*3 发育生物学的模式生物

　　要了解发育的程序需要适当种类的生物作为实验材料。遗传学领域建立了先例：将研究集中在少数参考或“模式”生物上，如果蝇或玉米。近代发育生物学一直依赖于少数生物以求取得惊人进展。这种集中的结果易于使对基础过程的分析上升到分子水平；另一方面，没有那一种生物能适用于所有发育事件的研究，因为每个发育模式产生一种特殊物种而非一般动物物种。果蝇卵生果蝇，而不能生一般性昆虫或鱼或人。只有当在几种发育不同，但有一些共同特点的生物体上，研究发育事件才能认识发育的普遍原理。此外，实验室的研究也表明，即使是最好的模式生物除了有特殊优点外，也有其特异性的缺点。如斑马鱼虽然有透明的胚胎，但如进行大规模的遗传研究则需要数以百计的鱼缸和全体工作人员；果蝇有大量的发育突变体，但不便于长期冻存。

　　3.1 海胆配子和胚胎：研究受精和早期胚胎发生的模式及历史上重要实验的对象

　　海胆胚胎在发育生物学历史上很重要。海胆不仅因它美丽透明的胚胎，更因为它能激发许多有关生殖的想法，因此成为研究极早期发育的很好材料。

　　早在1890年，就用海胆卵和精子进行了受精的开创性工作。甚至在今天，海胆卵仍然是研究受精、卵子激活和胚胎细胞周期的最好系统。然而，海胆并不是研究所有事件的良好模式生物。用它研究突变就不现实，因为海胆世代的周期很长，而且在实验室中很难使幼虫通过变态期。成熟的海胆在当年不能用，必须从其自然的海洋栖息处移走，这可能还有物种保护的问题。这些缺点和特异的优点相平衡。卵和精子可以大量地获取，卵子很小（直径0.1mm）、是透明的，包裹在一个透明、易于剥离的膜（胶状外衣）里。它可以在水中甚至在显微镜下发育。人工授精后，它们完全同步发育，直至孵化出幼虫，这个过程需要1～2d。

　　3.1.1 配子的释放

　　成熟海胆卵子和精子通过其背侧生殖孔释放。在实验室中，可以把海胆倒置于烧杯中并通过体腔内注射0.5 mol/L KCl的方法刺激其排出配子。卵子释放进海水中，而精子则“干”地释放到盘中用于在选择的时间使卵授精。授精是将乳液状精子悬液混入卵子悬液中即可进行。其膜和胚胎的透明性使很容易在显微镜下观察体内受精、卵裂和原肠形成。

　　海胆卵和其卵裂模式已成为教科书中阐述动物卵和发育的原型（图2-1）。海胆卵被一层有弹性的非细胞结构包裹，这个结构称为卵黄膜（vitelline membrane）。卵黄膜外还有一层胶状膜。从卵子内部结构看，卵子沿动-植物轴极化，其中，动物极是当卵巢中的卵子减数分裂时极体排出的那极。极体是卵细胞的微型姐妹细胞，将会退化掉。卵子的单倍体核靠近动物极。极化的另一个标志是在一些地中海物种Paracentrotus lividus上发现的橘黄色色素亚赤道带（图2-1）。

　　海胆卵与哺乳动物卵不同，它的极体是在受精前形成。第六章将介绍海胆卵授精、受精和激活。

　　3.1.2 发育的起点：卵裂

　　精子核进入卵内，受精子与卵膜接触刺激，受精膜（起防止多精子进入的屏障作用）从卵表面举起，此时，卵子被激活，卵裂开始，细胞越来越小，但卵的总体积没有大的变化。海胆以同步、放射状的全裂方式分裂直至囊胚期。在显微镜下可一个个区分开的第一代子细胞叫分裂球，受内部分子生物钟驱动，其染色体迅速加倍，细胞每20～30 min就分裂一次。因此，细胞很快通过2-，4-，8-，16-，64-和128-细胞期。随着发育的继续，在胚胎不同区域，细胞周期长短和细胞分裂不再同步。此时胚胎内出现一个充满液体的腔，细胞自身重新排列构成包裹着中间腔的外上皮壁：胚胎进入囊胚期。囊胚的细胞壁称为胚盘（blastoderm），中间腔称为囊胚腔。胚盘的外表面形成了纤毛，纤毛的协调摆动引起囊胚在膜内旋转运动。

