正文

發(fā)生遺傳學(xué)

影響因素

發(fā)生遺傳學(xué)在方法學(xué)上主要是利用這些影響發(fā)育的突變型，并結合實(shí)驗胚胎學(xué)、細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，從不同水平來(lái)分析基因和性狀發(fā)育之間的關(guān)系，以闡明基因控制發(fā)育的機理。因此它同胚胎學(xué)、畸胎學(xué)、細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)，尤其是與細胞分化過(guò)程中基因表達及其調控方面的研究有著(zhù)密切的關(guān)系。

簡(jiǎn)史

遺傳是發(fā)育的基礎，而發(fā)育是遺傳的實(shí)現。兩者之間的關(guān)系歷來(lái)是遺傳學(xué)家和胚胎學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題。早在19世紀末期，德國生物學(xué)家A.魏斯曼就曾經(jīng)試圖建立發(fā)育和遺傳的統一理論。他曾經(jīng)假定全部發(fā)育過(guò)程是受細胞核控制的，卵裂過(guò)程中核內遺傳物質(zhì)的不等分配是胚胎分化的主要原因。這一理論的原有形式雖然被早期實(shí)驗胚胎學(xué)的實(shí)驗事實(shí)所否定，但他提出的問(wèn)題卻吸引了幾代生物學(xué)家的繼續探討。美國細胞學(xué)家E.B.威爾遜1928年在《發(fā)育和遺傳中的細胞》一書(shū)中提出基因在細胞水平的活動(dòng)是發(fā)育的根本原因這一論點(diǎn)，認為發(fā)育是“遺傳特性按一定時(shí)、空秩序的表現”?；蛘摰膭?chuàng )建人美國遺傳學(xué)家兼實(shí)驗胚胎學(xué)家T.H.摩爾根在他晚年（1934）的著(zhù)作《胚胎學(xué)和遺傳學(xué)》一書(shū)中也強調遺傳學(xué)和胚胎學(xué)統一的重要性，并提出在發(fā)育的“不同時(shí)期有不同的一組基因起作用”的論點(diǎn)。

最早用實(shí)驗方法確定了染色體在發(fā)育中的重要性的是德國實(shí)驗胚胎學(xué)家T.H.博韋里。他根據對海膽受精卵分裂球發(fā)育的分析結果，認為正常發(fā)育依賴(lài)全套染色體的正常組合，每一個(gè)染色體對發(fā)育都有特殊的影響。美國遺傳學(xué)家R.B.戈德施米特對基因在發(fā)育中的作用給以很大的重視。他在1935年發(fā)現擬表型，認為基因突變和環(huán)境因子的作用一樣，都可能干擾相同的發(fā)育過(guò)程。致死基因和畸型發(fā)育的研究對發(fā)生遺傳學(xué)的形成也起過(guò)重要的推動(dòng)作用。

1955年瑞士實(shí)驗胚胎學(xué)家E.哈多恩在《發(fā)生遺傳學(xué)和致死因子》一書(shū)中系統地總結了致死突變型引起異常發(fā)育的大量材料，并用實(shí)驗胚胎學(xué)方法對這些病理發(fā)育過(guò)程進(jìn)行分析，促進(jìn)了對正常發(fā)育中基因作用機制的了解。1963年H.格呂內貝格在《發(fā)育病理學(xué)》一書(shū)中提出基因作用多效性概念，認為胚胎是一個(gè)高度復雜的相互作用系統，任何與發(fā)育有關(guān)的突變都可能對胚胎發(fā)育產(chǎn)生廣泛的影響。因此應透過(guò)對各種病理發(fā)育現象的分析找出基因在細胞水平作用的原初效應。70年代初 C.L.馬克特和 H.烏爾施普龍合寫(xiě)了《發(fā)生遺傳學(xué)》，把當時(shí)散見(jiàn)于各方面的有關(guān)資料匯總起來(lái)，初創(chuàng )了這門(mén)學(xué)科的體系。

長(cháng)期以來(lái)胚胎學(xué)家致力于用實(shí)驗方法分析發(fā)育的生理原因，尤其著(zhù)重組織者的研究，因而忽視了發(fā)育的遺傳基礎。對異屬誘導系統的實(shí)驗結果說(shuō)明誘導者只起激發(fā)作用，被誘導出來(lái)的器官的種屬特性則取決于起反應的細胞本身的遺傳特性。例如把蛙的外胚層移植到蠑螈的頭部，被誘導形成的口器是蛙特有的角質(zhì)腭和吸盤(pán)。這些事實(shí)促使胚胎學(xué)家注意發(fā)育和遺傳關(guān)系問(wèn)題。1940年英國實(shí)驗胚胎學(xué)家兼遺傳學(xué)家C.H.沃丁頓在《組織者和基因》一書(shū)中首先提出從基因和細胞質(zhì)環(huán)境的相互作用來(lái)理解反應能力、誘導和決定等胚胎學(xué)基本概念的主張。但限于當時(shí)生物學(xué)發(fā)展水平，還不能對基因控制發(fā)育的分子機制作深入的研究。

