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第一章 细胞命运的决定(dingao)_图文

第一章 细胞命运的决定(dingao)_图文

第一章 细胞命运的决定
(一)目的与要求 掌握细胞形态发生决定子、定型、分化的概念,了解胚 胎细胞相互作用的概念。 (二)基本概念和知识点: 形态发生决定子、定型、分化、胚胎细胞相互作用 。 (三)问题与应用(能力要求): 理解细胞定型发育、细胞分化的概念 ,了解胚胎细胞 相互作用对细胞命运的渐进特化的影响 。

第一节 细胞定型

细胞分化在表现出明显的形态和功能变化之前,会发生 隐性变化,使细胞命运朝特定方向发展,这一过程称为定 型(commitment)。 特化阶段 specification 细胞 定型 决定阶段 determination 培养可以自主分化 特化阶段细胞发育命 运仍处于可变期

已经决定的细胞或组织的 发育命运则是不可逆的

细胞定型存在三种方式 :

自主特化(autonomous specification)

有条件特化(conditional specification)也 称为渐进特化(progressive specification) 或依赖型特化(dependent specification)。
合胞体特化(syncytial specification)

第二节 细胞自主特化
受精卵分裂把卵内特定的细胞质分离到特定的裂球中,这 种现象称胞质隔离(cytoplasmic segregation) 。 细胞发育命运完全由内部细胞质组分决定的方式称为自主 特化(autonomous specification),这种以细胞自主特 化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育 (mosaicdevelopment)。 自主特化裂球含有特定的细胞质,其中具有影响细胞发育 命运的分子,称为形态发生决定子(morphoge-netic determinants),通常是一些转录因子或者它们的mRNA。

(自 Wilson, 1904)

(A-C)帽贝正常胚胎中成纤毛细胞(trochoblast cells)的分化:(A) 16 细胞期侧面观,预定成纤毛细胞以深色表示;(B) 48细胞期;(C)纤毛幼虫 期动物极观,纤毛位于成纤毛细胞上。(D-G)分离培养的帽贝成纤毛细胞的分 化:(D)分离的成纤毛细胞;(E,F)培养过程中第1和第2次卵裂;(G)纤毛 形成。即使分离后单独培养,成纤毛细胞同样在正常时间形成纤毛。

Chabry于1887年把海鞘裂球分离培养,发

现每个裂球都负责产生幼虫一定的组织;当特
定裂球从胚胎分离除去后,其负责产生的结构 便在幼虫中消失;分离下来的裂球虽然已和胚

胎其他裂球失去联系,但它们仍能形成在整体
中负责产生的结构。因此,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。

(自Gilbert, 1988)
柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素 不同分为4个区域: 动物极透明细胞质, 植物极近赤道面两个相对排列的新月区, 一个浅灰色的灰色新月区(gray crescent)和一个黄色的黄色新月区 (yellow crescent),最后为含卵黄 的植物极其余部分称灰色卵黄区。 受精后卵裂形成的卵裂球可根据所含 细胞质的色素追踪,含黄色新月区细胞 形成肌细胞; 灰色新月区细胞形成脊索 和神经管; 动物极透明区细胞形成表皮; 灰色卵黄区细胞形成消化道。认为不同 细胞接受不同区域细胞质, 其内含不同 的形态发生决定子,能够使细胞朝一定 方向分化。

海鞘第一次卵裂面和幼虫身体左右对称 面相吻合,此后两边卵裂球的发育完全 (自Reverberi and Minganti, 1964) 相同。 如将海鞘8-细胞胚胎的卵裂球分成4对 (左右两卵裂球是相等的),发育过程如 卵子命运决定图谱与预期一样,植物极 后面一对卵裂球(B4.1)形成内胚层、 间质和肌肉。可见海鞘卵裂球命运在8细胞期已经决定,分离的卵裂球可以自 我分化,但神经系统的发育例外。 神经细胞是由动物极前面一对卵裂球 (a4.2)和植物极前面一对卵裂球 (A4.1)产生。当这两对卵裂球分离后 单独培养均不生产神经组织,当二者配 合后可形成脑和触须(palp)。可见在 海鞘这样镶嵌型发育胚胎中也存在卵裂 球之间相互作用决定发育命运的渐进决 定作用。

