浅谈肢体发育中的基因调控.doc

浅谈肢体发育中的基因调控摘 要生物的个体发育是依照非常精确的程序进行的，这种程序极其详细的规定了身体的结构，确定每一个发育事件发生的时间与地点。近年来，在深入研究基因结构和功能的过程中，人们逐渐认识到生物个体发育的过程，实质上是基因表达的时空调节的展现，也就是在胚胎发生的特定时间内、特定的细胞中，一个基因或一株基因出现或关闭其活性的综合结果。本文主要就基因调控在肢体发育过程中所起到的作用和影响进行了相对较为简单的概述性介绍，一方面阐述了基因调控控制肢体发育的机理，另一方面介绍了由于基因调控过程中的异常而导致的肢体畸形。借助于发育生物学中的相关技术手段可以帮助研究人员了解基因调控中出现的错误、出错的机理以及这些错误所导致的肢体缺陷。掌握了这些“错误”的来龙去脉有助于医务工作者找到治疗损伤和先天性肢体缺陷的方法，对于临床疾病的预防和诊治都有着积极的意义。关键词： 肢体发育；基因调控；肢体缺陷浅谈肢体发育中的基因调控1 引言肢体发育是先天遗传和后天环境中各种因素相互作用的结果1。其中，遗传决定身体发育的可能范围，而环境、教育则影响遗传潜力的发挥，以至决定发育的速度及达到的程度。这里本文主要探讨遗传因素对于肢体发育过程的作用和影响，具体而言，就是对肢体发育中的基因调控做一个相对简单的介绍。在分子生物学出现之前，实验胚胎学家们一直都在试图回答诸如“正在发育中的肢体中的细胞怎样“分辨”左与右，璇与底，后与前？”、“什么确保上臂的骨髂形成时靠近（近侧的）你的身体、而你的手指形成时远远分开（在末端的）? ”以及“为什么仅仅在你手的底（前侧）面形成起皱的掌面、背面（背侧的）仍然是光滑的?”之类的问题，但是一直无法得到令人满意的普遍使用的答案。随着分子生物学的来临，科学家们现在能够分析指导肢体形成的特有的基因，分子生物学向研究人员提供了鉴别在如像肢体发育这样的胚胎过程中涉及到的基因的手段，一旦一个基因被克隆即是一旦它的DNA被分离出来它就成为一个强有力的研究工具2。通过读出构成基因的DNA的化学“函件”中的指令，科学家们就能够预测它编码的蛋白质的结构。DNA片断也能够被用作为探针来确定在一个发育的胚胎中，基因在何处才是活性的，何时才被转移。也许最重要的是，一旦基因被克隆，科学家们就能够改变基因的表达，将其转到在那一般不会起作用的地方或者将其挡在它一般会起作用的地方，研究人员以这种方法可以开始探测基因在正常发育期间起的作用。除了满足对生活奇迹的古老的好奇心之外，这样的研究也在帮助研究人员了解出错和为什么出错，这些错误又会导致出哪些肢体缺陷。掌握了这些“错误”的来龙去脉有助于医务工作者找到治疗损伤和先天性肢体缺陷的方法，对于临床疾病的预防和诊治都有着积极的意义。2 肢体发育的决定一只由很多系统、组织和细胞组成的动物来源于一个细胞:受精卵。它经过分裂可以变成很多细胞，这些细胞如何变成不同细胞，取得不同的身份，有不同的命运？这是发育生物学的一个核心问题。有了不同身份的细胞，才能形成不同的结构，产生不同的功能：红细胞运输氧气，心肌细胞泵血，神经细胞参与思维事实上，生物的个体发育是依照非常精确的程序进行的，这种程序及其详细的规定了身体的结构，确定每一个发育事件发生的时间与地点。近年来在深入研究基因结构和功能的过程中，人们逐渐认识到生物个体发育的过程，实质上是基因表达的时空调节的展现，也就是在胚胎发生的特定时间内、特定的细胞中，一个基因或一株基因出现或关闭其活性的综合结果3。2.1 基因调控生物的遗传信息以基因的形式储藏在细胞的DNA分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息通过转录和翻译转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质，叫做“基因表达”，对这个过程的调节就称为“基因表达调控”。