我看进化发育生物学

我看进化发育生物学王寅进化生物学素来都是生命科学殿堂中最为灿烂的宝石之一。为何生物之间是不一样样的？生物是如何形成的？能否存在某种规则来控制生物的进化模式?人们对于进化的兴趣素来都是那么激烈。达尔文提出的进化论在过去的两个世纪中不只改变了整个生命科学界的容貌，它还改变了整个人类社会的世界观。至此进化论与无神论逐渐被大多数人接受并跟着科学的发展而日趋众望所归。但进化理论并无逗留在达尔文的阶段，长时间以来，进化不停与新产生的学科交融，新的见解与理论不停丰富了人们对于自然界的见解，进化的遗传基础、进化的动力、微观与宏观进化，进化不停深入到生命科学的每一个层次，有人说，走开了与进化的联系，生命科学将毫没心义。固然这话说得有些过于偏执，但毫无疑问，生命科学不再是限制在某点某刻的静止科学，而是生命的时空发展变化的科学。在生命科学领域，另一研究生命发展变化的分支即是发育生物学，与进化研究集体演化历史不一样样，发育生物学研究的是个体演化的历史。我们曾一度以为个体发展史就是集体发展史的缩影，自然当时的凭证和见解都在今日看来很天真，但是如何在集体演化中看个体演化的过程，从内容和研究意义来说都将是令人欢乐的“bigone。这”个想法很早就有科学家说起，但长久以来发育生物学和进化生物学的研究都是两条平行线，有时的交点常是比较特其他例子，在理论和系统的商讨上并无打破。但此刻，跟着分子生物学和遗传学研究手段的流行与发展，发育生物学和进化生物学在分子水平上已经可以相互交融一致，并形成了进化发育生物学（evo-devo）这一新兴学科。发育生物学和进化生物学的交叉交融是一件很自然的事情。进化生物学家希望完好弄清楚生物是如何演化成此刻所拥有的形态的，而这正好可以从控制生物体形态发育的系统中获取答案。而发育生物学家又想知道基因的表达和功能上的变化是如何致使生物的身体大小和形状的改变的。当人们试图经过对个体的控制发育的基因的表达的研究来研究生物集体是如何进化的时候，进化发育生物学其实就已经出生了。一、初期的进化发育观：初期的发育生物学是从对胚胎分裂的察看开始的。在此过程中出生了一系列经典胚胎学实验：以细胞培育方法研究细胞之间的相互作用，胚胎引诱实验以及细胞核移植等。鉴于经典发育生物学对于胚胎的研究，进化生物学和发育生物学第一次一致了起来。比方，比较胚胎学家在19世纪初发现硬骨鱼幼鱼时期的尾和鱼类化石的成体的尾十分相像。在幼鱼向成体转变的过程中，幼鱼的尾也逐渐变为此刻的硬骨鱼尾。初期人们关注的问题主要有两个：一个世代中生物的个体变化，即生物的个体发育；不一样样世代的生物表现出的变化，即种群的进化与发展。在Evo-Devo的研究中，人们关怀的就是这两个问题之间的联系。达尔文最早认识到个体胚胎发育对于研究生物进化的重要性，他在《物种发源》中写道：胚胎是动物体修饰较少的阶段，它在必然程度上反应了该物种先人的某些构造特色。1828年赫克尔提出了“生物发生律”（biogeneticlaw）：较高一级动物的胚胎不重现有关的较低一级动物的成体的形态，但在其胚胎发育过程中存在着与有关的较低一级动物胚胎相像的阶段。但“生物发生律”还但是假定。与此相对的，冯贝尔在实验察看的基础上提出了冯贝尔法例：不一样样种类的生物在发育过程中，各动物共有的构造先发生，独有的构造在共有构造的基础上发生。固然达尔文并无使用胚胎学研究的资料来对系统发育进行系统圆满的研究，但很多今后的学者却在《物种发源》中提到的动物胚胎发育与进化的关系的思想的影响下开始了他们的研究工作。Wilson在1898年发现，扁虫、软体动物和环节动物的相同的器官都是本源于卵裂过程中的同一组细胞。同年Lillie发现贻贝在卵裂期时可能会因为环境的变化而产生改变，最后发育成其他一种形态的个体——钩介幼虫。