第十章发育分化与遗传毒理

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第十章发育分化与遗传毒理

第一节发育过程的遗传调节

迄今对于胚胎发生过程的遗传调节的信息仍很少。但是对于低等生物，特别是对黑

腹果蝇(Drosophila melanogaster)的研究已经识别出若干基因和基因家族，这些基因在早

期发育过程中起重要作用。这些基因的产物多为转录因子。转录因子蛋白可与特定的调

节DNA序列结合形成复合物，这些复合物通过RNA聚合酶来启动转录，从而控制从

DNA模板转录出RNA。

转录因子通过激活和抑制基因表达而开启和关闭基因。重要的转录因子，多以涉及

基本胚胎发育过程的协同的连续的级联式反应，控制其他基因。这里所说的基本的胚胎

发育过程，包括分节、诱导、移动、分化，以及细胞程序性死亡或细胞凋亡。现在已经知道

以上过程是由生长因子、细胞受体和叫做成形素(morphogens)的化学物质介导的。这些

物质能够刺激细胞受体，而且在某种结构(例如肢芽)中形成浓度梯度，由此决定体轴的发

育和组织特异性。在鸡的肢芽中已识别的生长因子包括成纤维细胞生长因子和骨形态发

生蛋白，并发现与转化生长因子有关。也已有证据表明，在指(趾)形成和分化中，所涉及

的成形素主要是视黄酸。

从一个受精卵发育成一个生物个体，有赖于受精卵内的全部DNA序列，正常发育过

程也有赖于多个基因的表达、生化过程与信号转导通路的仔细配合。致畸剂可扰乱胚胎

发育过程。这种扰乱可以由异常的信号产物所引起，也可以由致畸剂改变了细胞对信号

的反应而引起。而两者均可直接影响生化通路或那个通路上的调节分子的水平。视黄酸

(retinoic acid，RA)是一种颇具说服力的致畸剂，已有较多资料说明RA对早期胚胎发育

过程中的基因表达有明显的影响。生长因子与RA均可影响胚胎发育过程，但是生长因

子是亲水的信号分子，而RA是疏水分子。

致畸剂影响胚胎发育的机制大致上可划分为以下两类：

1)修饰定位信息(positional information)；

2)直接影响细胞的分化、增生或死亡。

以上的划分是相对的，实际上不能把它们看作完全无关联的两种机制。

HOX或HOM类(homeobox，含有影响前后体轴的基因)属于定位信息基因。诱导

信号，例如骨形态发生蛋白(BMPs)，属于对细胞的直接影响。

一种特定的致畸剂可直接影响一种信号通路，但他的影响也可能被另一信号通路的

间接影响所放大。RA信号与许多其他信号分子(例如生长因子和激素)有相互作用。因

此研究众多信号转导通路的结合及其对胚胎发育过程的调节是很重要的。

在下面将在上述内容的基础上讨论早期胚胎发育过程的遗传调节及RA所起的作

用。

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一、定位信息

正常形态发生的关键是在正确的空间和时间范型(spatial and temporal pattems)内调

节分化特异的基因。在胚胎中首先被确立的空间范型是前后、背腹和左右体轴(axis)。

在昆虫和两栖类中，这些空间范型是由母体(卵母细胞)确立的或与精子进入点有关。在

哺乳类中则是在胚胎发育若干天之后才确立体轴。许多高度保守的基因在不同的生物

(昆虫、两栖类、鸟类和哺乳类中)体轴的确立中起作用。许多这类基因的产物是转隶因

子，它们协同调节一组基因并决定特定细胞的分化。

二、组 织 者

就原肠形成期胚胎而言，两栖类动物的胚孔背唇、鸟类和哺乳类的原结具有诱导或组

织一个新体轴的能力。现在证明这种组织者(organizer)是受基因控制的。应用两栖类胚

胎的生物鉴定，并利用果蝇的调节因子的DNA结合结构域的十分保守的序列已识别出

许多与这种组织者功能有关的基因。这些基因的功能在昆虫和脊椎动物之间显然是很保

