发育细胞命运的决定

发育细胞命运的决定发育细胞命运的决定第1页细胞命运与定型;形态发生决定子概念及性质;胞质定域；镶嵌型发育、调整型发育;细胞分化实质与分子机制知识点2发育细胞命运的决定第2页动物有机体是由分化细胞（specializedcell）组成。分化细胞不但形态多样，而且功效各异。3发育细胞命运的决定第3页巨噬细胞成纤维细胞纤维细胞脂肪细胞嗜酸性粒细胞浆细胞淋巴细胞疏松结缔组织细胞种类4发育细胞命运的决定第4页红细胞白细胞血小板5发育细胞命运的决定第5页6发育细胞命运的决定第6页7发育细胞命运的决定第7页8发育细胞命运的决定第8页9发育细胞命运的决定第9页细胞定型和分化从单个全能受精卵产生各种类型细胞发育过程叫细胞分化（celldifferentiation）。细胞在分化之前，会发生一些隐蔽改变，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitment）。已定型细胞细胞发育命运已经受到严格限制。10发育细胞命运的决定第10页Slack（1991）提议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。**当一个细胞或者组织放在中性环境（neutralenvironment）如培养皿中能够自主分化时，就能够说这个细胞或组织发育命运已经特化（specialized）**当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位培养能够自主分化时，能够说这个细胞或组织已经决定（determined）。11发育细胞命运的决定第11页已特化细胞或组织发育命运是可逆。假如把已特化细胞或组织移植到胚胎不一样部位，它就会分化成不一样组织。已决定细胞或组织发育命运是不可逆。假如把已决定细胞或者组织移植到胚胎不一样部位，它只会分化为同一个组织。12发育细胞命运的决定第12页Fateofcells:指正常发育情况下细胞将发育方向，这种方向可因条件改变而改变(seenextslide)。Determination:指细胞特征发生了不可逆改变，发育潜力已经单一化。Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。13发育细胞命运的决定第13页细胞命运（cellfate）决定14发育细胞命运的决定第14页细胞有自己发育命运！

基因组中那些基因将使用，哪些基因不使用，其差异表示程序是在细胞决定过程中设计好了。

冥冥之中自有天意15发育细胞命运的决定第15页

细胞发育命运（fate）决定（determination）是指细胞发育命运发生了稳定不可改变改变。16发育细胞命运的决定第16页细胞命运决定方式A决定于胞质决定因子（cytoplasmicdeterminants），这种胚胎发育方式称为嵌合型发育B决定于相邻细胞相互作用，这种胚胎发育方式称为调整型发育全部动物普通都有同时含有镶嵌型和调整型两种发育方式，只不过在不一样动物中侧重点不一样17发育细胞命运的决定第17页第一节细胞命运经过形态发生决定子自主特化嵌合型发育（mosaicdevelopment）

18发育细胞命运的决定第18页形态发生决定子形态发生决定子（morphogeneticdeterminant）也称为成形素（morphogen）或胞质决定子（cytoplasmicdeterminant），其概念形成源于对细胞谱系研究。19发育细胞命运的决定第19页

形态发生决定子性质普通认为形态发生决定子可能是一些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们能够激活或抑制一些基因表示，从而决定细胞分化方向。形态发生决定子性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。20发育细胞命运的决定第20页

卵质不一样成份即不一样胞质决定因子（红色点）被分割到不一样子细胞中，不一样细胞因为含有不一样卵质成份，因而含有不一样发育潜能，最终其发育命运不一样。即不对称分裂造成细胞不一样命运。嵌合型发育（mosaicdevelopment）

21发育细胞命运的决定第21页不对称分裂造成细胞不一样命运，形成不一样细胞家系（celllineage）嵌合型发育（mosaicdevelopment）

22发育细胞命运的决定第22页嵌合型发育是指由胞质决定因子（cytoplasmicdeterminants）决定细胞命运发育方式。每个细胞有自发分化。细胞命运决定于细胞本身家系而不是位置。假如将一个发育早期胚胎某一个卵裂球去掉，则这个胚胎将会发育为一个不完整胚胎。嵌合型发育（mosaicdevelopment）

23发育细胞命运的决定第23页柄海鞘是经典镶嵌型发育24发育细胞命运的决定第24页柄海鞘胚胎分离试验:当8细胞期胚胎中4对卵裂球被分离后，每对卵裂球只能发育为个别结构。柄海鞘镶嵌型发育25发育细胞命运的决定第25页柄海鞘受精卵细胞质依据所含色素不一样可分为四个不一样区域：动物极个别含透明细胞质；植物极个别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；植物极其它个别含灰色卵黄，为灰色卵黄区。

