1、发育线虫凋亡 一个有关死亡之舞的科学故事江华你得跳舞呀！穿着你的红鞋跳舞，一直跳到你发白和发冷，一直跳到你的身体干缩成为一架骸骨。安徒生红鞋从任何意义上，秀丽广杆线虫( Caenorhabditis elegans)都是一种名副其实的美丽生物。显微镜下，它通身透明，纤细的身躯优雅的摆动，每一块肌肉的收缩与松弛的一览无余。当它进食时，作为食物的细菌被一口吞下后是如何通过消化系统进到五谷轮回之所的过程也宛若舞台上一幕鲜活戏剧。这种长不过 1 毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。不过，秀丽线虫本身和自然状态的人关系不大，它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由
2、线虫” 。在有着多达 2000 万同宗兄弟的线虫家族中，它们一直默默无闻的过着无人打扰的幸福生活，千百万年来，除了少数线虫分类学家，我们对它们也不闻不问。荧光显微镜下的秀丽线虫（图片来自 ） 然而，当进入 20 世纪 70 年代时，秀丽线虫的平静生活被一群发育生物学家打破。一直到 20 世纪初，如何把握多细胞生物在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰研究生物个体发育的科学家们的难题之一，尤其是对于人这类高等动物来说，情况就更是如此。胚胎生长的本质是一个细胞不断分裂、迁移并在空间上发生巨大形态变化的过程，越是出生后形态复杂的生物，其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈。此外，虽然所有细胞都来自于同一
3、个受精卵，但从发育的较早时候开始，它们就走上了不同的分化道路，越到后期，要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难。根本上，发育的过程是一部生命发展的细胞历史。成体中每个细胞都有一段自己独特的历史，总括起来就构成了个体生命。对复杂生物发育的解读类似于对有悠久历史的古文明所进行的研究，史料千头万绪，细节纷繁，难以把握，有时甚至无从下手。显然，如何选取恰当的切入点，找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为驾驭这部生命史的关键。早在 20 世纪最初的 20 年中，甚至更早到 20 世纪的“上世纪” ，人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。因为这些生物的
4、细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物” 。海胆：发育研究的第一种模式生物 第一个被用作模式生物的是海胆（Sea Urchin） ，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。早在 1875 年，奥斯卡赫特维格（Oscer Hertiwig, 1849-1922）就开始以海胆为材
5、料研究受精过程中细胞核的作用，1890 年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起了重要作用。1891 年，汉斯德瑞熙（Hans Driesh，18761941）在海胆中完成了海胆胚胎分裂实验，为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑。他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。这一实验的意义在于证明胚胎具有调整发育的能力，并使盛行一时的机械论发育思想完全破产。海胆：胚胎发育的早期事件 稍后于海胆获得生物学家青睐的模式生物是苍蝇的亲戚学名唤作黑腹果蝇（ Drosophila melanogaster） 。它在近代生物学史上的地位显赫，这红眼睛
6、黑肚皮的小东西曾经三度飞进卡罗林斯卡医学院的颁奖大厅，为主人取回诺贝尔生物医学奖桂冠（1933 年摩尔根，1946 年缪勒，1995 年刘易斯、尼尔森沃哈德和维斯郝斯） 。由于它们繁殖迅速、染色体巨大且易于进行基因定位，因此自 1909 年摩尔根（Thomas Hunt Morgan，18661945）将之用作研究遗传变异和染色体关系的材料之后，果蝇就成为经典遗传学家揭示遗传规律的一张王牌。虽然 1940 年代后的 30 年中，更易进行分子生物学操作的大肠杆菌、酵母菌和噬菌体等微生物一度取代了它的辉煌地位，但 1970 年开始人们发现果蝇在胚胎发育图式的构建中具有特殊地位：它由 14 个体节构
