发育-细胞命运的决定.ppt

1、上海海洋大学,细胞命运的决定,1,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; 细胞分化的实质与分子机制,知识点,2,动物有机体是 由分化细胞（specialized cell）组成的。 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。,3,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,疏松结缔组织的细胞种类,4,5,6,7,8,9,细胞定型和分化,从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（cell differentiation）。细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitme

2、nt）。 已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格的限制。,10,Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。 *当一个细胞或者组织放在中性环境（neutral environment）如培养皿中可以自主分化时，就可以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可以自主分化时，可以说这个细胞或组织已经决定（determined）。,11,已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的 。如果把已特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化成不同的组织。 已决定的细胞或组织的发育

3、命运是不可逆的。如果把已决定的细胞或者组织移植到胚胎的不同部位，它只会分化为同一种组织。,12,Fate of cells: 指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变(see next slide)。 Determination: 指细胞特性发生了不可逆的改变，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,细胞命运（cell fate）的决定,14,细胞有自己发育的命运！ 基因组中那些基因将使用，哪些基因不使用，其差异表达程序是在细胞决定过程中设计好了的。,冥冥之中 自有天意,15,细胞发育命运（f

4、ate）的决定（determination）是指细胞的发育 命运发生了稳定的不可改变的变化。,16,细胞命运的决定方式 A 决定于胞质决定因子 （cytoplasmic determinants），这种胚胎发育方式称为嵌合型发育 B 决定于相邻细胞的相互作用，这种胚胎发育方式称为调整型发育 所有的动物一般都有同时具有镶嵌型和调整型两种发育方式，只不过在不同的动物中的侧重点不同,17,第一节 细胞命运通过形态 发生决定子自主特化,嵌合型发育（mosaic development）,18,形态发生决定子,形态发生决定子（morphogenetic determinant）也称为成形素（morpho

5、gen）或胞质决定子（cytoplasmic determinant），其概念的形成源于对细胞谱系的研究。,19,形态发生决定子的性质,一般认为形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞的分化方向。 形态发生决定子的性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。,20,卵质的不同成分即不同的胞质决定因子（红色点）被分割到不同的子细胞中，不同的细胞由于具有不同的的卵质成分，因而具有不同的发育潜能，最后其发育命运不同。即不对称分裂导致细胞的不同命运。,嵌合型发育（mosaic development）,21,不对称分裂导致细胞的不同命运

6、， 形成不同的细胞家系（cell lineage）,嵌合型发育（mosaic development）,22,嵌合型发育是指由胞质决定因子（cytoplasmic determinants）决定细胞的命运的发育方式。 每个细胞有自发的分化。细胞的命运决定于细胞自身的家系而不是位置。 如果将一个发育早期胚胎的某一个卵裂球去掉，则这个胚胎将会发育为一个不完整的胚胎。,嵌合型发育（mosaic development）,23,柄海鞘是典型的镶嵌型发育,24,柄海鞘的胚胎分离实验: 当8细胞期胚胎中的4对卵裂球被分离后，每对卵裂球只能发育为部分结构。,柄海鞘的镶嵌型发育,25,柄海鞘受精卵的细胞质根据

7、所含色素不同可分为四个不同的区域： 动物极部分含透明的细胞质； 植物极部分靠近赤道处有两个彼此相对排列的新月区，一个是呈浅灰色的灰色新月区，和一个呈黄色的黄色新月区； 植物极的其他部分含灰色卵黄，为灰色卵黄区。,26,用卵裂球分离的方式证明：每个卵裂球都负责产生幼虫的一定的组织。当特定的卵裂球分离下来后，由这些卵裂球负责产生的结构在幼虫中便不复存在。而被分离下来的卵裂球，虽然已与胚胎其它卵裂球失去联系，但仍能形成在整体中他负责产生的结构。因此，海鞘每个卵裂球都是可以自主发育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分构成的镶嵌体。,27,实验结果表明： 黄色新月区含有黄色细胞质，将来形成肌肉细胞，称为肌

