第一章细胞命运的决定课件

第一篇 发育生物学基本原理第一篇 发育生物学基本原理1第一章 细胞命运的决定多细胞生物是由多种类型的分化细胞组成的，发育的过程同时也是不断进行细胞分化的过程细胞分化：细胞表型多样化和功能多样化产生的过程 细胞命运：细胞命运：指正常发育情况下细胞将发育的方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向，这种方向可因条件的改变而改变第一章 细胞命运的决定多细胞生物是由多种类型的分化细胞组成2细胞定型与分化细胞定型与分化细胞定型（cell commitment）-细胞在表现出明显的形态和功能变 化之前，将发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝特定方向发展的过程（一）、定型的两个时相（一）、定型的两个时相1、特化（specification）-当一个细胞或组织放在中性环境(如培养 皿中培养)可以自主分化时，那么这个细胞或组织被认为是命运已 经特化了。此类细胞发育命运是可变的2、决定（determination）-当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可 以自主分化时，那么这个细胞或组织被认为是命运已经决定了。此类细胞的发育命运是不可逆的细胞命运决定？细胞特性发生了不可逆的改变，细胞特性发生了不可逆的改变，细胞特性发生了不可逆的改变，细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。发育潜力已经单一化。发育潜力已经单一化。发育潜力已经单一化。（一）、定型的两个时相细胞命运决定？细胞特性发生了不可逆的改3第一章细胞命运的决定课件4（二）、定型的两种方式1、自主特化（autonomous specification）-细胞发育命运完全由内部细胞质组分决定的细胞定型方式。通过胞质隔离实现胞质隔离 cytoplasmic segregation -受精卵内特定的细胞质，随着卵裂被分配到特定的裂球中，这些特殊细胞质将决定裂球的发育命运，与邻近细胞无关。镶嵌型发育（mosaic development），自主型发育 -以自主特化为特点的胚胎发育模式以自主特化为特点的胚胎发育模式 （栉水母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘）（栉水母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘）（二）、定型的两种方式52、渐进特化（依赖型特化dependent specification）-细胞的定型分化依赖于周围的细胞或组细胞的定型分化依赖于周围的细胞或组织。同一种细胞可能因在不同的细胞或组织环境中，织。同一种细胞可能因在不同的细胞或组织环境中，命运不同；命运不同；通过胚胎诱导实现胚胎诱导 Embryonic induction -胚胎发育中，一部分细胞或组织对其邻胚胎发育中，一部分细胞或组织对其邻近的另一部分细胞或组织产生影响，并决定其分化方近的另一部分细胞或组织产生影响，并决定其分化方向（命运）的作用向（命运）的作用调整型发育（regulative development）-以细胞依赖型特化为特点的胚胎发育以细胞依赖型特化为特点的胚胎发育 模式（海胆、两栖类、鱼类等）模式（海胆、两栖类、鱼类等）2、渐进特化（依赖型特化dependent specific6细胞定型方式及其特点 自主特化 依赖型特化1 1、多数无脊椎动物具有、多数无脊椎动物具有 所有脊椎动物及少数无脊椎动物所有脊椎动物及少数无脊椎动物2 2、细胞命运由其所获得的卵内、细胞命运由其所获得的卵内 细胞命运由细胞之间相互作用决细胞命运由细胞之间相互作用决 特定的细胞质组分决定特定的细胞质组分决定 