互动科普

把人的基因植入果蝇听起来就象是一部科幻电影的素材，而事实证明所有动物中决定体形的几乎都是相同的分子机制。

所有的动物都由单个受精的卵细胞发育而成，后者要经历许多轮的分裂而常常产生上百万的胚胎细胞。在令人目眩而一直神秘莫测的自我机体形成的伟业中，这些细胞自我排列成一个完整机体，在机体中骨骼、肌肉、大脑和皮肤集合成一个协调的整体。这些基本过程是固定不变的，但其结果却是不同的：人、鼠、果蝇和蠕虫均代表着范围广泛的躯体设计。

注意到此种变化的生物学家们往往已猜到，躯体建成的分子建筑师——控制不同物种中胚胎发育的遗传过程——也许也是十分不同的。但是，存在着的令人信服的证据是，无脊椎动物中被叫做H0M的基因和脊椎动物中被叫做Hox的基因之有关连的基因组，控制着所有动物胚胎中相似的躯体设计的各个方面。

至少在一些塑造我们的形态的分子系统中，我们人类也许比我们可能想象到的更加相似于与我们相距甚远的蠕虫和昆虫的亲缘关系。事实上，正如我们的研究已证明的那样．精细的实验人员能够应用一些人类和小鼠Hox基因的此种相似来指导果蝇胚胎的发育。

加利福尼亚工学院的Edward B.Lewis以其开创性的遗传研究真正地开始了对这些多才多艺的分子建筑师的报导。Lewis在过去40多年间花费了大量的精力研究bithorax(双胸)复合体，即黑尾果蝇(Drosophila melanogaster)的一小串相同异质形成基因。希腊homeo之义为“相同”，而果蝇的相同异质形成基因之此种称谓是因为它们的能力：当突然变异时，它们可以把果蝇的一种体节转换成相似的另一种体节。bithorax复合体基因的突然变异通常引起果蝇躯体设计后半段的此类发育上的缺失。印第安那大学的Thomas C.Kaufman以及他的合作者发现并研究了第二串果蝇的相同异质形成基因Antennapedia复合体(是以Antennapedia(触角足)复合体的奠基者基因命名的)。这些基因的突然变异通常引起果蝇躯体设计的前半部的相同异质形成的缺失。
    生物学上常有的情况是，奇特有机体的奇妙缺失包含着解决重要问题的线索，而且几乎没有什么生物学现象比由相同异质形成突然变异造成的干扰躯体设计更奇妙的了。例如，Antennapedia基因的某些突然变异造成把果蝇头上的触角转换成一对额外的胸节腿。令人惊奇的是，长有这种额外的胸腿的一些果蝇与正常果蝇一样存活、觅食甚至交配。

Antennapedia的成虫是非常罕见的，因为相同异质形成基因的大多数突然变异引起果蝇出生缺失而致死。尽管如此，即使是这些死亡的胚胎也可能是有相当启发性的。例如，马德里大学的Ernesto Sanchez.Herrero和Gines Morata发现消除bithorax复合体—Ultrabithorax(超双胸)、abdominal(腹)一A和Abdomina1－B的三个基因是致死的。不过，这些突变体胚胎可存活到足以发育成特化的结构，即出现由胸节取代全部8个腹节的特征为止。大多数人也许会因哺乳动物中的类似的出生缺失而恐慌，但却能够以平静的眼光去观察果蝇中的这些奇怪的缺失。

Lewis从他的最初的双胸复合体基因的遗传研究中得到了两个关键的见识。第一个见识是，这些相同异质形成基因的正常功能是把各别空间的(或位置的)同—性分配到沿果蝇前－后轴不同区域的细胞内。也就是说，它们“告知”细胞它们是果蝇的头部、胸部或腹部。在不同的发育定位中，相同异质形成基因以不同方式判断而确定位置坐标时，这些同一性在某种程度上是抽象的。即使沿胸(节)发育的结构(感觉器官、腿、翅等等)在幼虫和成虫体内存在着差异．而果蝇生命周期中的胚胎和蛹两个阶段．Anten-naped确定着胸的同—性。

