趙海平， 褚文輝， 陳廣信， 李春義*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，特種動物分子生物學(xué)國家重點實驗室，長春 130112；2.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088)

器官形態(tài)發(fā)生探索Ⅱ：獨特的哺乳動物模型鹿茸

趙海平1， 褚文輝1， 陳廣信2， 李春義1*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，特種動物分子生物學(xué)國家重點實驗室，長春 130112；2.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088)

生物電編碼器官形態(tài)發(fā)生在低等動物中已被證實。由于缺乏哺乳動物的形態(tài)發(fā)生研究模型，二者之間的關(guān)系是否同樣適用于哺乳動物至今依然未知。鹿茸是一個復(fù)雜的哺乳動物附屬器官，其形態(tài)發(fā)生信息存儲于形態(tài)發(fā)生原胚(鹿前額未來生茸區(qū)的骨膜)中。該文1)綜述了鹿茸的形態(tài)發(fā)生原胚及鹿茸發(fā)生與再生的影響因素，提出了鹿茸是哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生研究的最佳模型的觀點；2)分析了鹿茸形態(tài)發(fā)生信息的存儲位點和復(fù)制方式、轉(zhuǎn)移路徑，并預(yù)測了通過生物電追蹤形態(tài)發(fā)生信息來破解哺乳動物器官生物電密碼的研究思路?？傊?，通過鹿茸這一模型的研究必將為人類器官形態(tài)發(fā)生的探索奠定理論基礎(chǔ)。

生物電密碼； 鹿茸； 形態(tài)發(fā)生

Summary Morphogenesis is a subject to investigate morphological generation and shape maintenance of organisms. Regeneration can recapitulate the process of morphogenesis. Therefore, lower animals such as planaria were usually used to study morphogenesis, as they can regenerate some parts of their bodies. Correlation between bioelectricity and organ morphogenesis has been observed for lower animals such as amphibians. Whether this finding applies to the situation of mammals including humans is unknown due to lack of mammalian models.

Deer antler is a unique mammalian organ that can regenerate annually. Deer antler development initiates from AP (antlerogenic periosteum, the periosteum overlying the frontal crest of prepubertal deer) tissue. Subsequent studies showed that the AP controls the morphogenesis of deer antler. 1) Ectopic antlers formed when APs were removed from normal position to anywhere of deer body. 2) Backward morphology of antlers developed when the APs were rotated 180° from original position. 3) Duplication of APs resulted in the growth of normal antlers. 4) Even minced APs can develop organized antlers. Morphogenetic potential of different regions of AP was also assessed. Antler morphogenetic information was mainly held in the anterior and medial halves of AP. The former is responsible for antler brow tine; and the latter is responsible for other branches of antler. All these features, such as full regeneration and a simple tissue-derivative, only exist in antlers comparing to other mammalian organs. Antlers morphogenesis can be studied by simply manipulating AP. Therefore, deer antler is believed to be an ideal model for organ morphogenesis study in mammals.

Bioelectricity results on deer antler morphogenesis is a good beginning to understand the mystery of organ morphogenesis in mammals. In this review, the storage, duplication and transferring pathway of morphogenetic information for deer antlers were analyzed, and preliminary idea for cracking the secret codes of morphogenesis of mammalian organs through tracing bioelectricity was outlined. The findings from deer antler model are expected to be applied to artificial control of organ morphogenesis for mammal to serve for human health.

形態(tài)發(fā)生被認(rèn)為是一個能夠解決卻懸而未決的問題[1]。相對于行為、思維、進(jìn)化、起源而言，這一問題的解決將會是在有機(jī)體整體而不是局部上解釋“生命現(xiàn)象”的“第一站”。目前，遺傳密碼和中心法則的解讀，不能解釋器官形態(tài)發(fā)生。形態(tài)發(fā)生的研究需要尋找新的突破口。近年來，Levin實驗室在生物電研究中取得了重大發(fā)現(xiàn)，提出了生物電密碼的理論，認(rèn)為生物電作為一個密碼系統(tǒng)控制著器官的形態(tài)發(fā)生[2]。目前，幾乎所有關(guān)于生物電與形態(tài)發(fā)生的研究都集中在低等動物方面，關(guān)于哺乳動物的研究還未見報道，這主要是因為缺乏哺乳動物模型。研究哺乳動物的形態(tài)發(fā)生機(jī)制，對于克服人類出生缺陷、器官損傷、器官老化和腫瘤發(fā)生具有重要意義。因此，構(gòu)建一個合適的哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生模型是哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生研究領(lǐng)域最迫切的任務(wù)之一。

1 鹿茸是一個完美的哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生模型

1.1 鹿茸的形態(tài)發(fā)生及形態(tài)發(fā)生原胚

鹿茸是雄鹿的頭部附屬器官，由2部分組成：鹿茸本身和鹿茸賴以發(fā)生的角柄；鹿茸每年從角柄上脫落再生一次，角柄永久性地存在于鹿頭上[3]。鹿茸的形態(tài)發(fā)生包含發(fā)生和再生2個過程。這2個過程既可以單獨用來研究形態(tài)發(fā)生，也可以合起來作為一個過程看待。

