我看进化发育生物学

我看进化发育生物学

王寅

进化生物学一直都是生命科学殿堂中最为璀璨的宝石之一。为什么生物之间是不相同的？生物是怎样形成的？是否存在某种规则来操纵生物的进化模式?人们对于进化的兴趣从来都是那么强烈。达尔文提出的进化论在过去的两个世纪中不仅改变了整个生命科学界的面貌，它还改变了整个人类社会的世界观。至此进化论与无神论逐渐被大部分人接受并随着科学的发展而日益深入人心。但进化理论并没有停留在达尔文的阶段，长时间以来，进化不断与新产生的学科交融，新的观点与理论不断丰富了人们对于自然界的看法，进化的遗传基础、进化的动力、微观与宏观进化，进化不断深入到生命科学的每一个层次，有人说，脱离了与进化的联系，生命科学将毫无意义。虽然这话说得有些过于偏激，但毫无疑问，生命科学不再是限制在某点某刻的静止科学，而是生命的时空发展变化的科学。在生命科学领域，另一研究生命发展变化的分支便是发育生物学，与进化研究群体演化历史不同，发育生物学研究的是个体演化的历史。我们曾一度认为个体发展史就是群体发展史的缩影，当然当时的证据和看法都在今天看来很幼稚，然而如何在群体演化中看个体演化的过程，从内容和研究意义来说都将是令人兴奋的“big one”。这个想法很早就有科学家提及，但长期以来发育生物学和进化生物学的研究都是两条平行线，偶尔的交点常是比较特殊的例子，在理论和机制的探讨上并没有突破。但现在，随着分子生物学和遗传学研究手段的兴起与发展，发育生物学和进化生物学在分子水平上已经可以相互融合统一，并形成了进化发育生物学（evo-devo）这一新兴学科。

发育生物学和进化生物学的交叉融合是一件很自然的事情。进化生物学家希望彻底弄清楚生物是如何演化成现在所具有的形态的，而这正好可以从控制生物体形态发育的机制中得到答案。而发育生物学家又想知道基因的表达和功能上的变化是怎样导致生物的身体大小和形状的改变的。当人们试图通过对个体的控制发育的基因的表达的研究来探求生物群体是怎样进化的时候，进化发育生物学其实就已经诞生了。

一、早期的进化发育观：

早期的发育生物学是从对胚胎分裂的观察开始的。在此过程中诞生了一系列经典胚胎学实验：以细胞培养方法研究细胞之间的相互作用，胚胎诱导实验以及细胞核移植等。基于经典发育生物学对于胚胎的研究，进化生物学和发育生物学第一次统一了起来。例如，比较胚胎学家在19世纪初发现硬骨鱼幼鱼时期的尾和鱼类化石的成体的尾十分相似。在幼鱼向成体转变的过程中，幼鱼的尾也逐渐变成现在的硬骨鱼尾。

早期人们关注的问题主要有两个：一个世代中生物的个体变化，即生物的个体发育；不同世代的生物呈现出的变化，即种群的进化与发展。在Evo-Devo的研究中，人们关心的就是这两个问题之间的联系。

达尔文最早认识到个体胚胎发育对于研究生物进化的重要性，他在《物种起源》中写道：胚胎是动物体修饰较少的阶段，它在一定程度上反映了该物种祖先的某些结构特征。1828年赫克尔提出了“生物发生律”（biogenetic law）：较高一级动物的胚胎不重现相关的较低一级动物的成体的形态，但在其胚胎发育过程中存在着与相关的较低一级动物胚胎相似的阶段。但“生物发生律”还只是假设。与此相对的，冯贝尔在实验观察的基础上提出了冯贝尔法则：不同种类的生物在发育过程中，各动物共有的结构先发生，特有的结构在共有结构的基础上发生。

虽然达尔文并没有使用胚胎学研究的资料来对系统发育进行系统完整的研究，但许多后来的学者却在《物种起源》中提到的动物胚胎发育与进化的关系的思想的影响下开始了他们的研究工作。

Wilson在1898年发现，扁虫、软体动物和环节动物的同样的器官都是来源于卵裂过程中的同一组细胞。同年Lillie发现贻贝在卵裂期时可能会因为环境的变化而产生改变，最后发育成另外一种形态的个体——钩介幼虫。于是对于发育和进化的研究重现了两种方法：发现各类不同动物之间的基本统一性和发现各种动物适应特定环境的发育变化。

早期对于发育生物学和进化生物学的研究大多停留在胚胎阶段。所获得的成果并不能解释生物体发育的机制。以我们现在的观点，我们所希望弄清的是从控制生物体形态发育的调控机制中来获得研究生物系统进化的材料。可是由于实验手段的限制以及发育生物学家和进化生物学家研究兴趣互相偏离，这两门学科之

间的联系也渐渐模糊了。直到分子生物学与遗传学实验手段的兴起，基因序列的数据开始积累，人们对于发育的分子机制的认识也在逐渐丰富，对于生物机体发育的基因调控的研究也获得了强有力的技术支持。

二、发育生物学和进化生物学的暂时性分离

发育生物学和进化生物学的独立发展始于19世纪末。Roux于1894年发表了用实验方法即热针烫死蛙胚部分分裂球的方法研究发育机理的文章，开创了用实验手段研究胚胎发育的时代。同时期，在世界上一些著名的海滨胜地，如意大利那不勒斯和美国伍兹霍尔等地先后建立起了海洋生物实验站，吸引了大批胚胎学家探索各种海洋动物胚胎的细胞谱系以及细胞发育命运。最初对细胞谱系的研究是描述性的，因此，人们不可避免地需要研究细胞的最终命运。于是，很自然地，胚胎学家开始使用实验方法研究细胞发育命运。比如通过取出分裂球上某些细胞或部分的方法来研究所除去部分在胚胎发育中的作用。从20世纪初开始，胚胎学家对胚胎如何发育比对胚胎如何进化更感兴趣，因而对胚胎发育本身进行了大量实验研究，而对系统发育逐渐失去了兴趣。