26发育细胞命运的决定第26页用卵裂球分离方式证实：每个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。而被分离下来卵裂球，即使已与胚胎其它卵裂球失去联络，但仍能形成在整体中他负责产生结构。所以，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个别组成镶嵌体。

27发育细胞命运的决定第27页试验结果表明：黄色新月区含有黄色细胞质，未来形成肌肉细胞，称为肌细胞质（myoplasm）。灰色新月区含有灰色细胞质，未来形成脊索和神经管。动物极个别含透明细胞质，未来形成幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色卵黄，未来形成幼虫消化道

28发育细胞命运的决定第28页用玻璃针重复挤压海鞘B4.1卵裂球，使分裂沟退化。随即在更靠近植物极区域重新形成份裂沟。用玻璃针沿新形成分裂沟将卵裂球分离下来，这么动物极B4.2卵裂球便含有了个别肌细胞质（黄色新月区细胞质）。如此，原来只形成表皮B4.2卵裂球后代细胞也能形成肌细胞。经过显微注射方法，将B4.1卵裂球中肌细胞质移植到预定非肌肉细胞中，也能使其形成肌细胞。

29发育细胞命运的决定第29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，分别把原肠胚或尾芽期幼虫外胚层、中胚层和内胚层细胞细胞核移植到受体中。结果：不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。说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决定，而不是由细胞核起源决定。30发育细胞命运的决定第30页这些观察结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不一样细胞质区域含有特殊形态发生决定子。卵裂时，这些组分被准确地分布到胚胎一定部位，经过调控不一样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果蝇、栉水母、步骤动物，线虫和软体动物等。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。31发育细胞命运的决定第31页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裂球中，决定裂球发育命运。这一现象称为胞质定域。胞质定域也称为胞质隔离或胞质区域化或胞质重排。三、胞质定域32发育细胞命运的决定第32页海鞘胚胎发育过程中，只在幼虫肌组织中形成乙配胆碱酯酶(AChE)，它使幼虫肌肉能对来自神经刺激发生反应。所以，AChE能够作为海鞘肌细胞分化特异性标识。依据海鞘胚胎细胞谱系，8细胞期只有植物极后面一对裂球B4.1含有肌质，能形成肌肉组织。B4.1两裂球：分离下来单独培养，确实能够形成肌组织，AChE染色呈阳性；余下6个裂球：分离下来单独培养后发育胚胎不形成肌肉，也检测不到AChE活性。（一）海鞘33发育细胞命运的决定第33页海鞘分裂球决定谱系34发育细胞命运的决定第34页海鞘肌肉细胞谱系自主肌肉特化有条件肌肉特化35发育细胞命运的决定第35页细胞松弛素能与细胞中微丝结合抑制细胞质分裂。但细胞核分裂仍能正常进行。不一样时期海鞘胚胎AChE活性测定发觉：2细胞期胚胎2裂球都能产生AChE;4细胞期胚胎只有后面2裂球能产生AChE;8细胞期胚胎只有植物极后面2裂球能产生AChE。试验结果表明：在细胞松弛素处理胚胎中，形成AChE裂球与按细胞谱系推测含有肌质裂球完全吻合。而且形成AChE时间也和正常胚胎完全一致。结论：海鞘卵中肌质在卵裂时被分配到预定中胚层细胞中，指定它们分化成肌组织。细胞松弛素B抑制试验36发育细胞命运的决定第36页海鞘三种组织胞质决定子运动比较肌肉表皮内胚层第一期卵质分离8细胞胚胎第二期卵质分离37发育细胞命运的决定第37页海鞘受精卵植物极后端胞质（PVC）相对于其余个别细胞质呈“显性”。去除卵子植物极后端大约10%细胞质，则多数胚胎只形成幼虫前端结构，缺乏前后轴。把一个受精卵PVC移植到另一个去除PVC受精卵前端，受体卵原来前端便发育成新后端，而原来后端（去除了PVC）则发育为前端。结论：海鞘胚胎后端发育命运由卵细胞质中特定胞质决定子决定。而前端发育命运则由缺乏PVC所决定。总结：海鞘卵子受精时，卵质发生运动，产生独特胞质区域；不一样胞质区域含有不一样形态发生决定子，并在卵裂时分配到不一样裂球中。海鞘胚胎前后轴决定与胞质定域38发育细胞命运的决定第38页Wilson把帽贝（Patellacoerulea）早期裂球分离，发觉分离裂球发育命运、分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎内相同裂球一样。分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式所必需全部物质，而且还含有不依赖于胚胎其它细胞而进行自我分化所必需全部物质。（二）软体动物：极叶和中胚层，背-腹轴决定39发育细胞命运的决定第39页帽贝成纤毛细胞分化40发育细胞命运的决定第40页一些呈螺旋卵裂胚胎（主要是软体动物和步骤动物）在第一次卵裂时卵子植物极个别形成一个胞质凸起，称为极叶（polarlobe）。第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，今后极叶出现就不显著了。