胚胎发育与细胞分化张文举

配子发生卵细胞提供一套基因组和细胞质结构和细胞质DNA；精细胞只提供一套DNA配子发生过程中，经过增殖期，生长期和减数分裂期1当前1页，总共52页。卵子发生1增殖期通过卵原细胞的有丝分裂增加数量，在胚胎发育结束后完成；人类女性成年后不会再分裂形成新的卵细胞；但其他一些两栖类，鸟类成年后还可继续通过分裂产生新的卵原细胞减数分裂储存物质，体积增大；这些物质一部分来自自身（内质网，高尔基体等），大多靠其他组织合成，如肝，滤泡细胞（卵母细胞周围的细胞），抚育细胞等2当前2页，总共52页。卵子发生2不对称性动物极营养储备少，含细胞核，核糖体，内质网，线粒体等植物极大量卵黄小体和储存营养物质微管控制一些mRNA定位于特定的区域；肌动蛋白纤维维持卵母细胞的不对称性3当前3页，总共52页。卵子发生3随着卵母细胞不断增大，细胞质成分也逐渐不对称化，形成一些特化的结构；卵母细胞停滞在前期I，直到有适当的激素刺激；哺乳动物中，由固醇类激素刺激进一步分裂，激活MPF，刺激其进入中期I；卵母细胞的分裂不对称，形成一个成熟的卵细胞和3个极体4当前4页，总共52页。精子发生支持细胞提供营养和保护；成年雄性精原细胞在生命过程中持续发生；精子发生过程细胞质桥：不完全胞质分裂；丢失大多数细胞质，分化成成熟精细胞；精细胞的DNA是高度压缩并是惰性的；顶体：头的顶端，一种特化的溶酶体，含多种水解酶类，用来穿破卵子的外壁精细胞的长尾：由中心粒控制下装配而成，9+2的微管排列5当前5页，总共52页。受精作用受精作用的基本过程：精卵之间的接触精子对卵被的穿透精子与卵子质膜的融合卵的激活涉及的反应包括：顶体反应皮层反应原核融合6当前6页，总共52页。顶体反应精卵的识别卵细胞通过硫酸多糖识别精子，Ca离子进入，H离子泵出，pH上升；信号激发了顶体反应信号激发精卵膜的融合，水解形成顶体突精细胞中的未聚合肌动蛋白装配形成膜融合，精细胞核进入顶体表面bindin蛋白识别透明带的特异受体哺乳动物精子的“获能”精子在雌性生殖道中被修饰，增强其代谢和运动能力7当前7页，总共52页。皮层反应保证只有一个精子进入卵细胞的机制精卵融合后卵细胞质膜的快速去极化，快速阻止其他精子细胞与卵细胞的融合；膜电位之后恢复正常，随后通过皮层反应阻断精卵质膜融合通过第二信使（磷脂酰肌醇）调控Ca2+浓度升高，激活卵细胞；卵细胞中的某些皮质颗粒与膜融合，释放一些酶类；这些酶快速分布至细胞表面，改变膜表面结构（破坏卵细胞上与精细胞结合的受体），使其变的“坚硬”，以阻止其他精细胞与卵细胞的融合。8当前8页，总共52页。原核融合精卵细胞核的融合，与有丝分裂类似各自的核膜解体，中心粒复制，进行第一次卵裂9当前9页，总共52页。受精激活与母体效应受精会导致蛋白质的合成和DNA的复制等活动；合成蛋白质的mRNA是由卵母细胞携带（无活性状态，称为母体信息），在受精的情况下被激活；10当前10页，总共52页。海胆受精激活反应信号传导蛋白激酶C精卵质膜融合11当前11页，总共52页。胚胎的形成与分化受精完成以后，胚胎进行一系列的分裂、分化和相互作用，最后发育成一个新的个体；早期的胚胎发育包括卵裂胚泡形成宫内植入12当前12页，总共52页。卵裂受精完成后，卵细胞进入快速的有丝分裂；细胞不生长；卵裂后细胞越来越小，小细胞组成的中空球体称为囊胚；13当前13页，总共52页。卵裂的特点（与体细胞有丝分裂比较）：细胞不生长；核质比例越来越大；间期短，分裂快；分裂快的原因是没有G1期（主要用于细胞生长）；随着卵裂的持续，逐渐出现G1期；对于大多数动物的受精卵来说，卵裂所用的RNA主要来自于卵细胞的储备；DNA合成与组蛋白合成旺盛，相关RNA也来自于卵细胞的储备由于卵细胞质的不对称性，卵裂中的小细胞获得的细胞质是不同的，这种不同指导了后续的分化。细胞质的重新分配14当前14页，总共52页。原肠胚的形成囊胚细胞经过一系列运动，导致空间相互关系的改变，最终形成原肠胚；细胞通过胚孔移入囊胚的内层，形成外胚层、中胚层、内胚层；每个胚层发育成机体的不同组织器官；在原肠胚中形成了新的细胞关系，激发了细胞-细胞的相互作用、一系列变化，最终形成组织和器官。