怎样理解“DNA是生命的蓝图”这句话 朱钦士

怎样理解“DNA是生命的蓝图”这句话？（一）



生物形成身体结构的基本工具



生物结构复杂精妙、巧夺天工的程度让人惊叹。我们的眼睛可以从进入瞳孔的可见光中获得物体的方向、远近、大小、形状、颜色、质地、运动速度等丰富的信息，并且能够通过眼球的转动和晶状体的调节对观察对象进行跟踪和聚焦，还能通过瞳孔的收放适应光线强度的变化。我们的耳朵有接收、传递、放大、转换空气振动状态的专门结构，用于感知环境的变化，包括感知敌友的存在。蝙蝠的耳朵可以接收频率5万赫兹以上的超声波，并且利用超声波的回波来定位。人的耳朵可以辨别从20赫兹到20,000赫兹的连续音频，并且能够从复杂的噪音背景中提取所需要的信息。生物运动器官的效率也令人惊叹，其中猎豹的腿可以使它以每小时110公里的速度奔跑；雨燕的翅膀使它能够以每小时350公里的速度飞行。我们身体的循环系统、消化系统、呼吸系统、排泄系统等，都是高度复杂、效能高度专一的。蜻蜓的复眼、蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛、植物的花朵，都是生物创造出来的结构上的奇迹。我们的大脑更是由上百亿个神经元按照高度有序的方式彼此连接，由此产生感觉、控制、思维、情感，是生物结构发展的最高成就，是我们的世界中构造最复杂，功能最强大的信息处理结构。

问题是，这些精妙的结构是如何形成的？所有的多细胞生物都是由一个细胞分裂发育而来。在细胞数量变大，种类也不断增加的时候，是什么指令让细胞知道自己的位置和“任务”，又是什么机制让细胞形成各种专门结构？我们常说DNA是生命的“蓝图”，它携带着我们身体建造的全部信息，有什么样的DNA，就会发展出什么样的结构。的确，“种瓜得瓜，种豆得豆”，老鼠的DNA也只能“指挥”受精卵发育出老鼠，而形不成猫的结构。科学家甚至可以用一滴鼠血（实则是血中白细胞里面的DNA），就能克隆出一只活的小鼠，证明DNA的确是生命的蓝图。如果DNA没携带生物身体构造的全部信息，又怎么能够指导这些完美生物结构的形成呢？

但是当我们去具体考察一下这份DNA“蓝图”时，却发现它和修建房屋的蓝图不同。修建房屋的蓝图会详细地写明这个房子有几层，有多少个房间、楼梯在哪里、每个房间有多少个门，多少个窗户，以及这些门窗的位置和具体尺寸。灯在哪里、电线从哪里通过、开关在什么地方、水管如何到每一个水龙头等，都必须一一具体注明。总之，有关这栋房子的所有结构信息，都可以在设计蓝图中找到。但是当我们去考察DNA这份“蓝图”时，却只发现为蛋白质编码的序列，以及控制基因表达的序列，仅此而已。在DNA的序列中，根本找不到人有两只手以及两条腿的指令，也找不到规定人的每只手有5根手指的信息。是什么DNA序列规定了舌头和牙齿长在嘴里、鼻子有两个孔、眉毛长在眼睛之上？是什么DNA序列规定心脏有两个心房、两个心室、血管分静脉和动脉？是什么DNA序列能够决定人有多少根头发，长在什么地方？实际上，所有这些有关身体结构的信息，在DNA的序列中都是找不到的。

从许多生物结构的复杂程度来看，要直接把这些信息全部都“写”进DNA序列也是不可能的。人只有2万多个基因，而人的头发就有大约12万根。就算一根头发的位置的信息只需要一个基因来记录，那也是远远不够的，更不要提我们身体里面的60万亿个细胞，它们的结构功能各异，位置不同，要靠区区两万多个基因来记录所有这些信息，可以说是毫无希望。

