趙海平， 劉振， 陳廣信， 李春義*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，特種動(dòng)物分子生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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Ⅰ:生物電與形態(tài)發(fā)生

趙海平1， 劉振1， 陳廣信2， 李春義1*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，特種動(dòng)物分子生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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)生是生命體發(fā)育成其固有的三維立體結(jié)構(gòu)并維持其形狀的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要形態(tài)發(fā)生信息的指導(dǎo)。形態(tài)發(fā)生信息包含3個(gè)方面：1)位置信息；2)預(yù)期模式信息；3)表觀遺傳信息。形態(tài)發(fā)生信息的實(shí)質(zhì)及其作用機(jī)制是理解形態(tài)發(fā)生的首要條件。在低等動(dòng)物中研究發(fā)現(xiàn)，生物電作為一個(gè)密碼系統(tǒng)編碼著形態(tài)發(fā)生，是形態(tài)發(fā)生信息的實(shí)質(zhì)。該文綜述了器官形態(tài)發(fā)生場(chǎng)與器官形態(tài)發(fā)生、生物電在編碼器官形態(tài)發(fā)生方面的最新研究進(jìn)展，并基于日常生活中用電作為密碼系統(tǒng)的實(shí)例，提出了生命體內(nèi)存在生物電高級(jí)運(yùn)行方式的假設(shè)。相信在不久的將來(lái)，隨著生物電密碼的破解，人為控制器官形態(tài)發(fā)生將成為現(xiàn)實(shí)。

器官形態(tài)發(fā)生； 編碼信息； 生物電密碼

Summary Morphogenesis is a biological process that involves the shape development and pattern maintenance of an organism. Morphogenetic information is needed for morphogenetic primordial developing to construct an appropriate three-dimension (3D) structure, which includes three aspects: positional information, prepatterning information, and epigenetic information. The essence and mechanism of morphogenetic information is the primary condition to understand morphogenesis. This paper reviews the latest research progress of morphogenetic field, bioelectricity and organ morphogenesis.

Mechanism of organ morphogenesis has not been well understood in life science field. Advances in molecular biology were expected to solve this mystery, but proved to be a failure. Interestingly, recent study showed that organ morphogenesis was regulated by bioelectricity at multiple levels on lower animals, for example: 1) Artificially setting the resting potential in embryonic frog cells can lead to eye formation at any part of amphibian body; 2) bioelectricity can regulate regeneration of tail and ectopic limb formation inXenopustadpoles; 3) bioelectricity determines regeneration pattern of amputated planaria fragments on whether head or tail. Therefore, organ fate was obviously determined by bioelectric state of morphogenetic primordia. Bioelectricity is the essence of organ morphogenetic information, which is a landmark advance in this field that the bioelectricity encodes organ morphogenesis.

It is an inspiration that electric is used as a signal code in communication for understanding work mechanism of bioelectric code. For example, Morse alphabet and binary, which consist of electrical signal, are used in telegram system and computer system respectively. Nowadays, 3D structures can be made by 3D printer, and the machine can execute commands encoded by binary. The physical process of bioelectricity encoding organ morphogenesis in animal bodies is similar with that of 3D structures made by printer. On basis of those theories, a hypothesis was proposed that complicated bioelectric mode (BM) operation in animal bodies was similar with binary in computer system. Exploration of the signal pathway of BM is the key to crack bioelectricity code. The dream of artificially controlling organ morphogenesis was expected to be realized when the secret code of bioelectricity for organ morphogenesis be cracked in the near future.

來(lái)源于同一個(gè)受精卵的細(xì)胞發(fā)育成了不同的三維結(jié)構(gòu)(組織和器官)，并維持其形態(tài)，這就是形態(tài)發(fā)生要解決的問(wèn)題。與生命起源和進(jìn)化這種無(wú)法解決的問(wèn)題相比，研究人員認(rèn)為形態(tài)發(fā)生是一個(gè)能夠解決卻懸而未決的問(wèn)題[1]。形態(tài)發(fā)生問(wèn)題是目前生命科學(xué)研究的最大障礙，對(duì)生命體形狀信息的理解是人類認(rèn)識(shí)自己的關(guān)鍵。這一問(wèn)題的解決，將會(huì)從有機(jī)體整體而不是局部上解釋“生命現(xiàn)象”，是生命科學(xué)研究的“第一站”(相對(duì)于行為、思維、進(jìn)化、起源而言)。形態(tài)發(fā)生是進(jìn)行生命科學(xué)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。

