细胞分化与形态形成的基因

为什么是这样

细胞分化是细胞在形态和功能上变得各不相同。分化并没有丢掉用不到的基因：格登把非洲爪蟾蝌蚪的小肠上皮细胞核，移植到核已失活的未受精卵中，部分卵发育成正常的蝌蚪，有的还长成了成体。山中伸弥向体细胞导入 4 种基因制成 iPS 细胞，也说明分化状态可以被重置。

分化的实质是选择性的基因表达：所有细胞都表达维持生命所需的基因，特定细胞另外表达特定的基因，例如晶状体细胞合成晶体蛋白，红细胞的前体合成血红蛋白，胰岛 B 细胞合成胰岛素。表达哪些基因，取决于上一节讲的诱导和细胞所处的位置。

果蝇前后轴的形成是基因依次表达的典型。卵的前端定位着母性效应基因 bicoid 的 mRNA，后端定位着 nanos 的 mRNA，受精后翻译出的蛋白质形成前后浓度梯度。各处的细胞核按浓度依次启动间隙基因、成对规则基因、体节极性基因，把胚逐步划分成体节；随后同源异形基因（ホメオティック遺伝子）决定每个体节形成什么结构。它突变时会出现触角变成腿（触角足突变，アンテナペディア），或第三胸节变成第二胸节而长出两对翅（双胸突变，バイソラックス）。

同源异形基因都含有一段相似的序列，叫同源框（ホメオボックス），它编码的部分能与 DNA 结合，所以这些基因的产物是转录调节因子。脊椎动物也有相似的 Hox 基因群，它们在染色体上的排列顺序与沿前后轴的表达区域顺序一致。形态形成中还有细胞凋亡（アポトーシス）：手指形成时指间的细胞死去，指才分开。

定量表达

同源框约 180 个碱基对，按 3 个碱基对应 1 个氨基酸，编码约 60 个氨基酸的同源结构域（ホメオドメイン），这一段在不同动物间高度相似。成对规则基因以 7 条带状表达，每条带对应相邻两个体节的宽度，胚因此被划分为 14 个体节单位。

三胚层的去向：外胚层 → 表皮、神经管（脑、脊髓）、晶状体与角膜等；中胚层 → 脊索（后退化）、体节（脊椎骨等骨骼、骨骼肌、真皮）、肾节（肾脏）、侧板（心脏、血管、血液、内脏的平滑肌等）；内胚层 → 消化道上皮、肝脏、胰脏、肺等。最容易记错的是神经：它来自外胚层，不是中胚层。