7、成的躯干完全对称，一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程，后来的研究证明，这套基因普遍存在于从昆虫到人的基因组中，是决定机体左右对称布局形成的最基本因素。由此，果蝇再次引起人们的高度兴趣，其在遗传和发育研究模式生物中的地位又变得举足轻重起来。果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性 摩尔根：孟德尔遗传学的伟大继承者，果蝇之父 果蝇之后引起生物学家兴趣并在生物学研究中有过不俗表现的模式生物还有蟾蜍（非洲爪蟾， Xenopus laevis） 、斑马鱼（ Danio rerio） 、拟南芥（ Arabidopsis thaliana）和我们今天谈论的秀丽线虫。秀丽线虫：200
8、2诺贝尔生物医学奖的新宠。点击图片放大 线虫之所以能在经典模式生物的名单中占有一个重要位置和它的形态特点有密切关系。前面已经提到，线虫通身透明，观察十分容易。更为重要的一点是，它是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。它的幼虫含有 556 个体细胞和 2 个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后含有 959 个体细胞和 2000 个生殖细胞，而较少见的雄性成虫则只有 1031 个体细胞和 1000 个生殖细胞。此外，线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有 3 天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。通过 20 年的努力，
9、到 90 年代中期，人们已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。这意味着，它机体里每一个细胞的来龙去脉都处于我们的视野中，清晰并且无所遗漏。由于精子和卵细胞的形成（通常称为配子发育 gametogenesis）是贯穿个体发育的主线，因此人们通常按照生殖系细胞的发育路线建立个体细胞的谱系。 这里涉及一个有关生殖系（germ line）的定义，它是指从受精卵到原始生殖细胞的分裂过程中，所有能形成配子（生殖细胞的另外一种说法）的细胞。众所周知，任何生物个体的细胞中都含有同样一套基因，但并不是所有细胞都能发育成配子。只有一类特殊的细胞能够形成生殖细胞，至于到底哪些细胞能够成为担负种系延续重
10、任的幸运者，则是一件在受精之初就已经决定的事情：卵子中的一类特殊物质决定了细胞的命运。在线虫、果蝇和两栖动物，这类物质称为生殖质（germ plasm） 。它们是位于卵子中离细胞核较远的一端的一些颗粒状物质，由蛋白质和核糖核酸（RNA）构成。线虫的生殖质通常被称为 P 颗粒，对它的分配是通过一种不对称分裂实现的，这种分裂方式把它只分配到生殖细胞中，而不分配到注定要成为体细胞的姊妹细胞中。受精卵的第一次分裂产生一个含 P 颗粒的种系细胞 P1和一个创建者细胞 AB（founder cell,等同于哺乳动物中的干细胞，可以通过分裂形成其他构成机体组织的细胞，因为线虫成虫中没有类似干细胞的具有自我更
11、新能力的细胞，所以用创建者细胞来命名） 。P 1继续分裂，P 颗粒分配到种系细胞 P2中，另一个细胞成为创建者细胞 EMS。接下来进行的第三次分裂中，产生P3种系细胞和创建者细胞 C。前者继续分裂形成生殖系的最后一个种系细胞 P4，它最终形成两个原生殖细胞Z2和 Z3，同时形成的还有创建者细胞 D。到产生原生殖细胞时，幼虫发育就绪556 个体细胞已经完全从创建者细胞形成，可以从母体产出了。通过把分子中带有不扩散高分子葡萄糖的荧光染料注入创立者细胞，幼虫中每个部位细胞的家族史立时昭然若揭。来自创立者 AB 的细胞后来分裂和分化出了 389 个细胞，它们构成了皮下、神经、咽肌、分泌腺和运动系统的一
12、部分细胞。EMS 则细胞再分裂为 MS 和 E 两个创建者细胞系，由 MS 细胞分裂成为包括体肌细胞、咽肌细胞、神经细胞和分泌腺细胞在内的 80 个细胞，E 细胞的主要作用是发育成消化道的主体：20 个肠细胞。构成神经系统的另外 2 个细胞则来自 C 细胞，此外，还有 45 个皮下和体肌细胞也是来自于 C 创建者系。最后，D 细胞全部用于形成运动系统的 20 个体肌细胞。雌雄同体秀丽线虫胚胎发育的细胞谱系图解（仿 Wolpert 等，1998. 苡菥莼制图） ，点击图片放大 出生之后，线虫的发育还将继续，从形态上，还需要经过 3 次蜕皮，从细胞数量上，一些器官的细胞还要继续分裂，比如，肠细胞还