Lewis的第二个重要的见识是，果蝇染色体上bithorax复合体的直线排列次序精确地平行于它们沿胚胎的前一后轴特化了的体段的顺序。这种相同的关系还适用于Antennapedia复合体的基因。把这些共同享有的特征联合起来，将bithorax和Antennapedia组中的基因统统看作HOM复合体。

部分了解HOM复合体基因怎样决定果蝇躯体设计中轴的位置就能够找到胚胎中这些基因在哪里最活跃。H0M基因存在于果蝇所有细胞的DNA中，而活跃的只是它们中的一部分。当被激活时，HOM复合体基因被作为信使RNA的分子拷贝，而信使RNA则用作合成HOM蛋白的模板。在发育初期阶段，胚胎的前区已显示出它们的最终结果的每一个信号，在沿前－后轴的连续的细胞镶条中不同的HOM复合体基因被激活。激活的这些镶条中有一部分重叠，但在躯体设计中每一个HOM复合体基因有一个独特的前部的活化界面。

如果一个基因或一些基因的缺失相似于HOM蛋白表达所发生的影响，那未通常含有高水平的此种蛋白质的胚胎细胞往往会进行相同异质形成的转换。此种转换的出现是由于在相同细胞内已活化的HOM基因的支持和能够取代它自身位置的信息。例如，当Ultra-bithorax基因的功能从果蝇前腹区的细胞内消失时，Antennapedia将接管此区的发育。结果，结构通常只与亦表现出比较靠后的胸(Antennapedia帮助规定的)有关连。

相同异质形成的转换还来自突然变异，从而导致相同异质形成基因在不适当的位置上变得活跃。果蝇成虫中Antennapedia的突然变异是由头部Antennapedia的活动所引起的，在头部的Antennapedia基因通常是关闭的。简言之，遗传的例证表明，对确定前－后轴上一
定位置的细胞发育最终结果来说，每一个HOM复合体基因是必需的：后首、前胸等等。更重要的(和更多的关于它们的生物学功能的指令)，H0M复合体基因的活动显然足以决定至少是一些细胞的结果，甚至当这些细胞在给定的基因的影响下通常也不会停止活动。

HOM复合体的基因实际上是这些特性的果蝇独有的基因。它们还在组织水平上赋予重要的外形特征，因为HOM复合体基因全部是同源框簇的成员。同源框是载有制造亲缘种的大小约60个氨基酸残基的叫做同源区(home—odomains)的蛋白区之DNA顺序。在这些区段的名称中冠以homeo前缀是由于它们最初发现于果蝇的HOM蛋白而得名。然而，自那时起，已在具有不同程度相似性的许多其他蛋白中发现了同源区。果蝇HOM蛋白的同源区彼此是特别相似的，这就暗示它们是有紧密亲缘关系的。由于这个原因，它们往往被视为Antennapedia级同源区。

这些HOM蛋白在生物化学水平上是干什么的?目前只能作出一个肤浅的回答。它们属于蛋白质的大类，其功能是在基因的调节因子中去结合DNA。这些结合到DNA调节因子上的蛋白之正确组合就会发出基因活化或抑制的信号——也就是说，开始或停止制造此种基因编码的蛋白质。研究人员已证明，HOM蛋白的同源区是直接与DNA结合位点相互作用的区段。

我们正在被H0M蛋白及其变化(特殊的效应)的结构相似性之间的对比所吸引。这里存在的一簇蛋白全都能结合DNA，而且假定都是来自同一祖先Antennapedia级蛋白。可是，它们在发育上的作用是明显不同的：一种蛋白指定细胞变成头的各部分，另一种蛋白则指定细胞变成胸部，等等。看来显然是HOM蛋白通过调节可能是一大群辅助(次要)基因的表达来指定沿前－后轴的不同位置。因此，HOM蛋白功能上的特异性可能是由于它们之间的差异来确定的，而此种差异允许它们有选择地调节胚胎中的某些基因。