定，细胞的相对位置颇为重要定，细胞的相对位置颇为重要3 3、卵裂方式不可改变、卵裂方式不可改变 卵裂方式可以改变卵裂方式可以改变4 4、裂球发育命运一般不可改变、裂球发育命运一般不可改变 裂球的命运可改变裂球的命运可改变5 5、细胞特化发生在胚胎细胞、细胞特化发生在胚胎细胞 大量的细胞重排和迁移发生在大量的细胞重排和迁移发生在 大量迁移之前大量迁移之前 细胞特化之前或与细胞特化相伴细胞特化之前或与细胞特化相伴6 6、产生、产生“镶嵌型镶嵌型”发育发育 产生产生“调整型调整型”发育发育注：一般两种细胞定型同时存在于胚胎发育中，但不同动物两注：一般两种细胞定型同时存在于胚胎发育中，但不同动物两 种方式发挥作用的程度不同种方式发挥作用的程度不同细胞定型方式及其特点7一、形态发生决定子Morphogenetic determinant-胚胎细胞中存在的决定细胞发育命运的物质。又称成形素（morphogen）或胞质决定子（cytoplasmic determinant）大量研究证明，不论是以镶嵌型发育为主还是以调整型发育为主,形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中胞质定域 Cytoplasmic localization：形态发生决定子在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，被分割到一卵细胞质中呈一定形式分布，受精时发生运动，被分割到一定区域，进而进入不同的分裂球中决定分裂球发育命运的现定区域，进而进入不同的分裂球中决定分裂球发育命运的现象。象。第一节 细胞命运通过形态发生决定子自主特化一、形态发生决定子Morphogenetic determi81、黄色新月与海鞘肌肉形成、黄色新月与海鞘肌肉形成Chabry 1887，将海鞘分裂球分离后培养：海鞘每个裂球都可以自主发育，海鞘胚胎好像是由能自我分化的各部分相加构成的镶嵌体。海鞘裂球的发育命运在海鞘裂球的发育命运在8 8细胞期已决定，细胞期已决定，分离后能够自我分化。但神经系统的发分离后能够自我分化。但神经系统的发育需分裂球之间的相互诱导。育需分裂球之间的相互诱导。黄色新月含有调节肌肉细胞特异基因表达的卵质决定子 1、黄色新月与海鞘肌肉形成黄色新月含有调节肌肉细胞特异基因表92、极叶与软体动物中胚层形成、极叶与软体动物中胚层形成极叶-卵裂时细胞质向植物极迁移集中而成的细胞质突起。卵裂时细胞质向植物极迁移集中而成的细胞质突起。环节、软体动物在卵裂早期均有极叶产生环节、软体动物在卵裂早期均有极叶产生极叶极叶 与中胚层形成（肌肉和壳腺）密切相关。与中胚层形成（肌肉和壳腺）密切相关。3 3叶期切除极叶，剩余叶期切除极叶，剩余部分正常发育，但缺失部分正常发育，但缺失中胚层结构。中胚层结构。如果吸除极叶区胞质，如果吸除极叶区胞质，胚胎发育正常；胚胎发育正常；将极叶胞质吸取并注射将极叶胞质吸取并注射到到B细胞中，未见细胞中，未见B细细胞产生中胚层结构。胞产生中胚层结构。推测：推测：形态发生决定子形态发生决定子可能位于该区域皮质部可能位于该区域皮质部的胞质或细胞骨架上的胞质或细胞骨架上2、极叶与软体动物中胚层形成3叶期切除极叶，剩余部分正常发育10帽贝纤毛细胞预定成纤毛细胞16细胞细胞纤毛幼虫动物极观纤毛幼虫动物极观48细胞细胞分离的裂球中已经含有决定自身分离的裂球中已经含有决定自身发育命运、分裂节奏和卵裂模式发育命运、分裂节奏和卵裂模式的细胞质的细胞质帽贝纤毛细胞预定成纤毛细胞16细胞纤毛幼虫动物极观48细胞分113、生殖质与生殖细胞生殖质（极质，生殖质（极质，P颗粒）：含有生殖细胞决定子的细胞质，颗粒）：含有生殖细胞决定子的细胞质，获得生殖质的卵裂球将形成原生殖细胞获得生殖质的卵裂球将形成原生殖细胞（1）线虫：副蛔虫）线虫：副蛔虫 Parascaris aequorum 染色体消减（chromosome