A第8章细胞命运的渐进特化a

1、第八章第八章 细胞命运的渐进特化细胞命运的渐进特化胚胎细胞的相互作用胚胎细胞的相互作用在海胆和脊椎动物中细胞命运取决于它们在胚胎内的位置，而在海胆和脊椎动物中细胞命运取决于它们在胚胎内的位置，而不是卵裂时所获得的卵子细胞质。不是卵裂时所获得的卵子细胞质。一般认为大多数无脊椎动物进行一般认为大多数无脊椎动物进行自主型发育自主型发育(autonomous development)和多数脊椎动物进行和多数脊椎动物进行依赖型发育依赖型发育(dependent development)。后后者者细胞命运由其细胞命运由其“邻居邻居”决定决定,每个细胞开始具有相同潜能每个细胞开始具有相同潜能,其发育命运取决

2、于遇到的细胞其发育命运取决于遇到的细胞。因此，胚胎一部分细胞对邻近另一部分细胞产生影响，并决定因此，胚胎一部分细胞对邻近另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用称为其分化方向的作用称为胚胎诱导胚胎诱导(embryonic induction).这是决这是决定胚胎细胞分化的一个极重要的方面定胚胎细胞分化的一个极重要的方面 第一节第一节 验证验证“种质学说种质学说”一一. weismann:种质学说种质学说19世纪世纪70年代细胞学研究取得很大发展年代细胞学研究取得很大发展, 发现发现受精时精卵融合及受精时精卵融合及它们的核融合，不同种生物细胞核含不同数目染色体它们的核融合，不同种生物细胞核含

3、不同数目染色体，同种同种生物细胞核含相同数目染色体，在进行减数分裂时染色体数生物细胞核含相同数目染色体，在进行减数分裂时染色体数目减半，受精时还原目减半，受精时还原。由。由weismann提出的种质学说如右图示提出的种质学说如右图示,以解释发育、遗传、再生、有性生殖和自然进化等不同生命以解释发育、遗传、再生、有性生殖和自然进化等不同生命现象的假说现象的假说. 种质学说认为种质学说认为精卵对有机体贡献质量和数量相同的染色体，精卵对有机体贡献质量和数量相同的染色体，而染而染色体由各种决定细胞命运的核决定子组成，受精卵分裂时每个色体由各种决定细胞命运的核决定子组成，受精卵分裂时每个卵裂球只接受部分核

4、决定子，它们根据核决定子分化为不同类卵裂球只接受部分核决定子，它们根据核决定子分化为不同类型的细胞，只生殖细胞接受全部核决定子，通过遗传保持种的型的细胞，只生殖细胞接受全部核决定子，通过遗传保持种的连续性连续性。但实验胚胎学的结果并不支持。但实验胚胎学的结果并不支持weismann的种质学说。的种质学说。二二. wilhelm roux: 镶嵌性发育镶嵌性发育德国胚胎学家德国胚胎学家roux用灼热的针刺死蛙用灼热的针刺死蛙2-细胞期胚胎的一个卵裂球，细胞期胚胎的一个卵裂球，剩下的一个卵裂球发育为半个身体的胚胎剩下的一个卵裂球发育为半个身体的胚胎(下图下图)，这符合了这符合了weismann假说

5、，第一次卵裂产生的假说，第一次卵裂产生的2-细胞胚胎，细胞胚胎，左右两个卵裂左右两个卵裂球各自含有半侧决定子球各自含有半侧决定子，破坏一个卵裂球，剩余的一个卵裂球，破坏一个卵裂球，剩余的一个卵裂球只能发育为半胚。只能发育为半胚。roux把这种类型的发育称为把这种类型的发育称为镶嵌性发育镶嵌性发育。后来有人重复后来有人重复roux的实验，将的实验，将2-细胞期胚胎两个卵裂球分开，细胞期胚胎两个卵裂球分开，结果每个卵裂球都发育为完整的胚胎，结果每个卵裂球都发育为完整的胚胎，证明证明2-细胞期胚胎的细胞期胚胎的两个卵裂球是等能的，核决定子并非不均等分配两个卵裂球是等能的，核决定子并非不均等分配。证明