大部分鹿種的角柄發(fā)生于冬末春初，當(dāng)雄鹿進(jìn)入青春期，從鹿頭部額外脊處的未來生茸區(qū)發(fā)起。當(dāng)角柄生長到種的特異性高度時，頂部逐漸轉(zhuǎn)化成“初角茸”。角柄和初角茸交界處界限明顯，可以通過其上覆蓋的皮膚形態(tài)加以區(qū)別，角柄的皮膚是典型的頭皮樣，而初角茸的皮膚是明顯的天鵝茸樣的茸皮。夏季，初角茸進(jìn)入快速生長期。秋季，初角茸快速骨化，脫去茸皮，露出骨質(zhì)，此時的初角茸稱為鹿角。冬季，鹿角牢固地附著在角柄上，直到第2年春天[4]。然后，鹿角脫落，“再生茸”從角柄上發(fā)起。與初角茸相比，再生茸具有相似的生長周期：春季發(fā)生，夏季快速生長，秋季脫皮、骨化成鹿角，冬季鹿角牢固地附著于角柄上，來年春天脫落，下一個再生循環(huán)開始[5]。不同的是初角茸一般不分枝，而再生茸卻具有典型的種屬特異性的分枝。

鹿茸的形態(tài)發(fā)生原胚是位于未來生茸區(qū)的骨膜，稱為生茸區(qū)骨膜(antlerogenic periosteum, AP)。AP與周圍的骨膜組織沒有明顯的邊界，其大小具有種屬特異性。Goss等[6]通過骨膜移植試驗確定黇鹿的AP直徑約為1.5 cm。筆者研究表明，梅花鹿的AP是一個直徑約為2～3 cm的橢圓形骨膜(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。AP最早是由Hartwig等[7]在尋找鹿茸發(fā)生組織基礎(chǔ)時發(fā)現(xiàn)的：將AP移除，鹿茸不再發(fā)生；將AP移植到鹿體的任何部位，在移植部位形成異位鹿茸。通過遺傳標(biāo)記進(jìn)行細(xì)胞來源示蹤和組織學(xué)觀察確認(rèn)，角柄和鹿茸來源于AP細(xì)胞[8]。顯然，一片小小的骨膜能在短短的60～70 d生茸期內(nèi)發(fā)育成數(shù)十千克的鹿茸，AP需要具有很強的自我更新和分化能力。Li等[8]認(rèn)為AP是一片在鹿出生后仍保留胚胎組織特性的組織，形成于妊娠早期胎兒的未來生茸區(qū)對應(yīng)部位，在后來的妊娠過程中有所發(fā)育，但不久后發(fā)育停滯，直到小鹿出生后的青春期，AP再次發(fā)育，形成角柄和初角茸。

初角茸脫落后，鹿茸的再生開始。再生茸從預(yù)先存在的角柄上再生，此時AP已經(jīng)不再存在，于是便出現(xiàn)了一個問題：再生茸的組織基礎(chǔ)是什么？這個問題的答案多年來一直存在著爭議。Goss[9]一直認(rèn)為是角柄的皮膚提供了鹿茸再生的組織基礎(chǔ)。直到2007年，Li等[10]通過試驗確認(rèn)鹿茸的再生來源于角柄骨膜(pedicle periosteum, PP)，將PP移除后，角柄失去了再生鹿茸的能力。

1.2 鹿茸作為哺乳動物形態(tài)發(fā)生模型的潛力

與形態(tài)發(fā)生研究相比，分子生物學(xué)和遺傳學(xué)能夠吸引研究人員的注意力并得以快速崛起的原因在于后者的研究可以實行體外操作。如：遺傳密碼的破譯就是通過體外試驗完成的；當(dāng)前比較熱門的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，其測序和定性完全在體外進(jìn)行。然而，形態(tài)發(fā)生研究目前必須依靠活體試驗，當(dāng)然也有人提出了通過計算機(jī)模擬形態(tài)發(fā)生的概念，但是對形狀的計算機(jī)模擬需要足夠多的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，當(dāng)前有關(guān)形態(tài)的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)幾乎空白。因此，形態(tài)發(fā)生的研究必須以活體動物模型為載體。生命科學(xué)研究的最大意義是為人類健康服務(wù)，對形態(tài)發(fā)生的探索也是如此。遺憾的是迄今為止，形態(tài)發(fā)生的研究結(jié)果多來自于低等動物，盡管低等動物形態(tài)發(fā)生研究成果具有重要的參考意義，但畢竟在同源性方面與高等動物相距甚遠(yuǎn)。因此，結(jié)合具體的哺乳動物生物學(xué)機(jī)制構(gòu)建形態(tài)發(fā)生模型，提出可供檢驗的預(yù)測，勢在必行[11]。在形態(tài)發(fā)生研究即將進(jìn)入快速發(fā)展之際(生物電編碼形態(tài)發(fā)生信息的發(fā)現(xiàn)就像為形態(tài)發(fā)生的研究注入了一支“強心劑”，必將引領(lǐng)形態(tài)發(fā)生研究走向“高速公路入口”)，一個理想的哺乳動物形態(tài)發(fā)生模型已成為本領(lǐng)域研究的一個必要條件。

