综述：组织力学与基因调控网络在形态发生进化中的相互作用

本综述深入探讨了发育过程中基因调控网络（GRN）与组织力学之间的互补关系，提出二者在细胞和超细胞尺度分别发挥不可或缺的因果作用。作者系统剖析了分子特异性（causal specificity）与动态敏感性（dynamic sensitivity）的辩证关系，强调了力学因素通过机械转导（mechanotransduction）和反馈机制为形态发生提供鲁棒性（robustness），并从进化角度分析这种互作如何增强形态发生的可进化性（evolvability）。

　　

1. 引言：历史背景与概念框架

发育力学（Entwicklungsmechanik）的研究早于发育遗传学，由His、Roux和Driesch等学者在19世纪末至20世纪初开创。该领域通过显微手术、压缩和针刺消融等机械扰动研究形态发生机制，虽发现了细胞全能性、调节性发育和胚胎组织者等重要现象，却无法解释细胞分化、模式形成、遗传性等基本问题。这些现象需在分子基因、基因调控和形态素发现后才得以阐释。

随着分子生物学革命，发育生物学家的关注点从力学因素转向信息处理范式，认为发育因果关系本质上源于信息处理。然而，尽管发育遗传学在解密许多现象上取得巨大成功，它在理解形态发生——即细胞在组织中三维构型变化——方面的进展有限。形态发生必然由机械力驱动，同时又具有高度遗传性，需要力学和基因调控的共同输入。

当今的发育力学凭借新型成像和计算技术，已能实现多尺度力学性质和力的精确测量，促进定量建模与数据间的反馈循环。力学在发育中的关键作用已被确立，任何复杂形态发生都涉及力学、细胞间信号和基因调控网络的相互作用。然而在实践中，力学生物学与发育遗传学在实验和概念上仍缺乏紧密整合。

2. 遗传程序与机械自组织

遗传程序概念在1960年代分子革命时期确立，其典型特征包括层级性、前馈性和确定性。程序中的步骤是基因调控及相关基因功能激活。当代遗传程序的衍生概念是基因调控网络（GRN），即通过转录因子（TF）与顺式调控元件（CRE）结合来调控基因表达的遗传机制。GRN具有层级性：分化与模式形成由相对较少的上游转录因子调控下游因子实现，伴随胚胎分区中表达基因数量的增加。

然而，程序概念中关于确定性和无反馈的特征并不完全符合当前对GRN的理解。基因表达具有固有噪声（noise），表现为同基因细胞群体中的细胞间变异。这种噪声由基因产物低拷贝数、扩散随机性、转录翻译的时间变异性等因素决定。值得注意的是，噪声不仅是背景条件，还是受调控、可进化的性状。某些基因电路拓扑结构可能进化以调节噪声传播，例如通过噪声缓冲或限制信息丢失。在多细胞发育中，基因表达噪声提供的细胞状态异质性可成为更大尺度对称破缺事件的基础。

反馈同样是调控动态的核心组成部分。遗传振荡器（如脊椎动物分节钟Hes）通常基于自动抑制机制；昆虫缺口基因网络中存在从下游到上游基因的反馈，使系统能够锐化和调整表达域边界。这些反馈机制可能进化而来，以在形态素梯度嘈杂的精细尺度上赋予模式形成的鲁棒性和精确性。

同样，虽然力学可驱动形态发生中的自组织，但其影响也可以是程序化的。例如，细胞界面间的差异粘附性可导致细胞群体自发空间分离，而这种差异粘附性也可以被遗传编程或编码。研究表明，斑马鱼脊髓中的三种神经祖细胞表现出同型粘附，即相同细胞类型间的接触比不同类型间更稳定，这可能由Sonic Hedgehog的背腹梯度通过差异表达三类钙粘蛋白（cadherin）的“粘附代码”实现。从形态素到基因表达再到组织中细胞力学分选的因果路径是层级和前馈的，尽管需要随机细胞运动来完成分选。

3. 分子特异性与动态敏感性

变量X和Y间的因果关系若其状态以双射方式映射，则具有最大特异性（specificity）。例如，DNA序列与转录RNA序列间的关系具有高度特异性，而RNA聚合酶功能与RNA序列间的关系特异性较低。这种因果特异性是基因在细胞生物学、生理学和发育中发挥独特作用的关键特征。

遗传密码的因果特异性提供了组合变异系统，可生成高度“特异”的复杂大分子。这种分子特异性（molecular specificity）是早期分子生物学家的 foundational idea，至今仍是分子研究的基础。高分子特异性不会自发生成——功能蛋白质空间是可能氨基酸链空间的极小 subset，必须通过复制、渐进变异和自然选择进化而来。

