變態(tài)--激素調(diào)節(jié)

1、l動(dòng)物體發(fā)育過程中器官的形成是多種類型的細(xì)胞間互作的結(jié)果。細(xì)胞間的互作可以發(fā)生在相鄰的2種類型或多種類型的細(xì)胞之間，也可以發(fā)生在不相鄰類型的細(xì)胞之間，即遠(yuǎn)距離細(xì)胞間也可以發(fā)生互作，這種遠(yuǎn)距離的細(xì)胞互作通常是由一些信號(hào)分子來介導(dǎo)的，特別是各種激素，在其中起著非常關(guān)鍵的作用，它們可以由一種特定類型的細(xì)胞或組織分泌后，通過血液循環(huán)，遠(yuǎn)距離地調(diào)控靶細(xì)胞或組織的分化和發(fā)育。l 許多動(dòng)物的幼體與成體無論是在形態(tài)上還是在生活方式上都有很大的差別。如海膽的長(zhǎng)蜿幼蟲可以在海洋激流中暢游，而成體只能生活在限定的區(qū)域；蝶類和蛾類的幼蟲只能緩緩爬行，而它們的成體卻有一副美麗的翅膀，可以在天空中飛舞。由于具有這些差異，

2、它們的幼體與成體往往生活在不同的環(huán)境之中，特別是幼體，甚至還具有一些獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)方式，由幼體發(fā)育為成體，必須要通過變態(tài)發(fā)育才能實(shí)現(xiàn)。這種變態(tài)發(fā)育，是由特定的激素所激活的。l第一節(jié) 昆蟲的變態(tài)l一昆蟲的變態(tài)的發(fā)育模式l1原變態(tài)：l低等昆蟲種類，如衣魚、跳蟲和雙尾蟲等，沒有明顯的幼蟲期的變態(tài)形式。l2半變態(tài)：l 如直翅目和半翅目的昆蟲，是一種不經(jīng)過蛹期的變態(tài)形式。l3完全變態(tài)：l如蠅類、甲蟲類、蛾類、蝶類，是一種在幼蟲和成蟲之間經(jīng)歷了蛹期的變態(tài)形式。蛹化和羽化是其最重有的兩次蛻皮 l如蝗蟲、臭蟲，以半變態(tài)方式發(fā)育，成體器官由幼蟲器官直接發(fā)成體器官由幼蟲器官直接發(fā)育而成育而成，中間無間斷，翅、生殖

3、器和其他一些成體結(jié)構(gòu)的原基在中間無間斷，翅、生殖器和其他一些成體結(jié)構(gòu)的原基在孵化時(shí)就已形成，以后通過多次蛻皮使這些器官原基發(fā)育為成熟孵化時(shí)就已形成，以后通過多次蛻皮使這些器官原基發(fā)育為成熟器官，經(jīng)最后一次蛻皮后，發(fā)育成為一個(gè)具翅的性成熟的昆蟲。器官，經(jīng)最后一次蛻皮后，發(fā)育成為一個(gè)具翅的性成熟的昆蟲。在完全變態(tài)的昆蟲中，如蠅類、甲蟲類、蛾類、蝶類，幼蟲經(jīng)多次蛻皮逐漸長(zhǎng)大，經(jīng)最后一次變態(tài)形成成蟲，幼蟲和成蟲在形態(tài)上差別極大。剛孵出的幼蟲身體被一堅(jiān)硬的角質(zhì)層所覆蓋，為了身體的生長(zhǎng)，必須蛻去身體上原有的角質(zhì)層，而形成一個(gè)新的更大的角質(zhì)層，因此，這些昆蟲的胚后發(fā)育由連續(xù)的蛻皮過程所構(gòu)成。每?jī)纱蚊撈ぶg的

4、幼蟲稱齡蟲。在最后一個(gè)齡蟲期，幼蟲經(jīng)幼蟲經(jīng)過一個(gè)變態(tài)過程，變?yōu)橛迹谟蓟^程中，成體結(jié)構(gòu)逐漸形成，過一個(gè)變態(tài)過程，變?yōu)橛?，在蛹化過程中，成體結(jié)構(gòu)逐漸形成，并取代原有的幼蟲結(jié)構(gòu)。蛹期是從幼蟲到成蟲的二個(gè)過渡期，對(duì)并取代原有的幼蟲結(jié)構(gòu)。蛹期是從幼蟲到成蟲的二個(gè)過渡期，對(duì)完成變態(tài)起橋梁作用，蛹期的出現(xiàn)是變態(tài)進(jìn)入最后階段的標(biāo)志。完成變態(tài)起橋梁作用，蛹期的出現(xiàn)是變態(tài)進(jìn)入最后階段的標(biāo)志。在發(fā)育的最后階段，蛹中的昆蟲經(jīng)過一次成蟲蛻皮，從蛹蟲羽化在發(fā)育的最后階段，蛹中的昆蟲經(jīng)過一次成蟲蛻皮，從蛹蟲羽化出來，成為幼蟲。出來，成為幼蟲。l以果蠅為例講述器官芽的發(fā)育以果蠅為例講述器官芽的發(fā)育l果蠅在其生活周期中要經(jīng)

