分子胚胎學

化學胚胎學的研究說明細胞分化的基礎是蛋白質大分子（酶、結構蛋白等）的專一合成。然而，這些研究多停留在對發育過程中表型變化的生化描述，還未能深入闡明這種合成活動的遺傳基礎。50年代以來，分子生物學取得的重大成就，促進了從分子水平研究發育問題。分子生物學在微生物中發現的遺傳信息傳遞的“中心法則”，揭示了生物的發育、遺傳和進化的內在聯繫。同時，也指出只有根據發育和遺傳統一的觀點，從分子水平來研究發育問題才能闡明發育的根本原因。細胞核移植實驗證明高等動物已分化細胞的核可能含有全套遺傳信息，而其中只有一小部分表現功能活動，說明細胞分化是基因選擇性表達的結果。從分子水平來看，細胞分化和性狀發育都是由於合成表型專一的蛋白質大分子。因此，無比複雜的胚胎髮育過程，可以簡化為從基因到合成表型專一大分子和從大分子的裝配到產生特定的形態結構兩個步驟，用分子生物學方法來加以分析，其關鍵是發育過程中基因表達的時、空秩序問題。

70年代以來，核酸分子結構和功能的研究方法日臻完善，尤其是重組DNA技術的發明和進展，為研究基因在發育中的表達和調控，提供了有力的手段。因而越來越多的分子生物學家轉向研究發育問題，他們把在解決遺傳問題時發展起來的新方法和新概念，用來分析發育的分子機制，由此逐漸形成了分子胚胎學。

分子胚胎學（molecular embryology）胚胎學分支學科，研究動物胚胎髮育過程中生長、分化和形態發生的分子基礎。分子胚胎學的主要內容是：發育過程中的基因表達及其調控從分子胚胎學的觀點看來，全部發育問題可以大致表述為：卵子發生和成熟過程中，發育信息如何儲存在卵的結構內；經過受精而引起發育的卵細胞又如何通過核質之間、分裂球之間，以及胚胎不同部位之間的相互作用，使基因按一定的時、空秩序選擇性地表達，從而控制專一蛋白質的合成和裝配，實現細胞的分化和個體的發育。

發育過程中的基因表達及其調控

從分子胚胎學的觀點看來，全部發育問題可以大致表述為：卵子發生和成熟過程中，發育信息如何儲存在卵的結構內；經過受精而引起發育的卵細胞又如何通過核質之間、分裂球之間，以及胚胎不同部位之間的相互作用，使基因按一定的時、空秩序選擇性地表達，從而控制專一蛋白質的合成和裝配，實現細胞的分化和個體的發育。

個體發育不同時期，基因表達的調控可能在不同水平（轉錄、轉錄后的加工、翻譯）上，以各種不同的機制進行。其中一些機制與遺傳物質本身的改變（基因的缺失、放大、移位重組、修飾以及染色質構造變化等）有關，另一些則沒有這些改變，而只是涉及基因表達過程的不同環節（基因及其轉錄本RNA的選擇和利用、mRNA存活時間長短等）的調節。多基因族在調節基因表達的數量、多樣性和時間程序上也起著重要的作用。

