发育生物学基本原理.ppt

第一篇 发育生物学基本原理,第一章 细胞命运的决定 第二章 细胞分化的分子机制转录和转录 前调控 第三章 细胞分化的分子机制转录后调控 第四章 发育中的信号传导,第一章 细胞命运的的决定,动物机体是由分化细胞组成的。 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。,第一节 细胞发育通过形态发生决定子自主特化,一、细胞定型和分化 从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（cell differentiation）。,已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物，而且行使特异的功能。 细胞在分化之前，将发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitment）。Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。,特化 specification： 当细胞或组织放在中性环境如培养皿 中可以自主分化时，该细胞或组织已经特化。 已特化的细胞或组织的命运是可逆的。 （“签约意向”） 决定 determination：当一个细胞或者组织放在胚胎另一部位 可以自主分化时，该细胞或组织已经决定。 已决定细胞或组织的发育命运是不可逆的。 （“正式签 约”） 在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。 在早期发育过程中，某一组织或器官原基必须首先定型，然后 才能向预定方向发育。,近朱者赤，近墨者黑（定型）,脊椎动物骨骼肌的分化主要特征,胚胎细胞的定型有两种主要方式： 第一种方式的细胞定型是通过胞质隔离（cytoplasmic segregation）来实现的。卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。这种定型方式称为自主特化（autonomous specification）。以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育（ mosaic development），或自主性发育，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。,Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。,柄海鞘的发育为一种典型的镶嵌型发育，其卵裂球的发育命运是由细胞质中储存的卵源性形态发生决定子决定的。 柄海鞘8细胞期胚胎卵裂球的发育命运已发生决定。尽管柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型，但实际上不同的卵裂球之间依然存在着相互诱导作用。其外胚层区域直到64细胞期时还没有“神经化”，显然外胚层细胞的发育命运不仅仅是由胞质决定子决定的。,海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的分离,海鞘分裂球的决定谱系,第二种方式的细胞定型是通过胚胎诱导实现的。胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间通过相互作用，决定其中一方或双方的分化方向，也就是发育命运。 初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜能，和邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方向分化。细胞命运的这种定型方式称为有条件特化（conditional specification）或渐进特化（progressive specification）或依赖型特化（dependent specification） 。,对细胞呈有条件特化的胚胎来说，如果在胚胎发育的早期将一个分裂球从整体胚胎上分离，那么剩余的胚胎细胞可以改变发育命运，填补所留下的空缺。以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育（regulative development） 。 任何动物胚胎发育过程中都存在自主特化和有条件特化两种细胞定性方式，程度大小不同而已。 多数无脊椎动物：自主特化（主要） 有条件特化（次要） 脊 椎 动 物： 有条件特化（主要） 自主特化（次要）,二、形态发生决定子 形态发生决定子（morphogenetic determinant） 也称为成形素（morphogen）或胞质决定子 （cytoplasmic determinant），其概念的形成源 于对细胞谱系的研究。,例1 爪蟾 卵裂、囊胚期细胞数目相对少，可以根据大小、形状和位置将卵裂球区分，追踪卵裂球的来源及其发育命运。（细胞系谱）,爪蟾晚期囊胚的发育命运图 上：侧面观，外胚层形成上皮和神经系统，沿着背腹轴的带状区域为中胚层，由它形成脊索、体节、心脏、肾和血液。爪蟾中胚层表面还覆盖有一薄层外胚层。 下：囊胚背面观,命运图并不是表示早期胚胎中各区域的细胞发育命运已经确定了，它在很大程度上反映的是胚胎在继续发育过程各区域细胞的运动趋势，并不是细胞的分化情况。 特化图（specification map）却可以在一定程度上反映出细胞的分化情况。特化图是将囊胚切成小块，每小块分别在简单培养基中培养，观察它们形成哪一种组织。特化图与命运图之间有很大程度的相似性，但在外胚层和中胚层存在很大的差别。,爪蟾晚期囊胚的特化图 外胚层区细胞还没有分化为预定神经细胞，中胚层区细胞还没有分化为预定肌肉细胞。,爪蟾囊胚命运图和特化图的比较。脊索的命运图和特化图基本相当，其他中胚层区的特化还没有发生，来自Spemman组织者以及腹方的信号将发挥作用。,和水蛭胚胎相似，海鞘胚胎也是依据卵内贮存信息进行自我分化的镶嵌体。