既然如此，我们又应该怎样来理解“DNA是生物的蓝图”这句话呢？在没有具体的结构指令的情况下，受精卵就能够准确无误地发育成为一个有完美结构的生物体。只要看看采集花蜜的蜜蜂，个个都像工厂里生产出来的产品，彼此之间几乎一模一样，而形成这些结构的信息不过是为蛋白质编码的DNA序列和控制这些序列表达时间和环境的序列，这真是一件难以想象的事情。

生物的蓝图和建造房屋的蓝图，工作方式是不一样的。建造房屋所需要的砖头、木材、水泥、玻璃等自己不会组装成一栋房屋，要靠施工队按照蓝图的指令把这些材料组装在一起。而生物在形成自己的身体时，并没有这样的施工队按需要把各种细胞放到它们应该所在的位置，建造出心脏或肾脏来，而是细胞必须自己“知道”应该是什么类型，“自动”装配成身体里面的各种结构。

这里的关键就在DNA中控制基因有序表达的信息。它决定何种基因在什么对方，在什么时候表达，以及表达多少。这个程序可以决定受精卵在分裂和分化的过程中，如何逐步形成各种类型的细胞。这是从细胞内部来控制细胞的发展方向，即“命运”。除此以外，在人的2万多个基因中，还有一些是为信号蛋白编码的。在生物体发育的过程中，有些细胞就会表达这些信号蛋白，“指挥”周围的细胞进一步变化，从细胞外部控制细胞的发展方向。新形成的细胞中，有一些又会表达另外一些信号蛋白，指挥更多类型细胞的产生。这样一步步发展下去，就会形成我们身体中200多种类型的细胞。这有点像诸葛亮给前方将士的“锦囊妙计”。锦囊里面的指令不是一开始就打开的，而是要到一定阶段才打开。通过在不同阶段打开不同的锦囊妙计，就可以一步步地指挥各种细胞的形成。

但是仅凭这种控制机制，只能形成由各种细胞组成的细胞团，而不能形成特定的结构，包括各种腔、管以及它们的形状、大小、和分支。要形成生物体各种精巧的结构，必须有某种机制来使基因的产物（蛋白质）能够在细胞内和细胞之间产生机械力，让细胞根据这些力来彼此识别、结合、变形，移动位置，从而形成各种精巧的结构。

这种在细胞内和细胞之间产生机械力的根源，其实就是一组为数不多的基因，它们的蛋白质产物可以在生物结构的形成过程中起作用。这组基因的历史可以追溯到单细胞生物，在多细胞生物中它们的功能被“升级”，成为生物体结构的“建筑师”。从水螅到人体，使用的都是同一套基因。这些基因产物（蛋白质）的顺序表达，就可以让细胞之间以特异的方式彼此作用，“自动”形成高度有序的特殊结构。虽然这些基因的数量不多，但是通过用不同的组合方式来使用它们，却可以形成各式各样的结构。这就像木匠的工具只有斧、锤、锯、刨、凿、钻等几种，却可以造出无数种木结构来一样。

基因的顺序表达可以逐步产生不同类型的细胞，而能够产生机械力的蛋白又能够使细胞之间以不同的方式彼此结合，形成生物结构。锦囊妙计分阶段打开，每次的妙计又指挥能够产生机械力的蛋白形成，这两种机制结合起来，就可以构建出一个完整的生物体，DNA的“蓝图”作用也就被实现了。这些在不同的阶段和位置上指挥周围细胞发育的信息分子，以及能够在细胞内和细胞间产生机械力的蛋白分子，就是建造生物结构的“基本工具”。在文章的第一部分中，我们先介绍这些“基本工具”的功能以及它们在结构形成中的作用。在随后的文章中，我们再用具体的例子来表明这些工具是如何造就各种生物结构的。