人类作为真核生物具有多极调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上，转录水平的调控，决定某个基因是否会被转录，并决定转录的频率4。真核细胞在特定时间通过差别基因转录选择性地合成蛋白质，转录水平的调控包括转录的激活和转录的阻抑，既与顺式调控元件有关，又与反是作用因子有关；加工水平的调控，决定初始mRNA转录物被加工为能翻译成多肽的信使RNA的途径，选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关蛋白质，产生蛋白质多样性，这是在RNA加工水平上调节基因表达的重要方式。翻译水平的调控，决定某种mRNA是否真正得到翻译，如果能得到翻译，还决定翻译的频率和时间的长短。翻译水平的调控机制，一般都是通过细胞质中特异的mRNA和多种蛋白质之间的相互作用来实现的。涉及到mRNA的细胞质定位，mRNA翻译的调控和mRNA稳定性的调控等。2.2 基因对于肢体发育的控制个体发育过程的阶段性，总是遵循预定的方向和模式，这是由个体的基因型所决定的5。首先，在个体发育的过程中，各种性状的发育，从受精卵开始分裂时就开始了。随着个体发育时期的推进，相应的性状相继而有节奏地发生。个体发育的这种特性是由遗传因素决定的，是基因序列在不同时间不同空间上的选择性表达。其次，个体发育所经历的不同阶段，总是遵循预定的方向和模式。这是由个体的基因所决定的。同形异位基因就是其中的一种主要类型。同形异位基因控制个体的发育模式、组织和器官的形成。同形异位基因编码一组转录因子。如前文中在介绍基因调控中所述，转录因子的作用是与RNA合酶及其它因子一起，控制基因转录。因此，同形异位基因是通过调控其它重要的形态及器官结构基因的表达，来控制生物发育及器官形成的。这类转录因子都含有一段或几段十分保守的序列。这些序列能形成一定空间结构，与特异的DNA序列结合。例如，许多同形异位基因编码的转录因子在其梭基端有一段长约60个氨基酸的同形异位框，它可形成a-螺旋-转角-a-螺旋结构，与特定的DNA序列结合。另一些由同形异位基因编码的转录因子，则在其氨基端（往往是紧挨着第一个甲硫氨酸有一段长约60个氨基酸的MADS框。毗邻MADS框的是聚合体框，使这种转录因子能形成二聚体与DNA结合。由于基因启动子区域有与蛋白质结合的重复序列可供二聚体结合，因此二聚体的形成可提高基因表达效率。另外，个体发育阶段性转变的过程，实质上是不同基因被激活或被阻遏的过程。在发育的某个阶段，某些基因被激活而得到表达，另一些基因则处于被阻遏或保持阻遏状态。在发育的另一阶段，原来被阻遏的基因因激活而表达了，原来表达的基因却被阻遏。基因是否得到表达，可从它的表达产物蛋白质或转录产物mRNA,或通过比较突变型与野生型的表型来推断。人作为高等生物，结构复杂，形态建成涉及一系列新陈代谢过程。这些过程的完成有赖于不同蛋白质的及时合成，并按一定顺序组合到各种形态结构中去，使器官从小到大，从简单到复杂。3 基因调控与肢体畸形肢体畸形主要有指（趾）、掌骨和跖骨、腕骨和跗骨、肢的长骨发育异常而造成的畸形。从已有的研究资料表明人类肢体畸形主要与HOX基因、EVX2、DLX1、DLX2、DLX5、DLX6、GLI3、IHH等基因有关，由这些基因不同形式的突变引起。其中HOXD13丢失、多聚丙氨酸重复和外显子2的错义突变；HOXA13多聚丙氨酸重复和外显子1、外显子2的无义突变；HOXD13和HOXA13突变共存以及HOX基因的调节突变；EVX、DLX1、DLX2缺失；IHH和GLI3的基因突变等均可不同程度地导致人体肢体畸形6。