为了掌握更多的关于这种特异性的知识，我们在1986年决定组构含有来自不同源泉的组分的嵌合的HOM蛋白。(这种嵌合体是希腊神话中的一种怪胎，部分是狮，部分是羊，部分是蛇。)用测试这些嵌合的蛋白质功能的方法，我们认为它很可能分辨可确定其选择调节能力的H0M蛋白的亚区。

遵照我们最初试验的这些课题，我们挑选H0M蛋白Deformed(变形蛋白)、Uhrabithorax(超双胸蛋白)和Abdominal—B(腹部B蛋白)。这些蛋白在结构上有相似的同源区：Deformed蛋白同源区与Ultrabithorax蛋白的同源区是相同的，66个氨基酸中有44个相同，但它们在其它区段则不享有广泛的相似性。这些蛋白的每一种还可对HOM簇中的其它基因施加影响。因此，Deformed蛋白有选择性地激活自己基因的表达；Uhrabithorax蛋白抑制Antennapedia基因的表达；而Abdominal—B蛋白则调节自身的基因和包括Antennapedia、Ultrabithorax和abdominal—A在内的HOM复合体中的其他基因。我们知道，在测试嵌合的HOM蛋白的特殊功能中，我们可以应用这些自身的和相互的调节关系。

第一个挑战就是建立我们所需的制造嵌合的相同异质形成蛋白的基因。在DNA水平上通过少量基因和基因片段拼接起来的重组DNA技术有可能制造出上述所需的基因。如果精心实施基因工程，那么蛋白质各区就能够非常精确地从一种蛋白质移向另一种蛋白质而保持其功能特征。我们在当时已注意到这种嵌合基因在胚胎组织中也许是活跃的。因此，我们使用了Gary Struhl(目前在哥伦比亚大学执教)几年前创立的一种方法，该法包括把基因附着到由适度热震荡能够激活的调节DNA顺序上。最后，我们把我们的热诱导的HOM基因嵌合体用P因子转移技术插入到果蝇的染色体内。

此后，我们以此种方法转移基因的果蝇在其躯体的每个细胞中都携带有这种嵌合的基因。假若我简单的把果蝇生长室内的温度短期的升到37℃(果蝇喜欢生活在25℃，但能耐1或2小时的37℃而无不良影响)，这些基因就会在任何发育阶段产生嵌合蛋白。我们使用这些果蝇就可以检定嵌合蛋白作用于果蝇正常染色体位置和天然胚胎环境中靶基因的调节因子的能力——这是在这些蛋白运行下接近模拟的正常条件所要求的试验。

由于HOM蛋白极相似于同源区，当在实验室试验时，它们结合到几乎相同的DNA位点上，因此，初步看来有可能是给予每个蛋白本身的功能特异性的特征会在同源区外发现——在大部分蛋白中是最个别的。不过由于往往碰巧，当把简单的推理应用于生物学问题时，此种期望是不正确的。

我们发现，如果我们从Deformed蛋白中移去原有的同源区并在该位置上加入Ultrahitho—lax同源区，那么嵌合蛋白就失去了调节果蝇胚胎内基因表达的能力。而新蛋白对Antennapedia基因的表达起作用——差不多就象正常的Ultrabithorax蛋白那样。用把Ultrabithorax同源转移到Deformed中去的方法，我们显然也已经转移了它的选择调节能力。我们用其他的同源区作交换试验也得到了相似的结果。载有Abdominal—B同源区的Deformed蛋白而不是它本身与Abdominal—B蛋白的调节特异性极为相似。

