发育生物学第四周简.ppt

胚胎发育过程 细胞生长分化识别迁移死亡功能表达组织和器官的形成等 胚胎发育的细胞增殖和分化 细胞长大 细胞增殖本质 蛋白质与核酸等合成 细胞生长 1细胞长大 细胞体积 胞质长大胞核长大 2细胞增殖 细胞数量 由细胞分裂实现 生长方式 损伤或刺激可诱导细胞增殖或生长 如将大鼠肝脏切除2 3 剩余部分增殖使肝脏恢复原来的大小 生长方式 切除肾的一部分 剩余部分主要通过细胞增大而增大 细胞增殖受内外因素的控制 细胞分化 发育生物学研究之核心细胞分化 celldifferentiation 定义 由同一个受精卵分裂 增殖而来的胚胎细胞发育成具有特殊形态与功能的专一化细胞的过程 在细胞分化的基础上 胚胎逐渐产生出许多不同的组织 器官和系统 协调地组成一个复杂 精巧 能自主生活的生命个体 细胞分化经历的事件 化学分化 合子基因激活 特异蛋白合成RBC 血红蛋白 形态分化 核分化 胞质分化功能分化 总体上分为两个阶段 一 细胞命运的决定 determination 二 细胞的分化 differentiation 细胞命运的决定决定是指细胞被赋予特殊的 使命 或 命运 并进入程序性分化的过程 在这一阶段 细胞虽然还没有显示出特定形态的 生理的和生化的特征 但是已经确定了向特定方向分化的程序 二 决定的两种基本方式1 镶嵌型发育 mosaicdevelopment 由细胞质内的形态发生决定因子决定 整体胚胎象是自我分化的各部分组装在一起的集合体 自主发育 2 调整型发育 regulativedevelopment 胚胎发育过程中 相邻细胞之间通过相互作用 决定其中的一方或双方的分化方向 依赖性发育 形态发生决定子 morphgeneticdeterminant 也称为成型素 morphogen 或细胞质决定子 cytoplasmicdeterminant 是卵子或受精卵中存在的能够决定细胞的分化方向 发育形成一定的组织和形态结构的特殊细胞质因子 形态发生决定子在受精卵中的特殊定位 以及卵裂时对各个子细胞分配的不均一性称为细胞质定域 cytoplasmlocolization 1 镶嵌型发育 由于镶嵌型发育的胚胎细胞定型方式与邻近细胞的相互作用无关 因此 如果在发育的早期将一个卵裂球从胚胎整体上分离下来进行单独培养 它仍然会发育成在整体中负责发育的组织结构 而胚胎的其余部分发育形成的胚胎中将缺乏这种组织结构 二者恰好互补 如 海鞘 柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素不同可分为四个不同的区域 动物极部分含透明的细胞质 植物极部分靠近赤道处有两个彼此相对排列的新月区 一个是呈浅灰色的灰色新月区 和一个呈黄色的黄色新月区 植物极的其他部分含灰色卵黄 为灰色卵黄区 动物极部分含透明细胞质 将来形成幼虫表皮 黄色新月区将来形成肌肉细胞 称为肌细胞质 灰色新月区将来形成脊索和神经管 灰色卵黄区含大量灰色的卵黄 将来形成幼虫的消化道 用卵裂球分离的方式证明 每个卵裂球都负责产生幼虫的一定的组织 当特定的卵裂球分离下来后 由这些卵裂球负责产生的结构在幼虫中便不复存在 因此 海鞘每个卵裂球都是可以自主发育的 胚胎好象是由能自主分化的各部分构成的镶嵌体 童第周等在海鞘卵子受精后20分钟 把受精卵一分为二 用其中无核的卵块作受体 分别把原肠胚外胚层 中胚层和内胚层细胞的细胞核移植到受体中 结果 无论移植的细胞核来自哪一个胚层 所形成的组织结构总是和无核卵块中所含有的细胞质组分有关 说明海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有的细胞质形态决定子有关 而与细胞核无关 实验结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不同的细胞质区域含有特殊的形态发生决定子 卵裂时 这些组分随着胚胎的卵裂被准确地分布到胚胎的一定部位 通过调控不同基因的表达而决定细胞的分化方向 呈典型的镶嵌型胚胎发育动物卵子还有栉水母 环节动物 线虫和软体动物等一些低等的无脊椎动物 在这些典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中 都存在着形态发生决定子 在海鞘 栉水母这些典型的镶嵌型发育的动物中 细胞的相互作用对决定一些胚胎细胞的发育命运也是必要的 神经细胞是从a4 2和A4 1两对产生的 当这两对卵裂球被分离下来单独培养时都不能形成神经组织 可是两者配合才能形成神经组织 2 调整型发育 regulativedevelopment 