8、细胞质（myoplasm）。 灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。 动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。 灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫的消化道,28,用玻璃针反复挤压海鞘B4.1卵裂球，使分裂沟退化。随后在更靠近植物极的区域重新形成分裂沟。用玻璃针沿新形成的分裂沟将卵裂球分离下来，这样动物极的B4.2卵裂球便含有了部分肌细胞质（黄色新月区细胞质）。如此，本来只形成表皮的B4.2卵裂球的后代细胞也能形成肌细胞。 通过显微注射的方法，将B4.1卵裂球中的肌细胞质移植到预定的非肌肉细胞中，也能使其形成肌细胞。,29,童第周等在海鞘卵子受精后20分钟，把受精卵一分为二。

9、用其中无核的卵块作受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层细胞的细胞核移植到受体中。 结果：无论移植的细胞核来自哪一个胚层，所形成的组织结构总是和无核卵块中所含有的细胞质组分有关。 说明海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有的细胞质形态决定子决定，而不是由细胞核的来源决定。,30,这些观察结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不同的细胞质区域含有特殊的形态发生决定子。卵裂时，这些组分被准确地分布到胚胎的一定部位，通过调控不同基因的表达而决定细胞的分化方向。 呈典型的镶嵌型胚胎发育动物卵子还有果蝇、栉水母、环节动物，线虫和软体动物等。在这些典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中。都存在着形态发生决定

10、子。,31,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的裂球中，决定裂球的发育命运。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,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的刺激发生反应。因此，AChE可以作为海鞘肌细胞分化的特异性标记。 根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，确实可以形成肌组织，AChE染色呈阳性； 余下的6个裂球：分离下来单独培养后发育的胚胎不形

11、成肌肉，也检测不到AChE活性。,（一）海鞘,33,海鞘分裂球的决定谱系,34,海鞘的肌肉细胞谱系,自主肌肉特化,有条件肌肉特化,35,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。 不同时期海鞘胚胎AChE活性测定发现： 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。 实验结果表明：在细胞松弛素处理的胚胎中，形成AChE的裂球与按细胞谱系推测含有肌质的裂球完全吻合。而且形成AChE的时间也和正常胚胎完全一致。 结论：海鞘卵中的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。

12、,细胞松弛素B抑制实验,36,海鞘的三种组织胞质决定子的运动比较,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,海鞘受精卵植物极后端胞质（PVC）相对于其余部分细胞质呈“显性”。 去除卵子植物极后端大约10%的细胞质，则多数胚胎只形成幼虫前端结构，缺乏前后轴。 把一个受精卵的PVC移植到另一个去除PVC的受精卵的前端，受体卵原来的前端便发育成新的后端，而原来的后端（去除了PVC）则发育为前端。 结论：海鞘胚胎后端的发育命运由卵细胞质中特定的胞质决定子决定。而前端的发育命运则由缺乏PVC所决定。 总结：海鞘卵子受精时，卵质发生运动，产生独特的胞质区域；不同的胞质区域含有不

13、同的形态发生决定子，并在卵裂时分配到不同的裂球中。,海鞘胚胎前后轴决定与胞质定域,38,Wilson把帽贝（Patella coerulea）早期裂球分离，发现分离裂球的发育命运、分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎内的相同裂球一样。 分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式所必需的全部物质，而且还含有不依赖于胚胎其他细胞而进行自我分化所必需的全部物质。,（二）软体动物：极叶和中胚层，背-腹轴的决定,39,帽贝成纤毛细胞的分化,40,某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极叶（polar lobe）。 第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二

14、次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，此后极叶的出现就不明显了。 极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部物质流动所引起的。,极 叶,41,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,软体动物的极叶,A，第一次卵裂前极叶的扫描电镜照片； B，三叶期胚胎的极叶。,43,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的决定子。 原因：去除极叶，剩下的裂球虽然能正常分裂，但是不能形成正常的幼虫，而是发育成缺乏中胚层器官肌肉和壳腺的幼虫。 壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚层不存在

15、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的又一例证。,极 叶,44,存在于极叶中的形态发生决定子可能和卵子皮质有关。 证据： 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，结果发育的胚胎仍缺乏中胚层结构； 用微吸管吸除极叶中胞质后，卵子其它部分的细胞质流入极叶，结果胚胎也可以正常发育； 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：卵子可扩散的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部分细胞骨架上。,极叶中形态发生决定子,45,极叶还含有决定胚胎背-