嵌合蛋白的性能不完全象来自它们的同源区的那些蛋白。Deformed／Ultrabithorax嵌合体和Deformed／Abdominal—B嵌合体激活了它们的靶基因的表达．而普通的Ultrabithorax和Abdominal—B蛋白则抑制相同基因的表达。假设Deformed蛋白的区域在同源区外补充有力的激活功能．那它就能与任何一个HOM同源区起作用。与此种意见相一致的是De—formed的确含有几个蛋白顺序区，而这些区域是富集有其他基因调节蛋白中具有典型的“活化区”的氨基酸类型的。

关于HOM蛋白功能特异性的这类试验．斯坦福大学的Richard Mann和David S．Hogness以及巴塞尔大学Greg Gibson、Walter J．Gehring及他们的合作者也都曾作过。他们的试验是评价诱使发育中的果蝇的突变体和嵌合H0M蛋白发生相同异质形成转换的基础。由于他们考察的是HOM蛋白的发育影响而恰恰不是它们对基因表达的影响，所以这些研究人员使用的是多要求测定HOM蛋白的功能，而我们采用的是一种。不过他们的结果也支持此种意见，即大量的(即使不是全部)HOM蛋白的功能特异性在同源区区内或紧邻同源区的区域存在着小的差异。

对我们来说，所有这些结果还揭示了在我们实验室早已进行过若干极为困难的试验。对于这些试验，我们只有微弱的成功的希望，但实际上仍有机会得到可解释的结果。这些试验就包含着果蝇胚胎中鼠和人的同源区蛋白的功能鉴定。要通报这些试验的意义，我们必须评述我们知道的关于哺乳动物Hox基因是些什么。

在过去9年间，除果蝇外在许多其他的动物种之染色体内已找到了一些Anternnapedia级同源框基因。这些基因已在蛙类、鼠和人中进行过仔细的研究，这里，把它们统称为Hox(“同源框”的缩写)基因。在鼠和人中，Hox基因分组成四大复合体存在于不同的染色体
上。在它们的结构和胚眙表达模型中，Hox复合体的基因分享着与果蝇HOM复合体的基因之奇特的相似性。例如，人们能够鉴定出在结构上类似于Hox基因的HOM基因labial(唇)、proboscipedia(口器足)、Deformed、Antennapedia和Abdominal—B。等价的Hox和HOM基因以相同的直线顺序排列于它们相对应的复合体内。

杰尼瓦大学的Denis Duboule和旋特拉斯堡真核生物分子遗传学CNRS实验室的Pascal Dolle以及伦敦国立医学研究所的Robb Krumlauf及其合作者都作了进一步的相类似的观察。他们已经收集了两类基因相类似的表达模型之有力证据。也就是说，Hox基因沿鼠的早期胚眙的头－尾轴被激活，而HOM基因以相同对应的顺序在果蝇的前-后轴上被激活。

鼠和果蝇蛋白之间的结构相似性主要限定于同源区区域。果蝇的Antennapedia(触角足)和鼠的HoxB6在其相对应的同源区内之氨基酸顺序几乎是相同的(它们的61个位置只有4个有差异)。这意味着这两种蛋白彼此比Antennapedia产生的任何其它的果蝇HOM蛋白更加相像。这一信息在进化意义上证明HoxB6和Antennapedia是结构同系物——也就是说，它们继承的那个共同的祖先基因有别于产生Abdominal-B或Deformed的那个共同的祖先基因。

由于相同的原因，整个HOM复合体和Hox复合体之间的相似性证明了果蝇、鼠和人的现代共同祖先——一种大约生活于7亿年前，至少已有几亿年的蠕虫状动物——有Antennapedia级同源框基因的原复合体。复合体内基因的正确类型和排列仍然是个谜。不过，我们应用现代的HOM和Hox复合体作响导就能确信古老的原复合体包含了labial、proboscipedia、Deformed、Antennapedia和Abdominal—B的结构同系物。这种全面评述HOM和Hox基因的进化得到了一些科学家和实验室的有力支持，其中包括美国农业部的Richard W．Beeman和堪萨斯州立大学R0b E．Denell关于甲虫相同异质形成基因的研究，以及最近来多实验室的报导：原始的元虫Caenorhabditis elgans也含有与果蝇的HOM复合体和脊椎动物Hox复合体远缘而可识别的亲缘关系的HOM复合体。

