互动科普

少数关键的分子信号产生组织发育胚胎的化学梯度。

熊在冬天交配，几个月后，母熊隐退到洞穴中去产仔，产出三或四个幼仔。在出生时，这些幼仔是不成形的肉团，只发育出了爪，母熊把它们舔成了熊的形状。   

老普利尼(罗马自然学家和作家，公元23一79年)描述的这种古老的理论是许多早期的稀奇古怪企图之一，以解释生命的最大秘密之一——一个几乎是均一的卵细胞如何发育成有数十种细胞、每种细胞都在其固有位置的动物：发现对复杂性显著增加的一种解释是困难的。18和19世纪流行的一种更为严肃的理论假定，一个卵细胞并非如它表现出的那样无结构，而是含有不可见的“决定因子”的镶嵌物。它只有展开才能形成一个成熟的生物。对于我们来说，现在难以理解这种想法为什么能够这么长的时问都被信以为真。为了在不可见的形式中含有成年动物的完全结构，一个卵也必须含有所有连续世代的结构，因为成年雌性动物将及时产生它们自己的卵，并且这样永远无限地继续下去。甚至传大的诗人和自然主义者歌德也赞成这种“预形成假说”。因为他想不出其它任何解释。

约100年前，实验胚胎学家就开始认识到，发育的路径不一定完全在卵形成的时候决定。他们发现，某些实验处理导致不能以镶嵌假说进行解释的发育方面的巨大变化。例如，如果一个试验员将二细胞期的海胆胚胎分离为两个单细胞，每个细胞将发育成一个完整的动物，即使两个细胞一起如果不受打扰，本该只产生一个动物。当人的胚胎自然分裂时，结果是产生同卵双生子。

 一个重要的概念慢慢地出现了：梯度假说，这种概念的倡导者之一是遗传的染色体理论的创始人维尔茨堡大学的Theodor H.BovBri。Boveri提出，从一个卵的一端到另一端某种物质的浓度在增大或减少。实际上，这种假说是，在发育区域中的细胞对一种特殊的物质——成形素(morphogen)——起反应，它的浓度在某一方向逐渐增加，形成一个梯度。假定成形素的不同浓度在细胞中引起不同的反应。

虽然成形素的浓度梯度原则上能够解释细胞如何“知道”，它们在胚胎中的位置但是这一概念长期未能广泛被接受。困难之一在于解释形态发生梯度如何能够被形成，然后在一个足够长的时期保持稳定。在由许多细胞组成的正在发育组织中，细胞膜会阻止能够形成浓度梯度的大分子的扩展。反之，在一个大的卵细胞中，扩散会迅速调平这样一种梯度。此外，形成素的生物化学本质和作用机理尚未知晓。

 对于大多数生物学家来说，直到最近以前，梯度形成的方法仍然是难以捉摸的:近来几个实验室的研究人员，发现了在果蝇(DrosophIa)的早期胚胎中起作用的梯度。对于大多数非生物学家来说感到吃惊的是：对许多发育的机理在果蝇中最为了解，而不是对与人更为密切相关的动物。我将描述的例子说明了果蝇作为杰出实验对象的理由：幸运的一致性优势使它几乎成为研究遗传学、胚胎学和分子生物学的理想对象。

    本世纪初期果蝇成为研究孟德尔遗传学所选择的实验动物。因为果蝇容易操纵并能迅速地大量培育，使得可能通过许多个体果蝇探索突变体:对突变体的研究已成功地阐明了病毒、细菌和酵母菌的代谢途径和调节过程。二十年前，现在在普林斯顿大学的Eric F.Wieschaus和我通过找寻控制幼虫的分节形状的基因而将这种方法扩展到果蝇身上。这种幼虫是相对较大——约一毫米长一一并有轮廓分明的、重复的体节，它在产卵后24小时内出现。这些特性对解释实验诱发的畸形(它影响发育模式)是至关重要的。    