鹿茸在形態(tài)發(fā)生過程中所具有的生長周期穩(wěn)定、形狀位置固定、大小一致、能夠年度完整再生、遺傳穩(wěn)定、形狀可操作等特性[11-12]，使其當(dāng)之無愧地成為一個完美的哺乳動物形態(tài)發(fā)生模型。鹿茸的形態(tài)發(fā)生具有典型的種屬特異性，主要體現(xiàn)在發(fā)生及再生時間、形狀和大小幾個方面。

大部分鹿種間的鹿茸發(fā)生時間和再生周期差異不大，基本一致。初角茸在春天發(fā)生，夏天生長，秋天骨化脫皮，第2年春天脫落。然而也有例外，如麋鹿的初角茸于冬末發(fā)生，春天生長，夏天骨化，冬天脫落(我國冬至節(jié)氣的第2個物候稱為“麋角解”，意為麋鹿脫角的時節(jié))。大部分鹿種的鹿角脫落后，鹿茸再生相繼開始，鹿角脫落到再生茸萌發(fā)之間有長達(dá)幾周的殘樁期。駝鹿、馴鹿和白尾鹿例外，幾乎沒有殘樁期。相比一生中只能發(fā)生一次的哺乳動物器官，鹿茸年度再生的周期性及其再生周期的種間差異為研究哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生的“時間特性(形態(tài)發(fā)生只在特定的時間發(fā)起)”提供了良好的機(jī)會和參照。

鹿種間鹿茸形狀上的差異存在于前后(沿頭部的前后方向)、內(nèi)外(單側(cè)鹿茸的內(nèi)表面到外表面)、遠(yuǎn)近(遠(yuǎn)心端到近心端)的3個軸向上[4]，具體體現(xiàn)在鹿茸的分枝形狀、類型、數(shù)量、兩側(cè)分枝的對稱性等方面。一般而言，初角茸并不分枝，稱為單枝(spike)，從第2年開始的再生茸才具有種屬特異性的分枝。這種現(xiàn)象是形態(tài)發(fā)生“漸進(jìn)性”(任何形態(tài)都不是一次成型，而是在發(fā)育過程中一邊調(diào)整，一邊固定)的表現(xiàn)。營養(yǎng)水平很高的鹿初角茸也能分枝，但沒有種屬特異性，說明營養(yǎng)水平的提高能使鹿茸超常發(fā)育，超常的這一部分便脫離了形態(tài)發(fā)生信息的指導(dǎo)，為從營養(yǎng)水平上探索形態(tài)發(fā)生信息的作用機(jī)制具有借鑒意義。初角茸不分枝的機(jī)制目前還不清楚，但卻極具生物學(xué)意義：1)生長初角茸的1歲齡小鹿剛剛進(jìn)入青春期，其體況并沒有發(fā)育成熟，尚不是交配的合適年齡，首要生理任務(wù)是身體發(fā)育，應(yīng)把采食獲得的更多能量用來增強體質(zhì)；2)由于其體形較小，在爭偶過程中沒有優(yōu)勢，即使形成了完美分枝的鹿茸，也無法對大年齡、大體型的成年鹿形成威脅。因此，初角茸只是形成了一個鹿茸形態(tài)發(fā)生的基礎(chǔ)，聰明的生物體有效地使攝取到的有限能量達(dá)到了最佳配置。

再生茸在3個軸向上具有共性。Thompson[13]描述鹿茸的空間位置像是貼在了一個球的表面上；Pocock[14]描述鹿茸所有分枝組成一個杯子的形狀。有些鹿種的鹿茸形狀除了具有上述2個特點外，更像是一個皇冠，如赤鹿鹿茸。鹿茸最上面的分枝被稱為“royal(皇家的)”，正是由于鹿茸形狀類似于至高無上的皇冠。鹿茸在3個軸向上的分布具有種屬特異性，Pocock[14]對鹿科動物鹿茸的形狀進(jìn)行了詳細(xì)地描述，并通過鹿茸的形狀對鹿的種屬進(jìn)行了分類。筆者對鹿茸不同部位的專業(yè)術(shù)語進(jìn)行了規(guī)范，分別為主干(beam)、眉枝(brow，第1個分枝)、冰枝(bez，部分鹿種才有的眉枝上方的分枝)、第3枝(trez)和頂枝(royal，最上面的分枝的總和)。鹿茸的種屬特異性體現(xiàn)在：1)絕大多數(shù)的鹿茸都具有眉枝，部分鹿種具有冰枝，如馬鹿、赤鹿等；2)部分鹿種的最多分枝數(shù)是固定的，如梅花鹿有4個分枝，水鹿有3個分枝，而部分鹿種的最多分枝數(shù)是不固定的，有個體差異，如馴鹿；3)部分鹿種的分枝融合成掌狀，如駝鹿和黇鹿；4)有一些鹿種的鹿茸具有獨特的形狀，如麋鹿茸向后分枝(一般鹿茸都是向前分枝)，發(fā)育完整的麋鹿角的尖都在一個平面上，能平穩(wěn)地倒立放置。麋鹿在中國被稱為“四不像”，被認(rèn)為是一種神奇的祥獸，可能與其鹿茸的獨特性有關(guān)。

