发育生物学——细胞命运决定讲课讲稿.ppt
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1、发育生物学细胞命运决定动物有机体是由分化细胞动物有机体是由分化细胞(specialized cell)组成组成分化细胞不仅形态多样,而且功能各异分化细胞不仅形态多样,而且功能各异已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的。如果把已特。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。同的组织。已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。在细胞发育过程中,在细胞发育过程中,定型和分化是两个相互关连定型和分化是两个相互关连的过程。的过程。在胚胎早期发育过程中,某一组
2、织或器官的细胞必需先定在胚胎早期发育过程中,某一组织或器官的细胞必需先定型,然后才能向预定的方向发育,也就是分化,形成相应型,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。定型之后,分化方向变得不可逆转。的组织或器官。定型之后,分化方向变得不可逆转。Cell fate:specification and determination 早期胚胎中,卵裂球的发育命运没有决定早期胚胎中,卵裂球的发育命运没有决定(determination)。随着胚胎的发育,不同卵。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
3、为内胚层、中胚层或育命运被确定下来,分化为内胚层、中胚层或外胚层细胞。外胚层细胞。细胞发育命运的决定是一个渐进的过程细胞发育命运的决定是一个渐进的过程两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变胚胎发育早期,细胞的发育潜力更大!胚胎发育早期,细胞的发育潜力更大!原肠胚中眼区将原肠胚中眼区将发育为眼睛。发育为眼睛。将原肠胚中眼区将原肠胚中眼区细胞移植到神经细胞移植到神经胚的躯干区,它胚的躯干区,它们将按新部位的们将按新部位的命运发育为体节命运发育为体节和脊索。和脊索。将神经胚中眼区将神经胚中眼区细胞移植到神经细胞移植到神经胚的躯干区,它胚的躯干区,它们
4、仍将发育为类们仍将发育为类似于眼的结构。似于眼的结构。细胞命运的定型的作用方式细胞命运的定型的作用方式胞质隔离胞质隔离(cytoplasmic segregation):卵裂时,受精卵内特定的细: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。哪一类细胞,细胞命运的决定与临近的细胞无关。自主特化自主特化(autonomous specification)。以细胞自主特化为特点)。以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为的胚胎发育模式称为镶嵌型发育镶嵌型发育(
5、mosaic development),或自主性,或自主性发育,整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。发育,整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。无脊椎动物为主。无脊椎动物为主。Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为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。完全不同的。细胞质中决定因子的定位和细胞不对称分裂使细细胞质中决定因子的定位和细胞不对称分裂使细胞变得不同胞变得不同细胞分裂时母细胞中的某些分子不均等地分配到两个子细胞分裂时母细胞中的某些分子不均等地分配到两个子细胞中,造成子细胞向不同方向分化。细胞
6、中,造成子细胞向不同方向分化。不对称分裂:生成不同的子细胞不对称分裂:生成不同的子细胞细胞质分裂时分配到子细胞质分裂时分配到子细胞质分裂时分配到子细胞质分裂时分配到子细胞中的细胞质不均一细胞中的细胞质不均一细胞中的细胞质不均一细胞中的细胞质不均一,在一定程度上决定了细在一定程度上决定了细在一定程度上决定了细在一定程度上决定了细胞的早期分化。细胞质胞的早期分化。细胞质胞的早期分化。细胞质胞的早期分化。细胞质中决定细胞命运的特殊中决定细胞命运的特殊中决定细胞命运的特殊中决定细胞命运的特殊信号物质称为信号物质称为信号物质称为信号物质称为决定子决定子决定子决定子(determinant)(determ
7、inant)Cell fate determinationCytoplasmic localization and asymmetric cell division:result in daughter cells having properties different from each other;chemical differences distributed in the egg in the form of determinants(mRNA or proteins,Xenopus-VegT,vegetal regions of the fertilized egg)Cell fat
8、e determinationAsymmetric division:stem cell:repeated division-stem cells and differentiate into a variety of cell types;in adult-self renewal;Pluripotent.海鞘不同区域的卵海鞘不同区域的卵细胞质分别与未来细胞质分别与未来胚胎特定的发育命胚胎特定的发育命运相联系。黄色新运相联系。黄色新月区含有黄色细胞月区含有黄色细胞质,称为肌质质,称为肌质(myoplasm),),将来形成肌细胞。将来形成肌细胞。灰色新月区含有灰灰色新月区含有灰色细胞质,将来形
9、色细胞质,将来形成脊索和神经管。成脊索和神经管。动物极部分含透明动物极部分含透明细胞质,将来形成细胞质,将来形成幼虫表皮。灰色卵幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色的黄区含大量灰色的卵黄,将来形成幼卵黄,将来形成幼虫消化道。虫消化道。柄海鞘的镶柄海鞘的镶嵌型发育。嵌型发育。当当8细胞期胚细胞期胚胎中的胎中的4对卵对卵裂球被分离裂球被分离后,每对卵后,每对卵裂球只能发裂球只能发育为部分结育为部分结构。构。海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的镶嵌型发育镶嵌型发育的胚胎还有栉水母的胚胎还有栉水母(tenophores)、环节动物、环节动物(annelids)、线、线虫虫
10、(nematodes)和软体动物(和软体动物(molluscs)等。另一方面,海胆、两栖类和鱼类等动等。另一方面,海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎属于典型的物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎调整型发育胚胎。在。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞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。质中,也存在着形态发生决定子。形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。子细胞质中。形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布,受精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,并在卵裂时分配到时发生运动,被分隔到一定区
