发育生物学第四周市公开课获奖课件

1、胚胎发育细胞增殖和分化 刘正华 基础医学院组织胚胎系第1页第1页胚胎发育过程：细胞生长分化辨认迁移死亡功效表示组织和器官形成等第2页第2页细胞长大+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 胞核长大第3页第3页2 细胞增殖：细胞数量 由细胞分裂实现第4页第4页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本来大小第5页第5页生长方式切除肾一部分，剩余部分主要通过细胞增大而增大。第6页第6页细胞增殖受内外原因控制第7页第7页细胞分化-发育生物学研究之关键细胞分化(cell differentiation）定义：由同一个

2、受精卵分裂、增殖而来胚胎细胞发育成含有特殊形态与功效专一化细胞过程。第8页第8页在细胞分化基础上，胚胎逐步产生出许多不同组织、器官和系统，协调地组成一个复杂、精致、能自主生活生命个体。第9页第9页细胞分化经历事件：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、胞质分化功效分化总体上分为两个阶段：一、细胞命运决定（determination）二、细胞分化（differentiation）第10页第10页细胞命运决定 决定是指细胞被赋予特殊“使命”或“命运”，并进入程序性分化过程。在这一阶段，细胞即使还没有显示出特定形态、生理和生化特性，但是已经拟定了向特定方向分化程

3、序。第11页第11页二、决定两种基本方式1、镶嵌型发育(mosaic development)： 由细胞质内形态发生决定因子决定 ，整体胚胎象是自我分化各部分组装在一起集合体。（自主发育） 2、调整型发育(regulative development)： 胚胎发育过程中，相邻细胞之间通过互相作用，决定其中一方或双方分化方向。（依赖性发育）第12页第12页Rouxs attempt to show mosaic development. Destroying (but not removing) one cell of a 2-cell frog embryo results in the de

4、velopment of only one-half of the embryo. 1.镶嵌型发育第13页第13页形态发生决定子（morphgenetic determinant）也称为成型素（morphogen）或细胞质决定子（cytoplasmic determinant），是卵子或受精卵中存在能够决定细胞分化方向，发育形成一定组织和形态结构特殊细胞质因子。形态发生决定子在受精卵中特殊定位，以及卵裂时对各个子细胞分派不均一性称为细胞质定域（cytoplasm locolization）。 第14页第14页由于镶嵌型发育胚胎细胞定型方式与邻近细胞互相作用无关，因此，假如在发育早期将一个卵裂球

5、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组织结构，而胚胎其余部分发育形成胚胎中将缺乏这种组织结构，两者正好互补。如：海鞘。第15页第15页柄海鞘受精卵细胞质依据所含色素不同可分为四个不同区域.动物极部分含透明细胞质；植物极部分靠近赤道处有两个彼此相对排列新月区，一个是呈浅灰色灰色新月区，和一个呈黄色黄色新月区；植物极其它部分含灰色卵黄，为灰色卵黄区。 第16页第16页动物极部分含透明细胞质，未来形成幼虫表皮。黄色新月区未来形成肌肉细胞，称为肌细胞质。灰色新月区未来形成脊索和神经管。灰色卵黄区含大量灰色卵黄，未来形成幼虫消化道。 第17页第17页用卵裂球分离方式证实：每个

6、卵裂球都负责产生幼虫一定组织。当特定卵裂球分离下来后，由这些卵裂球负责产生结构在幼虫中便不复存在。 第18页第18页因此，海鞘每个卵裂球都是能够自主发育，胚胎好象是由能自主分化各部分构成镶嵌体。 第19页第19页童第周等在海鞘卵子受精后20分钟，把受精卵一分为二。用其中无核卵块作受体，分别把原肠胚外胚层、中胚层和内胚层细胞细胞核移植到受体中。结果：无论移植细胞核来自哪一个胚层，所形成组织结构总是和无核卵块中所含有细胞质组分相关。阐明海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有细胞质形态决定子相关，而与细胞核无关。 第20页第20页试验结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不同细胞质区域含有特殊形态发生决定子。卵裂

7、时，这些组分伴随胚胎卵裂被准确地分布到胚胎一定部位，经过调控不同基因表示而决定细胞分化方向。呈经典镶嵌型胚胎发育动物卵子还有栉水母、步骤动物，线虫和软体动物等一些低等无脊椎动物。在这些经典镶嵌型发育动物卵子细胞质中，都存在着形态发生决定子。 第21页第21页在海鞘、栉水母这些典型镶嵌型发育动物中，细胞互相作用对决定一些胚胎细胞发育命运也是必要。神经细胞是从a4.2和A4.1两对产生。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。可是两者配合才干形成神经组织。 第22页第22页2. 调整型发育(regulative development)： 胚胎发育过程中，相邻细胞之间通过互相作用，决

