質(zhì)亞基提供的，而在另一些體系(如煙草花葉病毒、核糖體等)中，蛋白質(zhì)亞基和RNA都能提供裝配信息。此外，在膜層建造中，磷脂分子也能提供這類信息。
由遺傳決定的蛋白質(zhì)亞基的氨基酸順序包含有形成超分子構(gòu)造的雙重信息。在一個(gè)水平上，亞基多肽鏈的一級結(jié)構(gòu)（氨基酸順序）決定該亞基的三維構(gòu)象。同時(shí)，在另一個(gè)水平上，每一個(gè)亞基的三維構(gòu)象又含有同相鄰亞基間的識(shí)別和結(jié)合的部位，各亞基借此按一定的空間關(guān)系形成特定蛋白質(zhì)大分子的四級結(jié)構(gòu)。然后，再通過蛋白質(zhì)大分子之間，以及蛋白質(zhì)同核酸、磷脂分子之間特定的相互作用，從超分子構(gòu)造到細(xì)胞器，逐級地裝配成越來越復(fù)雜的形態(tài)構(gòu)造。
大腸桿菌的T4噬菌體可以作為研究形態(tài)發(fā)生的遺傳控制和分子基礎(chǔ)的模型。T4噬菌體的形狀象一個(gè)注射器，具有頭、尾和尾絲等復(fù)雜的形態(tài)構(gòu)造。這些構(gòu)造及其裝配是由40多個(gè)基因決定的。對這些基因之溫度敏感的致死突變型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，噬菌體在形態(tài)發(fā)生過程中，先是頭、尾和尾絲3個(gè)部分分別沿3條“裝配線”按一定順序裝配形成；然后，這些部件再按一定順序總裝成一個(gè)完整的病毒顆粒。全部過程中，除去一個(gè)步驟（尾絲和底盤的連接）需酶的催化反應(yīng)外，其余各步驟均為非共價(jià)連接的自裝配過程。這種自裝配過程表現(xiàn)出一定的順序性和協(xié)同作用，上一個(gè)亞基的裝配是促成下一個(gè)亞基裝配的條件。另一個(gè)有趣的例子是鼠傷寒菌之P22噬菌體頭部的形態(tài)發(fā)生。這種噬菌體的頭部是由 420個(gè)相同的蛋白質(zhì)亞基，在另一種“支架蛋白”的支持下，裝配形成的。支架蛋白本身并不參加頭部的構(gòu)成，拆除后還可供下次再度使用。從以上兩個(gè)例子可以看出由 DNA決定的、編排在蛋白質(zhì)亞基氨基酸順序里的一維信息，如何產(chǎn)生出高度復(fù)雜的三維形態(tài)構(gòu)造的蛛絲馬跡。雖然，噬菌體的構(gòu)造遠(yuǎn)比細(xì)胞簡單，其形態(tài)發(fā)生的復(fù)雜性更不能同胚胎的形態(tài)發(fā)生相提并論，但對于了解細(xì)胞器的建造仍有可借鑒之處。實(shí)際上，在核糖體30S亞基的重組實(shí)驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)，其21個(gè)蛋白質(zhì)組分和16SRNA同樣是按一定順序并協(xié)同地自裝配的。此外，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的各種基本結(jié)構(gòu)和功能單位（如微管、細(xì)菌鞭毛、各種多酶體系，以及肌原纖維的粗絲等）的建造，都表現(xiàn)自裝配現(xiàn)象。值得注意的是細(xì)菌鞭毛的亞基，必需要有一段現(xiàn)成的鞭毛作為“晶種”的情況下，自裝配過程才能進(jìn)行。
形態(tài)發(fā)生之分子基礎(chǔ)的研究還可在更高的水平上進(jìn)行。用形成細(xì)胞骨架的各種蛋白質(zhì)（如微管蛋白、肌動(dòng)蛋白、輔肌動(dòng)蛋白、原肌球蛋白、細(xì)胞角蛋白，支條蛋白和紐帶蛋白等）的專一抗體和免疫細(xì)胞化學(xué)方法，及各種藥物（如秋水仙素、細(xì)胞松弛素B等），可以研究這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞形態(tài)的建造和維持中的作用。這方面的研究發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)在胚胎發(fā)育過程中的出現(xiàn)和活動(dòng)，同胚胎的形態(tài)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞形態(tài)分化有密切關(guān)系。至于各種細(xì)胞如何進(jìn)一步形成組織和器官，則涉及細(xì)胞表面問題。
細(xì)胞表面 細(xì)胞表面擔(dān)負(fù)著細(xì)胞間識(shí)別、信息傳遞、物質(zhì)交換以及運(yùn)動(dòng)等重要功能。兩棲類原腸胚各胚層的細(xì)胞之間表現(xiàn)出的選擇親和性，以及視網(wǎng)膜等組織細(xì)胞選擇聚合實(shí)驗(yàn)，都表明細(xì)胞識(shí)別在形態(tài)發(fā)生和組織分化中起重要作用(見細(xì)胞的親和性)。在胚胎發(fā)育中，細(xì)胞間識(shí)別的分子基礎(chǔ)還不甚清楚。但有證據(jù)提示可能同細(xì)胞表面糖蛋白大分子有密切關(guān)系。從雞胚視網(wǎng)膜細(xì)胞表面已分離出的一種具有組織專一性的細(xì)胞凝聚因子，是分子量為 50000的糖蛋白。海鞘卵從受精到卵裂的過程中，雙花扁豆凝集素受體的分布發(fā)生有規(guī)則的變化：從原來分散在整個(gè)卵表面，逐漸聚中到植物極，然后，再局限到將來產(chǎn)生尾部肌肉的B4，1裂球內(nèi)。這提示發(fā)育過程中細(xì)胞表面糖基團(tuán)的改變可能同細(xì)胞系的分離有關(guān)。
