发育生物学——细胞命运决定

1、细胞命运决定及命运图,山东师范大学生命科学学院,动物有机体是由分化细胞(specialized cell)组成 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异,第二节 胚胎细胞发育命运的决定,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。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。,脊椎动物骨骼肌的分化主要特征,第二节 胚胎细胞发育命运的决定,Fate of cells: 指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变 定型 (commitment): 细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝特定方向发展。 - 特化（specification）

2、 - 决定（determination）,当一个细胞或者组织放在中性环境 (neutral environment)如培养皿中可以自主分化时，可以说这个细胞或组织已经特化。 They develop according to normal fate. 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时，可以说这个细胞或组织已经决定。细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。,Cell fate: specification and determination,已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的 。如果把已特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化成不同的组织。 已决定的细胞或组织的

3、发育命运是不可逆的。 在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关连的过程。在胚胎早期发育过程中，某一组织或器官的细胞必需先定型，然后才能向预定的方向发育，也就是分化，形成相应的组织或器官。定型之后，分化方向变得不可逆转。,Cell fate: specification and determination,早期胚胎中，卵裂球的发育命运没有决定(determination)。随着胚胎的发育，不同卵裂球受本身内在因素及环境条件的影响，其发育命运被确定下来，分化为内胚层、中胚层或外胚层细胞。 细胞发育命运的决定是一个渐进的过程,两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变,胚胎发育早期，细胞的发育潜力

4、更大！,原肠胚中眼区将发育为眼睛。,将原肠胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，它们将按新部位的命运发育为体节和脊索。,将神经胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，它们仍将发育为类似于眼的结构。,细胞命运的定型的作用方式 胞质隔离 (cytoplasmic segregation)：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。 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

5、部分的总和。无脊椎动物为主。,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。,细胞质中决定因子的定位和细胞不对称分裂使细胞变得不同,细胞分裂时母细胞中的某些分子不均等地分配到两个子细胞中，造成子细胞向不同方向分化。,不对称分裂：生成不同的子细胞,细胞质分裂时分配到子细胞中的细胞质不均一,在一定程度上决定了细胞的早期分化。细胞质中决定细胞命运的特殊信号物质称为决定子(determinant),Cell fate determination,Cytoplasmic localization and asymmetric cell divisio

6、n: result in daughter cells having properties different from each other; chemical differences distributed in the egg in the form of determinants (mRNA or proteins, Xenopus- VegT, vegetal regions of the fertilized egg),Cell fate determination,Asymmetric division: stem cell: repeated division-stem cel

7、ls and differentiate into a variety of cell types; in adult-self renewal; Pluripotent.,海鞘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。,柄海鞘的镶嵌型发育。 当8细胞期胚胎中的4对卵裂球被分离后，每对卵裂球只能发育为部分结构。,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(

8、tenophores)、环节动物(annelids)、线虫(nematodes)和软体动物（molluscs）等。另一方面，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。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞质中，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。,形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布，受精时发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域（cytoplasmic localization）。胞质定域也称为胞质隔离（cytoplasmic segregation）或胞质区域化（cytopla

9、smic regionalization）或胞质重排（cytoplasmic rearrangement）。,胞质定域,海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的分离,表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部(apical region),卵裂时进入动物极裂球中。 内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂时进入植物极裂球中。,秀丽新小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

10、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,形态发生决定子的性质,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。,海鞘胚胎中： 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。 探讨胚胎的决定状态，应对决定细胞发育命运的

11、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。,果蝇极质 果蝇生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cell-less）基因转录的mRNA。 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。 至少有8种母体效应基因（maternal effect gene）的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞。,A. sta

12、ufen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。,细胞命运的定型的作用方式 胚胎诱导：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。 有条件特化（conditional specification），因为细胞命运取决于与其临近的细胞或组织。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），或依赖型发育。脊椎动物为主。,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。,海胆的调整型发育过程

13、中也存在镶嵌式发育的成分。,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。,海胆受精卵的不对称性,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。,一般来说，在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，细胞有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过程中则相反，主要是细胞有条件特化在发生作用，细胞自主特

