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细胞命运的决定_图文

细胞命运的决定_图文

第一章细胞命运的决定

动物有机体是由多种类型的分化细胞 动物有机体是由多种类型的 分化细胞(specialized 分化细胞 cell) 组成的。 组成的。 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。

部分已分化细胞的类型、 部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能

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 细胞分化( 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, 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。 且行使特异的功能。 细胞在分化之前,将发生一些隐蔽的变化, 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 ) 。 定 型 可 进 一 步 分 为 特 化 (specification)和决定(determination)两个时 )和决定( ) 相。

细胞定型的两个时相 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 自主分化时 ) 如培养皿中可以自主分化 可以说这个细胞或组织已经特化 特化( 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 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主 胚胎另一个部位 分化时,就可以说这个细胞或组织已经决定 (determined)了。 )

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, 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, 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。 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 的过程。在胚胎早期发育过程中, 的过程。在胚胎早期发育过程中,某一组织或器 官的原基( 官的原基(anlage)首先必需获得定型,然后才 )首先必需获得定型, 能向预定的方向发育,也就是分化, 能向预定的方向发育,也就是分化,形成相应的 组织或器官。 组织或器官。

胚胎细胞的定型有两种主要方式: 胚胎细胞的定型有两种主要方式: 1、通过胞质隔离 、通过胞质隔离(cytoplasmic segregation)实现的。 实现的。 实现的 卵裂时, 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 , 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 。 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 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 型发育 ,或自主性发育, 体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。 体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。 (栉水 环节动物、线虫、软体动物、海鞘) 母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘)

2、细胞定型是通过胚胎诱导实现的。胚胎发育过程中, 、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, 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。 或双方的分化方向,也就是发育命运。 初始阶段,细胞可能具有不止一种分化潜能, 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 使它们只能朝一定的方向分化。 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 或渐进特化(progressive specification) 或渐进特化 或依赖型特化(dependent specification) 。 或依赖型特化

对细胞呈有条件特化的胚胎来说, 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, 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, 剩余的胚胎细胞可以改变发育命运,填补所留下 的空缺。 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( development) 式称为调整型发育(Regulative development) 模式(海胆、两栖类、鱼类等) 模式(海胆、两栖类、鱼类等)。

任何动物胚胎发育中都存在自主特化和 任何动物胚胎发育中都存在自主特化和有条件特 自主特化 两种细胞定型方式,只是程度大小不同而已。 化两种细胞定型方式,只是程度大小不同而已。 一般来说, 多数无脊椎动物胚胎发育过程中 胚胎发育过程中, 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 在发生作用, 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, 脊椎动物胚胎发育过程中则相反 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 在发生作用, 主要是细胞有条件特化在发生作用,细胞自主特 化次之。 化次之。

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

形 态 发 生 决 定 子 (Morphogenetic determinant)也称为成形素 也称为成形素 也称为成形素(Morphogen)或 或 胞 质决定 子 (Cytoplasmic determinant) , 是指胚胎细胞中存在的决定细胞发育命运 是指胚胎细胞中存在的决定细胞发育命运 的物质。 的物质。 大量研究证明, 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, 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。 广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。

海鞘胚胎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, 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。 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, 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。 够使细胞朝一定的方向分化。 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细胞质分配到 不同的裂球中。 不同的裂球中。

Conklin(1905)通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现: 通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现: 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 ,将来形成肌细胞。 细胞质,将来形成脊索和神经管。 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。 细胞质,将来形成幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色 的卵黄, 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。 镶嵌分布。

Reverberi和Minganti (1946) 证明海鞘裂球的发 和 育命运在8细胞期已经决定 , 此时的裂球分离 育命运在 细胞期已经决定, 细胞期已经决定 后能够自我分化。不过神经系统的发育例外, 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a4.2和植物极前面 只有当动物极前面一对裂球 和植物极前面 一对裂球A4.1配合后 才形成神经组织。 配合后, 一对裂球A4.1配合后,才形成神经组织。 在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中, 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 着裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进 作用。 决定作用 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。 胞直到 细胞期时尚未定型发育成神经组织。 细胞期时尚未定型发育成神经组织

Whittaker用玻针反复挤压 , 使海鞘的分裂沟退化 , 用玻针反复挤压, 使海鞘的分裂沟退化, 用玻针反复挤压 而形成新的分裂沟, 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, 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。 也能产生肌肉。

