第2讲_细胞命运的决定

1、第二章 细胞命运的决定,毕可然 ,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。,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,大鼠脾脏的树突状细胞,部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能,在胚胎早期发育卵裂过程中，卵裂球所含细胞质成分不同，最终导致分化的方向发生了变化。,why,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，将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(commitment)。Sl

2、ack(1991)建议将定型分为特化(specification)和决定(determination)两个时相。,细胞的发育命运的决定是一个渐进的过程。,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已经特化(specialized)了。 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织已经决定(determined)了。,特化的细胞或组织环境改变后可按发育命运发育,在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关连的过程。在胚胎早期发育过程中，某一组织或器官的原基(anlage)首先必需获得定型，然后才

3、能向预定的方向发育，也就是分化，形成相应的组织或器官。,胚胎细胞的定型有两种主要方式：,胞质隔离(cytoplasmic segregation):卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。这种定型方式称为自主特化(autonomous specification)。以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育(mosaic development)，或自主性发育，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。,胚胎诱导：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的分化方向或发育命运。 胚

4、胎发育初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜能，和邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方向分化。细胞命运的这种定型方式称为有条件特化(conditional specification)或渐进特化(progressive specification)或依赖型特化(dependent specification) 。,第一节 细胞命运通过形态发生决定子自主特化,柄海鞘的发育为一种典型的镶嵌型发育，其卵裂球的发育命运是由细胞质中储存的卵源性形态发生决定子决定的。柄海鞘8细胞期胚胎卵裂球的发育命运已发生决定。,海鞘的三种组织的决定子运动之比较,海鞘分裂球的决定谱系,海鞘

5、的肌肉细胞谱系,柄海鞘镶嵌型发育。 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。,我国学者童第周（1977）在海鞘卵子受精后把受精卵一分为二。其中一个无核卵块作为受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层的细胞核移植到受体中。结果所形成的组织总是和无核卵块含有的细胞质组分有关，与细胞核无关。,二：软体动物 Wilson把帽贝（Patella coerulea）早期裂球分离，发现分离裂球不仅发育命运而且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

6、需的全部物质。,帽贝成纤毛细胞（trochoblast cell）的分化,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。,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。,Dentalium卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次,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担轮幼虫（trochophor

7、e larva），而是发育成缺乏中胚层器官肌肉、口、壳腺和足的幼虫。因此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。,用细胞松弛素（cytochalasin ）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎,存在于极叶中的形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架上，卵子可扩散的细胞质（diffusible cytoplasm）不含形态发生决定子。 极叶还含有决定胚胎背腹轴形成的物质。极叶对软体动物正常发育十分重要，但迄今为止，仍不清楚其作用机制。,三：线虫 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

8、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。,副蛔虫(马蛔虫，Parascarisaequorum)第一次卵裂形成的动物极裂球发生染色体消减(chromosome diminution)，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。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。,副蛔虫正常受精卵（A）和经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。,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

9、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)。,秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质可能含有“转录因子”样形态发生决定子SKN1蛋白质。 SKN-1可能通过激活P1裂球及其产生的EMS和P2两裂球中的某些特定基因，从而决定它们的发育 命运。咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（maternal factor）自主决定。,SKN1在胞质中的定位。SKN1存在于P1细胞谱系中。mex1突变体中，SKN1分布于所有裂球中。,skn-1突变体中肠和咽部的缺陷,四、昆虫不育基因研究 果蝇的极质（生殖质）：gcl

10、基因（germ cell-less）。野生型gcl基因在果蝇卵巢的营养细胞中转录，通过环管（ring canal）运至卵子中。gcl mRNA一旦进入卵子，便进一步迁移到卵子的最后端，定位于称为极质的细胞质中。,Nanos基因。位于卵子后端，Nanos蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的极细胞不能迁移到生殖腺中，因而不能发育成生殖细胞。 oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。,有些母体效应基因（maternal effect gene）的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。 至少有8种基因的突变会导致果蝇不能形

