第八讲性别决定基因鉴定及性染色体进化

1、第二十章性别决定基因鉴定及性染色体进化性别决定机制的探讨一肓是生命科学研究中最具吸引力和最热门领域之一。对两性生物而 言，性别与分化是个体正常发育和自下而上不可缺少的一环，也是种族得以繁衍延续的物质 基础。自古以來有很多关于性别决定的稀奇古怪的说法，随着科学技术的发展，人们认识到 雌性和雄性个体在形态、生理和行为的许多特征及基因产物上才有很人的差异，然而它们在 遗传信息上绝大部分是一致的，这就更引起了人们的兴趣，去揭示其中的奥秘。至今，对性 别决定机制的研究已经形成了由遗传学、发育生物学、分子生物学及进化等多学科交叉的前 沿研究领域。性别发育是一个多基因调控的复杂的分化事件，是对两套可轮换的遗

2、传程序之 一的精确决定和执行，而其分了机制及其多样性使得性别决定机制的研究成为冇关胚胎发育 过程屮分了调节开关如何起作用的一个丰富的信息源泉。发育4：物学家的目标是追溯出性别决定和分化的基因通路，并以性别决定机制作为一种模式 去理解发育的各个过程。同吋，研究人员也致力于研究在大脑屮是如何导致产生特殊的性行 为，以及在不同的生物中，进化是如何产生截然不同的机制而最终获得相同的结果。在无脊 椎动物中，研究人员以果蝇和线虫为实验对彖，已接近实现这个冃标，可绘制出详细的信号 转导过程，其研究领先于脊椎动物；在低等脊椎动物屮，性染色体的分化程度较低，而且其 性别决定受环境的影响较人，研究人员在此领域一直

3、没有获得突破性进展；在哺乳动物中， 已经克降了一些调控性別决定和分化的基因，追溯出性别分化早期的一部分信号通路，并先 后提出了一系列模型来解释哺乳动物的性别决定机制。由于线虫和果蝇决定性别分化的基因 完全不同，哺乳动物又具冇不相关的第三套基因，这使得研究人员无法应用从简单生物中所 获得的信息来指导对高等生物的研究。因此，脊推动物性别决定基因及其作用机制的研究主 要依赖于本身的研究系统。第一节哺乳动物的性别决定一、性别决定基因的鉴定20世纪50年代确立了哺乳动物性别决定的两条规律：笫一，性腺的分化决定了性别的分化, 这条规律是通过一系列胎兔阉割实验确立的；第二，y染色体决定雄性，这条规律是在发现

4、 性逆转病人的基础上确立的。哺乳动物性别决定基因的鉴定主要也是來自于对性反转动物的 研究。现在已经发现的性别决定基因见图201。二、性别决定和分化的信号转导途径人类性别分化始于胚胎发育笫4周，牛殖皤发育成包括皮质和髓质的未分化性腺。男性山髓 质分化成睾丸，而皮质萎缩；女性由皮质分化成卵巢，而髓质萎缩。内生殖器起源于中肾管 和副屮肾管。男胚中肾管分化成精巢、输精管和副睾，副屮肾管退化；女胚副屮肾管发冇成 输卵管、子宫和阴道的前1/3部分，中肾管退化。（图20-2） （20-3）中b图认为单拷贝 的流行性dss能在正常的xx雌性小阻碍雄性发育途径，a图中xy雄性同受到sry基因 的作用失活。二、果

5、蝇的染色体性别决定一、果蝇体细胞性别决定20世纪初，一-系列遗传学实验结果导致了 “果蝇的性别由x染色体和常染色体数目比率决 定（x： a）”这一重要概念的确定，即x:a比值形成了最初的个体性別决定信号。在果蝇和大多数昆虫中，可以获得雌雄肉体嵌合体，为研究x染色体和性别间的联系提供 了一个完美的典范。对这些雌雄嵌合体的研究发现,y染色体在果蝇性别决定屮无任何作川, 仅是雄性可育的一个必需因素，在精了形成过程屮被激活。由x:a信号启动的果蠅性别决定包括3个不同的性别分化过程：一是体细胞的性别分化； 二是生殖细胞的性別决定；三是剂量补偿。这三个过程有着各口的调控体系。具体见图20 -4o二、体细胞

6、的剂量补偿果蝇的体细胞存在类似哺乳动物的剂最补偿问题。哺乳动物是通过雌性胚胎体细胞屮2条x 染色体之一的随机失活來完成这一平衡过程的，但是果蝇体细胞的2条x染色体是同时被 激活的，因此，它的剂量补偿可以通过降低雌性屮x连锁基因活性的负调控來实现，也可 以通过提高雄性x连锁基因活性的正调控来实现，那么究竟是那一种剂量补偿方式呢？ x:a比例不仅启动果蠅体细胞性别决定，也是体细胞剂量补偿的起始信号。性致死sxl棊因， 作为果蝇性別决定的枢纽，也是这一过程的开关调控者。但是在随后起作用的是另一套独立 的调控基因，即被全称为msls的4个基因。在雌性体细胞中，msls突变无任何效应，表明雌性个体不需这

7、些基因的产物。但对雄性來, msls发生突变，雄性x连锁基因的活性水平则低于正常值，此雄性突变体在幼虫晚期和螂 早期死亡。这些结果表明剂量补偿是通过捉髙雄性x连锁基因的活性的正调控过程来完成 的。在雌性中,x： a之比为1, sxl基因被激活,从而msls基因则处于非活性状态,x连 锁基因以基础水平转录；而在雄性中，缺乏有功能的sxl蛋白，msls基因被激活，使x染 色体高水平转录。第三节线虫的性别决定线虫通常有两种性别表型：雌雄同体和雄性。大多数个体为雌雄同体，同时具有精巢和卵巢。 在幼虫期，产生精子并储存在生殖道中，而成虫产生卵子，当卵子进入子宫吋就被储存的精 子所受精。线虫的自体受精则产