　　在动物极，第一个幼虫感觉器官形成，为一束长长的、不动的纤毛：称为顶簇（apical tuft）。在植物极，胚盘变平、加厚形成植物板（Vegetal plate）。植物板有一群含丰富核糖体的小分裂球。小分裂球开始移动，进入原肠胚形成期。

　　囊胚形成后不久，原肠胚形成开始。原肠胚约含1000个细胞，从受精膜孵化，其形成分几个时期：

　　1.原肠形成的开始以小分裂球的子代迁移至中间腔为标志。细胞变成瓶状，脱离外透明层和相邻细胞的粘附，最后分开。然后细胞象阿米巴虫那样，一个个移入囊胚腔，生成原始间充质。原来位于植物极周围的最小的分裂球子代被认为只在变态后才发生终末分化。然而，大部分原始间充质细胞很快变成成骨细胞，大量的重新聚合的间充质细胞融合形成合胞体索（syncytial cables）。这些合胞体索通过分泌不可溶的、结晶成闪烁的骨针的碳酸钙，形成幼体的骨骼。

　　2.小分裂球是诱导信号的发射者。移植到胚盘的另一位点后，小分裂球诱导其相邻细胞内陷。内陷（图2-3）是原肠胚形成第二阶段原肠形成的方式。营养板在囊胚腔内向内弯曲并延伸形成管状幼虫肠（图2-1）。内陷是绕动-植物轴呈放射对称状。当用外科手术将营养板与幼虫其余部分分离时，它会自动弯曲和卷入。

　　原肠沿囊胚腔纵向延伸。原肠顶端细胞上的叶状假足转变成丝状假足或丝状足（filopods），伸长并在胚盘内表面四周移动，探测囊胚层下部。丝状足指引正在延伸的原肠顶端至定型的嘴（definitive mouth）后来破裂的位点。原始的嘴（primary mouth），即胚孔将起幼虫肛门的作用。海胆和所有其它棘生动物门的成员属于次口动物，如我们自己属于脊索动物门一样。

　　3.原肠顶端的细胞减少伪足和分支，全力行使寻路者的功能。它们生成次级间充质，后者产生围绕肠四周的肌肉细胞及一些其他细胞类型。

　　虽有细胞进入和卷入囊胚腔，胚层形成仍不完全。随着幼虫发育，体腔囊作为原肠外翻部分膨胀形成中胚层（图3-3）。中胚层囊泡分离后，剩余的原肠构成内胚层。

　　3.1.3 幼虫

　　当美丽的幼虫孵出时，胚胎发生即告结束。海胆幼虫透明而美丽，被称为长腕幼虫。幼虫漂浮在水中，利用其纤毛摆动将微型食物漩入口中。

　　3.1.4 变态

　　从自由游动（浮游）的、双侧对称的幼虫转化成五聚体海胆需要一个基本的重构建过程。新构建从参与胚胎发生但被储存起来的一群细胞开始。其过程与“完全蜕变”的昆虫（如蝴蝶）的类似。在海胆和昆虫中，这群细胞称为成虫盘（imaginal discs）。本文对这个复杂的“灾难性”的变态不做描述。对海胆胚胎的实验观察只进行到长腕幼虫期止。

　　3.1.5 里程碑实验1：胚胎不是机器，具调控能力

　　Hans Driesch在那不勒斯（Naples）Stazione Zoologica做了如下有重大历史性意义的实验：如果在2-细胞期将两个分裂球彼此分开的话，每个分裂球均能生成一个完整的幼虫，它们是同一单合子的孪生子，虽然其大小只有正常幼虫的1/2（图3-1）。如果分裂球在4-细胞期分开，则形成四胞胎。甚至囊胚也能一分为二，产生相同的孪生幼体，但提供的胚胎必须是在原肠形成之前一分为二的，并且是沿动一植物轴切开的（图3-1）。Driesch由此得出结论：活的生物体不单纯是部机器，因为机器零件不能自动补充自己而修复成一部完整的机器。这个解释与当时盛行的机械学家的观点形成鲜明的对比（Box 3）。生物学家现在理解了调控是可能的，因为所有细胞都拥有全套的遗传信息，并且当沿卵轴切开时，两个半球都接受了动-植物极细胞质成分。