16、腹轴形成的物质。 用细胞松弛素处理角贝正在分裂的受精卵，抑制极叶形成，吸取细胞松弛素后，处理过的受精卵分裂成两个大小一样的裂球，它们在下一次分裂前都形成极叶。这样一来，极叶物质便在第一次卵裂时被同时分配到两个裂球之中；由此形成的幼虫是一对孪生胎，彼此以腹部相连。,极叶中背-腹轴决定物质,46,最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等的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的裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。,三、线虫,47,副蛔虫第一次卵裂形成的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的染色体。 第二次卵裂形成的两个植物极裂球开

17、始都有正常数目的染色体，后来靠近动物极裂球的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的裂球含有全数染色体（全套基因）。 全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。,副蛔虫,48,副蛔虫受精卵卵裂实验,副蛔虫正常受精卵（A）分裂时生殖质的分布。,生殖质,染色体消减,干细胞（1个）,无染色体消减,49,生殖质,据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有某些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定有关裂球形成生殖细胞。 副蛔虫卵子植物极胞质中所含的能决定生殖细胞形成的物质叫生殖质（germ plasm）。,50,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

18、不是由邻近细胞间相互作用决定。 发育过程中，转录因子可以进入特定裂球的细胞核，激活或抑制特定基因表达，从而决定细胞命运。 秀丽隐杆线虫胚胎中发现的SKN1蛋白质就很可能是一种“转录因子”样形态发生决定子。,51,SKN-1,SKN-1来自母体，具有与DNA结合的特征序列，能调节形成咽的EMS裂球的命运。 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裂球分离后可以形成咽细胞； 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裂球具有形成咽的潜能。 结论：咽部细胞命运可以通过分离到 这些裂球中的母源性

19、因子（maternal factor）自主决定。,52,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大部分进入P1卵裂球的细胞核中，少量进入AB裂球的细胞核中； 第二次卵裂后，P1产生的EMS和P2两个裂球的细胞核中都有SKN-1。 SKN-1能激活P1裂球及其产生的EMS和P2两裂球中某些特定基因，从而决定它们的发育命运。,53,（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同的两个类型的细胞：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（分裂产生的细胞为预定分化为神经元的

20、细胞）。,54,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的附近,卵裂完成时，Numb和Prospero分隔到神经节母细胞中,55,A 果蝇极颗粒电镜图 B 果蝇囊胚扫描电镜图,果蝇卵子的后极有一种颗粒，称为极颗粒或极质。这种极颗粒是生殖细胞的形态发生决定物质。 这种极颗粒已经被分离出来，它主要由蛋白质和RNA组成。其中的组分之一是gel基因转录的mRNA。 如果将gel基因的反义RNA注射到卵子中，发育成的胚胎就不能产生出生殖细胞

21、。,56,五、决定或定型可能是启动了主导基因的表达 已有的研究证明，有一些基因能够启动和控制一系列下游基因的表达。这些基因称为主导基因（master gene）或选择者基因（selector gene）。 主导基因或选择者基因的功能就是选择和控制一套确定细胞类型和区域特异性发育的基因。因此，主导基因的活化或表达，是启动选择，实现选择以及进一步保持特定分化状态的关键。 细胞命运的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的基因表达程序和分化路线。,57,六 细胞谱系与胚胎预定命运图 细胞谱系（cell lineage）：从动物受精卵的卵裂开始，按照卵裂球的世

22、代、位置和特征给予系统的符号和名称，以表明它们彼此之间的关系，称为细胞谱系。 细胞谱系对于了解卵细胞质的不均等分布和卵裂球发育命运的关系，以及比较不同动物早期发育之间的演化关系，都有重要的作用。,58,被囊动物胚胎预定命运图（A）及细胞谱系（B）。,59,螺的细胞谱系,60,胚胎预定命运图（embryonic presumptive fate map） 形成未来器官的许多决定物质在动物早期胚胎表面上的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的决定和发生，细胞的分化模式或个体发生的基因表达调控模式具有重要的指导意义。 现在一些模式动物的胚胎预定命运图或器官

23、原基分布图已经被绘制出来。,61,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的体轴和胚胎的细胞分化大格局。这种现象称为母体效应。 母体效应基因的作用可以归纳为如下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的程序。因此，在卵子受精后去除或破坏合子细胞核，无核的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的体轴 或胚胎的细胞分化大格局,62,细胞的转决定与再生 在正常发育情况下，细胞分化是不可逆的。但在某些特殊情况下（如损伤）偶尔也会出现细胞的决定状态被终止而代之以另外的状态，称为转决定和转分化。 转决定是指已定向但尚未终末分化的细胞改变了它

