胚胎发育与细胞分化

第十一章 胚胎发育与细胞分化,一 受精与胚胎发育 （一）精子和卵的结构 （二）受精作用 （三）卵裂与胚胎早期发育 二 细胞分化 （一）细胞分化的基本概念 （二）细胞的全能性 （三）干细胞 （四）影响细胞分化的因素 （五）发育模式与细胞分化的分子调控,一 受精与胚胎发育,多细胞的真核生物，尤其是高等动植物，都是由多种类型的细胞构成。虽然它们之间形态和功能差别明显，但都是由同一个受精卵不断分裂分化而来的。卵细胞受精后随即进入快速的卵裂，产生许多后代细胞，这些细胞进一步生长、分裂和凋亡的同时，细胞之间不断地在形态和功能上出现差异，最终形成不同的组织和器官而构建成的完整的多细胞个体。 在个体的发育中，细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化，其本质是基因选择性表达的结果。,细胞分化,（一）精子和卵的结构,1 动物成熟卵的结构 外被: 糖蛋白(透明带)； 皮质部: 可形成受精膜，阻止其它精子进入； 卵黄： 营养复合物； 核： 处于减数分裂中期。 2 精子的结构 头部：核、顶体等； 尾部：分为颈段、中段、主段和末段四部分。,卵细胞及早期受精,（二）受精作用,受精： 精子的获能（capacitation）、 顶体反应（acrosome reaction）、 皮层反应（cortical reaction）、 原核形成和融合等过程。 受精后，由于受精卵中的pH升高，导致受精卵中 的mRNA翻译和DNA的复制称为受精激活。,受精作用,（三）卵裂与胚胎早期发育,卵裂（cleavage）是指受精卵经过分裂，将卵质分配到子细胞的过程，分裂产生的细胞叫做分裂球。 1）桑椹胚：64细胞以前为实心体胚胎； 2）囊胚： 128细胞阶段胚胎，细胞团内部空隙扩，成为 充满液体的囊胚腔，此时的胚胎称为囊胚； 3）原肠胚：囊胚继续发育，部分位于外表面的细胞通过 各种细胞运动方式(如：移入、内卷、内陷)进 入内部从而形成一个二层或三层的原肠胚。 这种细胞迁移运动过程称为原肠形成。留在 外面的称为外胚层，迁移到里面的称为内胚 层或中、内胚层。,蛙的胚胎早期发育,（一）细胞分化的基本概念,1 细胞分化是基因选择性表达的结果； 2 管家基因、组织特异性基因以及调节基因； 3 组合调控引发组织特异性基因的表达； 4 单细胞有机体的细胞分化； 5 转分化与再生。,细胞分化是基因选择性 表达的结果,在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化。 细胞分化是多细胞有机体发育的基础和核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。表达产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行各自不生理功能。,2 管家基因、组织特异性基因以及调节基因,分化细胞基因组中所表达的基因大致可分为三种基本类型： 第一类是管家基因，即所有细胞中均要表达的一类基因，其 产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。如微管蛋 白基因； 第二类是组织特异性基因，或称奢侈基因，即不同的细胞类 型进行特异性表达的基因，其产物赋于各种类型细胞 特异的形态结构特征与特异的生理功能。如胰岛素基 因。 第三类是调节基因，其产物用于调节组织特异性基因的表 达，或者起激活作用，或者起阻抑作用。 因此，细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的 差异表达。,组合调控引发组织特异性 基因的表达,只有有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型分化。其机制是组合调控的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白调控完成的，而在这些调控蛋白中，往往是只有其中的一两种调控蛋白是起决定性的因子。,基因的选择性表达,4 单细胞有机体的细胞分化,单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化现象。然而与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过分化构建执行不同功能的组织与器官。,5 转分化与再生,一种类型的分化细胞转变成另一类型的分化细胞的现象称转分化，转分化往往经历去分化和再分化的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。体外培养的植物细胞可去分化形成愈伤组织。愈伤组织可进一步诱导其再分化形成根和芽的顶端分生组织细胞，并最终长成植株。 广义的再生包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。但一般再生是指生物体缺失一部分后发生重建的过程。,（二）细胞的全能性,细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性； 受精卵及早期的胚胎细胞都是具有全能性的细胞； 细胞逐渐丧失发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。具有多潜能性的细胞称为干细胞； 仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞或称定向干细胞。