第3章 细胞命运的决定

.第三章细胞的命运决定，本章的基本要求，1 .理解：细胞定型概念及其与细胞分化的关系。2.掌握：由细胞命运决定的两种机制和两种胚胎发育模式。3.熟悉度：形态形成晶体的分子机制和形态发生的差异。理解：果蝇的细胞融合。上课：2小时。细胞分化：从一个全能受精卵产生不同类型细胞的发育过程称为细胞分化。分化的细胞不仅具有一定的形态和特殊的蛋白质，还执行特定的功能(图3-1)。1节细胞定型，I，定型和分化概念，图3-1多种细胞分化：在多细胞生物生长发育过程中，由于一些内部机制的作用，细胞的形态、结构、生理功能和生化特征等逐渐成为多种细胞类型，形成多种组织、器官和系统的过程。细胞定型：分化细胞在显示出明显的形态和功能变化之前，细胞内部发生了一些隐秘的变化，使细胞的命运向特定方向发展的过程称为定型。细胞定型分为两个阶段：第一阶段是专门化阶段；第二个步骤是“决策”(determination)步骤。图3-2a细胞的发展命运、专门化和决策图。1)专业化阶段细胞仍然是可变的。也就是说，当细胞或组织被放置在培养皿等中性环境中，能够自主分化时，细胞或组织的命运已经专门化。专门化细胞或组织的发展命运是可以逆转的。如果将专门化细胞或组织移植到胚胎的其他部分，则分化为其他组织(图3-2a)。2)决定细胞或组织放在胚胎的其他部分，仍然可以自主分化的时候，说明决定了这个细胞或组织的命运。已经决定的细胞或组织的发育命运是不可逆转的。如果将已经确定的细胞或组织移植到胚胎的不同部位，它将只发育成确定的命运，不会分化成其他组织(图3-2a)。图3-2b两栖动物眼球细胞发育的变化，院长胚胎的眼球部分用眼睛开发。将原生胚胎的眼细胞移植到神经胚胎的躯干部位，根据新部位的命运发育成体节和脊椎。如果将神经胚胎的眼细胞移植到神经胚胎的躯干部位，它们仍以类似眼睛的结构发展。在动物胚胎发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。定型化是分化所需的准备，分化是定型化发展的必然结果。第二，细胞定型，细胞定型有三种方法，1)自主特殊化(auto-nomoussecfication)；2)条件专门化(conditional specificat-ion)；)；3)单元格专门化(syncytialspecification)。动物胚胎一般使用多种方法来决定细胞发育的命运。第三，思考：细胞定型观念与动物克隆技术的关系？第一，自主专业化和镶嵌发展的原因：分裂时受精卵内的特定细胞质分配到不同的分裂区，决定每个分区的发展命运(细胞质隔离)，这种定型称为自主专门化(autonomousspecification)。第二节细胞的自律化，实验：在胚胎发育初期，将特定的裂纹整体分离，形成与在整个胚胎中形成的结构相同的结构，胚胎的其他部分缺乏能够正确分离分裂球的结构，并对两者进行补充。以细胞自主化为特征的这种胚胎发育模式称为镶嵌发育(mosaicdevelopm-ent)。自主专门化的裂纹包含影响细胞发展命运的特定分子。称为形态发生晶体，其化学性质是一些转录因子或他们的mRNA。第二，形态形成结晶和细胞质设置，形态形成决定者在卵细胞质中以一定的形式分布，受精时运动发生，分离到特定区域，分裂时分布到特定的分裂区，激活或抑制特定的基因表达，决定分裂区的发展命运。这种现象称为胞质固定区域(cytoplasmiclocalization)。有镶嵌发育胚胎的动物包括把手海鞘、栉孔(ctenophor-es)、链接动物(annelids)、线虫(nematodes)和软体动物(molluscs)，图3-3海洋鞘受精时细胞质固定域分离。分子水平研究结果表明，海鞘胚胎属于基于典型卵内存储信息的“自我分化镶嵌”。鞘胚分裂时接受不同部位的卵子，各地区的卵细胞质含有不同形式的结晶子(mRNA或蛋白质)，这怎样证明细胞可以向一定的方向分化呢？受精卵根据不同地区的细胞质颜色不同，可以将受精卵分成4个区域。含有透明细胞质的是动物的极部分(形成幼虫的表皮)，含有灰色细胞质的是灰色新月区(分化脊椎和神经管)，含有黄色细胞质的是黄色新月区(形成肌细胞)，蛋黄是植物的极部分(形成幼虫的消化道)(图3-4)。