于是对于发育和进化的研究重现了两种方法：发现各样不一样样动物之间的基本一致性和发现各样动物适应特定环境的发育变化。初期对于发育生物学和进化生物学的研究大多逗留在胚胎阶段。所获取的成就其实不可以解说生物体发育的系统。以我们此刻的见解，我们所希望弄清的是从控制生物体形态发育的调控系统中来获取研究生物系统进化的资料。但是因为实验手段的限制以及发育生物学家和进化生物学家研究兴趣相互偏离，这两门学科之间的联系也逐渐模糊了。直到分子生物学与遗传学实验手段的流行，基因序列的数据开始累积，人们对于发育的分子系统的认识也在逐渐丰富，对于生物机体发育的基因调控的研究也获取了强有力的技术支持。二、发育生物学和进化生物学的临时性分别发育生物学和进化生物学的独立发展始于19世纪末。Roux于1894年宣布了用实验方法即热针烫死蛙胚部分分裂球的方法研究发育机理的文章，开创了用实验手段研究胚胎发育的时代。同时期，在世界上一些有名的海滨胜地，如意大利那不勒斯和美国伍兹霍尔等地先后成立起了大海生物实验站，吸引了大量胚胎学家研究各样大海动物胚胎的细胞谱系以及细胞发育命运。最先对细胞谱系的研究是描绘性的，因此，人们不可以防范地需要研究细胞的最后命运。于是，很自然地，胚胎学家开始使用实验方法研究细胞发育命运。比方经过拿出分裂球上某些细胞或部分的方法来研究所除掉部分在胚胎发育中的作用。从20世纪初开始，胚胎学家对胚胎如何发育比对胚胎如何进化更感兴趣，因此对胚胎发育自己进行了大量实验研究，而对系统发育逐渐失掉了兴趣。直到近来几十年，跟着基因见解详细化，基因克隆的发展和序列测定资料的不停丰富，人们对那些在发育中起重要作用的基因的研究也逐渐深入。我们可经过比较序列从而找出同源基因，研究这些同源基因在发育中的作用。这样发育生物学和进化生物学在基因水平上由分别状态从头进入联合状态。三、当前的进化发育生物学Hall在2000年提出了他以为在Evo-Devo的研究中较重要的五个方面：胚胎发育的发源与进化；对发育过程的改正是如何致使新性状的产生的；在生物的进化中出现的发育的可塑性和对于环境的适应性；环境是如何影响发育从而调控进化的；趋同进化的发育基础与系统。很显然，Evo-Devo所波及到的学科有：生态学、分子生物学、遗传学及古生物学等。甚至有可能以Evo-Devo为基础在21世纪形成新的综合性生物学。1.DNA水平的发育进化生物体的发育是基因中的遗传信息借助蛋白质均分子以表现型的方式表达的结果，而生物进化时所产生的表型变化的本源就是基因及其调控序列的变化。在与发育有关的基因中，人类研究地对比较较透辟的就是同源异型基因（Hox）。Hox基因是一类与动物发育有关的基因，它们在不一样样物种中高度相像，因此被称为“同源异形基因”。此中有几类同源异形基因（比方Hox基因）的生物学功能在进化中高度守旧，但在不一样样的分类单元中，基因的数目、在染色体上的摆列组织形式和基因表达等方面却有着细微的差别。有人以为，同一类同源异型基因在不一样样的分类单元中的数目和表达的差别与这些动物躯体设计的进化有关。哺乳动物的Hox基因是同源异型基因家族中的一种，这类Hox基因与果蝇Hom-C基因以及文昌鱼的Hox基因同源。这些基因的功能可以在不一样样的物种体内实现表达，代替该物种自己的Hox基因的功能。Malicki等证人明，将人的Hox4B基因导入果蝇Deformed（Dfd）缺点型胚胎后，Dfd基因的功能可以被模拟代替。依据实验结果，人们推测，Hox基因的表达图式在整个动物门类中是恒定的。比方，在果蝇前后轴图式确实立过程中，一个同源异型基因caudal的表达产物Caudal蛋白的作用是引诱果蝇后端地区的形成。但人们发现，Caudal蛋白相同可以引诱小鼠和线虫形成后端地区。图1.原口动物和后口动物Hox基因簇比较Hox