由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化。,植物细胞的全能性,（三）干细胞,干细胞是一类具有自我更新能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。 干细胞根据其所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。根据发育潜能分为3类： 全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞 胚胎干细胞是全能干细胞，而成体干细胞是多能或单能干细胞。,1 胚胎干细胞,胚胎干细胞是一种经人工操作能够发育成一个新个体的全能性二倍体细胞。它是从早期胚胎细胞团（囊胚内层细胞）经体外分化抑制培养分离克隆的。 胚胎干细胞在不同条件下具有不同的功能状态，它是饲养层细胞依赖的。在有抑制因子存在的条件培养基中，它呈未分化状态生长；在无抑制因子存在的培养基中，分化成各种细胞；在悬浮培养时，可形成胚状体。 胚胎干细胞在动物克隆、转基因动物生产、新药筛选以及组织工程研究中应用越来越广。,2 成体干细胞,在成体组织或器官中，许多细胞仍具有自我更新及分化产生不同组织细胞的能力，如造血干细胞、骨髓间质干细胞、神经干细胞、肌干细胞、成骨干细胞、内胚层干细胞及视网膜干细胞等。,造血干细胞,是骨髓中的多能干细胞，能够分裂形成两种类型的细胞：一种仍然作为干细胞，但另一种成为祖细胞(progenitor cell),即次一级的干细胞，又称为爆发集落形成单位（burst forming units,BFUs）和集落形成单位（colony-forming units,CFUs）,因为它们可分裂形成多种类型的细胞群，包括：粒性白细胞、单核细胞、血小板、红细胞、T细胞与B细胞等。,神经干细胞,主要有两类： 1) 神经嵴干细胞(neuralcreststemcell，NC-SC) ：为外周神经干细胞(PNS-SC)，既可发育为外周神经细胞、神经内分泌细胞和Schwann氏细胞，也能分化为色素细胞(pigmented cell)和平滑肌细胞等。 2) 中枢神经干细胞(CNS-SC)：一般是指存在于脑部的中枢神经干细胞(CNS-SC)，其子代细胞能分化成为神经系统的大部分细胞。以往认为，中枢神经系统的神经元在出生前或出生后不久，就失去再生能力。但近年的一些研究表明，成年哺乳动物的脑组织仍可不断产生新的神经元，成人脑组织中同样存在NSC。,（四）影响细胞分化的因素,细胞中组织特异性基因的选择性表达主要是由调控蛋白 所启动。调控蛋白的组合调控是影响细胞分化的主要的 直接因素。 1 细胞质对细胞分化的影响细胞决定与决定子； 2 细胞之间的互相作用胞外信号分子对细胞分化的 影响； 3 环境对性别决定的影响； 4 染色质变化与基因重排对细胞分化的影响。,1 细胞质对细胞分化的影响细胞决定与决定子,细胞决定是指细胞在发生可识别的形态变化之前，其内部就已经确定了未来的发育命运。细胞在这种决定状态下，沿着特定类型分化的能力已经稳定下来，一般不会中途改变。这就是细胞决定。如果蝇的成虫盘。 影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分称为决定子。,2 细胞之间的互相作用 胞外信号分子对细胞分化的影响,在早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的旁分泌素信号分子（又称细胞生长分化因子）来实现的。 另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的。,3 环境对性别决定的影响,环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物的个体发育。其中环境对性别决定的影响是一个典型的例子。如蜥蜴较低温度（24）下全部发育为雌性，而在较高温度（32）下则全部发育为雄性。而乌龟则相反。,4 染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,只有1对或2对染色体的马蛔虫在卵裂过程 中，染色体出现消减现象。 B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排 而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上 可表达出数百亿种抗体。,（五）发育模式与细胞分化的分子调控,线虫(nematoe)、果蝇(fruit fly)、斑马鱼(zebra fish)、小鼠(mice)和植物中的拟南芥(Arabidopsis thaliana)等已成为人们研究发育调控的模式生物。 通过对大量的果蝇突变体的研究，人们发现了一套在果蝇体节发育中起关键作用的基因群，称为同源异型基因(Hox genes)。因其在基因表达调控中的主导作用，又称为homeotic selector gene, 即Hox gene。Hox gene都含有一段高度保守的由180bp组成的DNA序列，称为同源异型框（homeobox），可编码60个氨基酸同源异型结构域(homeodomain)。 Hox基因的产物基本上都是转录因子，在转录水平调控基因表达。 同源异型框普遍存在于果蝇、鼠、人、蛙等生物中。果蝇中有一套Hox基因，而脊椎动物中有4套Hox基因，它们都具有非常保守（6080）的同源框结构。所有这些基因在细胞分化