5、歷4次蛻皮，其間經(jīng)過3個(gè)齡蟲階段，由三齡幼蟲化為蛹，再由蛹變?yōu)槌上x。每一次蛻皮中，表皮細(xì)胞與角質(zhì)層分離，并分泌一種“脫皮液”到表皮細(xì)胞與角質(zhì)層之間，脫皮液中含有一些水解酶，可以降解原有的角質(zhì)層。在蛹期內(nèi)完成幼蟲在蛹期內(nèi)完成幼蟲向成蟲的轉(zhuǎn)變，在此期間，大部分的幼蟲器官被破壞，向成蟲的轉(zhuǎn)變，在此期間，大部分的幼蟲器官被破壞，并從器官芽中的未分化細(xì)胞形成成體器官。并從器官芽中的未分化細(xì)胞形成成體器官。成蟲形成后，從蛹中羽化出來。在全變態(tài)昆蟲的幼蟲中，存在2種類型的細(xì)胞群：一種是構(gòu)成幼蟲本身身體的細(xì)胞，它們是維持幼蟲本身的生理功能所必需的；另一種是未分化的細(xì)胞，它們?cè)谔囟ǖ男盘?hào)刺激下，可以分化為成蟲的

6、器官芽。在果蠅中，共有在果蠅中，共有10對(duì)器官芽，由它對(duì)器官芽，由它們發(fā)育為成體果蠅除腹部外的全部結(jié)構(gòu)。們發(fā)育為成體果蠅除腹部外的全部結(jié)構(gòu)。 另外還有一個(gè)生殖芽，它將發(fā)育為果蠅另外還有一個(gè)生殖芽，它將發(fā)育為果蠅的生殖器。的生殖器。腹部的表皮由一群成組織細(xì)胞發(fā)育而來，這些成組織細(xì)胞在幼蟲中位于消化道區(qū)域，而腹部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由其他的成組織細(xì)胞發(fā)育而來，它們?cè)谟紫x身體的各個(gè)區(qū)域均有分布。l三、昆蟲變態(tài)的激素調(diào)控三、昆蟲變態(tài)的激素調(diào)控l 以以 吸血蝽為例講述吸血蝽為例講述l昆蟲是由腦中的神經(jīng)分泌細(xì)胞昆蟲是由腦中的神經(jīng)分泌細(xì)胞(nel-arosecretory cell)分泌一些調(diào)控因子，通過調(diào)節(jié)分泌一些

7、調(diào)控因子，通過調(diào)節(jié)激素的分泌而控制變態(tài)過程的。激素的分泌而控制變態(tài)過程的。l1蛻皮激素蛻皮激素：l由腦神經(jīng)分泌細(xì)胞分泌前胸腺向性激素（PTTH）， 它是一種多肽激素，分子質(zhì)量約45kDa，它可以刺激前胸腺分泌蛻皮激素。新分泌的蛻皮激素是以一種前體激素的形式存在的，它必須轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N活性激素的形式才有活性。這種轉(zhuǎn)變是由外圍組織的線粒體和微體中的血紅素氧化酶來完成的。它負(fù)責(zé)幼蟲新殼的泌成它負(fù)責(zé)幼蟲新殼的泌成和硬化，蛹化、蛹?xì)ば纬杉芭c蛻皮相關(guān)的生長(zhǎng)和分化等。和硬化，蛹化、蛹?xì)ば纬杉芭c蛻皮相關(guān)的生長(zhǎng)和分化等。l 2保幼激素保幼激素l 另一種對(duì)昆蟲發(fā)育有重要作用的激素為保幼激素（JH），JH是由咽側(cè)體分泌