“種瓜得瓜，種豆得豆”這句諺語(yǔ)直接概括了形態(tài)發(fā)生與遺傳信息之間相合相生的關(guān)系。自從核苷酸序列發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們一直認(rèn)為遺傳信息集中體現(xiàn)在中心法則中，現(xiàn)代分子生物學(xué)研究幾乎集中全部的精力來(lái)詮釋中心法則，寄希望于對(duì)中心法則的完全解讀將破解生命科學(xué)的奧秘。然而，在分子生物學(xué)高度發(fā)達(dá)的今天，人們僅在微觀水平上解釋了蛋白質(zhì)的合成和部分蛋白質(zhì)之間以及蛋白質(zhì)與核酸、脂類、糖類之間的部分相互作用和調(diào)節(jié)。當(dāng)前的知識(shí)只是解釋了遺傳物質(zhì)這座“冰山”的一角，破解了不能全面概括遺傳現(xiàn)象的“遺傳密碼”(筆者認(rèn)為，3個(gè)核苷酸組成1個(gè)密碼子的規(guī)律并不能完全概括“遺傳密碼”，可能還具有更高級(jí)的密碼形式存在。該規(guī)律只涉及了蛋白質(zhì)的合成，與構(gòu)成細(xì)胞、組織、器官的其他成分如脂類、糖類等的合成沒(méi)有直接關(guān)系，且這個(gè)規(guī)律無(wú)法解釋表觀遺傳現(xiàn)象)。無(wú)論是核苷酸、蛋白質(zhì)序列的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)域)，還是核苷酸、蛋白質(zhì)、糖類、脂類之間的相互作用都無(wú)法預(yù)測(cè)器官的形態(tài)發(fā)生。通過(guò)分析中心法則得出的大量數(shù)據(jù)無(wú)法判定器官形態(tài)發(fā)生將會(huì)在什么時(shí)間、在哪個(gè)部位發(fā)起，也無(wú)法預(yù)測(cè)將要形成的器官大小和形狀。例如：形狀信息(形態(tài)發(fā)生所包含的內(nèi)容之一)無(wú)法用基因組或者蛋白質(zhì)組理論來(lái)解讀[2]。這說(shuō)明對(duì)中心法則的解讀是不能解釋器官形態(tài)發(fā)生這個(gè)懸而未決的問(wèn)題的。不僅現(xiàn)在做不到，未來(lái)的短時(shí)間內(nèi)也不可能做到。研究人員還可能會(huì)陷入這樣一個(gè)尷尬境地：隨著研究的深入，技術(shù)水平的提高，越來(lái)越容易獲得大量的數(shù)據(jù)，卻發(fā)現(xiàn)在這些數(shù)據(jù)面前無(wú)所適從。顯然，遺傳密碼與器官形態(tài)發(fā)生之間還存在著一個(gè)難以逾越的鴻溝，這就是翻譯后水平到器官形成之間的研究空白?，F(xiàn)階段是生命科學(xué)研究的瓶頸期，由于分子生物學(xué)把人們帶入了組學(xué)時(shí)代，海量微觀的組學(xué)數(shù)據(jù)已經(jīng)超出了人類的解讀能力，與宏觀世界的聯(lián)系更是難以分析；因此，生命科學(xué)的研究領(lǐng)域需要另辟蹊徑，此領(lǐng)域的下一個(gè)里程碑式的事件將會(huì)是通過(guò)微觀研究來(lái)預(yù)測(cè)宏觀現(xiàn)象的研究方法的建立，即建立微觀世界與宏觀現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 形態(tài)發(fā)生信息