diminution）-卵裂时，染色体卵裂时，染色体不同程度丢失在细胞质中的现象不同程度丢失在细胞质中的现象染色质消减者染色质消减者体细胞；染色质不消减者体细胞；染色质不消减者原生殖细胞原生殖细胞正常离心改变第1次裂面位置植物极处含有抑制植物极处含有抑制染色体消减的细胞染色体消减的细胞质质3、生殖质与生殖细胞正常离心改变第1次裂面位置植物极处含有抑12秀丽隐杆线虫 Caenorhabditis elegansCaenorhabditis elegans 胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决定，而非邻近细胞间相互作用决定胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决定，而非邻近细胞间相互作用决定SKN-1PIE-1秀丽隐杆线虫 Caenorhabditis elegansS134、栉水母 细胞质定域的重新排列有些细胞质定域并不是预先存在于合子中，而是在卵裂中重新确立有些细胞质定域并不是预先存在于合子中，而是在卵裂中重新确立栉水母（栉水母（ctenophoresctenophores）鞭毛上面有栉板和发光细胞栉板（栉板（E E）、发光细）、发光细胞（胞（M M），决定发生），决定发生在在8 8细胞以后，即：细胞以后，即：8 8细胞之前两种决定子细胞之前两种决定子在细胞中同时存在，在细胞中同时存在，8 8细胞之后分离到不细胞之后分离到不同细胞同细胞4、栉水母 细胞质定域的重新排列栉板（E）、发光细胞（M14二、形态发生决定子的性质某些特异性蛋白质和某些特异性蛋白质和/或或mRNAmRNA等生物大分子物质，他们可以激等生物大分子物质，他们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞分化方向活或抑制某些基因表达，从而决定细胞分化方向（一）、海鞘形态发生决定子（两类）1、可以激活基因转录的物质（蛋白因子）玻璃海鞘（玻璃海鞘（CionaCiona）放线菌素放线菌素D D（转录抑制剂）可以造成培养（转录抑制剂）可以造成培养中的海鞘胚胎不形成中的海鞘胚胎不形成AchEAchE，说明该酶基因未被激活；进一步注，说明该酶基因未被激活；进一步注射海鞘不同发育阶段胚胎的射海鞘不同发育阶段胚胎的mRNAmRNA到蛙卵中，可以产生到蛙卵中，可以产生AchEAchE。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2、可能是以mRNA的形式存在于卵内一定区域碱性磷酸酶是海鞘内胚层特异性酶，放线菌素碱性磷酸酶是海鞘内胚层特异性酶，放线菌素D D不起作用，但不起作用，但用嘌呤霉素（蛋白质抑制剂）处理，则用嘌呤霉素（蛋白质抑制剂）处理，则ALPaseALPase产生受阻，说明产生受阻，说明形成该酶的形成该酶的mRNAmRNA已存在于卵质中，在卵裂时被分配到内胚层细已存在于卵质中，在卵裂时被分配到内胚层细胞中。胞中。二、形态发生决定子的性质某些特异性蛋白质和/或mRNA等生物15（二）、果蝇极质（生殖细胞决定子，生殖质）由蛋白质和RNA组成1、gcl mRNA gcl mRNA由卵巢中的营养细胞转运至卵子，并最终定位于卵子由卵巢中的营养细胞转运至卵子，并最终定位于卵子后端的极质中，其翻译的蛋白质进入核中构成极细胞中不可缺少的后端的极质中，其翻译的蛋白质进入核中构成极细胞中不可缺少的组分。如果缺少，则无生殖细胞产生组分。