植物和動物的殊途同歸（3）

朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2017年第11期第15頁）

5 植物從單倍體變二倍體的基因調控

上述介紹的，是植物從單倍體到二倍體的轉變歷程，是植物為“改正錯誤”而作出的“漫長努力”（其實還是隨機突變加自然選擇）。如果從基因調控的角度審視植物的這個轉化歷程，就會發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)這些步驟非常不易。植物要從最初的單倍體變?yōu)楹髞淼亩扼w，有3個關鍵的問題必須解決。第1個是使受精卵不立即進行減數(shù)分裂，而是像動物那樣延遲（在生殖細胞中）或者取消（在體細胞中），并且代之以有絲分裂，形成多個二倍體的細胞，這樣才有建造二倍體身體的材料。第2個是有了許多二倍體的細胞后，還需要有將這些細胞組建成二倍體身體的發(fā)育程序，這樣二倍體世代才能擁有自己的形態(tài)結構。第3個是即使有了為二倍體植株發(fā)育的程序，由于為單倍體發(fā)育的程序仍然存在（基因仍然在那里，在單倍體植株的發(fā)育中就會被采用），植物還必須有機制控制二倍體只使用自己的發(fā)育程序，而不采用單倍體植株的發(fā)育程序。下文分別介紹對這3個問題的研究狀況。

5.1 是進行有絲分裂還是進行減數(shù)分裂？

想知道最初植物的受精卵是如何以有絲分裂取代減數(shù)分裂的，就需要知道有絲分裂和減數(shù)分裂控制機制的差別，而這是一個相當困難的任務，到現(xiàn)在還沒有答案。有絲分裂和減數(shù)分裂的基本過程相同，都是通過紡錘體中的微管將染色體拉到2個子細胞中去，故減數(shù)分裂其實也是廣義上的有絲分裂，只是要進行2輪細胞分裂，且染色體分離的方式不同。有絲分裂和減數(shù)分裂的基本機制相同的證據(jù)是：無論是在植物中還是在動物中，這2個細胞分裂過程都是被MPF的蛋白復合物驅動的。MPF由2個亞基組成：一個是細胞周期素（cyclin），另一個是依賴于細胞周期素的蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）。在有絲分裂或減數(shù)分裂開始前，CDK不與細胞周期素結合，沒有活性。在細胞進入有絲分裂或減數(shù)分裂時，CDK磷酸化的狀態(tài)改變，結合細胞周期素，形成具有活性的蛋白復合物，其CDK激酶的活性使細胞分裂所需要的蛋白因子磷酸化，啟動有絲分裂或減數(shù)分裂。

MPF是在1971年被2個美國實驗室發(fā)現(xiàn)的。孕酮（progesterone）能激活青蛙的卵母細胞（oocyte），使其進入可以受精的狀態(tài)，稱為卵母細胞的成熟（maturation），故起作用的因子被稱為成熟激活因子（maturation promoting factor，MPF）。 此過程需要卵母細胞進行減數(shù)分裂，MPF也可以代表meiosis promoting factor。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，MPF的活性在體細胞中也存在，讓體細胞進入有絲分裂期，即M期，所以MPF又可以代表M phase promoting factor或者 mitosis promoting factor。類似的MPF復合物后來也在植物中被發(fā)現(xiàn)。有絲分裂和減數(shù)分裂都由MPF啟動的事實說明，這2個細胞分裂的基本過程是高度重合的。

MPF被激活時，細胞是進行有絲分裂，還是進行減數(shù)分裂，一定有相應的控制機制，但到目前為止，這個控制機制還沒有找到。減數(shù)分裂是一個極為復雜的過程，例如小鼠的精母細胞（spermatocyte）變?yōu)榫毎╯permatid）時，有大約 60%的基因（12 776個）的表達發(fā)生變化。要從如此眾多的基因表達變化中找出負責決定減數(shù)分裂的基因相當困難。