50年代中期以來(lái)的分子生物學(xué)的重大進(jìn)展使解決遺傳和發(fā)育關(guān)系問(wèn)題的條件逐漸成熟起來(lái)。遺傳信息傳遞的中心法則揭示了生物的遺傳和發(fā)育的內在聯(lián)系。從分子水平看來(lái)，細胞分化和性狀發(fā)育都是表型專(zhuān)一的大分子合成的結果，因而歸根結蒂依賴(lài)基因在發(fā)育過(guò)程中按一定的時(shí)空秩序的表達?；虻谋磉_又可以用相應的信使核糖核酸（mRNA）的轉錄和專(zhuān)一的蛋白質(zhì)（如結構蛋白、酶等）的合成來(lái)追蹤。1976年美國分子生物學(xué)家E.戴維森所寫(xiě)的《早期發(fā)育中的基因活動(dòng)》一書(shū)代表從分子水平探討發(fā)育和遺傳關(guān)系問(wèn)題的發(fā)展趨向。目前研究核酸分子結構和功能的方法日臻完善，尤其是遺傳工程技術(shù)提供了前所未有的研究基因結構、表達及其調控的有力的手段。這就為從分子水平探討發(fā)生遺傳學(xué)問(wèn)題，特別是研究影響特定發(fā)育過(guò)程的單個(gè)基因（或基因群）的作用開(kāi)辟了新的前景。

對象和方法

發(fā)生遺傳學(xué)開(kāi)始于對黑腹果蠅發(fā)育的遺傳學(xué)分析。從摩爾根時(shí)代以來(lái)已積累了大量有關(guān)果蠅遺傳和發(fā)育的實(shí)驗資料和許多影響發(fā)育的突變型。果蠅的唾腺巨大染色體上疏松區的消長(cháng)可以反映不同發(fā)育時(shí)期的基因活動(dòng)情況。此外，對體表形態(tài)構造的變異也便于作精細的描述。這些都是果蠅這一實(shí)驗材料的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是較難得到足夠量的可供生化分析的樣品。另一個(gè)常用的材料是小鼠，也有許多遺傳背景清楚的純系和致死突變型（如T基因座位）可供發(fā)生遺傳學(xué)研究，不過(guò)同樣存在取材上的困難。用海膽作為研究對象則便于取得較大量的材料，特別是同一發(fā)育階段的材料，可是可供研究的突變型較少。英國分子生物學(xué)家 S.布倫納在 60年代倡導用一種營(yíng)自由生活而繁殖迅速的秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)（Caenorabditis elegans) 作材料。這種動(dòng)物身體和各器官的細胞數少而恒定，胚胎發(fā)育屬于鑲嵌型，每一個(gè)器官的來(lái)源有確定的細胞譜系可循，而且便于用實(shí)驗方法得到許多突變型。低等真核生物如粘菌（Dictyosteliumdiscoideum）由于生活史和形態(tài)發(fā)生的特點(diǎn)，也被一些人用來(lái)作為發(fā)生遺傳學(xué)的研究對象。此外，甚至有人采用更為簡(jiǎn)單的對象如細菌形成芽孢的過(guò)程、噬菌體的自動(dòng)裝配過(guò)程等作為一個(gè)發(fā)育模型來(lái)進(jìn)行發(fā)生遺傳學(xué)研究。

應用突變型進(jìn)行遺傳學(xué)分析是發(fā)生遺傳學(xué)的基本研究方法。此外，實(shí)驗胚胎學(xué)方法（如移植、離體培養等）、細胞生物學(xué)方法（如核移植、細胞化學(xué)技術(shù)等）、生化方法（如同功酶測定等）和分子生物學(xué)方法（如重組DNA技術(shù)、分子雜交等）都是常用的實(shí)驗手段。70年代以來(lái)重組DNA技術(shù)的應用使有可能直接研究沒(méi)有發(fā)生突變的野生型基因的作用。

