《发育生物学提纲》PPT课件.ppt

发育生物学DevelopmentalBiology 主讲人 陶瑞松E mail trs cm 发育是一个渐进的过程 细胞的发育命运随时间逐渐发生定型 后成论与先成论的持久论争早在公元前4世纪 Aristotle对于动物胚胎的不同部分和成体动物各种结构形成的原因就提出了自己的观点 在观察鸡 星鲛和一些无脊椎动物胚胎发育的基础上 他首先提出了胚胎是由简单到复杂逐渐发育形成的 这个理论后来称为后成论 theoryofepigenesis 也称渐成论 他的思想在19世纪末之前一直占有主要地位 直到公元17世纪后期和18世纪 以精源学说和卵源学说为代表的先成论 theoryofperformation 占据了统治地位 两种学说的共同点认为胚胎是成体的雏形 是配子中固有的结构 胚胎发育仅仅是原有结构的增大 这两种学说还认为卵子中含有所有后代的微小胚胎 一个世代包含下一个世代 使种族得以延续 MosaicandRegulativeDevelopment19世纪80年代 Weismann就提出了关于细胞 染色体和基因与胚胎发育关系的理论 他认为合子的细胞核含有大量特殊的信息物质 决定子 determinant 在卵裂的过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运 细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的 这一类型的发育我们称为嵌合型发育 mosaicdevelopment 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 celldifferentiation 6 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 Slack 1991 建议将定型分为特化和决定两个时相 第一篇发育生物学基本原理 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 7 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 cytoplasmicsegregation 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 autonomousspecification 以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育 mosaicdevelopment 或自主性发育 整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和 8 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 conditionalspecification 或渐进特化 progressivespecification 或依赖型特化 dependentspecification 9 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 regulativedevelopment 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 10 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 11 二 形态发生决定子形态发生决定子 也称为成形素或胞质决定子 其概念的形成源于对细胞谱系的研究 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 例 极叶的形成线虫的生殖质果蝇的极质 12 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 13 受精 fertilization 是指两性生殖细胞融合并形成具备双亲遗传潜能的新个体的过程 受精作用是发育的开端 一个新的生命从此开始 受精的第一个功能是将父母的基因传递给子代 第二个功能是激发卵细胞中确保发育正常进展的一系列反应 第五章受精的机制 精子头部由顶体囊泡 acrosomalvesicle 和精核构成 大部分精子的细胞质在精子成熟过程中被排除 顶体位于精核前端 由高尔基体演化而来 顶体中含有多种水解酶 主要作用是溶解卵子的外膜 有些动物的顶体中还有与精卵识别有关的分子 整个精核是一致密结构 几乎看不到染色质丝和核仁 精子中所有的基因都不表达 卵子的结构卵质外是质膜 