某些脊椎動物和昆蟲的卵子發生過程中，核糖體核糖核酸（rRNA）基因通過基因擴增而大量增加，以適應早期發育中迅速合成大量核糖體的需要。果蠅卵巢卵泡細胞的卵殼蛋白基因，在開始迅速合成這些蛋白質前，先大量複製而擴增。這是已知正常發育過程中，編碼蛋白質的基因擴增的第一個例子。從受精到卵裂，所需的發育信息是在卵子發生過程中，以“掩蓋的”信使核糖核酸形式儲存在卵質內的。受精時，“掩蓋的” mRNA被激活，開動蛋白質合成系統而引起發育。這說明在早期發育中，基因表達可能存在翻譯水平的調節。從囊胚或原腸胚以後，轉錄及轉錄后水平（包括mRNA加工和選擇性輸送）的調節，成為主要的調控方式。然而，在組織、器官的終末分化過程中，如紅細胞發生、胰上皮細胞和晶狀體細胞的分化中，仍然可能先合成“掩蓋的”mRNA，再轉入活動狀態，合成表型專一的蛋白質分子，然後再裝配成具有特定功能的結構單位，表現出可見的形態分化。在此過程中，激素等因子可能影響mRNA的穩定性，改變其存活時間。70年代末還發現B淋巴細胞分化中，免疫球蛋白基因表達的調節是在DNA水平，通過V、D、J、C基因片段的移位重組機制實現的。除已知酵母交配型的轉換存在類似的機制外，在高等真核生物細胞分化中，這種機制有無普遍意義還不清楚（見免疫遺傳學）。

動物發育過程中基因表達的另一個特點是存在多基因族，即合成相似功能的蛋白質的一組核苷酸順序略有不同的一些基因（如肌動蛋白、微管蛋白等的同族異構基因）或功能上相關的多個基因（如各種α型和β型珠蛋白基因）簇集在染色質的一定區段上。這些基因能按一定程序在時、空上（不同發育時期，不同組織、細胞內）先後不同地、分別地表達。如雞胚紅細胞發育過程中，珠蛋白基因表達的轉換是同有關的染色質從不活躍的結構（對DNA酶I不敏感，甲基化程度高）到活躍結構（對DNA酶I敏感）的轉變密切相關的。實際上，在發育過程中，染色體在形態上發生的種種明顯的變化（消減、燈刷染色體和多線染色體的出現及異染色質化等），與此相應的DNA的甲基化、超螺旋程度、核小體相位關係及包裝狀態等分子水平的變化，都可能選擇地影響基因的功能活動。

實驗胚胎學的早期研究已注意到卵質內可能存在基因調控物質，如雙翅目昆蟲卵的極質決定生殖細胞的發育；馬副蛔蟲植物極卵質使染色質不發生消減，都是著名的例子。兩棲類細胞核移植實驗更證明早期發育中，核內基因表達受細胞質控制。如將爪蟾的腎細胞核移植到有肋螈的卵母細胞內，在卵質成分影響下，腎細胞核的基因表達程序重新編排，結果腎細胞的專一的基因活動被抑制，而卵母細胞專一的基因活動被激活，使接受腎細胞核的卵母細胞繼續合成卵母細胞的專一蛋白質。 70年代以來，把用DNA純系擴增得到的5 SRNA純基因，輸入從爪蟾卵母細胞核提取物製備的離體轉錄系統，發現5 SRNA基因的調控部位位於該基因的中段，而不是象原核生物那樣位於5′端；並且，還從卵質中找到一個專一的轉錄調控因子，能與5 SRNA基因調控部位選擇地結合。現如今，純基因和DNA序列分析在發育遺傳問題研究中正得到日益廣泛的應用。

現如今分子胚胎學研究大都沿用兩棲類和海膽等實驗胚胎學的傳統研究材料。這些動物的突變型少、遺傳背景不清楚，加之繁殖周期長，在遺傳分析上十分不便。因此，一些有遠見的分子生物學家主張採用發育較簡單的一種營自由生活的秀麗隱桿線蟲作材料。這種線蟲的身體和各器官的細胞數目恆定，數量又少。胚胎髮育為鑲嵌型，有確定的細胞譜系可循。另一方面，基因數目少（約2 000個可鑒定的基因），易於用實驗方法得到突變型。現如今對秀麗隱桿線蟲從分子水平研究發育遺傳已很活躍。有人預言，秀麗隱桿線蟲在分子胚胎學的發展中，可望起大腸桿菌在分子遺傳學的發展中所起過的重要作用。