6、证明roux的实验得出了错误结论的实验得出了错误结论，但他开创了用实验方法研究胚胎学，但他开创了用实验方法研究胚胎学的先例成为的先例成为实验胚胎的奠基人实验胚胎的奠基人。 三三. hans driesch: 调整型发育调整型发育roux进行的是进行的是缺损实验缺损实验(defect experiment)，破坏一部分胚胎后观察破坏一部分胚胎后观察剩余的部分如何发育；剩余的部分如何发育；driesch采用采用分离实验分离实验(isolation experiment)，通过剧烈地摇荡将通过剧烈地摇荡将2-细胞期甚至细胞期甚至4-细胞期海胆胚胎卵裂球分离细胞期海胆胚胎卵裂球分离后单独培养，结果后单

7、独培养，结果2-细胞期和细胞期和4-细胞期胚胎的单个卵裂球均能细胞期胚胎的单个卵裂球均能发育为完整的发育为完整的长腕幼虫长腕幼虫(pluteus)，只是单个卵裂球发育的个体比只是单个卵裂球发育的个体比正常的稍小一些正常的稍小一些(下图下图).实验证明，实验证明，海胆海胆2-或或4-细胞期胚胎的卵裂球分开后不是自主分化细胞期胚胎的卵裂球分开后不是自主分化为胚胎的一部分，而是通过调整发育为一个完整的有机体为胚胎的一部分，而是通过调整发育为一个完整的有机体。这种类型的发育为这种类型的发育为调整型发育调整型发育.海胆受精卵头两次卵裂为经裂，第三次为纬裂海胆受精卵头两次卵裂为经裂，第三次为纬裂, 形成动

8、物极形成动物极4个个卵裂球和植物极卵裂球和植物极4个卵裂球。后来个卵裂球。后来driesch将海胆受精卵夹在将海胆受精卵夹在两玻璃片之间使前三次卵裂均为经裂两玻璃片之间使前三次卵裂均为经裂，产生，产生8个卵裂球在同一个卵裂球在同一平面，然后除去玻璃片让其平面，然后除去玻璃片让其发育得到正常胚胎发育得到正常胚胎，并不因为卵并不因为卵裂方向和核决定子分离发生改变而影响胚胎正常发育裂方向和核决定子分离发生改变而影响胚胎正常发育。四四. sven hrstadius: 双梯度模型双梯度模型driesch卵裂球分离实验也并非完全正确，尽管海胆呈调整型发卵裂球分离实验也并非完全正确，尽管海胆呈调整型发育，

9、但不是百分之百的。育，但不是百分之百的。hrstadius进行了一系列实验，将海胆胚胎不同层次细胞用玻进行了一系列实验，将海胆胚胎不同层次细胞用玻璃针分开分别观察它们的发育命运，璃针分开分别观察它们的发育命运，当当8-细胞期胚胎沿动植细胞期胚胎沿动植物极轴一分为二时，如物极轴一分为二时，如driesch预言两部分均发育为长腕幼虫预言两部分均发育为长腕幼虫；但但当沿赤道面将胚胎分为动物极和植物极两部分时，两部分当沿赤道面将胚胎分为动物极和植物极两部分时，两部分都不发育为完整幼虫都不发育为完整幼虫：动物极部分发育为具纤毛的囊泡称永：动物极部分发育为具纤毛的囊泡称永久囊胚久囊胚(permanent

10、blastula),植物极部分发育为具膨大消化道植物极部分发育为具膨大消化道的异常幼虫的异常幼虫(下图下图)。hrstadius还将海胆未受精卵沿赤道面切割成动物极和植物极两还将海胆未受精卵沿赤道面切割成动物极和植物极两部分，然后使其受精，因为海胆部分，然后使其受精，因为海胆卵片卵片(merogone)具单倍体核就能具单倍体核就能发育获得与分离实验相同结果，发育获得与分离实验相同结果，动物极部分发育为永久囊胚动物极部分发育为永久囊胚，植物植物极部分发育为具膨大消化道的异常囊胚极部分发育为具膨大消化道的异常囊胚.当当沿动植物极轴将卵切开，受精后两部分都能形成正常胚胎沿动植物极轴将卵切开，受精后两

