发育与进化关系

关于发育与进化关系达尔文的发育和进化观1828年，VonBaer提出“生物发生律(biogeneticlaw)”。要点：较高一级动物的胚胎并不重现相关的较低一级动物的成体形式，但是较高一级动物的胚胎发育存在着相关的较低一级动物胚胎相似的阶段。第2页,共53页，2024年2月25日，星期天1859年，达尔文完成“物种起源”。发现：胚胎发育对于了解生物进化非常重要，并把胚胎视为推测动物彼此之间进化关系的可靠线索。动物胚胎有时会产生某些与成体不相称的结构，但这些结构都与其他动物显示出某种相关性。适应能使有机体在特定环境下存活，适应发生在胚胎发育后期。种和属间的差异只有在胚胎发育晚期才发生。第3页,共53页，2024年2月25日，星期天达尔文认为，应从两个方面观察“变异的世代”：寻找两种或两种以上动物胚胎之间的同源性(homology)，强调世代共同性。发现动物发育如何改变，产生适应特定环境的结构，强调变异(modification)。达尔文自己并未试图用胚胎学资料对系统发育进行完整的构思。但其影响了当时许多学者去这样做。第4页,共53页，2024年2月25日，星期天1891年，Metchnikoff指出：进化来自于胚胎的变异，而不是成体的变异。当时普遍认为有机体是通过胚胎发育变化而进化。Haeckel明确指出：任何有机体的进化都是较低一级动物胚胎发育至最后时期之后再增加一个新时期的结果。整个动物界由低级到高级就代表人类发育的缩影。第5页,共53页，2024年2月25日，星期天胚胎发育变化是如何发生的？19世纪末，试图通过细胞谱系分析把个体发育和系统发生联系起来。Wilson特别强调运用胚胎同源性建立系统发育关系。Wilson(1898)发现：不论在哪一种动物中，同样的器官总是来源于同一组细胞。因此，他认为这些动物享有共同祖先。第6页,共53页，2024年2月25日，星期天Lillie则强调卵裂变异性而不是相似性。Lillie(1898)发现：贻贝(Unio)卵裂会发生改变，产生钩介幼虫，在水中流动生活。他认为：研究进化最好集中于研究使动物能在特定环境下生存的胚胎发育变化，而不是集中于研究同源性。第7页,共53页，2024年2月25日，星期天至此，对发育和进化的研究出现两种主要方法：各类不同动物之间的基本统一性、各种动物适应特定环境的发育变化。这两种方法至今仍是研究发育和进化的主要手段。达尔文认为：动物统一性和发育变化在时间上可以分开，即在发生早期可以发现统一性，而在发育后期则发生歧异适应环境。第8页,共53页，2024年2月25日，星期天新门类的形成有机体是如何从一种形体模式进化出另一种形体模式的呢？首选的途径可能是改变最早期的胚胎发育阶段。可能受细胞质决定子分布改变的影响，也可能受一个细胞或一组细胞分裂速度改变的影响，还可能受细胞分裂时位置改变的影响。第9页,共53页，2024年2月25日，星期天第10页,共53页，2024年2月25日，星期天另一种途径可能与幼虫变异有关。达尔文认为：幼虫形态相似性表明它们具有共同血统。第11页,共53页，2024年2月25日，星期天模块化：

通过发育产生进化的先决条件发育非常复杂，其调节非常精细，胚胎发育是如何发生变化的？一度曾有人认为：促进进化的惟一途径是在胚胎发育末期再增加一个发育步骤。但是，现在知道，即使在发育早期也能改变产生进化新结构。发育过程中能够变化的原因是胚胎像有机体成体一样，由彼此相互作用的一系列组件或模块(modules)构成。第12页,共53页，2024年2月25日，星期天模块的概念细胞组织器官系统

