發(fā)育與進化關系

1、發(fā)育與進化,姚 忠 祥組織胚胎學教研室,醫(yī)學發(fā)育生物學,達爾文的發(fā)育和進化觀,1828年，Von Baer提出 “生物發(fā)生律(biogenetic law)”。要點：較高一級動物的胚胎并不重現(xiàn)相關的較低一級動物的成體形式，但是較高一級動物的胚胎發(fā)育存在著相關的較低一級動物胚胎相似的階段。,1859年，達爾文完成“物種起源” 。發(fā)現(xiàn)：胚胎發(fā)育對于了解生物進化非常重要，并把胚胎視為推測動物彼此之間進化關系的可靠線索。動物胚胎有時會產(chǎn)

2、生某些與成體不相稱的結構，但這些結構都與其他動物顯示出某種相關性。適應能使有機體在特定環(huán)境下存活，適應發(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。,達爾文認為，應從兩個方面觀察“變異的世代”：尋找兩種或兩種以上動物胚胎之間的同源性(homology)，強調(diào)世代共同性。發(fā)現(xiàn)動物發(fā)育如何改變，產(chǎn)生適應特定環(huán)境的結構，強調(diào)變異(modification)。達爾文自己并未試圖用胚胎學資料對系統(tǒng)發(fā)育進行完整的構思。但其影響

3、了當時許多學者去這樣做。,1891年，Metchnikoff指出：進化來自于胚胎的變異，而不是成體的變異。當時普遍認為有機體是通過胚胎發(fā)育變化而進化。Haeckel明確指出：任何有機體的進化都是較低一級動物胚胎發(fā)育至最后時期之后再增加一個新時期的結果。整個動物界由低級到高級就代表人類發(fā)育的縮影。,胚胎發(fā)育變化是如何發(fā)生的？,19世紀末，試圖通過細胞譜系分析把個體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系起來。Wilson特別強調(diào)運用胚胎同源性建立系統(tǒng)發(fā)育關

4、系。 Wilson(1898)發(fā)現(xiàn)：不論在哪一種動物中，同樣的器官總是來源于同一組細胞。因此，他認為這些動物享有共同祖先。,Lillie則強調(diào)卵裂變異性而不是相似性。Lillie (1898)發(fā)現(xiàn)：貽貝(Unio)卵裂會發(fā)生改變，產(chǎn)生鉤介幼蟲，在水中流動生活。他認為：研究進化最好集中于研究使動物能在特定環(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，對發(fā)育和進化的研究出現(xiàn)兩種主要方法：各類不同動物之間的基本統(tǒng)一性、各種動物適應

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)育和進化的主要手段。達爾文認為：動物統(tǒng)一性和發(fā)育變化在時間上可以分開，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)生歧異適應環(huán)境。,新門類的形成,有機體是如何從一種形體模式進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?？赡苁芗毎|(zhì)決定子分布改變的影響，也可能受一個細胞或一組細胞分裂速度改變的影響，還可能受細胞分裂時位置改變的影響。,另一種途徑可能與幼蟲變異有關

6、。達爾文認為：幼蟲形態(tài)相似性表明它們具有共同血統(tǒng)。,模塊化：通過發(fā)育產(chǎn)生進化的先決條件,發(fā)育非常復雜，其調(diào)節(jié)非常精細，胚胎發(fā)育是如何發(fā)生變化的？一度曾有人認為：促進進化的惟一途徑是在胚胎發(fā)育末期再增加一個發(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)生進化新結構。發(fā)育過程中能夠變化的原因是胚胎像有機體成體一樣，由彼此相互作用的一系列組件或模塊(modules)構成。,模塊的概念,細胞 組織 器官 系統(tǒng)

7、 Dyke(1988)稱這種等級系統(tǒng)為等級相互作用模塊排列(level-interactive modular array)。發(fā)育過程中，等級相互作用模塊包括形態(tài)發(fā)生場、細胞譜系、成蟲盤、昆蟲副體節(jié)和脊椎動物器官原基。,,,,發(fā)育通過相互作用的不同模塊而發(fā)生。有機體由彼此協(xié)調(diào)一致的單元構成。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)復制