研究主題

動(dòng)物的發(fā)育是從受精開(kāi)始，通過(guò)受精卵的核質(zhì)之間、分裂球之間、以及胚胎不同部位之間的相互作用，使基因按一定時(shí)空秩序表達，從而控制細胞和器官原基的逐步?jīng)Q定和分化的過(guò)程。動(dòng)物的發(fā)育類(lèi)型（鑲嵌卵或調整卵）不同，基因控制發(fā)育的具體方式也可能不同。果蠅（鑲嵌卵）的發(fā)育中細胞的發(fā)育命運決定得早，胚胎發(fā)育主要表現為一連串由大到小的發(fā)育區逐步劃分的過(guò)程。兩棲類(lèi)（調整卵)的發(fā)育中細胞的命運決定得晚，細胞遷移和相互作用在發(fā)育中起重要的作用。截至20世紀70年代發(fā)生遺傳學(xué)的知識還主要是從果蠅上得到的。

核質(zhì)關(guān)系和母體效應

細胞核移植實(shí)驗證明果蠅前囊胚層細胞核具有全部發(fā)育潛能，而囊胚層細胞核的發(fā)育潛能已開(kāi)始受到限制，這可能是受到卵表層細胞質(zhì)的影響的結果。紫外線(xiàn)損傷和卵質(zhì)移植實(shí)驗證明位于卵后端的極質(zhì)能決定遷移到這區域中的細胞核的發(fā)育命運，使它們形成原始生殖細胞。無(wú)尾兩棲類(lèi)（如蛙和瓜蟾）中也存在類(lèi)似的現象，它們的原始生殖細胞是由位于卵的植物極的生殖質(zhì)決定的。

絕孫突變型雌性果蠅的囊胚細胞核不能及時(shí)遷入極質(zhì)區域，生殖細胞因而不能正常發(fā)生。這表明卵質(zhì)特性是在卵子發(fā)生過(guò)程中受母體基因決定的，這一現象稱(chēng)為母體效應。某些母體效應突變型如雙腹端（bicaudal,bic）和背方 (dorsal,dl）能廣泛影響胚胎發(fā)育的格局。純合雙腹端 (bic/bic）雌蠅所產(chǎn)的一部分卵只發(fā)生成為兩個(gè)腹端，彼此沿前后軸對稱(chēng)排列，而缺少頭、胸和其他腹節。純合背方 (dl/dl）雌蠅的胚胎構造全部背方化，而前后極性仍然保持。這兩個(gè)母體效應基因各自定位在染色體的一個(gè)位置上。有人假定它們的野生型基因產(chǎn)物的濃度在卵內各自沿前后軸和背腹軸呈梯度分布，從而決定了果蠅胚胎的正常發(fā)育格局。

細胞的決定和發(fā)育區劃分

利用帶有不同遺傳標記的胚胎細胞的嵌合體可以追溯細胞決定的時(shí)期、發(fā)育命運以及器官原基奠基細胞的數目。得到嵌合體的常用方法有3種：

在果蠅中可以利用環(huán)狀X染色體常在受精卵的第一次有絲分裂過(guò)程中丟失的特性取得雌雄嵌合體。例如雌性親本的兩個(gè) X染色體上全部都是野生型基因，不過(guò)其中一個(gè)是環(huán)狀染色體；雄性親本的一個(gè)X染色體上帶有3個(gè)隱性突變基因（白眼w，黃體y和分叉剛毛bi）。這兩個(gè)親本交配后可以產(chǎn)生一種帶有一個(gè)環(huán)狀X染色體和一個(gè)有3個(gè)隱性基因的X染色體的受精卵。這種受精卵第一次卵裂核分裂后，一個(gè)子細胞帶有這兩個(gè)X染色體，因而發(fā)育成嵌合體上具有野生型表型的雌性部分（XX）；另一個(gè)子細胞由于丟失了環(huán)狀 X染色體，因而發(fā)育成為具有突變型表型的雄性部分（X0）。兩部分之間有清楚的分界面。由于第一次核分裂的紡錘體的取向不同，含XX和X0細胞群的分界面也有不同。因此所得到雌雄嵌合體可以是左右各半、前后各半或者是其他種種形式。利用雌雄嵌合體的這些特點(diǎn)，便可以制作各器官原基在囊胚層上的預定命運圖。其原理是兩個(gè)成體器官（如翅和頭）的原基細胞在囊胚層上相距愈近，則嵌合體分界線(xiàn)通過(guò)兩原基之間的機率就愈小。因此帶有不同遺傳標記的兩個(gè)構造在嵌合體上出現的百分比可作為這兩個(gè)原基之間相對距離的量度（為了紀念首先提出這種設想的A.H.斯特蒂文特，用sturt作為單位，一個(gè)sturt代表 1%個(gè)體中嵌合體分界線(xiàn)通過(guò)所研究的兩個(gè)原基）。如果再測出這兩個(gè)構造中每一個(gè)對第三個(gè)構造（如吻）的相對距離就可以確定某一器官的原基在囊胚層上的相對位置。推而廣之，便可以做出各器官在囊胚層上的預定命運圖（見(jiàn)圖）。