左右對稱似乎是生命體偶數(shù)器官形態(tài)發(fā)生的一個“共性規(guī)則”，大部分鹿種的鹿茸是左右對稱的，就像人類的雙手一樣，然而部分鹿種的鹿茸卻意外的打破了這個“規(guī)則”，兩側(cè)呈現(xiàn)一種蓄意的不對稱狀態(tài)。馴鹿兩側(cè)鹿茸的“眉枝”就出現(xiàn)了這種明顯的不對稱現(xiàn)象，通常一側(cè)形成分枝狀或者融合成掌狀，另一側(cè)卻不分枝或缺失，較大的一側(cè)眉枝向前和向中間生長至鼻的前上方；眉枝占優(yōu)勢地位的鹿茸出現(xiàn)在哪側(cè)是隨機(jī)的，今年出現(xiàn)在左側(cè)，明年就可能出現(xiàn)在右側(cè)[15]，較大的眉枝一出現(xiàn)，較小的眉枝就會“主動讓路”。無獨有偶，在雜交鹿生長的鹿茸上也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象：梅花鹿與馬鹿的雜交后代同時繼承了2種鹿的鹿茸形態(tài)特征，也出現(xiàn)了兩側(cè)鹿茸不對稱的現(xiàn)象，一側(cè)繼承了馬鹿的鹿茸形狀，具有“冰枝”，另一側(cè)卻繼承了梅花鹿的鹿茸形狀，缺失“冰枝”。并且，梅花鹿鹿茸出現(xiàn)在哪一側(cè)也不是固定的。這種蓄意的形態(tài)不對稱的現(xiàn)象具有重要的研究意義：不對稱的雙方都具有發(fā)育成對方的能力，說明其形態(tài)發(fā)生原胚同時含有雙方完整的形態(tài)發(fā)生信息，但是這些信息在形態(tài)發(fā)生過程中并不是完全表達(dá)(最終形態(tài)不同時具有雙方特征)，其中必然存在一個形態(tài)發(fā)生信息的遠(yuǎn)程調(diào)控機(jī)制。這個機(jī)制在宏觀和微觀上控制著鹿茸的形狀，不僅使鹿茸能夠蓄意的調(diào)節(jié)兩側(cè)的不對稱狀態(tài)，還使得鹿茸能夠形成固定的“杯子”形、“球”形、“皇冠”形，使得麋鹿鹿角尖都在一個平面上。目前，人們還不知道這個遠(yuǎn)程調(diào)控信息的實質(zhì)和信息傳輸?shù)妮d體以及其信息的供體和受體，或許可以通過對鹿茸的研究找到打開形態(tài)發(fā)生信息的遠(yuǎn)程調(diào)控機(jī)制這個“黑匣子”的鑰匙。

鹿茸的大小各不相同，總體上，其差異主要來自種和年齡。鹿茸最小的是發(fā)現(xiàn)于南美的普度鹿(Pudu deer)，只能產(chǎn)生很小的鹿茸，甚至只形成角柄，不產(chǎn)生鹿茸。最大的是愛爾蘭大鹿(Irish giant deer)，鹿角的“翼展”達(dá)到3.65 m，質(zhì)量達(dá)40.8 kg。鹿茸的大小與體質(zhì)量具有一定的關(guān)系，一般體型越大，鹿茸越大。其次，激素水平、營養(yǎng)狀態(tài)，光照周期等也有影響。最近，筆者之一李春義等通過實例歸納發(fā)現(xiàn)，鹿茸的大小還與兩角柄之間的距離和角度有關(guān)(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。