如果缺少，则无生殖细胞产生2、NANOS蛋白 Nanos mRNA 位于卵子的后端，如卵中缺少它翻译的位于卵子的后端，如卵中缺少它翻译的NANOS蛋蛋白，极细胞不能迁移到生殖嵴中，从而不能形成生殖细胞白，极细胞不能迁移到生殖嵴中，从而不能形成生殖细胞（二）、果蝇极质（生殖细胞决定子，生殖质）1、gcl mRN163、oskar mRNA调控极质的形成和装配 oskaroskar mRNA mRNA含量的多少决定极细胞数量含量的多少决定极细胞数量;oskar oskar mRNAmRNA决定极细胞的生成位置，在决定极细胞的生成位置，在Oskar mRNA Oskar mRNA 所处的所处的 位置产生位置产生4、数个母源效应基因（maternal-effect gene)与之有关3、oskar mRNA调控极质的形成和装配 17第二节 细胞命运通过相互作用渐进特化自主特化中的每个细胞命运由其自主特化中的每个细胞命运由其“祖先祖先”决定，即不决定，即不同细胞内含有不同的形态发生决定子，它们决定细胞同细胞内含有不同的形态发生决定子，它们决定细胞的命运，构成镶嵌型发育类型。如多数无脊椎动物发的命运，构成镶嵌型发育类型。如多数无脊椎动物发育育依赖性特化中的每个细胞命运取决于它遇到哪些细胞，依赖性特化中的每个细胞命运取决于它遇到哪些细胞，每个细胞开始都有相似的潜能，构成调整型发育，细每个细胞开始都有相似的潜能，构成调整型发育，细胞命运由胚胎细胞的相互作用决定。如多数脊椎动物胞命运由胚胎细胞的相互作用决定。如多数脊椎动物第二节 细胞命运通过相互作用渐进特化自主特化中的每个细胞命18一、种质学说细胞分化的种质学说：细胞分化的种质学说：染色体是由各种决定细染色体是由各种决定细胞发育命运的核决定子胞发育命运的核决定子组成，受精卵在分裂时，组成，受精卵在分裂时，每个裂球内都分配有相每个裂球内都分配有相同数目的染色体，但是同数目的染色体，但是组成染色体的核决定子组成染色体的核决定子并不均等分配到每个裂并不均等分配到每个裂球中，由此决定细胞不球中，由此决定细胞不同的发育命运；决定子同的发育命运；决定子生殖细胞含有全部的核生殖细胞含有全部的核决定子，它具有连续性决定子，它具有连续性和永生性的特点和永生性的特点1 1、WismannWismann细胞分化的种质学说（细胞分化的种质学说（germ plasm thearygerm plasm theary）一、种质学说细胞分化的种质学说：染色体是由各种决定细胞发育命192、Wilhelm Roux:镶嵌型发育镶嵌型发育实验：实验：实验结果与实验结果与WismannWismann种质学说吻合。种质学说吻合。认为：认为：蛙胚是由能自我分化的各部分组合在一起形成的镶嵌体，每个细胞接受特定的核决定子，由此分化为相应的组织细胞贡献：贡献：提出镶嵌型发育的理论提出镶嵌型发育的理论McClendon实验表明，不存在核决定子不均等分配的现象2、Wilhelm Roux:镶嵌型发育McClendon20二、二、Hans DrieshHans Driesh：海胆的调整型发育：海胆的调整型发育实验实验1 1：剧烈震荡分离海胆早期胚胎（剧烈震荡分离海胆早期胚胎（2 2、4 4细胞）；改变卵裂过细胞）；改变卵裂过 程（第三次卵裂时），均可产生正常的胚胎；程（第三次卵裂时），均可产生正常的胚胎；与与WeismannWeismann和和RouxRoux有关细胞分化是核决定子不均等分离引起的假有关细胞分化是核决定子不均等分离引起的假说不一致；说不一致；意义：意义：海胆胚胎是一个和谐等能系统，它能把独立自主发育成完海胆胚胎是一个和谐等能系统，它能把独立自主发育成完整胚胎的各部分组织在一起协调作用发育成单个完整的有机体整胚胎的各部分组织在一起协调作用发育成单个完整的有机体二、Hans Driesh：海胆的调整型发育21Seven Hrstadius：双梯度模型：双梯度模型 （动、植物极化梯度平衡）（动、植物极化梯度平衡）实验实验2(1928-1935)2(1928-1935)：卵子早期胚胎沿赤道切开时，动物极一半发育成永久囊胚，植物极一半卵子早期胚胎沿赤道切开时，动物极一半发育成永久囊胚，植物极一半发育成据膨大消化管的不正常幼虫发育成据膨大消化管的不正常幼虫推论：海胆胚胎不是由完全等能的细胞组成的集合体；海胆胚胎在一定推论：海胆胚胎不是由完全等能的细胞组成的集合体；海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌性发育（至少沿动物极轴如此）程度上呈镶嵌性发育（至少沿动物极轴如此）Seven Hrstadius：双梯度模型卵子早期胚胎沿赤22实验3：海胆64细胞：an1,an2,veg1外胚层；veg2内胚层；小分裂球中胚层结论：植物极细胞具有抑制动物极化的能力。