细胞极性定的什么位？

              ---------探索小宇宙从母体子宫开始

                         都世民

                 小宇宙从母体子宫开始

小宇宙是由单个细胞开始，突破重重困难，最终发育成有高度组织性、非常复杂的生物驱体。母体子宫内卵子受精后，受精卵首先分裂成两个细胞，然后两个变成4个，4个变成8个、16个……，成倍增长，是2的N次方，N是大于和等于0的正整数。几周后，形成成千上万个细胞。此时，原先的球形受精卵就分裂、重排成一个一端膨胀变圆，且加厚的长条形的胚胎，沿着这个胚胎的纵向，会形成一条浅沟。很快，这条浅沟逐渐变深，组成沟壁的细胞彼此靠拢，直至紧密接触在一起，形成一个长的、中空的腔道。这个腔道的膨胀端将会形成大脑，另一端则会形成脊髓。形成驱体。【1】

对大脑的形成，文【1】只是开了个头，文中没有详述大脑是怎么分区和怎么分成两个半球的。六个感官：眼、耳、鼻、舌、身、意是按怎样的次序演变成长的？文中所述的特定基因又是怎样形成的？

                细胞极性定位的真实含义是什么？

《环球科学》，2016年第4期，以“每个细胞都知道方向”为题，阐述了一种“细胞平面极性定位”法。颇有新意。笔者先概述这篇文章要点，并对有关论点作一些讨论。

1.如前文所述，生物脑的形成不是上帝造的，是受精卵分裂为两个细胞，然后成倍增长。而电脑的产生是由“O”与“1”形成的数字运算。这生物脑与电脑的根本区别从这里开始。人类能否开创这种模式的电脑尚不得知！

2.这篇文章的研究模式是自下而上，因此没有考虑生物体周围环境的影响，也未考虑生物体各感官的因素。

3.这篇文章所述的细胞“平面极性”定位法，涉及三个因素：细胞内蛋白质、特定基因、平面极性。后者是引入的新概念。

4.平面极性（planar polarity）是指组织层的不对称性。由于组织层有这种不对称性，复杂的生物组织才不需要在各个方向上高度对称，不同的部位也能高度特化。例如，耳蜗管一端的纤毛能够区分高频率的声音，而另—端的纤毛则能够检测到低频率的声音，且当整个器官旋转时，这种特性仍然不受影响。

5.这篇文章所述的生物体结构的演变有独特的“指南针”。才使生物组织有这种高度对称，每个物种有自己特有形态。这与映射形成的结构是不同的，未涉及神经元内放电。

6.2015-11-18 ，参考消息网曾发文：北大发现磁感应蛋白 或揭开“第六感”之谜，文【2】中指出：北京大学生命科学学院膜生物学国家重点实验室谢灿研究员及其研究团队，通过对果蝇基因组实验，发现了一种蛋白质复合体，可以在磁场中定位方向，并在多个动物物种中找到了这种蛋白基因。研究人员将其命名为磁感应蛋白（MagR）。相关论文17日在线发表在英国自然出版集团的学术期刊《自然·材料》上。这种磁感应导航可看成动物的“第六感”。不难看出，北大发表的研究论文所说的研究对象也是果蝇。指出的蛋白质极性也与环球科学报道的结论是一致的。细节上所指的基因是否一致，是否是包含六种基因。尚不清楚。

北京大学研究团队的这个试验，仅发现一种现象：发现了一种像聚合物的蛋白质——磁感应蛋白。这种蛋白质会和光敏隐花色素蛋白（简称Cry）的组成部分结合在一起，自发地和外部磁场对齐。研究者认为是与地球磁场磁感应结果。

多个研究团队研究对象及蛋白质具有极性的结果是类似的。但解释其机理有差异。北大强调地球磁场影响，是第六感官形成。而文【1】认为是生物体组织成长过程受极性控制，才形成规则排列。

6.文【1】从昆虫毛发入手，文中指出：科学家从1710年就开始仔细研究细胞和分子机制。不同的基因可能形成了—个系统，控制着细胞的方向感。常规的方法是通过鉴定和研究极性系统有缺陷的果蝇突变体，从而推断该系统是如何正常工作的。卷曲蛋白（frix，ed）的基因和“蓬乱基因”（dishevelled  gene))的基因发生改变后，果蝇的很多毛发都指向错误的方向。

