第六章 细胞的自主特化：形态发生决定子.ppt

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1、第二章第二章 细胞命运的决定细胞命运的决定山东师范大学生命科学学院n n动物有机体是由分化细胞（specialized cell）组成的。n n分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能n n但在早期胚胎中，卵裂球的发育命运是没有决定（determination）的。随着胚胎的发育，不同卵裂球受本身内在因素及环境条件的影响，其发育命运被确定下来，分化为内胚层、中胚层或外胚层细胞。n n细胞的发育命运的决定是一个渐进的过程。两栖类发育过程中眼区发育命运的渐进决定细胞的发育命运、特化和决定。第一节第一节 发育命运图发育命运图n n对每一个卵裂球进行标记，通过追踪不同

2、卵裂球的发育过程，可在囊胚表面划定不同的区域，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n n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。n n特化图（specification map）却可以在一定程度上

3、反映出细胞的分化情况。特化图是将囊胚切成小块，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

4、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。n n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。n n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相当发育阶段的命运图之比较。第二节第二节 胚胎细胞发育命运的决定胚

5、胎细胞发育命运的决定n n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）。已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物，而且行使特异的功能。n n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）。Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。脊椎动物骨骼肌的分化主要特征n n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（specializ

6、ed）了。n n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。n n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。相比之下，已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。n n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：n n第一种方式的细胞定型是通过胞质隔离（cytoplasmic segregation）

7、来实现的。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。Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。n n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。n n柄海鞘8细胞期胚胎卵裂球的发育

8、命运已发生决定。尽管柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型，但实际上不同的卵裂球之间依然存在着相互诱导作用。其外胚层区域直到64细胞期时还没有“神经化”，显然外胚层细胞的发育命运不仅仅是由胞质决定子决定的。海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的分离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柄海鞘的镶嵌型发育。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。海鞘的肌肉细胞谱系n n第二种方式的细胞定型是通过胚胎诱导实现的。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，也就是发育命运。n n初始阶段，细胞可能具有不止一种分化

9、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）。n n对细胞呈有条件特化的胚胎来说，如果在胚胎发育的早期将一个分裂球从整体胚胎上分离，那么剩余的胚胎细胞可以改变发育命运，填补所留下的空缺。以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育（regulative development）。n n海胆的发育是典型的调整型发育。在4细胞期或8细胞期

10、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。n n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。n nHorstadius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

11、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；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两栖动物的调整型发育n nSpemannSpemann（19381938）发现在蝾螈的发育中也存在）发现在蝾螈的发育中也存在调整型发育的情况。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

12、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。n n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。第三节第三节 形态发生决定子形态发生决定子n n形态发生决定子（morphogenetic determinant）也称为成形素（morpho

13、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。n nWhitman对环节动物水蛭（Clepsine）细胞谱系和细胞发育命运作过较为完整的描述。结果表明水蛭肌肉和腹神经索等高度分化的结构是由特定的裂球发育而来，特定的裂球是受精卵根据精确的卵裂方式分裂产生，含有卵子一定区域的细胞质。n n和水蛭胚胎相似，海鞘胚胎也是依据卵内贮存信息进行自我分化的镶嵌体。海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质。不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子，能够使细胞朝一定的方向分化。n n某些海鞘卵细胞质不同区域具有不同的颜色，卵子受精时不同区域的

14、细胞质分配到不同的裂球中。海鞘不同胞质决定子的运动比较n nConklin（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。海鞘不同胞质决定子的镶嵌分布。n nReverberi和Minganti（1946）证明海鞘裂球的发育命运在8细胞期已经决定，此时的裂球分离后能够自我分化。不过神经系统的发育例外，只有当动物极前面一对裂球a4.1和植

15、物极前面一对裂球A4.2配合后，才形成神经组织。n n在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在着裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。Ortolani（1959）证明海鞘外胚层细胞直到64细胞期时尚未定型发育成神经组织。n nWhittaker用玻针反复挤压，使海鞘的分裂沟退化，而形成新的分裂沟，部分肌质即黄色新月区胞质便转移到预定外胚层细胞中。肌质转移到预定非肌细胞后，也能产生肌肉。n n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