形態(tài)被定義為“活的有機(jī)體所具有的特征性和種的形態(tài)的出現(xiàn)”[1]，如具有生命力的向日葵種子能夠發(fā)育成向日葵。形態(tài)發(fā)生不是憑空出現(xiàn)的，而是從已經(jīng)組織化了的“形態(tài)發(fā)生原胚”發(fā)起，與形態(tài)發(fā)生場(chǎng)有關(guān)[1]。對(duì)于形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的描述，目前有多種說(shuō)法。形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的原始描述認(rèn)為形態(tài)發(fā)生場(chǎng)類似于物理上靜態(tài)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)[3]；形態(tài)共振理論認(rèn)為每一個(gè)形態(tài)都會(huì)有自己獨(dú)特的振動(dòng)頻率，該頻率在自然界中一旦存在，便會(huì)超越時(shí)間和空間效應(yīng)，不隨時(shí)間和空間的變化而消融，此振動(dòng)頻率與后續(xù)相同的形態(tài)發(fā)生原胚會(huì)產(chǎn)生共鳴，指導(dǎo)形態(tài)發(fā)生原胚發(fā)育成器官[1]。形態(tài)發(fā)生場(chǎng)就是形態(tài)共振的積累，是一種超越時(shí)空跨度的存在。Hall[4]認(rèn)為胚胎內(nèi)形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的一般定義是能夠發(fā)育成特定的具體形態(tài)結(jié)構(gòu)(或器官)的細(xì)胞群，如四肢的形態(tài)發(fā)生場(chǎng)。形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的原始描述容易理解，但是沒(méi)有涉及形態(tài)發(fā)生過(guò)程中的時(shí)空效應(yīng)，即合適的時(shí)間形成合適的三維(three-dimension, 3D)空間結(jié)構(gòu)。形態(tài)共振理論對(duì)形態(tài)發(fā)生場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)論述，從一定程度上解釋了形態(tài)發(fā)生的時(shí)空效應(yīng)，但是沒(méi)有提及形態(tài)發(fā)生時(shí)空效應(yīng)中所包含的時(shí)效性，即在一定的時(shí)間內(nèi)有效，超出這個(gè)時(shí)間段，形態(tài)發(fā)生場(chǎng)無(wú)法控制形態(tài)的發(fā)生，形態(tài)發(fā)生紊亂，如通過(guò)雄激素干擾，鹿茸能夠越過(guò)其程序性死亡過(guò)程而存活，鹿茸的形態(tài)卻失去了種屬特異性。Hall[4]所定義的形態(tài)發(fā)生場(chǎng)其實(shí)是形態(tài)共振理論下的形態(tài)發(fā)生原胚。對(duì)比上述3種觀點(diǎn)，形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的原始描述更接近實(shí)際，形態(tài)發(fā)生場(chǎng)是形態(tài)發(fā)生原胚的一個(gè)固有屬性，位于形態(tài)發(fā)生原胚周圍的非實(shí)體存在，其組成比電場(chǎng)更為復(fù)雜。形態(tài)發(fā)生場(chǎng)對(duì)形態(tài)發(fā)生的影響是多層次的，不像電場(chǎng)對(duì)電荷的影響是簡(jiǎn)單的、單方面的(驅(qū)使電荷沿著電場(chǎng)線方向移動(dòng))，器官在合適的位置形成相應(yīng)的大小和形狀，與器官形態(tài)發(fā)生場(chǎng)之間的相互影響有關(guān)。不同學(xué)者對(duì)形態(tài)發(fā)生場(chǎng)的解釋偏差較大，但并沒(méi)有影響到人們對(duì)形態(tài)發(fā)生的理解，因此，可以拋開(kāi)形態(tài)發(fā)生場(chǎng)來(lái)討論形態(tài)發(fā)生。

要解決是什么決定著器官發(fā)起位置、特殊形狀和大小并維持器官形態(tài)這個(gè)問(wèn)題，首先要解決形態(tài)發(fā)生包含哪些生理信息和構(gòu)成這個(gè)信息的實(shí)質(zhì)。如：蜜蜂會(huì)用各種不同的舞蹈向自己的同伴傳遞消息，人類用語(yǔ)言傳遞信息，其交流信息的實(shí)質(zhì)分別是姿勢(shì)和聲音。目前已知器官形態(tài)發(fā)生包含3方面的信息(后文稱之為“形態(tài)發(fā)生信息”)：1)位置信息；2)預(yù)期模式信息；3)表觀遺傳信息。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，研究人員一直在探索；直到近年來(lái)，Tseng等[5]在生物電研究中取得了重大發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為生物電編碼了器官的形態(tài)發(fā)生。暗示生物電就是儲(chǔ)藏形態(tài)發(fā)生信息的實(shí)質(zhì)。

2 生物電密碼

生物電是在生命活動(dòng)過(guò)程中生物體內(nèi)產(chǎn)生的各種電位和電流，產(chǎn)生的主要機(jī)制是生物體的膜系統(tǒng)對(duì)不同離子的通透性不同，而造成膜內(nèi)外正負(fù)離子的濃度差(跨膜電位)。生物體內(nèi)的生物電是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，本文所提及的生物電主要是指跨膜電位的靜息狀態(tài)，即在沒(méi)有發(fā)生應(yīng)激性興奮的狀態(tài)下，生物組織或細(xì)胞不同部位之間所呈現(xiàn)的電位差。