采用果蝇进行胚胎学研究的另一个关键性优点是，在它的发育初期.胚胎并不分配到分离的细胞中。在大多数动物的胚胎内，当一个细胞的核分裂时，细胞内含物的其余部分也随着它而分裂，然后细胞膜分离成两半。在原来只有一个细胞的地方产生两个细胞。因此，胚胎长成一个有几个细胞的球。相反，受精果蝇卵的核重复地分裂，但膜不分离拷贝，最终，成千上万个核围绕着不妨说仍然是一个单细胞的周围而排列，仅在细胞分裂的三小时后〔那时已形成约6000个核)，分离的膜才出现。

 这一特性使化学物质自由地通过早期的胚胎而扩散，并影响胚胎很大区域发育的结局。作为实验生物学家，我们因此能够把细胞质(细胞内的粘滞液体)移植到果蝇胚胎的不同区域或把生物分子注射到果蝇胚胎的不同区域，并观察其结果。

梯度的动力

此外，果蝇很容易采用分子生物学的技术进行研究，这种昆虫只有四对染色体，而且它们以特别大的形式存在:这种大的染色体使人们可能在显微镜下看到，在许多情况下由突变引起的遗传物质的破坏。在研究突变时，这一事实帮助很大，最后但非最不重要，通过利用天然发生的可动遗传成分，可能高效率地将特定基因加入到果蝇的遗传补体中去。

通过研究突变体，研究人员已发现了在雌性动物中是活性的并组织胚胎模型的约34个基因。其中只有3个基因编码分子信号，这些信号确定沿幼虫前后轴(头尾)的结构，每个信号位于发育卵的特殊位点，并引起一种不同类型形态发生梯度的形成。在每种情况下，在信号位点形成素有其最大的浓度。有一个信号控制卵前半部的育，它形成幼虫的头和胸。第二个信号控制的区域发育成腹部，第三个信号控制幼虫两个极端结构的发育。    

这些信号引起的最简单的形态发生梯度是由称作Bicoid的一种蛋白质组成的，它决定着幼虫前部的模式，我的同事Wolfgang Driever和我发现，最早阶段的果蝇胚胎中存在Bicoid的浓度梯度，这种浓度在坯胎的头端是最大，并沿着胚胎的长度逐渐降低。果蝇雌虫的bicoid基因的突变阻止Bicoid梯度的发展。所形成的胚胎缺乏头和胸。   

Bicoid在胚胎的核中起作用。这种蛋白质被称作转录因子，因为它能引起基因的转录。这是从遗传物质DNA产生信使RNA(mRNA}的过程；然后这种细胞应用mRNA合成基因的蛋白质产物。转录因子通过与靶基因的控制区域(即启动子)中特定的DNA序列结合起作用。为了与启动子结合。Bicoid必项处于某一阂限浓度之上。

 Driever和我专门研究了Bicoid与一个靶基因(hunch back)的相互作用。hunchback在早期胚胎的前半部中被转录，同时这种基因的启动子含有几个Bicoid结合位点。我们进行了两种试验：在一种试验中，我们改变了Bicoid的浓度剖面，在另一种试验中，我们改变了hunch back基因启动子的结构。

 通过把Bicoid基因的附加拷贝引人雌虫中.有可能获得其Bicoid水平在整个梯度中都比正常卵高4倍的卵。在这些胚胎中、hunch back基因活化的区域向后扩展，而且头和胸是由比正常情况下大的部分发育而成。这种异常的发生原则上或者因为Bicoid浓度梯度在受控制的胚胎中较陡，或者因为Bicoid浓度的绝对水平较高，通过一个试验清楚地作了正确的解释，在这个试验中我们作成了突变体胚胎，沿它们的长度有相同的Bicoid浓度，因此完全没有梯度。这些胚胎只产生一种前结构(头或胸)；这种结构类型取决于Bicoid浓度，因此试验表明，是Bicoid的绝对浓度而不是梯度的陡峭程度，对于控制每个区域随后的发育是重要的。

