發(fā)育生物學(xué)——細(xì)胞命運(yùn)決定講課講稿

1、發(fā)育生物學(xué)細(xì)胞命運(yùn)決定 動(dòng)物有機(jī)體是由分化細(xì)胞動(dòng)物有機(jī)體是由分化細(xì)胞(specialized cell)組成組成 分化細(xì)胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異分化細(xì)胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異 已特化的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是可逆的已特化的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是可逆的 。如果把已特。如果把已特化的細(xì)胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會(huì)分化成化的細(xì)胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會(huì)分化成不同的組織。不同的組織。 已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是不可逆的已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是不可逆的。 在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)連定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)連的過(guò)程的過(guò)程。在胚胎早期發(fā)育過(guò)程

2、中，某一組織或器官的細(xì)胞必需。在胚胎早期發(fā)育過(guò)程中，某一組織或器官的細(xì)胞必需先定型，然后才能向預(yù)定的方向發(fā)育，也就是分化，形先定型，然后才能向預(yù)定的方向發(fā)育，也就是分化，形成相應(yīng)的組織或器官。定型之后，分化方向變得不可逆成相應(yīng)的組織或器官。定型之后，分化方向變得不可逆轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。Cell fate: specification and determination 早期胚胎中，卵裂球的發(fā)育命運(yùn)沒(méi)有決定早期胚胎中，卵裂球的發(fā)育命運(yùn)沒(méi)有決定(determination)。隨著胚胎的發(fā)育，不同卵。隨著胚胎的發(fā)育，不同卵裂球受本身內(nèi)在因素及環(huán)境條件的影響，其發(fā)裂球受本身內(nèi)在因素及環(huán)境條件的影響，其發(fā)育命運(yùn)被

3、確定下來(lái)，分化為內(nèi)胚層、中胚層或育命運(yùn)被確定下來(lái)，分化為內(nèi)胚層、中胚層或外胚層細(xì)胞。外胚層細(xì)胞。 細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的決定是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的決定是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程兩棲動(dòng)物眼區(qū)細(xì)胞的潛能隨發(fā)育時(shí)期的不同而改變兩棲動(dòng)物眼區(qū)細(xì)胞的潛能隨發(fā)育時(shí)期的不同而改變胚胎發(fā)育早期，細(xì)胞的發(fā)育潛力更大！胚胎發(fā)育早期，細(xì)胞的發(fā)育潛力更大！原腸胚中眼區(qū)將原腸胚中眼區(qū)將發(fā)育為眼睛。發(fā)育為眼睛。將原腸胚中眼區(qū)將原腸胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它胚的軀干區(qū)，它們將按新部位的們將按新部位的命運(yùn)發(fā)育為體節(jié)命運(yùn)發(fā)育為體節(jié)和脊索。和脊索。將神經(jīng)胚中眼區(qū)將神經(jīng)胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它

4、胚的軀干區(qū)，它們?nèi)詫l(fā)育為類(lèi)們?nèi)詫l(fā)育為類(lèi)似于眼的結(jié)構(gòu)。似于眼的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式 胞質(zhì)隔離胞質(zhì)隔離 (cytoplasmic segregation)：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)胞質(zhì)分離到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞質(zhì)決定它發(fā)育成胞質(zhì)分離到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪一類(lèi)細(xì)胞，細(xì)胞命運(yùn)的決定與臨近的細(xì)胞無(wú)關(guān)。哪一類(lèi)細(xì)胞，細(xì)胞命運(yùn)的決定與臨近的細(xì)胞無(wú)關(guān)。 自主特化自主特化（autonomous specification）。以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)）。以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱為的胚胎發(fā)育模式稱為

5、鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育 (mosaic development)，或自主性，或自主性發(fā)育，整體胚胎好像是自我分化的各部分的總和。發(fā)育，整體胚胎好像是自我分化的各部分的總和。無(wú)脊椎動(dòng)物為主。無(wú)脊椎動(dòng)物為主。細(xì)胞質(zhì)中決定因子的定位和細(xì)胞不對(duì)稱分裂使細(xì)胞質(zhì)中決定因子的定位和細(xì)胞不對(duì)稱分裂使細(xì)胞變得不同細(xì)胞變得不同細(xì)胞分裂時(shí)母細(xì)胞中的某些分子不均等地分配到兩個(gè)子細(xì)胞分裂時(shí)母細(xì)胞中的某些分子不均等地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，造成子細(xì)胞向不同方向分化。細(xì)胞中，造成子細(xì)胞向不同方向分化。不對(duì)稱分裂：生成不同的子細(xì)胞不對(duì)稱分裂：生成不同的子細(xì)胞Cell fate determinationCytoplasmic lo

