第一篇发育生物学基本原理

1、第一篇第一篇 发育生物学基本原理发育生物学基本原理第一章第一章 细胞命运的决定细胞命运的决定第二章 细胞分化的分子机制 转录和转录前调控第三章 细胞分化的分子机制 转录后调控第四章 发育中的信号传导信号传导第一章第一章 细胞命运的的决定细胞命运的的决定动物机体是由分化细胞组成的。动物机体是由分化细胞组成的。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。 表表1.1 1.1 部分已分化细胞的类型、特征产物及功能部分已分化细胞的类型、特征产物及功能第一节第一节 细胞定型和分化细胞定型和分化细胞分化细胞分化 cell differentiation： 从单个全能细胞（受精卵

2、）产生各种类型分化细胞的发育过程。 已分化细胞不仅具有一定形态特征、合成的特异性产物，而且行使特定的功能。细胞定型细胞定型 commitmentcommitment：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的过程。在细胞发育过程中，定型和分化是两个相在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。互关联的过程。定型分为特化和决定两个时相 特化特化 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发育命运是已特化的细胞或组织的发育命运是可逆可逆的。的。 决定决定 determination：当一个细胞

3、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。 已决定的细胞或组织的发育命运是已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆不可逆的。的。 近朱者赤，近墨者黑近朱者赤，近墨者黑出淤泥而不染出淤泥而不染 细胞定型的两种方式：细胞定型的两种方式： 和和 （1 1）自主特化）自主特化：细胞命运完全由内部细胞质决定。：细胞命运完全由内部细胞质决定。 通过胞质隔离实现通过胞质隔离实现：卵裂时，受精卵内特定的细：卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近细定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近

4、细胞无关。胞无关。镶嵌型镶嵌型：以细胞自主特化为特点的胚：以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式。胎发育模式。 整体胚胎是由能自我分化的各部分组合而成。整体胚胎是由能自我分化的各部分组合而成。（2 2）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）：细胞：细胞发育命运完全取决于其相邻的细胞或组织。发育命运完全取决于其相邻的细胞或组织。 通过胚胎诱导实现通过胚胎诱导实现：胚胎发育过程中，相邻细胞或：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细胞组织之间通过相互作用，决定其中一方或双方细胞的分化方向。的分化方向。 相互作用之前，细胞具有多种分化潜能，但和邻

5、近相互作用之前，细胞具有多种分化潜能，但和邻近细胞或组织相互作用后逐渐限制了它们的发育命运，细胞或组织相互作用后逐渐限制了它们的发育命运，使之朝某一特定方向分化。使之朝某一特定方向分化。 调整型发育：调整型发育：以细胞有条件特化为特点的以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式。胚胎发育模式。 事实上，任何动物的胚胎发育过程中，两种细事实上，任何动物的胚胎发育过程中，两种细胞定型方式在一定程度上发生作用。胞定型方式在一定程度上发生作用。 一般来说，一般来说，无脊椎动物无脊椎动物胚胎发育过程中，细胞胚胎发育过程中，细胞自主特化为主，细胞有条件特化次之；自主特化为主，细胞有条件特化次之；脊椎动脊椎动物物

6、胚胎发育过程中，细胞有条件特化为主，细胚胎发育过程中，细胞有条件特化为主，细胞自主特化次之。胞自主特化次之。第一节第一节 细胞发育通过形态发生决定细胞发育通过形态发生决定子自主特化子自主特化一、形态发生决定子一、形态发生决定子 形态发生决定子（成形素、胞质决定子）：形态发生决定子（成形素、胞质决定子）：细细胞质中含有的决定细胞分化的特定物质。胞质中含有的决定细胞分化的特定物质。例例1 1 水蛭水蛭 卵裂、囊胚期细胞数目相对少，可以根据大小、形状和位置将卵裂球区分，追踪卵裂球的来源及其发育命运（）32 cell分化组织是早期由某一特定卵分化组织是早期由某一特定卵裂球发育而来，在以特定的卵裂球发育