所有这种结构上的证据(虽说是暗示的)仍然未直接地告知我们HOM和Hox蛋白是否在胚胎中起着相同的发育功能。毕竟，鼠和果蝇的基因复合体有着上亿年的不同进化系谱，有充裕的时间进化新的或趋异的能力。所以，结构和表达的相似性可能是历史的遁辞，而不可能是现今的HOM和Hox蛋白之间功能相似的可靠的指标。

解决此问题的方法之一是深入研究脊椎动物胚胎中Hox基因的生物学效应并将其与已知的无脊椎动物胚胎中的HOM基因之效应进行比较。譬如，在鼠的发育过程中不适当的激活或特别的抑制Hox基因功能会引起相同异质形成转移吗?在我们致力于回答这一问题
时，设在格丁根的马克斯·普朗克生物物理化学研究所的Peter Gruss及其同事建立了鼠胚胎之头部和前颈区产生的HoxA7蛋白的鼠品系。通常，HoxA7蛋白(它相似于HOM复合体的Antennapedia和Ultrabithorax蛋白)是以后颈和前胸区最丰富，而比较靠后的体段则被排除在外。有些鼠的HoxA7不恰当的表达使耳和腭发育畸形，偶尔还发生颈椎的相同异质形成转变。

困难的转换实验——激发Hox基因的功能——已由犹他大学的Osamu Chisaka和Mario R．Capecchi通过激发HoxA3基因的功能，以及由设在斯特拉斯堡的法国科学研究中心(CNRS)的Thomas Lufkin和Pierre Charnbon及其同事通过激发HoxA1基因的功能而完成的。他们的研究证明，鼠胚胎前区的一些结构的产生就取决于HoxA3和HoxA1基因。鼠胚胎中HoxA3基因的突变导致包括内耳和外耳骨骼的变形以及胸腺的缺乏在内的头和颈畸变的混乱构造而使鼠仔出生后即死亡。

这类畸变使人联想到一种叫Di-George氏综合症的人类先天性疾病。HOM和Hox基因的研究给此病带来了希望，它将在阐明某些人类新生儿发育不健全带来实际的好处。在生物学家充分认识Hox基因怎样参与鼠和人的发育设计之前需要做大量的研究，但这些以及其它一些初步的实验无疑地暗示Hoe和HOM基因可作类似的用途。

在我们自己的研究中，我们已试验过用测试Hox蛋白是否能够获取发育中的果蝇胚胎的HOM蛋白的位置而进行直接的比较。理论上，人们可以通过完全置换具有它的Hox同系物的果蝇之脚H0M基因而完成这种交换；然后，只有在Hox基因可能表达的时间和地点，HOM基因才是正常的，遗憾的是，这样的实验还行不通，因为这些基因就其整体性来说太大，所以无法用现行技术来操纵。不过我们做最接近可能做的事情：通过使用将Hox DNA顺序连接到热诱导的调节因子上去的方法，我们就可能使发育中的果蝇的全部细胞表达Hox蛋白。

我们和我们实验室的同事Nadine McGinnis以此种方法测试的第一个蛋白质就是人的HOXD4蛋白，它相当于鼠的HoxD4蛋白。(当特别提及人的基因时，所使用的HOX标记要与标准的遗传术语相符。)对于这个人体蛋白(它有一个同源区与果蝇的Deformed蛋白的同源区相像)来说，这个基因已于1986年被那不勒斯遗传和生物物理研究所的Fulvio Mavilio和E—doardo Boncinelli以及他们的同事予以分离和鉴定。