6、calization 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 fate determinationAsymmetric division: s

7、tem cell: repeated division-stem cells and differentiate into a variety of cell types; in adult-self renewal; Pluripotent.海鞘不同區(qū)域的卵海鞘不同區(qū)域的卵細(xì)胞質(zhì)分別與未來(lái)細(xì)胞質(zhì)分別與未來(lái)胚胎特定的發(fā)育命胚胎特定的發(fā)育命運(yùn)相聯(lián)系。黃色新運(yùn)相聯(lián)系。黃色新月區(qū)含有黃色細(xì)胞月區(qū)含有黃色細(xì)胞質(zhì)，稱為肌質(zhì)質(zhì)，稱為肌質(zhì)（myoplasm），），將來(lái)形成肌細(xì)胞。將來(lái)形成肌細(xì)胞。灰色新月區(qū)含有灰灰色新月區(qū)含有灰色細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形色細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形成脊索和神經(jīng)管。成脊索和神經(jīng)管。動(dòng)物極部分含透明動(dòng)

8、物極部分含透明細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形成細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形成幼蟲(chóng)表皮。灰色卵幼蟲(chóng)表皮?；疑腰S區(qū)含大量灰色的黃區(qū)含大量灰色的卵黃，將來(lái)形成幼卵黃，將來(lái)形成幼蟲(chóng)消化道。蟲(chóng)消化道。柄海鞘的鑲柄海鞘的鑲嵌型發(fā)育。嵌型發(fā)育。當(dāng)當(dāng)8細(xì)胞期胚細(xì)胞期胚胎中的胎中的4對(duì)卵對(duì)卵裂球被分離裂球被分離后，每對(duì)卵后，每對(duì)卵裂球只能發(fā)裂球只能發(fā)育為部分結(jié)育為部分結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。典型的海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。典型的鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育的胚胎還有櫛水母的胚胎還有櫛水母(tenophores)、環(huán)節(jié)動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物(annelids)、線、線蟲(chóng)蟲(chóng)(nematodes)和軟體動(dòng)物（和軟體動(dòng)物（molluscs）

9、等。另一方面，海膽、兩棲類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等動(dòng)等。另一方面，海膽、兩棲類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物的胚胎屬于典型的物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎調(diào)整型發(fā)育胚胎。在。在這些呈典型的調(diào)整型發(fā)育的動(dòng)物卵子細(xì)胞這些呈典型的調(diào)整型發(fā)育的動(dòng)物卵子細(xì)胞質(zhì)中，也存在著形態(tài)發(fā)生決定子。質(zhì)中，也存在著形態(tài)發(fā)生決定子。 形態(tài)發(fā)生決定子廣泛存在于各種動(dòng)物的卵形態(tài)發(fā)生決定子廣泛存在于各種動(dòng)物的卵子細(xì)胞質(zhì)中。子細(xì)胞質(zhì)中。 形態(tài)發(fā)生決定子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精形態(tài)發(fā)生決定子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時(shí)分配到時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時(shí)分配到特定的裂球中，決定裂球的發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)

10、象稱為特定的裂球中，決定裂球的發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)象稱為胞質(zhì)定域胞質(zhì)定域（cytoplasmic localization）。胞質(zhì)定域）。胞質(zhì)定域也稱為胞質(zhì)隔離（也稱為胞質(zhì)隔離（cytoplasmic segregation）或）或胞質(zhì)區(qū)域化（胞質(zhì)區(qū)域化（cytoplasmic regionalization）或胞）或胞質(zhì)重排（質(zhì)重排（cytoplasmic rearrangement）。）。海鞘（海鞘（Phallusia mammillata）受精時(shí)胞質(zhì)定域的）受精時(shí)胞質(zhì)定域的分離分離 秀麗新小桿線蟲(chóng)胚胎細(xì)胞命運(yùn)主要由秀麗新小桿線蟲(chóng)胚胎細(xì)胞命運(yùn)主要由卵內(nèi)細(xì)卵內(nèi)細(xì)胞質(zhì)決定胞質(zhì)決定，而不是由鄰近細(xì)胞