生物電研究是一個(gè)比較老而又新穎的方向。在20世紀(jì)60年代以前，生物電是一個(gè)熱門的研究方向，也取得了重大的進(jìn)步，如對(duì)細(xì)胞膜電位、跨皮電位、動(dòng)作電位、心電、腦電等的發(fā)現(xiàn)。后來(lái)，由于技術(shù)限制，研究工作進(jìn)入了瓶頸期，這期間對(duì)生物電的研究多集中在神經(jīng)信號(hào)電傳導(dǎo)、心電、腦電方面的生物電參數(shù)測(cè)量和模擬；同時(shí)，隨著分子生物學(xué)的興起，新一代研究人員的注意力被分子生物學(xué)所展示的美好前景所吸引，因此，這段時(shí)間對(duì)生物電的研究并沒(méi)有取得重大進(jìn)展。然而，分子生物學(xué)的發(fā)展為生物電研究提供了許多新方法和工具：1)利用電壓敏感性熒光染料來(lái)測(cè)量細(xì)胞的電生理特性，相比微電極(單細(xì)胞電極測(cè)量)具有巨大優(yōu)勢(shì)，如：可達(dá)到亞細(xì)胞分辨率，能夠呈現(xiàn)細(xì)胞膜表面的整體極化狀態(tài)，而不是跨膜電位的平均值；能夠檢測(cè)活體的多細(xì)胞水平，而不是僅局限于單細(xì)胞；使用便捷；可檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)；可長(zhǎng)時(shí)效檢測(cè)[6-8]。2)基因沉默和過(guò)表達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)離子通道蛋白的功能缺失和獲得，直接調(diào)控細(xì)胞的跨膜電位[9]。新的研究方法和工具使研究人員能夠更直觀地探索神秘的生物電。近年來(lái)，在生物電研究方面取得了開(kāi)創(chuàng)性的成果：發(fā)現(xiàn)了生物電與器官形態(tài)發(fā)生之間的密切關(guān)系。

在細(xì)胞水平上，通過(guò)電壓敏感性染料染色可以發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的細(xì)胞的跨膜電位(φmem)并不是均一的，在空間和時(shí)間上都是動(dòng)態(tài)變化的[10]。在胚胎干細(xì)胞方面，φmem就像開(kāi)關(guān)控制著胚胎干細(xì)胞的增殖和分化[11]。φmem不僅僅是控制細(xì)胞增殖分化的關(guān)鍵因子，還能控制細(xì)胞沿著大規(guī)?；铙w器官形成的方向發(fā)展[2,12-13]。形態(tài)發(fā)生原胚細(xì)胞的交流、增殖、分化遷移的控制信號(hào)是由緩慢變化的相對(duì)穩(wěn)態(tài)的膜電位所形成的[7-8]。

在組織水平上，組織細(xì)胞的行為受外電場(chǎng)的影響。如：外加電場(chǎng)能提高七鰓鰻幼蟲(chóng)的橫斷脊髓的再生能力[14-15]；介導(dǎo)成年豚鼠背部脊髓切斷后的脊髓反射反應(yīng)的恢復(fù)[16]；刺激哺乳動(dòng)物再生神經(jīng)元的顯著生長(zhǎng)等一系列功能[17]?？缙る娢坏拇嬖谑箓谥車a(chǎn)生傷口電場(chǎng)，中間電位高，周圍電位低，驅(qū)使傷口處正電荷由皮下向表皮移動(dòng)，產(chǎn)生電流，這些電信號(hào)直接控制著傷口周圍表皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的遷移[18]，促進(jìn)傷口的愈合[19-23]。傷口電場(chǎng)和電流會(huì)在傷口愈合后消失[18,24-27]。

在器官水平上，調(diào)節(jié)生物電能控制器官甚至身體一部分的形態(tài)發(fā)生。通過(guò)電壓敏感性熒光染料染色，發(fā)現(xiàn)非洲爪蟾(Xenopuslaevis)蝌蚪胚胎上的超極化細(xì)胞群?jiǎn)?dòng)了顱面的形態(tài)發(fā)生，調(diào)節(jié)離子通道改變超極化細(xì)胞群的極化狀態(tài)引起了顱面形態(tài)發(fā)育異常[28]；人為改變非洲爪蟾蝌蚪胚胎特定離子通道的表達(dá)，能夠介導(dǎo)正常心臟旁邊形成能跳動(dòng)的異位心臟[5,29]；人為改變青蛙胚胎細(xì)胞的φmem值，可以介導(dǎo)眼睛在蝌蚪體內(nèi)的任何部位(如腸道、尾巴等)異位形成[30]。在多器官水平上，調(diào)節(jié)細(xì)胞φmem能夠控制非洲爪蟾蝌蚪尾巴和后肢的再生狀態(tài)[5,9,31]；調(diào)節(jié)非洲爪蟾胚胎細(xì)胞φmem梯度能夠介導(dǎo)含有正常骨組織的異位肢體的形成[29]；渦蟲(chóng)(Planaria)片段傷口的極化狀態(tài)決定了是再生尾巴還是再生頭[32]。