胚胎发育过程中 相邻细胞之间通过相互作用 决定其中的一方或双方的分化方向 依赖性发育 调整型胚胎发育的形态发生决定子与细胞质定域 在发育的初始阶段 采用调整型发育动物的胚胎细胞可能具有不止一种分化潜能 但在和邻近细胞的相互作用过程中逐渐限制了它们的发育命运 使其只能朝一定方向分化 在胚胎发育的早期 从采用调整型发育的胚胎上分离出一个卵裂球 则胚胎上的其他相邻的卵裂球可以调整和改变发育命运 填补分离掉的卵裂球所留下的空缺 使其仍然可以发育成一个完整的胚胎 但在发育的较晚时期 当胚胎细胞的命运已经决定后 其决定状态在正常发育过程中也不再能改变 海胆 鱼类和两栖类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎 在胚胎发育的早期阶段当胚胎受到某些局部的实验性损伤时 仍能通过自身的调节形成正常的有机体 如两栖类和海胆四细胞期的卵裂球分离后 每个卵裂球都具有潜力形成完整的胚胎 两栖类的卵子在受精后会因细胞质流动而形成一个灰色新月区 蛙的第一次卵裂使灰色新月区平均分配到所形成的两个卵裂球中 这两个卵裂求都具有全能性 将其分离后 两个都可以发育成正常的胚胎 但调整型发育的胚胎中也存在形态发生决定子的细胞质定域 实验证明 1 灰色新月区含有合子形成完整胚胎所必须的形态发生决定子 2 镶嵌型发育胚胎和调整型发育胚胎之间的差异只是程度上的不同 海胆的受精卵也是调整型发育的 第一次卵裂形成的两个卵裂球分离后也都可以形成完整的胚胎 但在第3次卵裂以后 将动 植物极的卵裂球分离培养 则动物极的卵裂球形成初级外胚层的组织 植物极的卵裂球形成初级内胚层组织 说明动物极和植物极含有不同的形态发生决定子 这种决定子在8细胞时第一次分离 在任何动物胚胎发育过程中 细胞定型的两种发育模式都在发生作用 但在不同的动物中哪种方式起主要的作用在程度是不同的 多数无脊椎动物胚胎发育过程中 主要是细胞自主特化在发生作用 细胞间的相互作用次之 是镶嵌型发育的类型 在脊椎动物中则相反 主要是细胞的相互关系在起主要作用 细胞的自主特化起次要作用 是调整型发育的类型 把某时期某种组织原基移植到另一胚胎与原地不同之部位 如果移植块按照在原地情况发育 表明在移植时已发生了分化决定 如果按照在移植部位进行发育 说明在移植时其命运尚未决定 三 细胞分化参考信息 1 细胞核 2 细胞质 3 细胞间相互调控细胞诱导细胞抑制细胞识别与粘合其他 四 细胞分化的调控 内部因素 外部因素 1 细胞核在细胞分化过程中具主导作用实验一施佩曼将受精卵结扎 一半球含细胞核 另一半球不含细胞核 结果有核半球能进行正常卵裂 无核则不能 在16或32细胞期 让一胞核通过结扎处进入无核半球 结果这个半球也开始卵裂 并且发育成正常胚胎 取一羊乳腺细胞细胞核 取另一羊去核卵细胞 两者融合 发育至32细胞时移植入待孕羊子宫后代像供核之羊 实验二核移植实验 实验表明 胚胎发育过程中细胞核起主导作用 细胞中绝大部分基因位于细胞核内染色体上 通过转录产生mRNA进入细胞质 翻译成各种特异性蛋白质从而决定细胞新陈代谢类型和个体发育方向 细胞核的主导作用不是绝对的 核的活动受到胞质中一些物质调控与制约 细胞核在细胞分化中主导作用之机制 受精卵发育形成的细胞含有相同基因但在发育中只有5 10 基因表达 人类基因总数约3万 5万 且表达的基因差异较大Why 2 细胞质在分化过程中的作用 1928年 施佩曼用婴儿头发将蝾螈受精卵结扎成两个半球状 其中一个半球中含灰新月区和细胞核 另一个不含这个区带 结果前者发育成了胚胎 后者则不能 即使后者含有细胞核 细胞也不能分化 只能发育成没有一定形状的团块 实验说明 灰新月区 细胞质 中含某种物质 只有完全具备这种物质 胚胎发育才能正常进行 这些特殊胞质组分为形态发生决定子 RNA与蛋白质 胞质在细胞分化中的作用 是通过细胞质决定子影响胞核基因表达 一定程度上决定细胞早期分化 核与质间相互作用影响细胞分化互相依赖 缺一则不能生存核控制着遗传信息质对核有重要调节作用两者通过核孔相互传递蛋白来实现对细胞分化调控 3 细胞间的相互作用 细胞社会学 对细胞分化的影响 诱导抑制识别其他 胚胎诱导 induction 胚胎发育过程中 一部分细胞影响其它细胞分化方向 细胞抑制 inhibition 已分化细胞抑制邻近细胞进行相同分化 如把发育中蛙胚置于含有成体蛙心碎片培养液中 胚不能产生心脏 其他 激素 细胞数量 细胞外基质等 细胞识别与粘合 组织亲合性 三胚层细胞混杂培养 各胚层自我挑选 相互粘着 癌细胞不能识别粘着 失去了正常细胞调控能力 1 