在一定發(fā)育時(shí)期用X射線(xiàn)誘發(fā)胚胎細胞中的有絲分裂交換（見(jiàn)連鎖和交換），使單個(gè)胚胎細胞及其子細胞群帶上遺傳標記，便可鑒定發(fā)育時(shí)期細胞的決定狀態(tài)。例如用X射線(xiàn)照射小體（M）雜合體（M/M+）果蠅的囊胚層期胚胎，可以誘發(fā)體細胞染色體交換而在生長(cháng)緩慢的雜合體細胞背景上出現一片生長(cháng)迅速的野生型純合M+/M+細胞。這種細胞群決不跨越兩個(gè)體節，說(shuō)明體節的決定可能發(fā)生在囊胚層期或稍后的一次分裂期。晚一些時(shí)候照射所得到的一個(gè)標記細胞群決不越過(guò)同一體節的前部和后部的分界線(xiàn)，說(shuō)明體節的前部和后部這時(shí)已經(jīng)決定。再晚些時(shí)候照射，得到的一個(gè)標記細胞群就不再同時(shí)包含背方和腹方的構造，也就是說(shuō)發(fā)生了背腹的分區。器官發(fā)生過(guò)程中還會(huì )逐漸發(fā)生更進(jìn)一步的分離。象這樣每一來(lái)源于少數幾個(gè)奠基細胞的細胞群所占據身體或器官上的一定區域稱(chēng)為發(fā)育區。屬于一個(gè)發(fā)育區的細胞決不會(huì )越界同其他發(fā)育區的細胞混合。發(fā)育區可看作是發(fā)育的基本單位，它在許多方面具有“場(chǎng)區”的性質(zhì)。同一發(fā)育區內發(fā)育格局可以調整，而不同發(fā)育區之間則是鑲嵌的、不可調整的。果蠅的發(fā)育過(guò)程是一系列由大到小發(fā)育區愈分愈細的過(guò)程。這一現象稱(chēng)為發(fā)育區劃分。

把基因型不同的兩種小鼠的早期胚胎在體外人工地并合在一起，然后移回到母鼠子宮內，便能發(fā)育成嵌合體，稱(chēng)為異表型嵌合體。通過(guò)異表型嵌合體研究，在小鼠中測定了色素細胞、毛囊、生殖腺以及其他內臟的奠基細胞的數目。例如生殖腺的奠基細胞數是2～9。

發(fā)育途徑的決定和轉變

果蠅成蟲(chóng)的器官原基──成蟲(chóng)盤(pán)在胚胎發(fā)育的早期已經(jīng)決定了，但要等到幼蟲(chóng)變態(tài)時(shí)受到激素的影響才開(kāi)始分化。E.哈多恩曾把成蟲(chóng)盤(pán)（如生殖板原基）移植到成蟲(chóng)腹腔內，經(jīng)過(guò)連續70次以上的傳代（超過(guò)1000次細胞分裂）后再移植到將要變態(tài)的幼蟲(chóng)體內仍然可以按照預定的命運分化為生殖板。這說(shuō)明細胞的決定和分化在時(shí)間上是可以分隔的。細胞雖然經(jīng)過(guò)了上千次的分裂仍然可以保持原來(lái)的決定狀態(tài)。然而成蟲(chóng)盤(pán)經(jīng)過(guò)若干次移植傳代后偶爾可能改變其決定狀態(tài)，分化成和它原來(lái)的預定命運不同的器官（如觸角）。這一現象稱(chēng)為轉決，它說(shuō)明細胞的發(fā)育命運可以改變。

影響果蠅發(fā)育途徑的還有一種突變型稱(chēng)為同源異形突變型，它能使一種發(fā)育途徑轉變到另一種發(fā)育途徑，例如使平衡棒原基發(fā)育成為翅，觸角原基發(fā)育成為足等。同源轉化的影響限于一個(gè)發(fā)育區內，如反雙胸突變（cbx）能將中胸后部（翅的后部）轉化為后胸后部（平衡棒的后部）。根據同源異形突變型的作用方式，有人設想它的野生型基因在正常發(fā)育過(guò)程中可能起選擇和維持特定發(fā)育途徑的作用，因此稱(chēng)之為選擇基因。果蠅胚胎發(fā)育中發(fā)育區的劃分是由大到小逐步進(jìn)行的，其中每一步都可能受一個(gè)（或一組）選擇基因的控制。發(fā)育程序的遺傳控制

