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第23章 心脏为何长在身体左侧

这是一个发育生物学问题,比如脊椎动物的发育,胚胎的整个体态在早期一直是保持左右对称的,到了肠胚期,内脏的原胚比如早期的心脏,肠道等的位置开始表现出在胚胎中的左右不对称分布。在一个原本左右对称的胚胎里,像内脏发育这样的左右不对称性是怎么建立的?既然早期的胚胎左右完全对称,为什么胚胎能知道哪是左边,哪是右边?

人体的眼睛,耳朵,四肢等包括整个体态都是左右对称的,为什么内脏的分布就会左右不对称呢?

这是一个发育生物学问题,比如脊椎动物的发育,胚胎的整个体态在早期一直是保持左右对称的,到了肠胚期,内脏的原胚比如早期的心脏、肠道等的位置开始表现出在胚胎中的左右不对称分布。在一个原本左右对称的胚胎里,像内脏发育这样的左右不对称性是怎么建立的?既然早期的胚胎左右完全对称,为什么胚胎能知道哪是左边,哪是右边?最近,东京大学广川信隆教授及其助手田中庸介揭开了这一千古谜团。

广川信隆和田中庸介的研究小组通过小鼠试验,发现了左右人体器官生长在什么方向的重要决定性物质。该研究小组在对小鼠的实验中发现,在胎儿腹部微小的突起表面,纤毛起到使羊水向左侧流动的作用,这种流动决定了身体器官的左右位置。在胎儿时期,细胞内起传达信息作用的钙浓度左侧较高,使多种遗传基因起作用,决定每个器官的排列位置。

研究小组使用妊娠前期7.5日的小鼠胎儿进行试验,发现从被膜包围的袋状物质突起的表面细胞中,分泌出称为Sonichedgehog的蛋白质和维生素A酸。这些物质随着水流向左侧流动,在左侧的细胞表面附近包囊破裂,释放出的蛋白质粘合在细胞上,正和这些蛋白在胚胎里的表达位置有关系。这算是在分子水平,首次阐明了胚胎的左右不对称性。

可是,这仅仅是个开始,又是什么机制导致这些蛋白在胚胎中的表达会左右不对称呢?遗传学家运用各种各样基因突变的老鼠,寻找是哪个基因突变,会让老鼠的内脏分布从左右不对称变成随机分布。经过不懈的努力,终于找到一种带有叫做iv基因突变的老鼠,其内脏的分布是左右随机的。这说明什么呢?说明iv基因很可能和左右不对称性的建立有重要关系,一旦没有了iv基因的功能,胚胎就无法建立左右不对称性,胚胎在发育时分不清左右,内脏的分布也就左右随机起来了。这种控制胚胎左右不对称性的基因表达的是一个叫做“左右dynein”的蛋白,简称LRD(left主rigthdynein)。

原来,很多胚胎细胞表面会长出叫纤毛的结构,纤毛会不断地朝一个方向摆动或旋转,而LRD就和纤毛的运动有关系,没有了LRD,细胞上的纤毛就不动了。更关键的是,肠胚期胚胎有个对体态形成和发育有关键作用的结构叫node,长在胚胎表面的中线上。在组成node细胞的表面,有很多纤毛,这些纤毛都按反时针方向摆动,让细胞表面的液体产生一个向左的流动。因为胚胎细胞会分泌很多信号蛋白到细胞表面的液体中,纤毛所导致的这个单向液体流动,会让细胞表面液体里包含的某些信号蛋白集中在胚胎表面的左边而不是右边。而胚胎左侧信号蛋白的相对浓度高于右边,正是胚胎最早的左右不对称性来源。在这个基础上,左右两边的胚胎细胞就会受信号蛋白的不同调控而表达出不同的蛋白,再进一步导致两边脏器发育的不对称性。LRD缺陷的老鼠,node的纤毛不动了,细胞表面的液体也就静止了,液体里信号蛋白的分布就会变得左右均匀,于是胚胎的左右不对称性就建立不起来了。

当然,这里介绍的只是大概,要弄清所有的细节,还需要发育学家们和遗传学家们进行长期的探索和试验。

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