從上述實(shí)驗(yàn)實(shí)例不難發(fā)現(xiàn)：1)器官形態(tài)發(fā)生的命運(yùn)取決于細(xì)胞特定的φmem值；2)生物電能夠驅(qū)使生物體在合適的部位形成合適大小和形狀的三維立體結(jié)構(gòu)，更重要的是這個(gè)啟動(dòng)信號(hào)常常是一個(gè)簡(jiǎn)單的φmem值的改變(與改變?chǔ)誱em值的因素?zé)o關(guān))[5]，生物體會(huì)自動(dòng)根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)來(lái)對(duì)形態(tài)發(fā)生信息進(jìn)行重新編程。這說(shuō)明生物電作為一個(gè)密碼系統(tǒng)，擔(dān)任著形態(tài)發(fā)生信息的角色。如何從生物電的變化中找到規(guī)律，用以破解控制形態(tài)發(fā)生的生物電密碼，成為本領(lǐng)域研究最重要的一步。通過(guò)繪制生物電極化值與器官形態(tài)之間的關(guān)系圖譜，有助于發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。這或許可以從日常生活中利用電作為密碼(發(fā)送端將物理信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸，接收端將電信號(hào)還原)的實(shí)例中找到線索。人類用電作為密碼，最簡(jiǎn)單的應(yīng)該是用摩爾斯密碼(Morse alphabet)來(lái)傳輸文字(即時(shí)傳輸)；更高一級(jí)的是通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換來(lái)傳輸和存儲(chǔ)聲音，如：電話、錄音；再高一級(jí)就是通過(guò)電密碼來(lái)傳輸和存儲(chǔ)圖像。目前，隨著技術(shù)的發(fā)展電編碼已經(jīng)由原先的即時(shí)傳輸，發(fā)展到涵蓋空間效應(yīng)(3D立體結(jié)構(gòu)的編碼、存儲(chǔ)和表達(dá))的傳輸和存儲(chǔ)相結(jié)合的應(yīng)用方式。這個(gè)發(fā)展歷程經(jīng)歷了從即時(shí)傳輸?shù)郊磿r(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)兼具存儲(chǔ)，編碼對(duì)象從簡(jiǎn)單的文字到二維圖像，最終到3D結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程與生物體的形態(tài)發(fā)生過(guò)程非常相似：都是利用電信號(hào)作為密碼。近年報(bào)道顯示這2個(gè)過(guò)程有了進(jìn)一步的交集：通過(guò)3D技術(shù)，蘇格蘭科學(xué)家使用人類胚胎干細(xì)胞打印出了世界上第一個(gè)人造肝臟組織[33]；此外，3D打印技術(shù)成功打印出了人類的人工外耳[34]。在這2個(gè)過(guò)程中，電編碼的機(jī)制是否相似還有待進(jìn)一步研究。摩爾斯密碼由“.”和“-”2個(gè)元素組成，本質(zhì)是一個(gè)二進(jìn)制操作方法。最初的聲音傳輸和存儲(chǔ)實(shí)質(zhì)上是電磁轉(zhuǎn)化，最初的圖像傳輸和存儲(chǔ)是通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不管是電磁轉(zhuǎn)化還是模擬信號(hào)，在使用中都存在局限性。數(shù)碼技術(shù)的應(yīng)用使這個(gè)領(lǐng)域得以突飛猛進(jìn)的發(fā)展，滿足了信息化時(shí)代的要求，傳輸和存儲(chǔ)更為方便迅捷。當(dāng)今的3D打印技術(shù)，依然是利用了數(shù)碼技術(shù)。數(shù)碼技術(shù)是這個(gè)密碼系統(tǒng)的通用技術(shù)，二進(jìn)制編碼是普遍規(guī)律。