　　从8-细胞期开始，以对卵轴恰当的角度从赤道板上将胚胎一分为二，技术上讲是可行的。但结果就不一样了：动物一半发育成一个囊胚样的空卵裂球，且不能形成原肠。与之相反，植物一半能形成原肠，但生成的幼虫出现相当大的缺陷，如无嘴或手臂短（图3-1a）。Boveri，Driesch和Morgan用压力或离心方法使细胞质移位，得到的实验事实表明：细胞质成分负责不同的发育潜能。Driesch进一步得出结论：一个细胞的未来命运，它的“前景意义”是它在整体中所处位置的功能。Boveri提出沿着动-植物轴存在等级潜能的想法。这种沿着动-植物轴的细胞的等级差异是下面实验的焦点。

 

　　3.1.6 里程碑实验2：相互作用与梯度理论

　　Sven Horstadius进行了胚胎学史上最引人注目的实验。他研究了细胞沿早期胚胎中动-植物轴的发育潜能。通过横切分离，他从卵裂期胚胎中沿动-植物轴不同位置分出成排的细胞，然后并列放置。为了解释他的结果，Horstadius提出梯度理论（该理论首先由 Boveri系统阐述）。本文较详细地叙述了这个实验，因为它记录着经典发育生物学的科学方法并促进了许多动物系统的相似实验的开展。

　　如果在64-细胞期通过显微操作分离出动物极帽（盖）an 1（图3-2），此帽则生成一个不能形成原肠的空球。近看这个囊胚样的球，发现一个奇怪的异常现象：长纤毛（作为第一个幼虫感觉器官，即顶端器官的标志）没有在小范围内聚集形成顶簇，而是遍布整个囊胚。甚至an 2排（其子代正常时只具短纤毛）在分离后发育成一个覆盖大量长纤毛的囊胚，这样它形成一个顶端器官的能力在空间上被扩大了。这种动物半球结构特征被夸大的现象叫动物化（animalization）。形成夸张性动物结构的趋势随着与动物极距离增加而减少。

　　在完整的胚胎中，这个强大的动物化潜力必须得到来自胚胎植物部分影响的抵制或弥补。Runnstrom，Horstadius和其他斯堪的纳维亚的研究者们系统地研究了这些影响。他们进行了精细的移植研究。把小分裂球并列放在从动物半球上分离的成排细胞之上，夸大的动物趋势能得到补偿。移植的小分裂球是至今最好的植物化物（vegetalizer）。通过确定补偿所需的小分裂球数量，人们可以测定动物化力量强度（图3-2）。

　　当加入4个小分裂球时，an 1排细胞可正常发育成正常幼虫，但大部分都矮小。要使 an 2细胞正常发育，放2个小分裂球就够了；对veg 1来说，一个分裂球就够了。但是胚胎不可能有这样一种弱化的动物成分，即：使产生的卵形幼虫手臂短以及其它更多的缺陷。很显然，动物成分对于正常发育是必需的。当实验扩展到veg 2时这种必要更明显。veg 2排，正常时产生一个退化的、长腕幼虫样组织。加入小分裂球而被“植物化”，失去形成手臂的能力，而形成一个与身体其它部位相比过大的肠，因而这个肠不能内陷到内部腔内（外原肠胚）。

　　这些结果产生了所谓的双梯度模式（double-gradient model）：即沿动-植物轴的两种生理行为存在镜像梯度。这些行为被归于形态生成物质（morphogenic substances），现在，遵循Turing的建议可将其称为形态生成素（morphogens）（Box 4）。这些假设物质的分子特性仍不清楚。

　　一种推动决定向动物特性发展的“动物化”形态原认为是在动物极顶部；而推动决定向植物特性发展的“植物化”形态原在植物极尖端。因为相反的形态原彼此中和，所以每个因子的力量随着与它起源的距离的增大而减小。因此，局部发育图式是由两种形态生成素的比率决定的。

　　一种流行的假说认为形态原能自由穿过细胞膜从一个细胞扩散到另一个细胞。介导相互作用的有关信号可能只在肠间隙细胞间扩散或暴露在细胞表面并直接展现在相邻细胞上。在这两种情况下，信号分子都必须有受体接受（这种观点将把经典梯度假说与Davidson的假说连起来，在3.1.7部分将扼要介绍）。

　　令人惊讶的是，不仅并列放置小分裂球而且加入Li+（锂）离子也能使动物半球发育正常化。高浓度的Li+甚至能造成植物化至外原肠胚。现已知道Li+能阻止通过已知的PI-PKC通路（见第5章，Box 3）从膜锚定受体进入细胞内部的信号传导。