7、而来，在以特定的卵裂方式产生卵球的过程中，裂方式产生卵球的过程中，特特定的细胞质（形态发生决定子）定的细胞质（形态发生决定子）不均等分配。不均等分配。 中胚层成肌肉胚带 肌肉 中胚层干细胞 成神经细胞的神经胚带 腹神经索爪蟾晚期囊胚的发育命运图上：侧面观上：侧面观外胚层形成上皮和神经外胚层形成上皮和神经系统，沿着背腹轴的带系统，沿着背腹轴的带状区域为中胚层，由它状区域为中胚层，由它形成脊索、体节、心脏、形成脊索、体节、心脏、肾和血液。肾和血液。下：背面观下：背面观例例2 2：海鞘：海鞘图图1-1 1-1 受精时细胞质决定子的隔离受精时细胞质决定子的隔离 透明动物极透明动物极 表皮表皮 灰色新月

8、区灰色新月区 脊索和神经管脊索和神经管 黄色新月区黄色新月区 肌肉肌肉 灰色卵黄区灰色卵黄区 消化管消化管 卵裂过程中，不同细胞质被分配卵裂过程中，不同细胞质被分配到不同裂球中，到不同裂球中，卵质不均分配卵质不均分配从而从而决定裂球的命运决定裂球的命运。 分离实验分离实验 图图1-2 1-2 海鞘胚胎的镶嵌决定作用海鞘胚胎的镶嵌决定作用 （1）每对卵裂球的发育命运不同）每对卵裂球的发育命运不同 B4.1 B4.1 发育形成内胚层、间质和肌发育形成内胚层、间质和肌肉组织肉组织 （2）胚胎中）胚胎中神经组织神经组织是从动物极前面是从动物极前面一对裂球（一对裂球（a4.2）和植物极前面一对裂）和植物

9、极前面一对裂球（球（A4.1）产生；）产生； 单独培养时，它们都不能形成神经单独培养时，它们都不能形成神经组织组织。 在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在裂球之间在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。挤压实验挤压实验B4.1 肌肉肌肉b4.2 无肌肉无肌肉将将B4.1B4.1黄色新月区胞质挤压入黄色新月区胞质挤压入b4.2b4.2，b4.2 b4.2 产生肌肉产生肌肉 海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。 其他还有：栉水母、环节动物、线虫、软体动其他还有：栉水母、环节动物、线虫

10、、软体动物。在这些典型镶嵌型发育动物的卵子细胞质物。在这些典型镶嵌型发育动物的卵子细胞质中，都存在形态发生决定子。中，都存在形态发生决定子。 另一方面，海胆、两栖类和鱼类等胚胎属于典另一方面，海胆、两栖类和鱼类等胚胎属于典型的调整型发育胚胎。同样，也存在着形态决型的调整型发育胚胎。同样，也存在着形态决定子。定子。二、胞质定域二、胞质定域 形态发生子在卵细胞质中呈一定形式分布，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。这一现象称为命运。

11、这一现象称为胞质定域胞质定域，或胞质隔离、，或胞质隔离、胞质区域化、胞质重排。胞质区域化、胞质重排。1. 海鞘形态发生决定子的运动海鞘形态发生决定子的运动 （1）肌质）肌质 （2）内胚层）内胚层 （3）表皮）表皮 海鞘卵子受精时，卵质运动，产海鞘卵子受精时，卵质运动，产生独特的胞质区域；生独特的胞质区域； 不同的胞质区域含有不同的形态不同的胞质区域含有不同的形态决定子，并在卵裂时分配到不同决定子，并在卵裂时分配到不同的卵裂球中。的卵裂球中。2 软体动物软体动物 第第 1次卵裂：次卵裂：AB、CD（含极叶）（含极叶） 第第 2 次卵裂：次卵裂： D（含极叶）（含极叶） 极叶形成是卵裂期间过渡性的

12、一种形态极叶形成是卵裂期间过渡性的一种形态变化，是由于卵内部物质流动引起。变化，是由于卵内部物质流动引起。极极叶中含有控制叶中含有控制 D D裂球特定分裂节奏、分裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。 3 线虫（副蛔虫）线虫（副蛔虫） 第第1次卵裂：纬裂，染色体消减次卵裂：纬裂，染色体消减 第第2次卵裂：经裂、纬裂次卵裂：经裂、纬裂 第第4次卵裂：仅最靠近植物极的裂球保留全部染色体数，次卵裂：仅最靠近植物极的裂球保留全部染色体数，发育成为生殖干细胞。其中，含有某些能保护染色体发育成为生殖干细胞。其中，含有某些能保护染色体数不发生消减的物质。

