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合成生物学研究生物图案的形成原理论文 　　 　　生物系统常会形成复杂的图案或结构如斑马的条纹、孔雀（Peafowl）的羽毛、金钱豹（Pantherapardus）的斑点、鱼的鳞片、花瓣等产生这些有序结构的生物过程被称为“图案的形成”[1].它通常涉及多信号错综复杂的调控、基因表达的改变、细胞的形变、细胞的运动、增殖和死亡以及细胞环境的相互作用 　　 　　分子生物学家、发育生物学家、合成生物学家、组织工程学家、系统生物学家和理论生物学家都对生物图案的形成非常感兴趣了解这些生物图案的形成原理是对一代代科学家的极大挑战 　　 　　在过去的10年中合成生物学家们不断尝试将物理学和工程学理念融入生物学并取得了很大的进展改造细胞使之拥有新的功能是合成生物学的主要目的[2~7].然而这一领域的另一个重要目的“用创造生命的方式去理解生命”正越来越受到重视[8,9].生物图型的传统研究方法是正向或反向遗传学方法因此运用合成生物学来研究生物图案的形成原理是一个标志性的转变在这篇综述中将重点介绍重复周期性生物图案的研究 　　 　　1重复周期性生物图型及其实验研究 　　 　　从解剖学角度而言生物结构或图案往往呈现重复周期性例如人有10个手指24根肋骨和32颗牙齿一个在空间上具有“重复周期性”的图案通常由被有序间隔隔开的重复单元组成这种特征可以轻易地从斑马条纹、孔雀羽毛、鱼鳞、果蝇（Drosophilamelanogaster）体节和脊椎动物胚胎体节中观察到周期性也同样可以表现在时间维度上如人类心肌的有规律收缩运动[10].果蝇身体的分节是周期性结构研究的重要典型之一在过去的30年中大约有40个基因被确认参与了果蝇的分节过程这些基因通过层层相互作用逐步演变最终完成了前后轴（anteriorandposterioraxis,AP）的细分[11,12]（图1） 　　 　　体节发生作为脊椎动物胚胎的一个重要发育过程已被广泛地研究[14,15].体节是胚胎的一段更确切地说是指腔结构周围的细胞块[14].它是由前体节中胚层（presomiticmesoderm,PSM）神经管两侧互相平行的两条间叶组织[14]有规律地逐渐发育而来在这个过程中体节以周期性的时间间隔沿前后轴形成这个间隔在斑马鱼（Daniorerio）中为30min,在鸡（Gallusdomestiaus）体内是90min,在小鼠（Musmusculus）中是120min,在人体中则是4h[16].体节形成之后可以随之发育成骨骼肌、真皮和椎骨在过去几十年间科学家为寻找周期性基因表达的控制元件做了很多努力研究表明在鸡胚中成纤维细胞生长因子FGF8参与了时钟信号控制体节分段的过程[17].FGF8的mRNA水平在前体节中胚层最末端中表达很高越靠近最前端越低在前体节中胚层中形成了一个梯度（图2）而成纤维细胞生长因子8（fibroblastgrowthfactor8,FGF8）的过表达会阻止分段过程并使前体节中胚层细胞保持在未成熟的状态 　　 　　这表明FGF8的表达水平与前体节中胚层细胞的发育演变密切相关有研究提出在鸡胚中的FGF8存在一个阈值被称为“决定性前沿”（图2）随着体轴的伸长“决定性前沿”会后退从而使细胞进入分节过程因此该体节的边界距离可能是由振荡周期决定的 　　 　　1.1数量恒定 　　 　　另一个关于重复周期性生物结构的有趣问题是它们的基本单元数量是恒定的如人类的手指就是10根肋骨为24根牙齿32颗椎骨33块这是如何实现的呢样的机制决定了这些数量并保持不变有科学家提出存在一个“停止条件”使基A:母体的信号“预先混合”的细胞质已经在卵子发生过程中准备就绪在卵子的细胞质中母系的驼背基因HB（hunchback）和尾部基因CAD（caudal）转录产物均匀分布；卵极基因BCD（bicoid）的转录产物主要位于卵的前极而其蛋白质和RNA复合物则主要分布在后部受精后这些母系转录产物会被迅速翻译在受精卵中产生蛋白质梯度；B:间歇基因域嵌入在卵子表面的信号激活位于受精卵两极的跨膜受体躯干（Torso）同时在沿AP轴的特定位置一组合子的“间歇”的基因如无尾基因TLL（tailless）、巨大基因GT（giant）和Kr（Kruppel）被母体蛋白质的信号激活；C:成对基因图型虽然间隙基因的表达谱并不是周期性的它们转录因子的相互作用和母体蛋白质的信号提供了核子的特定轴向特征这个特征是由成对基因（如多毛基因H（hairy）、侏儒基因run（runt）、跳跃基因eve（skipped））来决定的从而会产生周期性的基因表达成对基因及其下游基因转录相互作用（如体节缺少基因FTZ（fushitarazu））细化了表达条纹条纹边界指示了副节体边界；D:节段极性图型尽管成对基因的表达是瞬时的一旦细胞边界形成