　　3.1.7 最近的观点

　　Eric Davidson以检测海胆卵中发育因子为目的，找到了拥有DNA结合区的蛋白，并抽提出了编码这些蛋白质的mRNA。得到下面的结果：

　　如同果蝇（见3.6）和爪蟾（见3.8）一样，海胆的未受精卵含有在卵子发生过程中转录和储存用的母源mRNA，它们至少编码10个不同的转录因子。这些母源成分以一种嵌合形式存留在卵中，它们在分裂球中分布也不同。它们作为细胞质决定子起作用。

　　第六次分裂后囊胚分成以下5个主要范围：（1）口的部位由局部决定子导向，形成口区域的外胚层上皮和沿臂扩展的纤毛带；（2）第二个区域形成远口外胚层；（3）第

 

　　三个形成植物板，尔后形成原肠；（4）第四个区域构成成骨骼的材料；（5）第五个范围含诱导原肠内陷的小分裂球（图3-3）。

 

　　然而，已分配到不同区域的母源转录因子不能自动发育（第五个区域的除外）。相反，不同区域的细胞可以交换信号，引起一种顺序诱导相互作用（sequence of inductive interactions）。例如，通过信号分子介导，分裂球能诱导邻近的 veg 2层中一些基因表达增强，另一些受到抑制，导致 veg 2大多数植物发育潜能受到抑制。用更通俗的术语来说就是，通过相互交换信号，决定状态得到更好的协调和稳定。Li+通过阻断PI信号传导系统干扰信号交换（Box 3）。

　　3.2 模式形成解译：盘基网柄菌

　　3.2.1 生命周期

　　盘基网柄菌（Dictyostelium）是一种简单的真核微生物，外形象阿米巴虫，通常称它为“细胞粘质霉”。但它的种系发生关系尚不清楚。细胞粘质霉盘基菌与多核粘质霉如绒泡菌无亲缘关系，与酵母或丝状真菌也无关。一些动物学教科书将网柄菌划为“社会阿米巴（social amoebae）”（聚黏菌）一类。然而，它与根足亚纲类的亲缘关系也不明显。这种生物有几个特殊的方面。

　　在标准的实验室条件下，盘基网柄菌的生命周期不是从受精卵开始，而是从单个单倍体阿米巴从孢子膜中释放出来开始。图3-4示盘基网柄菌的生命周期。注意它是完全无性生殖。

　　网柄菌在非正常条件下也会产生奇妙的有性生殖：通过吞噬相邻的阿米巴，两个细胞融合并扩大成一个巨型细胞，这个巨型细胞被包裹在囊内，尔后经过减数分裂和有丝分裂产生新的单倍体阿米巴虫。

 

　　在无性繁殖的生命周期中，网柄菌从单细胞状态到多细胞状态发生了一个非同寻常的转换：大量单个阿米巴集合成一个社会群体，使能适应不利的环境条件。因此，网柄菌是一种由原来独立的单细胞阿米巴形成的“部分时间是多细胞的生物体”（Kay et al，1989）。

　　网柄菌生活在含丰富有机物的土壤中。当潮湿时，子实体接种的孢子释放单倍体细胞，这些细胞呈现阿米巴的外形和生活方式。它们生活在水膜中，吃细菌，通过二分分裂方式繁殖（营养期，vegetative phase）。只有当食物供给已经耗尽或食物暴露，有干掉的危险时，成百上千的阿米巴才会集合。单个地或象旅行团一样集体迁移至一个共同的会议区。这个聚集体吸收所有不同地方来的细胞，最后形成一个多细胞组成的蛞蝓。口语中也称它为“蛞蝓”，科学术语称它为粘聚菌（grex）或假疟原虫（pseudoplasmodium）。蛞蝓被包在一种粘质的、非细胞片物质中，能象一个真正的蛞蝓那样移动。它迁移到一个明亮的地方变成子实体（fruiting body），子实体由一个基板和一个支持球形新孢子聚集于顶端的茎组成。基板和茎由体细胞构成。体细胞形成由纤维素组成的壁，最后死亡。相反，其中的孢子细胞存活，它们是生殖细胞，其形成和释放都是为了执行无性繁殖的功能。因此，子实体丰富了一个真正多细胞生物的定义。

　　虽然网柄菌的生命周期对于多细胞来说是不典型的（与海胆对比），但网柄菌的一些发育特征可以作为高等真核生物中相似事件的事例，包括聚集、细胞分化和图式形成（不同类型细胞发生有空间次序）。