用玻针挤压B4.1裂球使原有分裂沟退化,而在更靠植 物极处形成新分裂沟;新分裂沟将部分黄色新月物质分 割到动物极裂球b4.2中。海鞘尾部肌肉自主发育是通 过卵裂把卵细胞质中存在的转录因子Macho分配到特 定裂球中而实现。(自Whittaker, 1982)

第三节 细胞渐进特化
渐进特化是指胚胎发育过程中,相邻细胞或组织之间通过 相互作用,决定其中一方或双方细胞的分化方向。对细胞 行渐进特化的胚胎来说,将一个分裂球从整体胚胎上分离 下来,剩余胚胎中某些细胞可以改变发育命运,填补分离 掉的裂球所留下的空缺,仍形成一个正常的胚胎。这种以 细胞渐进特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育 (regulative development)。调整型发育也称为有条件 发育或依赖型发育(dependent development)。 渐进特化过程中,一个细胞的发育命运主要取决于与其 邻近的细胞所分泌的旁分泌因子(paracrine factors )。

Weismann提出的种质学说(germ plasm theory-1888)。 依据如下:
1.Oskar Hertwig于1876年观察到受精时卵子和精子融合,它们的 细胞核也融合在一起。

2.van Beneden等研究者于1883年已证明:不同种生物的体细胞核 内含有不同数目的染色体;同一种生物每个体细胞内所含染色体的数目 是一定的;每种生物染色体数目在生殖细胞内进行减数分裂时减半,在 受精时又恢复原有数目。

学说要点:
1.假定卵子和精子都对新生有机体贡献出质量和数量等同的染色体;染 色体由核决定子(nuclear determinant)组成,携带全部的遗传 物质;受精卵在分裂时,每个裂球内都分配有相同数目的染色体,但是 组成染色体的核决定子并不均等地分配到每个分裂球中;每个分裂球只 含有部分“核决定子” ,不同的“核决定子”分配到不同的细胞中。

2.最终将发育为生殖细胞的细胞才含有全部的“核决定子”,由此将 亲代性状传递给子代,并保持物种的稳定性。
3.组成有机体的细胞分体细胞和生殖细胞。体细胞有很多类型,由 生殖细胞发育而来,随个体死亡而消亡;生殖细胞世代相传。

假定细胞的定型和分化如果是通过“核决定子”分配到不同的细胞而 实现,可以推论胚胎不同细胞的细胞核应该有本质上的差异;扰乱受 精卵的卵裂过程,必然导致“核决定子”在细胞之间不正常分布,从 而引起不正常发育。

Weismann曾假定第一次卵裂产生左右两裂球,对应未来胚胎的左 边和右边,就是由于左右两裂球分别接受“左侧决定子和“右侧决定 子的结果。胚胎学家Wilhelm Roux(1831-1904)发现在蛙胚2 细胞期,如果用热针刺死一个裂球(未吸去坏死的细胞质),剩下的 一个裂球会发育成半个身体的胚胎(图1.6)。Roux的实验结果正好 和Weismann假设预期的结果吻合,因此Roux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,每个细胞接受一组特定的 “核决定子”,并依据所接受的“核决定子”分化成相应的组织。

1910年,McClendon重复Roux的实验,将2-细胞期胚 胎两个卵裂球分开,结果每个卵裂球都发育为完整的胚胎, 证明 2- 细胞期胚胎的两个卵裂球是等能的,核决定子并非 不均等分配。证明Roux的实验得出了错误结论,但他开创 了用实验方法研究胚胎学的先例成为实验胚胎的奠基人。 许多动物如软体动物、环节动物和海鞘等卵细胞质中确实 存在着形态发生决定子,影响以后的胚胎发育。因此,镶 嵌型胚胎发育这一术语至今仍然沿用。