13、数不发生消减的物质。植物极胞质中含有能决定生殖细胞形成的物质植物极胞质中含有能决定生殖细胞形成的物质( (生殖质生殖质) )4 昆虫（蠓）昆虫（蠓） 胚胎卵裂时，多数细胞的细胞核从原来的胚胎卵裂时，多数细胞的细胞核从原来的 40 条条染色体中失去染色体中失去 32 条，只有条，只有位于卵子后端的位于卵子后端的 2 个个细胞核染色体不会消减细胞核染色体不会消减，而且停留一段时间不，而且停留一段时间不分裂。最终，这分裂。最终，这 2 个细胞核形成生殖细胞的核。个细胞核形成生殖细胞的核。 极质极质( (卵子后端的生殖质卵子后端的生殖质) )在生殖细胞决定中其在生殖细胞决定中其中重要作用中重要作用5

14、两栖类（林蛙）两栖类（林蛙） 受精卵的植物极皮层区域含有与果蝇卵中极质类似的受精卵的植物极皮层区域含有与果蝇卵中极质类似的物质，在发育过程中进入少数几个预定的物质，在发育过程中进入少数几个预定的内胚层细胞内胚层细胞，最终迁移到生殖嵴内。最终迁移到生殖嵴内。 UV照射照射: 不能形成正常的生殖细胞不能形成正常的生殖细胞 蛙类受精卵植物极区域细胞质中含有控制生殖细胞形蛙类受精卵植物极区域细胞质中含有控制生殖细胞形成和迁移的决定子成和迁移的决定子。三、形态发生子的性质一、一、 海鞘形态发生决定子海鞘形态发生决定子 （1）激活某些基因转录的物质）激活某些基因转录的物质 （2）RNA二二 、果蝇极质、果

15、蝇极质 蛋白质、蛋白质、RNA分子分子 gcl mRNA Nanos蛋白蛋白 线粒体大核糖体（线粒体大核糖体（mtlrRNA）第二节 细胞命运通过相互作用的渐进特化一、经典的胚胎学实验一、经典的胚胎学实验 1. Roux 1887 缺损实验缺损实验 ( 蛙蛙 ) 镶嵌型发育镶嵌型发育 缺损实验缺损实验 奠定实验胚胎学奠定实验胚胎学1910, McClendon 蛙胚两裂球分离实验，两裂球分开后都蛙胚两裂球分离实验，两裂球分开后都可以完全发育可以完全发育2. Driesch分离组合实验分离组合实验(海胆海胆) 2-细胞细胞 调整型发育调整型发育 4-细胞细胞 （与上述结果相同）（与上述结果相同）

16、3. Horstadius 分离实验分离实验(海胆海胆) 8-细胞细胞既镶嵌型发育既镶嵌型发育, , 又调整型发育又调整型发育64 cell4. 双梯度模型双梯度模型 植物极化梯度植物极化梯度 动物极化梯度动物极化梯度 双梯度模型双梯度模型 (图图1.19)二、二、 两栖类发育调控两栖类发育调控1. Spemann 结扎实验结扎实验(蝾螈蝾螈) 图图1.20 两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每个两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每个细胞核都具有发育形成完整机体的潜能细胞核都具有发育形成完整机体的潜能两栖类卵子不对称实验 Spemann, 1938 卵子细胞质的不对称性，卵子细胞质的不

17、对称性，灰色新月区灰色新月区（原原肠作用发动者肠作用发动者）。）。3 移植实验 图1.22 表1.3 在早期原肠胚在早期原肠胚( (特化特化) )向晚期原肠胚过渡的过程中向晚期原肠胚过渡的过程中, , 胚胚胎细胞的发育潜能逐渐受到限制；胎细胞的发育潜能逐渐受到限制； 到了原肠胚晚期到了原肠胚晚期, , 原肠胚的细胞发育命运已经原肠胚的细胞发育命运已经( (决定决定) )。体节体节眼状眼状二二 诱导诱导：胚胎的一个部分对另一个区域发生影响，：胚胎的一个部分对另一个区域发生影响，并使后者沿着一条新途径分化的作用。并使后者沿着一条新途径分化的作用。 经典实验胚胎学：脊索中胚层诱导外胚层细胞经典实验胚