极叶形成是卵裂期间一个过渡性形态改变，是卵内部物质流动所引发。极叶41发育细胞命运的决定第41页角贝属海生动物Dentalium卵裂Dentalium卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次42发育细胞命运的决定第42页软体动物极叶A，第一次卵裂前极叶扫描电镜照片；B，三叶期胚胎极叶。43发育细胞命运的决定第43页Wilson认为极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需决定子。原因：去除极叶，剩下裂球即使能正常分裂，不过不能形成正常幼虫，而是发育成缺乏中胚层器官－肌肉和壳腺幼虫。壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成。中胚层不存在时，便没有诱导者诱导外胚层细胞形成壳腺。这是镶嵌型发育胚胎中也存在细胞间相互作用决定细胞发育命运又一例证。极叶44发育细胞命运的决定第44页存在于极叶中形态发生决定子可能和卵子皮质相关。证据：①把三叶期胚胎进行离心处理，使极叶中可扩散细胞质流入CD裂球中，再切除极叶，结果发育胚胎仍缺乏中胚层结构；②用微吸管吸除极叶中胞质后，卵子其它个别细胞质流入极叶，结果胚胎也能够正常发育；③把极叶胞质注射到B裂球时，B裂球并不产生中胚层结构。结论：卵子可扩散细胞质不含形态发生决定子。推论：极叶形态发生决定子很可能位于卵子皮质胞质中或位于皮质个别细胞骨架上。极叶中形态发生决定子45发育细胞命运的决定第45页极叶还含有决定胚胎背-腹轴形成物质。用细胞松弛素处理角贝正在分裂受精卵，抑制极叶形成，吸收细胞松弛素后，处理过受精卵分裂成两个大小一样裂球，它们在下一次分裂前都形成极叶。这么一来，极叶物质便在第一次卵裂时被同时分配到两个裂球之中；由此形成幼虫是一对孪生胎，彼此以腹部相连。极叶中背-腹轴决定物质46发育细胞命运的决定第46页最常见形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等调整型卵子中也存在着生殖细胞决定子。生殖细胞决定子在卵裂时分配到一定裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。三、线虫47发育细胞命运的决定第47页副蛔虫第一次卵裂形成动物极裂球发生染色体消减，而植物极裂球仍保持正常数目标染色体。第二次卵裂形成两个植物极裂球开始都有正常数目标染色体，以后靠近动物极裂球染色体在下一次卵裂前又发生消减。最终只有一个最靠近植物极裂球含有全数染色体（全套基因）。全数染色体只存在于未来形成生殖细胞裂球里。副蛔虫48发育细胞命运的决定第48页副蛔虫受精卵卵裂试验副蛔虫正常受精卵（A）分裂时生殖质分布。生殖质染色体消减干细胞（1个）无染色体消减49发育细胞命运的决定第49页生殖质据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有一些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定相关裂球形成生殖细胞。副蛔虫卵子植物极胞质中所含能决定生殖细胞形成物质叫生殖质（germplasm）。50发育细胞命运的决定第50页秀丽隐杆线虫秀丽隐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。发育过程中，转录因子能够进入特定裂球细胞核，激活或抑制特定基因表示，从而决定细胞命运。秀丽隐杆线虫胚胎中发觉SKN－1蛋白质就很可能是一个“转录因子”样形态发生决定子。51发育细胞命运的决定第51页SKN-1SKN-1来自母体，含有与DNA结合特征序列，能调整形成咽EMS裂球命运。秀丽隐杆线虫受精卵第一次卵裂后产生P1和AB两裂球，只有后端P1裂球分离后能够形成咽细胞；P1裂球分裂后，产生EMS和P2两裂球,只有EMS裂球分离后能形成咽细胞；而EMS裂球分裂后，产生MS和E两裂球，只有MS裂球含有形成咽潜能。结论：咽部细胞命运能够经过分离到这些裂球中母源性因子（maternalfactor）自主决定。52发育细胞命运的决定第52页SKN-1蛋白质SKN-1存在于卵细胞质中，处于无活性状态。第一次卵裂后，SKN-1大个别进入P1卵裂球细胞核中，少许进入AB裂球细胞核中；第二次卵裂后，P1产生EMS和P2两个裂球细胞核中都有SKN-1。SKN-1能激活P1裂球及其产生EMS和P2两裂球中一些特定基因，从而决定它们发育命运。ABP1EMSP253发育细胞命运的决定第53页（四）昆虫果蝇中枢神经系统形成时，神经干细胞（成神经细胞）分裂产生性质截然不一样两个类型细胞：一个子细胞成为成神经细胞（干细胞，继续维持细胞数目增加）；另一个子细胞成为神经节母细胞（分裂产生细胞为预定分化为神经元细胞）。54发育细胞命运的决定第54页神经节母细胞内特异性蛋白质如膜蛋白Numb和转录因子Prospero决定神经元发育命运Numb和Prospero实际上是在成神经细胞中产生卵裂开始时Numb和Prospero聚集于将要成为神经节母细胞膜附近卵裂完成时，Numb和Prospero分隔到神经节母细胞中55发育细胞命运的决定第55页A果蝇极颗粒电镜图B果蝇囊胚扫描电镜图果蝇卵子后极有一个颗粒，称为极颗粒或极质。这种极颗粒是生殖细胞形态发生决定物质。这种极颗粒已经被分离出来，它主要由蛋白质和RNA组成。其中组分之一是gel基因转录mRNA。假如将gel基因反义RNA注射到卵子中，发育成胚胎就不能产生出生殖细胞。