AP的發(fā)現(xiàn)是鹿茸研究史上一個里程碑式的事件，鹿茸的形態(tài)發(fā)生信息就存儲于AP中[12-15]。這套信息系統(tǒng)使得AP就像植物的種子一樣，“種植”到哪里就能在哪里“發(fā)芽”，并把自己當(dāng)成異位的“原住居民”，形成異位鹿茸。實驗證明，AP能夠在鹿體的任何部位形成鹿茸(尾巴、背部、鼻鏡部除外)[7,16]。更讓人驚奇的是，AP能夠在異種動物體上發(fā)起鹿茸樣物質(zhì)形成。在實驗中，將AP及其上的皮膚一起移植到裸鼠頭上，移植部位形成鹿茸樣的骨質(zhì)柱[17-18]。異位鹿茸具有與正常鹿茸完全相同的形態(tài)發(fā)生過程：生長期結(jié)束即脫去茸皮，并保持與正常鹿茸同步的季節(jié)性脫落與再生[19]。說明AP具有完整的鹿茸生成能力。其意義不僅僅如此，更在于一片直徑2.5 cm左右的骨膜形成了一個能夠年度完全再生的哺乳動物器官。因此引起了研究人員對這片獨特骨膜的重視。Li等[20]證實AP組織細(xì)胞具有干細(xì)胞特性，能夠表達(dá)CD9、Oct4、Nanog等胚胎干細(xì)胞標(biāo)記物，并且能夠分化成多種細(xì)胞類型，如軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和神經(jīng)樣細(xì)胞。鑒于AP上述獨特的特性，為探索自體分化(self-differentiation)系統(tǒng)在胚胎發(fā)育過程中的作用提供了一個理想的模型。

鹿茸的發(fā)生是骨膜在起著決定性作用，這就為研究鹿茸形態(tài)發(fā)生提供了一個明確的目標(biāo)，把形態(tài)發(fā)生原胚的研究簡化到了單一目標(biāo)上。AP在發(fā)起鹿茸形態(tài)發(fā)生方面具有區(qū)域性，不同區(qū)域的生茸能力并不完全相同。1985年，Goss等[6]在探索AP的生茸能力時發(fā)現(xiàn)，對于相等面積的AP，從中間分開的半片比圓形的AP具有更高的生茸能力。這說明AP在鹿茸生成能力方面形狀比面積更為重要，暗示了鹿茸的形態(tài)發(fā)生信息在AP中可能呈區(qū)域狀分布。鹿茸發(fā)生前，通過外科手術(shù)將AP原位旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)致了前后軸極性顛倒的鹿茸發(fā)生[21]，這為形態(tài)發(fā)生信息在AP中呈區(qū)域性分布提供了直接證據(jù)。為了進(jìn)一步驗證AP不同區(qū)域的生茸能力，Gao等[12]選擇最適合異位鹿茸生長的前額[4,16,22]作為移植位點，將AP分為前半?yún)^(qū)、后半?yún)^(qū)、內(nèi)半?yún)^(qū)、外半?yún)^(qū)4個區(qū)域進(jìn)行移植，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹿茸的形態(tài)發(fā)生信息主要存在于前半?yún)^(qū)和內(nèi)半?yún)^(qū)，其中前半?yún)^(qū)主要負(fù)責(zé)鹿茸眉枝的形成；前半?yún)^(qū)和內(nèi)半?yún)^(qū)均能形成完整的分枝鹿茸，而后半?yún)^(qū)和外半?yún)^(qū)只能形成單枝茸。

如果為生命體定義，“既相互獨立，又協(xié)調(diào)統(tǒng)一”是其中必須包含的內(nèi)容，因為生命體的任何一個部件都符合這個規(guī)律。鹿茸的形態(tài)發(fā)生也不例外。AP在啟動鹿茸形態(tài)發(fā)生方面，具有區(qū)域化的同時，又是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體。外科手術(shù)將黇鹿AP摘下后，切成1～2 mm直徑的不規(guī)則小塊，然后原位移回，依然能在原位生成一個可分枝的鹿茸；將AP原位摘除，上下顛倒移植于對側(cè)生茸位點(前后極性不變，左右AP互換)，移植部位生成正常的鹿茸；將左側(cè)AP上下顛倒移植到右側(cè)原位AP之上(維持原位象限)，移植部位生成正常的鹿茸，與上述單獨上下顛倒移植的AP形成的鹿茸相比，長度超出53%，分枝數(shù)超出38%[21]。為了解答鹿茸發(fā)生的啟動信號是來源于AP的細(xì)胞層或纖維層，還是二者都有，對梅花鹿進(jìn)行AP翻轉(zhuǎn)實驗[23]發(fā)現(xiàn)，AP原位上下顛倒翻轉(zhuǎn)(前后極性沒有發(fā)生變化，內(nèi)外極性改變)；生成的鹿茸依然具有正常的內(nèi)外極性(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。說明鹿茸在再生過程中，內(nèi)外極性進(jìn)行了向正常方向的重新調(diào)整。上述實驗都說明了一個問題，鹿茸形態(tài)發(fā)生信息受到外界干擾以后，在一定程度上具有重新進(jìn)行區(qū)域化調(diào)整以盡量維持正常的秩序，形成有序的鹿茸極性的能力。并且雙層骨膜疊加后，生茸能力增強(形成更大的具有更多分枝的鹿茸)，說明形態(tài)發(fā)生信息在一定程度上也有疊加。