第一节 通过细胞-细胞直接接触导致结构形成的基因



钙粘蛋白（cadherin）让细胞分类聚集

多细胞生物要形成稳定的结构，首先细胞之间要有稳定的结合。一种让细胞彼此结合在一起的分子就是“钙粘蛋白”（cadherin），因为它需要钙离子才能发挥粘合细胞的作用。其英文名称中的头两个字母ca来自“钙”Calcium，adhe几个字母来自“黏附”adhesion，其中的字母a和ca中的a重合，最后的两个字母in则表示什么“素”。钙粘蛋白的历史非常久远，在被认为是所有动物鼻祖的单细胞生物“领鞭毛虫”（Choanoflagellate）中就已经有钙粘蛋白的表达。单细胞的领鞭毛虫通过它彼此聚在一起成为链状或星状，例如领鞭毛虫家族中的原绵虫（proteospongia），就可以好几个细胞用“尾对尾”的方式聚在一起，共同使用一根柄状物附着在固体上。单细胞生物的这种钙粘蛋白后来就被多细胞生物发展，被用来把细胞彼此黏附在一起。

钙粘蛋白由720-750个氨基酸组成，是一个跨膜蛋白。它含有一个跨膜节段，细胞膜外的部分很大，细部膜内的部分比较小。钙粘蛋白有一个特殊的性质，就是它们的细胞外部分可以彼此结合，即同类蛋白质分子之间的结合，这样表达钙粘蛋白的细胞就可以通过这种蛋白彼此结合在一起。钙粘蛋白在细胞内的部分则通过b-连锁蛋白和（b-catenin）a-连锁蛋白（a-catenin）和细胞里面由肌纤蛋白（actin）组成的“细胞骨架”相连，这样就不仅把结合力施加于细胞膜上，而且还把力延伸到细胞内的骨架上，把细胞牢牢地栓在一起。

如果不同的细胞表达不同量的钙粘蛋白，细胞之间黏附力的强弱就会有所不同。表达钙粘蛋白多的细胞之间黏附力强，就会彼此聚集成团，位于细胞团的核心，而黏附较弱的细胞则包裹在外面。这个过程有点类似于油和水的分相，在无重力的情况下，结合力强的水分子彼此聚集在一起，成为位于液体内部的水球，而结合力弱得多的油分子则包围在水球的外围。这就是最初步的结构形成。在多细胞生物形成的早期，由于细胞表达不同量钙粘合蛋白的机制还不固定，所以这样形成的结构是不稳定的，但是随着细胞调控钙粘蛋白表达量的机制固定下来，细胞按照黏附力分类就可能形成稳定的结构。当然仅靠同一种钙粘蛋白的多少是不足以形成复杂的结构的，大多是实心的多层球体。

经过长期的进化，动物已经有多种钙粘蛋白，由原来的钙粘蛋白基因复制和变化而成。不同类型的细胞表达不同的钙粘蛋白，例如上皮细胞表达E-钙粘蛋白（E表示epithelial），神经细胞表达N-钙粘蛋白（N-表示neural），胎盘细胞表达P-钙粘蛋白（P表示placental），肾脏细胞表达K-钙粘蛋白（K表示kidney），维管上皮细胞表达VE-钙粘蛋白（VE-表示vascular-epithelial），视网膜细胞表达R-钙粘蛋白（R表示retinal）等等。新发展出来的钙粘蛋白也保持了原来的钙粘蛋白的特性，即只有同种的钙粘蛋白才能彼此结合。这样，E-钙粘蛋白就只和E-钙粘蛋白结合，而不和N-钙粘蛋白结合。反过来，N-钙粘蛋白也只和N-钙粘蛋白结合，而不和E-钙粘蛋白结合。这样，表达E-钙粘蛋白的上皮细胞就不会和表达N-钙粘蛋白的神经细胞结合。如果把表达不同钙粘蛋白的细胞混合在一起，他们就会按照在细胞表面表达的钙粘蛋白的种类自动分类，同种细胞彼此结合在一起，而不和其他种类的细胞相混，这样就可以使不同类型的细胞自动分类，分别聚集成为各种组织。随着动物身体复杂性和细胞种类的增加，钙粘蛋白的种类也不断增多。例如无脊椎动物总共有不到20种钙粘蛋白，而脊椎动物的钙粘蛋白超过100种，光是人类就有80多种钙粘蛋白，成为人体各种组织中细胞自动分类聚集的基础。

钙粘蛋白虽然是细胞分类聚集的重要机制，是细胞分类聚集的基础，但是仅由钙粘蛋白导致的细胞分类聚集只能形成实心的细胞团，而不能够形成腔、管等更复杂的结构。这些结构的形成需要其他的“工具”。