　　3.2.2 聚集

　　大约在移走食物供给5h后，饥饿的细胞散发一种引诱的化学信号将邻近饥饿的细胞引向一个中央位置。网柄菌的这个化学信号是环腺苷单磷酸（cAMP）。cAMP由饥饿的细胞以每5～10 min的同步化脉冲发射，并在水膜中放射性扩散。这个信号能被一个有几个跨膜结构区的表面受体蛋白检测到，这与动物细胞中其它受体蛋白类似。这个受体与PI信号传导系统的通路偶联（见Box 3）。

　　为了加速信号传播并增大信号范围，网柄菌逐渐进化形成了一个中转信号的信使系统。相邻的阿米巴在表面受体接受到信号后，以释放自身的cAMP作为应答。因而，细胞局部cAMP浓度增高，信号扩增，扩散加快。为了保证信号确实从脉冲中心散发到外周聚集区（不是往后）的，每个阿米巴对于进一步的cAMP脉冲有约3min的不应答期。这种暂时性的“聋”防止了细胞受自身信号的干扰和相邻细胞发射的信号干扰。只有当信号已到达听不见的地方，阿米巴才对来自中心的新的信号敏感。

　　每个cAMP脉冲都会诱导一个往中心方向痉挛性的波动。每一个波到达时，阿米巴就推进一步。虽然群体中每个细胞都能独立到达聚集地点，但它们常常合成一个旅行队迁移。细胞一个连一个形成“溪流”，“溪流”汇成更大的细胞河，最后都聚集于中心，细胞数量可达100000个。

　　3.2.3 细胞分化和模式形成

　　细胞聚集期间也即蛞蝓形成结束，遗传性一致的细胞群分离成几个亚群：前茎细胞，约占20％，位于迁移蛞蝓的顶端；前孢子细胞；形成未来基板的细胞和聚集成茎细胞但形成蛞蝓后部的细胞。

　　关于阿米巴细胞群分成前茎、前孢子和基板细胞，有下面两种假说：

　　1.位置信息假说（Box 4）细胞在蛞蝓中的位置决定它的命运。

　　2.分类假说细胞在聚集时或聚集前就已分化，并根据其未来的作用寻找位置。

　　两种假说都必须解释三种类型的细胞数量的特征性比例是如何获取的。这个比例在实验操作如蛞蝓一分为二后又可恢复。手术移去前部或后部细胞造成剩余细胞重新发育和分配。前部末端的细胞成为茎细胞，后部末端细胞成为孢子细胞或基板细胞。在发育的子实体中，在细胞分化变得不可逆转之前，数量调控是可能的。许多事实趋向于杂合学说，即将位置信息和分类假说合并为一体的假说。

　　聚集的启动因素除饥饿外，看上去似乎还需要一种分泌蛋白在细胞中的积累。测量蛋白质浓度可间接测量细胞密度。因此，只有当有足够形成一个子实体的细胞时，发育才能开始。实验事实也强调小分子量信号物质在数量控制细胞分化和各种细胞类型中起关键作用。因此，在蛞蝓顶端存在高浓度的cAMP和分化诱导因子（DIF），但低浓度氨（NH3）的条件时，细胞注定成为茎细胞。

　　选择分化为前茎还是前孢子细胞，关键取决于DIF浓度。DIF属芳香族，它的核心由一个苯酚组分[1-（3，5-二路-2，6-二羟-4-甲氧基-笨）-乙烷-1]。和cAMP一样，DIF也是由饥饿和聚集的阿米巴释放。多余蛋白分解时产生NH3，如未来的茎细胞合成无氮的硬而耐久的纤维素细胞壁后死亡，氨基酸转换成纤维素，释放NH3。

　　有证据表明：在协调细胞群体中的事务时，更多的低分子量物质被释放用以传播信息。例如，迁移中的蛞蝓顶端上的cAMP产生腺苷酸，抑制了该位置上孢子细胞的形成。另一方面，蛞蝓顶端的NH3的蒸发有利于茎细胞形成。因此，化学和物理条件决定细胞分化的方式和特异性细胞类型产生的位置。