11、部分都能形成正常胚胎(右图右图)hrstadius继而进行一系列最令人激动的实验，首先继而进行一系列最令人激动的实验，首先追踪追踪64-细胞细胞期胚胎期胚胎6层细胞中每层细胞正常发育命运层细胞中每层细胞正常发育命运，发现，发现海胆海胆64-细胞期细胞期胚胎动物极细胞和植物极第胚胎动物极细胞和植物极第1层细胞层细胞(veg1)形成外胚层，植物形成外胚层，植物极第极第2层细胞层细胞(veg2)形成内胚层，而小卵裂球形成中胚层骨骼形成内胚层，而小卵裂球形成中胚层骨骼.此后，此后，hrstadius除去海胆除去海胆64-细胞期细胞期胚胎外面的受精膜，胚胎外面的受精膜，用玻璃针把不用玻璃针把不同细胞层分

12、开，单独培养或以不同同细胞层分开，单独培养或以不同组合方式将不同细胞层重组培养组合方式将不同细胞层重组培养: 单独动物极半球细胞培养形成具纤毛单独动物极半球细胞培养形成具纤毛的永久囊胚，称动物极化的永久囊胚，称动物极化(animali-zation)胚胎；胚胎； 将动物极半球细胞与将动物极半球细胞与veg1细胞重组培养形成胚胎纤毛发细胞重组培养形成胚胎纤毛发育被抑制，出现消化道，动物极化育被抑制，出现消化道，动物极化程度减小；当动物极半球细胞与程度减小；当动物极半球细胞与veg2重组时形成正常长腕幼虫，重组时形成正常长腕幼虫，veg2正常形成原肠正常形成原肠,现在形成骨骼；现在形成骨骼；动物极

13、半球细胞只与小卵裂球也形成动物极半球细胞只与小卵裂球也形成正常长腕幼虫，此处消化道由动物正常长腕幼虫，此处消化道由动物极细胞形成。小卵裂球比极细胞形成。小卵裂球比veg2，veg2比比veg1具有更强的抑制动物极具有更强的抑制动物极化或导致植物极化的能力。化或导致植物极化的能力。hrstadius还还把海胆胚胎小卵裂球与把海胆胚胎小卵裂球与64-细胞期细胞期胚胎不同细胞层分别组合证明海胆胚胎中不胚胎不同细胞层分别组合证明海胆胚胎中不仅存在动物极化因子，而且还有植物极化因仅存在动物极化因子，而且还有植物极化因子，它也呈梯度分布子，它也呈梯度分布。分离的分离的an1和和an2单独培养都形成永久囊胚

14、；但单独培养都形成永久囊胚；但当当an1和和4个小卵裂球组合时发育为正常幼虫；个小卵裂球组合时发育为正常幼虫；而而an2只与只与2个小卵裂球组合就能发育为正常个小卵裂球组合就能发育为正常幼虫。当幼虫。当an2与与4个小卵裂球组合时发育的幼个小卵裂球组合时发育的幼虫具有膨大的消化道。虫具有膨大的消化道。veg1细胞单独培养也形成永久囊胚。但当细胞单独培养也形成永久囊胚。但当veg1和和1个小卵裂球组合时发育的幼虫消化道异个小卵裂球组合时发育的幼虫消化道异常膨大。至于常膨大。至于veg2细胞根本不需要与小卵裂细胞根本不需要与小卵裂球配合发育就具有植物极化趋势球配合发育就具有植物极化趋势(右上图右上