细胞的极化是形成面、片、腔、管的基础

在上一部分的讨论中，我们假设钙粘蛋白在细胞表面上的表达是均匀的，即在细胞膜的各个部分表达的程度都一致。在这种情况下，细胞之间通过钙粘蛋白形成的结构就只能是实心的球形结构。我们把这种状态的细胞称之为没有“极性”的，即细胞的性质在各个方向上都相同。但是多细胞生物中，如果所有的细胞都是没有极性的，那就只能形成实心的球状结构，各种复杂的结构如片、腔、管就无法形成了。所以在多细胞生物体中，许多细胞都带有一定的极性，即细胞的形状和结构不是中心对称的，在不同的方向上，细胞膜的组成、细胞内蛋白质和RNA的分布、细胞骨架纤维的走向、细胞核和中心粒的位置，都是不对称的。我们把细胞结构在各个方向上的不对称性叫做细胞的“极性”（polarity），而细胞从非极性状态转变为极性状态叫做细胞的“极化”（polarization）。细胞的极化在形成复杂结构上非常重要。

例如细胞如果只在侧面表达钙粘蛋白，而上下面（分别称为“顶面”和“底面”）不表达，细胞就能够连成片状，而不再聚集成球状，因为顶面和底面的细胞膜无法彼此粘合。如果底面的细胞膜上再有和细胞外基质结合的分子，片状结构中的细胞就都以底面和基质结合，这样顶面就成为唯一能够和外部空间接触的细胞面。生物体里的“上皮”（epithelium）就是这样形成的，这种片状结构里面的细胞也被称之为“上皮细胞”（epithelial cells）。

上皮的形成是多细胞生物发展史上的重大事件，从此生物就有了一层细胞来区分身体的“外”和“内”。如果细胞膜是细胞的“墙壁”，那么上皮就是生物体的“墙壁”。处于生物体内部的细胞就有了比较稳定的内环境，而不像单细胞生物那样始终暴露在复杂多变的外部环境中。在这样相对稳定的内环境中，生物体就可以发展出更加复杂的结构来，而且许多这些结构的“内表面”仍然由上皮组成。除了我们身体外部的皮肤表面，我们身体内部粘膜的表面、血管和淋巴管的内壁、小肠的内壁、肺泡中和空气接触的细胞、肾脏的肾单位（nephron）、各种分泌腺体内围绕着把分泌物输送出去的管道的细胞，都由上皮组成。这些上皮的结构都类似，即细胞以侧面相互连接，细胞底部通过“整联蛋白”（integrin）与由细胞外基质组成的“基膜”（basal lamina）连接，而细胞顶部暴露于外部空间或腔管的内部空间，可以长出各种结构，用来执行各种生理功能，例如小肠的肠壁细胞的顶面长出许多绒毛，用来吸收营养；气管内壁的细胞长出许多纤毛，通过它们的定向摆动清除痰液；分泌腺的上皮细胞的顶端则是细胞分泌各种分子的地方。

如果上皮细胞的顶端能够收缩（通过顶端区域的肌纤蛋白actin和肌动蛋白myosin），细胞的顶部就会变尖，在上皮的暴露面上产生拉力，使得原来是平面的片状结构卷曲，卷曲进行到一定的程度，就能形成腔或者管。在管的一些特定部位上皮细胞的顶端再收缩，就可以在管上形成分支，例如气管就这样分为支气管，支气管再不断分支，最后形成肺泡。血管也可以这样分支，最后形成毛细血管。所以通过细胞极性的形成和变形，就可以形成面、片、腔、管等结构。

在上皮细胞的侧面，钙粘蛋白在细胞之间形成“粘着连接”（adherensjunction）。钙粘蛋白的细胞外部分彼此结合，细胞内部分则通过a-连锁蛋白和b-连锁蛋白与细胞里面由肌纤蛋白组成的“细胞骨架”相连。由于上皮是和外界接触的地方，为了防止分子从细胞之间“溜”进来，让外部分子必须通过顶端膜这个“海关”，细胞之间在靠近顶膜的地方还形成“紧密连接”（tight junction）。紧密连接由“紧密连接蛋白”caludin和eccludin组成。紧密连接还有另外一个重要功能，就是防止顶端膜和测面的膜成分彼此混合。上皮细胞之间的这些紧密联系使得他们在上皮中的位置固定而难于移动。