本文預(yù)測(cè)生物電作為密碼系統(tǒng)在擔(dān)當(dāng)形態(tài)發(fā)生信息的過(guò)程中，也存在這樣一個(gè)特征性的規(guī)律(類似于電密碼系統(tǒng)中的二進(jìn)制編程)，生物電遵循這個(gè)規(guī)律，成為形態(tài)發(fā)生信息的實(shí)質(zhì)。這規(guī)律可能是數(shù)碼信號(hào)的形成方式，也可能是模擬信號(hào)(蝌蚪胚胎臉部的預(yù)期模式)的形成方式，更可能是人類還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的生命體發(fā)明的更高級(jí)的電信號(hào)運(yùn)行方式——生物電模式(bioelectric model, BM)。推測(cè)BM存在的依據(jù)是：目前數(shù)碼技術(shù)所能達(dá)到的最高級(jí)形式“3D”打印與形態(tài)發(fā)生相比，有一個(gè)不能忽視的不同點(diǎn)是“3D”打印不具備形態(tài)發(fā)生的時(shí)空效應(yīng)，這個(gè)特性信息應(yīng)存儲(chǔ)于BM中。不管是數(shù)碼信號(hào)還是模擬信號(hào)的編碼方式或者BM擔(dān)當(dāng)著生物電編碼的普遍性規(guī)律，都為人們捕捉形態(tài)發(fā)生信息提供了理論依據(jù)，暗示了破解生物電密碼的下一步工作：通過(guò)標(biāo)測(cè)合適的模式動(dòng)物體內(nèi)器官在形態(tài)發(fā)生過(guò)程中的生物電變化，找出其中的普遍性規(guī)律，探索這個(gè)規(guī)律的形成機(jī)制(生物電密碼的工作原理)，解讀其與器官形態(tài)發(fā)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 小結(jié)與展望

生物電編碼形態(tài)發(fā)生的發(fā)現(xiàn)并不是一個(gè)偶然現(xiàn)象，而是生命科學(xué)發(fā)展到今天的一個(gè)必然結(jié)果。一方面是形態(tài)發(fā)生研究迫切需要實(shí)質(zhì)性的突破，另一方面是遺傳學(xué)發(fā)展在解讀中心法則后停滯，翻譯后水平的研究必然成為聯(lián)系這二者之間的突破口。生物電正是翻譯后水平的生理現(xiàn)象[35]，成了填補(bǔ)遺傳密碼解讀與形態(tài)發(fā)生之間的必然選擇。

然而，形態(tài)發(fā)生研究卻面臨著眾多難題，最為突出的是缺乏實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，尤其是哺乳動(dòng)物器官形態(tài)發(fā)生研究模型。形態(tài)發(fā)生研究必須依靠活體試驗(yàn)，不像分子生物學(xué)和遺傳學(xué)研究可以實(shí)行體外操作。目前，幾乎所有探索生物電與形態(tài)發(fā)生的研究都集中在低等動(dòng)物，未見(jiàn)哺乳動(dòng)物方面的研究報(bào)道，這主要與缺乏哺乳動(dòng)物模型所致。盡管低等動(dòng)物形態(tài)發(fā)生的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(dòng)物相距甚遠(yuǎn)。生命科學(xué)研究的最大意義是為人類健康服務(wù)，對(duì)形態(tài)發(fā)生的探索也是如此。因此，合適的活體哺乳動(dòng)物模型是哺乳動(dòng)物器官形態(tài)發(fā)生研究的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)人類器官再生的先決條件。結(jié)合具體的哺乳動(dòng)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(yàn)的預(yù)測(cè)，勢(shì)在必行[29]。一個(gè)完美的哺乳動(dòng)物器官形態(tài)發(fā)生的研究模型應(yīng)具備如下幾點(diǎn)要素：1)研究背景清晰，已知詳細(xì)的形態(tài)時(shí)空分布特征數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的形態(tài)發(fā)生原胚作為形態(tài)性狀的特征性指標(biāo)；2)具有可操作性，能夠人為控制形態(tài)的改變；3)具有可持續(xù)性，含有審察、評(píng)估表觀遺傳信息的因素，如繁殖周期短、能夠再生等。相信在不久的將來(lái)，人們將完成生物電密碼的破譯，屆時(shí)通過(guò)生物電密碼的重新編程，人類將實(shí)現(xiàn)器官形態(tài)發(fā)生的人為調(diào)控，以克服出生缺陷、受損器官再生等重大醫(yī)學(xué)難題。

[1] Sheldrake R.ANewScienceofLife:TheHypothesisofFormativeCausation. Los Angeles, Boston: Tarcher J P, 1981:3-81.

[2] Levin M. Molecular bioelectricity in developmental biology: New tools and recent discoveries: Control of cell behavior and pattern formation by transmembrane potential gradients.Bioessays, 2012,34(3):205-217.