基因在染色体上成簇散布。每个簇中的

Hox

基因在染色体上的空间排列次序与它们在发育过程中的时间表达次序圆满一致，即圆满依据表达的先后次序从3’~5依’次排开。但是前面提到的三各样类动物的Hox基因所包括的基因簇其实不一样样：在果蝇（无脊椎动物）中，8个Hom基因只形成一个基因簇，相同的，原索动物文昌鱼中的10个Hox基因也只构成一个基因簇，但在哺乳动物中，如小鼠和人的Hox基因就有4个基因簇，分别散布在四条染色体上(图1)。依据以上这些实考凭证，我们可以推测，Hox基因的先人只有一个基因簇，在由无脊椎动物向脊椎动物进化的过程中，较低等的脊椎动物，如文昌鱼依旧保存了先人基因组的特色。此刻我们知道，在低等脊椎动物向高等脊椎动物进化时，Hox基因簇发生了两次复制，今后整个Hox基因簇又发生纵向重排，最后产生了四个Hox基因簇。Hox基因的研究终归向我们解说了哪些问题呢？就当前的研究结果来看，最少说了然以下两个个问题：不一样样生物之间的形态构造差别主假如由不一样样的胚胎发育过程产生的，通过研究比较不一样样生物胚胎发育的调控基因的构造作用以及调控系统，可以说明物种的演化过程与方式。在图1中我们可以知道，从低等生物(果蝇)到高等生物(哺乳动物)Hox基因簇的基因数目的变化忧如已经不可以依据经典进化论所描绘的突变、重组、选择、间隔等过程来实现了。当先人们以为这些是经过一种特其他系统形成的，即经过染色体建的不等交换产生重复、插入、畸变、转座等变化，使整体基因发生扩展并经过易位等方式发生在不一样样的染色体上，从而逐渐构成高等生物复杂的形态发生调控网络。人们称这类系统为“分子驱动(moleculardrive)。”对Hox基因的研究，精准的解说了造成物种间形态差其他分子系统，将进化理论成立在了实实在在的实验基础上，而不是达尔文时代的察看推想与猜想。但是，对同源异型基因的研究还刚刚起步，还有很多现象是我们没法解说的。比方，同源基因有时其实不像前面所说的那样可以在功能上相互代替，它们的功能甚至在某些时候是相反的。比方果蝇中的sog基因和蛙中的chordin基因，它们是同源基因，并且都与胚胎的背腹面形成有关。不论向果蝇体内注射sog基因的mRNA仍是chordin基因的mRNA，都可以促使果蝇细胞发育成腹面，但在脊椎动物中sog基因和chordin基因却使细胞发育成反面。为何会发生同一个基因在不一样样的生物体内产生不一样样的效应的现象呢？这个跟进化的程度有什么样的关系吗？这些都是值得研究的问题。2.同源发育门路除同源异型基因外，这是进化发育生物学在过去的10年中另一件激感人心的发现。此刻已经发现了三条同源发育门路：chordin/BMP4、Hedgehog/Wingless以及RTK-Ras信号传导。Chordin/BMP4门路在动物界是广泛存在的：chordin/short-gastrulation蛋白都能对BMP4/decapentaplegic蛋白产生控制效应，使得受chordin/short-gastrulation保护的外胚层变为神经外胚层。因为这类门路拥有广泛性，因此果蝇中的decapentaplegic能代替非洲爪蟾的short-gastrulation引诱爪蟾形成腹部。chordin/BMP4门路的广泛存在性比较，Hedgehog/Wingless门路的“领地”就少多了，它只存在于昆虫和脊椎动物的副肢发育过程中。Wingless基因（wg）hedgehog基因（hh）在果蝇中都是体节极性基因，wg在每一副体节的最后一列细胞表达，并由在每一副体节的最前端第一列细胞表达的hh基因编码的一种分泌蛋白保持。它们将果蝇胚胎的体节分化成更细的条纹，把7条较宽的条带变为14条较窄的条带。