14、化次之。,Cell fate determination,Induction: a signal from one group of cells influences the development of an adjacent group of cells; 细胞间的诱导作用使得细胞之间互不相同。,Permissive induction: a cell makes only one kind of response to a signal at a given level. Instructive induction: the cell respond differently to dif

15、ferent concentrations of the signal.,细胞间的相互诱导 来自外部的信号使一群 细胞中的一个或更多的 成员进入不同的发育 途径。,细胞被导入新的发育途径,诱导作用可使细胞互为不同,扩散性信号分子,跨膜蛋白的直接互作,间隙连接,信号传导特点,传递距离有限 并非所有细胞都能对某种信号发生反应。 不同类型细胞可对同一信号发生不同反应, e.g., 乙酰胆碱使心肌收缩频率下降，但促使唾液腺分泌唾液。,Signal transduction,相邻细胞相互作用决定分化方向,图式建成依赖于细胞对位置信息的译读,每个细胞位置信息： 获得位置值(positional value

16、)，这个值决定它的位置 (两端的边界) 细胞译读位置信息,法国国旗模式,细胞如何知道它们的positional value? 由形态发生素梯度产生 Morphogen: 某种化学物质浓度变化影响到图式形成. The concentration of substance at either end of the gradient must remain different from each other but constant, thus fixing boundary,French flag model,Single gradient,当信号分子从一个源头向外扩散时，往往形成一个信号的浓度梯

17、度，使得距源头远近不同的细胞根据自己周围信号分子的阈浓度，表现出各种不同的行为。,形态发生素梯度 Morphogen (诱导相邻细胞发育的信号分子,可扩散的蛋白质,转录因子) 常在轴一端合成,扩散,细胞沿轴受到不同的Morphogen的浓度,从而在不同浓度下诱导不同基因表达图。分泌成形素的一组特殊细胞称为组织者(organizer)。,形态发生素梯度 Morphogenetic gradient: 某些因子沿体轴的分布呈现一个浓度梯度,这些因子在每一局部的水平决定着这一区域的命运或反应。,Gene and Development,母体基因,间隙基因,成对基因,体节极性基因,同源异形基因,母体基

18、因沿胚的前后轴形成浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：,Bicoid: the first morphogen,Positional information is translated into the activation and repression of target genes,Responses to morphogen gradients: activation / repression of target genes; cell proliferation and growth; morphogenetic movements,Different targ

19、ets have different affinities for effectors,位置信息可以产生无数的模式,旁侧抑制产生间隔模式,Lateral inhibition: mechanism that gives rise to spacing; the differentiating cells secret inhibitory molecule. E.g. a birds skin,Lateral inhibition give a spacing pattern,相邻细胞的旁侧抑制使已分化的细胞阻止临近细胞朝相同方向分化,可避免器官重复发育。,分化细胞发出更多抑制信号,周围细胞分

20、化受到抑制,Cell fate determination,Embryonic development: 程序是逐步产生(generative), 不是预先完整描述好的. It is more like the instructions for making a structure by paper folding than a blueprint. 多种途径保障发育的可靠性:如双腿保持同样的长度 Redundancy(冗余): when there are two or more ways of carrying out a particular process; if one fails

21、for any reason another will still function. Negative feedback: the end product of a process inhibits an earlier stage and thus keeps the levels of product constant. The complexity of the network of gene activity: robust and relative insensitive to small change,发育命运图,对每一个卵裂球进行标记，通过追踪不同卵裂球的发育过程，可在囊胚表面

22、划定不同的区域，显示每一区域细胞的发育趋向，这样的分区图称为发育命运图（fate map）。,Fate maps,Early gastrula, 10 hr,Blastopore forms at predicted position,Fertilized eggs, marked with nile blue dye,32 cell,blastula,Late gastrula,Cells injected at 32 cell stage with fluorescent dextrans, as lineage tracers,爪蟾早期胚胎发育命运图的确定。荧光标记的C3裂球在尾芽期胚胎

23、中形成一侧的中胚层细胞。,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