8、生更多的雌雄同体个体，仅有0.2%的后代为雄性。雄性个 体能与雌雄同体个体交配，因其产生的精了比雌雄同体产生的内源性精了更具竞争力，这样 交配产生的后代有高达50%的雄性个体。在线虫中，xx为雌雄同体，xo为雄性。与果蝇一样，性别山x染色体和常染色体的比值 所决定。具体见图206。图20-7是假设的线虫性别决定基因相互作用简图。第四节鱼类的雌雄同体和性逆转在蠕虫和昆虫中雌雄同体是不常见的，在脊椎动物中就更罕见了。在鸟类和哺乳类，雌雄同 体是病态的口不育。脊椎动物中大多数雌雄同休动物存在于鱼类，并分为三种类型，一种为 雌雄同熟；-种为雌性先熟；-种为雄性先熟。在鱼类小还存在着性逆转现象。识别性逆

9、转的最有力的手段是直接观察己确定的个体，如起 始为雄性，后来转变为产卵的雌性。当雌雄个体在外部形态和颜色上冇明显差异时，就提供 了性逆转的可信的证据。另一个用于鉴定性逆转的手段是通过対确定性别的个体进行系统的 活性组织检查。如精巢中存在卵巢腔是性逆转的有力证据。在实验室中常利用社会系统改变 导致性逆转的研究方法来判断一个种类的性逆转，或分析引起性逆转的社会原因，如许多珊 瑚礁鱼类可在实验室小建立雌雄比为1： 1 （单配组）体系和多配组体系。早在40多年前，就有了个体大小决定性逆转的说法，至今仍有人坚持，但并没有实验证据 表明在恒定的条件下个休达到某个特殊年龄和人小时就发牛性逆转。然而，野外和实

10、验室 观察表明，有17种原性逆转是山社会因素或行为因素引起的，但这观点并不适用于所有种 类。性逆转发生以后，其配子细胞可能有2个来源。笫一，在原始性別发育期间，有一个静止的 2种生殖细胞的潜在库。性逆转时，潜在库就开始产生适宜的生殖细胞。笫二，在早期发育 屮可能产生了2套分化的细胞，这2种细胞在第一成体性别期间一直保持着，当第二套分化 的细胞扩散到整个性腺时，就发生性逆转。无论是第一种惜况的快速分化和增殖，还是第二 种情况的已分化细胞的简单增殖，都可以由外界凶索对配子细胞施加彩响而诱导产生。单性物种始终是性别进化研究争论的焦点z。绝人多数哺乳类和鸟类等高等脊椎动物行有 性生殖，而爬行类和血类等

11、低等脊椎动物中，行有性生殖或无性生殖，但不会同时貝备2 种生殖方式。而银鲫却同时具备两种生殖方式，即雌核发和两性生殖。当川界源精了与银鲫 卵了受精时，精核不解凝，呈凝固状态，仅刺激银鲫雌核的发育，所获后代全为雌性，此过 程为典型的雌核发冇。单用同源精子银鲫卵子受精时，进入的精核可解凝成雄性原核，而且 雄性原核可与雌性原核结合，所获得的后代中有一定的雄性个体,这个过程类似于两性生殖。 银鲫的这些特性使得具在脊椎动物进化过程屮位于单和两性的过渡阶段，它将有助于解答银 鲫进化生物学上的许多问题，如非必需基因、性别的起源与进化和遗传重组等。第五节环境因子与性别决定在低等脊椎动物中，性别决定与分化受环境

12、因素的影响较大，这些因素有温度、光照、ph 值、离子强度、食物供给、外源激素及动物群体行为等。银鱼属的性别决定，在其幼虫完全变态z前的发育时期，受到遗传和依赖温度的环境因了的 调控，且不同母木的后代的性比率差异显著，对温度的反应也不相同，这意味着雌雄异体的 仇的性比率可能受到环境因子的影响。采用药饵投喂或浸浴幼仇的方法，可利用性激素诱导 改变鱼类的生理性別，现已在金鱼、罗非鱼、鲤鱼等鱼类中获得成功。而在碱性水中孵化的 有些血类，其性别比率强烈地偏向雄性，而在酸性的水中，偏向雄性。孵化温度可以决定某些爬行动物的性别,在大多数龟和鳄鱼中，受精卵发育的一段特定时期, 温度是性别分化的决定因了，而且温

13、度的微小改变也会引起性率的剧烈改变。通常，卵在低 温（22-27°c ）下孵化，产生一种性别，而在较高温度（30c ）下孵化则产生另一性别的后 代。同一批卵仅在一非常狭窄的温度范围内孵化呆同吋产生雌雄2种后代。判定决定性别分 化的发育时期可以通过将卵在产生雄性的温度下培育一段时间再转入产生雌性的温度下培 育的方法來研究。如密西西比鳄的性别决定。研究表明，在孵化的7-24天的是性别分化的 决定时期。卵在30°c或更低温度卜孵化产生雌性鳄鱼，而在34°c或更高的温度时则全产生 雄性后代。而且，当其巢建筑在土堤上（接近34°c）产牛雄性后代；建筑在湿沼泽地（接

14、 近30°c）产生雌性后代。-种蠕虫的性别决定依赖于其幼虫的生长环境。雌性是附着在海洋岩石上的生物，长大约 10cm,具有一个可延伸至lm长的吻突。吻突貝有2个功能，一是将食物从岩石上扫入其消 化道中，二是将幼虫产在吻突上，并由此进入雌性口中，迁移至子宫，长成l-3mni长的雄 性。因此，当幼虫附着在岩石表而，发育为雌性；但当相同的幼虫附着在雌性的吻突上，则 发育成雄性。雄性个体终生生活在雌性个体向上，为其卵授精。当幼虫在无雌性成虫的环境 中培养，人约90%幼虫发冇成雌性；而当这些幼虫在有雌性成虫时，70%的个体附着在吻突 上，发育为雄性结构。幼虫雄性分子研究可以通过抽提雌性的吻突來