鹿茸的形態(tài)發(fā)生過程與哺乳動物四肢生成有許多共性的地方[4]：1)它們都來源于區(qū)域化的形態(tài)發(fā)生原胚，分別是側(cè)板中胚層(lateral plate mesoderm, LPM)和AP。將LPM去除后，肢體不再形成；將LPM移植到胚胎的側(cè)面，在移植部位會形成異位肢體[24]；將LPM旋轉(zhuǎn)后，形成極性相反的肢體。2)肢體的發(fā)育開始于LPM上的一群激活的間充質(zhì)細(xì)胞群[25]。鹿茸角柄的形成同樣起始于AP分化而來的間充質(zhì)細(xì)胞[26]。研究哺乳動物四肢的形態(tài)發(fā)生需要從四肢形成之前的胚胎期著手，操作難度大，條件要求高，相關(guān)研究一般實驗室難以開展。以鹿茸為模型開展相關(guān)研究，會在較大程度上簡化研究程序和操作難度。

鹿茸的年度再生為探索哺乳動物表觀遺傳特性提供了便利條件。鹿茸再生具有遺傳記憶現(xiàn)象，Bubenik等[27]將這個現(xiàn)象定義為“營養(yǎng)記憶(trophic memory)”：外界創(chuàng)傷可導(dǎo)致鹿茸的傷口處在第2年形成一個小的分枝，這個小的分枝能夠“遺傳”到隨后幾年的再生茸上，直到第4個生茸周期，之后不再出現(xiàn)，未受傷的對側(cè)沒受任何影響。這種與基因組改變無關(guān)的創(chuàng)傷引起的反應(yīng)能夠“遺傳”到未來幾年的再生茸上，且隨著傳代數(shù)的增加而逐漸減弱。這個過程包含著2方面的生物學(xué)信息：1)表觀遺傳；2)器官三維模式的維持。以這種創(chuàng)傷的方式在鹿茸上追蹤哺乳動物表觀遺傳信息和研究器官形態(tài)的維持機(jī)制具有周期短、費用低等諸多優(yōu)勢。從進(jìn)化角度考慮，“營養(yǎng)記憶”現(xiàn)象與鹿茸種屬特異性分枝的形成可能有直接關(guān)系，鹿茸的分枝必然是這樣形成的：在長期進(jìn)化過程中，“營養(yǎng)記憶”在原始動力和選擇壓力雙重作用下逐漸固定下來，形成穩(wěn)定的遺傳性狀。這種穩(wěn)定的遺傳性狀表現(xiàn)為種屬特異性的分枝。

鹿茸作為形態(tài)發(fā)生模型，還有一個明顯的優(yōu)勢是鹿茸屬于第二性征，其形態(tài)發(fā)生受性激素的控制，這為研究形態(tài)發(fā)生提供了一個簡便的控制方法。雌鹿和雄鹿都具有AP，但是只有雄鹿生成角柄和鹿茸，這是因為AP只有受到高水平的雄激素刺激后才能發(fā)起角柄的生長[3,28-29]。雌鹿也具有生茸潛力，雄激素能夠介導(dǎo)雌鹿AP發(fā)育成角柄和鹿茸[3,29-32]。關(guān)于雄激素的作用有些研究人員認(rèn)為是睪酮刺激角柄形成但是抑制鹿茸發(fā)育[3,19,33]。在生茸周期內(nèi)血漿中睪酮濃度的變化規(guī)律[29]證實這種觀點是可靠的。睪酮驅(qū)動了鹿茸的骨化、茸皮的脫落[33-35]。將雄鹿在青春期前去勢，角柄和鹿茸將不再發(fā)生[29]；秋季去勢(鹿角已經(jīng)骨化)，鹿角將在幾周內(nèi)脫落，即使在深冬，新的再生茸也會形成；在鹿茸的生長期去勢，鹿茸將不會脫去茸皮，也不會骨化，而是持續(xù)生長，形成永久不脫皮、也不脫落的腫瘤樣的畸形茸，這種畸形茸在不同鹿種上具有不同的表現(xiàn)形式，如在狍上呈假發(fā)樣(peruke)，在黇鹿上呈蘑菇狀(mushroom)等[9]。Fennessy等[36]認(rèn)為睪酮控制角柄和鹿茸發(fā)育的方式是角柄的形成起源于睪酮對AP的直接刺激。Li等通過實驗證實了這個觀點，DNA結(jié)合[37]和放射自顯影[38]都顯示AP含有特異的睪酮結(jié)合受體，睪酮通過與這些受體的結(jié)合啟動了角柄的形成過程。因此，在青春期前去勢，此時角柄發(fā)育過程還沒有開始，AP接收不到睪酮的刺激，造成角柄發(fā)育停滯。