　　总之，网柄菌已成为研究信号周期发射、信号中转、趋化性和细胞通过细胞黏附分子建立接触的模式。细胞分化和图式形成方面的研究已普遍展开。

　　3.3 永生的水螅与现代实验生物学的萌芽

　　在莫扎特诞生前20年，瑞士学者 Abraham Trembley用镊子、解剖刀和大玻璃对小小的淡水水螅型水螅（Hyara）进行了再生与移植的系统性研究。宣告了现代实验生物学时代的开始。Trembley的观察靠详细的描述和名家的记忆很好地记录在档。两个半世纪之后，发育生物学家依然利用着水螅和它海上亲属显示的极大重构和再生能力。水螅很容易替换身体失去的部分，包括头、足和管状体的其它任何部分。更令人惊讶的是，在实验中，水螅能被分成单个细胞沉到盘底，象阿米巴虫一样爬行，与其它细胞重新建立接触形成细胞团（重聚集）。开始时，重聚集是无序的，也难以识别。几天或几周后，这个聚集体自组形成一个新的、有生存力的水螅。

　　水螅（图3-5）是腔肠动物门的一员。这个最简单的多细胞生物体有典型的动物细胞如感觉、神经和上皮肌肉细胞。尽管存在短命细胞（mortal cell）（如神经细胞），但是，水螅总体上还是永生的。通过无限的自我更新获得永生：水螅能通过永生的干细胞产生替代品替代任何老化或已完成使命的细胞。在这个更新的过程中，所有细胞甚至神经细胞也被更换。细胞增生、分化和迁移总在不停地发生，水螅是一个永久的胚胎，虽然其终末分化细胞会死亡，但细胞团体总是活的。

　　近年来对水螅的研究已偏重于细胞分化图式化和调控。

　　1.研究了再生和重组过程中图式形成和位置信息取决于细胞群所处的位置，它们能自组形成有触角的小嘴（口语叫“头”）、胃、茎或基盘（“足”）。第9章9.8部分将讨论身体图式形成调控。

　　2.干细胞更新、细胞增殖和细胞分化的控制 水螅主要由两类细胞组成（图3-6）：

 

　　（1）上皮细胞：决定身体基本构建。两个相邻的上皮层：外胚层和内皮层，形成管状样身体的壁。

　　（2）间质细胞：位于上皮细胞间隙（间质）。间质细胞包括感觉神经细胞、神经节神经细胞、四种刺细胞、一种腺细胞、配子和所有这些类型的细胞的干细胞。

　　上皮细胞甚至包括头和足部的那些上皮细胞都来自体柱中间的上皮干细胞。由此产生的细胞朝嘴迁移，逐渐与生长的触角或嘴圆锥整合；其它细胞向足部转移。到达身体各个末端的细胞经过终末分化最后死亡、脱落或被相邻细胞吞噬。

　　喂养很好的水螅，其胃部多余的细胞以出芽方式长出并与身体分离，完成自我克隆。

　　间质细胞来源于间质干细胞（Ⅰ细胞），这些干细胞保持着分化成不同细胞的能力，因此，归类为多能细胞（pluripotent）。新生细胞的数量和类型都受到精确调控。尤其水螅，以及其它肠腔动物，是至今还没有发现肿瘤或别的癌畸变的动物。这说明这些动物有一个非常有效的增生控制系统。

 

　　然而，研究从卵开始的早期胚胎发生，水螅不是一个很有用的模式，而且经典遗传学方法很枯燥无味。一般地说，水螅只在逆境或有压力的环境条件下才产生少量配子。水螅卵外有一层硬的、不透明的膜包裹。对胚胎发生（从卵到浮浪幼虫）或变态（从浮浪幼虫到水螅）感兴趣的研究者应考虑水螅的几个海洋亲戚，如具刺水螅（Hydractina）。这种群体生活的水螅生长在隐居蟹壳里，分布在北欧海岸和北美的大西洋海岸。图3-7示具刺水螅的生命周期。

 

　　和盘基网柄菌一样，人们在积极寻找和鉴别具刺水螅中与图式形成和增生、分化控制有关的信号分子。在具刺水螅中，一种PAF因子（proportionaltering factor，比例改变因子，其化学性质未知）显著地改变了胚胎发生和变态模式。当变态开始时，神经多肽，如Lys-Pro-Pro-Gly-Leu-Trp-NH2，作为一个内部信号激活并使浮浪幼虫同步转变成初级水螅。业已发现并认为可能参与控制变态和变态后图式形成的、含可转移的甲基基团的几种低分子量物质，如N-甲基吡啶甲酸和N-甲基-烟酸。糖蛋白SIF（生殖根诱导因子）从生殖根（与脉管系统相似的管网络）上释放，诱导生殖根分叉就象脊椎动物中血管生成因子诱导血毛细管分叉一样。在水螅以及具刺水螅中，花生四烯酸和其它类花生酸参与发育过程的控制。花生四烯酸诱导多余的头形成。