在果蝇中，当Deformed基因在其正常的前后限界外表达时，成年果蝇承受了各种各样的头部畸变，如腹眼缺失。我们吃惊的发现，人的HOXD4蛋白，当其在发育中的果蝇细胞内表达时，造成了相同的畸变。然而，我们不可能把这些变化全部地归因于人体蛋白HOXD4：我们的实验指出，人体蛋白HOXD4也是促进果蝇的Deformed基因的表达。(记得Deformed蛋白的一种正常效应是在正反馈循环中它激活它自己的基因。)因此，人体HOXD4蛋白是由于模仿不恰当的Deformed表达的效应(至少部分是)，才造成不恰当的Deformed的表达。尽管如此，我们可以看出HOXD4所引起的作用就象它的果蝇同类物之微弱而特异性的复制品。

受这一成果的鼓舞，我们实验室的研究生Jarema Malicki测试了正在发育的果蝇中鼠的HoxB6蛋白的功能。经在耶鲁大学离我们几层楼的Klaus Schughart和Frank H.Ruddle对HoxB6的鉴定和特性表述，它含有一个与Antennapedia蛋白高度相似的同源区。HoxB6蛋白在发育果蝇细胞内的表达效应是惊人的且是明显相同异质形成的。在果蝇的幼虫中，HoxB6蛋白造成大部头区发育得更象胸区：代替幼虫头骨的是这种转换了的果蝇产生了小齿带，而几行刺突通常是排列在果蝇的腹部的。在果蝇成虫中，HoxB6引起触角的相同异质形成转换成胸腿。幼虫和成虫的相同异质形成转换非常相像于由Antennapedia蛋白通过躯体的不适当表达而引起的那些转换。

人们为什么能够做这些进化交换实验呢?首先，这些实验强化了我们关于同源区本身决定了蛋白的大量调节特异性的结论：同系物果蝇和脊椎动物蛋白很少有同源区的共同外区。此外，这些实验暗示，从功能的角度来看，同系物蛋白至少有一些是可交换的，而且对于早期胚胎来说有相似的“意义”。决定前－后轴位置的系统在以往7亿年间显然很少有变化。

如果人们把生物体内基因调节蛋白之间相互作用的复杂网络想象为犬牙交错复杂难懂的事物，那末同系物果蝇和哺乳动物蛋白就是能够吻合于相同位置上的另件。以此种方法考察HOM／Hox系统还要强调我们仍有多少需要弄清楚：能使HOM和Hox蛋白去调节基因和具有特殊功能之其它令人困惑的部件尚必须鉴定。

在某种意义上来说，这些实验还回复到Karl Ernst von Baer的经典观察。他在十九世纪廿年代就曾判断，如果人们检验了早期胚胎的形态，所有脊椎动物的形态看来都向着共同的设计汇集。在他的一些早期胚胎瓶装标本的标签退色并由此而懊丧地认识到他不可能肯定这些旺胎究竟是蜥蜴、鸟类还是哺乳动物之后,von Baer领悟到他的判断听起来动听但不是事实的真相。HOM和Hox基因系统的结构和功能揭示出这种早期发育的趋同包含着许许多多动物种的早期发育。而且只有在分子模型水平上才能“看到”这些不同胚胎的发育趋同。

HOM／Hox系统进化于6亿和10亿年前之间的某个时期；许多动物自此以后一直依靠HOM／Hox系统的基本能力以决定发育期间轴的位置，所以证明它是有用的。难道只有发育的遗传系统才被如此保存吗?这看来不是真的。研究人员已发现果蝇和鼠的一些其它的调节基因在结构上极为相似而且相同或相似的组织所激活的线索。探索这些新基因的功能以及它们与HOM／Hox系统如何相互作用，就会促使我们去揭示作为动物躯体设计的分子建筑师之古老遗传系统的进化和机制的一些引人入胜的信息。