海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质。不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子，能够使细胞朝一定的方向分化。 某些海鞘卵细胞质不同区域具有不同的颜色，卵子受精时不同区域的细胞质分配到不同的裂球中。,例2：海鞘,Conklin（1905）通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现：不同区域的卵细胞质分别与未来胚胎特定的发育命运相联系。 黄色新月区含有黄色细胞质，称为肌质（myoplasm），将来形成肌细胞。灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫消化道。,图1-1 受精时细胞质决定子的隔离,图 海鞘胚胎的镶嵌决定作用,Reverberi和Minganti（1946）证明海鞘裂球的发育命运在8细胞期已经决定，此时的裂球分离后能够自我分化。 不过神经系统的发育例外，只有当动物极前面一对裂球A4.1和植物极前面一对裂球a4.2配合后，才形成神经组织。 因此，在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在着裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。 Ortolani（1959）证明海鞘外胚层细胞直到64细胞期时尚未定型发育成神经组织。,图1-3 挤压实验 （B4.1 肌肉；b4.2 无肌肉；将B4.1黄 色新月区胞质挤压入b4.2， b4.2 产生肌肉）,结果表明：细胞质存在某些形态发生决定子，能够决定细 胞朝一个方向分化，形成一定的组织结构。,海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉水母、环节动物、线虫和软体动物等。在这些动物卵细胞质中，都存在形态发生决定子。 与镶嵌发育相反，海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在这些动物卵子细胞质中，也存在着形态发生决定子。 形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。,三、胞质定域,形态发生子在卵细胞质中呈一定形式分布，受精后发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的卵裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域，或胞质隔离、胞质区域化、胞质重排。,1. 海鞘形态发生决定子的运动 （1）肌质 （2）内胚层 （3）表皮 海鞘卵子受精时，卵质运动，产生独特的胞质区 域；不同的胞质区域含有不同的形态决定子，并在卵 裂时分配到不同的卵裂球中。,帽贝成纤毛细胞（trochoblast cell）的分化,2. 软体动物：极叶和中胚层、背腹轴的决定,某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极叶（polar lobe）。第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，此后极叶的出现就不明显了。极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部物质流动所引起的。,第 1次卵裂：AB、CD（含极叶） 第 2 次卵裂： D（含极叶） 此后，极叶不在出现。 极叶形成是卵裂期间过渡性的一种形态变化，是由于卵内部物质流动引起。极叶中含有控制 D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。,去除极叶，剩下的裂球虽然能正常分裂，但是不能形成正常的担轮幼虫（trochophore larva），而是发育成缺乏中胚层器官肌肉、口、壳腺和足的幼虫。因此Wilson认为极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。 壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚层不存在时，便没有诱导者诱导外胚层细胞形成壳腺。这是镶嵌型发育胚胎中也存在细胞间相互作用决定细胞发育命运的又一例证。,存在于极叶中的形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架上，卵子可扩散的细胞质（diffusible cytoplasm）不含形态发生决定子。 极叶还含有决定胚胎背腹轴形成的物质。极叶对软体动物正常发育十分重要，但迄今为止，仍不清楚其作用机制。,用细胞松弛素（cytochalasin ）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎,3、线虫 最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等的调整型卵子中也存在着生殖细胞决定子。 生殖细胞决定子在卵裂时分配到一定的裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。,副蛔虫（马蛔虫，Parascarisaequorum）第一次卵裂形成的动物极裂球发生染色体消减（chromosome diminution），而植物极裂球仍保持正常数目的染色体。 第二次卵裂形成的两个植物极裂球开始都有正常数目的染色体，后来靠近动物极裂球的染色体在下一次卵裂前又发生消减。只有一个最靠近植物极的裂球含有全数染色体（全套基因）。 全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。,副蛔虫正常受精卵（A）和经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。