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第一章 细胞命运的决定_图文

第一章 细胞命运的决定_图文

第一章 细胞命运的决定
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细胞命运通过形态发生决定子自主特化
细胞命运通过细胞间的相互作用渐进特化

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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。

部分已分化 细胞的类型、 特征产物及 其功能

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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。

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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 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。

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命运图反映了胚胎在发育过程中各区域细 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。

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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。

爪蟾晚期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。

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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,意味着不同动物可能有相同的细胞分 化机制。

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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。

第一节
细胞命运通过形态发生 决定子自主特化

细胞定型和分化
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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,会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)。 已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格的 限制。

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Slack(1991)建议将定型分为特化 (specification)和决定(determination)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,就可以 说这个细胞或组织发育命运已经特化(specialized) **当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位培养可以 自主分化时,可以说这个细胞或组织已经决定 (determined)。

细胞或者组织发育命运的特化和决定

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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。 已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆 的。如果把已决定的细胞或者组织移植到 胚胎的不同部位,它只会分化为同一种组 织。

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脊椎动物骨骼肌分化的主要特征

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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 成特定的组织或器官。

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胚胎细胞的定型有两种主要方式:
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细胞定型是通过胞质隔离(cytoplasmic segregation)实现的。 细胞定型是通过胚胎诱导(embryonic induction)实现的。

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自主特化与镶嵌型发育
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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。

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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

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。

海鞘分裂 球的决定 谱系

渐进特化与调整型发育
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在发育的初始阶段,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 为渐进特化(progressive specification)或有 条件特化(conditional specification)或依赖 型特化(dependent specification) 。 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)。

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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。 海胆的发育是典型的调整型发育。

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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。

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。

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。

β-catenin决定海胆植物极细胞的发育命运。

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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。

形态发生决定子
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形态发生决定子(morphogenetic determinant)也称为成形素(morphogen) 或胞质决定子(cytoplasmic determinant), 存在于卵细胞质中的特殊物质,能够制定 细胞朝一定方向分化,形成特定组织结构。

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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,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。

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海鞘不同胞质决定子的运动比较

Reverberi和 Minganti (1946)证 明海鞘裂球 的发育命运 在8细胞期 已经决定。

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Whittaker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。

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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。 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。

胞质定域
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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 localization)。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)。

一、海鞘
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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。 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,从而决定裂球的发育命运。

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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。 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

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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。

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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
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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 自我分化所必需的全部物质。

帽贝成纤毛细胞(trochoblast cell)的分化

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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

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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。 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,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。

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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
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最常见的形态发生决定子可能要算生殖细 胞决定子。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。

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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。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。

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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)。

昆虫
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极质和生殖细胞的特化。 林蛙(Rana temporaria)受精卵的植物极皮 层区域含有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。

两栖类生殖细胞的特化
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形态发生决定子的性质
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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。 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。

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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 酶基因)转录的物质;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。
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。

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果蝇极质
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果蝇卵子极粒已被分离出来,它主要由蛋 白质和RNA组成。 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。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。

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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。 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。

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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。

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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。

第二节 细胞命运通过 相互作用渐进特化

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海胆和脊椎动物等后口动物。它们的细胞发 育命运主要取决于它在胚胎中所处的位臵, 而不是取决于在卵裂时获得哪一块细胞质。 胚胎一部分细胞可以对邻近另一部分细胞施 加影响,并决定其分化方向,这种作用称为 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,是随 着发育镶嵌理论(mosaic theory)片面性的 发现而逐渐发展起来的。

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种质学说及验证
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19世纪末,德国学者August Weismann根据受 精和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(germ plasm theory)。 Weismann的种质学说将组成有机体的细胞分 为两类:体细胞(somatic cell)和生殖细胞 (germ cell)。体细胞是从生殖细胞发育而来 的,随个体的死亡而死亡。而生殖细胞是世 代相传的,是永生的(immortality),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胞 和新的生殖细胞。

Weismann的核决定子理论:子代细胞的决定和分化方 向是由核决定子在卵裂过程中的不对称分布决定的。

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Weismann种质学说的推论:

1. 胚胎不同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 定子在细胞之间分布不正常,从而引起不正 常发育。

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

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但后来J. F. McClendon证实,Roux实验中蛙 呈镶嵌型发育的结果纯粹是实验(缺损实 验)的假象。坏死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。 但Roux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。

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Hans Driesch:调整型发育
Hans Driesch采用分离实验(isolation experiment)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4-细胞期时,分开的海胆裂球不是自我分 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。