15、进行。当幼虫在无雌性 成虫的正常海水中发育，大多数个体发育成雌性。当在含有吻突组织抽提液的海水中生长时, 人多数个体发冇成雄性或间性体。因此，环境因子是决定某些低等脊椎动物性别的关键。在这些动物屮，雌性和雄性在遗传上 并没有区別，环境信号启动基因的表达不同，从而影响动物的性別。笫六节 性别及性染色体的进化一、调控性别的遗传途径及具进化在动物界，存在有性生殖和无性生殖两种主要的生殖方式。绝人部分动物行有性生殖，但有 性生殖似乎得不偿失。对生物而言，性别常常意味着需要花人量的精力去寻找配偶，并与z 交配；对细胞而言，雌雄基因组必须重组，并不能发生任何重大错误；配子发生和谐的融合, 而且维持种间障碍

16、。对每一步而言，为了使整个种获利，不同性别的利益冲突必须梢确地协 商解决。有性生殖占主导地位，这促使研究人员去探讨性别能提供什么样的进化优势。关于这个问题 的争论依然很激烈，主要集中在2个问题上：第一，为什么最初进化出性别？为什么性别在 口然界普遍存在？第二，这些复杂的性別系统是如何进化而来的？在20世纪的前半叶,细胞遗传学的研究表明，性染色体在动物种间,甚至非常相近种间的 存在着变异，这意味着性染色体进化较快。而此后的遗传学研究表明，即使在一些染色 体明显相同的种间，性别决定机制也显著不同，这就进一步加宽了性别决定机制潜在的变异 性，甚至鉴定出了性别决定机制在种内的差界。二、性别决定发主改变

17、的节律在许多理论和实验去研究性别决定突变是如何固定在自然种群屮的c从这些研究中可以得岀 3个结论。第一，不是所冇的改变都是平等的。每一种改变的频率高度依赖性别决定的遗传 结构基础。第二，在许多种中，最初的性別决定机制与性別的二态性紧密联系在一起，而这 种二态性通常与性染色体所携带的基因的不同和关。界型染色体的存在极大地影响了性别的 改变。第三，性别决定的转换在一些有利的方面。除去所有的内在因了（遗传结构和异型染色体的存在），同样也有一些外在的因了影响性别 决定变界固定下来的可能性。考虑到对性别决定基因的选择压力，产生了一个要讨论的问题: 性別决定基因以较快的速度进化。曾经有人认为性别决定棊因的

18、快速进化少止向选择压力有 关。一般认为，异形性染色体是由原始的同源染色体演变而來的，异配性别的2条性染色体只冇 在保持隔离的情形下，相对的性别决定才能积累在原始的性染色体上。隔离是性染色体分化 的一个重要的条件。隔离可能來自xy或zw之间的同源片段的缺失、重复、倒位等局部变 化。从原始的些须同体进化到雌雄界体的关键涉及两步突变：雄性不育突变使雌雄同体转变 为雌性；雌性不冇突变使雌雄同体转变为雄性。假设一个原初隐性雄性不冇突变，为防止交 换而在其非常近的连锁位点上会发生一些雌性不育突变。这一系列的突变将产生携带雌性口 j 育、雄性不育基因的原始x染色体和携带雌性不育、雄性可育的原始y染色体。对两

19、性差 界的选择将导致在原始x、y染色体之间一个较宽的区域内遗传物质的交换减少。而缺乏交 换将在y染色体上积累有害突变、转朋因子、串连重复dna。在许多无脊椎动物和脊椎 动物屮，染色体结构上的微小变化也会导致性染色体间dna顺序在组织上有很大不同，从 而使y染色体与x染色体不同，除了性别特界的功能外，y染色体累进地丢失有功能的序 列，而其它遗传物质是惰性的。y染色体上有害物质的积累是一个随机的过程或通过与有利 的y连锁的突变等位基因的结合而扩展开來。在界配纶殖中，与y染色体相比，x染色体 上与性别无关的区域的活性相对于y染色体而言增加了，因此必须进化了一个剂量补偿系 统。尽管在不同的分类群有着独

20、立的起源，构成染色体水平上的性别决定的分子机制的性质是大 致相同的。鱼类在脊椎动物的系统演化屮处于承前启示的地位，是揭开包括人类在内的所有脊椎动物进 化奥秘的关键。鱼类的性染色体的分化处在不同的时期，其进化以极其多样的方式进行。鸟类的z染色体为哺乳动物的x染色体具有不同的基因，表明它们在过程中具有不同的起 始遗传物质。在脊椎动物屮，x、y染色体具有高度的同源性，这与性染色休由一对同源染色体进化而來 的假说相一致；有袋类动物屮，仅失活父源的x染色体，可能是真兽类x染色体随机失活 的一种小间过渡状态。有袋类动物和人类在x染色体长臂和短臂近端部分的位点的保守性, 表明祖先x染色体也存在着这些位点。和

21、反，在人类x染色体短骨上（包括拟常染色质区或 x、y重纽配对区），定位了有袋类和单孔类动物的两个常染色体基因簇。这表明x染色体 的短臂的人部分来自于常染色体向祖先x染色体的易位。在有袋类的y染色体上发现了 sry 基因的同源序列，而在单孔类尚未发现类似序列，这表明sry <11先基因的表达方式。性染色体进化假说，原始x、y染色体为常染色体，性別由环境因子或基因（与现今的性別 调控基因座不同）调控。（图20-8）所示的基因sox3和sst（sexual selected trait ,性别选择特 性基因）分别为可能的性别决定基因和性别选择基因。sox3是一个已知的位于哺乳动物x 染色体上在

22、，sst慕因冃前是理论上的。最初，s0x3和sst的2个等位基因在功能是一致 的，见图20-8ao在进化过程屮，一个原始性染色体上的s0x3基因发生突变，从而具有睾 丸决定的功能，最终iii s0x3进化为现在的sry基因。含有sry基因的性染色体被定义为 y染色体(右边)，而含有sox3基因的被定义为x染色体(左边)，sry/s0x3的个体为雄性, sox3/sox3的个体为雌性。在这个阶段，没有选择压力促使性染色体分化，见图20-8bo y 染色体上的第二个位点sst突变为sstm(scxual selected trait in male,雄性性别选择特性基 因)有利丁雄性个体携带，并扩

