Science专题：形态发生

　　

生物通报道：形态发生（Morphogenesis）这个词语来自于希腊语的morphê，以及形成发生genesis，是一种生物发展过程。6月7日的Science杂志以此为题，推出了一个新专题，通过一篇介绍和三篇综述，解析了形态发生研究领域近期的研究进展，探讨了最新的理论特点和发展前景。

形态发生新理论

形态发生理论（morphogen theory）认为调控性状的蛋白是呈梯度排列的，不同数量的蛋白激活基因能形成各式各样的自然特征。形态发生理论首创于二十世纪50年代，由著名的数学家和逻辑学家Alan Turing等人创造，60年代Lewis Wolpert又从中进行了精炼。这一理论曾用于解释为什么老虎有条纹。

来自美国纽约大学的研究人员发现了胚胎不同区域，蛋白表达调控的新机制，也揭示了机体如何计划组织生理特性的机理，这一成果提出对已存在几十年理论的质疑。

研究人员分析了果蝇，进一步解析了形态发生观点，果蝇是一种重要的模式动物，由易于进行精确的遗传操控，因此可以用于遗传发育研究。研究人员聚焦于一种蛋白：Bicoid (Bcd)，这种蛋白在将形成成熟果蝇头部的胚胎尾部中以最高量梯度表达。

他们检测了大量Bcd蛋白直接激活的靶基因，每个靶基因都能在胚胎某个区域中进行表达，对应于某个特殊的结构。还分析了这些靶基因的DNA序列，结果发现了三个另外的蛋白：Runt, Capicua和Kruppel的结合位点，这三种蛋白都能抑制因子，也都是在胚胎中部以最高表达量梯度表达，因此正好对应于Bcd活性梯度的相关方向。

研究人员通过操控这些蛋白的结合位点，修改其空间分，结果证明了这些抑制成分可以对抗依赖于Bcd的活性，而且在构建正常胚胎过程中的正确边界顺序具有关键性的作用。这些研究提出了对于形态发生理论的质疑，研究人员解释道，他们的发现并没有否定之前的观点，而是认为这一理论需要更进一步的修改。

光形态发生新发现

作为无法移动的生物，高等植物已经进化出了能感应并对不同光信号作出应答，促进自身生长的能力，研究人员在拟南芥中发现，低强度和长波长的紫外光UVB光能作为一种参考信号信息，参与紫外光诱导的光形态发生（photomorphogenesis）。

研究人员发现了多种UVB诱导基因，其中包括多功能E3泛素连接酶，组成型光形态建成突变体（Constitutive photomorphogenesis 1，cop1），后者是UVB光形态发生应答过程中的一个关键作用因子。

研究人员发现有两种转录因子：FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3 (FHY3) 和ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5)，能直接结合在COP1启动子的不同调控元件上，促进受到UVB光形态信号调控的COP1基因诱导表达，而且是必需元素。如果缺乏FHY3将会导致UVB诱导的胚轴生长受阻，并且植物对胁迫环境的耐受力也会降低。

因此研究人员认为，FHY3能通过直接激活COP1的转录，正调控UVB诱导光形态发生过程，而HY5则能利用一个正反馈循环来促进COP1表达，而且FHY3和HY5物理位置接近，其相互作用在收到UVB照射时会减弱。

这些数据表明COP1基因表达能对UVB光形态发生作出应答，并这一过程受到了FHY3和HY5的综合调控，FHY3和HY5的UVB特异性工作模式与远红光和昼夜环境条件下的工作模式截然不同。

骨形态形成新发现

中国科学院昆明动物所的研究人员分析了骨形态形成蛋白家族成员之一：GDF5在人类中的群体多态性特征，取得了骨骼基因的适应性进化研究的新进展。

GDF5是骨形态形成蛋白家族成员之一，在骨骼系统特别是四肢软骨发育过程中起到至关重要的作用。大量研究已表明，该基因的5’端启动子区域的SNPs rs143383和rs143384的衍生等位基因和关节炎有显著相关性。另外，它们导致GDF5基因的表达水平的降低，进而减缓四肢骨骼生长速率。因而，这些衍生等位基因又与人类身高的降低存在相关性。

研究人员详细分析研究了人类GDF5群体多态性特征，发现rs143383和rs143384的衍生等位基因在东亚人群中受到达尔文正选择的作用，而这些衍生等位基因又与身高的降低显著相关。因而，此数据支持人类的体重、大小在晚更新世与全新世早期发生降低很可能是适应性进化的结果。

原文摘要：

Introduction
Getting into Shape
Beverly A. Purnell

As development progresses from a single fertilized egg to 2, 4, 6, 8, 16 cells, and so on, the early apparent homogeneity soon transitions to cells displaying varied sizes and shapes. Cell adhesion and cortical tension, with their associated forces, contribute to such changes. Crowded cells are pushed and pulled, but some make their own way via cell-autonomous migration or chemotaxis. These events proceed in an amazingly precise, choreographed manner, both temporally and spatially. Distinct germ layers and ultimately the stereotypic body form result, with amazing robustness. This special issue presents exciting advances in understanding morphogenesis, or the development of body shape.