抑制动物极化的作用称为植物极化；小分裂球比veg2、veg2比veg1具有更强的抑制动物极化的能力；海胆胚胎中植物极化的能力从植物极到动物极递减实验3：海胆64细胞：结论：23实验实验4 4：海胆：海胆3232细胞时：细胞时：单独培养每一层细胞，单独培养每一层细胞，an1an1、an2an2、veg1veg1永久囊胚；永久囊胚；veg2veg2出现植物极化出现植物极化 将每层细胞分别于将每层细胞分别于1 1，2 2，4 4个小分裂球组合培养；个小分裂球组合培养；an1+4an1+4个小分裂球个小分裂球正常幼虫；正常幼虫；an2+2 an2+2个小分裂球个小分裂球正常幼虫；正常幼虫；an2+4 an2+4个小分裂球个小分裂球幼虫具膨大的消化管幼虫具膨大的消化管 veg1+1 veg1+1个小分裂球个小分裂球幼虫消化管异常膨大幼虫消化管异常膨大结论：结论：海胆胚胎中还存在一个动物极化梯度（沿动物极到植物极递减）海胆胚胎中还存在一个动物极化梯度（沿动物极到植物极递减）总结：总结：1 1、海胆胚胎存在植物极化和动物极化两个对立的梯度；其正常发育依赖于两个、海胆胚胎存在植物极化和动物极化两个对立的梯度；其正常发育依赖于两个梯度的平衡；某些蛋白抑制剂（重金属、梯度的平衡；某些蛋白抑制剂（重金属、NaSCNNaSCN和伊万斯蓝）可减弱植物极化和伊万斯蓝）可减弱植物极化因子的作用，而某些呼吸抑制剂（因子的作用，而某些呼吸抑制剂（COCO、KCNKCN、NaN3NaN3、Li+Li+）可减弱动物极化因）可减弱动物极化因子的作用。子的作用。2 2、裂球的预期命运只要还未决定，都是可以调整的。裂球的发育命运一旦由于、裂球的预期命运只要还未决定，都是可以调整的。裂球的发育命运一旦由于动物极细胞质和植物极细胞质彼此分裂而决定下来，便失去调整能力。即使动物极细胞质和植物极细胞质彼此分裂而决定下来，便失去调整能力。即使在调整型发育的胚胎中，总会从某一时期开始，胚胎细胞的发育潜能逐渐受在调整型发育的胚胎中，总会从某一时期开始，胚胎细胞的发育潜能逐渐受到限制。到限制。3 3、海胆胚胎在、海胆胚胎在3232细胞以后，多数裂球不能再形成完整胚胎细胞以后，多数裂球不能再形成完整胚胎实验4：海胆32细胞时：24三、两栖类发育调控（一）、胚胎细胞的渐进决定（一）、胚胎细胞的渐进决定Hans Spemann Hans Spemann 和她的学生的重要实验和她的学生的重要实验结扎分离实验（沿动植物极轴并且和第一次卵裂面平行）：结扎分离实验（沿动植物极轴并且和第一次卵裂面平行）：结论：两栖类早期胚胎细胞核具有遗传等同性，每个细胞核都能产生完整结论：两栖类早期胚胎细胞核具有遗传等同性，每个细胞核都能产生完整 的有机体的有机体推测：灰色新月区域物质的重要性在于，此区含有背唇，它具发动原肠作推测：灰色新月区域物质的重要性在于，此区含有背唇，它具发动原肠作 用的能力；胚胎发育的关键性变化就发生在原肠作用过程中，迁用的能力；胚胎发育的关键性变化就发生在原肠作用过程中，迁 移到一定位置的细胞的相互作用移到一定位置的细胞的相互作用结扎面是否经过结扎面是否经过灰色新月中央灰色新月中央结扎核迁移有尾两栖类无尾两栖类三、两栖类发育调控（一）、胚胎细胞的渐进决定结扎面是否经过灰25蝾螈原肠作用时外胚层的决定移植实验：移植实验：蝾螈原肠胚蝾螈原肠胚早期和晚期细胞分别互早期和晚期细胞分别互换换结论：结论：蝾螈早期原肠胚细胞发育的蝾螈早期原肠胚细胞发育的预期潜能大于预期命运预期潜能大于预期命运（命运尚未决定），即（命运尚未决定），即表现为依赖型发育，细表现为依赖型发育，细胞的命运取决于其所处胞的命运取决于其所处的位置。