8、定其中一方或双方分化方向。（依赖性发育）第23页第23页调整型胚胎发育形态发生决定子与细胞质定域在发育初始阶段，采用调整型发育动物胚胎细胞也许含有不止一个分化潜能，但在和邻近细胞互相作用过程中逐步限制了它们发育命运，使其只能朝一定方向分化。第24页第24页在胚胎发育早期，从采用调整型发育胚胎上分离出一个卵裂球，则胚胎上其它相邻卵裂球能够调整和改变发育命运，填补分离掉卵裂球所留下空缺，使其仍然能够发育成一个完整胚胎。但在发育较晚时期，当胚胎细胞命运已经决定后，其决定状态在正常发育过程中也不再能改变。第25页第25页海胆、鱼类和两栖类等动物胚胎属于典型调整型发育胚胎。在胚胎发育早期阶段当胚胎受到一

9、些局部试验性损伤时，仍能通过本身调整形成正常有机体。第26页第26页如两栖类和海胆四细胞期卵裂球分离后，每个卵裂球都含有潜力形成完整胚胎。第27页第27页两栖类卵子在受精后会因细胞质流动而形成一个灰色新月区。蛙第一次卵裂使灰色新月区平均分派到所形成两个卵裂球中，这两个卵裂求都含有全能性。将其分离后，两个都能够发育成正常胚胎。但调整型发育胚胎中也存在形态发生决定子细胞质定域 第28页第28页试验证实：1、灰色新月区含有合子形成完整胚胎 所必须形态发生决定子。 2、镶嵌型发育胚胎和调整型发育胚胎 之间差异只是程度上不同。 第29页第29页海胆受精卵也是调整 型发育。第一次卵裂形成两个 卵裂球分离后

10、也都能够 形成完整胚胎。但在第3次卵裂以后，将动、植物极卵裂球分离培养，则动物极卵裂球形成初级外胚层组织，植物极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形态发生决定子。这种决定子在8细胞时第一次分离。 第30页第30页在任何动物胚胎发育过程中，细胞定型两种发育模式都在发生作用。但在不同动物中哪种方式起主要作用在程度是不同。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，细胞间相互作用次之，是镶嵌型发育类型。在脊椎动物中则相反，主要是细胞相互关系在起主要作用，细胞自主特化起次要作用，是调整型发育类型。第31页第31页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，假如

11、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；假如按照在移植部位进行发育，说明在移植时其命运还未决定。三、细胞分化参考信息 第32页第32页第33页第33页（1）细胞核（2）细胞质（3）细胞间互相调控 细胞诱导 细胞克制 细胞辨认与粘合 其它四、细胞分化调控内部原因外部原因第34页第34页1. 细胞核在细胞分化过程中具主导作用 试验一 施佩曼将受精卵结扎，二分之一球含细胞核，另二分之一球不含细胞核。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。第35页第35页取一羊乳腺细胞细胞核取另一羊去核卵细

12、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 试验二 核移植试验试验表明：胚胎发育过程中细胞核起主导作用第36页第36页Dolly克隆牛欣欣，生命源于耳细胞 我国首例“胎儿皮肤上皮细胞”克隆牛“康康” 第37页第37页 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。 细胞核主导作用不是绝正确，核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 第38页第38页受精卵发育形成细胞含有相同基因但在发育中只有5-10%基因表示(人类基因总数约3万-5万)且表示基因差别较大Why?第39

13、页第39页（2）细胞质在分化过程中作用第40页第40页 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团块。 试验阐明：灰新月区(细胞质)中含某种物质，只有完全具备这种物质，胚胎发育才干正常进行。第41页第41页这些特殊胞质组分为形态发生决定子（RNA与蛋白质）。胞质在细胞分化中作用：是通过细胞质决定子影响胞核基因表示，一定程度上决定细胞早期分化。第42页第42页核与质间互相作用影响细胞分化 互相依赖，缺一则不能生存核控制着遗传信息质对核