最新发现的是RTK-Ras信号传导门路，即受体酪氨酸激酶-核苷酸联合蛋白Ras（receptortyrosinekinase-nucleotidebindingproteinRas）。这一门路存在于整个动物界中：Ras1蛋白经过将其上的GDP变换成GTP来将G蛋白激活，被激活的G蛋白将激活信号经过一些列蛋白激酶传达给细胞核。在线虫阴门、哺乳动物表皮以及果蝇终端分节过程中都起着决定作用。不一样样动物的RTK-Ras作用系统有时极度相像，很多组分可以在异种动物之间交换，如人的GRB2基因可以履行与线虫Sem-5基因相像的功能。但同时，相同的发育门路的作用目标在不一样样的生物体内又有巨大的差别，如RTK-Ras门路在一种动物体内能激活细胞分裂基因，而在另一种生物体内却激活形成光感觉器的基因。四、Evo-Devo存在的一些问题进化发育生物学中存在一些急需解决的问题，第一就是当前还没有找到特别适合的模式生物(modelorganisms)。现有的模式生物都是从传统发育生物学的研究中继承下来的，固然是研究得比较好的模式，但要研究进化问题需要周边种间的比较以及在进化历程中处于比较特别地位的物种。我们的目的是既要发现一般性法例(law-likegeneralities)又要解说生物的特色(uniqueparticulars)。因此在选择模式生物时，需要考虑到以下几点：(1).确定模式生物最先的特色以及奇异异点的进化(identifyingprimitivecharacterstatesandtheoriginofnovelties)。这是Evo-Devo研究中最重要的要求之一。(2).研究的实质操作可行性和模式生物的本源(practicalityandresources)。(3).模式生物各自的特色以及模式生物之间的共性(idiographicsandnomothetics)。果蝇在进化和发育中都是比较不错的模型，文昌鱼因为进化特别地位，处于脊椎动物进化过程初级阶段，它们可能是研究Evo-Devo比较好的模型，但这但是推测，同时上边所给出的选择模式生物的建议也其实不是标准，全部都还需要在研究和研究中证明。另一个问题就是：Evo-Devo当前但是限制在个别例子中，但是要想获取发展就必然对整体的系统和规则进行研究，但这需要有知识的逐渐累积才会在理论上产生质的飞奔。再者，有一部分对于evodevo的研究走开了分子角度的研究，但是从化石和演化历史中找寻凭证。自然这对于我们认识生物发生是有很重要的意义，但要想从系统上解决进化发育问题，就还得从最基础的角度出发，对基因进行研究。五、我感兴趣的一些问题1.对于基因的守旧性。依据先人提出的冯贝尔法例，不一样样物种的共有构造先发生，特有构造后发生。那么能否可以理解为，控制共有构造发生的系统与调理特有构造发生的系统比较是较守旧的呢？假如是这样，在同源基因的调控中却出现了“不友善”的现象：控制体节发生的基因除前面提到的hh基因和wg基因外，还有engrailed(en),cubitusinterruptus(ci),fused(fu),armadillo(arm),patched(ptc)和pangolin(pan)。en基因与前面所说的wg基因是最重要的两个体节极性基因segmentpolartitygene）。与wg基因的表达部位相对，en基因在每一副体节的最前端一列细胞中表达，并直接致使节肢动物身体出现体节分界的条纹。它在不一样样的节肢动物中表达会使动物的体节拥有不一样样的数目和密度，而正是因为体节的变化才造成了节肢动物的进化，从而生成各自的特有构造。这样看来，这些基因和调控系统应当是不守旧的才对，不然生物怎么进化呢？2.对于性染色体的进化。最原始的单细胞生物是没有雌雄性别之分的，跟着进化的进行，物种有了性别之分，并出现了有性生殖。