15、图) 。实验证明，植物极化强度由植物极向动物极逐实验证明，植物极化强度由植物极向动物极逐渐递减渐递减, 而动物极化强度从动物极而动物极化强度从动物极 an1向植向植物物 极小卵裂球逐渐递减极小卵裂球逐渐递减(右下图右下图) 。这种双梯度模型对于解释其它重组实验非常这种双梯度模型对于解释其它重组实验非常有用，如将小卵裂球从植物极移植到有用，如将小卵裂球从植物极移植到32-细胞期胚胎的中央，这些移植的小卵裂球细胞期胚胎的中央，这些移植的小卵裂球陷入受体的囊胚腔内，形成发育良好的次陷入受体的囊胚腔内，形成发育良好的次级原肠级原肠(上图上图)。当小卵裂球加入到动物极，当小卵裂球加入到动物极，只形成一个

16、非常小的消化道。只形成一个非常小的消化道。但直到目前无论是动物极化因子还是植物极但直到目前无论是动物极化因子还是植物极化因子都还没有分离出来。化因子都还没有分离出来。调整型发育并非如此简单，似乎还存在一种调整型发育并非如此简单，似乎还存在一种负的诱导作用，它使胚胎细胞的发育潜能负的诱导作用，它使胚胎细胞的发育潜能受到限制受到限制: 如从如从16-细胞期海胆胚胎动物极细胞期海胆胚胎动物极分离的成对的细胞，它们能形成外胚层和分离的成对的细胞，它们能形成外胚层和中胚层的成分中胚层的成分; 然而当它们与动物极其它然而当它们与动物极其它成对细胞聚集后，它们形成中胚层的能力成对细胞聚集后，它们形成中胚层的

17、能力严格受限严格受限(下图下图)。 第二节第二节 两栖类发育调控两栖类发育调控一一. 胚胎细胞的渐进决定胚胎细胞的渐进决定象海胆这种调整型发育的胚胎中象海胆这种调整型发育的胚胎中卵裂球的发育命运总会从某一卵裂球的发育命运总会从某一时刻开始逐渐受到限制时刻开始逐渐受到限制，hrstadius的实验将它与卵裂平面的实验将它与卵裂平面联系起来。联系起来。spemann发现蝾螈卵裂球的发育情况与海胆的颇为相似。他用发现蝾螈卵裂球的发育情况与海胆的颇为相似。他用胎儿胎儿发环沿动植物极并与第一次卵裂面平行结扎蝾螈受精卵发环沿动植物极并与第一次卵裂面平行结扎蝾螈受精卵，使细胞核只在一侧分裂，待分裂到使细胞核

18、只在一侧分裂，待分裂到16细胞时放一个细胞核进细胞时放一个细胞核进入无核部分。此时将发环扎紧使两部分完全分隔。入无核部分。此时将发环扎紧使两部分完全分隔。结果得到结果得到两个幼体两个幼体(下图下图)。证明早期胚胎细胞核的等能性证明早期胚胎细胞核的等能性。 但是当但是当沿动植物极轴并沿动植物极轴并与第一次卵裂面垂直与第一次卵裂面垂直结扎时结扎时，细胞核在，细胞核在两边都能分裂，但其中只有一部分能形成正常幼体，另一部两边都能分裂，但其中只有一部分能形成正常幼体，另一部分只发育成没有任何组织结构的细胞块，称分只发育成没有任何组织结构的细胞块，称腹片腹片(belly piece)。腹片外层由表皮细胞组

19、成，内含血细胞、间质细胞和消化道腹片外层由表皮细胞组成，内含血细胞、间质细胞和消化道细胞，但是没有神经系统、脊索细胞，但是没有神经系统、脊索 和肌节和肌节.实验证明实验证明, 两栖类受精卵第一次卵裂经过灰色新月，两栖类受精卵第一次卵裂经过灰色新月，把灰色新把灰色新月物质均等地分到两个卵裂球中，分开后都能形成完整幼体月物质均等地分到两个卵裂球中，分开后都能形成完整幼体；垂直于第一次卵裂面分开两个卵裂球，灰色新月物质只进入垂直于第一次卵裂面分开两个卵裂球，灰色新月物质只进入一个卵裂球，它发育为完整幼体，而另一个不。一个卵裂球，它发育为完整幼体，而另一个不。显然灰色新显然灰色新月物质是形成完整胚胎所