形態發生的分子基礎

發育過程中，由於基因選擇表達產生的專一大分子如何裝配成基本的結構單位，再形成細胞器，以至細胞、組織和器官等各級形態構造的問題，是分子胚胎學研究的另一個方面。

現存有已知道許多超分子構造（病毒、多酶系、核糖體和膜等）都能在沒有外加信息的條件下，從組成它們的亞基通過非共價連接（疏水性相互作用、離子鍵和氫鍵）自行裝配形成。這一過程稱為大分子的自裝配。大多數超分子體系中，自裝配所需的信息是由蛋白質亞基提供的，而在另一些體系（如煙草花葉病毒、核糖體等）中，蛋白質亞基和RNA都能提供裝配信息。此外，在膜層建造中，磷脂分子也能提供這類信息。

由遺傳決定的蛋白質亞基的氨基酸順序包含有形成超分子構造的雙重信息。在一個水平上，亞基多肽鏈的一級結構（氨基酸順序）決定該亞基的三維構象。同時，在另一個水平上，每一個亞基的三維構象又含有同相鄰亞基間的識別和結合的部位，各亞基藉此按一定的空間關係形成特定蛋白質大分子的四級結構。然後，再通過蛋白質大分子之間，以及蛋白質同核酸、磷脂分子之間特定的相互作用，從超分子構造到細胞器，逐級地裝配成越來越複雜的形態構造。

大腸桿菌的T4噬菌體可以作為研究形態發生的遺傳控制和分子基礎的模型。T4噬菌體的形狀象一個注射器，具有頭、尾和尾絲等複雜的形態構造。這些構造及其裝配是由40多個基因決定的。對這些基因之溫度敏感的致死突變型進行的實驗表明，噬菌體在形態發生過程中，先是頭、尾和尾絲3個部分分別沿3條“裝配線”按一定順序裝配形成；然後，這些部件再按一定順序總裝成一個完整的病毒顆粒。全部過程中，除去一個步驟（尾絲和底盤的連接）需酶的催化反應外，其餘各步驟均為非共價連接的自裝配過程。這種自裝配過程表現出一定的順序性和協同作用，上一個亞基的裝配是促成下一個亞基裝配的條件。另一個有趣的例子是鼠傷寒菌之P22噬菌體頭部的形態發生。這種噬菌體的頭部是由420個相同的蛋白質亞基，在另一種“支架蛋白”的支持下，裝配形成的。支架蛋白本身並不參加頭部的構成，拆除后還可供下次再度使用。從以上兩個例子可以看出由DNA決定的、編排在蛋白質亞基氨基酸順序里的一維信息，如何產生出高度複雜的三維形態構造的蛛絲馬跡。雖然，噬菌體的構造遠比細胞簡單，其形態發生的複雜性更不能同胚胎的形態發生相提並論，但對於了解細胞器的建造仍有可借鑒之處。實際上，在核糖體30 S亞基的重組實驗中已發現，其21個蛋白質組分和16 SRNA同樣是按一定順序並協同地自裝配的。此外，還發現細胞的各種基本結構和功能單位（如微管、細菌鞭毛、各種多酶體系，以及肌原纖維的粗絲等）的建造，都表現自裝配現象。值得注意的是細菌鞭毛的亞基，必需要有一段現成的鞭毛作為“晶種”的情況下，自裝配過程才能進行。

形態發生之分子基礎的研究還可在更高的水平上進行。用形成細胞骨架的各種蛋白質（如微管蛋白、肌動蛋白、輔肌動蛋白、原肌球蛋白、細胞角蛋白，支條蛋白和紐帶蛋白等）的專一抗體和免疫細胞化學方法，及各種藥物（如秋水仙素、細胞鬆弛素B等），可以研究這些蛋白質在細胞形態的建造和維持中的作用。這方面的研究發現，這些蛋白質在胚胎髮育過程中的出現和活劫，同胚胎的形態發生運動和細胞形態分化有密切關係。至於各種細胞如何進一步形成組織和器官，則涉及細胞表面問題。