18、胎学：脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织（分化成神经组织（初级胚胎诱导初级胚胎诱导）。）。初级胚胎诱导（广义）的四个阶段初级胚胎诱导（广义）的四个阶段： 第一阶段：受精诱导背部化决定子的激活，形成背部细胞 第二阶段：诱导形成 、中胚层 第三阶段：组织者 诱导 第四阶段：神经组织 要点：要点： 细胞分化细胞分化 细胞定型细胞定型及其时相（及其时相（特化、决定特化、决定） 细胞定型的两种方式与其特点（细胞定型的两种方式与其特点（自主特化、有条件特化自主特化、有条件特化） 胚胎发育的两种方式与其特点（胚胎发育的两种方式与其特点（镶嵌型发育、调整发育镶嵌型发育、调整发育） 形态决定子形态决定子 胞

19、质定域胞质定域（海胆、软体动物、线虫）（海胆、软体动物、线虫） 细胞命运渐进特化的系列实验细胞命运渐进特化的系列实验 双梯度模型双梯度模型 诱导、胚胎诱导诱导、胚胎诱导 个体发育的中心问题是细胞分化。个体发育的中心问题是细胞分化。 从表型特征上，将可细胞分为从表型特征上，将可细胞分为3种类型：种类型： 全能细胞全能细胞：能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整的有机体。的有机体。全套基因信息都可以表达全套基因信息都可以表达。 多潜能细胞多潜能细胞：发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成特定范围内的细胞。特定范围内的细胞。

20、部分限制、部分表达部分限制、部分表达。 分化细胞分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的特殊细胞表型。特殊细胞表型。大部分限制、大部分限制、 5-10%的信息表达的信息表达。 全能细胞 totipotent cell 多能细胞 pluripotent cell 专能细胞 multipotent 双能细胞 bipotent 单能细胞unipotent 细胞分化是细胞分化是基因差异性表达基因差异性表达的结果。体细胞基的结果。体细胞基因组相同因组相同, 但由于基因差异性表达，不同细胞但由于基因差异性表达，不同细胞具有了不同的转录组、蛋白质组。具有了不

21、同的转录组、蛋白质组。 引起差异引起差异基因基因表达来源表达来源： 细胞内卵质差异细胞内卵质差异 细胞外周围环境，邻近细胞位置信息、细胞外周围环境，邻近细胞位置信息、细胞外信号分子细胞外信号分子 差异基因表达的调控机制差异基因表达的调控机制： 基因差异转录基因差异转录 核核RNA的选择性加工的选择性加工 (转录组）转录组） mRNA的选择性翻译的选择性翻译 （蛋白质组）（蛋白质组） 差别蛋白质的加工差别蛋白质的加工（功能蛋白质组）（功能蛋白质组） 表观遗传修饰表观遗传修饰（甲基化、组蛋白修饰等）（甲基化、组蛋白修饰等）一、有机体不同组织细胞基因组相同一、有机体不同组织细胞基因组相同（一）遗传学

22、证据（一）遗传学证据 染色体数目染色体数目（二）胚胎学证据（二）胚胎学证据 不同细胞期的卵裂球不同细胞期的卵裂球 可单独发育个体可单独发育个体（三）分子生物学证据（三）分子生物学证据 分子杂交分子杂交 同一有机体的不同细胞，无论是已决定的细胞或是已同一有机体的不同细胞，无论是已决定的细胞或是已分化的细胞，都与未分化细胞的核相同，具有相等的分化的细胞，都与未分化细胞的核相同，具有相等的基因组结构，即基因组相同。基因组结构，即基因组相同。二、发育过程中，核潜能的限定二、发育过程中，核潜能的限定 Briggs & King（1952, 1960） 豹蛙豹蛙 核移植实验核移植实验 早期卵裂：早

23、期卵裂：100%100%发育成正常蝌蚪发育成正常蝌蚪 囊胚：囊胚： 80%80%发育成正常蝌蚪发育成正常蝌蚪 原肠胚：原肠胚：50%50%发育成正常蝌蚪发育成正常蝌蚪 神经胚：神经胚：10%10%发育成正常蝌蚪发育成正常蝌蚪 随着胚胎发育的不断进行，细胞核指导发育的随着胚胎发育的不断进行，细胞核指导发育的潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。的能力。 分化细胞核的潜在全能性分化细胞核的潜在全能性 分化细胞分化细胞 核移植核移植 不能获得正常的胚胎。不能获得正常的胚胎。 核克隆：将内胚层细胞、小肠上皮细胞、红细核克隆：将内胚层细胞、小肠上皮细胞、