守的。例如，蝇类的orthodenticle基因和相关的小鼠0tx2基因对于蝇类和小鼠的头部发

育是必需的。胚胎学家正利用小鼠基因打靶技术，进一步鉴定组织者的性质。

有许多转录因子在组织者所在的组织中表达。在非洲爪蟾(Xenopus)中，这些转录

因子的表达与组织者的功能按预期的方式相互关联。同源(异型)框(homeobox)所包含

的转录因子基因goosecoid(Gsc)在非洲爪蟾和小鼠中具有组织者的活性。但是Gsc不能

与内源性的鼠组织者进行竞争，因为缺乏Gsc功能的胚胎具有一个不受影响的体轴。其

他3种转录因子基因(Otx2、HNF3β和Liml)均介导哺乳类的组织者活性，都是很好的

候选基因。每个基因的靶向阻断(targeted disruption)将引起脑前部结构的缺如，例如前

脑和中脑。用RA处理也将导致前脑和中脑的缺陷。这既是由于前组织者(anterior orga．

nizer)功能所需要的基因(例如0tx2)发生抑制，又由于HOX 或 HOM基因的前诱导(an-

terior induction)在后脑中正常表达。缺少Liral功能则完全破坏了组织者对头部的诱导

活性。带有被阻断的Liml基因的小鼠则头部完全缺如，而其他结构的Lim1正常表达，

其Liml实质上是正常的。Brachyury(T)基因能影响躯干和尾部的形成。若干生长因子

调节组织者一特异转录因子的表达(见本章第十五节)。

三、脑部的分节

果蝇(Drosophila)的胚胎范型(embry0’s pattern)是经过一个相继分裂的过程形成

的，起初合子分裂形成一个大的块状结构，然后经过特异的分化形成狭长的细胞结，间隔

基因(gap gene)转录因子使其形成前、中或后原基(fates)。然后配对律基因(pair-rule

gene)和节极性基因(segment polarity genes)表达，使狭长的细胞条发展成为特异的分节

原基。与此相类似的过程也见于脊椎动物，而所涉及到的基因在序列及表达范型(express-

sion pattern)方面都是高度保守的。另外，蝇类中许多基因的同源物通过相互作用来控制

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细胞命运，在脊椎动物中也是如此。

通过基因的相继表达所进行的范型特化控制了发育过程中脑的分节。脑从形态上分

成几个大的部分，即前脑、中脑和后脑，接着再分成狭小的单位，例如后脑的菱脑。这些脑

节表现了转录因子的独特型，转录因子规定了每个脑节的命运。前面已说过，0tx2是前

脑和中脑的发育所需要的。3种转录因子Engrailed(En)、Pax2和5，以及分泌因子

Wnt1和Fgf8介导中脑和后脑前部的分节。缺乏Wnt1以的小鼠缺少这些脑节。正常情

况下，中脑和后脑前部表达En，En的表达需要Wnt1，缺少En时，这些脑节便不能发育。

En1则足以诱导这些区域的发育。通过在中后脑中由Wnt1以引发的Enl的信号一非依

赖性表达，v无效等位基因的纯合小鼠得以获救(rescue)，胚胎也恢复了其他2个基

因Pax5和Fgf8的表达。这些基因是这个区域的发育所必需的。Wingless和engrailed

(是果蝇的Wnt1和En的同源基因)的相互作用表明这种范型形成机制是十分保守的。

后脑进一步分成8个节，称之为rhombomeres(r)，每个r和由r迁移来的神经嵴细胞

都有独特的发育命运，而这是由转录因子表达的独特范型所决定的。例如r3表达锌指编

码基因Krox20及Hoxb2。与此完全不同的是r4缺乏Krox20，既表达Hoxb2也表达

Hoxbl。这两个r中的细胞命运有巨大的差异。从r4迁移来的神经嵴细胞位于第二鳃

弓，而，3的大多数神经嵴细胞通过细胞凋亡而死亡。化学物质例如RA修饰这些转录因

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