 在第二种试验中，Bicoid梯度保持不变，但hunch back基因的启动子区域被改变。当这改变了的启动子只很弱地与Bicoid结一合时，为引起hunch back转录，需要较高的Bicoid浓度。因此，hunchback活性区域的边向前移动。在这些胚胎中，正如人们能够预测的那样，由比正常区域小的区域形成头。这个试验揭示，Bicoid通过与hunch back启动子结合而发挥其作用。

 这些试验表明如Bicoid之类的成形素怎样能够通过其对基因(在本例中为hunch back们的亲和性确定在胚胎中基因的活化位置。在理论上，大量的靶基因能够在单个形成素的梯度内对不同的阂限起反应，产生许多不同的基因活化区。但是，实际上一个梯度直接对一般不多于二或三个基因起作用，因此它只确定二或三个活化区域。   

形成发生的Bicoid梯度本身是如何形成的?当未受精的卵发育时，与它相连接的特别的滋卵细胞为Bicoid沉淀 mRNA在它的前端。因此当产印时，Bicoid的合成(它在受精时开始)已经在进行。在胚胎发育时，这种蛋白质从它在头端产生的位点扩散开。但Bicoid是不稳健的，因此它在远距离点二一即在将变成腹部的末端一一的浓度从未达到很高的水平。所形成的浓度梯度一直持续到细胞膜形成。

这种简单的扩散机理精确得足以满足正常发育的需要，值得注意的是，即使Bicoid水平的重大变化——倍增或减半一一一般都形成正常比例的幼虫。似乎在发育后期阶段起作用的机理能够改正初期阶段的某些错误。如果一个研究人员把bicoid mRNA转移到正常胚胎的后极，一个附加的Bicoid蛋白质梯度出现了，与天然梯度的方向相反。所形成的胚胎，在本来应该是腹部的地方出现一个重复的头。本试验结论性地表明，bicoid mRNA本身足以确定极性。

其它的研究已揭示bicoid mRN A怎样精确地在卵细胞内定位。斯坦福大学的Paul M.Macdonald 已鉴定了bicoid mRNA分子的大部分该分子含有对于一个细胞为了认别它、运输它和贮存它所需的全部信息。当时在我的实验室工作的 Daniel St. Johnston和 Dominique Ferrandon发现，由bicoid mRNA和称作Staufen的蛋白质组成的分子复含物将沿细胞内称作微管的结构成分的一个方向移动，似乎很可能这种效应解释bicoid mRNA的定位。可是其它的蛋白质肯定也被涉及到。

 尽管Bicoid正决定幼虫长轴的前部分，但不同的形态发生梯度正决定后面部分在本例中的梯匪由蛋白质Nanos组成。Nanos mRNA位于卵后端的细咆质中。这种现象主要取决于由一名为oskar的基因所产生的Staufen蛋白质和mRNA所组成的另外的分子复合物。那时在马萨诸塞州坎布里奇市怀特黑德生物医学研究所的Anue Ephrussi和Ruth Lehmann通过用bicoid mRNA的部分代替定位所需的mRNA部分而证明了Oskar的决定性作用。这种杂合分子的行为如同bicoid mRNA，聚集在前极而不是在后极。操作把，nanos mRNA错误指向前极，引起胚胎发育成镜象对称的两个异常末端。

克服细胞膜

只有当没有细饱膜阻止打散时，产生Bicoid和Nanos(两者都是大分子)的形态发生梯度的机理才能起作用。但是在大多数动物中，早期的发育在卵的不同区域之间产生细胞膜，因此这些机理不能发挥作用，于是很明显果蝇胚胎的背腹(顶部一底部)轴与前一后轴不同，是受即使存在细胞膜也能发育的一种梯度的限制。因此，这种机理可能是在其它生物内发现的机理中更为典型的。