20、必须的。月物质是形成完整胚胎所必须的。推测推测: 灰色新月物质的重要性在于它具有发动原肠形成的能力；灰色新月物质的重要性在于它具有发动原肠形成的能力； 胚胎发育的关键性变化发生在原肠形成过程中。胚胎发育的关键性变化发生在原肠形成过程中。spemann将具有不同色素的两种蝾螈早期原肠胚的细胞相互交换，将具有不同色素的两种蝾螈早期原肠胚的细胞相互交换，当预期表皮细胞移植到预定形成神经板的位置时，它们形成神当预期表皮细胞移植到预定形成神经板的位置时，它们形成神经组织经组织；当预期神经细胞移植到预定腹部表皮位置时，移植细当预期神经细胞移植到预定腹部表皮位置时，移植细胞形成表皮胞形成表皮(右图右图)。可

21、见可见蝾螈早期原肠胚细胞的发育命运尚未决定，它们的预期潜能蝾螈早期原肠胚细胞的发育命运尚未决定，它们的预期潜能大于预期命运大于预期命运。它们。它们表现为依赖型发育表现为依赖型发育, 其最终命运取决于在胚其最终命运取决于在胚胎内所处的位置胎内所处的位置.但在但在晚期原肠胚进行同样的移植实验时得到的结果截然不同晚期原肠胚进行同样的移植实验时得到的结果截然不同，移，移植细胞不再根据它们在胚胎内的位置调整分化，植细胞不再根据它们在胚胎内的位置调整分化，表现自主发育表现自主发育，此时细胞命运已决定此时细胞命运已决定. 二二. 初级胚胎诱导初级胚胎诱导胚胎一个区域对另一个区域产生影响，使后者沿着一条新途径

22、分胚胎一个区域对另一个区域产生影响，使后者沿着一条新途径分化的作用称化的作用称诱导诱导(induction)。动物胚胎发育过程存在许多诱导作用，其中脊索中胚层诱导其上动物胚胎发育过程存在许多诱导作用，其中脊索中胚层诱导其上覆盖的外胚层细胞分化为神经组织这一关键的诱导作用经典胚覆盖的外胚层细胞分化为神经组织这一关键的诱导作用经典胚胎学称为胎学称为初级胚胎诱导初级胚胎诱导(primary em-bryonic induction)。事实上这事实上这并不是胚胎发育中最早出现的诱导作用并不是胚胎发育中最早出现的诱导作用。spemann和和mangold证明两栖类早期原肠胚胚孔背唇不但是唯一能自我分化的

23、区域，证明两栖类早期原肠胚胚孔背唇不但是唯一能自我分化的区域，而且能诱发原肠作用，并影响周围细胞的发育分化而且能诱发原肠作用，并影响周围细胞的发育分化(下右图下右图)胚孔背唇能组织和诱导次级胚胎的形成；胚孔背唇能组织和诱导次级胚胎的形成；鸟类和哺乳类发动原肠鸟类和哺乳类发动原肠作用的区域原条作用的区域原条(primitive streak)前端的亨氏结前端的亨氏结(原结，原结，hensens node)也能诱导次级胚胎的形成也能诱导次级胚胎的形成。 第三节第三节 nieuwkoop中心中心初级胚胎诱导作用第一阶段发生在受精时。初级胚胎诱导作用第一阶段发生在受精时。精子入卵导致相对精子入卵导致相