　　虽然水螅中还不可能有遗传交叉，但使用反向遗传和分子扫描技术（Box 6）已证明了许多与控制身体图式发育有关的基因包括同源异型框基因。

　　肠腔动物细胞的分化状态并不是一成不变的。实际上，细胞能改变它们的状态，肌肉细胞也可能变成另一种细胞类型。第11章11.1部分和第12章将讨论利用从水母中分离出的横纹肌细胞，如Podocoryne carnea种类的（大西洋海岸，地中海），研究转分化过程（图21-1）。

　　3.4 线虫：恒定细胞系示例

　　30年前，分子生物学家 Syndey Brenner就提出对小的、透明的线虫（图3-8）加强研究。现在，线虫已成为发育生物学众所周知的参考模式，并被证明是研究真核生物发育遗传、细胞生物学、神经生物学和基因组结构的一个极好材料。

 

　　在线虫中，胚胎发生是以一种精确的、忠实重复的、代代相传的物种遗传特异模式进行的。通过仔细观察发现：每个体细胞都可以重建其个体发生树。在线虫图3-9）中能获得最完整的细胞谱系构建图。其成功的原因在于线虫的解剖学简单，身体透明，遗传操作容易，特别是它的每一个体或繁殖的每一代的细胞谱系的高度精确性。每个个体发育到相等数量细胞后终止（细胞数量不变）。

　　线虫的自然生长环境是土壤，象盘基网柄菌一样食细菌。这两种生物都可以用相似技术在实验室里培养。先让细菌菌落在琼脂板上生长，接着在板上接种感兴趣的生物：盘基网柄菌的孢子和线虫的胚胎被包裹在透明的卵壳或孵化的幼虫中。它们的生命周期很短（3.5d），胚胎发生持续约12h（在25℃）或18h（16℃）。

　　线虫通常是两性的，有XX性染色体，外形和解剖学上看是雌性，但它不但能产卵，其管状生殖腺还能产生精子。自体受精导致亲近繁殖，反复杂交的结果，突变基因（新等位基因）在F2代就成为纯合基因。由于不分离，X染色体偶尔丢失会产生0.2％的XO雄性体（相应的XXX胚胎不能存活）。XO雄性体与两性体交配，此时，两性体扮演真正的雌性体。因此，在线虫中，交叉受精和自体受精是可能的，在交叉受精中，新等位基因可以被引入。

 

　　线虫的胚胎发育在靠近生殖腺管一半长的地方进行，该地称为子宫。除母体和胚胎透明外，胚胎还能从子宫中取出且不破坏膜。有一种追踪细胞命运图谱的方法是在胚胎中注入永久标志物如荧光染料、标记抗体或报导基因（Box 7）。这样，不仅注射的分裂球被标记，而且它们的子代也能被标记。有一些细胞系有自然分化标记物，如在E-细胞谱系中，用极化视学可在其肠中检测到小杆线虫颗粒（功能未知）。通过对显示干扰细胞谱系的大量突变体的研究补充了对线虫原来描述的细胞谱系的分析。用一束激光束可消除定义的细胞。从遗传学和细胞生物学角度看，这些手段的强有力的结合对研究线虫是独一无二的，并证明了Brenner对它所具的代表性所做的预见和热情。

　　线虫虫出生时有556个体细胞和2个原始生殖细胞。经过了四个蜕皮分离的幼虫期，持续3d时间。发育结束时，若是雌雄同体，成熟成虫有959个体细胞和约2000个生殖细胞。若是雄性成虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个神经细胞组成，这些细胞来自407个前体细胞，这些前体细胞中有105个发生了细胞程序化死亡（凋亡）。

　　细胞分裂往往是不对称的，即由一个前体细胞有丝分裂产生的两个子细胞继承的遗传信息是均等的，但细胞质成分不均等，因此，它们的命运不同。线虫的生殖系（germline）特别引人注目。生殖系的定义是：从受精卵到原始生殖细胞，包括所有能够形成配子的细胞（图3-9）。在线虫中，在这条系上的细胞被命名为P0，P1，P2，P3和P4。最后一个P-细胞，P4，为原始生殖细胞。P0至P4的细胞赋有一种特殊传代物的特征：不对称细胞分裂把细胞质中P颗粒（P granules）只分配到生殖细胞中，而不分配到注定要成为体细胞的姐妹细胞中。在蛔虫（Ascaris，或称为Parascaris）中，只有生殖系细胞保持染色体完整，而体细胞经不对称分裂后失去一些染色体物质（染色质消减，chromatin diminution）。（Theodor Boveri，1910年叙述并分析了这种现象，指出丢弃的染色体对于生殖系的发育可能很重要。时至今日，消减的DNA的功能仍是一个值得深思的问题）。

