复杂如何源于简单——发育的秘密

  《生命世界》杂志由中国科学院主管，中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办，于2...

  为什么鸟能长出翅膀在天空飞翔，而人却只能“望天兴叹”？为什么正常的果蝇只有一对翅膀，而有的果蝇却会长出两对翅膀？为什么有极个别的人生下来是毛孩，或多了一条尾巴？归根结底，为什么一只小小的受精卵经过井然有序的过程，最终发育成为一个鲜活的个体？

  所有这些，都与胚胎发育中的基因调节有关。它的最初发现还要追溯到美国遗传学家刘易斯的工作。

  刘易斯是摩尔根的弟子斯特蒂文特的学生，后来成为加州理工学院的生物系教授。自从分子遗传学兴起之后，细菌、噬菌体等简单生物随即成为新一代遗传学家的宠物，以至果蝇在人们的视野中渐渐淡出，人们甚至认为果蝇作为遗传学研究的对象，其价值已所剩无几。但刘易斯却不为所动，更不随波逐流。他看好果蝇，并不是因为守旧，而是充分认识到经典遗传学对果蝇已积累了丰富的研究经验，它不该像过季的时装那样被淘汰。

  经典遗传学对果蝇的研究已经揭示，果蝇的基因组中大约包含5千到1万个基因，其中不少基因的功能已经清楚。比如，有些与日常所需的蛋白质的编码有关；有些则是决定眼睛的颜色或是每只足上刚毛的准确数量，它们似乎只关涉细枝末节；但还有一部分基因则控制胚胎发育的正常进行，若这些基因发生突变，就会导致个体的器官长错位置。比如，控制长出触角的基因发生突变，就会导致该长出触角的地方长出了前肢；如果控制胸部的基因发生突变，则胸部第3体节变为长翅膀的第2体节，结果使果蝇多出了一对翅膀。这些突变性状由刘易斯捕获，并为他进一步的工作提供了关键线索。

  显然，这些突变所造成的效应不是某个形状或功能的改变（如眼色的变化），而是整个器官的错位，它们与发育中的调节有关。刘易斯将这类控制生物体型结构的基因，称为“同源异形盒基因”。

  据此，刘易斯提出一个富有启发性的学说。他认为，果蝇的发育在早期阶段，曾出现过像千足虫那样呈直线排列的体节构造，其中每一个体节都是相同的，它们只具有原始的功能。后来由于基因突变，使其中的某些体节具有不一样的构造，亦即产生了分化。若这种不同的构造对生存恰好有利，它将在自然选择的过程中得到保留。复杂的构造原本起始于一个个相似的体节，这就是生物体中同源器官的存在以及各种外形迥异的生物体，却都具有共同模式的原因。如陆生脊椎动物（鱼类除外）全都拥有五趾型附肢。因适合不同的生境，这些五趾型附肢分化成为鸟类的翼、牛马的蹄、人类的手足等等。此外，人的肌肉系统也是由各个原始体节分化而来，这种原始分节的痕迹尚存于腹肌中，健美运动员那经过锻炼的腹肌中就可见这种分节现象。

  根据这一理论，我们就可解释果蝇为何多长出一对翅膀：由于某一些原因，应该产生平衡棍的基因，其功能被抑制了，于是，在起源上更为古老的翅膀基因就处于活动状态，从而在本该长出平衡棒的体节长出了翅膀。控制基因得以适当表达的机制，就是同源异形基因的功能，由于它的突变，就会导致器官错位生成。

  刘易斯只是对胚胎发育期间体节上的异常进行探讨，并未解释最初的分节又是如何启动的，而克丽丝·纽丝兰·沃哈德及她的合作伙伴韦乔斯的工作则弥补了这一缺憾。

  克丽丝在普朗克研究所学习，这是一个充满了许多活力的地方，有两位研究者提出一种梯度模型假说，以解释有序、极性是如何从混沌、均匀中自发建立的机制。克丽丝对这样的模型简直着了迷，因为这涉及到复杂如何源于简单这一问题，而胚胎发育面对的恰恰是这类问题。于是，克丽丝开始大量阅读有关发育生物学方面的参考书。

  胚胎学已经揭示，刚受精的卵是一个球形，它迅速分裂成为2个、4个、8个……这时的胚胎是对称的，其中所有的细胞都是相同的，并且每个细胞只要独立出来，就能长成一个新的个体，这就是同卵多胎的情形。以后细胞开始分化，胚胎变得不对称，具有头尾和背腹之分，再后形成体节。每个体节还会经历不同的发育，这取决于它们沿着头尾轴所处的位置。从遗传学的角度来看，究竟是什么基因控制了这些事件的发生呢？这就是发育遗传学的研究内容，相比于经典遗传学，它还少有人问津。

  不过还是有些线索冒了出来，这就是双腹突变的发现。正常的果蝇胚胎是一个长形卵，不久它们沿着一条轴划分为明确的节段。胚胎的一端分化为头部，另一端形成腹部。可是在双腹突变中，胚胎的两端都分化成了腹部。此外，还有一种突变，就是刘易斯所发现的双翅突变。这些现象都深深地吸引了克丽丝，她想知道在这些突变的背后，究竟蕴藏着什么样的机制，它又是怎么来控制着发育过程的正常进行。

  1975年，克丽丝来到巴塞尔的一个实验室，打算从事这方面的研究。正是在这儿，她遇见了她的合作伙伴——美国遗传学家韦乔斯。两人都同样对发育问题着迷，很快就找到了共同语言，一个成功的合作就此开始。

  两人抱着一个坚定的信念，这就应该通过研究突变胚胎来理解果蝇发育。他们以化学诱变剂处理雌果蝇，观察其后代所发生的基因突变，由此寻找正常基因的功能。但是，整个发育过程究竟涉及多少基因，当时还无人知晓。一般的猜测认为，那数量一定相当可观，足以使不少人望而生畏。