56发育细胞命运的决定第56页五、决定或定型可能是开启了主导基因表示

已经有研究证实，有一些基因能够开启和控制一系列下游基因表示。这些基因称为主导基因（mastergene）或选择者基因（selectorgene）。主导基因或选择者基因功效就是选择和控制一套确定细胞类型和区域特异性发育基因。所以，主导基因活化或表示，是开启选择，实现选择以及深入保持特定分化状态关键。细胞命运决定或定型可能就是形态发生决定因子特异性地激活了主导基因，从而确定了这一细胞谱系基因表示程序和分化路线。

57发育细胞命运的决定第57页六细胞谱系与胚胎预定命运图

细胞谱系（celllineage）：从动物受精卵卵裂开始，按照卵裂球世代、位置和特征给予系统符号和名称，以表明它们彼此之间关系，称为细胞谱系。细胞谱系对于了解卵细胞质不均等分布和卵裂球发育命运关系，以及比较不一样动物早期发育之间演化关系，都有主要作用。58发育细胞命运的决定第58页被囊动物胚胎预定命运图（A）及细胞谱系（B）。59发育细胞命运的决定第59页螺细胞谱系60发育细胞命运的决定第60页胚胎预定命运图（embryonicpresumptivefatemap）形成未来器官许多决定物质在动物早期胚胎表面上分布图称为胚胎预定命运图；也称为器官原基分布图。胚胎预定命运图对于研究器官原基决定和发生，细胞分化模式或个体发生基因表示调控模式含有主要指导意义。现在一些模式动物胚胎预定命运图或器官原基分布图已经被绘制出来。

61发育细胞命运的决定第61页母源基因效应：母体基因控制个体早期胚胎发育并决定了胚胎形体发育体轴和胚胎细胞分化大格局。这种现象称为母体效应。母体效应基因作用能够归纳为以下2个方面：1、母体基因在卵子发生过程中已编码好了早期卵裂及发育程序。所以，在卵子受精后去除或破坏合子细胞核，无核受精卵仍能正常发育成囊胚。

2、母体基因决定了胚胎形体发育体轴或胚胎细胞分化大格局62发育细胞命运的决定第62页细胞转决定与再生

在正常发育情况下，细胞分化是不可逆。但在一些特殊情况下（如损伤）偶然也会出现细胞决定状态被终止而代之以另外状态，称为转决定和转分化。转决定是指已定向但还未终末分化细胞改变了它发育程序情况。转分化指已经发生终末分化细胞去分化并进入新发育路径。再生过程中包含了转决定和转分化。如若将水蜥和蝾螈晶状体消除，就会从后面虹膜长出新晶状体。虹膜是视杯和脑衍生物，由一个含黑色素平滑肌细胞组成。再生之前被去分化，黑色素和肌纤维消失，细胞分裂；然后转分化成为能够产生晶状体蛋白晶状体细胞