图3-4海鞘胚胎发育命运a .海鞘受精卵细胞质的不同区域有不同的发育命运；b .海鞘幼虫器官，a，b .胚胎切割实验表明，海鞘胚胎的镶嵌发育模式：在海鞘胚胎发育的8个细胞期间切割胚胎的研究：结果表明，每个部分都可以开发独特的结构。海鞘裂缝的发育命运已定型于8细胞期，分离后可以自我分化(图3-5)，但不能形成完整的胚胎。图3-58细胞机4对分球分离后，各形成独特的结构。虽然鞘胚胎以镶嵌形式发展，鞘早期胚胎大部分细胞都是自主定型的。但是实验表明，不同的分裂之间仍然存在相互诱导。显然，外胚叶区域在64细胞期之前如果没有“神经化”，外胚叶细胞的发育命运不仅仅由细胞质结晶者决定。这也表明不同地区的细胞定型观念不同。蝾螈和马蛔虫(Parascarisaequorum)体细胞和生殖细胞的分化也受形态决定者的影响。在胚胎发育过程中，通过染色体减少形成体细胞，离植物极最近的一个分裂区包含整个染色体(整个基因)，从而形成生殖细胞的分裂(图3-6，7)。图3-6，图3-7 ascaris正常受精卵(a)和离心受精卵(b)分裂时的种质分布。昆虫卵子中也存在决定生殖细胞分化的生殖质量种类，包含促进生殖细胞成熟的特殊调节因子的局部细胞质。苍蝇卵的后部细胞质(图3-8)。图3-8在胚胎发生过程中，通过相邻细胞或组织之间的相互作用，影响两侧分化方向，决定发育现象的生殖细胞晶体的图解决定。3节细胞的逐步专业化，1，逐步专业化和协调发展。在初始阶段，即交互开始之前，细胞具有一个或多个分化的可能性，但随着与相邻细胞或组织的交互，逐渐限制它们的发展命运，使它们仅向一定方向分化，这也称为渐进专业化或条件专门化。在逐步专门化胚胎的情况下，在胚胎发育初期，从整个胚胎中分离分裂球，剩下的胚胎细胞就能改变发生的命运，填补剩下的空白。以细胞的条件特殊化为特征的这种胚胎发育模式称为调节型发育(regulativedevelopment)。海胆胚胎的发育是典型的调控发育。如果在胚胎发育的4细胞期或8细胞期分离分裂骨，分离的细胞也可以发育为完整的幼虫，但幼虫的大小更小。也就是说，每个分裂球分离后可以调整自身的发展，形成完整的身体(图3-9)。在逐步专门化中，一个细胞的发育命运主要取决于附近细胞分泌的侧分泌因子(各种生长因子等)。图3-9，事实上，在某些动物的胚胎发育过程中，细胞定型的两种方法只有程度不同；海胆等海胆在胚胎发育过程中，除了一般的调节发育特性外，还出现了一些镶嵌特征。一般在大多数无脊椎动物的胚胎发育过程中，以细胞自主专门化为主，细胞有条件地专门化。相反，脊椎动物和为数不多的无脊椎动物的胚胎发育过程相反，以条件专业化为主，细胞自律化紧随其后。基于遗传学和细胞学的发展，德国生物学家魏斯曼(A.Weismann)在1888年提出了描述细胞专门化的生殖质量理论。种质理论认为多细胞有机体可以分为生质和体质两部分。第二，种质理论。生质是亲代传给后代的遗传物质，保留在生殖细胞染色体中，可以发展成新个体的体质。体质可以通过生长和发育形成新个体的多种组织和器官，但不能生成生质。魏斯曼的生菌质量学说强调生殖细胞的连续性和零生成，这与有机体生命的有限性形成了鲜明的对比。germplasm学说阐述的另一个观点是“决策者”和“嵌合发展”理论。魏斯曼相信，合子的核包含了大量的信息物质晶子，在分裂过程中，这些晶子为了控制子细胞的发展命运，在子细胞中分布不均。也就是说，细胞的命运是提前决定的。这种观点后来进一步发展成嵌合发育理论(图3-10)。图3-10，1912年，摩根进一步发展了魏斯曼的“决定者”学说，他表示，基因是遗传特性表达的物质基础，动物的所有特性都预先存在于遗传基因中，其发展只是这种形式的逐步表达。决定细胞命运的是不同遗传物质的特定产物。德国胚胎学家，实验胚胎学的创始人威廉卢(WilhelmRoux)，通过青蛙胚胎针灸实验验证了AugustWeismann的核晶子理论(图3-11)。通过实验，威廉卢认为青蛙胚胎是自我分化各部分共同形成的上半身，各部分的发展命运是无法改变的，因为每个细胞接受特定的核结晶集，并根据接受的核结晶者分化为相应的组织。