[3] Thompson D A.OnGrowthandForm. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1942:14.

[4] Hall B K.BonesandCartilage:DevelopmentalandEvolutionarySkeletalBiology. San Diego, California: Elsevier Academic Press, 2005:103-114.

[5] Tseng A S, Levin M. Cracking the bioelectric code: probing endogenous ionic controls of pattern formation.Communicative&IntegrativeBiology, 2013,6(1):e22595.

[6] Adams D S, Levin M. General principles for measuring resting membrane potential and ion concentration using fluorescent bioelectricity reporters.ColdSpringHarborProtocols, 2012(4):385-397.

[7] Adams D S, Levin M. Measuring resting membrane potential using the fluorescent voltage reporters DiBAC4(3) and CC2-DMPE.ColdSpringHarborProtocols, 2012,1(4):459-464.

[8] Blackiston D J, McLaughlin K A, Levin M. Bioelectric controls of cell proliferation: ion channels, membrane voltage and the cell cycle.CellCycle, 2009,8(21):3519-3528.

[9] Tseng A S, Beane W S, Lemire J M,etal. Induction of vertebrate regeneration by a transient sodium current.TheJournalofNeuroscience, 2010,30(39):13192-13200.

[10] Adams D S, Levin M. Endogenous voltage gradients as mediators of cell-cell communication: Strategies for investigating bioelectrical signals during pattern formation.CellandTissueResearch, 2013,352(1):95-122.

[11] Ng S Y, Chin C H, Lau Y T,etal. Role of voltage-gated potassium channels in the fate determination of embryonic stem cells.JournalofCellularPhysiology, 2010,224(1):165-177.

[12] Levin M, Stevenson C G. Regulation of cell behavior and tissue patterning by bioelectrical signals: Challenges and opportunities for biomedical engineering.AnnualReviewofBiomedicalEngineering, 2012,14:295-323.

[13] Pineda R H, Svoboda K R, Wright M A,etal. Knockdown of Nav1.6a Na+channels affects zebrafish motoneuron development.Development, 2006,133(19):3827-3836.

[14] Borgens R B, Jaffe L F, Cohen M J. Large and persistent electrical currents enter the transected lamprey spinal cord.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica, 1980,77(2):1209-1213.

[15] Borgens R B, Roederer E, Cohen M J. Enhanced spinal cord regeneration in lamprey by applied electric fields.Science, 1981,213(4508):611-617.

[16] Borgens R B, Blight A R, McGinnis M E. Behavioral recovery induced by applied electric fields after spinal cord hemisection in guinea pig.Science, 1987,238(4825):366-369.

[17] Borgens R B. Electrically mediated regeneration and guidance of adult mammalian spinal axons into polymeric channels.Neuroscience, 1999,91(1):251-264.

[18] Nuccitelli R, Nuccitelli P, Ramlatchan S,etal. Imaging the electric field associated with mouse and human skin wounds.WoundRepairandRegeneration, 2008,16(3):432-441.

[19] Rajnicek A M, Stump R F, Robinson K R. An endogenous sodium current may mediate wound healing inXenopusneurulae.DevelopmentalBiology, 1988,128(2):290-299.

[20] Borgens R B, Robinson K R, Vanable Jr J W,etal. Electric fields in vertebrate repair. Natural and applied voltages in vertebrate regeneration and healing.Science, 1990,248(4958):1027.

[21] Zhao M, Song B, Pu J,etal. Electrical signals control wound healing through phosphatidylinositol-3-OH kinase-γand PTEN.Nature, 2006,442(7101):457-460.

[22] Pullar C E, Baier B S, Kariya Y,etal.β4 integrin and epidermal growth factor coordinately regulate electric field-mediated directional migration via Rac1.MolecularBiologyoftheCell, 2006,17(11):4925-4935.

[23] Pullar C E, Zhao M, Song B,etal.β-adrenergic receptor agonists delay while antagonists accelerate epithelial wound healing: evidence of an endogenous adrenergic network within the corneal epithelium.JournalofCellularPhysiology, 2007,211(1):261-272.

[24] Lllingworth C M, Barker A T. Measurement of electrical currents emerging during the regeneration of amputated fingertips in children.ClinicalPhysicsandPhysiologicalMeasurement, 1980,1(1):87-89.

[25] Jaffe L F, Nuccitelli R. An ultrasensitive vibrating probe for measuring steady extracellular currents.JournalofCellBiology, 1974,63(2 Pt 1):614-628.