23、展到整个种群屮。sry和sstm重组获得的重组体不具备这 种优势而不能扩展，见图20-8co由x染色体突变产生xist基因，通过雄性减数分裂过程 浓缩未成熟的性染色体來抑制sry和sstm间发生的重组，以稳定y染色体1二sry和sstm 间的有利的排列，见图20-8do在muller ratchet的作用下，y染色体开始积聚突变(由图上 *表示)，且因倒位等因素抑制重组，见图20-8eo当y染色体积聚突变吋，x染色体上基因 的活性互补性增加，以补偿y染色体上基因活性的丧失，xist基因的活性适应了 x染色体 失活的功能，以平衡雌雄个体间x连锁基因的表达水平；y染色体上大块革因缺火，获得 人面积

24、异染色质。原始sstm基因可能被丢失，而获得新的雄性有利突变。而且通过添加 染色体片段等方式y染色体获得新的基因，即par(pseudoautosomal region,假常染色质区), 这些添加的皋因在进化中可能渗入到y特异区域而获得新的功能，见图20-8fox染色体失活的进化假说：在进化过程中，雄性个体x染色体的浓缩发生在雌性个体一个x 染色体失活之前，而且二者都应用了 xist激活机制。界型性染色体的进化导致了雄性仆人 可不配对染色体片段的出现，见图20-9(a), (b),不利于性染色休间有害交换的发牛和非同 源配对。在发生次数分裂的细胞屮富含诸如核酸酶等因了，由于不配对染色体暴露在这

25、些因 了的作用下，可能受到损坏。假设为了减少这些潜在的冇害效应，选择了一种染色质浓缩机 制，产牛x染色体的兼性异染色质，见图20-9(c),极人地阻碍了酶的作用。x染色体的保 护性浓缩由xist rna所介导，其表达受x失活中心调控。雄性个体在减数分裂过程x染色 体浓缩的一个不可避免的结果是x连锁基因的失活。性染色体的异形性，不论具起源方式, 都需要产生剂量补偿系统以平衡雌雄间x连锁基因的剂氐现在已提出几种剂录补偿机制, 在雌性哺乳动物中，通过浓缩而火活，很可能是通过在雄性个体中所获得的xist rna机制 的补充形式來完成，见图20-9(c), (d)0有趣的是，在精子形成过程中xist基因

26、的甲基化方 式与雌性外源胚胎组织x染色体非随机部分失活一致。xy小体中失活x和y染色体的结 合特性及巴氏小体失活x染色体的特性在2咱性别町能是由相同的分了机制作用的。根据对人类x和y染色体上19对同源基因片段的分了进化资料进行了分析，发现这19对 基因可依其碱基替换率而明显地分成4组，每组分别与一个进化年代相对应，同时他们也在 参考了近年來对单孔类、有袋类等低等哺乳动物性染色体分子进化分子进化研究资料的基础 上，提出了哺乳动物祖先到人类的性染色体进化的4个阶段(four evolutionary strata)的假说, 指出在这4个进化阶段屮，y染色体经过4次倒位，分别形成x染色休的一部分，这

27、4部 分按照进化时期集依次排列联结，最终构成人类的完整x染色体。见图20-10。第七节性行为的发育一、组织激活假说若将胚胎或刚出生的婴儿置于特殊的激素中，会导致其中枢神经系统发牛永久的性别专一的 变化吗？在雌性小鼠出牛的笫一周，由于睾酮的缺乏，导致成熟雌性小鼠垂休循坏分泌促黄 体素。可以雌性小鼠出生示4d通过注射睾酮使其在成熟示不循环分泌促黄体素；相反，也 可以在雄性小鼠出生后id内去除睾丸使其循环分泌促黄体索。一般认为，性激索在哺乳动 物的胚胎期或刚出主时作用于组织神经系统，而且在其成体屮，同样的激索也有短轉的活性 效应。这就是组织激活假说。冇趣的是，决定雄性大脑方式的主要激素是雌二醇。在胚

28、胎或刚岀生的婴儿的血液中，睾酗 检测这标记是否存在“非同性恋者”家族的男性）并没冇报道，统计的偏差被认为冇问题， 特别是其他实验室并没能重复此实验。在相同实验室的-个最近的结果，hu和他的同事发 现当同性恋另人与他非同性恋兄弟比较，该区域没有或仅有极少增加。因此他们的结论：这 段区域对性倾向來说既不是必要也不是充分的。基因是编码rna和蛋白质的，而非行为的。当基因可能偏向行为结果时，我们没有证据证 明这些基因是如何“控制”行为的。“多个性综合症”的人的存在，表明一个表型可支持一 广范围的个性。既然很多人在同性恋利界性恋行为间转换，肯定对“同性恋表型”定义出了 问题。因此，同性恋渴求的形式是山核

29、内的基因、胚胎发育期的性激素，不是出生后的经验 所决定的这个问题仍然没有明确的答案。性别分化虽然是最基木的发冇事件之一，但其分了机制却极其多样化，几乎所有已知类型的 调控机理都被用上了。哺乳类决定于y染色体；果蝇和线虫决定于x染色体的多少，龟和 鳄决定丁其卵的孵化温度，boneilia依赖丁幼虫的生长环境。不同动物涉及的剂量补偿机制 也不相同。哺乳类通过将x染色体随机失活一条平衡雌雄两性的x连锁基因产物的数量， 果蝇是使雄性的x染色体的转录水平捉高1倍，线虫则是使xx个体的x转录水平降低。 性别决定的多样性为研究胚胎发冇过程中分了调节开关作用机制提供了一个丰富的信息源 泉。关丁性別决定的研究已