沿背腹轴的第一种胚胎模型由名叫Dorsal的蛋白质的梯度决定。与Bicoid相同，Dorsal是一种转录因子它以依赖于浓度的方式控制着几种靶基因的活性。Dorsal蛋白质起转录激活子和阻遏物(在细胞核内，它开、闭基因)两种作用。当在细胞核内的浓度超过特定阀限时，Dosal激活在随后的发育中起重要作用的基因对的转录。每当Dorsal的核浓度超过一个较低的阀限时，它就阻遏两种不同基因的转录。如果不同细胞核中Dorsal的浓度以梯度排列.这些基因对的每一对随后将表达在胚胎的不同侧上。

但是，Dorsal蛋白质的核浓度梯度的形成完全不同于Bicoid梯度的形成:总之，Dorsal蛋白质的浓度在整个胚胎中实际上是水平的。哥伦比亚大学的Christine W.Rushlow和Michael S.Levine以及我的同事Siegfried Roth和我已指出，沿胚胎的背腹轴所变化的是核中Dorsal蛋白质被分离的程度。接近于胚胎的背侧，在细胞质内越来越多地发现这种蛋白质；在腹侧，主要在核内发现。

这种奇怪的、集中在核内的梯度怎样产生的一般阻止Dorsal进人核内的物质是称作Cactus的一种蛋白质，它与Dorsal相结合。但是在胚胎的腹侧，通过至少涉及到10种蛋白质的活化通道，Dorsal从这种结合状态中释放出来。

起动这一过程的腹部信号起源于雌虫体内卵发育的初期。但是它的影响一一Dorsal输人核内一一在几小时后发生在有迅速分裂的核的胚胎内。因此，这种信号必须是非常稳定的。这种信号的精确性质仍然不清楚，但它是集中在特殊化的膜——称作卵黄膜一一内该膜在卵被产下后围绕着卵。

由我的同事David Stein和我以及由加州大学伯克利分校的KathrynV. Anderson及她的同事所作的煞费苦心的试验已证实，活化通道的某些早期成分是在母体的滤泡细胞中产生的，这种滤泡细胞包围着未产下的卵。其它的成分在卵细胞中产生，然后沉积在卵的细胞质或其细胞膜中或分泌到卵周围的空间中。      开始时，这种通道的蛋白质成分是均匀地分布的，每种成分都在其适合的区段。然后这种信号（它鉴定腹侧)变成活性的。这种信号由于激发起活化通道的蛋白质之间的阶式相互作用，所以似乎决定Dorsal梯变：这种阶式相互作用把关于哪一侧将是腹部的信息传送给卵。

这种通信中继系统或许取决于它自己的梯度。似乎很可能一个真实的梯度首先出现在卵细胞周围的空间因为大的蛋白质能够容易地通过这一区域而扩散。认为这种梯度信号引起卵的细胞膜中受体分子的等级活化，即是说该受体可能变成大活性或小活性取决于它们在腹部中的位置是怎样:然后这种受体能够把一个类似的等级信号传递给印细胞质，等等。

因此，引起胚胎的背腹部模式形成的信号胜过扩散的障碍，为了实现这一点，它依赖通信中继系统，该系统通过许多种蛋白质分子，把来自一个区段的梯级信息带到另一区段。(把一个信号带过卵细胞膜的相似机制在末端通道中起作用，该通道是控制前一后轴两个端部结构的系统。)按照这种方式，来自卵外(在那里扩散容易形成梯度)的信号能够被传递到卵内。结果是呈梯级输入最初为均匀分布的蛋白质的核。

普通的模式

根据这些研究我们能得出什么结论?梯度被鉴定出以前，生物学家们相信，成形素能够构成有独特性质的一类特殊分子。这显然不是真实的，在果蝇的早期胚胎中，起不同生化功能作用的许多“普通”蛋白质能够传送位置的信息。

在所有的例子中，例如决定背腹膜式的过程，梯度首先由扩散引起，然后通过相继蛋白质的活化拷贝下指令的分子链。在其它情况下，梯度有抑制效果。例如. Nano。梯度抑制细胞对一类均匀分布的mRNA的利用，因此产生相反方向的一种梯度。

在迄今所研究的所有通道中，最终结果是一种形成素的梯度，该形成素主要起转录因子的作用，以依赖于浓度的方式引起或抑制一个或多个靶基因的转录。这些梯度有时十分浅，Bicoid和Dorsal只沿胚胎的长度有很慢的浓度下降。但是它们以某种方式使它们的靶基因的蛋白质产物有明显的截止点。这种现象如何才能发生呢?