8、的，咽側(cè)體分泌細(xì)胞在幼蟲蛻皮期具有分泌活性，而在變態(tài)蛻皮時(shí)卻失去分泌功能。JH的功能是抑制變態(tài)的發(fā)生，只要有的功能是抑制變態(tài)的發(fā)生，只要有JH存在，蛻皮激素刺激幼蟲蛻皮后，只能存在，蛻皮激素刺激幼蟲蛻皮后，只能進(jìn)入下一齡蟲階段，而不能使其變態(tài)。進(jìn)入下一齡蟲階段，而不能使其變態(tài)。在最后一個(gè)齡蟲期，咽側(cè)體的分泌活性受到抑制，同時(shí)蟲體能降低已有的JH濃度，因而使得JH降低到臨界濃度以下，促使腦釋放PTTt。PTTH又刺激前胸腺分泌少量的蛻皮激素，活化后的蛻皮激素在沒有JH的存在下，刺激蟲體開始蛹化。此時(shí)，蟲體內(nèi)有新的mRNA開始合成，其蛋白質(zhì)產(chǎn)物抑制幼蟲基因的表達(dá)。第二個(gè)激素波出現(xiàn)之后，蛹化所必需的

9、特異蛋白質(zhì)開始合成，使蟲體由幼蟲變?yōu)橛?。因而，第一個(gè)激素波的作用，可能是促使幼蟲特異基因表達(dá)失活，而為蛹化特異基因的轉(zhuǎn)錄做準(zhǔn)備，第二個(gè)激素波才促進(jìn)蛹化特異基因的表達(dá)。 l四、昆蟲變態(tài)的昆蟲變態(tài)的基因表達(dá)的調(diào)節(jié)l1蛻皮激素與蛻皮激素與DNA的結(jié)合的結(jié)合l 在蛻皮和變態(tài)期間，果蠅多線染色體的特異區(qū)域開始出現(xiàn)疏松區(qū)，這表明該區(qū)的DNA已開始轉(zhuǎn)錄。如果向早期幼蟲的唾液腺中注射蛻皮激素，可以誘導(dǎo)新疏松區(qū)的出現(xiàn)和一些原有疏松區(qū)的消失。這種新疏松區(qū)的出現(xiàn)是由于蛻皮激素與染色體特定區(qū)域結(jié)合的結(jié)果。l2不同的組織中具有不同的蛻皮激素受體不同的組織中具有不同的蛻皮激素受體l根據(jù)對(duì)蛻皮激素的反應(yīng)，晚期齡蟲組織可粗略

10、地分為3種類型：“真正”的幼蟲組織(如唾液腺、，肌肉和腸)，它們?cè)谕懫ぜに氐淖饔孟聦?huì)死亡；成蟲組織，它們?cè)谕懫ぜに氐淖饔孟聦⒅苯影l(fā)育為成蟲結(jié)構(gòu)；經(jīng)過改造能發(fā)育為成蟲結(jié)構(gòu)的組織，如脂肪體、中樞神經(jīng)系統(tǒng)。對(duì)于不同的組織是如何對(duì)同一激素信號(hào)產(chǎn)生不同反應(yīng)的機(jī)制，目前還并不知曉，但有研究表明并不是所有組織中的蛻皮激素受體(EcR)都是相同的。蛻皮激素受體基因可以產(chǎn)生3種不同的mRNA，因而能合成3種不同但相關(guān)的蛋白質(zhì)：EcRA、EcRB1和EcRB2，它們有相同的DNA結(jié)合位點(diǎn)和蛻皮激素結(jié)合位點(diǎn)，而氨基酸組成卻有很大差異(下圖)。所有細(xì)胞都含有這幾種受體，但不同細(xì)胞中幾種受體的比例不一樣，如在“真正的

11、”幼蟲組織和正在退化的神經(jīng)元中有大量的EcR-B1，而EcRA的含量卻較低，反之，器官芽和分化中的神經(jīng)元中的EcRA含量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而EcRB1的含量卻較低。不同的細(xì)胞中基因表達(dá)的差異可能是由于脫皮不同的細(xì)胞中基因表達(dá)的差異可能是由于脫皮激素與不同的受體結(jié)合的結(jié)果。激素與不同的受體結(jié)合的結(jié)果。l3BRC(Broad-Complex)因子因子l 不同組織對(duì)蛻皮激素的特異性反應(yīng)可能還有不同組織對(duì)蛻皮激素的特異性反應(yīng)可能還有其他轉(zhuǎn)錄因子的參與其他轉(zhuǎn)錄因子的參與。 BRC基因是蛻皮激素作用的早期表達(dá)的基因之一。它是一個(gè)復(fù)合基因，具有幾個(gè)彼此重疊的轉(zhuǎn)錄單位，因而可以通過不同的剪接方式產(chǎn)生幾種不同的蛋白