11、成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（sterile）的。,五、两栖类生殖细胞的特化 林蛙（Rana temporaria）受精卵的植物极皮层区域含有和果蝇卵中极质类似的物质，在发育过程中流入少数几个预定内胚层细胞，最终迁移到生殖嵴内。用UV照射卵子植物极产生的蝌蚪缺乏生殖细胞，移植植物极细胞可使受体胚胎发育成的蝌蚪是能育的。,第二节、细胞命运通过相互作用渐进特化,胚胎诱导：胚胎一部分细胞对邻近另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用。,种质学说：Weismann假定染色体由各种能决定细胞发育命运的核决定子组成。受精卵分裂时，虽然每个裂球内都分配有相同数目的染色体，但只接受了部分核决定子，

12、所以只发育成身体的某一特定部分。仅预定生殖细胞接受全部的核决定子，能将亲代性状传递给子代，并保持物种的稳定性。,将组成有机体的细胞分为：体细胞和生殖细胞 体细胞从生殖细胞发育而来，随个体的死亡而死亡 生殖细胞是世代相传、永生的，不受体细胞和环境的影响,海胆扰乱卵裂过程实验： 4c放在两块玻璃片之间轻压，使第3次卵裂由纬裂变为经裂，仍发育正常 说明；裂球在整体胚胎中的相对位置，可以决定其发育结果,海胆的发育是典型的调整型发育。在4细胞期或8细胞期分离卵裂球，细胞也能发育为完整的幼虫，只不过幼虫体积较小。其每一个卵裂球在被分离后，都能调整自身的发育，以形成一个完整的机体。,海胆各卵裂球的发育命运图

13、,Driesch的海胆胚胎分离发育实验。A，正常长腕幼虫，B，单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。,海胆胚胎除了具有典型的调整型发育特点之外，也显示出某些镶嵌型的特点。如果将胚胎沿原先的赤道面分隔为两半，则两部分都不能发育为完整的幼虫。 Horstadius进行了胚胎学史上的一个最引人注目的实验，他首先研究了海胆64细胞期胚胎每一层细胞的发育潜能。,海胆的调整型发育过程中也存在镶嵌式发育的成分。,半个8细胞期海胆胚胎的发育。A，沿赤道面将胚胎分为两半，B，沿动植物极轴将胚胎分为两半。,海胆受精卵的不对称性,海胆64细胞期胚胎各部分细胞的组合发育（Horstadius, 1939）。 A，正常发育；

14、B，分离的动物半球的发育；C，动物半球与veg1细胞的组合发育；D，动物半球与veg2细胞的组合发育；E，动物半球与小卵裂球的组合发育。 在每一种组合中，都有细胞相互作用而改变原定的发育命运的现象。,-catenin决定海胆植物极细胞的发育命运。,两栖动物的调整型发育 Spemann（1938）发现在蝾螈的发育中也存在调整型发育的情况。,蝾螈受精卵的结扎实验说明两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传上的等同性（genetically identical）。,两栖动物卵的不对称性。 改变结扎的方向，沿未来的背腹轴将受精卵结扎，只有含有灰色新月区细胞质的背侧半球能发育成完整胚胎。说明灰色新月区对胚胎发育是

15、不可缺少的。两栖类动物的胚胎发育也具有镶嵌发育的特点。,一般来说，在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，细胞有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过程中则相反，主要是细胞有条件特化在发生作用，细胞自主特化次之。,Conklin（1905）通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现：不同区域的卵细胞质分别与未来胚胎特定的发育命运相联系。黄色新月区含有黄色细胞质，称为肌质（myoplasm），将来形成肌细胞。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，将来形成幼虫消化道。,两栖类发育调控,胚胎细胞的渐进决定： H