11、間相互作用決，而不是由鄰近細(xì)胞間相互作用決定。其胚胎中發(fā)現(xiàn)的定。其胚胎中發(fā)現(xiàn)的SKN1蛋白質(zhì)就很可能蛋白質(zhì)就很可能是一種是一種“轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子”樣形態(tài)發(fā)生決定子。樣形態(tài)發(fā)生決定子。 SKN-1可能通過(guò)激活可能通過(guò)激活P1裂球及其產(chǎn)生的裂球及其產(chǎn)生的EMS和和P2兩裂球中的某些特定基因，從而決定它兩裂球中的某些特定基因，從而決定它們的發(fā)育命運(yùn)。咽部細(xì)胞命運(yùn)可以通過(guò)分離們的發(fā)育命運(yùn)。咽部細(xì)胞命運(yùn)可以通過(guò)分離到這些裂球中的母源性因子（到這些裂球中的母源性因子（maternal factor）自主決定。）自主決定。skn-1突變體中腸和咽部的缺陷突變體中腸和咽部的缺陷形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)形態(tài)發(fā)生決定

12、子的性質(zhì) 形態(tài)發(fā)生決定子可能是某些形態(tài)發(fā)生決定子可能是某些特異性蛋白質(zhì)或特異性蛋白質(zhì)或mRNA等生物大分子物質(zhì)，它們可以激活或抑等生物大分子物質(zhì)，它們可以激活或抑制某些基因表達(dá)，從而決定細(xì)胞的分化方向。制某些基因表達(dá)，從而決定細(xì)胞的分化方向。 形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)和作用方式在海鞘和果形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)和作用方式在海鞘和果蠅中研究較為深入。蠅中研究較為深入。 海鞘胚胎中：海鞘胚胎中： 第一類(lèi)是可以第一類(lèi)是可以激活某些基因激活某些基因（乙酰膽堿酯酶（乙酰膽堿酯酶基因）基因）轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)，因?yàn)楹Ｇ逝咛ブ卸鄶?shù)組織的物質(zhì)，因?yàn)楹Ｇ逝咛ブ卸鄶?shù)組織特異性結(jié)構(gòu)的形成都對(duì)轉(zhuǎn)錄抑制劑敏感；特異性結(jié)構(gòu)的形成都對(duì)

13、轉(zhuǎn)錄抑制劑敏感； 第二類(lèi)可能是以第二類(lèi)可能是以mRNA的形式存在于卵內(nèi)一的形式存在于卵內(nèi)一定的區(qū)域，在卵裂時(shí)分布到預(yù)定的裂球中。定的區(qū)域，在卵裂時(shí)分布到預(yù)定的裂球中。 探討胚胎的決定狀態(tài)，應(yīng)對(duì)探討胚胎的決定狀態(tài)，應(yīng)對(duì)決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的蛋白質(zhì)或的蛋白質(zhì)或mRNA進(jìn)行分析鑒別，而不是分析進(jìn)行分析鑒別，而不是分析鑒別細(xì)胞分化時(shí)產(chǎn)生的特異性蛋白質(zhì)和鑒別細(xì)胞分化時(shí)產(chǎn)生的特異性蛋白質(zhì)和mRNA。果蠅極質(zhì)果蠅極質(zhì) 果蠅生殖質(zhì)（極質(zhì)）的組分之一是果蠅生殖質(zhì)（極質(zhì)）的組分之一是gcl（germ cell-less）基因轉(zhuǎn)錄的）基因轉(zhuǎn)錄的mRNA。 另一種可能是另一種可能是Nanos蛋白。蛋白。N

14、anos mRNA蛋白位于蛋白位于卵子后端，卵子后端，Nanos蛋白是果蠅形成腹部所必需。缺乏蛋白是果蠅形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的極細(xì)胞不能遷移到生殖腺中，因而不能蛋白的極細(xì)胞不能遷移到生殖腺中，因而不能發(fā)育成生殖細(xì)胞。發(fā)育成生殖細(xì)胞。 oskar基因在果蠅極質(zhì)的形成和裝配過(guò)程中起著極其基因在果蠅極質(zhì)的形成和裝配過(guò)程中起著極其重要的調(diào)控作用。重要的調(diào)控作用。Oskar基因?qū)⑵浠驅(qū)⑵鋗RNA定位于胚胎定位于胚胎的后極。的后極。 至少有至少有8種種母體效應(yīng)基因母體效應(yīng)基因（maternal effect gene）的突變會(huì)導(dǎo)致果蠅不能形成極質(zhì)，不能形成生殖細(xì)）的突變會(huì)導(dǎo)致果蠅不能形成極