Dyke(1988)称这种等级系统为等级相互作用模块排列(level-interactivemodulararray)。发育过程中，等级相互作用模块包括形态发生场、细胞谱系、成虫盘、昆虫副体节和脊椎动物器官原基。第13页,共53页，2024年2月25日，星期天发育通过相互作用的不同模块而发生。有机体由彼此协调一致的单元构成。模块单元能使身体不同部分在不影响其他功能的情况下发生变化。第14页,共53页，2024年2月25日，星期天模块化(modularity)的基本原理分离(dissociation)复制和变异协同选择第15页,共53页，2024年2月25日，星期天分离：异时性和异速生长胚胎发育的模块化使胚胎发育可以发生时空变化。通过突变和环境干扰，胚胎某一部分可以独立于其他部分而发生变化。异时性(heterochrony)是指胚胎发生过程中，两个发育过程的相对时间选择的改变。即一个模块可以改变其相对于胚胎另外一个模块的表达时间。第16页,共53页，2024年2月25日，星期天热带荣螈属成员之间爪的差异最能说明发育时间的改变对不同动物形态和生态习性所起的作用。第17页,共53页，2024年2月25日，星期天基本保守，比例变化大，有的出现了融合和丢失第18页,共53页，2024年2月25日，星期天荣螈幼体阶段性细胞初期发育(progenesis)也称为幼态成熟(neoteny)过程中就存在异时性。第19页,共53页，2024年2月25日，星期天蛙类也可以直接发育为成蛙，不存在水中生活的蝌蚪时期，其卵子产于陆地上。这种直接发育需要卵子储存大量卵黄提高营养。卵黄含量增大本身就是异时性的一个例子，它涉及卵子发生时卵黄合成时间的延长或卵黄出现迅速合成期。第20页,共53页，2024年2月25日，星期天当有机体不同部分以不同速度生长时即出现异速生长(allometry)。异速生长在形成不同形体结构方面十分重要。第21页,共53页，2024年2月25日，星期天第22页,共53页，2024年2月25日，星期天复制和变异模块化可以允许复制和变异。复制形成多余的结构，而变异则能使多余结构获得新功能。复制形成多余结构后，其中一个可以保持原有功能不变，而另一个则可自由突变，功能发生歧化。分子水平：TGF-beta家族等组织水平：体节、脊椎等，汗腺和乳腺等第23页,共53页，2024年2月25日，星期天协同选择Engrailed基因：果蝇胚胎分节、决定神经元、使幼虫阶段的成虫盘形成前后极轴。没有一种结构是预定专为某种特定目的而存在的。换言之，既存单元可以根据需要产生新功能。组织学水平：脊椎动物的翅第24页,共53页，2024年2月25日，星期天每一次演化，前肢结构都演变执行全新的功能。第25页,共53页，2024年2月25日，星期天协同作用最有名的例子是利用胚胎鳃弓形成颌部，颌部形成哺乳类中耳。第26页,共53页，2024年2月25日，星期天离开海洋后，陆生脊椎动物再也不需要鳃弓了，但是产生鳃的胚胎结构仍然存在。它们经过改造，形成包括人在内的哺乳类面部和颈部的不同结构。由水生向陆生的进化很少产生全新的结构。新的解剖特征通常是由已有的结构改造而成。因此，可以认为：大多数进化是对现存结构的“修改”，逐渐塑造出不同的结构。如肾脏发育。第27页,共53页，2024年2月25日，星期天生物发育研究对生物进化现象提出新的思考和探察方法

当前，从发育的角度研究生物进化十分活跃，概括地说，大致可以归纳为3个方面：从分子和细胞水平探察不同物种间的同源性、相关性通过对多细胞生物体制建立过程的物种间比较，分析生物进化可能的路径和机制对生物进化的动力学过程的综合性研究第28页,共53页，2024年2月25日，星期天蛋白质分子的进化蛋白质在序列、结构和功能上的进化途径：直接利用原有蛋白质开发新功能，如：眼晶状体的主要成分α-晶体蛋白A，它是细胞中普遍存在的α晶体蛋白B的开发第29页,共53页，2024年2月25日，星期天对旧有蛋白质修改，产生新结构，如：中间纤维蛋白及其同族成员可能来自广泛分布于真菌以外的核纤层蛋白第30页,共53页，2024年2月25日，星期天不同物种的Pax-6同源基因产物不仅广泛存在，而且其氨基酸序列高度保守研究表明Pax-6对眼的作用是在旧有“元件”的改造和利用。第31页,共53页，2024年2月25日，星期天第32页,共53页，2024年2月25日，星期天通过不同亚单位的联合构建新的功能蛋白。