Driesch实验说明,胚胎细胞核在卵裂过程中并未出 现本质上的差异,不存在所谓核决定子不均等分布 的现象,首次证实胚胎发育过程中存在调整现象。

海胆4-细胞期的每一个裂球分离后都能形成一个正常的幼虫, 但体积较小,四个幼虫的形状也略有差异。

Driesch将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤 压,改变第三次分裂面,使第三次卵裂由 纬裂变为经裂。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,但是仍 然得到正常的胚胎。 结论:裂球在整体胚胎中的位臵总体上可以 决定其发育的结果。细胞分化是核决定子 不均等分离引起的假设是错误的。

扰乱海胆第三次卵裂过程,使细胞核发生异常分布, 并没有影响胚胎正常发育。

Driesch认为分裂球在胚胎发育中的命运只取 决于它在胚胎内的位臵,并进一步提出了 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,哺乳动物的 胚胎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-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。

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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 ,即使海胆胚胎也不是由完全等能的细胞 组成的集合体,不是百分之百呈调整型发 育。

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Sven H? rstadius:双梯度模型

瑞典学者Sven H? rstadius将8-细胞期胚胎沿赤 道分开成动物极和植物极两部分时,两部 分都不能发育成完整幼虫。将海胆未受精 卵沿赤道切割成动物极和植物极两部分, 使其受精发育,获得了和分离实验相似的 结果。

Sven H? rstadius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。

海胆卵子的 不对称性

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Maruyama等(1985)进一步证实了Sven H? rstadius的实验结果。他们用类似的方 法切割海胆的未受精卵,发现只有受精 的植物极部分可以形成小分裂球( micromere)并进行原肠作用。因此决定 小分裂球形成和原肠作用的决定子位于 卵子的植物极。

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Sven H? rstadius除去海胆64-细胞期胚胎的受 精膜,用细玻璃针把不同的细胞层分开单独 培养或按不同组合方式把分离的细胞层重组 培养。 结果表明:海胆胚胎中植物极化的能力是呈 梯度分布的,其强度从植物极到动物极逐渐 递减,同样动物极化的梯度从动物极细胞至 植物极小裂球逐渐递减。

海胆64-细胞期不同 裂球组合后的发育。

海胆胚胎中存在着两个彼此相对的梯度:植 物极化梯度和动物极化梯度。海胆胚胎的 正常发育依赖于两者之间适当的平衡,而 不依赖于它们的绝对大小。两个梯度之间 的不同组合建立起各种中间状态。 Ubisch将分离的动物极半球细胞放在氯化锂 溶液中培养,获得正常的长腕幼虫。显然 ,锂可以弱化动物极细胞的动物极化梯度 ,从而使动物极半球细胞能平衡发育。

Horstandius 所示的动物 极化梯度

海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡

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蛋白质抑制剂如重金属、NaSCN和染料 Evans Blue可以减弱植物极化因子的作用, 从而使胚胎向动物极化方向发育。 呼吸抑制剂如CO、KCN、NaN3和锂离子可 以减弱动物极化因子的作用,从而使胚胎 向植物极化方向发育。

一个基于卵内物质相对浓度梯度建立起来的 调整型发育模型。

两栖类的调整型发育
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1918年,Hans Spemann(University of Freiburg)也证实两栖类早期胚胎的细胞核 具有遗传等同性,每一个细胞核都能产生 完整的有机体。

Spemann所示的蝾螈卵裂期的核等同性。

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但当Spemann 沿着与第一次 卵裂面垂直的 平面结扎时, 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,卵子在 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,灰 色新月区的某些物质是胚胎正常发育必不 可少的。

两栖类的灰色新月 精子入卵后,皮层向精子进入的方向旋转大约30? ,在动 物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中,这一胞质不同层次的相 对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域,称为灰色新月。

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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,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。 1918年,Spemann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。

蝾螈原肠作用时外胚层的决定

蝾螈 胚胎 细胞 发育 命运 的渐 进特 化。

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Spemann进行的蝾螈早期和晚期胚胎移植实 验结果表明:由早期原肠胚向晚期原肠胚 过渡期内,细胞的发育潜能逐渐受到限制 ,晚期原肠胚细胞只能朝某一预定方向分 化,称为已决定细胞(determined cell)。
决定的分子基础仍是未解之谜。

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初级胚胎诱导 动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)。 Spemann和Mangold(1924)证明两栖类早 期胚胎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,诱导上面覆盖的外胚 层细胞形成完整的神经组织,因此称之为 组织者(organizer)。
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背唇组织的 自我分化

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。


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