12、質(zhì)。組織反應(yīng)的特異性是由蛻皮激素刺激BRC基因產(chǎn)生特異性產(chǎn)物來調(diào)控的。當(dāng)然，幼蟲組織中BRC基因的產(chǎn)物剪接中，肯定還有其他因子的參與。l4同一細(xì)胞中具有不同蛻皮激素受體同一細(xì)胞中具有不同蛻皮激素受體l 蛻皮激素所引起的反應(yīng)有其特定的時(shí)間性和空間性。除了不同組織間對(duì)蛻皮激素有l(wèi)不同的反應(yīng)外，就是同一個(gè)細(xì)胞對(duì)蛻皮激素的反應(yīng)也有異質(zhì)性。 因此，蛻皮激素能誘導(dǎo)一系列的基因活性，而不同的激素濃度激活不同的基因，使同一激素可以調(diào)控變態(tài)過程中的不同變化 l四、環(huán)境對(duì)昆蟲變態(tài)的影響l大小l植物成分l在兩棲類中，變態(tài)發(fā)育是指只能在水中生活的蝌蚪發(fā)育為可以在陸地生活的成體動(dòng)物的過程。在無尾類(蛙、蟾蜍)中，變態(tài)發(fā)

13、育中形態(tài)上的變化是非常明顯的，蝌蚪期的角質(zhì)齒、內(nèi)鰓和尾在發(fā)育中都逐漸消失，同時(shí)，四肢和皮脂腺等逐漸形成.l變態(tài)現(xiàn)象l1.形態(tài)學(xué)的變化l1生物化學(xué)的變化l（1）眼內(nèi)視色素的變化l（2）血紅蛋白在合成和生理功能特點(diǎn)方面的變化。l（3）皮膚中的生化變化l（4）產(chǎn)生尿素所需酶的誘導(dǎo)：由氨代謝轉(zhuǎn)變?yōu)槟虼xl兩棲類變態(tài)發(fā)育的激素調(diào)控l甲狀腺和碘在兩棲類變態(tài)中起重要的作用。l現(xiàn)已證明，兩棲類變態(tài)期間發(fā)生的形形色色的變化，都是由甲狀腺分泌的激素，甲狀腺素T4)和三碘甲腺原氨酸(T3)引起的。l現(xiàn)已證明，T3是極活躍的一種激素，它以比T4低得多的濃度，在切除甲狀腺的蝌蚪中引起變變化。在有尾類和無尾類中，幼體期甲

14、狀腺只產(chǎn)生少量的T3和T4，在變態(tài)前期約1.3 nmol/L。盡管在幼蟲發(fā)育后期濃度持續(xù)增加，但終究達(dá)不到使幼體進(jìn)入變態(tài)所需的水平，這是因垂體分泌的催乳激素的作用下，抑制了甲狀腺激素的作用。催乳激素是一種幼蟲激素，促進(jìn)幼蟲的生長(zhǎng)，但它又通過抑制甲狀腺激素而抑制兩棲類的變態(tài)。l另外，T3的釋放還處于下丘腦合成的激素的控制之下。在幼蟲變態(tài)前的生長(zhǎng)期，腦的這一部l發(fā)育不完全的，所以下丘腦對(duì)腺垂體不產(chǎn)生控制。l1尾的退化和吸收l尾部的消退過程一般分為4個(gè)階段l尾部肌肉細(xì)胞中的蛋白質(zhì)合成減少；l酶體酶(1ysosomal enzyme)在表皮、脊索和神經(jīng)索細(xì)胞中的濃度升高，這些細(xì)胞中有高濃度的蛋白酶、D

15、NA酶、RNA酶、膠原酶、磷酸酶和糖苷酶，l這些酶向細(xì)胞質(zhì)中的釋放，必然引起相應(yīng)細(xì)胞的死亡；肉細(xì)胞的死亡，可能是由表皮細(xì)胞中釋放的消化酶的結(jié)果，因?yàn)槿绻麑內(nèi)テつw的尾放在含有甲狀腺激素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，尾不能消退；l這些細(xì)胞死亡之后，細(xì)胞殘?jiān)删奂谖膊康木奘杉?xì)胞吞噬，使尾部變?yōu)橐粋€(gè)大的酶囊，內(nèi)有大量巨噬細(xì)胞中的蛋白水解酶，這些蛋白水解酶主要是膠原酶和其他一些金屬蛋白酶，它們的合成都依賴于甲狀腺激素，如果將組織金屬蛋白酶抑制劑(TIMP)加在蝌蚪的尾部，它可以抑制由甲狀腺激素誘導(dǎo)的尾部消退。l2. 皮膚的變態(tài)變化l3. 肝的變態(tài)變化l4神經(jīng)系統(tǒng)的變化l動(dòng)物變態(tài)之后，其神經(jīng)系統(tǒng)也相應(yīng)地發(fā)生了變化。