相比之下，生物力学力（压力、压缩、张力）并非基于分子特异性，而是运动物理材料的通用属性。它们不复制、编码信息或在物理结构中指定基因型-表型映射，尽管它们可被细胞用作信号。机械力可在发育中扮演特定因果角色，但这要求细胞处于对该线索响应的 competent 状态，由与下游分化级联有特定调控联系的机械敏感蛋白介导。

分子特异性与GRN和遗传“程序”相关，因为特异性TF-CRE结合及随之的转录激活/抑制是形成GRN的基本因果关系。给定TF仅结合少量CRE，而CRE也可被少量TF结合。这些结合关系在很大程度上是时间不变且对浓度变化不敏感的。分子特异性是发育GRN具有层级性的必要条件，也是GRN确定性的主要基础。

然而，因果确定性很大程度上局限于分子尺度的分子相互作用。GRN是动态实体，倾向于对基因表达速率、时间、浓度、噪声、空间组织和环境变异敏感，此属性可称为动态敏感性（dynamic sensitivity）。简单GRN的建模研究显示，具有相同特异性结合伙伴的相同GRN可因初始和边界条件不同而产生不同动态行为。

动态敏感GRN在网络结构和参数值针对分子波动鲁棒性调谐时可以是确定性和程序化的。但这带来了细胞间基因表达协调的问题。精确形态发生需要大量细胞（通常数量级为10⁶–10¹⁰）行为的时空协调。GRN可控制基因表达，但不指定组织中单个细胞的空间位置。即使可以，动物基因组中也没有足够信息让每个细胞行为自主指定下形态发生变得复杂、精确且可重复。形态发生在缺乏超细胞尺度调节输入时，易受基因表达噪声和相邻细胞变异性干扰。

相反，细胞间相互作用不具备可与细胞内基因调控相比的特异性、信息含量和中央程序化组织。动物依赖极少数的信号转导通路（TGF-β、Wnt、Hedgehog、Delta-Notch、RTK/生长因子、JAK/STAT）和离子通道完成许多不同的发育信号角色。这类多效性信号并非特定于它们活跃的任一组织，但组织特异性响应可通过接收细胞处于不同的调控状态竞争力产生。同样，细胞间机械相互作用构成了小型、反复使用的过程 repertoire，如粘附、挤出、迁移和收缩。信号分泌和由收缩性或形状变化产生的主动应力本身都由处于特定转录控制状态的单个细胞控制。

4. 力学提供的组织尺度鲁棒性

表型鲁棒性（phenotypic robustness）定义为表型在扰动下的稳定性，如遗传扰动（突变或重组鲁棒性）或环境扰动（环境鲁棒性）。力学因素在不同条件下可赋予发育过程鲁棒性或不稳定性，超出遗传控制方面。

许多实验例子表明力学因素赋予形态表型鲁棒性或不稳定性。研究发现，果蝇腿形态发生折叠中，扰动Arp2/3复合体（调节分支肌动蛋白网络）会导致折叠定位鲁棒性丧失。正常情况下，肌球蛋白II（产生张力）在细胞连接处积累，取向平行于未来折叠；而Arpc5缺失细胞导致肌球蛋白II平面极性丧失和折叠定位更高变异性。作者提出此机制为折叠区域提供机械隔离，在机械嘈杂环境中保持折叠过程稳定。

机械因素也为上皮折叠过程提供鲁棒性，如果蝇胚胎中形成头沟的折叠。沟的位置基于Bicoid（Bcd）的前后梯度及下游转录因子Buttonhead（Btd）和Even-skipped（Eve）的表达。当Btd和Eve共表达时，以单细胞分辨率指定沟起始位点。在此位点，非肌肉肌球蛋白II的侧面收缩诱导折叠。研究发现Btd-Eve位置“代码”和肌球蛋白II积累固有嘈杂且彼此相关性不高。通过扰动细胞间机械耦合（基于粘附连接处的肌球蛋白II力），发现头沟处细胞背腹线性或对齐丧失。组织尺度机械耦合似乎平均了细胞内转录因子表达的固有机械噪声和变异性，以确保精确折叠。