附录:海胆幼虫与成虫

Hans Driesch: 调整型发育
Hans Driesch于1893年发展 了Roux的实验,采用“分离实 验的方法,即通过剧烈摇晃将海 胆胚胎裂球分开培养,结果发现 2细胞期时分开的两个裂球都能 发育成完整幼虫;甚至在4细胞 期时,分开的海胆胚胎4个裂球 也能发育成长腕幼虫 ( pluteus )。这说明海胆胚胎2 或4细胞期时,分开的裂球通过 调整可以发育成一个完整的有机 体,而不是自我分化形成胚胎的 一部分。 Driesch实验表明,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”不均等分布现象。

海胆受精卵头两次卵裂为经裂,第三次为纬裂, 形成动物极4个卵裂球 和植物极4个卵裂球。后来Driesch将海胆受精卵夹在两玻璃片之间使 前三次卵裂均为经裂,产生8个卵裂球在同一平面,然后除去玻璃片让 其发育得到正常胚胎,并不因为卵裂方向和核决定子分离发生改变而影 响胚胎正常发育。Driesch由此推论,“裂球在整体胚胎中的相对位 臵总体上可以决定其发育结果”;如果位臵发生改变,裂球会相应地调 整自己的发育方向。

第四节 形态发生素梯度和细胞特化
形态发生素是指能够通过其浓度确定细胞发育命运的可以扩 散的生化分子。 形态发生素以定量方式确定细胞命运,而形态发生决定子则 以定性方式确定细胞命运。 形态发生素可以是细胞产生的转录因子,也可以是一组细胞 内产生的旁分泌因子,被转运到另一组细胞并根据含量多少 确定靶细胞发育命运。 形态发生素梯度作为发育和再生过程推动力的概念最早由T. H. Morgan于1905到1906年间提出(此时他仍是一位 胚胎学家,还没成为一位遗传学家),而实验证明则主要 归功于Sven Horstadius。

Sven H? rstadius: 双梯度模型 海胆胚胎早期不对称性 H? rstadius进行了一系列实 验,将海胆胚胎不同层次细胞 用玻璃针分开分别观察它们的 发育命运,当8-细胞期胚胎沿 动植物极轴一分为二时,如 Driesch预言两部分均发育为 长腕幼虫;但当沿赤道面将胚 胎分为动物极和植物极两部分 时,两部分都不发育为完整幼 虫:动物极部分发育为具纤毛 的囊泡称永久囊胚,植物极部 分发育为具膨大消化道的异常 幼虫。

海胆卵子的不对称性
H? rstadius还将海胆未受 精卵沿赤道面切割成动物极 和植物极两部分,然后使其 受精,因为海胆卵片具单倍 体核就能发育获得与分离实 验相同结果,动物极部分发 育为永久囊胚,植物极部分 发育为具膨大消化道的异常 囊胚. 当沿动植物极轴将卵 切开,受精后两部分都能形 成正常胚胎。

海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育。将海胆卵子一分为二,也发现 受精后只有植物极一半能形成小裂球和进行原肠作用。因此,决定小 裂球形成和原肠作用的因子似乎位于卵子植物极部分.

海胆各卵裂球的发育命运图

H? rstadius继而进行一系列最 令人激动的实验,首先追踪64细胞期胚胎6层细胞中每层细胞 正常发育命运,发现海胆64-细 胞期胚胎动物极细胞和植物极第 1层细胞(veg1)形成外胚层, 植物极第2层细胞(veg2)形成 内胚层,而小卵裂球形成中胚层 骨骼. 在海胆64细胞期,用细玻璃针 把胚胎不同的细胞层分开,单独 培养或按不同组合方式把分离的 细胞层重组培养,发现分离的动 物极半球细胞单独培养时形成具 纤毛的永久囊胚。这样的胚胎称 为动物极化(animalization) 胚胎。