我国学者童第周(1977)在海鞘卵子受精后把受精卵 在海鞘卵子受精后把受精卵 我国学者童第周 一分为二。其中一个无核卵块作为受体, 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、 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。 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。 卵块含有的细胞质组分有关,与细胞核无关。

上面所有实验都说明卵细胞质中存在某些形态发生 决定子,能够决定细胞朝一定方向分化, 决定子,能够决定细胞朝一定方向分化,形成一定 组织结构。 组织结构。

除了海鞘属于典型的镶嵌型发育外, 除了海鞘属于典型的镶嵌型发育外 , 典型的镶嵌 型发育的胚胎还有栉水母(ctenophores)、 环节动 型发育的胚胎还有栉水母 、 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 等 另一方面,海胆、 动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。 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, 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。 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子细胞 质中。 质中。

二、胞质定域 形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布, 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, 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。 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( localization) 象称为胞质定域(cytoplasmic localization)。胞质 定域也称为胞质隔离 胞质隔离( 定域也称为胞质隔离(cytoplasmic segregation)或 ) 胞质区域化( 胞质区域化 ( cytoplasmic regionalization) 或 胞质 ) 重排( ) 重排(cytoplasmic rearrangement)。

(一)、海鞘 一、 海鞘肌肉、内胚层、 海鞘肌肉、内胚层、表皮和前后轴也与胞质定域有关 表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部(apical 表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部 region),卵裂时进入动物极裂球中。 内胚层决定子在受 ,卵裂时进入动物极裂球中。 精过程中迁移到卵子植物极半球, 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。 球中。 海鞘受精卵植物极后端胞质(posterior vegetal cytoplasm, 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”。把一个受精卵 相对于其余部分细胞质呈“ 相对于其余部分细胞质呈 显性” 移植到另一个去除PVC的受精卵的前端,受体卵 的受精卵的前端, 的PVC移植到另一个去除 移植到另一个去除 的受精卵的前端 原来的前端便发育成新的后端, 而原来的后端(去除了 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。 则发育为前端。 则发育为前端

海鞘肌肉、 海鞘肌肉、内胚层和表皮三种胞质决定子的运动

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。 所决定。 所决定 总之,海鞘卵子受精时,卵质发生运动, 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 胞质区域含有不同的 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。 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、
Wilson把帽贝 ( Patella coerulea) 早期裂球分离 , 把帽贝( 把帽贝 ) 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。 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, 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。 自我分化所必需的全部物质。

帽贝成纤毛细胞( 帽贝成纤毛细胞(trochoblast cell)的分化 )

某些呈螺旋卵裂的胚胎( 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 极叶( 凸起,称为极叶(polar lobe)。第一次卵裂结束时, ) 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, 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, 二次卵裂完成时 , 再次缩回 , 此后极叶的出现就不 明显了。 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。 变化,是卵内部物质流动所引起的。

软体动物的极叶。 软体动物的极叶。 A,第一次卵裂 , 前极叶的扫描电 镜照片; , 镜照片;B,三 叶期胚胎的极叶。 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 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, 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( 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、 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 裂 认为极叶中含有控制 足的幼虫。因此 认为极叶中含有控制D裂 球特定分裂节奏、 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。 需的决定子。 壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。 壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚 层不存在时, 层不存在时,便没有诱导者诱导外胚层细胞形成 壳腺。 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。 作用决定细胞发育命运的又一例证。

如果吸除极叶区胞质,胚胎发育正常; 如果吸除极叶区胞质,胚胎发育正常; 将极叶胞质吸取并注射到B细胞中,未见B 将极叶胞质吸取并注射到B细胞中,未见B细胞产 生中胚层结构。 生中胚层结构。 推测:形态发生决定子可能位于该区域皮质部的 推测: 胞质或细胞骨架上, 胞质或细胞骨架上,卵子可扩散的细胞质 (diffusible cytoplasm)不含形态发生决定子。 )不含形态发生决定子。

用细胞松弛素( 用细胞松弛素(cytochalasin )抑制极叶形成将形 成两个联体胚胎。 成两个联体胚胎。极叶还含有决定胚胎背腹轴形成 的物质。

(三)、线虫 三、
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。 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, 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。 并决定这些裂球发育成生殖细胞。