15、質(zhì)，不能形成生殖細(xì)胞。胞。A. staufen基因內(nèi)應(yīng)在基因內(nèi)應(yīng)在oskar基因之前行使功能，并影基因之前行使功能，并影響響oskar基因的表達(dá)?；虻谋磉_(dá)。B. 研究明了的影響果蠅生殖細(xì)研究明了的影響果蠅生殖細(xì)胞發(fā)生的胞發(fā)生的6種基因的作用順序。種基因的作用順序。細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式 胚胎誘導(dǎo)胚胎誘導(dǎo)：胚胎發(fā)育過(guò)程中，相鄰細(xì)胞或組織之間通過(guò)相互作用，決：胚胎發(fā)育過(guò)程中，相鄰細(xì)胞或組織之間通過(guò)相互作用，決定其中一方或雙方的分化方向。定其中一方或雙方的分化方向。 有條件特化有條件特化（conditional specification），因?yàn)榧?xì)胞命運(yùn)取決于與），因?yàn)榧?xì)

16、胞命運(yùn)取決于與其臨近的細(xì)胞或組織。以細(xì)胞有條件特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱為其臨近的細(xì)胞或組織。以細(xì)胞有條件特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱為調(diào)整型發(fā)育調(diào)整型發(fā)育（regulative development），或依賴型發(fā)育。），或依賴型發(fā)育。脊椎動(dòng)脊椎動(dòng)物為主。物為主。Driesch的海膽胚胎分離發(fā)育實(shí)驗(yàn)。的海膽胚胎分離發(fā)育實(shí)驗(yàn)。A，正常長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)，正常長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)，B，單個(gè)胚胎細(xì)胞發(fā)育而成的長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)。，單個(gè)胚胎細(xì)胞發(fā)育而成的長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)。海膽的調(diào)整型海膽的調(diào)整型發(fā)育過(guò)程中也發(fā)育過(guò)程中也存在鑲嵌式發(fā)存在鑲嵌式發(fā)育的成分。育的成分。半個(gè)半個(gè)8細(xì)胞期海膽胚胎的發(fā)育。細(xì)胞期海膽胚胎的發(fā)育。A，沿赤道面將胚胎分，沿赤

17、道面將胚胎分為兩半，為兩半，B，沿動(dòng)植物極軸將胚胎分為兩半。，沿動(dòng)植物極軸將胚胎分為兩半。海膽受精海膽受精卵的不對(duì)卵的不對(duì)稱性稱性海膽海膽64細(xì)胞期胚胎各細(xì)胞期胚胎各部分細(xì)胞的組合發(fā)育部分細(xì)胞的組合發(fā)育（Horstadius, 1939）。）。A，正常發(fā)育；，正常發(fā)育；B，分，分離的動(dòng)物半球的發(fā)育；離的動(dòng)物半球的發(fā)育；C，動(dòng)物半球與，動(dòng)物半球與veg1細(xì)細(xì)胞的組合發(fā)育；胞的組合發(fā)育；D，動(dòng)，動(dòng)物半球與物半球與veg2細(xì)胞的細(xì)胞的組合發(fā)育；組合發(fā)育；E，動(dòng)物半，動(dòng)物半球與小卵裂球的組合球與小卵裂球的組合發(fā)育。發(fā)育。在每一種組合中，都在每一種組合中，都有細(xì)胞相互作用而改有細(xì)胞相互作用而改變?cè)ǖ陌l(fā)

18、育命運(yùn)的變?cè)ǖ陌l(fā)育命運(yùn)的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 一般來(lái)說(shuō)，在多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程一般來(lái)說(shuō)，在多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中，主要是細(xì)胞自主特化在發(fā)生作用，細(xì)胞中，主要是細(xì)胞自主特化在發(fā)生作用，細(xì)胞有條件特化次之；而在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)有條件特化次之；而在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中則相反，主要是細(xì)胞有條件特化在發(fā)生程中則相反，主要是細(xì)胞有條件特化在發(fā)生作用，細(xì)胞自主特化次之。作用，細(xì)胞自主特化次之。Cell fate determinationInduction: a signal from one group of cells influences the development of an adja