不同组织间的协调生长也可由力学介导。研究果蝇翅成虫盘两个上皮层——盘本体（DP）和围层上皮（PE）——间的生长速率匹配机制。翅盘正常功能要求这些组织协同生长以避免屈曲或折叠。作者区分了生长同步化的可能机制：独立指定每层生长速率；领导者-追随者条件（一层为两层设定生长速率）；双向串扰（每层影响另一层生长速率）。扰动层生长速率的实验支持领导者-追随者机制（2）。DP生长（“领导者”）似乎主要由形态素dpp和Hedgehog（Hh）控制。随着DP生长，它对PE施加拉伸力，通过机械敏感的Hippo通路转导，激活PE增殖。PE增殖随后减少DP施加的拉伸力。通过这种反馈机制，协调生长由机械拉伸作为控制变量确保。

5. 形态发生的进化

5.1. 遗传学与力学对表型可进化性的贡献

近期理论和证据表明，遗传鲁棒性——表型对遗传变化的稳定性——可增强表型可进化性（phenotypic evolvability），即产生潜在适应性变异的能力。突变鲁棒性允许进化群体在基因型空间中扩散而不丧失适应度，从而获取可能 upon 环境或遗传背景变化时转化为表型变异的遗传变异。然而，过多突变鲁棒性会阻止遗传变化以有益方式影响表型，从而阻碍其可进化性。实际进化并多样化的群体可能是那些成功管理遗传鲁棒性与敏感性间平衡的群体。

这种鲁棒性-敏感性平衡可能在一定程度上由GRN的进化设计调节。然而，力学可对可进化性作出类似贡献。例如，上皮细胞增殖的机械化学反馈控制可能比细胞-by-细胞指定增殖机制更简单。除反馈赋予的鲁棒性外，更简单机制是更小突变靶点，因而更允许其他基因变异。生长组织间的机械耦合不仅可能缓冲基因表达噪声，还可能允许耦合组织间遗传和表型差异积累。相比之下，形态发生必需的机械不稳定性可能对遗传扰动高度敏感，可能由稳定化选择而非生物体固有鲁棒性机制维持。

5.2. 形态发生与形态变异的遗传基础

理解遗传学与力学在形态发生中如何相互作用，需区分表型遗传效应的机制性（mechanistic）和变异（variational）概念。机制意义上，基因是产生表型结果的因果机制组成部分；变异意义上，基因是与群体中表型差异统计相关的因素。

形态遗传学研究倾向于分裂为机制模式（如发育遗传学中的遗传扰动）和变异模式（如定量遗传学中的全基因组关联研究（GWAS）和数量性状基因座（QTL）研究）。这些领域给出了形态发生遗传基础看似矛盾的结果。已发现核心基因集对形态发生许多方面机制上必需，包括机械敏感蛋白、细胞皮层收缩 machinery 及其关键调节因子、平面细胞极性基因、粘附蛋白、细胞迁移和 mitosis 关键调节因子。由于这些基因通常参与 multiple contexts 部署的核心形态发生过程，它们可能高度多效性（pleiotropic），因而 unlikely 变异而不导致发育重大破坏。

然而，机制必需基因调控变异无法解释复杂数量性状定量遗传研究的令人困惑发现。对于疾病性状（如高血压、阿尔茨海默病、精神分裂症）和形态性状（如身高、BMI），大多数遗传力由看似与性状完全无关的位点变异驱动。常见发现是少量等位基因对性状变异有 large effects，但被大量外围等位基因 overpowered，这些外围等位基因对性状变异影响 individually small 但 collectively large。

这些外围等位基因如何机制上影响性状变异？一个假设，即复杂性状的“全基因模型”（omnigenic model），表明细胞内基因表达 across loci 如此（弱）相互依赖，基因网络如此高度连接，以至于 essentially any gene 在性状相关细胞类型中具有调控变异都可能对性状有 nontrivial effects。这与复杂数量性状单核苷酸多态性（SNP）分布全基因组一致。尽管在给定细胞类型开放染色质区域富集，其对变异贡献在细胞类型特异性开放染色质与通用活性染色质（如看家基因组成型启动子）间差异不大。

尽管针对人类疾病性状提出，此全基因假设应更广泛适用。如果形态发生核心模块基于基因小子集，为何大小和形状等形态性状如此多基因（polygenic）？这可能因为形态发生基于基本细胞过程——如 mitosis、生长和细胞代谢——其速率可受相关细胞中表达的数百或数千基因表达变异影响。

5.3. 性状的机械与遗传个体化

正如形态性状变异来源可与形态发生力学方面解耦，基因和力学在发育过程中身体部位个体化或模块化中可有不同角色。将表型划分为可单独研究并在分类群间比较的 distinct traits 是标准生物学实践。一个重要概念和方法论问题是如何以非任意方式实现这一点，并反映 underlying 发育过程结构。