[26] Reid B, Nuccitelli R, Zhao M. Non-invasive measurement of bioelectric currents with a vibrating probe.NatureProtocols, 2007,2(3):661-669.

[27] Nuccitelli R. A role for endogenous electric fields in wound healing.CurrentTopicsinDevelopmentalBiology, 2003，58：1-26。

[28] Vandenberg L N, Morrie R D, Adams D S. V-ATPase-dependent ectodermal voltage and pH regionalization are required for craniofacial morphogenesis.DevelopmentalDynamics, 2011,240:1889-1904.

[29] Levin M. Morphogenetic fields in embryogenesis, regeneration, and cancer: Non-local control of complex patterning.Biosystems, 2012,109:243-261.

[30] Pai V P, Aw S, Shomrat T,etal. Transmembrane voltage potential controls embryonic eye patterning inXenopuslaevis.Development, 2012,139:313-323.

[31] Adams D S, Masi A, Levin M. H+pump-dependent changes in membrane voltage are an early mechanism necessary and sufficient to induceXenopustail regeneration.Development, 2007,134(7):1323-1335.

[32] Beane W S, Morokuma J, Adams D S,etal. A chemical genetics approach reveals H, K-ATPase-mediated membrane voltage is required for planarian head regeneration.Chemistry&Biology, 2011,18(1):77-89.

[33] Faulkner J A, Greenhough S, King J A,etal. Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates.Biofabrication, 2013,5(1):015013.

[34] Reiffel A J, Kafka C, Hernandez K A,etal. High-fidelity tissue engineering of patient-specific auricles for reconstruction of pediatric microtia and other auricular deformities.PLoSONE, 2013,8(2):e56506.

[35] Levin M. The wisdom of the body: Future techniques and approaches to morphogenetic fields in regenerative medicine, developmental biology and cancer.RegenerativeMedicine, 2011,6(6):667-673.

春義鹿茸研究組簡(jiǎn)介

春義鹿茸研究組隸屬于特種動(dòng)物分子生物學(xué)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該室依托于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所。由李春義博士于2006年創(chuàng)立。李博士是該領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威科學(xué)家，多次應(yīng)邀在國(guó)際鹿科學(xué)會(huì)議上做全會(huì)報(bào)告；現(xiàn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)所研究員、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、特種動(dòng)物干細(xì)胞創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家；以第一作者身份發(fā)表SCI收錄論文50余篇。該組現(xiàn)有固定研究人員15名，在讀博士生3名，在讀碩士生5名；主持國(guó)家自然科學(xué)金項(xiàng)目5項(xiàng)，國(guó)家“863”課題1項(xiàng)，國(guó)家“973”前期專項(xiàng)課題1項(xiàng)，吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目近10項(xiàng)。本研究組緊緊圍繞鹿茸這一獨(dú)特的生物學(xué)模型開(kāi)展深入廣泛的研究，以期揭示鹿茸完全再生、巧妙調(diào)節(jié)快速組織生長(zhǎng)不發(fā)生癌變、干細(xì)胞自主分化和傷口無(wú)傷疤愈合等機(jī)制。研究進(jìn)展：1)發(fā)現(xiàn)鹿茸的完全再生是一個(gè)基于干細(xì)胞的過(guò)程，鹿茸干細(xì)胞具有胚胎干細(xì)胞的特性；2)發(fā)現(xiàn)鹿茸早期再生與小鼠斷肢的傷口愈合過(guò)程極為相似，小鼠斷肢不能再生主要是因?yàn)槠溟L(zhǎng)骨骨膜細(xì)胞的分裂潛力與鹿茸干細(xì)胞無(wú)可媲美，將鹿茸干細(xì)胞的特性賦予鼠長(zhǎng)骨骨膜細(xì)胞，有望實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物斷肢的再生；3)在鹿茸上成功實(shí)現(xiàn)了體細(xì)胞向干細(xì)胞的反分化。

李春義 趙海平 供稿

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，2015-01-29)

Exploration of organ morphogenesisⅠ: Bioelectricity and morphogenesis. Journal of Zhejiang University (Agric. & Life Sci.), 2015,41(2):119-124

Zhao Haiping1, Liu Zhen1, Chen Guangxin2, Li Chunyi1*

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

organ morphogenesis; encoding information; bioelectricity code

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA1006603)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31170950)；吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150204071NY).

聯(lián)系方式：趙海平，E-mail:zhperic@163.com

2014-07-17；接受日期(Accepted)：2014-09-24；網(wǎng)絡(luò)出版日期(Published online)：2015-03-20

Q 954-33； Q 955

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.20150320.1954.007.html