19、cent group of cells; 細(xì)胞間的細(xì)胞間的誘導(dǎo)作用使得細(xì)胞之間互不相同。誘導(dǎo)作用使得細(xì)胞之間互不相同。Permissive induction: a cell makes only one kind of response to a signal at a given level.Instructive induction: the cell respond differently to different concentrations of the signal. 細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)來(lái)自外部的信號(hào)使一群來(lái)自外部的信號(hào)使一群細(xì)胞中的一個(gè)或更多的細(xì)胞中的一個(gè)或更多的

20、成員進(jìn)入不同的發(fā)育成員進(jìn)入不同的發(fā)育途徑。途徑。細(xì)胞被導(dǎo)入新的發(fā)育途徑細(xì)胞被導(dǎo)入新的發(fā)育途徑誘導(dǎo)作用可使細(xì)胞互為不同誘導(dǎo)作用可使細(xì)胞互為不同擴(kuò)散性擴(kuò)散性信號(hào)分子信號(hào)分子跨膜蛋白的跨膜蛋白的直接互作直接互作間隙連接間隙連接信號(hào)傳導(dǎo)特點(diǎn)信號(hào)傳導(dǎo)特點(diǎn)l 傳遞距離有限傳遞距離有限l 并非所有細(xì)胞都能對(duì)并非所有細(xì)胞都能對(duì)某種信號(hào)發(fā)生反應(yīng)。某種信號(hào)發(fā)生反應(yīng)。l 不同類(lèi)型細(xì)胞可對(duì)同不同類(lèi)型細(xì)胞可對(duì)同一信號(hào)發(fā)生不同反應(yīng)一信號(hào)發(fā)生不同反應(yīng), , e.g., e.g., 乙酰膽堿使心肌乙酰膽堿使心肌收縮頻率下降，但促使收縮頻率下降，但促使唾液腺分泌唾液。唾液腺分泌唾液。 Signal transduction圖式

21、建成依賴于細(xì)胞對(duì)位置信息的譯讀圖式建成依賴于細(xì)胞對(duì)位置信息的譯讀每個(gè)細(xì)胞每個(gè)細(xì)胞位置信息位置信息：l 獲得獲得位置值位置值(positional value)，這個(gè)值決定它的位置，這個(gè)值決定它的位置 (兩端兩端的邊界的邊界)l 細(xì)胞細(xì)胞譯讀譯讀位置信息位置信息法國(guó)國(guó)旗模式法國(guó)國(guó)旗模式細(xì)胞如何知道它們的細(xì)胞如何知道它們的positional value?由形態(tài)發(fā)生素梯度產(chǎn)生由形態(tài)發(fā)生素梯度產(chǎn)生Morphogen: 某種化學(xué)物質(zhì)某種化學(xué)物質(zhì)濃度變化影響到圖式形成濃度變化影響到圖式形成.The concentration of substance at either end of the gradi

22、ent must remain different from each other but constant, thus fixing boundaryFrench flag modelSingle gradient當(dāng)信號(hào)分子從一個(gè)源當(dāng)信號(hào)分子從一個(gè)源頭向外擴(kuò)散時(shí)，往往頭向外擴(kuò)散時(shí)，往往形成一個(gè)信號(hào)的濃度形成一個(gè)信號(hào)的濃度梯度，使得距源頭遠(yuǎn)梯度，使得距源頭遠(yuǎn)近不同的細(xì)胞根據(jù)自近不同的細(xì)胞根據(jù)自己周?chē)盘?hào)分子的閾己周?chē)盘?hào)分子的閾濃度，表現(xiàn)出各種不濃度，表現(xiàn)出各種不同的行為。同的行為。 Morphogen (誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞發(fā)育的信號(hào)分子誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞發(fā)育的信號(hào)分子,可可擴(kuò)散的蛋白質(zhì)擴(kuò)散的蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄

