王大虎

王大虎:非DNA细胞质在胚胎学中的影响

从分子胚胎发育过程中的基因表达及其调控从分子胚胎学的观点看来,发育问题可以大致表述为:在X发生和成熟过程中,发育信息如何储存在卵的结构内;X后卵细胞又如何通过核质之间、分裂球之间以及胚胎不同部位之间的相互作用,使基因按一定的时空秩序选择性地表达,从而控制专一蛋白质的合成和装配,实现细胞的分化和个体的发育。卵母细胞在发育过程中具有显著的不对称性。卵母细胞的一端称为植物极,相反的一端称为动物极。卵裂X卵进行的快速有丝分裂,称为卵裂。经过卵裂,X卵被分割成很多小细胞,这些由小细胞组成的中空球形体称为囊胚。

图107 两栖类卵母细胞的不对称性

图108 X卵的卵裂

图109 原肠胚形成

原肠胚形成:囊胚细胞迁移,最终将囊胚转变成原肠胚,它是由三层细胞层构成的。外胚层形成上皮覆盖在外表面(皮肤和腺体)以及中性组织;内胚层分化成的上皮覆盖在组织的内表面(胃肠和相关的腺体);中胚层最终发育成扩散的海绵网状间充质细胞,这些细胞形成支持细胞,如肌肉、软骨、骨、血和结缔组织。

图110 细胞分化、细胞决定与形态建成

非核DNA物质与在遗传中的作用:在卵细胞X后加入RNA合成的抑制剂不会影响蛋白质合成,这表明合成蛋白质的mRNA是卵母细胞带来的,这些由卵母细胞带来的信息分子称为母体信息。形态分子基础表明,非核物质、蛋白质、核糖体含有信息,能够自我组装。

王大虎
王大虎

蛋白质在胚胎发育过程中的出现和活动,同胚胎的形态发生运动和细胞形态分化有密切关系。细胞表面担负着细胞间识别、信息传递、物质交换以及运动等重要功能。两栖类原肠胚各胚层的细胞之间表现出的选择亲和性。在胚胎发育中,细胞间识别的分子基础还不甚清楚,但有证据提示可能同细胞表面糖蛋白大分子有密切关系。从鸡胚视网膜细胞表面已分离出的一种具有组织专一性的细胞凝聚因子,是分子量为50000的糖蛋白。

胚胎细胞间存在能容许分子量从1300~1900之间的小分子通过的间隙连结,这些连结在发育过程中的出现和改变与发育信息传递的关系,也是受到注意的问题。

细胞的相互作用对细胞分化的诱导:1.动物在一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻细胞,使其向一定方向分化的作用。如将正常的能够发育成神经组织的细胞从两栖类原肠期的早期胚胎中切下,然后移植到另一个胚胎的可以发育成表皮的区域中,结果,移植来的细胞发育成了表皮而不是神经细胞。同样,将可以分化发育成表皮组织的细胞移植到能够发育成神经组织的胚胎中,移植的细胞发育成了神经细胞。2.条件的不同对细胞分化能力的改变有一定的限制。如果用晚原肠期(大约2天后)的细胞进行上述相同的实验,其结果完全不同:将神经组织的细胞放在胚胎的能够发育成表皮组织的部位将不会发育成表皮,而是神经细胞,反之亦然。3.细胞诱导的机制涉及细胞与细胞的接触、细胞基质的接触、信号分子的扩散等,可能是通过某些化学诱导物实现的。诱导物从诱导组织进入反应组织引发诱导,这些诱导物可能是大分子的蛋白质或核酸类,也可能是小分子或信号分子,其确切性质还有待于进一步研究。另外,细胞外基质在细胞诱导中可能有重要作用。

发现胚胎发育延迟机制,修复部分先天缺陷:英国伦敦国王大学的研究人员发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文称,他们发现了一种称为“发育延迟”的新机制,通过这一机制,胚胎发育过程中的器官能够在其发育出现异常时进行自我修正,从而避免先天缺陷。

从X卵发育成胚胎的过程,即胚胎的形成过程十分复杂,很容易出错,这些错误会导致先天缺陷,如先天畸形、智力低下、聋哑等,其比率大致在3%到5%之间。为研究如何避免这类先天缺陷,研究人员对小鼠胚胎形成过程中臼齿的发育过程进行了观察研究。他们在小鼠臼齿发育过程中造成Barx1基因突变,从而使该基因功能丧失,结果发现,Barx1基因功能的丧失并没有导致小鼠臼齿异常,而是使得臼齿出现了24小时的发育延迟。进一步研究发现,这种延迟是由BMP信号通路减少造成的。在延迟期间,BMP活动会稳步提升,最后达到正常水平之上,从而使臼齿的后续发育提速,最终赶上胚胎其他器官的发育水平。

研究人员认为,发育延迟可能是一种普遍机制,这种修正细胞信号错误的自发机制,可使处于胚胎发育过程中的组织和器官能够自我修复信号交互中的任何微小错误,从而避免发育异常。

这也说明除了DNA基因之外,还有细胞集体环境中的其他信息对于遗传起到非常重要的作用。

细胞质对细胞核的影响

除核内基因的控制外,胞质对性细胞的分化亦起重要作用,卵质本身的活动还表现自主的时间程序,虽然其分子机制还不清楚。如双翅目昆虫的X卵后端有一部分称为极质,极质中含有膜包起的颗粒状物质,称为极粒,当核进入极质后,极粒围绕在核周围,诱导极细胞分化为X细胞,因此,X细胞的分化决定于细胞质中的极质。