　　线虫的染色体的消减尚不清楚。通过对线虫细胞谱系（cell pedigree）分析揭示，几个创立者细胞只产生一种组织：分裂球E产生所有的且是唯一的肠。（最近在对线虫的描述中避免用“干细胞”这个词，因为在孵出的成虫中，具自我更新能力的子细胞不存在，所以用“创立者细胞”这个词）。然而，这种特殊性并不是一个规律。正常时，相同谱系沿着胚胎纵轴产生一类以上细胞。相反，大多数组织由几种创立者细胞分化而来，反过来，这些组织又产生其它组织。由几种创立者细胞产生的这些组织具多克隆起源（polyclonal origin）。例如，神经细胞起源于其后代也能参与肌肉生成的细胞。另一方面，肌肉细胞起源于三种多能创立者细胞。因此，除肌肉外，分裂球C还产生神经和真皮细胞。

　　通过对大量突变体以及手术除去创立者细胞的仔细分析引出这样一种观点：每个细胞的命运不仅由早期胚胎发生时分配的细胞质成分（如RNA）决定，很大程度上也取决于相邻细胞间早期精确的相互作用。

　　人们认为线虫的发育遗传控制由约1600个基因完成，其中许多是所谓的“选择基因”或“主导基因”（见3.6节或第10章）。估计蛔虫的整个基因组只有3000个基因，整个基因组约8×107bp。人们已准备对这个小基因组（大约为人类基因组的3％）进行测序，预计到1997年完成。

　　3.5 螺旋动物：一种循环卵裂模式

　　在动物界里，螺旋或斜向卵裂在若干类群发生：无腔的涡虫纲、纽形动物、环形动物和软体动物（乌贼除外）（图2-2，3-10）。因此，这几个种系的动物被称为螺旋动物。通常它们的胚胎发育经过一个典型的囊胚和原肠胚，终止于担轮幼虫（trochophore）（图3-11）或类似担轮幼虫的幼虫如面盘幼虫。

　　至于线虫，因为它恒定的分裂和细胞谱系模式，使追溯身体不同部分的起源至不同创立者细胞成为可能。四细胞期的分裂球D和其后代4d早已引起人们特别关注。4d细胞是原始中胚层，中胚层内部器官的创立者细胞。在几种软体动物中，卵植物极细胞质的一个显著部分被以一种极叶的形式隔开。如果将植物极细胞质在它移位到叶之前用一根微管移走，胚胎就不能发育出背腹轴。

　　在卵裂过程中，无核裂叶（anucleate lobe）被周期性地排除。在细胞分裂时，裂叶始终黏附在两个子细胞中的其中一个上，胞质分裂后被吸收。在下一次分裂前又被排出。有搏动球标志的细胞是D细胞系的细胞。裂叶含有未来中胚层形成必需的未知组分。当裂叶被切除并与如细胞A融合时，细胞D失去产生中胚层的能力，相反，细胞A能产生中胚层。

　

　　在螺旋动物中，没有那一个单一物种拥有主要参考模式的地位。软体动物中，人们一直在研究池塘蜗牛、陆地蛞蝓、海洋蜗牛、掘足纲Dentalium（獠牙壳）和海洋贝壳蛞蜊（谷壳）的发育，尤其对蛞蜊卵子的激活感兴趣。

　　环节动物的海洋多毛纲虫、刚毛虫和扁形虫或热带水蛭、沼生水蛭和血蛭是实验室的常用材料。向水蛭胚胎中显微注射示踪物能追踪每个神经元谱系重建的创立者细胞。

　　水蛭和其它环节动物是研究在演变过程中由于发育的变化、动物多样性如何产生的极好的合适模式。根据节肢动物和环节动物的分节身体图形推测它们来自共同的分节祖先。然而，在这两类动物不同成员中，分节的类型可以有很大不同。例如，环节动物和许多节肢动物的节肢是在胚后发育中，增加在靠生长中的动物的后部的；相反，果蝇所有的节肢是同时形成的（3.6部分）。“反向遗传学”手段（Box 7）利用从果蝇基因如engrailed中获得的探针，正被成功地应用于环节动物的研究，肯定将来会产生令人兴奋的结果。