并不是身体里面所有的细胞都是上皮细胞，身体里面还有另外一类细胞，它们没有明显的极性，彼此之间并不紧密结合，例如结缔组织里的细胞，包括血细胞、脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞、筋腱里面的细胞、神经系统中的神经细胞和胶质细胞等。这些细胞来自一类没有或很少极性，可以移动位置的细胞，叫做“间充质细胞”（mesenchymalcells）。在胚胎发育过程中，常常需要细胞移位，到达别的地方，在那里形成新的组织和器官，而这是没有移动能力的上皮细胞做不到的，这个任务就由间充质细胞来完成。

间充质细胞是由胚胎发育过程中的上皮细胞失去极性而形成的，这个过程叫做“上皮-间充质转化”（epithelail-mesenchymal transition，简称EMT）。在这个过程中，钙粘蛋白的表达被抑制，细胞之间粘连减弱或消失，细胞获得迁移和侵袭组织的能力，在胚胎发育中起重要作用。例如神经脊细胞（neural crestcells）就是可以移动的细胞，它们由胚胎的神经外胚层（neuroectoderm）的上皮细胞通过上皮-间充质转化而来。它们能够运动到身体各处，形成神经细胞、胶质细胞、头面部的软骨细胞和骨细胞以及平滑肌细胞等。上皮细胞在转变成癌细胞时，也要进行上皮-间充质转化，使自己脱离黏附，获得迁移和侵袭组织的能力，因此恢复这些细胞的极性也是治疗癌症的一个途径。

在胚胎发育中，间质细胞也可以反向转化，即“间充质-上皮转化”（mesenchymal-epithelialtransition, 简称MET），重新变回上皮细胞。在器官的形成过程中，常常需要细胞在上皮和间充质两种状态下来回转化，通过间充质细胞阶段获得迁移能力，又在最后的位置变回上皮细胞，形成各种结构。例如组成肾脏的“肾单位”中的上皮细胞就是由“生肾间充质细胞”（nephrogenic mesenchymal cells）通过间充质-上皮转化变来的。这些事实说明，细胞的极化和去极化在胚胎发育，形成各种组织和器官的结构上起关键的作用。



形成和维持细胞极性的原理

从我们对细胞的基本了解来看，细胞的极性化似乎是一件比较难于理解的现象。蛋白质在细胞中是可以向各个方向扩散的，而细胞膜也是动态的，里面的磷脂和蛋白质处于连续不断的流动和移位之中。这些随机的过程似乎只能使细胞的结构均匀化，就像糖分子在一杯水中最后会平均分布在水的各部分一样，怎么会出现分子在细胞的各个方向分布不均的情况呢？

有两个机制可以使细胞的极性出现。一个是正反馈机制。如果一种分子在细胞膜的某处由于某些原因浓度比在其它地方稍高一些，它又能够通过与其它分子之间的相互作用招募其它分子来这个位置，而新到来的分子又能够促进头一种分子在该位置聚集，这就是一种正反馈机制，可以导致分子或分子团的不均匀分布。一个类似的例子是白蚁建蚁山（白蚁的窝）。一开始白蚁在地表随机地堆砌土块，所以地上会出现一片基本均匀的小土粒。但是白蚁有一个惯，就是往最高的那个土块上堆新土，这样土块的增高速度就不是平均的了，而是在当初稍大的土块上有更多的白蚁在堆土，这样这个土块就会逐渐明显高于其它土块，使得后来所有的白蚁都往这个土块上堆土，最后形成单一的土山。这就是正反馈造成物质分布不均的例子。