13、需要多来 14 个才够，而表皮细胞也还需要继续分裂直到数量达到 213 个。在这个数量继续增长的时期，细胞最多时达到 1090（雌雄同体，若是雄虫则为 1179） 。然而，我们前面已经提到，完全成熟的成虫只有 959 个细胞，那么，多出的 131 个细胞又到哪里去了？面对这个问题，大家最先想到的答案一定是“它们死掉了” 。这答案不错，不过它们在这里死亡的方式很有点独特。通常情况下，当我们说一个细胞“死亡”时，指的是病理性死亡，也就是坏死（necrosis） 。这个字眼来自希腊文 nekrsis，本意即是“死亡” 。之所以坏死是“病理性死亡” ，乃因为它是由严重损伤导致的细胞结构和功能的崩溃。正
14、常情况下，细胞借细胞膜和外界隔离，膜上各种调节大小分子进出的蛋白质就像一台台精巧的分子发动机：它们消耗能量把一些离子泵进细胞，又将细胞内不需要的物质排出门外，调节细胞内水分的含有量，使细胞既不干渴也不至于胀成水壶。对于维系细胞内环境稳定来讲，这些发动机的稳定运转至关重要。细胞表面的分子发动机：通道和泵，点击图片放大 分子发动机：水和离子进出的精确调节器 当各种原因导致细胞缺氧、缺血时，细胞膜上的各种分子发动机就不再正常工作。这时候，不仅细胞功能赖以维继的膜内外离子浓度差无法保持，水也将不断从渗透压相对较低的膜外涌入。于是，细胞开始像气球一样肿胀起来，破裂。这个肿胀一直到破裂的过程不仅发生在分隔
15、细胞和外环境的细胞外膜上，也同样发生在胞内有膜包裹的细胞器身上，而溶酶体酶一类的细胞器的破坏将使细胞制造来消化细菌和异物的各种酶类肆意横流，它们破坏细胞骨架、水解胞内各种蛋白质、销毁记录有遗传密码的机密文件最后在显微镜下，原本富于秩序和美感的细胞形态完全消失，只剩下一团均匀的红色，那是被酶彻底消化的细胞残骸。有些时候，坏死还会像连锁反应一样蔓延，一个细胞破裂后溢出的酶直接洞开临近细胞的大门，于是更多细胞坏死，更多的酶出来这样没完没了下去，常常导致严重后果，比如，我们在严重的坏死性肝炎中就可以看到这种惨况如大屠杀般的“大片状坏死”：清晰有序的肝小叶几乎完全消失，整个显微镜视野中是一片通红，肝脏的
16、正常结构无影无踪。因此，坏死常常被看作是一个剧烈而严峻的细胞变化过程，若细胞有意识，它一定会用“惨烈，暗无天日”这类恐怖的词语来形容坏死。左图：正常肝脏结构，肝小叶清晰，细胞完整。点击图片放大右图：丙型肝炎，肝细胞明显肿大坏死，图中空泡样结构是水肿的肝细胞，深色黑点是开始或已经坏死的肝细胞。点击图片放大。显然，若通过坏死来清除发育中多余的细胞是不明智的，那么，怎样做才恰如其分呢？看来一种受控制的，且加以严密保护的细胞消失方式是再好不过了。这正是在线虫发育中人们观察到的，那多出的 131 个细胞的死亡方式。它叫“凋亡” 。凋亡是对英文单词 apoptosis 的意译。Apoptosis 也是一个
17、希腊文来源的词语，它原本写作，apo 来自 意为 from，而ptosis 则从 获得语源，意为“fall“（落下） 。在希腊人那里，这个字眼所表达的正是花儿凋谢，树叶落下的景色。古诗中“一叶落而天下知秋”的意象恐怕正是再好不过的一种意境：优雅，含蓄，还带点淡淡的忧伤。因了内敛而不张扬，更因为飘落时那种虽然有些无奈却坦然以受之的美，古往今来的国画家和诗人总不乏对之表达敬意的举动，正所谓“零落成泥碾作尘，只有香如故” 。正因为发育中细胞死亡表现出的那种含蓄和内敛的美，注定了凋亡会成为一个绝佳的名词。这一死亡的舞蹈首先从细胞核跳起。由蛋白质构成核仁率先崩解，变成一些可以被染料染成深色的斑块。而由
18、DNA 组成的染色质则向包裹它们的核膜聚集，逐渐形成一些状似新月的致密斑，最后完全压缩成为一整块。这个过程被病理学家称为“核固缩” 。电子显微镜下面，可以清晰的看到折叠起来的 DNA 链的断裂。随着核固缩形成，细胞的体积也开始缩小，细胞骨架逐渐断裂，起支撑作用的脚手架的倒塌使靠它们维持张力的各种胞膜塌陷。胶质胞浆的压力使膜塌陷的方向只能向内进行，于是已经断裂并聚成一团的细胞核被分割包被起来，形成一团又一团类似肥皂泡一样的圆球。而细胞外膜的内陷则把各种有可能造成广泛损害的化学杀手各种威力强大的酶类也包裹起来。在这过程中，细胞膜表明的各种蛋白质糖天线的结构也随着膜的变化而改变起来。当这些改变被周围细胞探测到，身体中专事打扫卫生的巨噬细胞应声而动，赶来把这些已经变成凋亡小体的细胞碎片一一吞进腹中，最终完成一个温和而井然有序的细胞死亡过程。