图3-11111887，W.Roux用燃烧的解剖针破坏了两个细胞期间青蛙胚胎的一个分裂球，结果存活的另一个分裂球只能发育成半个胚胎。但是，在19世纪末到20世纪初进行的各种实验胚胎学研究，特别是h . dries ch，T. bove rj，H. spemann等科学家进行的大量实验研究，完全否定了上述wisman-William . Lu的理论，但为什么这个理论也没有正确的地方呢？1891年，Driesch得到了与william.lu用海胆进行实验完全不同的结果。结果，鸡胚的另一半可以发育成完整的胚胎。后来发现威廉卢的实验操作有问题，也许十针影响了其他胚胎的发育。Driesch的实验首次证明了开发过程中存在协调机制。胚胎可以生成细胞位置的运动和重排，以确保正常发育。也就是说，胚胎在局部排除或受损后仍具有正常发育的能力，即调节胚胎发育的能力。德里斯h德里斯奇曾进行过划时代的生物学实验，在海胆的受精卵分裂为两个或四个细胞时，通过振动或钙离子水处理分离每个细胞，分别发育成完整的海胆幼虫(图3-12)。这个实验与现有的一个分子克隆实验非常丰富，其中包括胚胎学、细胞分子学、遗传学内容！图3-12海胆卵2细胞期分离实验。德里斯ch的另一项实验将海胆卵放在两块玻璃板之间，轻轻挤压，改变第三个分裂表面，使细胞核异常分布，从而继续获得正常胚胎。因此，他认为“在整个胚胎中，split的相对位置总体上可以决定其发育结果”，如果位置发生变化，split将相应地决定自己的发育方向，即海胆胚胎是协调等能量的体系，是自主协调的发育整体(图3-13)。图3-13，第四节形态形成激素梯度及细胞专门化通过大量实验确认，胚胎细胞的专门化与特定形态形成激素(morph)浓度梯度密切相关。是可以通过形态发生骚乱其浓度决定细胞发展命运的可扩散的生化分子。形态素不同于形态形成决定者，定量决定细胞的命运，后者以定性的方式决定细胞的命运。形态形成因子可能是细胞产生的转录因子，也可能是来自一组细胞的侧分泌因子。转移到其他细胞组，并根据其数量决定目标细胞的发育命运。形态形成晶体的化学性质是什么？可见形态形成激素浓度梯度是细胞逐步专门化的重要机制。开发和再生过程的原动力这一概念最初是由T.H.Morgan在1905-1906年提出的。后来，瑞典著名的动物胚胎学家赫斯塔德乌斯斯文霍斯塔-迪乌斯通过实验证明了这一点。SvenHorstadius对海胆卵的早期发生进行了研究，设计了用显微镜分离分裂球和人工组合或移植的技术，研究了细胞早期胚胎中运动的植物轴的发育可能性。还开拓了实验发生学和发展生物学研究的基本方法。首先，切除海胆的8细胞期胚胎，将其分离，分别沿着移动-植物极轴、赤道切割动物极和植物，两部分发育完全不同。前者是两部分都生长的腕部幼虫(小但正常)，后者都不是发育成完整的幼虫。动物的极端是永久性胚泡，植物极细胞发育成具有巨大消化道的异常幼虫(图3-14)；图3-14，用同样的方法移动受精卵细胞-沿植物极轴和赤道分别切割的实验结果与上述类似(图3-15)。此外，赫斯塔斯斯文霍夫斯塔德通过胚胎进行切割和重组，进一步研究了64个细胞中分球的功能(海胆64个细胞胚胎的动物极细胞和植物一层veg1细胞均形成外胚层)。植物第二层veg2细胞形成内胚层。形成双胚层骨架，结果图3-15海胆卵子的不对称，分离和重组培养后不同组合的命运(图3-16):动物南半球细胞为形成永久胚泡而单独培养；动物的极半球细胞和veg1层细胞重组时，动物的极化不完全；动物的极半球细胞与veg2层细胞重组时，形成正常形态的幼虫，正常形成分类帐及其衍生物的veg2层细胞发育成骨骼。动物的极细胞与分裂球重组时，也形成正常幼虫，内胚层完全在动物的极上发育。图3-16，还发现，各部分的组合有多大不同，即分离的an1层的细胞单独培养时，形成永久胚泡。但是，有4个小裂缝，可以发育成正常的幼虫。An2细胞与两个小裂缝一起发育成正常的幼虫。vag1，vag2还显示了一种强烈的植物极化现象，如果与小裂缝一起工作，幼虫就无法