14、有主要调整作用两者通过核孔互相传递蛋白来实现对细胞分化调控第43页第43页(3)细胞间互相作用（细胞社会学）对细胞分化影响诱导克制辨认其它第44页第44页胚胎诱导（induction）：胚胎发育过程中，一部分细胞影响其它细胞分化方向。细胞克制(inhibition)：已分化细胞克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。其它：激素，细胞数量，细胞外基质等细胞辨认与粘合(组织亲合性)：三胚层细胞混杂培养各胚层自我挑选，互相粘着。癌细胞不能辨认粘着，失去了正常细胞调控能力第45页第45页 三 胚 胎 诱 导第46页第46页1. 概念胚胎诱导：胚胎发育时期，

15、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）： 起诱导作用细胞或组织反应者（responding tissue）： 接受信号并起反应细胞或组织。第47页第47页19施佩曼最早发觉：两栖类发育中眼泡能诱导覆盖它表皮形成晶状体 诱导试验一第48页第48页过程：将迁移到内部之前背唇切下来，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。诱导试验二第49页第49页施佩曼因此取得1935诺贝尔生理学或医学奖。 试验二表明：在移植物作用下，移植物周围胚层改变了本来发育方向第50页第50页2 诱导特

16、点1）有权能期（period of competence） 一定期间内发生，一旦超出临界时间， 诱导或反应能力会减退、消失第51页第51页将原肠晚期原肠顶不同部位移植块放到早期原肠胚囊胚腔中，会诱导不同结构形成。第52页第52页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、肌肉等第53页第53页4）诱导引起反应细胞分化连续、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第54页第54页初级诱导、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 诱导层次性第55页第55页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

17、层形成角膜，为三级诱导第56页第56页诱导组织必须激活反应细胞内相关基因基因表示产物又激活或克制其它相关基因细胞产生特异性蛋白从而造成分化 第57页第57页总来说发育问题归根结底依赖于基因在发育过程中按一定期间和一定空间有秩序、有选择地表示第58页第58页第三节 细胞分化基因控制 一、主导基因如何控制一个组织和一个完整器官形成第59页第59页主导基因(master gene)或选择者基因(selector gene)即为一些能够启动和控制一系列下游基因表示基因。功效：选择和控制一套拟定细胞类型和区域特异性发育基因。即主导基因表示是启动选择、实现选择以及进一步保持特定分化状态关键。细胞命运决定也

18、许就是形态发生决定子特异性地激活了主导基因。第60页第60页一、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)第61页第61页生肌蛋白基因家族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其它附属基因都统归在成肌细胞决定基因控制下。只要用MyoD1mRNA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成肌细胞。这阐明，只要MyoD1被转录，这个细胞命运就已经被决定成为成肌细胞，并按成肌细胞分化程序进行分化。 第62页第62页MyoD1蛋白具有一种碱性螺旋折叠螺旋结构域(bHLH)，这种结构域可结合到受控基因控制区，作为转

19、录因子启动下游生肌蛋白基因表达。 另一方面，MyoD1蛋白还能与自身基因上游调控区结合，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 。 第63页第63页哺乳动物中，已知有4种类似生肌主导者基因：MyoD1，myf-5，mrf-4和myogenin，他们都属于同一基因家族，且序列高度相同，都是编码含有bHLH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，其它三种能够互相替换（genetic redundancy, 遗传冗余）

20、。 第64页第64页2. 控制眼形成主导基因eyeless 在果蝇中，Eyeless突变会造成眼睛变少或完全没有眼睛。Eyeless基因编码蛋白质有与DNA同源异型框(homeodomain)及配对框相结合两个结构域。这个主导基因靶标可能是各种不同视蛋白基因。 第65页第65页Gehring等人将带有UAS启动子eyeless cDNA导入到含有酵母转录因子GAL4基因转基因果蝇卵中。GAL4是一个转座子，当其插入到启动区下游时，能够在果蝇许多器官芽中被激活而转录、翻译成蛋白质。GAL4基因这种蛋白质能够作为转录因子与UAS启动子特异地结合，从而启动eyeless基因转录。 第66页第66页在发育到果蝇变态时，许多器官中除了将本身基因表示程序表示之外，eyeless cDNA也被GAL4转录因子启动表示。由于eyeless基因是一个主导基因，成复眼基因表示程序就在许多器官芽中被启动。结果在转基因果蝇腿上、翅膀上等都额外长出了眼睛。最多一个果蝇体上长出了多达14个眼睛。 第67页第67页3. 同源异型基因主要特性在细胞分化决定过程中，负责作出决定主导基因或选择者基因是同源异型基因。1）它们都有一个高度保守基本序列，即同源异型框，在果蝇中叫做HOM序列。其所编码蛋白叫同源异型域结构域，一个由6070个氨基酸构成，在立体结构上为螺旋折