16、如在變態(tài)過程中，眼的位置將向前移，有利于蛙的捕食生活，因?yàn)橥苎郾仨毦哂腥S視覺才能捕獲獵物，這種三維視覺的形成依賴于進(jìn)入兩眼的視覺信號(hào)同時(shí)反映到腦。而在蝌蚪中，右眼的視覺信號(hào)只進(jìn)入左腦，左眼的視覺信號(hào)只進(jìn)入右腦，不能形成三維視覺。無論是眼睛位置的移動(dòng)還是新的視覺神經(jīng)元的形成，都必須依賴于甲狀腺激素。l二）激素調(diào)控發(fā)育的協(xié)同變化l協(xié)同變化是變態(tài)發(fā)育的一個(gè)重要特點(diǎn)。四肢未長(zhǎng)出之前，尾就不會(huì)消失；肺未發(fā)育成熟，鰓也不會(huì)失去作用。這種變態(tài)過程中的協(xié)同變化是由激素濃度的變化所引起。如果將切除甲狀腺的蝌蚪置于低濃度的甲狀腺激素環(huán)境中，其變態(tài)變化僅僅只限于腸的縮短和四肢生長(zhǎng)的加速，而將蝌蚪置于高濃度的甲狀腺

17、環(huán)境中，在后肢形成之前，尾部就開始消退。因而，變態(tài)發(fā)育的進(jìn)程是由不同組織對(duì)甲狀腺激素的不同反應(yīng)能力所決定。l二、甲狀腺激素對(duì)變態(tài)的調(diào)控機(jī)制l有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明甲狀腺激素是在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)變態(tài)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控的。l1Weber(1967)將放線菌素D注射到未變態(tài)的蝌蚪中，可以抑制尾的消退和頭型的改變。變態(tài)過程中，肝內(nèi)核糖體和mRNA的合成大大增加，經(jīng)甲狀腺激素處理后的肝，蛋白質(zhì)的合成速率在4 h后可增加100倍，很多新的mRNA的轉(zhuǎn)譯產(chǎn)物是成體蛙肝臟所特有的酶。l2分子雜交實(shí)驗(yàn)(分別從未變態(tài)和變態(tài)中的蝌蚪提取的mRNA與克隆的基因雜交)l表明對(duì)甲狀腺激素有3種類型的應(yīng)答方式。在變態(tài)中，有一組基因的轉(zhuǎn)錄活性是

18、增加的，另一組基因的轉(zhuǎn)錄活性卻下降。還有一組基因?qū)谞钕偌に氐淖饔脹]有明顯的反應(yīng)。白蛋白、成體球蛋白、成體皮膚角蛋白和爪蟾中基因的同源基因的mRNA的合成都是由T3調(diào)控的。l然而，由T3信號(hào)所引起的最早的基因活性并不是這些基因，而是甲狀腺激素受體（TR）基因。TR是甾類激素受體家族的成員，主要有兩種存在形式：TRa和TRB。在變態(tài)之前，TRa和TRBmRNA的濃度都很低)。然而，當(dāng)變態(tài)開始后，TR mRNA的合成量大大增加，如果注射外源T3，可使TRa mRNA量增加25倍，使TRB mRNA量增加2050倍。T3受體信使的“自體誘導(dǎo)”在變態(tài)發(fā)育的快速進(jìn)行中具有重要作用。組織中T3受體分子越多，對(duì)T3分子的反應(yīng)能力就越強(qiáng)，使所有變態(tài)變化都達(dá)到最快速度，即達(dá)到變態(tài)頂峰期(metamorphic climax)。T3分子誘導(dǎo)TR的分子機(jī)制目前尚不清楚，但TRBmRNA的合成可被蛋白質(zhì)合成抑制劑所抑制，因而可能還有其他的蛋白質(zhì)參與誘導(dǎo)TR基因的表達(dá)。另外TR必須與另外一種受體(retinoid receptor)，結(jié)合，形成二聚體，才具有活性，這種二聚體與甲狀腺素結(jié)合后，能進(jìn)入到細(xì)胞核中調(diào)控轉(zhuǎn)錄。l 哺乳動(dòng)物乳腺的發(fā)育在胚胎時(shí)期就已開始，但直到妊娠末期開始分泌乳汁時(shí)才發(fā)育l成熟。在乳腺發(fā)育過程中，有多種激素對(duì)乳腺原基產(chǎn)生作用。乳腺的發(fā)育可分為3個(gè)階l段：胚胎期、青春期、妊娠