进化视角认为，表型特征构成性状仅当它可遗传地且“准独立地”（quasi-independently）于其他表型特征变异。这最小要求该性状受一组基因影响，这组基因与影响其他性状的基因不完全重叠。

考虑此问题于身体部位物理或机械驱动区域化报告背景下很有趣。例如，鳄鱼头部鳞片通过机械过程彼此分离，其中真皮和表皮在胚胎生长期间 differential stiffness 导致压缩弹性不稳定性和表面屈曲，类似于人脑皮层折叠或肠道绒毛化。研究发现鳞片大小和数量全局响应实验性表皮生长因子（EGF）升高，EGF增加表皮生长导致“迷宫状”折叠模式。在压缩折叠过程的全局约束内，任何特定鳞片位置似乎随机确定，因此我们无法说给定视觉 distinct 鳞片是否与另一鳄鱼相似位置鳞片相同。鳞片因而是物理但非遗传个体化特征，就此而言类似于指纹、单个哺乳动物毛发、斑马条纹和豹斑，而不同于大多数骨骼、昆虫体节和鳞翅目翅膀颜色元素。

性状是否遗传个体化对其可进化性有重要后果。遗传个体化性状有能力在不破坏其他性状情况下承担变异，而物理个体化性状或以随机、不可遗传和可塑性方式变异，或与同一全局物理模式过程控制的所有其他性状协同变异。一个值得进一步研究的问题是遗传和机械个体化机制如何在发育中耦合，例如胚胎组织发育期间 demarcating 粘附蛋白或 actomyosin 电缆的区域控制中。

6. 展望

发育力学物质主义与分子发育遗传学信息基因间的历史对立正在溶解，留下理解物理和遗传因子在发育和进化中如何衔接的问题。我们建议，与其将非遗传因子概念化为 quasi-separate 发育层（根据尚未证实的机制进化），不如尝试整合发育和进化生物学已有证据。除其他外，这将需要更精细的概念来讨论发育中的因果关系。

一个此类概念是因果和分子特异性，这是基因和GRN在发育中独特作用的核心。我们建议关注因果特异性凸显了GRN的直接控制 largely limited to 细胞状态，而更大解剖单元通过化学和机械细胞间相互作用自组织。就此而言，程序化秩序与自组织间的对比—— insofar 映射到GRN和机械过程——不必然是冲突或频谱，这意味着更多 one 不必然 entail less of the other。细胞可被遗传“编程”以 stereotyped 方式响应机械应力和化学信号，允许组织尺度自组织过程从细胞间相互作用中出现，且可通过自然选择调节。转录调控控制为集体细胞行为 repertoire 提供可进化基础，这些行为可被修改、详细阐述和 co-opted 以产生形态多样性。

理解发育力学与遗传学间关系的另一个关键因果关系方面是基因作为构建性状因果机制组成部分与基因作为性状变异来源间的区别。关注此区别导致反直觉见解：形态发生的适应性进化，尤其是短期，可能基于对核心形态发生机制有间接因果联系的非常多小效应基因的变化。

所有上述内容汇聚于可 schematic 称为形态发生的“细胞视角”（cell’s-eye view），类似于进化的“基因视角”（gene’s-eye view）。此观点认为形态发生由细胞行为 repertoire 驱动，如形状和机械状态变化、信号分泌、迁移、粘附、分裂和收缩性。单个细胞倾向本身由GRN动态稳定，GRN在适当发育位置和时间通过细胞谱系分化层级激活。同时，细胞间相互作用屏蔽了细胞内发生的许多分子细节。如此看来，以下两者均可成立：形态发生是经典意义上的自组织，源于遵循局部规则且无中央控制（如全局蓝图或程序）的细胞间相互作用；细胞倾向的遗传调控控制允许形态发生足够遗传以响应选择并经历适应，即使大多数基因与形态表型间因果联系高度间接。关键的是，细胞视角承认细胞类型是形态发生过程兴趣中许多外围基因间接影响变异的机制位点。它也描述细胞为“向上”和“向下”因果关系 interplay 的主要位点，从基因表达到力学和从力学到基因表达。

理解发育基因与力学间 interplay 因而可能通过回归到早期分子生物学和Entwicklungsmechanik之前很久时代的见解得到帮助——回归到Schwann、Schleiden、Remak、Virchow等人的细胞理论，该理论视细胞为生命基本单位。我们建议此视角可能证明有用，因为研究人员继续解开形态发生及其进化的机制基础。