,据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有某些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定有关裂球形成生殖细胞。副蛔虫卵子植物极胞质中所含的能决定生殖细胞形成的物质叫生殖质（germ plasm）。,秀丽隐杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决定，而不是由邻近细胞间相互作用决定。其胚胎中发现的SKN1蛋白质就很可能是一种“转录因子”样形态发生决定子。 SKN-1可能通过激活P1裂球及其产生的EMS和P2两裂球中的某些特定基因，从而决定它们的发育 命运。咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（maternal factor）自主决定。,skn-1突变体中肠和咽部的缺陷,SKN1在胞质中的定位。SKN1存在于P1细胞谱系中，而不分布于AB细胞谱系。mex1突变体中，SKN1分布于所有裂球中。,把SKN-1功能限制在4细胞期的EMS裂球中是通过pie-1（pharyngeal and intestinal excess）和mex-1（muscle excess）两个基因的活动来实现的。蛋白质MEX-1和PIE-1可以单独发挥作用。 MEX-1在第一次卵裂时使SKN-1不对称地分布于P1卵裂球中，而PIE-1在第二次卵裂时使SKN-1不对称地分布于EMS裂球中。 SKN-1是MS裂球形成必需的，缺乏SKN-1的胚胎不能产生咽。,野生型和突变型胚胎中MS细胞决定模型,MEX-1、PIE-1和SKN-1三者的相互作用,4 昆虫（蠓） 胚胎卵裂时，多数细胞的细胞核从原来的 40 条染色体中失去 32 条，只有位于卵子后端的 2 个细胞核染色体不会消减，而且停留一段时间不分裂。最终，这 2 个细胞核形成生殖细胞的核。 极质(卵子后端的生殖质)在生殖细胞决定中其中重要作用,四、形态发生决定子的性质,一般认为形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞的分化方向。 形态发生决定子的性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。,（一） 海鞘形态发生决定子 （1）激活某些基因转录的物质 海鞘胚胎中可能含有两类形态发生决定 子。第一类是可以激活某些基因（乙酰胆碱酯 酶基因）转录的物质，因为海鞘胚胎中多数组 织特异性结构的形成都对转录抑制剂敏感；第 二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一定的 区域，在卵裂时分布到预定的裂球中。,（2）m RNA 探讨胚胎的决定状态，应对决定细胞发育命运的蛋白质或mRNA进行分析鉴别，而不是分析鉴别细胞分化时产生的特异性蛋白质和mRNA。,（二）果蝇极质 果蝇卵子极粒已被分离出来，它主要由蛋白质和RNA组成。 生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cell-less）基因转录的mRNA。野生型gcl基因在果蝇卵巢的营养细胞中转录，通过环管（ring canal）运至卵子中。gcl mRNA一旦进入卵子，便进一步迁移到卵子的最后端，定位于称为极质的细胞质中。,生殖细胞决定子的另一种可能是Nanos蛋白。Nanos mRNA蛋白位于卵子后端，Nanos蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的极细胞不能迁移到生殖腺中，因而不能发育成生殖细胞。 oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。,有些母体效应基因（maternal effect gene）的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有8种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（sterile）的。,A. staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用顺序。,第二节 细胞命运通过相互作用 的渐进特化,一、种质学说,19世纪70年代，细胞学研究工作取得很大发展。 Oskar Hertwig（1876）观察到受精时不但卵子和精子融合在一起，而且它们的细胞核也融合。 van Beneden等研究者（1883）证明：不同种生物的体细胞核内含有不同数目的染色体；同一种生物每个体细胞内所含染色体的数目是一定的；每种生物染色体数目在生殖细胞内进行减数分裂时减半，在受精时又恢复原有数目。 在此基础上，weismann大胆地提出了解释细胞分化的种质学说(germ plasm theory)。,种质学说主要内容,假定卵子和精子都对新生有机体贡献出质量和数量等同的染色体；染色体由各种能决定细胞发育命运的“核决定子” 组成；染色体携带全部的遗传物质，是有机体不同世代延续的基础。 受精卵在分裂时，每个裂球内都分配有相同数目的染色体，但是组成染色体的“核决定子”并不均等地分配到每个裂球中，也就是说每个裂球只含有部分“核决定子”；不同的“核决定子”在胚胎发育过程中分配到不同的细胞内，由此决定细胞的发育命运，使其发育成身体的某一特定部分。只有那些最终将发育成生殖细胞的细胞才含有全部“核决定子”，由此将亲代性状传递给子代，并保持物种的稳定性。,生殖细胞的连续性和永久性,weismann的种质学说将组成有机体的细胞分为两类；体细胞和生殖细胞。体细胞包括各种类型细胞，都由生殖细胞发育而来，随着个体死亡而消亡；面生殖细胞完全不同于体细胞，它世代相传，生生不息。,种质学说的实验支持,weismann将新生小民尾巴连续切除十几代后，发现其子代仍长出正常尾巴，从而认为这是对他假说的支持。 