發(fā)育與進(jìn)化關(guān)系

1、發(fā)育與進(jìn)化,姚 忠 祥組織胚胎學(xué)教研室,醫(yī)學(xué)發(fā)育生物學(xué),達(dá)爾文的發(fā)育和進(jìn)化觀,1828年，Von Baer提出 “生物發(fā)生律(biogenetic law)”。要點(diǎn)：較高一級(jí)動(dòng)物的胚胎并不重現(xiàn)相關(guān)的較低一級(jí)動(dòng)物的成體形式，但是較高一級(jí)動(dòng)物的胚胎發(fā)育存在著相關(guān)的較低一級(jí)動(dòng)物胚胎相似的階段。,1859年，達(dá)爾文完成“物種起源” 。發(fā)現(xiàn)：胚胎發(fā)育對(duì)于了解生物進(jìn)化非常重要，并把胚胎視為推測(cè)動(dòng)物彼此之間進(jìn)化關(guān)系的可靠線索。動(dòng)物胚胎有時(shí)會(huì)產(chǎn)

2、生某些與成體不相稱的結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)都與其他動(dòng)物顯示出某種相關(guān)性。適應(yīng)能使有機(jī)體在特定環(huán)境下存活，適應(yīng)發(fā)生在胚胎發(fā)育后期。種和屬間的差異只有在胚胎發(fā)育晚期才發(fā)生。,達(dá)爾文認(rèn)為，應(yīng)從兩個(gè)方面觀察“變異的世代”：尋找兩種或兩種以上動(dòng)物胚胎之間的同源性(homology)，強(qiáng)調(diào)世代共同性。發(fā)現(xiàn)動(dòng)物發(fā)育如何改變，產(chǎn)生適應(yīng)特定環(huán)境的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)變異(modification)。達(dá)爾文自己并未試圖用胚胎學(xué)資料對(duì)系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)行完整的構(gòu)思。但其影響

3、了當(dāng)時(shí)許多學(xué)者去這樣做。,1891年，Metchnikoff指出：進(jìn)化來(lái)自于胚胎的變異，而不是成體的變異。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為有機(jī)體是通過(guò)胚胎發(fā)育變化而進(jìn)化。Haeckel明確指出：任何有機(jī)體的進(jìn)化都是較低一級(jí)動(dòng)物胚胎發(fā)育至最后時(shí)期之后再增加一個(gè)新時(shí)期的結(jié)果。整個(gè)動(dòng)物界由低級(jí)到高級(jí)就代表人類發(fā)育的縮影。,胚胎發(fā)育變化是如何發(fā)生的？,19世紀(jì)末，試圖通過(guò)細(xì)胞譜系分析把個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系起來(lái)。Wilson特別強(qiáng)調(diào)運(yùn)用胚胎同源性建立系統(tǒng)發(fā)育關(guān)

4、系。 Wilson(1898)發(fā)現(xiàn)：不論在哪一種動(dòng)物中，同樣的器官總是來(lái)源于同一組細(xì)胞。因此，他認(rèn)為這些動(dòng)物享有共同祖先。,Lillie則強(qiáng)調(diào)卵裂變異性而不是相似性。Lillie (1898)發(fā)現(xiàn)：貽貝(Unio)卵裂會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生鉤介幼蟲(chóng)，在水中流動(dòng)生活。他認(rèn)為：研究進(jìn)化最好集中于研究使動(dòng)物能在特定環(huán)境下生存的胚胎發(fā)育變化，而不是集中于研究同源性。,至此，對(duì)發(fā)育和進(jìn)化的研究出現(xiàn)兩種主要方法：各類不同動(dòng)物之間的基本統(tǒng)一性、各種動(dòng)物適應(yīng)

5、特定環(huán)境的發(fā)育變化。這兩種方法至今仍是研究發(fā)育和進(jìn)化的主要手段。達(dá)爾文認(rèn)為：動(dòng)物統(tǒng)一性和發(fā)育變化在時(shí)間上可以分開(kāi)，即在發(fā)生早期可以發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一性，而在發(fā)育后期則發(fā)生歧異適應(yīng)環(huán)境。,新門類的形成,有機(jī)體是如何從一種形體模式進(jìn)化出另一種形體模式的呢？首選的途徑可能是改變最早期的胚胎發(fā)育階段?？赡苁芗?xì)胞質(zhì)決定子分布改變的影響，也可能受一個(gè)細(xì)胞或一組細(xì)胞分裂速度改變的影響，還可能受細(xì)胞分裂時(shí)位置改變的影響。,另一種途徑可能與幼蟲(chóng)變異有關(guān)