23、因子轉(zhuǎn)錄因子) 常在軸一端合成常在軸一端合成,擴(kuò)擴(kuò)散散,細(xì)胞沿軸受到不同的細(xì)胞沿軸受到不同的Morphogen的濃度的濃度,從而在不同濃度下誘導(dǎo)不同基因表達(dá)圖。分泌從而在不同濃度下誘導(dǎo)不同基因表達(dá)圖。分泌成形素的一組特殊細(xì)胞稱為組織者成形素的一組特殊細(xì)胞稱為組織者(organizer)。 Morphogenetic gradient: 某些因子沿體軸的分布呈某些因子沿體軸的分布呈現(xiàn)一個(gè)濃度梯度現(xiàn)一個(gè)濃度梯度,這些因子在每一局部的水平?jīng)Q定著這些因子在每一局部的水平?jīng)Q定著這一區(qū)域的命運(yùn)或反應(yīng)。這一區(qū)域的命運(yùn)或反應(yīng)。Gene and Development母體基因母體基因間隙基因間隙基因成對(duì)基因成對(duì)

24、基因體節(jié)極體節(jié)極性基因性基因同源異同源異形基因形基因母體基因沿胚的前后軸形成濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控母體基因沿胚的前后軸形成濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達(dá)：制其它基因的表達(dá)：Bicoid: the first morphogenPositional information is translated into the activation and repression of target genesResponses to morphogen gradients: activation / repression of target genes; c

25、ell proliferation and growth; morphogenetic movementsDifferent targets have different affinities for effectors位置信息可以產(chǎn)生無(wú)數(shù)位置信息可以產(chǎn)生無(wú)數(shù)的模式的模式旁側(cè)抑制產(chǎn)生間隔模式旁側(cè)抑制產(chǎn)生間隔模式Lateral inhibition: mechanism that gives rise to spacing; the differentiating cells secret inhibitory molecule. E.g. a birds skinLateral inhibit

26、ion give a spacing pattern相鄰細(xì)胞的旁側(cè)抑制使已分化的細(xì)胞阻止臨近相鄰細(xì)胞的旁側(cè)抑制使已分化的細(xì)胞阻止臨近細(xì)胞朝相同方向分化細(xì)胞朝相同方向分化, ,可避免器官重復(fù)發(fā)育。可避免器官重復(fù)發(fā)育。分化細(xì)胞分化細(xì)胞發(fā)出更多發(fā)出更多抑制信號(hào)抑制信號(hào)周?chē)?xì)胞周?chē)?xì)胞分化受到分化受到抑制抑制Cell fate determination Embryonic development: 程序是逐步產(chǎn)生程序是逐步產(chǎn)生(generative), 不是不是預(yù)先完整描述好的預(yù)先完整描述好的. It is more like the instructions for making a struct

27、ure by paper folding than a blueprint. 多種途徑保障發(fā)育的可靠性多種途徑保障發(fā)育的可靠性: :如雙腿保持同樣的長(zhǎng)度如雙腿保持同樣的長(zhǎng)度 Redundancy(冗余冗余): when there are two or more ways of carrying out a particular process; if one fails for any reason another will still function. Negative feedback: the end product of a process inhibits an earlier

28、stage and thus keeps the levels of product constant. The complexity of the network of gene activity: robust and relative insensitive to small change發(fā)育命運(yùn)圖發(fā)育命運(yùn)圖 對(duì)每一個(gè)卵裂球進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)追蹤不同卵對(duì)每一個(gè)卵裂球進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)追蹤不同卵裂球的發(fā)育過(guò)程，可在囊胚表面劃定不同的裂球的發(fā)育過(guò)程，可在囊胚表面劃定不同的區(qū)域，顯示每一區(qū)域細(xì)胞的發(fā)育趨向，這樣區(qū)域，顯示每一區(qū)域細(xì)胞的發(fā)育趨向，這樣的分區(qū)圖稱為發(fā)育命運(yùn)圖（的分區(qū)圖稱為發(fā)育命運(yùn)圖（fat

29、e map）。）。Fate mapsEarly gastrula, 10 hrBlastopore forms at predicted positionFertilized eggs, marked with nile blue dye32 cellblastulaLate gastrulaCells injected at 32 cell stage with fluorescent dextrans, as lineage tracers爪蟾早期胚胎發(fā)育命運(yùn)圖的確定。熒光標(biāo)記的爪蟾早期胚胎發(fā)育命運(yùn)圖的確定。熒光標(biāo)記的C3裂球在尾芽裂球在尾芽期胚胎中形成一側(cè)的中胚層細(xì)胞。期胚胎中形成一側(cè)的