不僅如此，減數(shù)分裂還分為幾個階段，每個階段都有控制機制。例如女嬰在出生時，卵巢中已有初級卵母細胞（primary oocyte）。這些初級卵母細胞是四倍體的，說明卵母細胞（oocyte）已進入減數(shù)分裂的程序，完成了DNA的復制，但是停止在第1輪減數(shù)分裂前。到了青春期，在排卵前36～48 h，初級卵母細胞才進行第1輪減數(shù)分裂，形成次級卵母細胞（secondary oocyte）。卵巢排出的卵實際上是尚未完成減數(shù)分裂的次級卵母細胞。進入輸卵管之后，次級卵母細胞才進行第2輪減數(shù)分裂，形成單倍體的卵細胞。因此整個減數(shù)分裂的過程可在DNA復制后和第1次減數(shù)分裂后停止，后面的步驟可延遲啟動，說明減數(shù)分裂的啟動（DNA復制）、第1輪減數(shù)分裂和第2輪減數(shù)分裂都各有控制機制，使得對整個減數(shù)分裂控制機制的研究變得非常困難。

5.2 控制植物二倍體結構發(fā)育的基因 植物從單倍體變?yōu)槎扼w要解決的第2個和第3個問題分別是要形成二倍體身體發(fā)育的程序和強制二倍體細胞采用這個程序的機制。苔蘚植物的配子體是單倍體的，像多細胞的綠藻一樣，已經有發(fā)育成單倍體植株的程序，讓單倍體細胞長出有類似根、莖、葉結構的植物體，有葉綠體，可進行光合作用而獨立生活。在受精卵延遲進行減數(shù)分裂，代之以有絲分裂，產生大量的二倍體細胞后，就面臨如何將這些二倍體細胞組成一個新植物體的問題。由于這樣的二倍體植株以前沒有存在過，這就要求苔蘚植物發(fā)展出新的建造身體的藍圖，而且在新的藍圖發(fā)展出來以后，還必須要有機制避免二倍體細胞再采用單倍體植株的藍圖。這2個任務是彼此相連的：沒有發(fā)育出二倍體植株的藍圖，二倍體的細胞無法形成有用的結構；而沒有制止植物向單倍體結構方向發(fā)展的機制，這樣的新藍圖即使發(fā)展出來也不能保證被二倍體的細胞所使用。

苔蘚植物二倍體發(fā)展的藍圖（即形成孢子囊和支撐孢子囊的梗）是如何形成的，現(xiàn)在還不得而知，估計這是一個不斷嘗試的過程。一開始也許是受精卵原地進行有絲分裂，產生大量的二倍體細胞，這些二倍體的細胞再進行減數(shù)分裂，產生單倍體的孢子。比起受精卵直接進行減數(shù)分裂，這種延遲的減數(shù)分裂已經是一個巨大的進步，可增加孢子的數(shù)量和增加孢子遺傳物質的多樣性。如果一些二倍體細胞能聚合形成桿狀結構，位于桿端的細胞就可以從配子體上伸出，由這些細胞產生的孢子就可以從配子體植株的上面，即從較高的位置散發(fā)孢子，使孢子有更好的機會被傳播到較遠的地方，增加植物繁殖后代的機會。如果在桿狀結構的頂端形成孢子囊，二倍體細胞就會形成梗、孢子囊壁，以及孢子囊內部負責進行減數(shù)分裂形成孢子的組織，這就是最初的孢子體，但是形成這樣的孢子體的分子控制機制尚不清楚。

在二倍體發(fā)育的程序形成后，二倍體細胞是如何采用該程序避免發(fā)育成單倍體的配子體結構的，現(xiàn)已有一些有趣的初步研究結果。苔蘚植物中的小立碗蘚（Physcomitrella patens），和其他苔蘚植物一樣，配子體和孢子體有不同的結構。配子體是有“葉片”和假根的植株，而孢子體沒有“葉片”和假根，只是梗上的孢子囊。當KNOX2蛋白的基因突變后，二倍體的細胞就會發(fā)育出配子體的形狀，即長出 “葉片”和假根，而不是形成孢子囊的結構。這說明小立碗蘚的二倍體細胞也可采用單倍體配子體身體的發(fā)展藍圖，而KNOX2蛋白的作用就是防止二倍體采用單倍體配子體的身體發(fā)育程序，而向形成孢子囊的方向發(fā)展。檢查KNOX2基因的表達狀況，發(fā)現(xiàn)它只表達于受精卵和孢子體中，而不表達在配子體中，說明KNOX2蛋白為二倍體的身體發(fā)育所必需。