副蛔虫(马蛔虫 , 副蛔虫 马蛔虫, Parascarisaequorum)第一次卵 马蛔虫 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。 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 植物极裂球开始都有正常数目的染色体, 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 全套基因)。 体(全套基因 。 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。 全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。 只存在于将来形成生殖细胞的裂球里

副蛔虫正常受精卵( ) 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。 )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 据此, 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 物质能保护细胞核染色体不发生消减, 球形成生殖细胞。 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( plasm) 决定生殖细胞形成的物质叫生殖质(germ plasm)。

? 秀丽隐杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决 而不是由邻近细胞间相互作用决定。 定 , 而不是由邻近细胞间相互作用决定 。 其胚胎 中发现的SKN-1蛋白质就很可能是一种“转录因 蛋白质就很可能是一种“ 中发现的 - 蛋白质就很可能是一种 样形态发生决定子。 子”样形态发生决定子。 ? SKN-1可能通过激活 裂球及其产生的 可能通过激活P1裂球及其产生的 可能通过激活 裂球及其产生的EMS和P2 和 两裂球中的某些特定基因, 两裂球中的某些特定基因 , 从而决定它们的发育 命运。 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( 的母源性因子(maternal factor)自主决定。 )自主决定。

skn-1突变体中肠和咽部的缺陷 突变体中肠和咽部的缺陷

功能限制在4细胞期的 把 SKN-1功能限制在 细胞期的 功能限制在 细胞期的EMS裂球中是通 裂球中是通 过pie-1 (pharyngeal and intestinal excess)和mex-1 和 (muscle excess)两个基因的活动来实现的 。 蛋白 两个基因的活动来实现的。 两个基因的活动来实现的 可以单独发挥作用。 质MEX-1和PIE-1可以单独发挥作用。 MEX-1在 和 可以单独发挥作用 在 第一次卵裂时使SKN-1不对称地分布于 卵裂球 不对称地分布于P1卵裂球 第一次卵裂时使 不对称地分布于 在第二次卵裂时使SKN-1不对称地分 中,而PIE-1在第二次卵裂时使 在第二次卵裂时使 不对称地分 布于EMS裂球中。 裂球中。 布于 裂球中 SKN-1是MS裂球形成必需的,缺乏 是 裂球形成必需的, 裂球形成必需的 缺乏SKN-1的胚胎 的胚胎 不能产生咽。 不能产生咽。

野生型和突变型胚胎中MS细胞决定模型 野生型和突变型胚胎中 细胞决定模型

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 等生物大分子物质, 质或 等生物大分子物质 抑制某些基因表达,从而决定细胞的分化方向。 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。 中研究较为深入。

海鞘胚胎中可能含有两类形态发生决定子。 海鞘胚胎中可能含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 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 转录的物质, 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; 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 第二类可能是以 的形式存在于卵内 一定的区域, 一定的区域,在卵裂时分布到预定的裂球 因为对蛋白合成抑制剂敏感。 中,因为对蛋白合成抑制剂敏感。

果蝇极质
果蝇卵子极粒已被分离出来, 果蝇卵子极粒已被分离出来,它主要由蛋白质和 RNA组成。 组成。 组成 生殖质(极质 的组分之一是 生殖质 极质)的组分之一是 极质 的组分之一是gcl (germ cell-less)基 基 因转录的mRNA。 野生型 基因在果蝇卵巢的 因转录的 。 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 营养细胞中转录,通过环管 运至卵子 一旦进入卵子, 中。gcl mRNA一旦进入卵子,便进一步迁移到 一旦进入卵子 卵子的最后端,定位于称为极质的细胞质中。 卵子的最后端,定位于称为极质的细胞质中。

生殖细胞决定子的另一种可能是Nanos蛋白 。 蛋白。 生殖细胞决定子的另一种可能是 蛋白 Nanos mRNA蛋白位于卵子后端,Nanos蛋白是 蛋白位于卵子后端, 蛋白位于卵子后端 蛋白是 果蝇形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的极细胞 果蝇形成腹部所必需。 缺乏 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。 不能迁移到生殖腺中,因而不能发育成生殖细胞。 生殖质可能含有非可译RNA,也称极粒组分。 生殖质可能含有非可译 ,也称极粒组分。 oskar基因 在果蝇极质的形成和装配过程中起着 基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着 基因 极其重要的调控作用。 Oskar基因将其 极其重要的调控作用 。 基因将其mRNA定 定 基因将其 位于胚胎的后极。 位于胚胎的后极。