在果蠅和小鼠等動(dòng)物中都發(fā)現有一類(lèi)控制某些酶活性在胚胎發(fā)育中出現的時(shí)間和地位的基因，稱(chēng)為時(shí)序基因。例如黑腹果蠅的淀粉酶為2號染色體上兩個(gè)頭尾相連的結構基因所編碼。在它們的附近有一個(gè)基因map，它的3個(gè)等位基因mapa、mapb、mapc控制著(zhù)淀粉酶在中腸出現的時(shí)間和地位。小鼠的 5號染色體上有一個(gè)編碼β-葡萄糖苷酸酶的結構基因Gus，和它緊密連鎖的有一個(gè)控制酶出現時(shí)間的時(shí)序基因Gut。Gut基因發(fā)生突變后，β-葡萄糖苷酸酶在各種組織中出現的時(shí)間便被擾亂。

此外，果蠅等雙翅目昆蟲(chóng)的幼蟲(chóng)唾腺染色體上的疏松區也是研究基因活動(dòng)的時(shí)空秩序的好材料。疏松區是光學(xué)顯微鏡下可觀(guān)察到的染色體的局部膨大的部分，累積大量新合成的mRNA，是進(jìn)行活躍的轉錄活動(dòng)的基因所在的地方。果蠅發(fā)育過(guò)程中染色體不同部位的疏松區按一定的時(shí)間順序出現，說(shuō)明這些基因在不同的發(fā)育時(shí)期起作用。蛻皮激素能誘發(fā)特定的疏松區出現，說(shuō)明這一激素是通過(guò)調節該基因的活動(dòng)而參與控制發(fā)育的。

致死突變型也常用作研究發(fā)育程序的遺傳控制的材料，因為使胚胎發(fā)育在特定階段停頓的基因中間有許多是控制該特定發(fā)育階段的基因。許多這類(lèi)突變型是溫度敏感的，在果蠅和線(xiàn)蟲(chóng)都獲得了一些溫度敏感的突變型，而且已發(fā)現不同的突變型常使發(fā)育停頓在不同的階段，某些突變型還影響幾個(gè)發(fā)育階段。

基因影響發(fā)育的機制

影響發(fā)育的基因究竟通過(guò)什么途徑或基因產(chǎn)物起作用，這也是必須回答的問(wèn)題。這方面研究得較為深入的是小鼠的T復合座位或T基因復合體，它位于17號染色體上，包括6個(gè)互補群。除野生型基因和顯性的突變型T以外，還包括一系列的隱性致死或半致死突變型t。雜合體（T/t）具有短尾，純合體（T/T）則造成胚胎早期畸形和夭折。一系列的隱性致死或半致死突變型 (t）各自對早期發(fā)育的一定階段專(zhuān)一地起作用。例如t12影響滋養外胚層和內胚層細胞團的分離而使發(fā)育停頓在桑椹期；t0作用在胚外外胚層和外中胚層分離的時(shí)期；t9影響原條期而使中胚層細胞向內遷移受阻，因而造成中軸器官發(fā)育異常。進(jìn)一步分析發(fā)現基因的原初效應可能影響細胞表面抗原和它的下方的微絲，從而干擾了原腸運動(dòng)正常進(jìn)行。

各個(gè)野生型基因的功能可能是控制早期發(fā)育中細胞表面特定分子按順序的表達，從而保證形態(tài)發(fā)生運動(dòng)和細胞間相互作用按正常的發(fā)育程序有條不紊地進(jìn)行。對于多數控制發(fā)育的基因來(lái)說(shuō)，它們究竟編碼什么蛋白質(zhì)還不清楚，那些控制基因活動(dòng)的時(shí)空秩序的基因的作用機制則更不了解了。

從分子水平研究基因如何控制發(fā)育，對于解決發(fā)育和遺傳關(guān)系這一生物學(xué)基本問(wèn)題有重要的理論意義。在實(shí)踐上，這方面研究的進(jìn)展又是了解病理發(fā)育（畸胎、腫瘤等）的發(fā)生機制，以及把遺傳工程方法應用到高等動(dòng)物，治療遺傳病或改變經(jīng)濟動(dòng)物遺傳性的必要的理論前提。