30、在国际上全面展开，涉及哺乳类、有袋类、昆虫、线虫和蕨类等诸多 物种，在性别决定因子、级联调控体系、生殖细胞的性别决定、剂最补偿和性染色体的进化 等领域都取得了引人注冃的进展。第二一章细胞核的全能性与可塑性100多年前,德国病理学家r.virchow的著名论断“细胞来自细胞” （omnis cellula e cellula） 使人们认识到一个有机体的所有细胞都來源于一个受精卵细胞。细胞分裂及dna的半保留 复制方式的发现又使遗传物质一代一代精确的传递一目了然。染色体是遗传物质的载体，它 们集中在每个细胞的细胞核中，因此细胞核指导牛物体的个体发育。既然受精卵能够发育成 一个完整的有机体，具有发育

31、的全能性，那么它产生的子代细胞、直至高度分化的体细胞是 否在发育的潜能上同受精卵一样呢？这个现在看來似乎很容易冋答的问题从提出到有最终定论经过了科学家的努力，从细胞学说 的提出到体细胞克隆羊的诞生，前后共计158年的时间。细胞核具有发展全能性（totipotency） 的结论至少要接受如下儿个方血的证明：1,细胞核包含有指导该细胞发育成完整个体需要 的全部遗传信息；2,细胞的分裂过程中，遗传物质能精确、完整地传递；3,细胞分化没有 破坏基因组织结构的完整性；4,细胞分化没有导致细胞核兵至细胞的发冇潜能的不可逆性 变化。低等动物很强的再生能力和在生产实践中已广泛应用近千年的植物无性繁殖技术使人们

32、隐 约得到答案。但是真正用实验方法直接证实却是20世纪创建的单细胞培养技术（植物）和细 胞核移植技术（动物）。1958年，高等分化的植物体细胞具有全能性和町逆性得到了证明。1997 年，体细胞克隆羊“多莉”的诞生宣告了高等动物的体细胞核同样具有全能性。以下是与细 胞核全能性的证明有关的重要事件：1839年，schwann在总结前人工作的基础上，正式提出细胞学说；1855年,virchow提出“细胞来自细胞”论断;1865年，mendel首次报道了用豌豆进行的一系列实验结果，发现了遗传因了的分离和重纟r 规律。1870年，flemming证实了细胞核在保持细胞连续性方面具有重要作用；1883年，

33、roux主张染色体是遗传单位的携带者；1884年，hertwing和strasburger认为细胞核含有控制遗传的相关因子；1885年,wcismann提出了种质学说;1888年，roux开创了实验胚胎学的新领域，但是其最初在蛙胚实验结果的失败却支持了当 时流行的“体细胞的分化是由于遗传物质丢失造成的”错误观点；1892年，driesch证明海胆2细胞和4细胞胚胎的单个细胞能分别发育成完整的胚胎；1894年，loeb进行早期的核移植实验，将单个细胞的核移植到一个去核卵的细胞质屮； 1914年，spcmann在蛾!k和火蜥蜴中（1928年）进行了核移植实验；1938 年,spemann 在&qu

34、ot;embryonic development and induction一书中公开 了一个"奇异"的 想法，提出如果将一个分化细胞的核导入去核卵代替卵细胞核后，所形成的组合细胞将如何 发育。14年后，这一奇特实验构想成为现实；1952年，briggs和king开发出细胞核移植技术，并首先用美洲豹蛙的囊胚细胞进行核移植 获得正常发育的蝌蚪。他们的实验结果震动了整个生物界；1953年，watson和crick报道了 dna的双螺旋结构模型；1958年，fischberg, elsdale, gurdon用爪蟾囊胚早期细胞作核供体进行核移植；1962年，gurdon宣布将川高

35、度分化的成体蛙的肠细胞作核供体进行核移植；1963 年,haldane 在一次名为 “biological possibilities for the human species of the next ten-thousand years,i讲中首次使用 “clone” 一词；1977年,gurdon以一只白化蝌蚪的肠上皮细胞作核供体，通过核移植获得30只白化成体蛙, 引起世人嘱目;1981年,illmensee和hoppe宣布将具遗传标记的小鼠囊胚内细胞团细胞核移植去核受精卵, 得到了幼鼠，这是世界上第一例哺乳类克隆的报道；1995年，wilmut和campbell用已经分化的、体外培养的

36、绵羊胚胎细胞，经核移植获得世界 上第一例分化细胞克隆羊；1997年，wilmut和他的同事采用成体母羊的乳腺细胞作核供体，获得世界上笫一例类体克 隆哺乳动物真正意义上的体细胞克隆羊“多莉”。第一节细胞核是细胞全能性的基础细胞核的全能性是指一个细胞核具冇该物种完整的遗传信息，在适当的条件下能够发育成一 个完整个体的能力。植物体细胞和动物受精卵、早期胚胎细胞具有发育的全能性就在于每个 细胞的细胞核中都含有和同的、完整的遗传信息，因此细胞核是细胞具有发育全能性的基础。 冇关细胞核全能性的介绍还得从细胞学说的创立开始。一、细胞学说的创立细胞学说（cell theory）是19世纪德国的植物学家施莱登和

37、牛:理学家施旺共同捉出的。1838年, 施莱登根据口己的实验观察，提出所有植物体都是由细胞组合而成的。一年后，施旺认为所 有动物体也是由细胞所组成，在总结前人的工作的基础上，首次提出“细胞学说”这一名称。 施旺虽然提出了细胞学说，但是对于细胞的來源问题却不清楚。后來德国的病理学家 r.virchow明确提出“细胞来自于细胞”的著名论断，使细胞学说更加充实。这样细胞学说 就包含了 3个方而的内容，1、细胞是多细胞牛物的最小结构单位，对单细胞生物來说，一 个细胞就是一个单独的个体；2、多细胞生物的每一个细胞即是一个代谢活动单位，执行特 定的功能;3、细胞只能由细胞分裂而来,即细胞来自细胞。细胞学说