24、红细胞的细胞核移植进去核卵中，再将卵裂期或囊胞的细胞核移植进去核卵中，再将卵裂期或囊胚期的核再次移植，也可获得正常的胚胎。胚期的核再次移植，也可获得正常的胚胎。 克隆羊克隆羊Dolly（1996）：母羊乳腺上皮细胞核）：母羊乳腺上皮细胞核 一系列克隆动物一系列克隆动物iPS 诱导多能干细胞诱导多能干细胞 2006年日本京都大学山中伸弥（Shinya Yamanaka）领导的实验室在细胞上率先报道了iPS的研究。他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和和Klf4这四种转录因子用逆转逆转录病毒录病毒引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS 干细胞，

25、与胚胎干细胞极为相似。 2007年11月，美国威斯康星大学Thompson实验室几乎同时报道，利用ips技术同样可以诱导人皮肤纤维母细人皮肤纤维母细胞胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。采用了以慢病毒载体慢病毒载体引入Oct4、Sox2加加Nanog和和LIN28这种因子组合。 这些研究成果被美国科学杂志列为2007年十大科技突破中的第二位。2012年10月8日，John B. Gurdon 与 Shinya Yamanaka 因此获得诺贝尔生理学和医学奖 三、基因组相同的例外三、基因组相同的例外1 1 染色体消减染色体消减 马蛔虫马蛔虫: 体细胞中体细胞中80%的的DNA丢失丢失 2

26、 2 基因重排基因重排 B B淋巴细胞：通过免疫球蛋白基因重排淋巴细胞：通过免疫球蛋白基因重排。3.3.基因扩增基因扩增 基因选择性复制。基因选择性复制。一一 、基因表达的时间和空间的特异性、基因表达的时间和空间的特异性 基因表达的精确时间、空间位置，否则基因表达的精确时间、空间位置，否则会导致发育异常。会导致发育异常。二、发育中基因转录水平的调节和变化二、发育中基因转录水平的调节和变化珠蛋白基因的转录珠蛋白基因的转录 图图2.12 图图2.13三、基因差异转录的调控机制三、基因差异转录的调控机制基因的结构及转录过程基因的结构及转录过程 图图2.14 启动子、增强子启动子、增强子 转录因子（转

27、录因子（proteinprotein） DNA转录转录RNA RNA加工水平调控加工水平调控 翻译及翻译后水平调控翻译及翻译后水平调控一、一、mRNA前体和前体和mRNA细胞核的最初转录产物，细胞核细胞核的最初转录产物，细胞核RNA，区，区别细胞质中别细胞质中mRNA与与mRNAmRNA相比，细胞核相比，细胞核RNARNA分子量大，寿命短分子量大，寿命短仅有少部分能被加工形成仅有少部分能被加工形成mRNAmRNA二、二、 前体前体RNA加工加工 图图3.2 不同发育期的核不同发育期的核RNARNA一致性。在一定程度上，一致性。在一定程度上，基因差异表达是在基因差异表达是在RNARNA加工水平上

28、进行调控。加工水平上进行调控。 在核在核RNA、细胞质、细胞质mRNA、（翻译）水平分别、（翻译）水平分别检测。检测。三、三、 加工水平的调控加工水平的调控图图3.4 DNA mRNA前体前体 不同加工不同加工mRNA mRNA的种类、数量，贮藏的种类、数量，贮藏/翻译翻译 翻译的时间、数量翻译的时间、数量 与其他基因产物的协调与其他基因产物的协调 翻译产物的加工、转运、包装翻译产物的加工、转运、包装 多细胞动物的胚胎发育是一个多细胞动物的胚胎发育是一个复杂又高度复杂又高度协调协调的过程的过程。 信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号细胞产生细胞产生信号分子信号分子，诱导靶细胞发生某种，诱导靶细胞发生某种反应反应；靶细胞通常通过靶细胞通