KNOX2蛋白并非單獨起作用，而是與一個BELL蛋白結合，形成異質二聚體，二聚體的形成使得KNOX2/BELL蛋白進入細胞核，結合于DNA上，發(fā)揮它們的調節(jié)功能，啟動二倍體的發(fā)育程序。對KNOX2蛋白和BELL蛋白的研究表明，它們都含有一個由63個氨基酸殘基組成的DNA結合域，這個DNA結合域與由60個氨基酸殘基組成的“同源異形域”蛋白（homeodomain proteins）的DNA結合域基本相同，只是中間有3個氨基酸殘基的插入，故被稱為TALE（three amino acid extension）蛋白。

同源異形域蛋白是一類非常重要的蛋白，在生物體結構的發(fā)育中起關鍵的控制作用。它們有些像“包工隊”的隊長，一旦將任務交給它們，它們就能動員相關基因完成該結構的建造。最著名的例子就是果蠅的antennapedia基因，它是負責形成果蠅腿的“包工隊隊長”。若該基因發(fā)生突變，原來應長腿的地方就會被長觸角的程序所取代而長出觸角。若在原來應長觸角的地方活化該基因，則在原來應長觸角的地方會長出腿。Homeo-這個前綴來自果蠅由于基因突變引起身體結構的變化，英文叫Homeosis，意思就是某個這樣的基因發(fā)生突變，身體的一部分就會被另一部分取代而導致身體異形，在中文中被譯為“同源異形”。為同源異形域（60個氨基酸殘基）編碼的DNA序列（180堿基對）被稱為同源異形盒（homeobox），因此同源異形盒基因也被稱為homeobox gene，簡稱Hox基因。上述談及的TALE蛋白的基因也含有同源異形盒，只是多出了為3個額外的氨基酸殘基編碼的DNA序列 （9個堿基對），所以是Hox基因的近親，與Hox基因一起控制生物身體結構的形成。

KNOX2基因是在1991年從一個玉米的突變種中提取到的，因為突變種玉米的葉子呈結節(jié)樣（knotted）變形，突變的基因也被稱為KNOX，是KNOTTED-like TALE homeobox gene的簡稱。由于同源異形盒基因在動物的身體發(fā)育過程起非常重要的調控作用，在植物中同源異形盒基因KNOX的發(fā)現(xiàn)引起了科學家廣泛的興趣，掀起了研究植物同源異形盒基因的熱潮。

研究發(fā)現(xiàn)，植物中TALE蛋白的歷史非常悠久。單倍體的衣藻（Chlamydomonas，一種單細胞的綠藻）在環(huán)境不利（例如營養(yǎng)缺乏）時進行有性生殖。細胞先進行有絲分裂，形成配子（gamete）。配子分正（plus）、負（minus）2 種，它們彼此融合，形成二倍體的受精卵（合子），受精卵再發(fā)育成為能抵抗惡劣環(huán)境的孢子，以等待適宜的生活環(huán)境。這就需要啟動為形成孢子壁的建造所需要的蛋白質的基因。所以即使是在單細胞的衣藻中，單倍體細胞和二倍體細胞也有不同的“身體”結構。受精卵啟動二倍體的發(fā)育程序形成孢子，是由TALE蛋白控制的。

衣藻的正配子表達Gsp1（Gamete-specific plus 1）蛋白，負配子表達 Gsm1（Gamete-specific minus 1）蛋白。正、負配子融合后，Gsp1蛋白與Gsm1蛋白結合，進入細胞核，啟動受精卵形成孢子的程序。若在負配子中也表達Gsp1，負配子就會向形成孢子的方向變化，表達為孢子壁形成所需糖蛋白的基因，說明Gsp1/Gsm1二聚體能使細胞向形成孢子的方向發(fā)展，無論細胞是單倍體的還是二倍體的。