细胞卵分裂时,细胞核内的物质,包括基因组都平均地分配到子细胞内,所以子细胞内的遗传物质是相同的。但卵内细胞质各区域的组分并不相同。卵裂使不同的胞质组分分割进入各卵裂细胞,这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子。细胞质决定子在卵母细胞中已然形成,X卵在数次卵裂中,决定子一次次地重新改组、分配。卵裂后,决定子的位置固定下来,并分配到不同的细胞中,影响着细胞分化。

细胞质不仅在细胞分化中具有重要作用,在成熟个体的组织中,细胞质对细胞核仍然具有影响。其参考如下:1.许多实验表明细胞质能够影响细胞核的基因表达。鸡的红细胞是终端分化细胞,它的细胞核是高度凝集的,不合成RNA或DNA。当与培养的人Hela细胞(去分化的癌细胞)融合后,核的体积增大20倍,染色质松散,出现RNA和DNA合成,鸡红细胞核的重新激活是Hela细胞的细胞质调节的结果。2.细胞质对基因表达具有调节能力。De Robertis和Gurdon(1977)把培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞内,分析蛋白质合成情况,他们发现,原来在肾细胞中表达的基因,此时不表达,而原来不表达的基因,这时却被激活。说明卵母细胞质中含有某些成分,这些成分控制基因表达的开关,对某些基因能激活,而对另外一些基因却起抑制作用。

除了这些实验胚胎学的早期研究已注意到卵质内可能存在基因调控物质,如双翅目昆虫卵的极质决定X细胞的发育,马副蛔虫植物极卵质使染色质不发生消减,都是著名的例子。

克隆证明,细胞环境决定了基因表达

1977年,英国科学家利用成年绵羊的体细胞成功克隆了一只小羊,从实践上证明了高度分化的哺乳动物动物细胞具有全能性。

科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫“克隆”,其本身的含义是无性繁殖,即由同一个祖先细胞分裂繁殖而形成的纯细胞系,该细胞系中每个细胞的基因彼此相同。

图111 克隆羊技术流程示意图

克隆也可以理解为复制、拷贝和翻倍。就是从原型中产生出同样的复制品,它的外表及遗传基因与原型完全相同,但大多行为思想不同。无性繁殖是指不经过两性X细胞的结合由母体直接产生新个体的X方式,常见的有孢子X、被子X出芽X和分裂X。由植物的根、茎、叶等经过压条、扦插或嫁接等方式产生新个体也叫无性繁殖。细菌一分为二,一葡萄枝切成十段就可能变成十株葡萄,仙人掌切成几块,每块落地就生根,都是生物靠自身的一分为二或自身的一小部分的扩大来繁衍后代,这就是无性繁殖,无性繁殖的英文名称叫“Clone”,译音为“克隆”。

克隆技术两性繁殖,只需从动物身上提取一个单细胞,将含有遗传物质的供体细胞的核移植到去除了细胞核的卵细胞中,利用微电流X等使两者融合为一体,然后促使这一新细胞分裂繁殖,发育成胚胎,当胚胎发育到一定程度后,再被植入动物X中使动物X,便可产下与提供细胞核者基因相同的动物。这一过程中如果对供体细胞进行基因改造,那么无性繁殖的动物后代基因就会发生相同的变化。

分化细胞保留着全部的核基因组,它具有生物个体生长、发育所需要的全部遗传信息,即能够表达本身基因库中的任何一种基因,也就是说分化细胞具有发育为完整个体的潜能,称为全能性。

中国科学家对鱼克隆的实验:1979年春,中国科学院武汉水生生物研究所的科学家,用鲫鱼囊胚期的细胞进行人工培养,经过385天59代连续传代培养后,用直径10微米左右的玻璃管在显微镜下从培养细胞中吸出细胞核。与此同时,除去鲫鱼卵细胞的核,让卵细胞留出空间,把玻璃管吸出的核移放到空出位置的鲫鱼卵细胞内。得到了囊胚细胞核的卵细胞在人工培养下大部分夭亡了。在189个这种换核卵细胞中,只有两个孵化出了鱼苗,而最终只有一条幼鱼渡过难关,经过80多天培养后长成8厘米长的鲫鱼。这实际上是由换核卵产生的,因此也是克隆鱼。

既然鲫鱼的囊胚细胞核取代鲫鱼卵细胞核后能得到克隆鱼,那么异种鱼换核能否得到新的X鱼呢?科学家设法把鲤鱼胚胎细胞的核取代了鲫鱼卵细胞的核。鲤鱼细胞核和鲫鱼卵细胞质居然能相安无事,并完成了发育的过程,最后长出有“胡须”的“鲤鲫鱼”。这种鱼有“胡须”,生长快,完全像鲤鱼,但它的侧线鳞片数和脊椎骨的数目与鲫鱼相同。

克隆技术可以用来生产“克隆人”,因而引起了全世界的广泛关注,带来了一系列的伦理道德问题。克隆动物的成功率还很低,多莉羊是融合了277枚移植核的卵细胞,仅获得了“多莉”这一只成活羔羊,成功率只有0.36%。即使是后期改进技术,其成功率也只有百分之几。此外,生出的部分个体表现出生理或免疫缺限。部分X功能不完善,有些克隆牛犊的胸腺、脾和淋巴腺,也未得到正常发育;克隆动物胎儿普遍存在比一般动物发育快的倾向,这些都可能是死亡的原因。即使是正常发育的“多利”,也被发现有早衰迹象。

这些都说明,在生命形成、成长过程中,细胞质、细胞非DNA物质,在进化中起到关键作用,甚至主导作用。

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