直到最近几十年，随着基因概念具体化，基因克隆的发展和序列测定资料的不断丰富，人们对那些在发育中起重要作用的基因的研究也逐渐深入。我们可通过比较序列从而找出同源基因，研究这些同源基因在发育中的作用。这样发育生物学和进化生物学在基因水平上由分离状态重新进入结合状态。

三、目前的进化发育生物学

Hall在2000年提出了他认为在Evo-Devo的研究中较重要的五个方面：胚胎发育的起源与进化；对发育过程的修改是怎样导致新性状的产生的；在生物的进化中出现的发育的可塑性和对于环境的适应性；环境是怎样影响发育进而调控进化的；趋同进化的发育基础与机制。很明显，Evo-Devo所涉及到的学科有：生态学、分子生物学、遗传学及古生物学等。甚至有可能以Evo-Devo为基础在21世纪形成新的综合性生物学。

1.DNA水平的发育进化

生物体的发育是基因中的遗传信息借助蛋白质等分子以表现型的方式表达

的结果，而生物进化时所产生的表型变化的根源就是基因及其调控序列的变化。在与发育有关的基因中，人类研究地相对比较透彻的就是同源异型基因（Hox）。Hox基因是一类与动物发育相关的基因，它们在不同物种中高度相似，所以被称为“同源异形基因”。其中有几类同源异形基因（比如Hox基因）的生物学功能在进化中高度保守，但在不同的分类单元中，基因的数目、在染色体上的排列组织形式和基因表达等方面却有着细微的差异。有人认为，同一类同源异型基因在不同的分类单元中的数目和表达的差异与这些动物躯体设计的进化有关。

哺乳动物的Hox基因是同源异型基因家族中的一种，这种Hox基因与果蝇的Hom-C基因以及文昌鱼的Hox基因同源。这些基因的功能可以在不同的物种体内实现表达，代替该物种本身的Hox基因的功能。Malicki等人证明，将人的Hox4B基因导入果蝇Deformed（Dfd）缺陷型胚胎后，Dfd基因的功能可以被模拟代替。

根据实验结果，人们推测，Hox基因的表达图式在整个动物门类中是恒定的。例如，在果蝇前后轴图式的确立过程中，一个同源异型基因caudal的表达产物Caudal蛋白的作用是诱导果蝇后端区域的形成。但人们发现，Caudal蛋白同样可以诱导小鼠和线虫形成后端区域。

图1.原口动物和后口动物Hox基因簇比较

Hox基因在染色体上成簇分布。每个簇中的Hox基因在染色体上的空间排列顺序与它们在发育过程中的时间表达顺序完全一致，即完全按照表达的先后顺序从3’~5’依次排开。但是前面提到的三种类型动物的Hox基因所包含的基因簇并不相同：在果蝇（无脊椎动物）中，8个Hom基因只形成一个基因簇，同样的，原索动物文昌鱼中的10个Hox基因也只组成一个基因簇，但在哺乳动物中，如小鼠和人的Hox基因就有4个基因簇，分别分布在四条染色体上(图1)。

根据以上这些实验证据，我们可以推断，Hox基因的祖先只有一个基因簇，在由无脊椎动物向脊椎动物进化的过程中，较低等的脊椎动物，如文昌鱼依然保留了祖先基因组的特点。现在我们知道，在低等脊椎动物向高等脊椎动物进化时，Hox基因簇发生了两次复制，之后整个Hox基因簇又发生纵向重排，最终产生了四个Hox基因簇。

对Hox基因的研究到底向我们解释了哪些问题呢？就目前的研究结果来看，至少说明了以下两个个问题：

(1) 不同生物之间的形态结构差异主要是由不同的胚胎发育过程产生的，通过研究比较不同生物胚胎发育的调控基因的结构作用以及调控机制，可以阐明物种的演化过程与方式。在图1中我们可以知道，从低等生物(果蝇)到高等生物(哺乳动物)Hox基因簇的基因数量的变化似乎已经不能按照经典进化论所描述的突变、重组、选择、隔离等过程来实现了。目前人们认为这些是通过一种特殊的机制形成的，即通过染色体建的不等交换产生重复、插入、畸变、转座等变化，使整体基因发生扩展并通过易位等方式发生在不同的染色体上，从而逐步构成高等生物复杂的形态发生调控网络。人们称这种机制为“分子驱动(molecular drive)”。

(2) 对Hox基因的研究，精确的解释了造成物种间形态差异的分子机制，将进化理论建立在了实实在在的实验基础上，而不是达尔文时代的观察推想与猜测。

但是，对同源异型基因的研究还刚刚起步，还有很多现象是我们无法解释的。例如，同源基因有时候并不像前面所说的那样能够在功能上互相替代，它们的功能甚至在某些时候是相反的。比如果蝇中的sog基因和蛙中的chordin基因，它们是同源基因，并且都与胚胎的背腹面形成有关。不管向果蝇体内注射sog基因的mRNA还是chordin基因的mRNA，都可以促进果蝇细胞发育成腹面，但在脊