2.1: 发育遗传学导论

每个生物体的发育都由其 DNA 中编码的遗传信息指导。通过研究基因如何控制发育过程，例如细胞迁移和分化，发育遗传学领域的科学家正试图更好地了解多细胞生物的复杂结构是如何形成的。

该视频将介绍该领域的一些重大发现、发育遗传学家提出的一些基本问题、科学家用来回答这些问题的主要工具，最后，今天对发育遗传学进行的具体研究。

让我们首先回顾一下塑造发育遗传学领域的一些重要发现。

1865 年，奥地利僧侣格雷戈尔·孟德尔 （Gregor Mendel） 进行了豌豆育种实验。他观察到，豌豆的可见性状或 "表型"，如种子颜色，是按照一致的规则遗传的。通过提出这些表型实际上受到一些看不见的、离散的遗传因子的控制，孟德尔为遗传学领域埋下了种子。

这些遗传因子于 1909 年由丹麦植物学家 Wilhelm Johannsen 命名为"基因"。然后，在 1910 年，托马斯·亨特·摩根 （Thomas Hunt Morgan） 和他的学生使用果蝇果蝇作为模式生物，发现基因存在于细胞核中称为染色体的物理结构上。

1938 年，Salome Gluecksohn-Waelsch 表明，称为脊索的胚胎结构的发育需要一个特定的基因。这是基因控制早期发育过程的最早证据之一。

1940 年，康拉德·哈尔·沃丁顿 （Conrad Hal Waddington） 提出，胚胎中的细胞沿着受基因控制的路径或"命运"分化。他为这个过程制定了一个比喻，并在接下来的 17 年里得到了完善，称为"表观遗传景观"，其中细胞被视为从山坡上滚向不同细胞命运的大理石。细胞所走的路径沿着景观中的山脊和山谷，而这些山脊和山谷又受到基因及其表达模式的控制。

1952 年，沃尔夫冈·比尔曼 （Wolfgang Beermann） 证实，虽然生物体中的不同细胞具有相同的遗传内容，但染色体的不同区域是活跃的，这种差异基因表达定义了细胞身份。

一旦确定基因表达会影响发育，下一个问题是，哪些基因？为了回答这个问题，在 1970 年代，Edward B. Lewis、Christiane Nusslein-Volhard 和 Eric Weischaus 使用化学物质随机突变果蝇的基因。通过这些突变筛选，科学家们确定了大量控制发育过程每一步的基因。

2007 年，一个国际科学家联盟开始致力于创建一系列小鼠，其中每只小鼠中的每个基因都被删除或"敲除"。目前正在表征这些小鼠中的每只小鼠的表型，这将为我们提供哺乳动物中所有基因功能的第一个目录。

现在我们已经回顾了该领域的根源，让我们看看发育遗传学家试图回答的几个关键问题。

一些研究人员正在关注受精卵或受精卵转化为多细胞胚胎的早期事件。这些事件取决于母亲沉积在卵子中的 RNA 和蛋白质，这种现象称为"母体贡献"或"母体效应"。科学家们对了解母亲的基因型如何影响胚胎的表型感兴趣。

发育遗传学的另一个核心问题是：基因相同的细胞如何采用不同的细胞命运？科学家们正在确定控制不同细胞之间差异基因表达的许多因素，包括告诉细胞在发育过程中表达哪些基因以及何时表达这些基因的信号通路。

最后，科学家们还在询问早期胚胎（一团无定形的细胞）是如何转变为具有独特功能部分的复杂生物体的。这种身体计划的形成称为形态发生，科学家们正试图确定控制这一过程的基因和途径。

现在您已经了解了发育遗传学家提出的一些问题，让我们回顾一下他们用来回答这些问题的技术。

科学家可以通过破坏特定基因的表达来研究它们在发育中的作用。一种方法是通过引入突变来"敲除"生物体 DNA 中的基因，或用无功能的 DNA 替换它。或者，可以通过引入寡核苷酸来"敲低"基因表达，寡核苷酸将与目标 mRNA 序列结合并阻止功能性蛋白质的产生。

为了确定哪些基因负责特定表型，科学家可以进行遗传筛选。在正向遗传筛选中，突变是通过辐射或称为诱变剂的化学物质在生物体中随机产生的。当发现突变体显示出感兴趣的表型时，就可以识别突变的未知基因。相反的方法是反向基因筛选，科学家首先针对大量特定的候选基因进行破坏，然后观察突变体的结果表型。

最后，生物学家也对确定不同发育阶段的基因表达感兴趣。微阵列是一种测量基因表达的工具，它是一个点缀着寡核苷酸的芯片，其中包含待测基因的序列。在典型实验中，从处于两个不同发育阶段的生物体中提取的 RNA 用于生成两组不同的荧光标记探针，然后将其与微阵列杂交。然后可以从芯片上每个点的荧光信号中解释基因表达的变化。

考虑到这些实验技术，让我们来看看研究人员如何将它们应用于研究发育遗传学。

科学家们正在对模式生物（如秀丽隐杆线虫）进行大规模的遗传筛选，以寻找影响发育的基因。这通常是通过 RNA 干扰或 RNAi 完成的，RNAi 是一个使用小 RNA 分子沉默基因的过程。在这里，科学家们用含有针对大量蠕虫基因设计的 RNAi 文库的细菌喂养蠕虫，并分析了基因敲低对动物发育的影响。

其他研究人员正在使用随机诱变进行正向遗传筛选，以识别发育表型。在这个实验中，研究人员使用基因陷阱技术使斑马鱼胚胎诱变，其中报告基因构建体随机靶向基因的内含子并使它们失去功能。然后，科学家可以通过寻找报告信号轻松识别基因成功破坏的动物，而那些表现出发育缺陷的动物可以识别出负责的基因。

最后，可以通过微阵列分析发育生物体中不同细胞类型的基因表达，以确定在细胞分化和特化过程中哪些基因被打开或关闭。在这项研究中，从发育中的视网膜中分离出不同细胞类型的单个神经元细胞。然后从这些细胞中提取 RNA 进行微阵列分析，以鉴定在每种特定细胞类型的发育中发挥作用的基因。

您刚刚观看了 JoVE 的发育遗传学简介。该视频回顾了该领域的一些历史亮点、发育遗传学家提出的重大问题、实验室目前使用的一些突出方法，以及这些方法在研究发育生物学中的具体应用。一如既往，感谢您的观看！