  不过，他们两人却知难而上。他们的推理逻辑是：影响胚胎形式和体节数目的基因突变常常会导致胚胎的死亡，这就非常有可能通过对死亡胚胎的观察，来寻找突变所造成的效应，并推断出正常基因的功能。为此，他们还设计出一种新方法，使胚胎变得透明，这样就很容易鉴定它们的发育情况。因为胚胎发育是一个有序的整体过程，其中的每一个环节都前后呼应，所以应当找出所有负责胚胎形成的基因，而不是满足于研究一个或两个突变。这就是“饱和筛选法”的基本思路。

  描绘发育遗传学轮廓的三位科学家：刘易斯（左）、克丽丝（中）和韦乔斯（右）

  从1979年的秋天到1980年的夏天，克丽丝和韦乔斯建立了近2700个自交系，其中有4332个引起胚胎致死的突变，580个引起胚胎表型的突变；在涉及到的5000多个基因中，有139个基因起决定性作用。一年中，两人相对而坐，日复一日，在显微镜下观察了数千个死亡的果蝇胚胎，直至实验后期才有一个博士后加入到他们的研究中。他们的目标是要找到每一个与发育有关的基因，故涉及的数目极为巨大。重要的是，还要仔细描述异常胚胎的表现型，给出线索，说明发育中的哪一步是错误的。正如克丽丝后来所回忆的那样：“它是极为困难的，但又非常激动人心。它还充满乐趣，因为许多有趣的发现源源不断。”

  这种繁琐、枯燥的观察工作，有时也会被富有挑战性的讨论所打断。他们经常争论某种突变胚胎是由哪种新的突变所造成。他们总共对2万多只突变果蝇进行了研究，其中包含了近4万个突变性状。在筛选了果蝇近一半的基因之后，从中鉴定出15种不同的影响分节的基因（后又扩展到25个），另外再加上50个左右影响发育程序的别的方面的基因。正是这些基因控制着果蝇胚胎的早期发育。当它们发生突变时，就会引起发育的种种畸变，导致体节数目的减少或是重复，产生有缺陷的基因等。

  实验结果使他们确信，胚胎发育源于一个简单的开端。特别的重要的是，控制体节发育的基因有三类：间隙基因、成对基因、节段极性基因，它们的合作导致体节的形成及精细划分。

  间隙基因先将胚胎沿着头尾纵轴分成若干体节，该基因的突变会造成整组相邻节段的消失；然后是成对基因将每个体节再一分为二；这一基因的突变会引起每两个体节中有一节段被损坏；最后节段极性基因决定每一节段的发育模式。节段极性基因的突变不会影响体节的总体数目，但会造成节段原型构造异常，每一节段上都有部分缺失和镜像重复。

  由这三类基因所控制的胚胎早期发育，是一个环环相扣、前后呼应的过程。首先，间隙基因的激活及其表达模式，受母体提供的转录因子所控制，那正是母体效应基因的产物，它存在于卵子的细胞质中；成对基因所控制的模式，有7条带，每一条都受间隙基因产物的激活；最后，成对基因的产物又控制了节段极性基因的激活。这一系列的激活过程犹如多米诺骨牌被推倒时的情景。若以绘画来作比喻的话，间隙基因就是先在一张白纸上描出大致轮廓，在此基础上，成对基因负责画出草图，节段极性基因则绘出各种细节。发育就是这样一个从无到有、从粗到细的过程。

  这一研究成果发表在1980年英国的《自然》杂志上，立刻受到普遍关注。1980年10月30日出版的《自然》杂志的封面，就是与这三类基因相应的胚胎图谱。

  克丽丝和韦乔斯的工作首次证实，发育所涉及到的基因能被分成若干不同的功能区域。这是一个良好的开端，它激励了科学家在其他物种中去寻找相似的发育基因。后来的研究表明，相似或相同的基因也存在于高等生物乃至人类当中，正是它们控制着胚胎发育过程中体节的形成。

  果蝇作为一种昆虫，有相当特殊的性质，它在许多方面与脊椎动物不同，以至人们有理由提出怀疑，由果蝇中得到的结论能被用于所有脊椎动物吗？所幸DNA重组技术和基因克隆手段的出现，允许对不同动物中DNA或蛋白质的次序作比较。从中得出的结论意味深长：身体结构的基本特征，比如沿着前后轴的分化和原肠胚的极性，在不同动物中具有很大的保守性。这种保守性表明，存在着一个共同的、基本的身体结构模式，它起源于两侧对称的动物的祖先。可见调节机制有多么古老，它在进化上竟横跨6亿年之久。

  由于克丽丝、韦乔斯与刘易斯的工作，发育遗传学的大致轮廓已浮出水面。发育从一个简单的模式演变而来，在这一过程中，间隙基因、成对基因、节段极性基因负责将胚胎划分出不同的节段。在此基础上，进一步的发育则受到刘易斯所发现的同源异形基因的控制。克丽丝、韦乔斯与刘易斯因为对于发育遗传学的贡献，而共同分享1995年度的诺贝尔生理学或医学奖。

  在分子生物学的研究方法几乎一枝独秀的年代，克丽丝与她的同伴韦乔斯一起，在显微镜下数果蝇达1年之久，这样的研究似乎不仅单调乏味，更有落伍之嫌。但是，不平凡的发现恰恰从平凡的手段中脱颖而出，这无疑令人深思。对于发展中国家的科研人员来说，这尤其是一种激励，因为它证明，一个出色项目的完成有时并不完全依赖最先进的实验仪器，它更需要的是研究人员独特的视角。