有些母体效应基因 有些母体效应基因(maternal effect gene)的表达对于 母体效应基因 的表达对于 果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有7种基因的 果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有 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, 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。 因此是不育 的

A. staufen基因内应在 基因内应在oskar基因之前行使功能, 并影响 基因之前行使功能, 基因内应在 基因之前行使功能 并影响oskar基 基 因的表达。 因的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的基因的作用 顺序。 顺序。

细胞命运通过相互作用渐进特化-胚胎诱导 第二节 细胞命运通过相互作用渐进特化 胚胎诱导

在调整型发育过程中, 在调整型发育过程中,胚轴和细胞的命运由胚胎 细胞相互作用决定。 细胞相互作用决定。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, 部分细胞产生影响,并决定其分化方向的作用, 胚胎诱导( 即 胚胎诱导 ( embryonic induction) , 是决定 ) 胚胎细胞分化方向的一个极重要的方面。 胚胎细胞分化方向的一个极重要的方面。 胚胎诱导决定细胞分化方向观念的形成是随着发 育镶嵌理论( 育镶嵌理论(mosaic theory)片面性的发现而逐 ) 渐发展起来的。 渐发展起来的。

一、种质学说的验证
19世纪末,德国学者 世纪末,德国学者August Weismann根据受精和 世纪末 根据受精和 减数分裂过程中染色体数目的变化, 减数分裂过程中染色体数目的变化 , 提出了解释 细胞分化的种质学说 种质学说( 细胞分化的种质学说(germ plasm theory)。 ) Weismann的种质学说将组成有机体的细胞分为 的种质学说将组成有机体的细胞分为 两类: 体细胞( 两类 : 体细胞 ( somatic cell) 和生殖细胞 ( germ ) 和生殖细胞( cell)。 体细胞是从生殖细胞发育而来的 , 是各种 ) 体细胞是从生殖细胞发育而来的, 各样的, 随个体的死亡而死亡。 各样的 , 随个体的死亡而死亡 。 而生殖细胞完全 不同于体细胞,是世代相传的,是永生的 (immortality),不受体细胞和环境的影响。 ) 不受体细胞和环境的影响。

Weismann的种质学说,生殖细胞产生分化的体细 的种质学说, 的种质学说 胞和新的生殖细胞。 胞和新的生殖细胞。

Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为 Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵 理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵 卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。 裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。

Weismann提出细胞的决定和分化是由 核决定子 分 提出细胞的决定和分化是由核决定子 提出细胞的决定和分化是由 核决定子分 配到不同的细胞而实现的。 那么, 就可以推论: 配到不同的细胞而实现的 。 那么 , 就可以推论 : 1. 不同的胚胎细胞的细胞核应该有本质上的差异; 不同的胚胎细胞的细胞核应该有本质上的差异 2. 如果扰乱受精卵的卵裂过程,必然导致核决定子在细 如果扰乱受精卵的卵裂过程,必然导致核决定子在细 胞之间分布不正常,从而引起不正常发育 从而引起不正常发育。 胞之间分布不正常 从而引起不正常发育。

Wilhelm Roux:镶嵌型发育 : 的实验结果证明蛙的发 德国胚胎学家Wihelm Roux的实验结果证明蛙的发 德国胚胎学家 的实验结果 育为镶嵌型发育, 正好和Weismann假设预期的结 育为镶嵌型发育 , 正好和 假设预期的结 果吻合。 果吻合。

McClendon 1910年,把蛙胚两裂球分开,均可发 年 把蛙胚两裂球分开, 育成完整的幼体。 育成完整的幼体。 J. F. McClendon证实,Roux实验中蛙呈镶嵌型发 证实, 证实 实验中蛙呈镶嵌型发 育的结果纯粹是实验的假象(缺损实验)。坏死 育的结果纯粹是实验的假象(缺损实验) 实验的假象 裂球的内部或者表面某些物质仍然能够和存活的 裂球进行交流,从而影响后者的发育。 裂球进行交流,从而影响后者的发育。但Roux在 在 蛙胚上的一系列实验开创了用实验方法研究胚胎 学的先例。 学的先例。