胚胎学家Roux（1887）的实验结果支持Weismannn的理论。他用烧热的针破坏两细胞期蛙胚的一个分裂球，结果存活的另一个分裂球只发育为半个胚胎。,种质学说的反对实验,McClendon（1910）将蛙胚两裂球分离开培养，发现分开的两裂球均可发育为完整的幼体。 结论：蛙胚两裂球期的细胞核是等同的，并没有“核决定子”不均等分配的现象，Roux实验结论是错误的。原因在于坏死裂球对存活裂球仍有影响，使其不能正常发育。 但许多软体动物、环节动物和海鞘等卵细胞质中确实存在着“胞质决定子”即形态发生决定子，影响胚胎发育。,1. Driesch分离组合实验(海胆),2-细胞 调整型发育 4-细胞 （见下页，与上述结果相同）,二、海胆的调整型发育,Driesch的海胆胚胎分离发育实验。A，正常长腕幼虫，B，单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。,半个8细胞期海胆胚胎的发育。A，沿赤道面将胚胎分为两半，B，沿动植物极轴将胚胎分为两半。,2. Horstadius 分离实验(海胆),海胆受精卵的不对称性,海胆胚胎除了具有典型的调整型发育特点之外，也显示出某些镶嵌型的特点。如果将胚胎沿原先的赤道面分隔为两半，则两部分都不能发育为完整的幼虫。 Horstadius进行了胚胎学史上的一个最引人注目的实验，他首先研究了海胆64细胞期胚胎每一层细胞的发育潜能。,海胆各卵裂球的发育命运图,-catenin决定海胆植物极细胞的发育命运。,海胆64细胞期胚胎各部分细胞的组合发育（Horstadius, 1939）。 A，正常发育；B，分离的动物半球的发育；C，动物半球与veg1细胞的组合发育；D，动物半球与veg2细胞的组合发育；E，动物半球与小卵裂球的组合发育。 在每一种组合中，都有细胞相互作用而改变原定的发育命运的现象。,海胆的调整型发育过程中也存在镶嵌式发育的成分。,3. 双梯度模型,植物极化梯度 动物极化梯度 双梯度模型(图1.19) 细胞分化取决于它所含的动物极物质和植物极物质的比例。,三、 两栖类发育调控,1. Spemann 结扎实验(蝾螈) 图1.20 两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每个细胞核都具有发育形成完整机体的潜能,2.两栖动物卵的不对称性实验 改变结扎的方向，沿未来的背腹轴将受精卵结扎，只有含有灰色新月区细胞质的背侧半球能发育成完整胚胎。说明灰色新月区对胚胎发育是不可缺少的。两栖类动物的胚胎发育也具有镶嵌发育的特点。,3 移植实验 图1.22 表1.3 在早期原肠胚(特化)向晚期原肠胚过渡的过程中, 胚胎细胞的发育潜能逐渐受到限制； 到了原肠胚晚期, 原肠胚的细胞发育命运已经决定。,二 诱导：胚胎的一个部分对另一个区域发生影响，并使后者沿着一条新途径分化的作用。 经典实验胚胎学：脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织（初级胚胎诱导）。,初级胚胎诱导（广义）的四个阶段： 第一阶段：受精诱导背部化决定子的激活，形成背部细胞Niuwkoop中心 第二阶段：诱导形成组织者、中胚层 第三阶段：组织者诱导神经组织 第四阶段：神经组织区域化,要点： 细胞分化 细胞定型及其时相（特化、决定） 细胞定型的两种方式与其特点（自主特化、有条件特化） 胚胎发育的两种方式与其特点（镶嵌型发育、调整发育） 形态决定子 胞质定域（海胆、软体动物、线虫） 细胞命运渐进特化的系列实验 双梯度模型 诱导、胚胎诱导,第二章 细胞分化的分子机制,个体发育的中心问题是细胞分化。 从表型特征上，将可细胞分为3种类型： 全能细胞：能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整的有机体。全套基因信息都可以表达。 多潜能细胞：发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成特定范围内的细胞。部分限制、部分表达。 分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的特殊细胞表型。大部分限制、 5-10%的信息表达。,细胞分化是基因差异性表达的结果, 由基因差异性表达，不同细胞具有了不同的蛋白质组。 引起差异基因表达来源于： 细胞内卵质差异 细胞外邻近细胞的相互作用。 差异基因表达的调控机制： 差异基因转录 核RNA的选择性加工 mRNA的选择性翻译 差别蛋白质的加工,第一节 基因组相同和基因差异表达,一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据 （一）遗传学证据 染色体数目 （二）胚胎学证据 不同细胞期的卵裂球的单独发育个体 （三）分子生物学证据 分子杂交 原位杂交 同一有机体的不同细胞，无论是已决定的细胞或是已分化的细胞，都与未分化细胞的核相同，具有全部发育的潜能，具有相等的基因组结构，即基因组相同。,二、核潜能的限定 核 移 植 实 验 随着个体发育的不断进行，细胞核指导发育的潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。,三、基因组相同的例外 1 染色体消减 马蛔虫: 体细胞中80%的DNA丢失 生殖细胞含完整的基因组结构 2 基因重排,第二节 转录水平调控,一 、基因表达的时间和空间的特异性 图 2.11 基因表达的精确时间范围、空间位置，否则会导致发育异常。,二、发育中基因转录水平的调节和变化 珠蛋白基因的转录 图2.12 图2.13,三、基因差异转录的调控机制 基因的结构及转录过程 图2.14 启动子、增强子 转录因子（protein）,第三章 转录后调控,DNA转录RNA RNA加工水平调控 翻译及翻译后水平调控,第一节 RNA加工水平调控,一、mRNA前体和mRNA 细胞核的最初转录产物，细胞核RNA，区别细胞质中mRNA 与mRNA相比，细胞核RNA分子量大，寿命短 仅有少部分能被加工形成mRNA,二、