第二个机制是蛋白分子团之间互相排斥，或者说互相“拆台”，这样它们就不可能进入对方的“领地”，只能在细胞的不同位置存在。如果其中一种或者两种蛋白团在膜上又有能进行正反馈的位置，这两个蛋白团就不可能在细胞中均匀分布了，而是分别分布在膜内不同的地方。例如有两个蛋白质聚成的蛋白团，一个由A、B、C三种蛋白质组成，只有三种蛋白质都存在时蛋白团才稳定。另一个蛋白团是由D、E、F三种蛋白质聚合而成，也都需要三种蛋白质都存在才能成为稳定的聚合物。三种蛋白质彼此结合，形成稳定的复合物，就是一种正反馈机制。设想A、B、C中的任何一种蛋白在进入DEF的领地时，DEF能够使它失活，不能和其它两种蛋白质形成聚合物，那么在DEF的领地里就不可能有ABC聚合物的存在。反过来，如果ABC聚合物能够使进入其领地的D、E、F蛋白失活，不能和其它两种蛋白质形成稳定聚合物，那么在ABC的领地里也不会有DEF聚合物形成。从细胞形成极性的过程来看，这两种机制都起了作用。下面我们就具体来看看这两种机制是如何发挥作用，造成细胞的极化的。



形成和维持细胞极性的蛋白质

（1）Par复合物

1988年，美国科学家Kemphues等在研究线虫（C. elegans）的胚胎发育时，发现了6个基因，它们的突变使线虫的胚胎只能形成无结构的细胞团，而不能形成正常的组织和器官。科学家们把这6个基因称为“分隔缺陷基因”（partition defective），简称Par基因，从Par-1到Par-6。所有这些基因的产物都是可溶性蛋白，都位于细胞质中。虽然这些蛋白都叫Par蛋白，但是它们只是为细胞的极性所需，并不是同类的蛋白质。例如Par1和Par4是蛋白激酶，即可以在蛋白质分子上加上磷酸基团，改变其性质，让其活化或失活的酶。在线虫一个细胞阶段的胚胎中，这些Par蛋白的分布就是不均匀的，其中Par-3和Par-6位于胚胎的前端，Par-1和Par-2位于胚胎的后端，Par-4和Par-5则平均分布。如果突变这些基因中的任何一种，胚胎的极性就消失。如果让Par-3基因突变，Par-1和Par-2就不再位于胚胎后端，而是均匀分布了，说明这些Par蛋白之间在位置上是互相拮抗的。

1990年，日本科学家Tabuse等在线虫中发现了另一个Par蛋白，这个基因的突变造成的后果和其它Par基因突变的效果一样。这个基因的产物也是一个蛋白激酶，叫做“非典型的蛋白激酶C”（atypical protein kinase C，简称aPKC）。蛋白结合试验表明，Par-3、Par-6和aPKC彼此结合，形成一个蛋白复合物，而且只有在形成这个复合物后，这些蛋白质才能在细胞中不对称分布。这就类似于前面讲过的A、B、C三种蛋白组成稳定蛋白复合物的例子。

在上皮细胞中，Par-1是以二聚体的形式存在于基底膜和侧膜位置的。如果Par-1扩散到顶端膜，Par-3/Par-6/aPKC复合物中的aPKC能够使Par-1磷酸化，让它结合于在细胞质中的Par-5，使它不能停留在顶端膜上。反过来，如果Par-3运动到基底膜和侧膜，Par-1又能够使Par-3磷酸化，让它与Par-5结合，而不能在基底膜和侧膜停留。

随后在果蝇和哺乳动物（包括人）中的研究表明，Par蛋白质在比线虫更高等的动物细胞中也都存在，而且Par-3/Par-6/aPKC复合物也都在细胞的极性中起不可缺少的作用。这个复合物位于线虫胚胎的前端、爬行细胞的前沿、神经细胞生长中的轴突的顶端、以及上皮细胞的顶部，因此这个复合物在细胞的各种极性状态或过程中都发挥作用，是一个有古老历史，几乎所有动物，从线虫到人，都使用的极性蛋白。