二 海胆的调整型发育
Hans Driesch采用分离实验(isolation experiment) 采用分离实验 采用分离实验( ) 的方法,即通过剧烈的摇晃将海胆胚胎裂球分开培养。 的方法, 即通过剧烈的摇晃将海胆胚胎裂球分开培养。 结果表明, 2-细胞或 细胞期时, 分开的海胆裂球不 结果表明 , 细胞或4-细胞期时 , 细胞或 细胞期时 是自我分化成胚胎的某一部分, 是自我分化成胚胎的某一部分 , 而是通过调整发育成 一个完整的有机体。这一类型的发育称为调整型发育 调整型发育。 一个完整的有机体 。 这一类型的发育称为 调整型发育 。 Driesch实验表明 胚胎细胞核在卵裂过程中并未出现 实验表明胚胎细胞核在卵裂过程中并未出现 实验表明 本质上的差异, 本质上的差异 , 不存在所谓核决定子不均等分布的现 象。

Hans Driesch:调整型发育 调整型发育-1893年,分离实验(isolation experiment) 调整型发育 年 分离实验( )
Figure 3.15. Driesch's demonstration of regulative development. (A) An intact 4-cell sea urchin embryo generates a normal pluteus larva. (B) When one removes the 4-cell embryo from its fertilization envelope and isolates each of the four cells, each cell can form a smaller, but normal, pluteus larva. (All larvae are drawn to the same scale.) Note that the four larvae derived in this way are not identical, despite their ability to generate all the necessary cell types. Such variations are also seen in adult sea urchins formed in this way (Marcus 1979). (Photograph courtesy of G. Watchmaker.)

Driesch将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压 , 改 将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压, 将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压 变第三次分裂面,使第三次卵裂由纬裂变为经裂。 变第三次分裂面 , 使第三次卵裂由纬裂变为经裂 。 这样一来, 这样一来 , 正常情况下本应该分配到内胚层中的细 胞核可能分配到外胚层细胞中,卵裂过程被扰乱, 胞核可能分配到外胚层细胞中 , 卵裂过程被扰乱 , 但是仍然得到正常的胚胎。Driesch由此得出结论 由此得出结论, 但是仍然得到正常的胚胎。Driesch由此得出结论, 裂球在整体胚胎中的位置总体上可以决定其发育的 结果。 结果。

Driesch有关海胆裂球分离和压板改变分裂面的实 有关海胆裂球分离和压板改变分裂面的实 验结果说明,Weismann和Roux两人有关细胞分化 验结果说明, 和 两人有关细胞分化 核决定子不均等分离引起的假设是错误的。 是核决定子不均等分离引起的假设是错误的。 Driesch的实验结果表明 , 海胆分离裂球的预期潜 的实验结果表明, 的实验结果表明 能 ( prospective potency ) 大 于 预 期 命 运 (prospective fate)。海胆胚胎是一个和谐等能系 ) 统 ( harmonious equipotential system) , 它把独 ) 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。 作用发育成单个完整的有机体。

再者, 再者,Driesch认为细胞核在胚胎发育中的命运只 认为细胞核在胚胎发育中的命运只 取决于它在胚胎内的位置。在此基础上, 取决于它在胚胎内的位置。在此基础上,Driesch 提出了发育过程中细胞核和细胞质相互作用假说。 提出了发育过程中细胞核和细胞质相互作用假说 。 当代实验胚胎学研究结果表明, 当代实验胚胎学研究结果表明 , 哺乳动物的胚胎 发育也具有调整能力。 发育也具有调整能力 。 两个或更多个小鼠早期胚 胎融合后, 仍能正常发育。 在小鼠或兔子胚胎2胎融合后 , 仍能正常发育 。 在小鼠或兔子胚胎 细胞期,毁坏其中一个裂球,移植到母体子宫内, 细胞期, 毁坏其中一个裂球, 移植到母体子宫内, 也能正常发育。 也能正常发育。

rstadius: Sven H?rstadius:双梯度模型 rstadius Driesch裂球分离实验所得的结论也不是百分之百 Driesch 裂球分离实验所得的结论也不是百分之百 正确。许多动物胚胎在很大程度上呈镶嵌型发育, 正确。 许多动物胚胎在很大程度上呈镶嵌型发育, 即使海胆胚胎也不是由完全等能的细胞组成的集合 即使海胆胚胎也不是由完全等能的细胞组成的集合 不是百分之百呈调整型发育。 体,不是百分之百呈调整型发育。 瑞典学者Sven rstadius将海胆 瑞典学者Sven H?rstadius将海胆 8细胞胚胎沿垂直 rstadius将海胆8 于赤道面切割成两部分,使其发育, 于赤道面切割成两部分,使其发育,获得了和分离 实验相似的结果。 实验相似的结果。将8-细胞期海胆胚胎沿赤道分开 成动物极和植物极两部分时,两部分都不能 不能发育成 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。 完整幼虫。