16、ans Spemann 蝾螈胚胎,实验一：蝾螈卵裂期的核等同性,实验二：含灰色新月的裂球才能正常发育,实验三：细胞移植互换实验：早期原肠胚：依赖型发育； 晚期原肠胚：自主型发育,二、初级胚胎诱导,由脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织,背唇（组织者）移植实验次生胚胎,亨氏结诱导形成新胚轴,初级胚胎诱导的过程： 第一阶段：受精时，在精子入卵点的对面，植物极裂球被激活构成Nieuwkoop中心。 第二阶段：Nieuwkoop中心的细胞后裔诱导其上的细胞形成Spemann-Mangold组织者（背唇）；其余植物极细胞诱导其上面的缘区细胞形成侧面和腹面中胚层。,第三阶段：组织者把相连的中胚层变成背部

17、中胚层（脊索、体节），由脊索诱导外胚层形成神经组织 第四阶段：使神经组织出现区域性特征（各部脑、脊髓）,作用机制,Nieuwkoop中心能激活上面中胚层细胞中一组编码转录因子的基因。,囊胚期：灰色新月下的背部植物极裂球形成Nieuwkoop中心，释放第一套信号（如：Vg1和活化素等） Nieuwkoop中心激活背唇细胞的goosecoid Goosecoid蛋白，使细胞发生运动，产生背唇，启动原肠作用。,XANF-1控制背唇深层细胞的迁移，并使其分化成为组织者 Noggin的表达区域在预定前端神经板和后端内胚层细胞中,发育命运图,对每一个卵裂球进行标记，通过追踪不同卵裂球的发育过程，可在囊胚表

18、面划定不同的区域，显示每一区域细胞的发育趋向，这样的分区图称为发育命运图（fate map）。,爪蟾早期胚胎发育命运图的确定。荧光标记的C3裂球在尾芽期胚胎中形成一侧的中胚层细胞。,爪蟾晚期囊胚的发育命运图 上：侧面观，外胚层形成上皮和神经系统，沿着背腹轴的带状区域为中胚层，由它形成脊索、体节、心脏、肾和血液。爪蟾中胚层表面还覆盖有一薄层外胚层。 下：囊胚背面观,命运图并不是表示早期胚胎中各区域的细胞发育命运已经确定了，它在很大程度上反映的是胚胎在继续发育过程各区域细胞的运动趋势，并不是细胞的分化情况。 特化图（specification map）却可以在一定程度上反映出细胞的分化情况。特化图

19、是将囊胚切成小块，每小块分别在简单培养基中培养，观察它们形成哪一种组织。特化图与命运图之间有很大程度的相似性，但在外胚层和中胚层存在很大的差别。,爪蟾晚期囊胚的特化图 外胚层区细胞还没有分化为预定神经细胞，中胚层区细胞还没有分化为预定肌肉细胞。,爪蟾囊胚命运图和特化图的比较。脊索的命运图和特化图基本相当，其他中胚层区的特化还没有发生，来自Spemman组织者以及腹方的信号将发挥作用。,鸡胚的早期胚盘，示后缘区。 鸡胚的绝大部分由后缘区（posterior marginal zone）发育而来。在早期胚盘中所占的比例很小，命运图的绘制非常困难。,鸡胚原条完全形成时的命运图。 只有在原条形成以后，其命运图才显得较为明确。,小鼠晚期原肠胚的命运图（背面观），原条已经完全形成。,斑马鱼早期原肠胚的命运图。 植物半球为不分裂的卵黄细胞，其上为胚盘，3个胚层来源于该胚盘。此时部分内胚层细胞已迁入胚胎内。,不同脊椎动物命运图中各胚层所在区域及原肠运动时细胞内移位点具有很强的相似性，主要差别在于不同的卵子卵黄含量不一样，而使得卵裂的类型和胚胎的形状彼此不同。 命运图的相似性意味着不同动物可能有相同的细胞分化机制。当然命运图不能反映出早期胚胎细胞的全部潜能，此时脊椎动物的胚胎仍然有很强的发育调整能力。,脊椎动物胚胎在各自