（2）Crumbs复合物

1990年，德国科学家Tepass等人在果蝇的上皮细胞中发现了一种膜蛋白，它只位于上皮细胞顶端膜上，在靠近细胞之间连接的地方浓度最高。为这个蛋白编码的基因突变会使上皮细胞的顶端膜消失，严重干扰果蝇上皮的结构，有时甚至导致这些细胞的死亡，而过量表达这个基因又会使顶端膜扩张，说明这个基因对上皮细胞的极性，特别是顶端膜的形成和稳定，有非常重要的作用。由于这个基因的突变使得果蝇身体表面的角质层呈碎裂状，所以这个基因被称为“碎裂基因”（Crumbs），平常被称为Crb基因。

和Par蛋白是水溶性的分子不同，Crb蛋白是一个膜蛋白，有一个跨膜区段。它的细胞内部分有一段37-40个氨基酸残基组成的肽链，对于它的功能是必要的，去除这个部分后，Crb蛋白对上皮细胞极性的作用就消失。这个细胞内的部分能够结合一个蛋白叫PALS-1（protein associated with Lin7, Stardust）。PALS-1又和另外一个蛋白PATj（PALS-1 associated tightjunction protein）结合。因此，Crb蛋白和Par蛋白一样，也形成一个由三个蛋白质组成的复合物Crb/PALS-1/PATj。这三个蛋白质对于复合物的稳定性和功能都是必要的，PALS-1基因和PATj基因的突变都和Crb基因的突变有相同的效果，使钙粘蛋白的分布错位，不能在细胞之间形成粘着连接，导致结构异常。。

Crb蛋白除了和PALS-1和PATj蛋白形成复合物外，Crb蛋白的细胞内部分还能够和Par复合物中的Par-6结合，这样Crb复合物Par复合物就彼此联系，共同存在于上皮细胞的顶端膜内。不仅如此，在顶端膜内，肌纤蛋白（actin）和血影蛋白（spectrin）一起组成网状的细胞骨架，以支持顶端膜。Crb复合物和Par复合物结合后，Par复合物中的aPKC能够使Crb蛋白的细胞内部分磷酸化，使它可以和血影蛋白结合，这样Crb复合物和Par复合物就与顶端膜内的细胞骨架相联系，进一步稳定它们在上皮细胞顶端的存在。



（3）Scribble 复合物

在果蝇的突变试验中，科学家还发现了另一类和细胞极性有关的基因。其中一个基因的突变会使果蝇的角质层起皱多孔，因此被起名为“Scribble”（简称Scrib），意思是“乱涂乱画”。突变体果蝇的细胞失去极性，性状变圆，不再形成单层上皮，而是互相堆积，说明Scrib基因也是为上皮细胞的极性所需要的。

和Par蛋白和Crb蛋白都形成由三个蛋白质形成的复合物一样，Scrib蛋白也和另外两个蛋白质形成由三个蛋白质组成的复合物。这两个蛋白分别是“Dlg”（lethal disc large）和“Lgl”（lethal giant larvae）。

与Par复合物和Crb复合物在细胞内的位置不同，Scrib复合物Scrib/Dlg/Lgl并不位于顶端膜下，而是在侧膜区。这个复合物的作用看来是排斥Par复合物和Crb复合物，让它们只位于顶端膜，而不能到侧膜区来。突变Scrib复合中的任何一个基因，都会使前两个复合物中的蛋白失去它们在顶端膜的定位，而变为在细胞中平均分布。E-钙粘蛋白也失去了它们在细胞侧面的定位，变为在细胞膜的所有位置都有分布，使细胞的极性黏附丧失。因此Scrib复合物和前两个复合物是彼此拮抗的。



（4）细胞膜成分的不对称分布

除了Par、Crb、和Scrib这三个蛋白复合物在上皮细胞中的不对称分布外，顶端膜和基底侧面膜所含的一种磷脂成分也不相同。磷脂（phospholipid）是以甘油分子（丙三醇）为核心的分子。甘油的三个羟基中，有两个（包括中间的那一个）通过脂键与脂肪酸相连，另一个羟基与磷酸根相连，磷酸根上再连上其它亲水的分子，例如丝氨酸、乙醇胺、胆碱、肌醇等，这样形成的分子分别叫做“磷脂酰丝氨酸”、“磷脂酰乙醇胺”、“磷脂酰胆碱”和“磷脂酰肌醇”。其中磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，简称PI）的磷酸化产物是重要的信息分子。