Sven H?rstadius的裂球分离实验证明海胆胚胎在一 的裂球分离实验证明海胆胚胎在一 定程度上呈镶嵌型发育,至少沿动植物极轴是如此。 定程度上呈镶嵌型发育,至少沿动植物极轴是如此。

海胆64细胞期胚胎各 海胆64细胞期胚胎各 64 部分细胞的组合发育 (Horstadius, 1939)。 1939)。 A,正常发育;B,分 ,正常发育; , 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 物半球与veg2细胞的 物半球与 细胞的 组合发育; , 组合发育;E,动物半 球与小裂球的组合发 育。 在每一种组合中, 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。 现象。

结论
植物极细胞具有抑制动物极化的能力。 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; 抑制动物极化的作用称为植物极化; ? 小裂球比veg2、veg2比veg1具有更强 小裂球比 、 比 具有更强 的抑制动物极化的能力; 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 ?

海胆32细胞时: 海胆32细胞时: 32细胞时 单独培养每一层细胞,an1、an2、veg1→永久囊胚 永久囊胚; 单独培养每一层细胞,an1、an2、veg1→永久囊胚; veg2→出现植物极化 veg2→出现植物极化 将每层细胞分别于1 个小分裂球组合培养; 将每层细胞分别于1,2,4个小分裂球组合培养; an1+4个小分裂球 正常幼虫; 个小分裂球→ an1+4个小分裂球→正常幼虫; an2+2个小分裂球 正常幼虫; 个小分裂球→ an2+2个小分裂球→正常幼虫; an2+4个小分裂球 个小分裂球→ an2+4个小分裂球→幼虫具膨大的消化管 veg1+1个小分裂球 个小分裂球→幼虫消化管异常膨大 veg1+1个小分裂球 幼虫消化管异常膨大

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)

Horstandius 所示的动物 极化梯度

由海胆胚胎32-细胞期两极细胞和中间两层 细胞形成的长腕幼虫

总结: 总结: 1、海胆胚胎存在植物极化和动物极化两个对立的梯度 ; 、 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; 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、 和伊万斯蓝) ( 重金属 、 NaSCN和伊万斯蓝 ) 可减弱植物极化因 和伊万斯蓝 子的作用, 而某些呼吸抑制剂( 、 子的作用 , 而某些呼吸抑制剂 ( CO、 KCN、 NaN3、 、 、 Li+)可减弱动物极化因子的作用。 Li+)可减弱动物极化因子的作用。 2、裂球的预期命运只要还未决定 ,都是可以调整的 。 、 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。 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, 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。 的发育潜能逐渐受到限制。 3、海胆胚胎在 细胞以后 , 多数裂球不能再形成完整 、 海胆胚胎在32细胞以后 细胞以后, 胚胎。 胚胎。

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。 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( 具有遗传上的等同性(genetically identical)。 )。

但当Spemann沿着与第一次卵裂面垂直的平面结扎 沿着与第一次卵裂面垂直的平面结扎 但当 得到了完全不同的结果。 时,得到了完全不同的结果。 Spemann推测两个相似的实验得出两个截然不同的 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, 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 灰色新月区。 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, 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。 某些物质是胚胎正常发育必不可少的。

两栖动物卵的不对 称性。 称性。 改变结扎的方向, 改变结扎的方向, 沿未来的背腹轴将 受精卵结扎, 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。 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。 少的。两栖类动物 的胚胎发育也具有 镶嵌发育的特点。 镶嵌发育的特点。

原来, 原来 , 灰色新月区域所形成的细胞将来组成胚胎 胚孔的背唇。胚孔背唇细胞注定要向囊胚腔内陷, 胚孔的背唇 。 胚孔背唇细胞注定要向囊胚腔内陷 , 从而发动原肠作用,并形成原肠。据此, Spemann推测灰色新月区物质的重要性在于它具 推测灰色新月区物质的重要性在于它具 有发动原肠作用的能力, 有发动原肠作用的能力 , 而胚胎发育的关键性变 化就发生在原肠作用过程中。 化就发生在原肠作用过程中。 1918年 , Spemann通过胚胎移植实验证明细胞发 年 通过胚胎移植实验证明细胞发 育潜能的诸多变化确实发生在原肠作用过程中。 育潜能的诸多变化确实发生在原肠作用过程中。

