饶毅：双头连体张力传感器姐妹背后的科学

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　20世纪30年代，科学家没找到胚胎诱导的相关分子；70年代，以重组DNA为代表的新技术导致分子生物学在生物医学多个领域得到应用；80至90年代，不同的方法帮助科学家找到了中胚层诱导、背轴诱导和神经诱导的分子，并对神经诱导的机理有新的理解。

　　因为胚胎植物极有诱导中胚层的活性，哈佛大学的道格拉斯·梅尔顿（Douglas Melton）通过mRNA差异性分布，找到非洲爪蟾卵细胞动物极和植物极分别特有（或富集）的mRNA（Rebagliati et al., 1985），其中植物极特有的Vg-1编码蛋白质为转化生长因子（TGF-β）家族的成员（Weeks and Melton，1987）（图16）。

图16 Vg-1的mRNA分布富集于植物极(自Rebagliati et al.,1985)

　　美国旧金山加州大学（UCSF）的基梅尔曼和基施纳用裂殖胚的动物极部分（所谓“动物帽”，animal cap）体外培养作为检测方法，筛查当时已知生长因子的诱导活性。动物帽单独培养只形成皮肤，而培养时如果存在成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF），可以出现中胚层（特别是腹侧和侧面的中胚层组织）（Kimelman and Kirschner，1987）。英国的吉姆·史密斯（Jim Smith）发现爪蟾体外培养细胞系的分泌物有中胚层诱导活性（Smith, 1987），以后被证明为Activin、也是TGF-β家族成员。Activin的作用有剂量依赖性，低剂量诱导腹侧、侧面中胚层，高剂量诱导背侧中胚层（如背唇、或其衍化的脊索）。TGF-β家族的骨形成蛋白（BMP，bone morphogenetic protein）可以诱导腹侧中胚层产生。

　　一个偶然的发现开启了对背轴形成分子机理的理解。研究癌基因的英裔美国分子生物学家安德鲁·麦克马洪（Andrew McMahon）与研究蛙胚的兰德尔·穆恩（Randall Moon）合作，将认为在老鼠过高或者异位表达导致乳腺癌的int-1基因所转录的mRNA注射到爪蟾受精卵，结果胚胎形成两个背轴 (McMahan and Moon，1989），这一意外的发现当时被认为是“分裂”了组织者，其后认为是激活了背轴形成的通路。从研究病毒导致老鼠癌症发现的int-1与从研究果蝇翅膀形成发现的无翅基因组成Wnt家族，产生分泌型蛋白，Wnt不同成员通过作用于其受体及信号转导分子参与多个生物学过程。它们在蛙胚中，参与背轴形成，但尚待确定胚胎内从哪一步开始用Wnt信号通路。1992年，伯克利加州大学的英裔美国科学家理查德·哈兰德（Richard Harland）实验室发现表达于背唇的Noggin基因，编码分泌型蛋白质也能诱导背轴（Smith and Harland，1992）。

　　1993年，哈兰德实验室发现Noggin有神经诱导的活性（Lamb et al., 1993）。1994年，洛杉矶加州大学的阿根廷裔美国科学家德·罗伯提斯（De Robertis）实验室发现背唇表达Chordin,也编码有神经诱导活性的分泌型蛋白质（Sasai et al., 1994）（图17）。

图17 背唇表达的Chordin

(自Sasai et al.,1994)。

　　梅尔顿实验室的伊朗库尔德裔Ali Hemmati-Brivanlou在研究Activin参与中胚层诱导的过程中，用Activin受体制造的抑制分子阻止中胚层形成时，意外发现没有中胚层仍可出现神经系统，从而提出神经胚层的诱导在分子机理上是去抑制：胚胎内存在抑制神经胚层形成的分子，而如果抑制这些抑制性分子就可以“诱导”神经发生（Hemmati-Brivanlou and Melton, 1994）。抑制分子可能是BMP，而Noggin和Chordin等蛋白质可以直接结合BMP，并抑制BMP的活性（Piccolo et al., 1996；Zimmerman et al., 1996）。

　　8总结

　　预成论与后成论的古老争论，在实验胚胎学兴起后，刺激了人们感兴趣研究早期细胞发育是完全独立自主、还是相互作用。

　　斯佩曼和曼戈尔德（1924）的研究，实验设计类似于刘易斯（1907）。斯佩曼曾于1916年、1918年重复刘易斯的工作并沿用其理解，而皮特森于1919年向斯佩曼提出以前对背唇自分化命运的理解可能有问题，加上概念上曾有斯佩曼和刘易斯等在二十世纪初研究晶状体可能被诱导产生的铺垫，导致斯佩曼决定采用伯恩（1896）和哈里森（1898）的方法，通过异种胚胎间移植确切地分清移植提供的背唇自身变成神经管，还是诱导宿主胚胎组织产生神经管，最终斯佩曼指导曼戈尔德的实验获得结果提示神经管为背唇诱导所产生。