11、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(cytoplasmic localization)。胞质定域)。胞质定域也称为胞质隔离(也称为胞质隔离(cytoplasmic segregation)或胞)或胞质区域化(质区域化(cytoplasmic regionalization)或胞质)或胞质重排(重排(cytoplasmic rearrangement)。)。胞质定域胞质定域海鞘(海鞘(Phallusia mammillata)受精时胞质定域的)受精时胞质定域的分离分离表皮决定子表皮决定子表皮决定子表皮决
12、定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部在受精过程中迁移到卵子动物极顶部在受精过程中迁移到卵子动物极顶部在受精过程中迁移到卵子动物极顶部(apical region),(apical region),卵裂时进入动物极裂球中。卵裂时进入动物极裂球中。卵裂时进入动物极裂球中。卵裂时进入动物极裂球中。内胚层决定子内胚层决定子内胚层决定子内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球,卵裂时进入植在受精过程中迁移到卵子植物极半球,卵裂时进入植在受精过程中迁移到卵子植物极半球,卵裂时进入植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。物极裂球中。物极裂球中。物极裂球中。秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主
13、要由秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞卵内细胞质决定质决定,而不是由邻近细胞间相互作用决定。,而不是由邻近细胞间相互作用决定。其胚胎中发现的其胚胎中发现的SKN1蛋白质就很可能是一蛋白质就很可能是一种种“转录因子转录因子”样形态发生决定子。样形态发生决定子。SKN-1可能通过激活可能通过激活P1裂球及其产生的裂球及其产生的EMS和和P2两裂球中的某些特定基因,从而决定它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(到这些裂球中的母源性因子(maternal factor)自主决定。)自主决定。skn
14、-1突变体中肠和咽部的缺陷突变体中肠和咽部的缺陷形态发生决定子的性质形态发生决定子的性质形态发生决定子可能是某些形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质,它们可以激活或抑等生物大分子物质,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。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。蝇中研究较为深入。海鞘胚胎中:海鞘胚胎中:第一类是可以第一类是可以激活某些基因激活某些基因(乙酰胆碱酯酶(乙酰胆碱酯酶基因)基因)转录转录的物质,因为海鞘胚胎中多数组织的物质,因为海
15、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;特异性结构的形成都对转录抑制剂敏感;第二类可能是以第二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一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。定的区域,在卵裂时分布到预定的裂球中。探讨胚胎的决定状态,应对探讨胚胎的决定状态,应对决定细胞发育命运决定细胞发育命运的蛋白质或的蛋白质或mRNA进行分析鉴别,而不是分析进行分析鉴别,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。果蝇极质果蝇极质果蝇生殖质(极质)的组分之一是果蝇生殖质(极质)的组分之一是gcl(germ cell-less)基因转录的)基因
16、转录的mRNA。另一种可能是另一种可能是Nanos蛋白。蛋白。Nanos mRNA蛋白位于蛋白位于卵子后端,卵子后端,Nanos蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏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。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。重要的调控作用。Oskar基因将其基因将其mRNA定位于胚胎定位于胚胎的后极。的后极。至少有至少有8种种母体效应基因母体效应基因(maternal effect gene)的突变会导致
17、果蝇不能形成极质,不能形成生)的突变会导致果蝇不能形成极质,不能形成生殖细胞。殖细胞。A.staufen基因内应在基因内应在oskar基因之前行使功能,并影基因之前行使功能,并影响响oskar基因的表达。基因的表达。B.研究明了的影响果蝇生殖细研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的胞发生的6种基因的作用顺序。种基因的作用顺序。细胞命运的定型的作用方式细胞命运的定型的作用方式胚胎诱导胚胎诱导:胚胎发育过程中,相邻细胞或组织之间通过相互作用,决: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。定其中一方或双方的分化方向。有条件特化有条件特化(conditional spec
18、ification),因为细胞命运取决于与),因为细胞命运取决于与其临近的细胞或组织。以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为其临近的细胞或组织。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调整型发育(regulative development),或依赖型发育。),或依赖型发育。脊椎动脊椎动物为主。物为主。Driesch的海胆胚胎分离发育实验。的海胆胚胎分离发育实验。A,正常长腕幼虫,正常长腕幼虫,B,单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。,单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。海胆的调整型海胆的调整型发育过程中也发育过程中也存在镶嵌式发存在镶嵌式发育的成分。育的成分。半个半个8细胞期海胆胚胎的发
19、育。细胞期海胆胚胎的发育。A,沿赤道面将胚胎分,沿赤道面将胚胎分为两半,为两半,B,沿动植物极轴将胚胎分为两半。,沿动植物极轴将胚胎分为两半。海胆受精海胆受精卵的不对卵的不对称性称性海胆海胆64细胞期胚胎各细胞期胚胎各部分细胞的组合发育部分细胞的组合发育(Horstadius,1939)。)。A,正常发育;,正常发育;B,分,分离的动物半球的发育;离的动物半球的发育;C,动物半球与,动物半球与veg1细细胞的组合发育;胞的组合发育;D,动,动物半球与物半球与veg2细胞的细胞的组合发育;组合发育;E,动物半,动物半球与小卵裂球的组合球与小卵裂球的组合发育。发育。在每一种组合中,都在每一种组合中
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