38、和后來廉生质理论的捉出，冇力推动了生物学家对细胞内部结构的研究，使对细胞 的研究出现了一个繁荣时期。相继发现了一系列的细胞结构和细胞活动现彖，包括受精过程 中卵子和梢子原核的融合、有丝分裂和减数分裂，明确了细胞核在两代个体之间连续性的重 要作用。细胞学说也促进和推动了各生物学科的发展和细胞学的联系。如细胞学说应用到分类学上, 从而把动物分为原生动物（单细胞动物）和后牛动物（多细胞）；将细胞学说应用胚胎学上，确 定了精了和卵都是细胞；将细胞学说应用到病理学上，认为病理过程是在细胞和组织中进行 的，由此发展了细胞病理学。但是将细胞学说应用到发冇生物学上，在当时却无法解释细胞 遗传和细胞分化在有机体

39、的矛盾和统一。二、细胞分化是遗传物质丢失观点的捉出roux做了开创性的工作。他用一根烧烫的针破坏蛙2细胞屮的其屮一个细胞，以观察胚胎 的两个细胞的分化差异及胚胎的发情况。他发现被破坏的细胞不再继续发育，而存活的另一 个细胞则只能进一步发育成胚胎的左半部分或右半部分（如图21-l）o此实验证明了从2细胞 时期起，胚胎两分裂球未來发育命运就已经被确定，毁掉一个细胞，另一个只能形成半个胚 胎。然而这个开创性的实验得出的结论却是错误的，原因口j能是烧烫的针对胚胎的一部分造 成了不可逆的损伤，活的分裂球由于接触到死的卵裂球从而彩响了进一步的发冇。 driesch（1892）不久就心海胆做了类似的实验。激

40、烈摇动海胆的2细胞胚胎和4细胞胚胎，可 将单个分裂球（细胞）分离开来，结果每个细胞依然能够继续发育成完整的海胆幼虫。1885年, weismann提出了种质学说，却仍然以roux的错误的实验结果來支持他提出的细胞分化和 发育源于遗传物质的丢失造成的，每一种组织只保留了其特冇的遗传物质。染色体不发生丢 失的细胞成为种质细胞（生殖细胞），发生丢失的细胞则成为体质细胞（体细胞）。他把遗传物 质称为决定子（determineant）,并描述了染色体自我复制决定子的假说。但是他乂认为，胚胎 决定子的不同分布，导致了细胞分化。细胞类型少细胞功能的差杲是由于分化细胞的细胞核 屮只保存了自身组织和细胞所特有的

41、遗传物质，而其他遗传物质在分化过程小丢失了。因此 细胞特化是一种不可逆的过程。导致weismann这一观点能够在以后5（）多年间广泛流行的原因述有当时马蛔虫细胞在胚胎 发育过程中发生的染色体消减现象。1910年boveri用马蛔虫卵做了一个经典的实验（如图 21-2）o马蛔虫的合子核有2对染色体，第一次卵裂时为纬线分裂而不是一-般的经线分裂， 结果将受精卵的动物极和植物分隔成2个卵裂球（a图），更为奇怪的是，在产生的两个子细 胞中，染色体的命运也不和同。第二次分裂时，动物极细胞（ps）为经线裂而植物极细胞仍为 纬线裂（b图），来口动物极的细胞每一条染色体的中央部分分裂成许多小碎片，而超下两端

42、人的部分。以后这些小碎片重新组成子核，进行分裂，两端两块人的则位于细胞膜附近的细 胞质小，不进入核内，逐渐消失在细胞质中，因此许多基因也随z丧失（c图）。与动物极相 反，植物极细胞可以正常进行核分裂成为2个细胞（b图撚而靠近动物极的细胞也发生染色 体丢失（d图）的ps部分，另一细胞却能正常分裂。如此反复分裂，最后保持正常染色体（s-pg） 的细胞将来成为生殖细胞，染色体部分丢失的细胞分化成体细胞。这种在卵裂过程除原始生 殖细胞保留完整的两条染色体，其他细胞染色体均发生大段丢火的现象称为染色体消减 （chromosome diminution）o boveri推测这种现象是由于卵内细胞质成分不平

43、衡造成的,在卵 子植物极可能含有某种特殊的细胞质能肌止染色体消减，并且用实验证实了上述推论的正确 性。马蛔虫染色体消减现象虽然是一个特例，但在当时却作为实际例证被学术界普遍接受。三、分化细胞的遗传物质没有发生变化1901-1903年，spcmann用婴儿细发结扎嫌嫄受精卵，将第一次卵裂形成的2个分裂球分离, 分別进行培养，结果发现每个分裂球都能发育成一个正常而较小的胚胎。他分析roux得出 错误结论的原因，可能是因为被热针烫死的细胞対正常细胞的发育具有抑制作用，是一种不 幸的人为现象。1933年，schmidt $复了 roux的实验，但他把烫死的一个分裂球去掉，使 存活的分裂球不受影响，结果

44、这个存活的细胞能继续发育成完整的胚胎。至此，在rouxz 后的一系列实验结果都表明，早期胚胎的分裂球是全能的。但是这包括某些无脊椎动物，如 线虫，它们的发育是一种规则的发育：即使分离受精卵最初分裂所产生的2个细胞，每个细 胞也有自己不同的命运。后來的研究解释了线虫早期卵裂球有不同命运的原因：山于线虫细 胞以一种不对称的分裂方式进行分裂，虽然冇丝分裂产生的了代细胞继承了母细胞的遗传信 息，但是细胞质成分是不均等分配的，因此导致细胞出现不同的命运，这表明细胞质对细胞 发育的命运是有影响的。随着对细胞有丝分裂的逐步认识和理解，人们开始对weismann的学说产牛了怀疑。有丝分 裂足以保证细胞核屮的遗