24、对卵子皮层的内层细胞质卵子皮层的内层细胞质(inner cytoplasm)旋转，使旋转，使卵子由辐射对卵子由辐射对称变为两侧对称称变为两侧对称。初级胚胎诱导分为初级胚胎诱导分为:精子入卵点对面植物极卵裂球内精子入卵点对面植物极卵裂球内背部化决定子背部化决定子(dorsal determinant)被激活，被激活，含有已激活的背部化决定子的植物极细含有已激活的背部化决定子的植物极细胞称为胞称为nieuwkoop 中心中心；背部化的植物极细胞后裔诱导其上的细胞形成背部化的植物极细胞后裔诱导其上的细胞形成组织者组织者(organizer)，其余的植物极细胞诱导上面的边缘区细胞形成侧其余的植物极细胞

25、诱导上面的边缘区细胞形成侧面和腹面中胚层；面和腹面中胚层；组织者诱导并指令背部外胚层形成神经组织；组织者诱导并指令背部外胚层形成神经组织；被诱导神经组织的区域化。内胚层能诱导上面的细胞形成中被诱导神经组织的区域化。内胚层能诱导上面的细胞形成中胚层，极性也随之转移。胚层，极性也随之转移。 非洲爪蟾的非洲爪蟾的nieuwkoop中心位于囊胚最背侧的植物极细胞中中心位于囊胚最背侧的植物极细胞中。腹。腹部和侧部的植物极细胞也能诱导中胚层形成，最背侧的植物极部和侧部的植物极细胞也能诱导中胚层形成，最背侧的植物极细胞诱导中轴中胚层，脊索和肌节；腹部和侧部植物极细胞诱细胞诱导中轴中胚层，脊索和肌节；腹部和侧

26、部植物极细胞诱导中段中胚层导中段中胚层(肌肉和间质肌肉和间质)与腹中胚层与腹中胚层(间质、血细胞和前肾间质、血细胞和前肾).nieuwkoop中心的作用是激活上面中胚层细胞中一些编码转录因中心的作用是激活上面中胚层细胞中一些编码转录因子的基因子的基因，如，如xanf-1和和goosecoid两种蛋白质。两种蛋白质。xanf-1是一种含有是一种含有goosecoid同源序列的，最早表达的转录因子。同源序列的，最早表达的转录因子。原肠作用开始时它主要在背唇深层细胞中表达，其原肠作用开始时它主要在背唇深层细胞中表达，其mrna注射注射到囊胚腹部可在此诱导次生胚轴。到囊胚腹部可在此诱导次生胚轴。goo

27、secoid发挥作用的方式同发挥作用的方式同xanf-1相似，其基因转录最早在相似，其基因转录最早在囊胚期检测到，它可能是一个控制细胞核的基因。囊胚期检测到，它可能是一个控制细胞核的基因。vg1能诱能诱导它的转录，而导它的转录，而fgf2或或noggin则抑制它的转录。则抑制它的转录。下图示下图示 xbra, noggin, goosecoid 和和xnr3基因在原肠形成早期基因在原肠形成早期(左左)和晚期和晚期(右右)于植物极细胞中的表达情况。于植物极细胞中的表达情况。 第四节第四节 神经诱导神经诱导一一. 区域性差异的决定区域性差异的决定神经管形成后其结构表现出区域特异性，前部分化为脑，后

28、部分神经管形成后其结构表现出区域特异性，前部分化为脑，后部分化为脊髓化为脊髓.组织者不但诱导神经管而且对其不同区域进行规划组织者不但诱导神经管而且对其不同区域进行规划下图示下图示mangold证明的系列实验：把刚完成原肠形成蝾螈胚胎表证明的系列实验：把刚完成原肠形成蝾螈胚胎表面的神经板剥除，面的神经板剥除，将露出的原肠顶分从前向后依次切下，移将露出的原肠顶分从前向后依次切下，移植到早期原肠胚的囊胚腔中植到早期原肠胚的囊胚腔中，结果，结果:最前端的原肠顶诱导出平衡器和部分口器；最前端的原肠顶诱导出平衡器和部分口器；下一段原肠顶诱导各种头部结构下一段原肠顶诱导各种头部结构, 包括鼻、眼、平衡器和听囊；包括鼻、眼、平衡器和听囊；第三段诱导产生后脑；第三段诱导产生后脑；最