基于上述依據(jù)推測：鹿茸形態(tài)發(fā)生的時效性受性激素的調(diào)控，性激素是一個劑量依賴性的“調(diào)控開關(guān)”。失去睪酮來源后，鹿茸的形態(tài)發(fā)生脫離了形態(tài)發(fā)生信息的指導(dǎo)而變成無序的腫瘤樣組織。形態(tài)發(fā)生具有時效性是自然界的定律，其時效恰好與物種的壽命相對應(yīng)。這樣便會產(chǎn)生一個對這個時效性研究具有重要意義的問題，假如某種哺乳動物能延長壽命(壽命超出種的限制年限)，生命體將會以怎樣的形態(tài)出現(xiàn)?由于無法人為延長一個生命體或者器官的壽命，這個問題一直得不到解答。但在鹿茸的壽命方面出現(xiàn)了例外，可以通過調(diào)控性激素而延長鹿茸的壽命。無疑這對于壽命延長后形態(tài)的研究提供了一個絕無僅有的范例。性激素調(diào)控第二性征形態(tài)發(fā)生的現(xiàn)象在自然界也是一個普遍性的規(guī)律，以鹿茸為模型著手研究也是一個難得的選擇。

鹿茸和腫瘤似乎是來源于干細(xì)胞的一對孿生兄弟，它們具有許多共同的特性，其中所富含的血管和生長迅速最引人矚目。不同的是，鹿茸一直處于形態(tài)發(fā)生信息的指導(dǎo)下有序發(fā)育，而腫瘤脫離了形態(tài)發(fā)生信息的控制，發(fā)育紊亂。研究鹿茸正常發(fā)育、生長迅速而不癌化的形態(tài)發(fā)生機(jī)制，是研究如何使腫瘤回歸到形態(tài)發(fā)生信息的控制之下，從“逆向”發(fā)育而走向正?；睦硐搿奥窐?biāo)”。

2 鹿茸作為哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生模型的應(yīng)用前景

生物電的研究成果將會加快形態(tài)發(fā)生領(lǐng)域的研究步伐，也必將會突出鹿茸在作為哺乳動物器官形態(tài)發(fā)生研究模型方面的重要意義。Levin[11]認(rèn)為哺乳動物畸胎瘤是研究模塊化(對應(yīng)到形態(tài)發(fā)生原胚上表現(xiàn)為區(qū)域性)的形態(tài)發(fā)生信息編碼的恰當(dāng)模型；但是畸胎瘤有一個明顯的缺點就是形成的概率太低，中國圍產(chǎn)兒發(fā)生率為0.053‰[39]。鹿茸是大自然賦予哺乳動物的獨特瑰寶，資源豐富。通過生物電手段研究鹿茸的形態(tài)發(fā)生將會填補這一領(lǐng)域的空白，有望成為哺乳動物方面驗證并破解生物電密碼的第一步，必將為生物電密碼應(yīng)用到人類健康事業(yè)提供理論基礎(chǔ)。

對生物電密碼破解和應(yīng)用最重要的一步就是追蹤生物電信息。為此，不妨把AP想象成一個內(nèi)部存儲器，存儲著由生物電元素組成的形態(tài)發(fā)生信息，如何讀取和識別這些信息便是研究生物電密碼的核心內(nèi)容。檢測鹿茸發(fā)生前AP中生物電的動態(tài)值是讀取生物電信息的基礎(chǔ)，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使其成為可能，如生物熒光電報告子(fluorescent bioelectricity reporters，F(xiàn)BRs)的應(yīng)用使研究人員能夠觀測到活體動物生物電的動態(tài)變化。分析生物電參數(shù)與形態(tài)發(fā)生表觀現(xiàn)象的對應(yīng)關(guān)系，繪制生物電參數(shù)對應(yīng)形態(tài)發(fā)生信息的圖譜，從中發(fā)現(xiàn)生物電的編碼方式如二進(jìn)制編碼或者更高級的信號運行方式，找到具有普遍意義的規(guī)律，這個規(guī)律便是鹿茸形態(tài)發(fā)生所使用的生物電密碼。