15当前15页，总共52页。细胞的分化、决定和形态发生细胞分化胚胎细胞分裂后，未定型的细胞在形态和生化组成上向专一性或特异性方向发展的过程；细胞决定在细胞发生可识别的变化之前，细胞内部已发生了变化，决定了未来细胞发育的命运；受精卵具有全能性原肠胚排列成三胚层后出现局限性，发育方向被确定外：神经、表皮等中：肌肉、骨骼等内：消化道及肺的上皮等16当前16页，总共52页。细胞命运如何决定？细胞质对细胞分化的诱导细胞的相互作用对细胞分化的诱导局部介质17当前17页，总共52页。细胞质对细胞分化的诱导卵裂后，遗传物质平均分配；而细胞质各子细胞的组分并不同（细胞质决定子）；软体动物的极页卵裂后，细胞质决定子的位置固定下来，分配到不同的细胞中，影响不同类型细胞的分化；果蝇受精后的分裂18当前18页，总共52页。细胞的相互作用对细胞分化的诱导胚胎诱导（分化诱导）一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用，这部分细胞叫诱导者（组织者）中胚层最先独立分化，对相邻的内外胚层的细胞进行诱导；这种诱导机制包括细胞间的接触细胞基质的接触信号分子扩散等初级诱导：诱导新胚胎的生成19当前19页，总共52页。形态的发生形态发生将一些细胞组成、功能和形态不同的组织和器官，最后形成一个具有表型特征的个体发育中位置信息的获取形态发生素假说：在胚胎特定的位置合成，扩散到周围组织，形成浓度递减的梯度，细胞根据这种梯度来感知自身部位的形态发生素的浓度位置信息在发育中的作用鸡胚翅形成过程中的位置信息20当前20页，总共52页。影响分化和形态发生的其他因素细胞黏着分子——胚胎发育神经诱导过程中起作用激素——分化和形态发生主要出现在发育的晚期如：性分化，出现在胚胎的第九周，之前在形态上无法区别分化抑制分化完成的细胞产生抑素，可以抑制周围的细胞进行同样的分化；负反馈21当前21页，总共52页。细胞分化中的核质关系质对核的影响影响基因表达鸡红细胞的染色质高度凝缩，不转录，但是与Hela细胞融合后，出现RNA的转录核对质的影响伞藻的嫁接实验，核决定了帽的形状22当前22页，总共52页。转决定、脱分化和再生转决定一些细胞不按已经决定的分化类型发育一群细胞发生变化脱分化分化细胞失去特有的结构和功能变为未分化细胞特性的过程植物中常见，愈伤组织动物，ips技术再生生物体的部分受到创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上重新生长出与丢失部分相同的结构；再生的基础是脱分化；23当前23页，总共52页。细胞的全能性植物：较为常见与容易，尤其双子叶植物；动物：克隆羊，ips技术的发展24当前24页，总共52页。细胞分化的分子基础细胞分化的分子机制人基因组中有2-2.5万个基因，在发育过程中，这些基因如何表达？是否有差异？这些差异是由什么调控的？细胞分化的基础在于基因的选择性表达与调控25当前25页，总共52页。管家基因与组织特异性基因管家基因（house-keepinggene）维持细胞最低限度功能的基因，如组蛋白、线粒体相关、核糖体相关基因组织特异性基因（tissuespecificgene）在不同组织中选择性表达的基因，肌肉细胞的肌动蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因26当前26页，总共52页。基因的差异表达及调节细胞分化主要是组织特异性基因差异表达的结果；细胞分化的关键是细胞按照一定的程序和顺序发生差别基因表达27当前27页，总共52页。真核生物基因表达调控的层次DNAAAAAAmRNAproteinDNA水平转录水平转录后加工翻译水平蛋白质加工28当前28页，总共52页。基因组的调控在DNA水平上调节基因的活性DNA的甲基化DNA的重排29当前29页，总共52页。DNA甲基化DNA的甲基化通过甲基化酶的作用在CG上选择性的加上甲基；随DNA的复制而遗传一般来说，甲基化会引起基因的失活；30当前30页，总共52页。