概念胚胎诱导 胚胎发育时期 部分细胞提供或传递信号 其它细胞接受该信号 并向特定方向分化 诱导者 inductor 起诱导作用的细胞或组织反应者 respondingtissue 接受信号并起反应的细胞或组织 三胚胎诱导 1912年施佩曼最早发现 两栖类发育中眼泡能诱导覆盖它的表皮形成晶状体 诱导实验一 过程 将迁移到内部之前的背唇切下来 移植到另一正常原肠胚腹部 结果 移植物发育成第二条脊索在移植物上方出现了一条神经板最后这个原肠胚发育成一双头怪物 诱导实验二 实验二表明 在移植物作用下 移植物周围胚层改变了原来发育方向 2诱导特点 1 有权能期 periodofcompetence 一定时间内发生 一旦超出临界时间 诱导或反应能力会减退 消失 将原肠晚期原肠顶不同部位的移植块放到早期原肠胚的囊胚腔中 会诱导不同的结构形成 4 诱导引起的反应细胞分化持续 不可逆 3 诱导物决定反应细胞产生何种结构反应细胞决定产生结构之遗传性 2 诱导者异 反应异同一外胚层 神经诱导物 神经组织中胚层诱导物 脊索 肌肉等 初级诱导 次级诱导与三级诱导脊索诱导神经系统形成为初级诱导 3诱导层次性 前脑区两侧外突视泡诱导其外方之外胚层形成晶状体 为次级诱导晶状体再诱导其表面外胚层形成角膜 为三级诱导 诱导组织必须激活反应细胞内有关基因基因表达产物又激活或抑制其他有关基因细胞产生特异性蛋白从而导致分化 总的来说发育问题归根结底依赖于基因在发育过程中按一定时间和一定空间有秩序 有选择地表达 第三节细胞分化的基因控制一 主导基因如何控制一种组织和一个完整器官的形成 主导基因 mastergene 或选择者基因 selectorgene 即为一些能够启动和控制一系列下游基因表达的基因 功能 选择和控制一套确定细胞类型和区域特异性发育的基因 即主导基因的表达是启动选择 实现选择以及进一步保持特定分化状态的关键 细胞命运的决定可能就是形态发生决定子特异性地激活了主导基因 一 生肌蛋白基因家族为肌组织发生设定发育程序 1 成肌细胞决定基因1 MyoD1 生肌蛋白基因家族的主导基因是成肌细胞决定基因1 MyoD1 整个成体终末分化所需的其它附属基因都统归在成肌细胞决定基因的控制下 只要用MyoD1的mRNA转染 成纤维细胞及脂肪组织细胞即可被重新编程 并使其成为稳定而可遗传的成肌细胞 这说明 只要MyoD1被转录 这个细胞的命运就已经被决定成为成肌细胞 并按成肌细胞的分化程序进行分化 MyoD1蛋白具有一种碱性 螺旋 折叠 螺旋的结构域 bHLH 这种结构域可结合到受控基因的控制区 作为转录因子启动下游生肌蛋白基因的表达 另一方面 MyoD1蛋白还能与自身基因的上游调控区结合 使自身基因保持转录活性 从而扩大和维持本身的合成 该过程也叫自催化或者正反馈 自催化机制保证了胚胎细胞在分裂增殖过程中 决定状态能被稳定下来并忠实地传递给子细胞 哺乳动物中 已知有4种类似的生肌主导者基因 MyoD1 myf 5 mrf 4和myogenin 他们都属于同一基因家族 且序列高度相似 都是编码含有bHLH的转录因子 将其注射到成纤维细胞种 它们都能启动肌肉分化地程序 myogenin不能被其它三种基因替换 其他三种可以相互替换 geneticredundancy 遗传冗余 2 控制眼形成的主导基因eyeless在果蝇中 Eyeless突变会导致眼睛变少或完全没有眼睛 Eyeless基因编码的蛋白质有与DNA的同源异型框 homeodomain 及配对框相结合的两个结构域 这个主导基因的靶标可能是各种不同的视蛋白基因 Gehring等人将带有UAS启动子的eyelesscDNA导入到含有酵母转录因子GAL4基因的转基因果蝇卵中 GAL4是一个转座子 当其插入到启动区下游时 可以在果蝇的许多器官芽中被激活而转录 翻译成蛋白质 GAL4基因这种蛋白质可以作为转录因子与UAS启动子特异地结合 从而启动eyeless基因的转录 在发育到果蝇变态时 许多器官中除了将自身的基因表达程序表达之外 eyelesscDNA也被GAL4转录因子启动表达 由于eyeless基因是一个主导基因 成复眼的基因表达程序就在许多器官芽中被启动 结果在转基因果蝇的腿上 翅膀上等都额外长出了眼睛 最多的一个果蝇体上长出了多达14个眼睛 3 同源异型基因的主要特性在细胞分化决定过程中 负责作出决定的主导基因或选择者基因是同源异型基因 1 它们都有一种高度保守的基本序列 即同源异型框 在果蝇中叫做HOM序列 其所编码的蛋白叫同源异型域结构域 一种由60 70个氨基酸组成的 在立体结构上为 螺旋 折叠 螺旋的结构域 HLH 结构 2