发育遗传学导论

每个生物体的发育都受到其DNA中编码的遗传信息的指导。通过研究基因如何控制细胞迁移和分化等发育过程，发育遗传学领域的科学家们正试图更深入地理解多细胞生物复杂结构的形成机制。

本视频将介绍该领域的一些重要发现、发育遗传学家所关注的一系列基本科学问题、科学家用于解答这些问题的主要研究工具，以及当前正在进行的发育遗传学具体研究实例。

让我们首先回顾一些重要的科学发现，这些发现塑造了发育遗传学这一领域。

1865年，奥地利修道士格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）利用豌豆进行了杂交实验。他观察到豌豆的可见性状（即“表型”），例如种子颜色，是按照一定规律遗传的。通过提出这些表型实际上由某些不可见的、离散的遗传因子所控制，孟德尔为遗传学领域的建立播下了种子。

1909年，丹麦植物学家威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen）将这些遗传因子命名为“基因”。随后在1910年，托马斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）及其学生利用果蝇（Drosophila）作为模式生物，发现基因位于细胞核内的某种物理结构——染色体上。

1938年，萨洛梅·格鲁克松-瓦尔施（Salome Gluecksohn-Waelsch）证明，胚胎中一种称为脊索的结构的发育需要特定基因的参与。这是最早表明基因控制早期发育过程的证据之一。

1940年，康拉德·哈尔·瓦丁顿（Conrad Hal Waddington）提出，胚胎中的细胞沿着由基因控制的路径或“命运”进行分化。他提出了一个描述该过程的隐喻，并在接下来的17年中不断完善，称为“表观遗传景观”：细胞如同一颗弹珠，从山坡上滚下，趋向不同的细胞命运。细胞所走的路径遵循景观中的山脊与山谷，而这些地形又由基因及其表达模式所决定。

1952年，沃尔夫冈·贝尔曼（Wolfgang Beermann）证实，尽管生物体内的不同细胞具有相同的遗传内容，但染色体的不同区域具有活性差异，这种差异性的基因表达决定了细胞的身份。

一旦确定基因表达影响发育，接下来的问题便是：哪些基因？为回答这一问题，20世纪70年代，爱德华·B·刘易斯（Edward B. Lewis）、克里斯蒂安娜·诺斯莱因-福尔哈德（Christiane Nusslein-Volhard）和埃里克·威绍斯（Eric Weischaus）利用化学物质随机诱导果蝇基因发生突变。通过这些突变筛选实验，科学家们鉴定出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着手创建一系列小鼠品系，其中每只小鼠的单个基因被删除或“敲除”。目前，研究人员正在对每只小鼠的表型进行表征，这将首次为我们提供哺乳动物中所有基因功能的完整目录。

在回顾了该领域的起源之后，让我们来看一下发育遗传学家试图回答的几个关键问题。

一些研究人员专注于受精卵（或合子）转变为多细胞胚胎过程中的早期事件。这些事件依赖于由母体沉积在卵细胞中的RNA和蛋白质，这一现象被称为“母体贡献”或“母体效应”。科学家们希望了解母体的基因型如何影响胚胎的表型。

发育遗传学中的另一个核心问题是：基因完全相同的细胞如何获得不同的细胞命运？科学家正在鉴定调控不同细胞中差异基因表达的多种因素，包括在发育过程中控制细胞表达哪些基因以及何时表达这些基因的信号通路。

最后，科学家还在探究早期胚胎——一团无定形的细胞——是如何转变为具有明确且功能各异结构的复杂有机体的。这种身体结构模式的形成被称为形态发生，科学家正致力于鉴定调控这一过程的基因和信号通路。

现在您已经了解了发育遗传学家正在探究的一些问题，接下来让我们回顾一下他们用来回答这些问题的技术。

科学家可以通过干扰特定基因的表达来研究其在发育过程中的作用。实现这一目标的一种方法是在生物体的 DNA 中通过引入突变或将基因替换为无功能的 DNA 序列来“敲除”该基因。另一种方法是“敲低”基因表达，即引入能与靶标 mRNA 序列结合的寡核苷酸，从而阻止功能性蛋白质的生成。

为了确定哪些基因负责特定的表型，科学家可以进行遗传筛选。在正向遗传筛选中，研究人员利用辐射或已知的诱变剂化学物质在生物体中随机诱导突变。当发现某个突变体表现出感兴趣的表型时，便可鉴定出发生突变的未知基因。相反的方法是反向遗传筛选，即科学家首先针对大量特定的候选基因进行靶向破坏，然后观察突变体所产生的表型。

最后，生物学家还希望确定基因在不同发育阶段的表达情况。测量基因表达的一种工具是微阵列芯片，这种芯片上固定有包含待测基因序列的寡核苷酸点阵。在一个典型的实验中，从处于两个不同发育阶段的生物体中提取 RNA，并以此生成两组不同的荧光标记探针，随后将这些探针与微阵列杂交。通过分析芯片上每个点的荧光信号，即可解读基因表达的变化情况。

考虑到这些实验技术，让我们来看看研究人员如何应用它们来研究发育遗传学。

科学家正在模式生物（如秀丽隐杆线虫）中进行大规模的遗传筛选，以寻找影响发育的基因。这通常通过RNA干扰（RNAi）来实现，即利用小RNA分子使基因沉默。在此实验中，科学家用含有针对大量线虫基因设计的RNAi文库的细菌喂养线虫，并分析基因敲低对动物发育的影响。

其他研究人员则采用随机诱变进行正向遗传筛选，以鉴定发育表型。在此项实验中，研究人员使用基因捕获技术对斑马鱼胚胎进行诱变，其中报告基因构建体随机插入到基因的内含子中，导致基因功能丧失。随后，科学家可通过检测报告基因信号，快速识别出基因成功被破坏的个体，并对表现出发育缺陷的个体进一步鉴定其相关基因。

最后，可通过微阵列技术对发育过程中不同细胞类型的基因表达进行分析，以确定在细胞分化和特化过程中哪些基因被激活或关闭。在本研究中，研究人员从发育中的视网膜中分离出不同类型单个神经元细胞，并从中提取RNA进行微阵列分析，以鉴定在每种特定细胞类型发育过程中起作用的基因。

您刚刚观看了 JoVE 关于发育遗传学的导论。本视频回顾了该领域的一些历史重要进展、发育遗传学家所关注的核心科学问题、目前实验室中常用的一些重要研究方法，以及这些方法在发育生物学研究中的具体应用。一如既往，感谢您的观看！