有性生殖相对于无性生殖来说，对于生物繁衍后辈是有优势的，因为生殖过程中出现的基因重组使后辈继承了父亲母亲两方的基因，这样就造成了子代基因相对于亲代基因的多样性，子代就有可能更好地适应环境。那么，决定性其他性染色体的出现自然也就是一种进步了。大家比较熟习的性别决定系统是XY决定系统。近来人们发现，与X染色体连锁的基因有“逃离”X染色体的趋向：在雄果蝇体内由X染色体连锁基因产生的大量节余转座基因进入常染色体，产生了不均衡散布。而由常染色体产生的转座子也更多地插入常染色体而不是X染色体。这表示基因都在防范成为X染色体连锁基因。因此，在果蝇体内，X染色体和常染色体之间的转座是一个不均衡的过程。那么是什么致使了这类不均衡的转座呢？有可能是因为对于那些在X染色体失活时期表达的基因来说，X染色体在精子产生的初期失活对于X染色体自己和常染色体所造成的选择压力不一样样。因此在X染色体失活时期，常染色体转座功能基因比X连锁的基因更有优势。假如是这样，那么与X染色体连锁的基因最先为何会选择X染色体来“定居”呢？假如X染色体对于这些基因来说其实不是一个优秀的载体，那么X染色体又是怎么进化而来的呢？莫非但是是为了性其他产生？并且更奇异的是，因为这类不均衡的转座，当前果蝇的很多与雄性形状有关的基因都定位在了常染色体上，这样会不会造成性染色体的退化甚至消逝呢？这些也是生物在进化的表现吗？3.对于干细胞。人们素来可以像改换机器部件相同来改换人体的已被破坏的器官。固然此刻可以进行异体器官移植，但因为免疫的存在，接受移植者必然为此付出巨大的代价。因此人们将目标转向了自体的细胞，希望能经过细胞组织培养利用干细胞来培育出所需要的组织与器官。但如何让干细胞依据人们的意向朝特定的方向分化呢？重点就在要充分认识干细胞的形成以及由干细胞分化成某个特定器官的系统。但这此中存在的问题太多了：高度分化的精子与卵子联合今后形成的受精卵为何又变为了全能细胞？在胚胎发育过程中，大多数细胞都分化成特定的细胞，为何恰幸亏某些地方比方脐带血中又保存了多能干细胞呢？即便我们认识了从干细胞到某些组织器官的系统与过程，那我们又应当如何使多能干细胞返回全能状态，从而获取其他一些组织器官呢？参照文件：BowlerPJ.Life’sSplendidDrama.EvolutionaryBiologyandtheReconstructionofLife’sAncestry1860-1940.1996,Chicago,TheUniversityofChicagoPress.CoreyS.Goodman,BridgetC.Coughlin.TheEvolutionofEvo-devobiology.PNAS,2000,97(9):4424-4425.DavidL.Stern.Whatyoudidn’knowtaboutevo-devo.Development,2003,130:5560-5561.GhiselinMT.MetaphysicsandtheOriginofSpecies.1997,StateUniv.NewYorkPress,NewYork.GouldSJ..OntogenyandPhylogeny.1997,Cambridge,TheBelknapPressofHarvardUniversityPress.HallBK.Evo-Devo:evolutionarydevelopmentalmechanisms.Int.J.Dev.Biol.2003,47:491-495.HallBK.Evo-devoordevo-evo—doesitmatter?Evol.&Devel.2000,2:177-178.HallBK.Palaeontologyandevolutionarydevelopm