DNA重排根据DNA片段在基因组中的结构变化酵母交配型的控制酿酒酵母发生交配时，两个不同交配型的单倍体细胞α和a融合成二倍体细胞；酵母通过改变MAT基因座的等位基因决定酵母的交配型；抗体的产生抗体如何产生上亿的分子多样性31当前31页，总共52页。转录水平的调控转录因子调控转录水平；不同组织和器官中表达的转录因子水平和种类不同主要调节转录的起始果蝇的同源异型基因（Hox基因）控制动物的体态形成的基因如果发生突变，发生某些器官异位生长，Antp基因（触角基因）32当前32页，总共52页。Hox基因1此类基因发生突变，就会出现某些器官的异位生长；如果蝇的Antp基因突变，则使果蝇的一对触角被两条腿所取代了；“双胸”突变体Hox基因编码的是转录因子，调节基因转录；同源异形框：60个左右的保守氨基酸序列，在生物中及其保守，编码DNA结合结构域33当前33页，总共52页。Hox基因2不同物种的不同Hox基因同源性极高，进化上保守，一般为转录因子基因；Antp的3’端有180bp组成的序列，高度保守，称为同源异型框在染色体上串联排列成簇，距离较近，通常为4-5kb；表达具有组织特异性，其表达量与发育的进程相关同源异型突变，身体某一部位的特征在其他部位出现34当前34页，总共52页。花发育的ABC模型35当前35页，总共52页。转录后加工真核基因的转录产物要经过加工称为成熟的mRNA；RNA的加工：切除内含子，保留外显子RNA的可变剪接大鼠的α原肌球蛋白内含子DNA外显子36当前36页，总共52页。翻译水平的调控蛋白质合成速度、mRNA的稳定性、翻译起始的控制；翻译后加工的控制翻译成多肽后的切割与修饰，不同亚基的结合等等如很多激素的合成都是一个共同的前体，通过不同的切割与组合形成不同的蛋白质，如HCG，TSH等等37当前37页，总共52页。果蝇发育的调控模式生物酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等果蝇的生活史双翅目、身体分节完全变态昆虫卵、幼虫、蛹、成虫38当前38页，总共52页。果蝇成虫盘的定位果蝇的卵中的细胞质具有明确的分布定位和有秩序的卵质结构；成虫盘：幼虫体内的尚未分化的细胞团，但其细胞命运已被决定39当前39页，总共52页。果蝇的早期发育卵母细胞的成熟极性，具有前后轴，背腹轴抚育细胞合成必需的mRNA等这些必需物质不均匀分布在卵母细胞中果蝇的早期发育细胞核分裂；细胞核往四周迁移，形成单层细胞层（囊胚层）；此时，发育的命运由所分割的细胞中的细胞质所决定40当前40页，总共52页。母体基因对果蝇早期发育的调控母体基因在卵母细胞成熟过程中，抚育细胞合成的mRNA，合成蛋白质后在早期胚胎发育中调控了组织特异性基因的转录；通过转录激活、转录抑制、翻译抑制等方式调控基因表达母体基因通过建立不同的浓度梯度，帮助卵细胞建立前后轴和背腹轴分为4类前部基因群：头、胸端部基因群：腹节背部基因群41当前41页，总共52页。母体基因bicoid负责前部的形态建成：bicoid（bcd基因）抚育细胞合成定位与卵细胞前端（与微管结合，不翻译），受精后翻译，形成BCD蛋白的头-尾轴浓度梯度；bcd基因突变后形成“双腹”幼虫BCD蛋白既是转录激活因子，又是翻译阻遏物胚胎中的BCD浓度梯度，调节了一些按照阈值表达的基因活性BCD浓度梯度42当前42页，总共52页。前后轴调控的关键事件Bicoid和nanos的梯度分布调控了其他基因的差异分布BCDNanosCaudalHunchbackPumilio43当前43页，总共52页。合子基因对果蝇发育的调控作用合子基因被母体基因所激活，是胚胎模式形成的开端；缺口基因发生突变时造成体节模式的缺失现象通过前后轴母体基因的作用以及下游的一系列缺口基因的作用，果蝇胚胎被不同组合的转录因子划分成具有不同表达特性的区域缺口基因44当前44页，总共52页。干细胞干细胞（stemcell）具有自我更新能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞；果蝇的干细胞分裂产生2个干细胞，保留一个，另一个分化根据发育阶段胚胎干细胞：动物发育的基础成体干细胞：组织器官修复再生的基础根据潜能全能干细胞