3.1 HOX基因与肢体畸形HOX基因编码一个高度保守的转录因子家系，这些转录因子在胚胎发育形态发生中起作用，在动物界普遍存在。像大多脊椎动物人类HOX基因有39个，排列成4个分离的基因簇。称为HOXA、HOXB、HOXC、HOXD，分别位于染色体7p14、17q21、12q13和2q31。每个基因簇长度大约120kb，含911个基因。其中HOXA和HOXD基因簇大多数5端的基因（HOXA9-13和HOXD9-13）在脊椎动物肢体发育中是特别重要的。HOX基因多聚丙氨酸序列重复、错义突变、缺失、调节突变等均能引起人体肢体畸形。3.2 EVX2突变引起的肢体畸形2002年Goodman等7报道一家系父亲和女孩具有SPD表型，其HOXD基因家簇5端出现117Kb的缺失。这种缺失的范围被精确定义:恰好缺失HOXD9-13和EVX2基因。EVX2同源盒直接位HOXD13上游，其在肢体远端和生殖管的功能像HOXD5端基因。从上述讨论中可见，这些SPD病人很可能是由一个或多个基因缺失引起的，EVX2基因和HOXD10-13在肢身发育都有重要的作用。3.3 DLX1和DLX2突变引起的肢体畸形Crackower等8在一个裂手、裂脚畸形（Split-hand/footmalformatipnSHFM）的女孩（缺指、趾骨和缺掌、跖骨），发现2q31q33缺失。在一个患有双侧裂脚的男孩中检出2q24q31.1缺失。在一个患有双侧裂脚的女孩，其2q31q33缺失延伸超过了HOXD基因簇，而且直至D2S294，因此提示SHFM位置可能位EVX2和D2S294之间5Mb处。在这一区域可能的候选基因是DLX1和DLX2，已知这些基因在肢体发育中是重要的。还有人研究发现DLX5和DLX6突变也可导致SHFM。3.4 IHH 基因突变引起的肢体畸形Bo等9对一个短指家系研究，发现与IHH基因突变有关，发现IHH在外显子1的283的位置上有GA的碱基置换改变，可能导致甘氨酸（95）被亮氨酸取代。在另一个短指家系中发现外显子2的391的位置上有GA的改变，也可能导致甘氨酸（391）被亮氨酸取代。4 总结本文主要就基因调控在肢体发育过程中所起到的作用和影响进行了相对较为简单的概述性介绍，一方面阐述了基因调控控制肢体发育的机理，另一方面介绍了由于基因调控过程中的异常而导致的肢体畸形。借助于发育生物学中的相关技术手段可以帮助研究人员了解基因调控中出现的错误、出错的机理以及这些错误所导致的肢体缺陷。掌握了这些“错误”的来龙去脉有助于医务工作者找到治疗损伤和先天性肢体缺陷的方法，对于临床疾病的预防和诊治都有着积极的意义。参考文献1 2 Robert D.Riddle. 肢体怎样发育J. 科学：中文版, 1999, (5):24-29.3 赵寿元. 基因与个体发育J. 科学, 1990, (3)4 安利国. 发育生物学M. 科学出版社, 2010.5 石磊. 揭示肢体发育的奥秘J. 世界科学, 2009, (7).6 罗桐秀. 人类肢体畸形的遗传学研究进展J. 癌变：畸变, 2006, (2):159-160.7 Goodman FR, Ma jewski F, Collins AL, et al. A 117-kb deletion removin g HOXD9-HOXD13 and EVX2 cause synpolydactyly J. Am J Hum Genet, 2002, 70: 547-555.8 Crackower MA, Scherer SW, Rommens J M, et al. Characterization of the s plit hand/split foot malformation lous SHFM1 at 7q21. 3q22. 1 and analysis of a candi