16、质组分有关，与细胞核无关。n n海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉水母（ctenophores）、环节动物（annelids）、线虫（nematodes）和软体动物（molluscs）等。另一方面，海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞质中，也存在着形态发生决定子。n n形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。n n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（cytoplasmic localizatio

17、n）。胞质定域也称为胞质隔离（cytoplasmic segregation）或胞质区域化（cytoplasmic regionalization）或胞质重排（cytoplasmic rearrangement）。第四节第四节 胞质定域胞质定域一、海鞘一、海鞘n n在海鞘这样典型的镶嵌型发育的胚胎中，也存在着由细胞之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。n n童第周等（1977）证明，无论供体核是取自海鞘原肠胚的外胚层、中胚层还是内胚层，只要受体卵块所含细胞质相同，那么所发育的胚胎结构就相同。因此，可以推测，肌质等形态发生决定子可能选择性地激活（或抑制）裂球中某些特定基因的表达，从而决定裂

18、球的发育命运。n n表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部（apical region），卵裂时进入动物极裂球中。内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂时进入植物极裂球中。n n海鞘受精卵植物极后端胞质（posterior vegetal cytoplasm，PVC）相当于其余部分细胞质呈“显性”。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。海鞘肌肉、内胚层和表皮三种胞质决定子的运动n n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。n n

19、总之，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同的形态发生决定子，并在卵裂时分配到不同的裂球中。二、软体动物二、软体动物n nWilson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需的全部物质。帽贝成纤毛细胞（trochoblast cell）的分化n n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（pola

20、r 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n n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（trochophore 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。n n壳腺是中胚层细胞诱导

21、外胚层细胞形成的。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的又一例证。n n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。n n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。用细胞松弛素（cytochalasin）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎三、线虫三、线虫n n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。n n生殖细胞决定子在

22、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。n n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）。n n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。n n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

23、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）。n n秀丽新小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。其胚胎中发现的SKN1蛋白质就很可能是一种“转录因子”样形态发生决定子。n nSKN-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。skn-1突变体中肠和咽部的缺陷SKN1在胞质中的定位。SKN1存在于P1细胞谱系中，而不分布于AB细胞谱系。mex

24、1突变体中，SKN1分布于所有裂球中。n n把SKN-1功能限制在4细胞期的EMS裂球中是通过pie-1（pharyngeal and intestinal excess）和mex-1（muscle excess）两个基因的活动来实现的。蛋白质MEX-1和PIE-1可以单独发挥作用。MEX-1在第一次卵裂时使SKN-1不对称地分布于P1卵裂球中，而PIE-1在第二次卵裂时使SKN-1不对称地分布于EMS裂球中。n nSKN-1是MS裂球形成必需的，缺乏SKN-1的胚胎不能产生咽。野生型和突变型胚胎中MS细胞决定模型MEX-1、PIE-1和SKN-1三者的相互作用四、昆虫四、昆虫n n极质和生殖

25、细胞的特化（见第三章）五、两栖类生殖细胞的特化五、两栖类生殖细胞的特化n n林蛙（Rana temporaria）受精卵的植物极皮层区域含有特色特性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。第五节第五节 形态发生决定子的性质形态发生决定子的性质n n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。n n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。n n海鞘胚胎中可能含

26、有两类形态发生决定子。第一类是可以激活某些基因（乙酰胆碱酯酶基因）转录的物质，因为海鞘胚胎中多数组织特异性结构的形成都对转录抑制剂敏感；第二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一定的区域，在卵裂时分布到预定的裂球中。n n探讨胚胎的决定状态，应对决定细胞发育命运的蛋白质或mRNA进行分析鉴别，而不是分析鉴别细胞分化时产生的特异性蛋白质和mRNA。果蝇极质果蝇极质n n果蝇卵子极粒已被分离出来，它主要由蛋白质和RNA组成。n n生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cell-less）基因转录的mRNA。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。

27、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。n n生殖细胞决定子的另一种可能是Nanos蛋白。Nanos mRNA蛋白位于卵子后端，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。n noskar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。n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成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（sterile）的。A.staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B.研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的6种基因的作用顺序。