細胞表面

細胞表面擔負著細胞間識別、信息傳遞、物質交換以及運動等重要功能。兩棲類原腸胚各胚層的細胞之間表現出的選擇親和性，以及視網膜等組織細胞選擇聚合實驗，都表明細胞識別在形態發生和組織分化中起重要作用（見細胞的親和性）。在胚胎髮育中，細胞間識別的分子基礎還不甚清楚。但有證據提示可能同細胞表面糖蛋白大分子有密切關係。從雞胚視網膜細胞表面已分離出的一種具有組織專一性的細胞凝聚因子，是分子量為50 000的糖蛋白。海鞘卵從受精到卵裂的過程中，雙花扁豆凝集素受體的分佈發生有規則的變化：從原來分散在整個卵表面，逐漸聚中到植物極，然後，再局限到將來產生尾部肌肉的B4，1裂球內。這提示發育過程中細胞表面糖基團的改變可能同細胞系的分離有關。

神經系統發育中，腦內神經原網路圖式的建立，神經纖維的定向生長，以及神經嵴細胞的遷移等，都可能同細胞表面特性有關。視覺系統發育過程中，網膜軸突和腦頂蓋間的特定聯繫的建立機制，多年來一直是最令人感興趣的問題。70年代以來，發現腦頂蓋細胞膜和網膜神經突起間的親和性，表現出沿網膜前後軸的梯度差異。此外，還在雞胚網膜上發現一種抗原，其濃度沿網膜的腹前-背後軸呈梯度分佈，推測這種抗原可能作為網膜細胞位置的標記。

胚胎細胞間存在能容許分子量從1300～1900之間的小分子通過的間隙連結（見細胞間連結）。這些連結在發育過程中的出現和改變與發育信息傳遞的關係，也是受到注意的問題。

發育程序的遺傳控制

在發育的研究中最重要而目前又最不清楚的是基因表達的時、空秩序，或發育程序的遺傳控制。從理論上講，進化過程中形成的這種遺傳程序的邏輯結構應當存在於基因組和基因本身的結構中。對於基因數目少的發育系統，如秀麗隱桿線蟲，有可能利用它的不同發育時期對溫度敏感的一系列突變型，測定不同基因起作用的時間，進而分析發育程序的遺傳控制。然而，這是十分繁複而曠日持久的工作。

控制果蠅體節發育的基因群，為研究這一重要問題提供了一個模式系統。在系統發育上，一般認為果蠅是從四翅的昆蟲進化來的，而昆蟲又是從多足的節肢動物進化來的。假定果蠅進化過程中，演變出兩類基因：一類是抑制其多足類祖先腹節足的發育的基因；另一類是抑制其四翅祖先第2對翅的發育的基因。如果這一假設是對的，后一類基因的突變將產生四翅的果蠅，前一類基因的變突將產生逾數的足。事實上，這兩類突變型都已發現，有關的基因總稱為雙胸基因群（BX-C），包括至少8個基因，按順序為：abx，bx，ubx，bxd，pbx，iab-2，iab-5和iab-8。每一個位於前一位置的基因的產物控制該體節向後一體節轉化，如ubx基因控制中胸向後胸發育，其後的bxd基因控制后胸向第一腹節發育，如此等等；因而在個體發育中，BX-C基因群的作用順序就好象重演它們本身的系統發育順序。有人用遺傳學方法和重組DNA技術，已得到一組包含有BX-C突變基因的DNA片段，正著手結構分析，以揭示BX-C基因群結構及其調控機制與基因進化過程的關係。

除核內基因的控制外，卵質本身的活動還表現自主的時間程序，其分子機制還不清楚。

最後，還應提到從分子水平重新研究實驗胚胎學未解決的一些古典問題，如卵的胚區定位，形態發生梯度和場區以及初級胚胎誘導作用等，仍然是分子胚胎學面臨的難題。