30、中胚層細(xì)胞。爪蟾晚期囊胚的發(fā)育爪蟾晚期囊胚的發(fā)育命運(yùn)圖命運(yùn)圖上：側(cè)面觀，外胚層上：側(cè)面觀，外胚層形成上皮和神經(jīng)系統(tǒng)，形成上皮和神經(jīng)系統(tǒng)，沿著背腹軸的帶狀區(qū)沿著背腹軸的帶狀區(qū)域?yàn)橹信邔樱伤斡驗(yàn)橹信邔?，由它形成脊索、體節(jié)、心臟、成脊索、體節(jié)、心臟、腎和血液。爪蟾中胚腎和血液。爪蟾中胚層表面還覆蓋有一薄層表面還覆蓋有一薄層外胚層。層外胚層。下：囊胚背面觀下：囊胚背面觀 命運(yùn)圖命運(yùn)圖并不是表示早期胚胎中各區(qū)域的細(xì)并不是表示早期胚胎中各區(qū)域的細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)確定了，它在很大程度上胞發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)確定了，它在很大程度上反映的是胚胎在繼續(xù)發(fā)育過(guò)程各區(qū)域細(xì)胞反映的是胚胎在繼續(xù)發(fā)育過(guò)程各區(qū)域細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并

31、不是細(xì)胞的分化情況。的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并不是細(xì)胞的分化情況。 特化圖特化圖（specification map）卻可以在一）卻可以在一定程度上反映出細(xì)胞的分化情況。特化圖定程度上反映出細(xì)胞的分化情況。特化圖是將囊胚切成小塊，每小塊分別在簡(jiǎn)單培是將囊胚切成小塊，每小塊分別在簡(jiǎn)單培養(yǎng)基中培養(yǎng)，觀察它們形成哪一種組織。養(yǎng)基中培養(yǎng)，觀察它們形成哪一種組織。特化圖與命運(yùn)圖之間有很大程度的相似性特化圖與命運(yùn)圖之間有很大程度的相似性，但在外胚層和中胚層存在很大的差別。，但在外胚層和中胚層存在很大的差別。爪蟾晚期爪蟾晚期囊胚的特囊胚的特化圖化圖外胚層區(qū)外胚層區(qū)細(xì)胞還沒(méi)細(xì)胞還沒(méi)有分化為有分化為預(yù)定神經(jīng)預(yù)定神經(jīng)細(xì)胞，中

32、細(xì)胞，中胚層區(qū)細(xì)胚層區(qū)細(xì)胞還沒(méi)有胞還沒(méi)有分化為預(yù)分化為預(yù)定肌肉細(xì)定肌肉細(xì)胞。胞。爪蟾囊胚命運(yùn)圖和特化圖的比較。脊索的命運(yùn)圖和特化爪蟾囊胚命運(yùn)圖和特化圖的比較。脊索的命運(yùn)圖和特化圖基本相當(dāng)，其他中胚層區(qū)的特化還沒(méi)有發(fā)生，來(lái)自圖基本相當(dāng)，其他中胚層區(qū)的特化還沒(méi)有發(fā)生，來(lái)自Spemman組織者以及腹方的信號(hào)將發(fā)揮作用。組織者以及腹方的信號(hào)將發(fā)揮作用。雞胚的早期雞胚的早期胚盤(pán)，示后胚盤(pán)，示后緣區(qū)。緣區(qū)。雞胚的絕大部雞胚的絕大部分由后緣區(qū)分由后緣區(qū)（posterior marginal zone）發(fā)育而）發(fā)育而來(lái)。在早期胚來(lái)。在早期胚盤(pán)中所占的比盤(pán)中所占的比例很小，命運(yùn)例很小，命運(yùn)圖的繪制非常圖的繪制非常困難。困難。雞胚原條完雞胚原條完全形成時(shí)的全形成時(shí)的命運(yùn)圖。命運(yùn)圖。只有在原條形只有在原條形成以后，其命成以后，其命運(yùn)圖才顯得較運(yùn)圖才顯得較為明確。為明確。小鼠晚期原腸胚小鼠晚期原腸胚的命運(yùn)圖（背面的命運(yùn)圖（背面觀），原條已經(jīng)觀），原條已經(jīng)完全形成。完全