24、的发育程序的情况。 转分化指已经发生终末分化的细胞去分化并进入新的发育途径。 再生的过程中包含了转决定和转分化。如若将水蜥和蝾螈的晶状体消除，就会从背面的虹膜长出新的晶状体。虹膜是视杯和脑的衍生物，由一种含黑色素的平滑肌细胞组成。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的晶状体细胞,63,第二节 细胞命运通过相互作用渐进特化,调整性发育 （regulative development）,64,调整型决定方式为取决于相邻细胞之间相互作用 一个早期的胚胎的细胞本来具有多种发育命运，但由于胚胎中相邻之间相互影响，使其发育命运受到限制，只能按一定特定的途径分化。

25、 细胞命运决定于位置而不是细胞的家系. 如果移去早期胚胎的一个卵裂球，胚胎剩余的部分则仍能发育为一个完整胚胎。,调整性发育（regulative development）,65,Spemann 两栖类实验,调整性发育 （regulative development）,胚胎的一种组织可以指导另一种相邻组织的发育,66,海胆的胚胎发育是典型的调整型育,67,海胆的完全卵裂,68,Driesch海胆胚胎分离实验 在2细胞期时分裂卵裂球，每个卵裂球都能发育为完整的幼虫，首次证实胚胎发育过程中存在调整现象。,海胆的调整型发育,69,Driesch的海胆胚胎分离实验：在4细胞期或8细胞期分离卵裂球，细胞也

26、能发育为完整的幼虫，只是体积小,海胆的调整型发育,70,Driesch 的海胆加压实验：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。通过这种处理可使卵裂球改变原来的发育方向，如在正常情况下发育为内胚层的细胞现在却在外胚层。,海胆的调整型发育,71,胚胎发育实例,72,海胆是无脊椎动物的典型调整型胚胎。也显示某些镶嵌性的特点。,海胆的胚胎发育,73,海胆卵子的不对称性。 将8-细胞期胚胎沿赤道分开成动物极和植物极两部分时，两部分都不能发育成完整幼虫。 沿动植物极轴将胚胎分为两半，每一半均可以发育成外形正常的幼虫，但比自然发育的幼

27、虫要小。,74,Sven Hrstadius，1935的裂球分离实验：海胆64-细胞期不同裂球组合后的发育，各种组合的发育情况不同。证明海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育,。,75,Horstandius所示的动物极化梯度,76,该实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的镜像梯度（浓度），植物极化梯度和动物极化梯度。要形成一个完整的机体，这两种生成素都是必需的。 海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡（比率），而不依赖于它们的绝对大小。两个梯度之间的不同组合建立起各种中间状态。,77,蛋白质抑制剂如重金属、NaSCN和染料Evans Blue可以减弱植物极化因子的作用

28、，从而使胚胎向动物极化方向发育。 呼吸抑制剂如CO、KCN、NaN3和锂离子可以减弱动物极化因子的作用，从而使胚胎向植物极化方向发育。,78,两栖类是脊椎动物的典型调整型胚胎。也显示某些镶嵌性的特点。,两栖类的胚胎发育,79,Spemann，1938 所示的蝾螈卵裂期的核等同性,蝾螈受精卵结扎实验 用头发将受精卵沿第一次卵裂结扎成2个半球，使细胞核留在其中的一个半球中，两半球之间留有一条小缝隙，当有核的一侧发育到8细胞时期时，另一侧还未开始分裂，当有核的一侧发育到16细胞期时，一个细胞核进入无核的一侧，此时，胚胎完全结扎，每一侧发育为一个完整的胚胎,80,但当Spemann改变卵子的结扎方向时

29、得到了完全不同的结果。,81,Spemann推测两个相似的实验得出两个截然不同的实验结果的原因可能是某些细胞质不均等的分配造成的。 正常情况下，蝾螈的卵子受精后，卵子在纳精点对面区域形成灰色新月区。含有灰色新月区的裂球才能正常发育。显然，灰色新月区的某些物质是胚胎正常发育必不可少的。,82,两栖类的灰色新月 精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为灰色新月。,83,两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变,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的躯干区，它们将按新部