45、传物质在2个子代细胞中的均等分配，因此子代细胞的染色体数目 或遗传信息应该与受精卵札i同。dna半保留精确复制的发现更加表明细胞核遗传物质在细 胞分裂中的稳定性。因此，weismann的学说从理论上已经被否决。既然细胞核所具冇的遗 传信息没有发生改变，遗传物质在个体发育有重耍指导作用，那么胚胎细胞、分化细胞或特 化细胞及其细胞核是否具有发育的全能性呢？即是否能发育成完整的个体或者指导细胞发 育成完整的个体呢？于是，研究细胞(核)的全能性很自然就成为许多发育生物学家倍感兴趣 的课题。四、细胞核的全能性和细胞全能性全能性最早用动物胚胎学，是指分裂球发育成为完整胚胎的能力。现在所谓的全能性问题, 是

46、指与合子具有相同遗传内容的体细胞、胚胎细胞等或它们的细胞核是否也同合子一样具有 相同的发育潜能，即细胞发育全能性或细胞核发育全能性问题。全能性的基础在于所冇的细 胞核包含一个物种的全套染色体组，具有发冇成一个完整个体所需要的全部遗传物质。细胞核全能性和细胞全能性是2个不同的概念，不能混为一谈。对于受粕卵，它能够分化岀 各种组织和细胞，并能发育成完整的个体，因此，受精卵具有的全能性加于细胞全能性。相 同性质还有-高等植物的体细胞，以及动物的早期胚胎细胞都具启细胞全能性。高度分化的动 物细胞，其发育潜能变得越來越窄，失去了发育成完整个体的能力，但是细胞核的基因组仍 然保持完整。如果将分化的细胞核通

47、过核移植等方法导入公核的卵细胞或受精卵，在供体核 和受体卵细胞质的共同作用下，依然可能发育成一个完整的个体，体细胞克隆动物的成功就 是很好的例证。在这些例子屮，表现出來的全能性就是细胞核全能性。因此核的全能性并不 代表细胞具有全能性，细胞分化过程屮是逐渐失去其全能性的。笫二节细胞分化与潜能的变化多细胞生物由受粘卵开始生长发育，最终形成由多种类型的细胞、组织和器官构成的有机体。 如人类个体即由200多种细胞组成，每种类型的细胞无论在形态结构、生理功能上等都具有 明显的差异。像这样在个体发育过程小，细胞间在形态、结构和生理功能上发生稳定差异的 过程称为细胞分化(cell differentiati

48、on)o细胞分化能力的强弱称为发育潜能(developmental potential).,根据发育潜能可以将细胞分成 全能性、多能性、单能性细胞及终末分化细胞。受精卵具有分化出各种组织和细胞的潜能, 并能发冇成一个完整的个体，表明受精卵的发冇潜能具有全能性(totipotency)o高等动物除 受精卵外，第一次卵裂后产生的两个裂球(细胞)，以及胚胎t细胞(embryo stem cell ,esc)也 具有发育的全能性。在有机体的成熟组织中存在一类干细胞，可以分化成多种细胞类型，以 补充该组织衰老和死广的细胞，这种细胞貝有的发育潜能称为多能性(multipotency),如多能 选血干细胞就

49、具有多能性，可以分化成红细胞、口细胞、单核细胞和血小板等。有的干细胞 只能分化岀一种类型的细胞，此种细胞的发冇潜能称为单能性(monopotency)。终末分化细 胞是不能分裂的高度分化的细胞，虽然细胞核仍具有发育全能性，但是对于整个细胞其发育 可塑性却几乎消失。某些具有特定大小、形状、结构和功能的特化细胞，如人的成熟红细胞, 失去了细胞核，因此就失去了发育潜能。一、细胞分化与核基因差异表达细胞分化的实质是组成机体的不同类型细胞合成不同种类的特异性蛋片质，也就是说某一种 类型的细胞仅冇部分特定基因被激活。分了朵交实验也证明，在任何时间一种细胞的基因组 只有少部分基因在活动，大约占全部基因的5%

50、-10%o真核细胞的基因可以大致分为2类， 类基因在所有细胞中都表达,这类基因即管家基因(house-keeping genes),另类在不同细 胞中专一地选择性表达，称为奢侈革因(luxury gcnc)0细胞分化就是这些特异棊因表达的结 果。细胞分化是一个渐变的过程。有机体的所有细胞源于一个受梢卵的有丝分裂，早期的胚胎发 育是一种母性调jj(maternal regulation)。受精作丿ij开始后，储存在卵母细胞内的rna和蛋白 质就被激活，以启动和调节胚胎发冇。有关胚胎发冇的继续推进，胚胎自身合了基因组开始 转录、表达对发育进行调控的基因，此为合子型调节(zygotic regula

51、tion)o因此在细胞分化开 始前，早期所有胚胎细胞在最初都是等同的(initially equivalent),包括发育的全能性，核移 植实验已经证实这一点。随着进一步发育，这些全能性的胚胎细胞将受到不同因素的影响，向不同方向分化。胚胎细 胞的这种发冇状态就是决定(determination)o细胞一旦获得决定，就意味着细胞内部u.经发 牛了稳定的变化，基因活动模式已发牛了改变。即使细胞还没有岀现形态差界，但是细胞分 化的最终命运已经确定，各种细胞的基因被激活或抑制都在获得决定后循序进行，直至最后 分化成末端分化细胞。细胞分化过程中细胞核也在不断发生分化，主要体现在不同分化类型细胞的棊因的选

52、择性表 达。同时，在胚胎发冇过程中，不同组织细胞还有印记基因(imprinted gene)的表达或沉默的 差界，以及在少数细胞中染色体的消减甚至是细胞核的丢失等待。细胞核的变化也影响了细 胞或细胞核发育的可塑性。二、分化细胞与受精卵的基因组等值性分化细胞染色体数冃冇没冇发生变化？前面虽然冇染色体消减现彖。但是，细胞分化导致遗 传物质数量的变化只是生物界中的特殊现彖，普遍现彖是分化细胞仍然保帘着同受精卵一样 的全部基因。在受梢卵和以后的有丝分裂过程中，侮个细胞核dna都是通过严格的半保留 复制方式被完整地传递下來，因此分化细胞仍然具有该牛物有机体住长发育所需要的全部遗 传信息。1、分化细胞的d