蝾螈原肠作用时 外胚层的决定
蝾螈早期原肠胚细胞发 育的预期潜能大于预期 命运(命运尚未决定), 命运(命运尚未决定), 即表现为依赖型发育, 即表现为依赖型发育, 细胞的命运取决于其所 处的位置。 处的位置。 随着发育, 随着发育,细胞的潜能 逐渐受限, 逐渐受限,晚期原肠胚 细胞为已决定细胞,表 细胞为已决定细胞, 现为自主型发育

初级胚胎诱导 胚胎一个区域对另一个区域发生影响, 胚胎一个区域对另一个区域发生影响 , 并使后者沿 诱导( 着一条新途径分化的作用叫诱导 着一条新途径分化的作用叫 诱导 ( induction)。 动 ) 物胚胎发育过程中存在许多诱导作用,其中脊索中 物胚胎发育过程中存在许多诱导作用 , 其中 脊索中 胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织这一关键的诱 导 作 用 称 为 初 级 胚 胎 诱 导 ( primary embryonic induction)。 ) Nieuwkoop中心 中心 Spemann和 Mangold( 1924) 证明两栖类早期胚胎 和 ( ) 胚孔背唇不但是唯一能自我分化的区域, 的 胚孔背唇不但是唯一能自我分化的区域 , 而且能 诱发原肠作用,并影响周围细胞的发育分化。 诱发原肠作用,并影响周围细胞的发育分化。

背唇组织的 自我分化

Spemann和 Mangold证实 , 移植的早期原肠胚的 和 证实, 证实 胚孔背唇不但能够自我分化成脊索中胚层以及其 他中胚层结构, 他中胚层结构 , 所形成的脊索中胚层还能诱导上 面覆盖的外胚层细胞形成完整的神经组织, 面覆盖的外胚层细胞形成完整的神经组织 , 结果 是所移植的胚孔背唇能诱导受体胚胎形成一个次 生胚胎( 生胚胎 ( secondary embryo) 。 因此 , Spemann ) 因此, 把胚孔背唇称为组织者( 和 Mangold把胚孔背唇称为组织者 ( organizer) 。 把胚孔背唇称为组织者 ) 胚孔背唇在文昌鱼、 胚孔背唇在文昌鱼 、 圆口动物和各种两栖类胚胎 中都能组织次生胚胎的形成。 中都能组织次生胚胎的形成。

鸟类和哺乳类发动原肠作用的区域—原条(primitive streak)前端即亨氏节(Hensen’s node)也能组织一 个次生胚胎的形成。

本节小结 细胞定型方式及其特点
自主特化
多数无脊椎动物具有 细胞命运由其所获得的卵内特定的 细胞质组分决定细胞质组分决定-胞质定域 卵裂方式不可改变 裂球发育命运一般不可改变 细胞特化发生在胚胎细胞大量迁移 之前 产生“镶嵌型” 产生“镶嵌型”发育

依赖型特化
所有脊椎动物及少数无脊椎动物 细胞命运由细胞之间相互作用决定, 细胞命运由细胞之间相互作用决定,细 胞的相对位置颇为重要胞的相对位置颇为重要-胚胎诱导 卵裂方式可以改变 裂球的命运可改变 大量的细胞重排和迁移发生在细胞特化 之前或与细胞特化相伴 产生“调整型” 产生“调整型”发育

一般两种细胞定型同时存在于胚胎发育中,但不同 一般两种细胞定型同时存在于胚胎发育中, 物种中两种方式发挥作用的程度不同

思考题: 思考题: 生殖质( plasm) 生殖质(germ plasm) commitment) 定型 (commitment) specification) 特化 ( specification) determination) 决定 (determination) 胞质隔离( segregation) 胞质隔离(cytoplasmic segregation) specification) 自主特化 ( autonomous specification) specification) 渐进特化 (progressive specification) 1. 细胞命运决定的方式有几种,举例说明之。 细胞命运决定的方式有几种,举例说明之。 2. 形态发生决定子的性质是什么? 形态发生决定子的性质是什么?


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