的位置。随着发育，细胞的潜能逐渐随着发育，细胞的潜能逐渐受限，晚期原肠胚细胞受限，晚期原肠胚细胞为已决定细胞，表现为为已决定细胞，表现为自主型发育自主型发育预定神经外胚层预定表皮外胚层表皮形成早期原肠胚移植晚期原肠胚移植蝾螈原肠作用时预定神经外胚层预定表皮外胚层表皮形成早期原肠胚26两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原肠胚中眼区将发育原肠胚中眼区将发育为眼睛。为眼睛。将原肠胚中眼区细胞移将原肠胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，植到神经胚的躯干区，它们将按新部位的命运它们将按新部位的命运发育为体节和脊索。发育为体节和脊索。将神经胚中眼区细胞移将神经胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，植到神经胚的躯干区，它们仍将发育为类似于它们仍将发育为类似于眼的结构。眼的结构。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！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27（二）、初级胚胎诱导Embryonic inductionEmbryonic induction：胚胎发育中，一部分细胞或胚胎发育中，一部分细胞或组织对其邻近的另一部分细胞或组织产生影响，并决组织对其邻近的另一部分细胞或组织产生影响，并决定其分化方向（命运）的作用定其分化方向（命运）的作用诱导者：诱导者：产生影响并引起另一部分产生影响并引起另一部分 细胞或组织分化方向改变细胞或组织分化方向改变 的这一部分细胞的这一部分细胞反应组织：反应组织：接受影响并改变分化方向接受影响并改变分化方向 的细胞或组织的细胞或组织Primary embryonic inductionPrimary embryonic induction：脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成 神经组织的过程（神经诱导）神经组织的过程（神经诱导）实验（实验（Spemann and MangoldSpemann and Mangold）：）：背唇为组织者背唇为组织者（二）、初级胚胎诱导背唇为组织者28第一章细胞命运的决定课件29第一章细胞命运的决定课件30组织者：能够诱导外胚层形组织者：能够诱导外胚层形成神经系统，并能和其他组成神经系统，并能和其他组织一起调整成为中轴器官的织一起调整成为中轴器官的胚孔背唇部分（可诱导次生胚孔背唇部分（可诱导次生胚胎产生的胚胎部分）胚胎产生的胚胎部分）业已证明，胚孔背唇在文昌业已证明，胚孔背唇在文昌鱼、园口动物和各种两栖类鱼、园口动物和各种两栖类胚胎中都能组织次生胚胎的胚胎中都能组织次生胚胎的形成；鱼类的早期胚盾、鸟形成；鱼类的早期胚盾、鸟类和哺乳类的原结也能诱导类和哺乳类的原结也能诱导次生胚胎的形成次生胚胎的形成斑马鱼胚盾诱导斑马鱼胚盾诱导亨氏结的诱导（鸭亨氏结的诱导（鸭鸡）鸡）组织者：能够诱导外胚层形成神经系统，并能和其他组织一起调整成31细胞在表现出明显的形态和功细胞在表现出明显的形态和功能变化之前，将发生一些隐蔽能变化之前，将发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝特定方的变化，使细胞命运朝特定方向发展的过程向发展的过程形态发生决定子导致细胞的自主特化；细胞间相互作用产生细胞的渐进特化细胞命运决定细胞在表现出明显的形态和功能变化之前，将发生一些隐蔽的变化，32