当Horstadius把动物极 半球细胞和vegl层细胞重 组时,所发育的幼虫的动 物极极化程度相对减小: 细胞表面纤毛的发育被抑 制,胚胎产生部分消化管。 当动物极半球细胞和 veg2层细胞重组时,形 成一个外形正常的长腕幼 虫。在这种组合里,正常 情况下只形成原肠及其衍 生物的veg2层细胞可以 发育成骨骼。同样,当动 物极半球细胞只和小裂球 配合时,也形成外形正常 的长腕幼虫;在这种组合 里,内胚层完全由动物极 细胞发育而来。

以上实验说明:小裂球比veg2层细胞具有更强的抑制动 物极化的能力,而veg2又比veg1层细胞具有更强的抑 制动物极化的能力,这种作用称植物极化。海胆胚胎中植 物极化的能力呈梯度分布,从植物极到动物极逐渐递减。 H? rstadius还把海胆胚胎小卵裂球与64-细胞期胚胎不同 细胞层分别组合证明海胆胚胎中不仅存在动物极化因子,而 且还有植物极化因子,它也呈梯度分布。分离的an1和an2 单独培养都形成永久囊胚;但当an1和4个小卵裂球组合时发 育为正常幼虫;而an2只与2个小卵裂球组合就能发育为正常 幼虫。当an2与4个小卵裂球组合时发育的幼虫具有膨大的消 化道。veg1细胞单独培养也形成永久囊胚。但当veg1和1 个小卵裂球组合时发育的幼虫消化道异常膨大。至于veg2细 胞根本不需要与小卵裂球配合发育就具有植物极化趋势(右上 图) 。总之,实验证明,植物极化强度由植物极向动物极逐渐 递减, 而动物极化强度从动物极 an1向植物 极小卵裂球逐渐 递减(右下图) 。

(自H? rstadius, 1935)
在海胆胚胎32-细胞期, 将每一层细胞分离, 再分别和0、1、2或4 个小裂球组合。(A) 和an1层细胞组合需4 个小裂球才能形成正 常幼虫(B)和an2层 细胞组合,仅需2个小 裂球就能形成正常幼 虫(C)veg1层细胞 和1个小裂球组合即形 成植物极极化幼虫(D) veg2层细胞缺乏形成 正常幼虫的足够动物 极特性

(自Czihak, 1971)
在海胆胚胎中存在着植物极化和动物极化两个彼此对立的梯度。海胆胚 胎的正常发育依赖于动物极化梯度和植物极化两个梯度之间的平衡,而 不依赖于梯度绝对强度的大小。两个梯度之间的不同组合可以建立起各 种平衡状态。只要两个梯度强度平衡,胚胎就能正常发育。 (A)小裂球加到中裂球 (an1+an2)上。

(B) an2细胞层和大裂 球(未来veg1和veg2层) 相加,两极细胞均不存在。
上述两种组合都能形成正 常幼虫。胚胎下方的图示假 设的形态发生素梯度

第五节 合胞体特化
昆虫如果蝇卵在受精后2h内,只有细胞核分裂,没有细胞质分裂, 由此形成在受精卵周围含有大约3500细胞核的合胞体syncytium 囊胚(blastoderm)。合胞体细胞拥有共同的细胞质,其中细胞 发育命运的特化使用自主特化和渐进特化两种方式,这叫做合胞体特 化(syncytial specification) 。 前端细胞的细胞核暴露于前端细胞质的转录因子中,后端细胞的细胞 核暴露于后端细胞质的转录因子中。细胞核和转录因子之间相互作用 就发生在共同的细胞质中,而这一作用最终导致细胞发育命运向不同 方向特化。 通过转录因子行使形态发生素的作用,果蝇合胞体内每个细胞核都获 得一个位臵信息。转录因子在特定的部位合成并进行长距离迁移且形 成浓度梯度。特定部位的特异性形态发生素直接指导该部位细胞分化, 当每个细胞核最终分隔到细胞内时,这些细胞的命运大体已经定型。 随后,每个细胞发育命运将通过自主特化和渐进特化共同作用而决定。


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