plasmamembrane 质膜外是卵黄膜 vitellineenvelope 质膜在受精时可以调控特定的离子在卵子内外的流动 且能与精子质膜融合 卵黄膜能识别同一物种的精子 对受精的物种特异性有非常重要的作用 在哺乳动物中特称为透明带 zonapellucida 紧靠着透明带的一层滤泡细胞称为放射冠 coronaradiata 精子获能哺乳动物的精子需要在雌性生殖道中停留一个特定的时期 以获得对卵子受精的能力 这一过程称为精子获能 capacitation 顶体反应是指受精前精子在同卵子接触时 精子顶体产生的一系列变化 具有顶体结构的无脊椎动物或脊椎动物中 只有发生顶体反应的精子才能进入卵子并与卵子融合 也只有精子与卵子接触时才发生顶体反应 哺乳动物精卵的特异性识别发生在卵细胞的透明带 zonapellucida 部分 在大多数种类的动物中 哺乳动物例外 受精后早期胚胎细胞分裂的速度以及各卵型球所处的位置都是由贮存在卵内的母型mRNA和蛋白质所控制的 通过有丝分裂分配到卵裂球中的合子基因组 在早期卵裂胚胎中并不起作用 即使用化学物质抑制转录 早期胚胎也能正常发育 直到卵裂较晚的时期 早期胚胎合子基因组才大量转录合成mRNA 实现由母型向合子型过渡的调控胚胎发育的机制 哺乳动物早期卵裂不同步 常出现奇数细胞存在 第六章卵裂 紧密化 紧密化的细胞分裂后 形成16个细胞的桑葚胚 在桑葚胚中有1 2个细胞属于内细胞团 并由大多数的外层细胞所包围 内细胞团将发育为胚胎 外层细胞将发育为滋养层细胞参与胎盘的胚胎组分 滋养层细胞与内细胞团细胞的分离代表了哺乳动物发育中的第一个分化事件 最初 桑葚胚内部是没有空腔的 后来 在成腔作用过程中 滋养层细胞向桑葚胚中分泌液体产生囊胚腔 这时的早期胚胎称为囊胚 内细胞团则位于环形滋养层细胞层的一侧 囊胚形成是哺乳动物卵裂结局的标志 第七章原肠作用 原肠作用 gastrulation 是胚胎细胞剧烈的 高速有序的运动过程 通过细胞运动实现囊胚细胞的重新组合 原肠形成期间 囊胚细胞彼此之间的位置发生变动 重新占有新的位置 并形成由三胚层细胞构成的胚胎结构 尽管整个动物界原肠作用方式变化多样 但总体可概括为五种细胞运动机制 即外包 epiboly 内陷 invagination 内卷 involution 内移 ingression 和分层 delamination 原肠作用过程中细胞的五种运动方式 海胆的原肠作用 海胆的晚期囊胚由1000个左右单层细胞构成 这些细胞的细胞质分别来自受精卵的不同区域 细胞表现出不同的大小和特性 初级间质细胞的内移植物极板中央来源于小分裂球的细胞脱离表面单层细胞 进入囊胚腔 称为初级间质细胞 初级间质细胞和透明层以及相邻裂球之间的亲和力减少 而与基质片层之间的亲和力增加 相比之下 非间质细胞和透明层以及相邻裂球之间的亲和力维持不变 斑马鱼的囊胚的三层结构 第八章神经胚和三胚层分化 首先 预定神经外胚层 外胚层中线处细胞 形状发生改变 细胞纵向变长加厚 形成神经板 约占整个外胚层细胞的50 预定形成表皮的外胚层细胞变得更加扁平 神经板形成后不久 边缘加厚 并向上翘起形成神经褶 在神经板中央出现的U型沟即神经沟 它将胚胎分为右边和左边面部分 随后 神经褶向胚胎背中线迁移 最终合拢形成神经管 上面覆盖着外胚层 神经褶最靠背面部分的细胞变成神经嵴细胞 哺乳类脑区形成 哺乳类早期神经管是一笔直的管状结构 早在胚胎后部神经管形成之前 神经管的端部发生剧烈变化 膨大成前脑 中脑 和菱脑3个原始脑泡 当神经管后端合拢时 视泡从前脑两侧面凸出来 前脑再发育成为前端的端脑和后面的间脑 端脑最终形成大脑两半球 间脑形成丘脑 下丘脑区域和视觉感受区 中脑不再分 中脑腔最终形成大脑导水管 菱脑再发育成前面的后脑和后面的髓脑 后脑形成小脑 负责调解身体运动 姿势和平衡 髓脑最终形成延髓 其神经元调节呼吸以及胃肠道和心血管的运动 人脑的早期发育 前脑 中脑 菱脑 端脑 间脑 中脑 后脑 髓脑 第九章胚胎诱导 在有机体的发育过程中 一个区域的组织与另一个区域的组织相互作用 引起后一种组织分化方向上的变化的过程称为胚胎诱导 诱导者 在胚胎诱导相互作用的两种组织中 产生影响并引起另一种细胞或组织分化方向变化的这部分细胞或组织 反应组织 接受影响并改变分化方向的细胞或组织 诱导者的作用可能是激活那些对细胞分化所必需的特异蛋白质的编码基因 而反应组织则必须具有感受性才能接受诱导者的刺激发生分化的变化 在动物胚胎的发育过程中存在着大量的和连续的诱导作用 原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经系统这个关键的诱导作用 它传统地被称为初级胚胎诱导 