6、。達(dá)爾文認(rèn)為：幼蟲(chóng)形態(tài)相似性表明它們具有共同血統(tǒng)。,模塊化：通過(guò)發(fā)育產(chǎn)生進(jìn)化的先決條件,發(fā)育非常復(fù)雜，其調(diào)節(jié)非常精細(xì)，胚胎發(fā)育是如何發(fā)生變化的？一度曾有人認(rèn)為：促進(jìn)進(jìn)化的惟一途徑是在胚胎發(fā)育末期再增加一個(gè)發(fā)育步驟。但是，現(xiàn)在知道，即使在發(fā)育早期也能改變產(chǎn)生進(jìn)化新結(jié)構(gòu)。發(fā)育過(guò)程中能夠變化的原因是胚胎像有機(jī)體成體一樣，由彼此相互作用的一系列組件或模塊(modules)構(gòu)成。,模塊的概念,細(xì)胞 組織 器官 系統(tǒng)

7、 Dyke(1988)稱這種等級(jí)系統(tǒng)為等級(jí)相互作用模塊排列(level-interactive modular array)。發(fā)育過(guò)程中，等級(jí)相互作用模塊包括形態(tài)發(fā)生場(chǎng)、細(xì)胞譜系、成蟲(chóng)盤、昆蟲(chóng)副體節(jié)和脊椎動(dòng)物器官原基。,,,,發(fā)育通過(guò)相互作用的不同模塊而發(fā)生。有機(jī)體由彼此協(xié)調(diào)一致的單元構(gòu)成。模塊單元能使身體不同部分在不影響其他功能的情況下發(fā)生變化。,模塊化(modularity)的基本原理,分離(dissociation)復(fù)制

8、和變異協(xié)同選擇,分離：異時(shí)性和異速生長(zhǎng),胚胎發(fā)育的模塊化使胚胎發(fā)育可以發(fā)生時(shí)空變化。通過(guò)突變和環(huán)境干擾，胚胎某一部分可以獨(dú)立于其他部分而發(fā)生變化。異時(shí)性(heterochrony)是指胚胎發(fā)生過(guò)程中，兩個(gè)發(fā)育過(guò)程的相對(duì)時(shí)間選擇的改變。即一個(gè)模塊可以改變其相對(duì)于胚胎另外一個(gè)模塊的表達(dá)時(shí)間。,熱帶榮螈屬成員之間爪的差異最能說(shuō)明發(fā)育時(shí)間的改變對(duì)不同動(dòng)物形態(tài)和生態(tài)習(xí)性所起的作用。,基本保守，比例變化大，有的出現(xiàn)了融合和丟失,榮螈幼體階段性細(xì)

9、胞初期發(fā)育(progenesis)也稱為幼態(tài)成熟(neoteny)過(guò)程中就存在異時(shí)性。,蛙類也可以直接發(fā)育為成蛙，不存在水中生活的蝌蚪時(shí)期，其卵子產(chǎn)于陸地上。這種直接發(fā)育需要卵子儲(chǔ)存大量卵黃提高營(yíng)養(yǎng)。卵黃含量增大本身就是異時(shí)性的一個(gè)例子，它涉及卵子發(fā)生時(shí)卵黃合成時(shí)間的延長(zhǎng)或卵黃出現(xiàn)迅速合成期。,當(dāng)有機(jī)體不同部分以不同速度生長(zhǎng)時(shí)即出現(xiàn)異速生長(zhǎng)(allometry)。異速生長(zhǎng)在形成不同形體結(jié)構(gòu)方面十分重要。,復(fù)制和變異,模塊化可以允許復(fù)

10、制和變異。復(fù)制形成多余的結(jié)構(gòu)，而變異則能使多余結(jié)構(gòu)獲得新功能。復(fù)制形成多余結(jié)構(gòu)后，其中一個(gè)可以保持原有功能不變，而另一個(gè)則可自由突變，功能發(fā)生歧化。分子水平：TGF-beta家族等組織水平：體節(jié)、脊椎等，汗腺和乳腺等,協(xié)同選擇,Engrailed基因：果蠅胚胎分節(jié)、決定神經(jīng)元、使幼蟲(chóng)階段的成蟲(chóng)盤形成前后極軸。沒(méi)有一種結(jié)構(gòu)是預(yù)定專為某種特定目的而存在的。換言之，既存單元可以根據(jù)需要產(chǎn)生新功能。組織學(xué)水平：脊椎動(dòng)物的翅,每一次演