8、和變異協(xié)同選擇,分離：異時性和異速生長,胚胎發(fā)育的模塊化使胚胎發(fā)育可以發(fā)生時空變化。通過突變和環(huán)境干擾，胚胎某一部分可以獨立于其他部分而發(fā)生變化。異時性(heterochrony)是指胚胎發(fā)生過程中，兩個發(fā)育過程的相對時間選擇的改變。即一個模塊可以改變其相對于胚胎另外一個模塊的表達時間。,熱帶榮螈屬成員之間爪的差異最能說明發(fā)育時間的改變對不同動物形態(tài)和生態(tài)習性所起的作用。,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

9、胞初期發(fā)育(progenesis)也稱為幼態(tài)成熟(neoteny)過程中就存在異時性。,蛙類也可以直接發(fā)育為成蛙，不存在水中生活的蝌蚪時期，其卵子產(chǎn)于陸地上。這種直接發(fā)育需要卵子儲存大量卵黃提高營養(yǎng)。卵黃含量增大本身就是異時性的一個例子，它涉及卵子發(fā)生時卵黃合成時間的延長或卵黃出現(xiàn)迅速合成期。,當有機體不同部分以不同速度生長時即出現(xiàn)異速生長(allometry)。異速生長在形成不同形體結構方面十分重要。,復制和變異,模塊化可以允許復

10、制和變異。復制形成多余的結構，而變異則能使多余結構獲得新功能。復制形成多余結構后，其中一個可以保持原有功能不變，而另一個則可自由突變，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、使幼蟲階段的成蟲盤形成前后極軸。沒有一種結構是預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。組織學水平：脊椎動物的翅,每一次演

11、化，前肢結構都演變執(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。,離開海洋后，陸生脊椎動物再也不需要鰓弓了，但是產(chǎn)生鰓的胚胎結構仍然存在。它們經(jīng)過改造，形成包括人在內(nèi)的哺乳類面部和頸部的不同結構。由水生向陸生的進化很少產(chǎn)生全新的結構。新的解剖特征通常是由已有的結構改造而成。因此，可以認為：大多數(shù)進化是對現(xiàn)存結構的“修改”，逐漸塑造出不同的結構。如腎臟發(fā)育。,生物發(fā)育研究對生物進化現(xiàn)象提出新的思考

12、和探察方法,當前，從發(fā)育的角度研究生物進化十分活躍，概括地說，大致可以歸納為3個方面：從分子和細胞水平探察不同物種間的同源性、相關性通過對多細胞生物體制建立過程的物種間比較，分析生物進化可能的路徑和機制對生物進化的動力學過程的綜合性研究,蛋白質(zhì)分子的進化,蛋白質(zhì)在序列、結構和功能上的進化途徑：直接利用原有蛋白質(zhì)開發(fā)新功能，如：眼晶狀體的主要成分α-晶體蛋白A，它是細胞中普遍存在的α晶體蛋白B的開發(fā),對舊有蛋白質(zhì)修改，產(chǎn)生新結構，

13、如：中間纖維蛋白及其同族成員可能來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對眼的作用是在舊有“元件”的改造和利用。,通過不同亞單位的聯(lián)合構建新的功能蛋白。如：合成乳汁的酪蛋白是一個非共價結合的雙亞基復合體，其中之一是只發(fā)現(xiàn)于哺乳動物的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，認為乳汁的起源可能來源于與免疫功能有關的分泌

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)造了進化發(fā)生的條件。,果蠅和酵母相關蛋白的同源異型域結構非常相似,A.典型的同源異型結構域的三維結構。B.果蠅Engrailed蛋白的同源異型結構域（黑色）和酵母MATα2的同源異型結構域（淺色）的多肽主鏈幾乎完全重合，盡管兩者分化超過10億年。,同源異型結構域的序列比較,果蠅蛋白En和Antp與哺乳動物蛋白