53、na含量没有发牛变化很早就有人测量了各种动物分化细胞的dna含量，发现同种动物来口不同组织的细胞仍然 含硼相同的dna含量，差界甚微。如牛的各种组织细胞中dna含量分别为：肚6.4ng；脾 6.4ng；胸腺 6.4ng；胰 6.6ng；精子 3.3ng«2、分化细胞中染色体数最没有发生变化研究人员曾检查过从人体8种不同组织中制备的1825个不同分化类型细胞的染色体组，发 现除了 2个细胞的染色体数冃为45条和47条外，其余细胞都是46条，这说叨在疋常情况 下染色体是不会在细胞发冇和分化屮丢失的。3、分化细胞的基因数目没有发牛变化果蝇基因组包含5000左右的横帶，平均每-横带约含10个

54、基因。从不同细胞类型中所得到 的多线染色体，不仅横带数量没有变化而且排列顺序也部是相同。4、分化细胞具有同种全部基因的直接证据一一分子杂交实验1964年，研究人员利用分了竞争杂交实验肓接证明了小鼠分化细胞的细胞核部含有指导发 育成完整个体的物种的全部基因。具体结果见图213。事实上，随着现代科学的进步，通 过基因序列分析于段已经能很清处的显示分化基因组同受精卵细胞基因组的等同性。虽然分 化细胞只有部分基因纽表达，而且不同分化类型细胞表达的特界基因也不尽相同，但是细胞 核基因纟r仍保持着完整，也就是说分化细胞屮不表达的基因仍然存在。5、细胞分化并没冇导致细胞核不可逆转的变化分化细胞依然具有同受精

55、卵样的完整慕因组，但是细胞核的分化有没有影响细胞的发育潜 能呢？ 20世纪50年代，在植物单细胞培养方血的实验首次证实了细胞分化没有影响植物高 度分化的体细胞的发育全能性。在动物细胞，细胞分化却是影响细胞全能性和细胞核全能性 的限制因索。动物细胞的可塑性随着分化程度的加剧虽然越来越低，但是细胞核仍然具冇在 适当条件下指导细胞发育成完整个体的发育全能性。三、植物分化细胞全能性与可塑性的证明利用无性系繁殖技术，植物营养器官的栽培在牛产实践屮已经有上千年的历史。虽然在发育 潜能上，高度分化的植物营养纽织仍然具有全能性是众所周知的事实，但是真正用科学的试 验方法证明物的组织和体细胞具冇全能性，则是20

56、世纪50年代的事。具体见图21-4o 到今天，植物分化细胞的全能性得到了充分论证，建立在此基础上的组织培养技术也得到了 迅速发展。四、低等动物细胞也具冇发育成完整个体的全能性。如动物个体的再生能力的例了。与低等 动物札i比，高等动物的体细胞的发冇潜能有显著差异。在胚胎发冇屮，早期的胚胎细胞同受 楷卵一样，具有发育的全能性。但是随着细胞分化程度的捉高，细胞的发育潜能逐渐变窄， 细胞的生理活动逐渐发生不同的变化。如细胞的分裂能力逐渐降低，直至缺乏分裂能力成为 末端分化细胞。细胞的可塑性随分化程度加深而降低在细胞核移植实验中得到了有力证明： 以发育时期越晚、分化程度越高的细胞做供体，核移植后重新编程

57、的能力也越差，成功率也 越低。但动物体细胞的细胞核仍然具有全能性，只是可翔性很低，必须在合适的条件下才表 现出全能性。五、组织干细胞分化屮发育潜能的变化干细胞是一种具有自我更新能力、能够分化出至少一种高分化后代的细胞。在成熟组织屮也 存在十细胞，对细胞细胞的止常代谢更新、组织受损时补充新细胞、维持组织细胞总量和功 能起着重要作用。如造血干细胞，能分化成不同的血细胞(红细胞、血小板、巨噬细胞、中 性口细胞等8种细胞)。随着多能造血干细胞的分裂分化，所形成的细胞的分化程度越来越 高，分裂能力逐渐降低直到最终消失，细胞发育潜能性也逐渐变窄，有的其至消失，如红细 胞。而在哺乳类动物(除了骆驼外)的红细

58、胞，以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞是一类特化细 胞，它们在最终的发育过程中失去了整个细胞核，也失去了发育的潜能。六、去分化与转分化每种分化细胞都有适应自身功能和特异基因的表达，因此分化细胞的表型也要保持相对稳 定，而且在正常情况下，细胞分化发生的是一种不可逆的变化。然而在有些特殊的条件下, 分化细胞也表现出不稳定，基因表达模式发牛了可逆的改变，乂回到未分化状态或貝有一定 分化能力的干细胞状态，分化细胞的这种变化过程称为脱分化或公分化(dedifferentiation)o 如肝脏再生时就有部分肝细胞的去分化，然后重新进入细胞周期。有的细胞在去分化z后，能够重新分化成另外一种分化细胞，这种现象叫

59、做转分化 (transdifferentation)0如蛛嫄肢体再生吋，脱分化的肌细胞口j分化成软骨。体细胞在重新发 育成一个个体时，首先必须去分化，回到分化状态丽的最初起点。动物体细胞核移植的目的 就在于使分化的细胞核在受体细胞质的作用卜回到未分化状态的起点，这也是核移植成功的 关键。第三节动物分化细胞的细胞核的全能性早在19世纪末期，科学家就开始了对动物细胞发育潜能的研究，并发现动物胚胎细胞和体 细胞的可塑性规律与植物细胞迥然不同。直至1997年体细胞克隆羊“多莉”的涎牛.才证实 高度分化动物细胞的细胞核具有全能性。一、早期两栖类的核移植研究1、细胞核移植实验的开始20世纪初，基本弄清楚细胞的结构，明白细胞核中含有染色体，而染色体是物种遗传物质 的携带者。但是，作为包含遗传物质