如：合成乳汁的酪蛋白是一个非共价结合的双亚基复合体，其中之一是只发现于哺乳动物的α乳清蛋白，它与鸡卵清C型溶菌酶蛋白有很高的同源性，但已失去防卫功能，因此，认为乳汁的起源可能来源于与免疫功能有关的分泌物的转化。第33页,共53页，2024年2月25日，星期天基因外显子的转移和DNA重组造就新的蛋白质分子。大量的蛋白质表现出不同基因序列模块嵌合的特性，而基因的多拷贝为此创造了进化发生的条件。第34页,共53页，2024年2月25日，星期天果蝇和酵母相关蛋白的同源异型域结构非常相似A.典型的同源异型结构域的三维结构。B.果蝇Engrailed蛋白的同源异型结构域（黑色）和酵母MATα2的同源异型结构域（浅色）的多肽主链几乎完全重合，尽管两者分化超过10亿年。第35页,共53页，2024年2月25日，星期天同源异型结构域的序列比较果蝇蛋白En和Antp与哺乳动物蛋白Oct2尽管它们三维结构很相似，序列相似性较小，N端高度保守，螺旋3则11/17保守第36页,共53页，2024年2月25日，星期天序列不同的珠蛋白的三维结构比较蛤珠蛋白（黑色）与鲸肌红蛋白（灰色）几乎完全重叠第37页,共53页，2024年2月25日，星期天疑问？尽管同源异型框的氨基酸序列表现出很大分化，但在结构上高度保守如何适应不同细胞类型中对不同基因表达调节任务的需要呢？即使在进化上距离很远的物种，同源异型框基因产物在功能上表现出很大的通用性。第38页,共53页，2024年2月25日，星期天同源异型结构域对DNA结合的特异性并不高，亲和性也没有明显区别。但是，同源异型框基因的剔除可以造成发育终止、器官易位等严重后果，表明同源异型框基因介导的基因转录调节在进化上存在显著的分化。这一进化是通过什么方式进行的呢？第39页,共53页，2024年2月25日，星期天通过发展多种协同、辅助因子完成。实际上，正是由于同源异型框蛋白对DNA结合力弱的特性，给这种发展带来了巨大的便利和机遇。而对应于广泛的协同、辅助因子的建立，同源异型框基因在非编码区出现了广泛的分化现象。第40页,共53页，2024年2月25日，星期天在进化上细胞学的核心程式表现出高度的同一性和保守性形态构建：共同点：线性多聚actin为基本骨架成分。差别：通过不同的铰链蛋白，形成不同的骨架纤维。而铰链蛋白在不同的物种间极为近似。可以说，进化上细胞形态结构的差异和多样性主要来自骨架成分聚合或铰链方式的不同，而它们的核心分子和构建机制有高度的稳定和保守性。第41页,共53页，2024年2月25日，星期天微管：与细胞及细胞成分极化有密切关系。细胞在进化中对微管的利用出现很大的差异，但从早期的后生动物出现以来，微管就存在并被利用，它们的基本构成和性质几乎没有更改。微管具有高度组装和去组装的动力学活性，多种细胞学现象与此有关：纺锤体形成、核融合中的转移、神经递质小泡的传输、纤毛／鞭毛／细胞突起的形成、细胞分化决定子的定位等第42页,共53页，2024年2月25日，星期天建立对核心程序网络的特异控制是多细胞生物进化的重要手段多细胞生物的发育在很大程度上表现为对多通道的核心有序程序网络不断建立新的特异控制，使这一过程专一化，由此引导细胞在形态和功能上的分化，带动生物的分化。如：钙离子控制肌肉收缩机制，在不同动物并不相同第43页,共53页，2024年2月25日，星期天A.平滑肌B.骨骼肌C.软体动物肌肉第44页,共53页，2024年2月25日，星期天靶蛋白质磷酸化后会产生截然不同的作用第45页,共53页，2024年2月25日，星期天第46页,共53页，2024年2月25日，星期天第47页,共53页，2024年2月25日，星期天Hox基因的倍增—增加了发育调控的新基因第48页,共53页，2024年2月25日，星期天进化发育生物学在达尔文时代，发育和进化曾是彼此联系的统一体。但从19世纪末20世纪初开始，由于实验胚胎学的兴起，胚胎学家对胚胎如何发育比对胚胎如何进化更感兴趣，因而对胚胎发育本身进行了大量实验研究。发育生物学和进化生物学彼此分离。第49