向左或向右 人体器官不对称之谜

青木| 2014-12-02 11:05:30
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1788年的一天,英国伦敦亨特医学院的学生们在解剖一具男性尸体的时候,发现了一些令人惊异的事情。这个男人的解剖结构是正常人的“镜像”——他的肝脏长在左边,心脏长在右边。惊讶的学生们赶紧跑去找他们的老师,苏格兰医生、病理学家马修·贝利。但这位见多识广的老师同样被震惊了,他后来写道:“即便那些最著名的解剖学家也没有见过这种离奇到吓人的情况。”

 

这是有关内脏器官反置的首次详细描述。两个世纪后,身体器官的左右之谜仍然迷惑着科学家。如今,英格兰医学研究理事会的发育生物学家多米尼克·P·诺里斯博士与其他一些科学家开始回答这个问题,他们从胚胎发育入手,试图找出人体的左右之谜。

 

纤毛“搅起”不对称

 

胚胎发育的最初期是左右对称的,左边是右边的完美镜像。“可以明显看出左右不对称的信号大约出现在胚胎发育的第6周前后。”新加坡分子与细胞生物学研究所的苏迪普托·罗伊说。心脏首先展现出可以看得见的不对称——心脏起初是一个小管,然后向左成为一个环。从这一时刻起,心脏的左右就开始不对称地生长,两边的结构不同了。与此同时,其他器官开始向不同位置移动。胃和肝脏从胚胎的中轴线向右动,大肠在其右边长出阑尾。右边的肺长出三个肺叶,但左边的肺却只有两个肺叶。

 

实验人员还发现,其实看上去还对称的早期胚胎在其两边就已产生出不同的蛋白质。生物学家指出了这种左右对称被打破的那个起始点:胚胎中轴线上的一个非常微小的节点。这个节点内生长着无数根极其细微的纤毛,它们以1秒10次的速率旋转。

 

这些旋转的纤毛都是倾斜的,这使得它们具备把人体分成左右两边的能力。最近,美国纽约斯隆—凯特灵纪念癌症中心的凯思琳·V·安德森和她的同事们破坏了使节点中的纤毛能够倾斜的基因。他们在《发育》期刊上发表报告说,这种基因突变让一些小白鼠的胚胎发展成镜像解剖结构。科学家们解释说,胚胎在一个充满液体的环境之中,如果纤毛是笔直的,那么它们就无法使液体向统一方向流动。诺里斯博士打了个比方:“纤毛就像搅拌机。它们不断旋转,把液体推向一个方向——从左边向右边。这就自然而然地打破了胚胎的左右对称。当科学家们使小白鼠胚胎中的这种液体流动方向逆反之后,就长出相反的器官。”

 

日本大阪大学的科学家报告说,仅两个纤毛的旋转就足以使这一工作完成。一旦液体开始流动,只需要3个或4个小时,胚胎器官是向左还是向右发育就被决定了。在第一个阶段,液体横跨节点流动,直到它到达左边的边缘。边缘的环状纤毛并不旋转,不知道是什么原因,虽然这些纤毛不旋转,但它们对流动却做出了反应。

 

不对称信号可能也会影响大脑发育

 

诺里斯博士说:“我们还不知道事实的真相,不明白导致这一情况发生的机制。”但科学家们猜测,细胞可能通过释放一种“节点蛋白质”做出反应。这些节点蛋白质从胚胎的左边扩散开来,进而刺激其他细胞释放它们自己的节点蛋白质,促使装载有这些节点蛋白质的小环向左边移动,而不是向右边。

 

科学家仍在研究节点蛋白质是怎样帮助决定身体两边的解剖结构。最近几年,许多研究者将聚焦点放在斑马鱼身上——斑马鱼拥有透明的胚胎,而且通过人工技术,斑马鱼胚胎中的细胞能够被染成红色,这让科学家们能够观察到器官究竟是如何形成的。

 

普林斯顿大学的伯丁博士研究节点蛋白质是如何通过影响胚胎细胞向心脏移动来塑造斑马鱼心脏的解剖结构。她说:“节点蛋白质看上去好像是直接告诉左边的细胞,你们要比右边的细胞更快速地移动。”伯丁和她的同事们在今年1月出版的美国《公共科学图书馆·遗传学》期刊上发表了这一研究成果中。这些左边快速移动的细胞拖动整个心脏向右旋。从这一初始的旋转开始,心脏发育出了其与众不同的左边和右边。

 

一些研究结果表明,这些早期信号同样也会影响大脑的发育。科学家们早就知道人类大脑的两个半球有重要的区别。比如,右半球在理解、认知、交流等方面起着重要作用,而左半球则是集中注意力的关键。与人类一样,其他脊椎动物也有左右脑的区别,但这种不平衡的起源一直是个谜。

 

美国范德比尔特大学的生物学家约书亚·T·贾姆斯说:“我认为就脊椎动物的发育不对称机制而言,斑马鱼是我们目前所知道的最为详细的。”贾姆斯与其他研究者已经发现,节点蛋白质促使斑马鱼大脑的一小部分左右两边发育不同。这种不同随后向外辐射到大脑的其他部分。但是,目前尚不清楚人类和其他哺乳动物是否也有相同的发育机制。

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