初级胚胎诱导的产物神经管又可作为诱导者 如视杯诱导表面覆盖的外胚层形成晶状体 这被称为次级胚胎诱导 而晶状体和 或 视杯又作为诱导者诱导表面的外胚层形成角膜 此为三级胚胎诱导 胚胎中其他器官的形成也存在类似的诱导级联 决定果蝇前后轴的3组母体效应基因包括 前端系统 anteriorsystem 决定头胸部分节的区域 后端系统 posteriorsystem 决定分节的腹部 末端系统 terminalsystem 决定胚胎两端不分节的原头区和尾节 另一组基因即背腹系统 dorsoventralsystem 决定胚胎的背 腹轴 第十章 第十一章胚轴形成 前端组织中心BICOID蛋白浓度梯度和HB蛋白浓度前端系统至少包括4个主要基因 其中bicoid bcd 基因对于前端结构的决定起关键的作用 BCD具有组织和决定胚胎极性与空间图式的功能 bcd是一种母体效应基因 其mRNA由滋养细胞合成 后转运至卵子并定位于预定胚胎的前极 exuperantia swallow和staufen基因与bcdmRNA的定位有关 后端组织中心 NANOS蛋白和CAUDAL蛋白浓度梯度后端系统包括约10个基因 这些基因的突变都会导致胚胎腹部的缺失 在这一系统中起核心作用的是nanos nos 基因 后端系统在控制图式形成中起的作用与前端系统有相似之处 但发挥作用的方式与前端系统不同 四种形态发生素在果蝇受精卵和胚胎中沿前后轴分布的浓度变化 Nieuwkoop中心 初级胚胎诱导作用第一阶段即受精时 在精子入卵点对面的植物极裂球中 由于动物极和植物极细胞质的混和导致裂球内部背部化决定子激活 这些含有已激活的背部决定子称为Nieuwkoop中心 catenin是一种母体效应基因 其编码的蛋白质 CATENIN既能锚定细胞膜上的钙粘着蛋白 又是一个核内转录因子 CATENIN在受精时卵质的旋转移动过程中在预定胚胎背部累积 在整个早期卵裂阶段仍然主要在胚胎背部累积 到卵裂晚期只有Nieuwkoop中心的细胞具有 CATENIN CATENIN对于形成背部结构是必要的 后脑是CNS中唯一在发育过程中出现分节现象的部分 神经管闭合后 后脑沿前 后轴被划为8节 成为菱脑节 每一菱脑节的发育命运是不同的 这种差异在菱脑节形成时已确定 hox基因在后脑沿前后轴的分化过程中起关键的作用 第十二章中枢神经系统和体节形成机制 BMP 在脊髓最背部的顶板及其上方的外胚层组织中表达 可同时参与不同神经细胞群的分化 Shh 在脊髓腹侧的基板及其下方的脊索中表达 参与脊髓腹侧神经细胞群的特化 具有形态发生原的特性 可以浓度依赖性地诱导不同类型神经元的发育 两种分泌性因子形成两个相反的浓度梯度 调节图式化基因的表达 不同的区域表达不同的图式化基因产物组合 从而确立了不同背腹轴位置神经细胞的分化命运 随后 在不同背 腹轴区域表达一组原神经基因 脊髓的背腹轴分化 神经管细胞的增殖和迁移1 神经管细胞的增殖神经管形成后 其柱状上皮变为假复层上皮 此时称为神经上皮或增殖上皮 所有神经上皮的细胞以基底面附着于神经管管腔 进行有丝分裂的细胞均发现于近管腔处 随着有丝分裂过程的进行 细胞大量地增殖 直到终止增殖并开始它们的迁移为止 在神经管发育的早期 细胞周期通常较短 发育的晚期细胞周期较长 这说明随着神经发育的进行 细胞增殖的速度逐渐减慢 第十三章神经系统发育 神经管细胞的迁移 在细胞经历了最后一次有丝分裂之后便停止DNA的合成 停滞于细胞周期的G1期 从有丝分裂到DNA复制前的一段时期 主要合成RNA和核糖体 有丝分裂后的细胞开始分化并向基板迁移 管壁方向 由于细胞的聚集 形成外套层 随着停止分裂后的细胞不断加入 外套层逐渐增厚 在外套层和基板之间是边缘带 外套层中神经细胞和神经系统其他部分细胞的突起侵入此层 神经突起的伸长 神经元轴突和树突的伸长需要新的细胞膜 原生质和细胞骨架成分一起附加到生长的突起中 新膜被附加到突起的顶端 而细胞质和细胞骨架的成分被附加到突起的基部 在培养神经元的轴突伸长期间 分支间的距离保持不变 表明轴突的生长是其顶端伸长的结果 第十四章附肢的发育和再生 能形成一个附肢的所有细胞 称为附肢域 limbfield 或附肢场 随着鸟类和哺乳类的中胚层间质细胞进入肢区 它们分泌的因子诱导肢芽顶端前 后边缘的外胚层细胞伸长 形成一个增厚的特殊结构 称为顶外胚层嵴 apicalectodermridge AER AER是一个临时的结构 对于附肢的继续向外生长是至关重要的 FGF10能够诱导鸡胚背腹交界处的外胚层形成AER 在背部化的肢芽突变体中 由于没有背腹交界 便不能形成AER 附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和中胚层间的相互作用 