11、化，前肢結(jié)構(gòu)都演變執(zhí)行全新的功能。,,協(xié)同作用最有名的例子是利用胚胎鰓弓形成頜部，頜部形成哺乳類中耳。,離開(kāi)海洋后，陸生脊椎動(dòng)物再也不需要鰓弓了，但是產(chǎn)生鰓的胚胎結(jié)構(gòu)仍然存在。它們經(jīng)過(guò)改造，形成包括人在內(nèi)的哺乳類面部和頸部的不同結(jié)構(gòu)。由水生向陸生的進(jìn)化很少產(chǎn)生全新的結(jié)構(gòu)。新的解剖特征通常是由已有的結(jié)構(gòu)改造而成。因此，可以認(rèn)為：大多數(shù)進(jìn)化是對(duì)現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的“修改”，逐漸塑造出不同的結(jié)構(gòu)。如腎臟發(fā)育。,生物發(fā)育研究對(duì)生物進(jìn)化現(xiàn)象提出新的思考

12、和探察方法,當(dāng)前，從發(fā)育的角度研究生物進(jìn)化十分活躍，概括地說(shuō)，大致可以歸納為3個(gè)方面：從分子和細(xì)胞水平探察不同物種間的同源性、相關(guān)性通過(guò)對(duì)多細(xì)胞生物體制建立過(guò)程的物種間比較，分析生物進(jìn)化可能的路徑和機(jī)制對(duì)生物進(jìn)化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的綜合性研究,蛋白質(zhì)分子的進(jìn)化,蛋白質(zhì)在序列、結(jié)構(gòu)和功能上的進(jìn)化途徑：直接利用原有蛋白質(zhì)開(kāi)發(fā)新功能，如：眼晶狀體的主要成分α-晶體蛋白A，它是細(xì)胞中普遍存在的α晶體蛋白B的開(kāi)發(fā),對(duì)舊有蛋白質(zhì)修改，產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)，

13、如：中間纖維蛋白及其同族成員可能來(lái)自廣泛分布于真菌以外的核纖層蛋白,不同物種的Pax-6同源基因產(chǎn)物不僅廣泛存在，而且其氨基酸序列高度保守研究表明Pax-6對(duì)眼的作用是在舊有“元件”的改造和利用。,通過(guò)不同亞單位的聯(lián)合構(gòu)建新的功能蛋白。如：合成乳汁的酪蛋白是一個(gè)非共價(jià)結(jié)合的雙亞基復(fù)合體，其中之一是只發(fā)現(xiàn)于哺乳動(dòng)物的α乳清蛋白，它與雞卵清C型溶菌酶蛋白有很高的同源性，但已失去防衛(wèi)功能，因此，認(rèn)為乳汁的起源可能來(lái)源于與免疫功能有關(guān)的分泌

14、物的轉(zhuǎn)化。,基因外顯子的轉(zhuǎn)移和DNA重組造就新的蛋白質(zhì)分子。大量的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出不同基因序列模塊嵌合的特性，而基因的多拷貝為此創(chuàng)造了進(jìn)化發(fā)生的條件。,果蠅和酵母相關(guān)蛋白的同源異型域結(jié)構(gòu)非常相似,A.典型的同源異型結(jié)構(gòu)域的三維結(jié)構(gòu)。B.果蠅Engrailed蛋白的同源異型結(jié)構(gòu)域（黑色）和酵母MATα2的同源異型結(jié)構(gòu)域（淺色）的多肽主鏈幾乎完全重合，盡管兩者分化超過(guò)10億年。,同源異型結(jié)構(gòu)域的序列比較,果蠅蛋白En和Antp與哺乳動(dòng)物蛋白

15、Oct2盡管它們?nèi)S結(jié)構(gòu)很相似，序列相似性較小，N端高度保守，螺旋3則11/17保守,序列不同的珠蛋白的三維結(jié)構(gòu)比較蛤珠蛋白（黑色）與鯨肌紅蛋白（灰色）幾乎完全重疊,疑問(wèn)？,盡管同源異型框的氨基酸序列表現(xiàn)出很大分化，但在結(jié)構(gòu)上高度保守如何適應(yīng)不同細(xì)胞類型中對(duì)不同基因表達(dá)調(diào)節(jié)任務(wù)的需要呢？即使在進(jìn)化上距離很遠(yuǎn)的物種，同源異型框基因產(chǎn)物在功能上表現(xiàn)出很大的通用性。,同源異型結(jié)構(gòu)域?qū)NA結(jié)合的特異性并不高，親和性也沒(méi)有明顯區(qū)別。但

16、是，同源異型框基因的剔除可以造成發(fā)育終止、器官易位等嚴(yán)重后果，表明同源異型框基因介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)在進(jìn)化上存在顯著的分化。這一進(jìn)化是通過(guò)什么方式進(jìn)行的呢？,通過(guò)發(fā)展多種協(xié)同、輔助因子完成。實(shí)際上，正是由于同源異型框蛋白對(duì)DNA結(jié)合力弱的特性，給這種發(fā)展帶來(lái)了巨大的便利和機(jī)遇。而對(duì)應(yīng)于廣泛的協(xié)同、輔助因子的建立，同源異型框基因在非編碼區(qū)出現(xiàn)了廣泛的分化現(xiàn)象。,在進(jìn)化上細(xì)胞學(xué)的核心程式表現(xiàn)出高度的同一性和保守性,形態(tài)構(gòu)建：共同點(diǎn)：線性