通過生物電追蹤鹿茸的形態(tài)發(fā)生信息需要明確鹿茸形態(tài)發(fā)生信息的運行路線。在鹿茸出生前的胚胎期，具有種的特異性的鹿茸形態(tài)發(fā)生信息就已存儲于AP中，但是這個信息并沒有得到表達(dá)。鹿進(jìn)入青春期后，在雄激素的刺激下這個信息的表達(dá)被啟動，于是在形態(tài)發(fā)生信息的指導(dǎo)下，AP發(fā)育成永久存在于額骨上的角柄和暫時性的鹿茸。在這個過程中AP消失，之后再生茸的形態(tài)發(fā)生便來源于角柄骨膜(PP)。這說明在AP逐漸消失時，AP將這個信息轉(zhuǎn)交給了PP。PP在這個信息的指導(dǎo)下，每年分出頂端的一小部分(致敏區(qū))來參與鹿茸再生[40]。說明PP的致敏區(qū)包含了再生茸形態(tài)發(fā)生的全部信息。對這個過程中形態(tài)發(fā)生信息由AP轉(zhuǎn)交給PP的方式有2種推測：1)AP將形態(tài)發(fā)生信息復(fù)制成若干份(份數(shù)與鹿茸再生年數(shù)相等)，從上到下按一定的規(guī)律分節(jié)段地存儲在PP上，于是PP每年激活一份來完成鹿茸的再生；2)AP并不將形態(tài)發(fā)生信息復(fù)制，而是在初角茸發(fā)生時直接轉(zhuǎn)交給PP，PP于每年鹿茸再生啟動時復(fù)制一份傳遞給致敏區(qū)，并保留原來的一份。這2個猜測可以通過如下實驗來驗證：1)在鹿茸再生前將PP從休眠區(qū)和致敏區(qū)交接地帶做橫向環(huán)型切割，去掉交界處的PP，將致敏區(qū)圍繞骨樁原位旋轉(zhuǎn)180°，觀測再生茸的形狀。如果再生茸的形狀發(fā)生改變，說明形態(tài)發(fā)生信息原先就存在于致敏區(qū)，反之，如果形狀未發(fā)生改變，說明形態(tài)發(fā)生信息是后來復(fù)制上去的，如果鹿茸再生廢止，極有可能是手術(shù)操作造成PP沒有存活。2)在鹿茸再生前將PP分節(jié)段做橫向環(huán)型切割，分別保留或剔除某一節(jié)段的PP，觀測再生茸的形狀。如果休眠區(qū)某節(jié)段單獨形成再生茸形狀具有種屬特異性，說明鹿茸形態(tài)發(fā)生信息是分節(jié)段存儲的，反之則反。但是不論是哪個推測都會涉及到一個形態(tài)發(fā)生信息復(fù)制過程。相較而言，哺乳動物四肢在形成過程中，由LPM的相關(guān)部位形成四肢后，并不存在PP樣組織，因此缺少了存儲形態(tài)發(fā)生信息的組織載體。鹿茸能夠再生的關(guān)鍵應(yīng)該是具有形態(tài)發(fā)生信息的復(fù)制和存儲載體，即PP。

鹿茸預(yù)期模式的形成也是通過生物電追蹤形態(tài)發(fā)生信息可行性的一個例證。在鹿茸分枝以前，雖然從外部無法看到鹿茸具有分枝的跡象，但通過組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，鹿茸的前后2個生長中心已經(jīng)具備[41]，這個階段可以看作鹿茸的終末形態(tài)與形態(tài)發(fā)生原胚的過渡階段，鹿茸正在按形態(tài)發(fā)生虛擬模式所設(shè)定的框架進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的填充。這個發(fā)現(xiàn)與蝌蚪胚胎上預(yù)期形態(tài)的發(fā)現(xiàn)類似。既然通過生物電可以在胚胎期呈現(xiàn)蝌蚪臉部輪廓，那么如果條件合適，同樣可以通過生物電在AP或PP上發(fā)現(xiàn)鹿茸的預(yù)期形態(tài)。

性激素對第二性征形態(tài)發(fā)生的影響為形態(tài)發(fā)生研究提供了一個理想的切入點。然而性激素與生物電之間具有什么樣的關(guān)系，目前依然不清楚。性激素是否處于生物電的上游以及是不是改變生物電的一個劑量依賴性調(diào)控因素還需要進(jìn)一步探索。

鹿茸在形態(tài)發(fā)生過程中，形態(tài)發(fā)生信息的動態(tài)轉(zhuǎn)移、復(fù)制為形態(tài)發(fā)生信息的追蹤提供了一個良好的機(jī)會，若形態(tài)發(fā)生信息是固定在某個位置而不發(fā)生動態(tài)轉(zhuǎn)移，便很難發(fā)現(xiàn)它的存在。未來在控制形態(tài)發(fā)生信息的生物電密碼破解以后，借助鹿茸這個獨特的模型探明哺乳動物器官的形態(tài)發(fā)生信息的復(fù)制方式和存儲路徑，就可以通過改變生物電的手段，在形態(tài)發(fā)生前將原本不能復(fù)制的形態(tài)發(fā)生信息進(jìn)行復(fù)制，并將其存儲到合適的組織載體上，在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)將這個信息還原到斷裂的殘肢上，以此來指導(dǎo)形體發(fā)生，賦予哺乳動物器官再生的能力。屆時，人類將徹底打開通往生命科學(xué)研究的大門，完全理解了形態(tài)，就有可能解釋行為，甚至思維。

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Zhao Haiping1, Chu Wenhui1, Chen Guangxin2, Li Chunyi1*

(1.StateKeyLaboratoryforMolecularBiologyofSpecialEconomicAnimals,InstituteofSpecialAnimalandPlantSciences,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Changchun130112,China; 2.CollegeofAgriculture,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,Guangdong,China)

bioelectricity code; deer antler; morphogenesis

國家自然科學(xué)基金(31260172)；吉林省重點科技攻關(guān)項目(20150204071NY)；江西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目(201311319039) .

聯(lián)系方式：趙海平，E-mail:zhperic@163.com

2014-05-26；接受日期(Accepted)：2014-09-24；網(wǎng)絡(luò)出版日期(Published online)：2015-03-20

Q 954.48

A

*通信作者(Corresponding author)：李春義，E-mail:lichunyi1959@163.com

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20150320.2000.008.html