神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中，腦內(nèi)神經(jīng)原網(wǎng)絡(luò)圖式的建立，神經(jīng)纖維的定向生長，以及神經(jīng)嵴細(xì)胞的遷移等，都可能同細(xì)胞表面特性有關(guān)。視覺系統(tǒng)發(fā)育過程中，網(wǎng)膜軸突和腦頂蓋間的特定聯(lián)系的建立機(jī)制，多年來一直是最令人感興趣的問題。70年代以來，發(fā)現(xiàn)腦頂蓋細(xì)胞膜和網(wǎng)膜神經(jīng)突起間的親和性，表現(xiàn)出沿網(wǎng)膜前后軸的梯度差異。此外，還在雞胚網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)一種抗原，其濃度沿網(wǎng)膜的腹前-背后軸呈梯度分布，推測這種抗原可能作為網(wǎng)膜細(xì)胞位置的標(biāo)記。
胚胎細(xì)胞間存在能容許分子量從1300～1900之間的小分子通過的間隙連結(jié)（見細(xì)胞間連結(jié)）。這些連結(jié)在發(fā)育過程中的出現(xiàn)和改變與發(fā)育信息傳遞的關(guān)系，也是受到注意的問題。
發(fā)育程序的遺傳控制 在發(fā)育的研究中最重要而目前又最不清楚的是基因表達(dá)的時(shí)、空秩序，或發(fā)育程序的遺傳控制。從理論上講，進(jìn)化過程中形成的這種遺傳程序的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)存在于基因組和基因本身的結(jié)構(gòu)中。對于基因數(shù)目少的發(fā)育系統(tǒng)，如秀麗隱桿線蟲，有可能利用它的不同發(fā)育時(shí)期對溫度敏感的一系列突變型，測定不同基因起作用的時(shí)間，進(jìn)而分析發(fā)育程序的遺傳控制。然而，這是十分繁復(fù)而曠日持久的工作。
控制果蠅體節(jié)發(fā)育的基因群，為研究這一重要問題提供了一個(gè)模式系統(tǒng)。在系統(tǒng)發(fā)育上，一般認(rèn)為果蠅是從四翅的昆蟲進(jìn)化來的，而昆蟲又是從多足的節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)化來的。假定果蠅進(jìn)化過程中，演變出兩類基因：一類是抑制其多足類祖先腹節(jié)足的發(fā)育的基因；另一類是抑制其四翅祖先第 2對翅的發(fā)育的基因。如果這一假設(shè)是對的，后一類基因的突變將產(chǎn)生四翅的果蠅，前一類基因的變突將產(chǎn)生逾數(shù)的足。事實(shí)上，這兩類突變型都已發(fā)現(xiàn)，有關(guān)的基因總稱為雙胸基因群（BX-C），包括至少 8個(gè)基因，按順序?yàn)椋篴bx，bx，ubx，bxd，pbx，iab-2，iab-5和iab-8。每一個(gè)位于前一位置的基因的產(chǎn)物控制該體節(jié)向后一體節(jié)轉(zhuǎn)化，如ubx基因控制中胸向后胸發(fā)育，其后的bxd基因控制后胸向第一腹節(jié)發(fā)育，如此等等；因而在個(gè)體發(fā)育中，BX-C基因群的作用順序就好象重演它們本身的系統(tǒng)發(fā)育順序。有人用遺傳學(xué)方法和重組DNA技術(shù)，已得到一組包含有BX-C突變基因的DNA片段，正著手結(jié)構(gòu)分析，以揭示BX-C基因群結(jié)構(gòu)及其調(diào)控機(jī)制與基因進(jìn)化過程的關(guān)系。
除核內(nèi)基因的控制外，卵質(zhì)本身的活動(dòng)還表現(xiàn)自主的時(shí)間程序，其分子機(jī)制還不清楚。
最后，還應(yīng)提到從分子水平重新研究實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)未解決的一些古典問題，如卵的胚區(qū)定位，形態(tài)發(fā)生梯度和場區(qū)以及初級胚胎誘導(dǎo)作用等，仍然是分子胚胎學(xué)面臨的難題。
參考書目
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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