这种现象能够发生的一种方式是，如果几个分子—不同的分子或同一分子的多重拷贝—协作以引起转录，这种动态往往对一种或多种成分的浓度产生很强的依赖性。于是值得注意的是，以Bicoid或Dorsal蛋白质激活的基因含有多重相邻结合位点，往往是对可以调节基因活性的不同转录因子的相邻结合位点。

某些形态发生梯度明显地仅仅产生一种效应:如果在特殊位置的形成素浓度是在一临界闭值以上，那么靶基因被激活；否则未被激活。在其它情况下，形成素的不同浓度诱发不同的反应，同时正是这种梯度，对于达到发育有机体复杂性增大是最重要的。

虽然每个形态发生梯度似乎只直接控制少数靶基因，但影响转录的辅助因子分子之间的相互作用能够根本上改变对梯度的反应。组合调节的这些机制打开了从最初的简单系统形成最为复杂模式的道路。起辅助因子作用的蛋白质能够改变

一种形成素对基因的启动子区域的亲和性，因而改变(增大或降低)临界阑值。一个辅助因子甚至能够把一个激活的转录因子转化为一个抑制者。当人们考虑到。这些辅助因子本身可能成梯级形式分布时，产生复杂模式的潜能就变为明显的。

把几种梯度叠加到一个胚胎区域能够更加细分这一区域。并产生进一步的复杂性。限制果蝇胚胎的前一后轴的三个通道共同产生四种不同的和独立的梯度(末端通道产一种未知蛋白质的两种梯度)，每个梯度有一个或两个闸值。因此，至少7个区域受靶基因表达的独特结合所限制。在前端，迄今尚未鉴定的末端蛋白质的梯度与Bicoid梯度重叠，这种结合导致果蝇的最前面的农端（头的一部分)发育。相反，末知蛋白质的梯度单独起作用则产生相反端的结构（在腹部的顶端）。

作为模式形成原理的结合调节在果蝇以后的发育中更加明显。例如，沿胚胎的长轴的转录因子之梯度影响在大多数情况下编码其它转录因子的基因:这些第二因子又扩散开来进入它们自己的梯度。在不伺的闭值浓度下，每个因子作用于它自己的基因靶；有时这些阀值被有重叠的影响范围的其它转录因子所改变。浓度相关性和结合调节一起，开创了能够实现在基因中编码的设计的模式形成机制的全部通用技能。在果蝇内，最初的模式产生基因表达的横条纹，包括在幼虫中将被分段的那部分卵。

这些模式又引导更加精细的条带模式的形成，然后它直接决定胚胎内每节的特征。一旦胚胎把自己分割成细胞，转录因子立即不能再通过细胞层而扩散，因此模式精炼的后面的步骤取决于相邻细胞之间的信号发送，或许具有将信号带过细胞膜的特殊机制。

在我们掌握了果蝇胚胎如何发育的完整情况之前，许多更为详尽的情况仍然有待发现。但是我相信，我们现在已揭示了一些主要特性。这一成就能够阐明许多动物学的间题，因为过去5年中令人十分惊奇的是发现了非常相似的基本机理、包括相似基因和转录因子，在整个动物王国的早期发育中起作用。

因此，对一种很好的模式系统的基础研究已导致了有力的理解，它有一天能帮助我们弄清人类的发育。这些见解已经向我们提供的是对自然中最深奥的问题之一的答案——复杂性如何从最初的简单性中产生。