第一 中胚层起始附肢芽向外生长和形成AER 第二 AER进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚层的增殖和分化 第三 附肢芽中胚层提供保持AER所必须的刺激 附肢发育中三个轴的建立具有各自的时间性 它们好像是按下列顺序决定的 前后轴 背腹轴和近远轴 第十五章眼的发育 当起源于间脑的视泡与头部外胚层预定晶状体相接触时 它们相互作用 预定晶状体外胚层增厚形成晶状体板 lensplacode 而视泡外壁内陷 形成双层壁的视杯 opticcup 晶状体板形成后内陷形成晶状体窝 lenspit 继而脱离表皮形成晶状体泡 lensvesicle 最后分化为外侧的晶状体上皮和内侧的晶状体纤维 视杯外层的细胞产生色素 发育为色素视网膜 pigmentedretina 内层的细胞迅速增殖并分化为各种光感受器 胶质细胞 中间神经元和神经节细胞 它们共同构成神经视网膜 neuralretina 视泡外层内陷 外胚层增厚形成晶状体板 视泡外层内陷形成双层的视杯 前脑壁 视泡 晶状体板 晶状体泡 眼球壁的形成 晶状体泡与表皮脱离之后 视网膜和晶状体泡诱导覆盖的表皮形成透明的角膜 cornea 视杯边缘部分的色素上皮向晶状体扩散形成虹膜 iris 和睫状体 ciliarybody 的上皮 神经嵴起源的头部间质聚集形成充满血管的脉络膜 choriod 和结缔组织的巩膜 sclera 它们共同起营养和保护眼球的作用 变态 在多种动物中 个体发育要经历一个幼虫期 幼虫具有与成体非常不同的特点 在发育中形态和构造经历了明显的阶段性变化 其中一些器官退化消失 有些得到改造 有些新生出来 从而结束幼虫期 建成成体的结构 这种现象统称为变态 变态机制 激素调节发育和细胞分化 第十六章变态 一 与昆虫变态有关的激素及其作用 激素种类 1 前胸腺分泌的蜕皮激素 负责幼虫新壳的泌成和硬化 蛹化 蛹壳形成以及蜕皮相关的生长与分化 2 咽侧体分泌的保幼激素 抑制上述激素负责的各种活动 协调控制蜕皮的特征发育 蜕皮过程 蜕皮过程是在脑中起始的 脑中的神经分泌细胞在对神经的 激素的和环境的因子起反应中释放促前胸腺激素 PTTH PTTH刺激前胸腺产生蜕皮激素 蜕皮激素并不是一种活性激素 它只是一种激素原 它必须被转变为有活性的20 羟基蜕皮激素 每次蜕皮由一次或多次20 羟基蜕皮激素的波动引起 保幼激素 只要保幼激素存在 20 羟基蜕皮激累激起的蜕皮导致一个新的幼虫龄期 在最后一次龄期 从脑到咽侧体的中间神经元抑制咽侧体产生保幼激素 同时体内对已存在的保幼激素的降解能力增加 然而性腺原基正常具有两种选择 当它分化时 它能发育为或是卵巢 或是精巢 性腺原基采取分化的类型决定了有机体将来性别的发育 乌尔夫氏管 中肾管 通常是中肾的收集管 在雄性分化形成输精管等生殖结构 缪勒氏管 中肾旁管 在雌性分化为输卵管等生殖结构 第十七章性腺发育和性别决定 哺乳动物性腺发育先通过一个末分化时期 此时的性腺既不具有雌性的特点 也不具有雄性的特点 人类性腺原基在妊娠4周时出现于中间的中胚层 直到7周之前一直处于未分化状态 生殖嵴上皮增生进入其上方的疏松结缔组织中形成性索 并在人类妊娠6周时 包围在迁入性腺的生殖细胞周围 精巢发育 如果胎儿是XY 那么性索到妊娠8周一直在持续增殖 并向深处延伸到结缔组织中 这些性索彼此愈合 形成内部的性索网和在最远端较细的睾丸网 最后睾丸索失去与表面上皮的连接并被一层细胞外基质白膜将它们分隔开 生殖细胞处于睾丸的性索中 在胎儿和童年期这些性索一直是实心的 然而到青春期这些性索变成中空的 形成精小管 生殖细胞开始精子形成 精子通过睾丸网 输出管 中肾的残余物 乌尔夫氏管 中肾的收集管 在雄性它分化形成输精管 进人泄殖腔并排出体外 在胎儿发育时期 睾丸中的间质细胞已分化为睾丸间质细胞 它们能分泌睾丸酮 睾丸索的细胞分化为支持细胞 它们为精子提供营养和分泌抗乌尔夫氏管的激素 卵巢发育 雌性的生殖细胞位于靠近性腺的外表面 不像雄性的性索继续增殖 在XX性腺中 起初的性索退化 很快上皮产生一组新的性索 它并不深入到基质中 而是停留在性腺的外表面 皮质 的附近 因此 它们被称为皮质性索 这些性索断裂成簇 每个簇围绕一个生殖细胞 此时生殖细胞将变为卵 围绕的上皮性索将分化为颗粒细胞 而卵巢间质细胞分化为卵泡膜细胞 卵泡膜细胞和颗粒细胞共同形成卵泡 围绕着生殖细胞 它们能够分泌类固醇激素 每个卵泡只含有一个生殖细胞 雌性的缪勒氏管保持完整并分化为输卵管 子宫 子宫颈和上阴道 乌尔夫氏管因丧失睾丸酮的影响而退化 一 哺乳动物染色体的性别决定哺乳动物性别决定严格地是由染色体决定 通常不受环境的影响 在大多