7.控制细胞的方向到底是地球磁场还是特定基因？这两个结论差异甚大，一个来自外部环境；另一个来自细胞内部。答案只能是一个，或是两者都有？值得探讨！

8.科学家系统研究了frvzle基因、dishevelled基因以及其他突变，是如何影响果蝇角质层上各部位方向的。最终他们发现，在果蝇中，一共有6个不同的基因编码组成极性系统关键部分的蛋白。1 998 年发现了其中两个，“梵高”（van Gogh）和“星夜”（或arry night）两个基因。

9.生物组织的极性形成：就皮肤而言，这些动物机体的最外层都形成一种有序的排列模式，这些有序的结构特征并不是偶然产生的：研究人员已经分离出了6个基因，它们能帮助细胞感知方向，并引导细胞按照正确的模式发育。如果这些控制方向的基因（极性系统基因）之- Frizzled 6发生突变，毛发就会按照螺旋的方式生长。

当细胞一排排铺展开来时，这些蛋白交替吸引或排斥另一种蛋白，最终将不对称的分布模式传递下去，直到整个细胞层都被极化。

极性系统相关的蛋白质可能调节着细胞骨架的形成，这一假设出现之后，很多科学家想弄明白这些蛋白质究竟分布在细胞内的什么位置。研究结果表明，与极性系统相关的蛋白质并不是均布在细胞中的，因此可以通过不同方式影响细胞的不同側边。在形成果蝇翅膀的单层细胞中，梵高蛋白主要集中在每个细胞最靠近身体一侧；与此相反，卷曲蛋白主要集中在靠近翅膀末端的一侧，星夜蛋白则分布在每个细胞的这两侧。这种不对称分布给科学家提示了一种方向系统的工作模型。尚不清楚这种吸引和互斥的作用力背后的机制，有待进一步研究。

昆虫并不是唯一存在平面极性的动物。极性基因普遍存在于动物界，并且各种动物的极性基因都非常相似。有趣的是，植物中似乎没有类似的基因。人和其他的哺乳动物有三个星夜基因（前面提到的果蝇极性基因中的一种）。

最大惊喜还是来自于内桑斯的实验室对哺乳动物神经元连接的观察。在哺乳动物复杂的神经连接网络中，主要的通路在胚胎发育时就铺设完成了，每个神经元都开始伸出轴突（帮助大脑进行远程通信的“电线”）并沿着预定的路线抵达目的地。在皮肤和大脑中，发现的极性系统是相似的，但不完全相同。

极性系统对包括人类在内的所有脊椎动物都至关重要。不管是在胚胎发育的早期，还是如今我们每一次呼吸的—刹那（呼吸道的纤毛需要把积累下来的粘液推往一个方向——即向上离开胸腔），极性系统都发挥着无法替代的作用。

众多的遗传变异给动物界带来了惊人的多样性，调控极性信号的基因就是其中的一组。

                再生细胞的极性如何控制？

文【3】中指出：新华社东京2016年4月4日电，日本研究人员在一项新研究中利用实验鼠的诱导多能干细胞（iPS细胞）再生出完整的皮肤系统。【3】

iPS细胞是体细胞经过诱导因子处理后转化而成的干细胞，其功能与胚胎干细胞类似，具有发育成多种组织细胞的可能。皮肤分为表皮、真皮和皮下组织3层，包括毛囊、皮脂腺、汗腺等皮肤附属器，是非常复杂的系统。利用实验鼠iPS细胞培养出名为“胚样体”的细胞块，再将多个这样的细胞块放进胶原蛋白中并移植到实验鼠身上，形成了多种类的上皮组织。和天然的皮肤一样，这些上皮组织再生出了带有皮肤附属器的完整皮肤系统，这种皮肤还可以安全有效地移植到其他实验鼠身上。

应当指出的是，这种再生细胞的极性如何控制呢？培育的细胞块是转基因吗？否则控阵极性的基因如何产生呢？怎么保证再生皮肤与原来皮肤的一致性？
总之，细胞是大脑的最基本单元，它的形成、生长、排列、分布、功能、能源、控制机理都受生物学家、化学家、物理学家的关注。这种自下而上的研究方式，能否给出一个真实的大脑是科学家们共同的研究方向。

                        参考资料

【1】“每个细胞都知道方向”，《环球科学》，2016年第4期，撰文保罗。N．阿德勒( Paul N．Adle，)  杰里米，内桑斯(Jeremy Nathans)，翻译 荣丽

【2】北大发现磁感应蛋白 或揭开“第六感”之谜，2015-11-18 08:16:50 来源：腾讯科技。参考消息网，2015-11-18 。

【3】用诱导多能干细胞能再生完整皮肤，来源：中国科技网-科技日报， 2016年04月05日　。