肌醇（inositol）的化学结构是“环已六醇”，即6个碳原子连成环状，每个碳原子上面连一个氢原子和一个羟基。在6个羟基中，1号碳原子上的羟基与磷脂分子上的磷酸根相连，4、5、6号碳原子上的羟基都可以被磷酸化，但是2号和6号碳原子上的羟基（即和1号碳原子相邻的羟基）不会和磷酸根相连。4、5、6号碳原子上的羟基各由不同的激酶磷酸化。最先被磷酸化的是4号位的羟基（被磷脂酰肌醇-4-激酶催化，用ATP作为磷酸根的供体），生成“磷脂酰肌醇-4-磷酸”（phosphatidylinositol-4-phosphate，简称PI4P，或PIP）。PIP-5-激酶能够使PIP分子中第5号碳原子上的羟基磷酸化，生成“磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸”（phosphatidylinositol-4,5-biphosphate，简称PI（4，5）P2，或PIP2）。PIP2还可以进一步被磷酸化，通过PIP2-3-激酶使第3号碳原子上的羟基磷酸化，生成“磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸”（phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate，简称PI（3，4，5）P3，或者PIP3）。读者不必为这些复杂的名称费脑筋，只需要记住PI是磷脂酰肌醇，PIP是磷脂酰肌醇上连一个磷酸根，PIP2连两个磷酸根，PIP3连三个磷酸根就行了。

在上皮细胞中，PIP2位于顶端膜上，而PIP3位于基底侧膜上。细胞之间的紧密连接（tight junction）则把这两个部分的细胞膜分隔开来，不让这两部分细胞膜的成分互相交换混合。位于顶端膜的PIP2能够和“膜联蛋白2”（annexin2）结合，膜联蛋白又和Cdc42蛋白结合，Cdc42又可以招募par复合物中的Par-6和aPKC到顶端膜并且活化它们，和Par-3形成最后的复合物，如果人为地把PIP2引入基底侧膜，基底侧膜就变得像顶端膜，所结合的蛋白质也会改变。所以PIP2可以对Par复合物的定位起引导作用。

反过来，如果人为地把PIP3引入顶端膜，就会把顶端膜的性质变为基底侧膜，所连的蛋白质也相应变化。除了紧密连接能够防止顶端膜中的PIP2和基底侧膜上的PIP3相混以外，在顶端膜上还有一个叫PTEN的磷酸酶（phosphatase and tensin homolog），它可以把PIP3脱去一个磷酸根，变成PIP2，这样PIP3在顶端膜就没有存在的可能。同样，在基地侧膜上有一个PIP2的激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，简称PI3K），可以在PIP2上加上一个磷酸根，把PIP2变成PIP3。这样PIP2也不能在基地侧膜区域存在。

从以上的叙述可见，Par复合物、Crb复合物和Scrib复合物各由三个蛋白组成，而且都要三个蛋白质存在才能形成稳定的复合物，这就提供了一个正反馈的机制，即复合物中的每一种蛋白都起稳定对方的作用。Par复合物和Crb复合物之间的联系，顶端膜中PIP2对Par复合物的定位引导作用，组成更高一层的正反馈机制。而Par复合物、Crb复合物和Scrib复合物之间的拮抗，使得前两种复合物不能和Scrib复合物位于细胞中的相同位置。细胞中的分子虽然是动态的，但是通过这些机制，细胞却可以被极化，极化的细胞就可以连成片状、形成上皮，并且进一步形成腔和管的结构。参与这些过程的蛋白质是高度保守的，从线虫到哺乳动物，用的都是同一套基因。

这些复合物不仅自身在细胞内不对称分布，他们还通过“Rho GTP酶”影响细胞内由细胞骨架构成的运输系统的方向。例如通过顶端膜分泌的蛋白质就是通过这些通路从高尔基体运送到顶端膜的，而不会向基底侧膜方向运输；基底侧膜所需要的蛋白质也不会向顶端膜运输。物质的定向运输又进一步增强和巩固细胞的极性，因此这些系统是彼此联系并且彼此促进的。