比較Gsp1、Gsm1的氨基酸序列與其他TALE蛋白的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)Gsp1相當于BELL蛋白，而Gsm1相當于KNOX蛋白，這說明KNOX/BELL類型的二聚體在單細胞的衣藻中就已經存在，并在二倍體細胞的發(fā)育方向上起作用，而且Gsm1/Gsp1異質二聚體的工作方式也與KNOX/BELL二聚體相同，都是形成二聚體后才進入細胞核與DNA結合。

綠藻只有1個KNOX基因，而在植物中，KNOX基因被復制，形成2個KNOX基因，分別稱為KNOX1和KNOX2。在被子植物中，KNOX1蛋白存在于分生組織的細胞內，維持分生組織不斷進行細胞分裂的能力，它與KNOX2蛋白一起，使植物形成莖、葉等二倍體組織。KNOX基因在配子體（胚珠和花粉囊）中沒有表達，說明在高等植物中，KNOX基因仍然控制著二倍體植株形態(tài)的形成。

在動物中，單倍體的精子和卵子也有不同于體細胞的發(fā)展路線，例如精子必須長出鞭毛，濃縮和包裝DNA，在鞭毛的根部包裹上許多線粒體等；卵子體積增大，直徑可以達到100 μm，外面包有由糖蛋白組成的透明帶（zona pellucida），其作用是結合同種動物的精子，并啟動精子進入卵子的過程，因此單倍體的卵細胞必須表達為透明帶蛋白編碼的基因。這說明動物單倍體的細胞和二倍體的細胞各有不同的發(fā)育藍圖，雖然這些藍圖所需要的基因在單倍體的細胞和二倍體的細胞中都存在。一個有趣的情形是一些昆蟲例如螞蟻，卵細胞在沒有受精的情況下也可進行有絲分裂，發(fā)育成為單倍體的雄性螞蟻，而受精卵則發(fā)育成為雌性的螞蟻（工蟻和蟻后）。這說明單倍體的細胞（卵子）也可采用二倍體細胞的身體發(fā)育程序，發(fā)育成為二倍體動物，所以這些昆蟲一定擁有改換發(fā)育程序的機制。

這些例子都說明，無論是動物還是植物，單倍體的細胞和二倍體的細胞各有發(fā)展藍圖，形成不同的結構。由于所有這些細胞都同時含有2種藍圖的基因，每種細胞一定有某種機制，只選擇適合自己功能的發(fā)展藍圖。如果調控機制發(fā)生變化，同一種細胞也可以采用另一個發(fā)展藍圖。在植物中，二倍體藍圖的選擇是由KNOX基因控制的。

6 小結

從綠藻的單倍體生命，到苔蘚植物以單倍體的配子體為主的生命，到蕨類植物以二倍體為主的孢子體生命，再到二倍體種子植物（包括裸子植物和被子植物）中單倍體的配子體被孢子體“收容”，而且高度退化，植物的生活方式越來越像動物。從表面上看，動物和種子植物都是二倍體的生物體產生二倍體的下一代，植物單倍體的配子體幾乎退化干凈，而且隱藏在胚珠和花粉之中。這說明二倍體的遺傳物質構成更加適應復雜生物體的需要，所以動物和植物雖然開始時不同，動物是二倍體，植物是單倍體，但是后來它們殊途同歸，最后都采用了二倍體的生活方式。

之所以植物的配子體還沒有完全退化干凈，不能像動物那樣只產生單倍體的精子和卵子，完全取消世代交替，是因為植物不能運動，無法像動物那樣通過性交將精子送到卵子處，陸生植物的精子必須通過風力或者動物傳播，而裸露的精子是無法在這樣的條件下生存的，必須有保護和萌發(fā)的結構，這就是花粉，即殘存的雄配子體。陸生動物的卵子是深藏體內而裸露的，精子通過在生殖道中長途游泳可以直接到達卵子處，而陸生植物的卵子卻不能長時間裸露，否則會失水，所以植物的卵子是藏在胚珠內的，精子只能通過花粉管的延長到達卵子，這就使得植物必須有相應的結構實現(xiàn)精子和卵子的相遇，這就是胚珠的作用。胚珠內的單倍體結構就是殘存的雌配子體。

（完）