17、多聚actin為基本骨架成分。差別：通過(guò)不同的鉸鏈蛋白，形成不同的骨架纖維。而鉸鏈蛋白在不同的物種間極為近似?？梢哉f(shuō)，進(jìn)化上細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異和多樣性主要來(lái)自骨架成分聚合或鉸鏈方式的不同，而它們的核心分子和構(gòu)建機(jī)制有高度的穩(wěn)定和保守性。,微管：與細(xì)胞及細(xì)胞成分極化有密切關(guān)系。細(xì)胞在進(jìn)化中對(duì)微管的利用出現(xiàn)很大的差異，但從早期的后生動(dòng)物出現(xiàn)以來(lái)，微管就存在并被利用，它們的基本構(gòu)成和性質(zhì)幾乎沒(méi)有更改。微管具有高度組裝和去組裝的動(dòng)力學(xué)活

18、性，多種細(xì)胞學(xué)現(xiàn)象與此有關(guān)：紡錘體形成、核融合中的轉(zhuǎn)移、神經(jīng)遞質(zhì)小泡的傳輸、纖毛／鞭毛／細(xì)胞突起的形成、細(xì)胞分化決定子的定位等,建立對(duì)核心程序網(wǎng)絡(luò)的特異控制是多細(xì)胞生物進(jìn)化的重要手段,多細(xì)胞生物的發(fā)育在很大程度上表現(xiàn)為對(duì)多通道的核心有序程序網(wǎng)絡(luò)不斷建立新的特異控制，使這一過(guò)程專一化，由此引導(dǎo)細(xì)胞在形態(tài)和功能上的分化，帶動(dòng)生物的分化。如：鈣離子控制肌肉收縮機(jī)制，在不同動(dòng)物并不相同,,A.平滑肌B.骨骼肌C.軟體動(dòng)物肌肉,靶蛋白質(zhì)磷酸

19、化后會(huì)產(chǎn)生截然不同的作用,,Hox基因的倍增—增加了發(fā)育調(diào)控的新基因,進(jìn)化發(fā)育生物學(xué),在達(dá)爾文時(shí)代，發(fā)育和進(jìn)化曾是彼此聯(lián)系的統(tǒng)一體。但從19世紀(jì)末20世紀(jì)初開(kāi)始，由于實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的興起，胚胎學(xué)家對(duì)胚胎如何發(fā)育比對(duì)胚胎如何進(jìn)化更感興趣，因而對(duì)胚胎發(fā)育本身進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)育生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)彼此分離。,個(gè)體發(fā)育不但是對(duì)發(fā)育機(jī)制選擇的產(chǎn)物，而且是特定進(jìn)化歷史的產(chǎn)物。各門動(dòng)物特有的形體模式的產(chǎn)生是由在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生的形式變化累積形成

20、的，或者說(shuō)個(gè)體發(fā)育過(guò)程蘊(yùn)含著系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中長(zhǎng)期積累形成的形式變化。要理解發(fā)育和進(jìn)化之間的關(guān)系，需要將傳統(tǒng)上分開(kāi)的兩個(gè)學(xué)科－－發(fā)育生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)綜合起來(lái)。,隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不同的基因序列不但可以從進(jìn)化的角度比較，從而找出同源基因，而且可以研究同源基因在發(fā)育中的作用。發(fā)育生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)在分子水平上又再度聯(lián)合在一起了，并產(chǎn)生了進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)(evolutionary developmental biology)這門新學(xué)科

21、。,左右軸的幾個(gè)進(jìn)化學(xué)問(wèn)題,左右不對(duì)稱現(xiàn)象具有高度的保守性外部對(duì)稱-水中和陸地上的運(yùn)動(dòng)內(nèi)部不對(duì)稱有利內(nèi)臟器官更有效地發(fā)揮功能1個(gè)心臟比兩個(gè)脈沖收縮的管腔更有效有利于內(nèi)臟在胸、腹腔中最佳排列全反位內(nèi)臟病人無(wú)生理不適任一個(gè)臟器異位的病人均有生理不適發(fā)育成內(nèi)臟器官的細(xì)胞知道或接受到左、右方向的信息-在基因調(diào)控下-遷移-分化-發(fā)育,考核：完成綜述,結(jié)合自己的專業(yè)完成一發(fā)育機(jī)制相關(guān)綜述。時(shí)間：6月30號(hào)前交組胚教研室 姚忠祥教授