15、Oct2盡管它們?nèi)S結構很相似，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構比較蛤珠蛋白（黑色）與鯨肌紅蛋白（灰色）幾乎完全重疊,疑問？,盡管同源異型框的氨基酸序列表現(xiàn)出很大分化，但在結構上高度保守如何適應不同細胞類型中對不同基因表達調(diào)節(jié)任務的需要呢？即使在進化上距離很遠的物種，同源異型框基因產(chǎn)物在功能上表現(xiàn)出很大的通用性。,同源異型結構域?qū)NA結合的特異性并不高，親和性也沒有明顯區(qū)別。但

16、是，同源異型框基因的剔除可以造成發(fā)育終止、器官易位等嚴重后果，表明同源異型框基因介導的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)在進化上存在顯著的分化。這一進化是通過什么方式進行的呢？,通過發(fā)展多種協(xié)同、輔助因子完成。實際上，正是由于同源異型框蛋白對DNA結合力弱的特性，給這種發(fā)展帶來了巨大的便利和機遇。而對應于廣泛的協(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。,在進化上細胞學的核心程式表現(xiàn)出高度的同一性和保守性,形態(tài)構建：共同點：線性

17、多聚actin為基本骨架成分。差別：通過不同的鉸鏈蛋白，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，進化上細胞形態(tài)結構的差異和多樣性主要來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建機制有高度的穩(wěn)定和保守性。,微管：與細胞及細胞成分極化有密切關系。細胞在進化中對微管的利用出現(xiàn)很大的差異，但從早期的后生動物出現(xiàn)以來，微管就存在并被利用，它們的基本構成和性質(zhì)幾乎沒有更改。微管具有高度組裝和去組裝的動力學活

18、性，多種細胞學現(xiàn)象與此有關：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／細胞突起的形成、細胞分化決定子的定位等,建立對核心程序網(wǎng)絡的特異控制是多細胞生物進化的重要手段,多細胞生物的發(fā)育在很大程度上表現(xiàn)為對多通道的核心有序程序網(wǎng)絡不斷建立新的特異控制，使這一過程專一化，由此引導細胞在形態(tài)和功能上的分化，帶動生物的分化。如：鈣離子控制肌肉收縮機制，在不同動物并不相同,,A.平滑肌B.骨骼肌C.軟體動物肌肉,靶蛋白質(zhì)磷酸

19、化后會產(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,進化發(fā)育生物學,在達爾文時代，發(fā)育和進化曾是彼此聯(lián)系的統(tǒng)一體。但從19世紀末20世紀初開始，由于實驗胚胎學的興起，胚胎學家對胚胎如何發(fā)育比對胚胎如何進化更感興趣，因而對胚胎發(fā)育本身進行了大量實驗研究。發(fā)育生物學和進化生物學彼此分離。,個體發(fā)育不但是對發(fā)育機制選擇的產(chǎn)物，而且是特定進化歷史的產(chǎn)物。各門動物特有的形體模式的產(chǎn)生是由在長期進化過程中發(fā)生的形式變化累積形成

20、的，或者說個體發(fā)育過程蘊含著系統(tǒng)發(fā)育過程中長期積累形成的形式變化。要理解發(fā)育和進化之間的關系，需要將傳統(tǒng)上分開的兩個學科－－發(fā)育生物學和進化生物學綜合起來。,隨著分子生物學技術的發(fā)展，不同的基因序列不但可以從進化的角度比較，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)育生物學和進化生物學在分子水平上又再度聯(lián)合在一起了，并產(chǎn)生了進化發(fā)育生物學(evolutionary developmental biology)這門新學科

21、。,左右軸的幾個進化學問題,左右不對稱現(xiàn)象具有高度的保守性外部對稱-水中和陸地上的運動內(nèi)部不對稱有利內(nèi)臟器官更有效地發(fā)揮功能1個心臟比兩個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)臟病人無生理不適任一個臟器異位的病人均有生理不適發(fā)育成內(nèi)臟器官的細胞知道或接受到左、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,結合自己的專業(yè)完成一發(fā)育機制相關綜述。時間：6月30號前交組胚教研室 姚忠祥教授