63发育细胞命运的决定第63页第二节细胞命运经过相互作用渐进特化调整性发育

（regulativedevelopment）

64发育细胞命运的决定第64页调整型决定方式为取决于相邻细胞之间相互作用一个早期胚胎细胞原来含有各种发育命运，但因为胚胎中相邻之间相互影响，使其发育命运受到限制，只能按一定特定路径分化。细胞命运决定于位置而不是细胞家系.假如移去早期胚胎一个卵裂球，胚胎剩下个别则仍能发育为一个完整胚胎。调整性发育（regulativedevelopment）

65发育细胞命运的决定第65页Spemann两栖类试验调整性发育（regulativedevelopment）

胚胎一个组织能够指导另一个相邻组织发育

66发育细胞命运的决定第66页海胆胚胎发育是经典调整型育……67发育细胞命运的决定第67页海胆完全卵裂68发育细胞命运的决定第68页Driesch海胆胚胎分离试验在2细胞期时分裂卵裂球，每个卵裂球都能发育为完整幼虫，首次证实胚胎发育过程中存在调整现象。海胆调整型发育69发育细胞命运的决定第69页Driesch海胆胚胎分离试验：在4细胞期或8细胞期分离卵裂球，细胞也能发育为完整幼虫，只是体积小海胆调整型发育70发育细胞命运的决定第70页Driesch海胆加压试验：将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压，改变第三次分裂面，使第三次卵裂由纬裂变为经裂，然后去掉压力，第四次卵裂为纬裂。经过这种处理可使卵裂球改变原来发育方向，如在正常情况下发育为内胚层细胞现在却在外胚层。海胆调整型发育71发育细胞命运的决定第71页胚胎发育实例72发育细胞命运的决定第72页海胆是无脊椎动物经典调整型胚胎。也显示一些镶嵌性特点。海胆胚胎发育73发育细胞命运的决定第73页海胆卵子不对称性。将8-细胞期胚胎沿赤道分开成动物极和植物极两个别时，两个别都不能发育成完整幼虫。沿动植物极轴将胚胎分为两半，每二分之一均能够发育成外形正常幼虫，但比自然发育幼虫要小。74发育细胞命运的决定第74页SvenHörstadius，1935裂球分离试验：海胆64-细胞期不一样裂球组合后发育，各种组合发育情况不一样。证实海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育。75发育细胞命运的决定第75页Horstandius所表示动物极化梯度76发育细胞命运的决定第76页

该试验结果可用双梯度模型来解释，沿动，植物极轴存在两种形态生成素镜像梯度（浓度），植物极化梯度和动物极化梯度。要形成一个完整机体，这两种生成素都是必需。海胆胚胎正常发育依赖于二者之间适当平衡（比率），而不依赖于它们绝对大小。两个梯度之间不一样组合建立起各种中间状态。77发育细胞命运的决定第77页蛋白质抑制剂如重金属、NaSCN和染料EvansBlue能够减弱植物极化因子作用，从而使胚胎向动物极化方向发育。呼吸抑制剂如CO、KCN、NaN3和锂离子能够减弱动物极化因子作用，从而使胚胎向植物极化方向发育。78发育细胞命运的决定第78页

两栖类是脊椎动物经典调整型胚胎。也显示一些镶嵌性特点。两栖类胚胎发育79发育细胞命运的决定第79页Spemann，1938所表示蝾螈卵裂期核等同性蝾螈受精卵结扎试验用头发将受精卵沿第一次卵裂结扎成2个半球，使细胞核留在其中一个半球中，两半球之间留有一条小缝隙，当有核一侧发育到8细胞时期时，另一侧还未开始分裂，当有核一侧发育到16细胞期时，一个细胞核进入无核一侧，此时，胚胎完全结扎，每一侧发育为一个完整胚胎80发育细胞命运的决定第80页

但当Spemann改变卵子结扎方向时得到了完全不一样结果。81发育细胞命运的决定第81页Spemann推测两个相同试验得出两个截然不一样试验结果原因可能是一些细胞质不均等分配造成。正常情况下，蝾螈卵子受精后，卵子在纳精点对面区域形成灰色新月区。含有灰色新月区裂球才能正常发育。显然，灰色新月区一些物质是胚胎正常发育必不可少。82发育细胞命运的决定第82页两栖类灰色新月精子入卵后，皮层向精子进入方向旋转大约30º，在动物极皮层含大量色素而内层含有少许色素物种中，这一胞质不一样层次相对运动形成了一个在精子进入点对面新月形灰色区域，称为灰色新月。83发育细胞命运的决定第83页两栖动物眼区细胞潜能随发育时期不一样而改变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躯干区，它们将按新部位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躯干区，它们仍将发育为类似于眼结构。胚胎发育早期，细胞发育潜