第3章細(xì)胞命運(yùn)的決定-課件

第三章細(xì)胞命運(yùn)的決定2020/12/121本章教學(xué)基本要求1.理解：細(xì)胞定型的概念及與細(xì)胞分化的關(guān)系。2.掌握：細(xì)胞命運(yùn)決定的兩種機(jī)制和兩種胚胎發(fā)育模式。3.熟悉：形態(tài)發(fā)生決定子的分子機(jī)制及與形態(tài)發(fā)生素的區(qū)別。4、了解：果蠅的合胞體特化。課時(shí)：2學(xué)時(shí)。2020/12/122精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒(méi)有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽(yáng)曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒(méi)有學(xué)問(wèn)無(wú)顏見(jiàn)爹娘……”“太陽(yáng)當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥(niǎo)說(shuō)早早早……”細(xì)胞分化：從單個(gè)全能的受精卵產(chǎn)生各種類型細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程叫細(xì)胞分化（celldifferentiation）。已分化的細(xì)胞不但具有一定的形態(tài)和特殊的蛋白質(zhì)，而且行使特異的功能（圖3-1）。第一節(jié)細(xì)胞定型一、定型與分化的概念2020/12/125圖3-1各種細(xì)胞的分化：多細(xì)胞生物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，在一些內(nèi)在機(jī)制作用下，細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理功能及生化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異，成為多種不同的細(xì)胞類型，以形成不同組織、器官和系統(tǒng)的過(guò)程。

2020/12/126細(xì)胞定型：分化細(xì)胞在表現(xiàn)出明顯的形態(tài)和功能變化之前，細(xì)胞內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些隱蔽的變化，使細(xì)胞命運(yùn)朝特定方向發(fā)展，這一過(guò)程稱為定型（commitment）。細(xì)胞定型分為兩個(gè)階段：第一階段為特化（specification）階段；第二階段為決定（determination）階段。2020/12/127圖3-2a細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)、特化和決定示意圖2020/12/1281）特化（specialized）特化階段細(xì)胞仍處于可變期：即當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或組織放在中性環(huán)境如培養(yǎng)皿中可以自主分化時(shí)，說(shuō)明這個(gè)細(xì)胞或組織的命運(yùn)已經(jīng)特化。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（如圖3-2a）。2020/12/1292）決定（determined）當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或組織放在胚胎另一個(gè)部位仍然可以自主分化時(shí)，說(shuō)明這個(gè)細(xì)胞或組織的命運(yùn)已經(jīng)決定。已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是不可逆的。如把已經(jīng)決定的細(xì)胞或組織移植到胚胎不同部位，它只會(huì)按既定命運(yùn)發(fā)育，不會(huì)分化成另外的組織（如圖3-2a）。2020/12/1210圖3-2b兩棲動(dòng)物眼區(qū)細(xì)胞的發(fā)育變化

原腸胚中眼區(qū)將發(fā)育為眼睛。

將原腸胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們將按新部位的命運(yùn)發(fā)育為體節(jié)和脊索。將神經(jīng)胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們?nèi)詫l(fā)育為類似于眼的結(jié)構(gòu)。2020/12/1211在動(dòng)物的胚胎發(fā)育過(guò)程中，定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程。定型是分化的必要準(zhǔn)備，分化是定型發(fā)展的必然結(jié)果。二、細(xì)胞定型的方式細(xì)胞定型存在三種方式：

2020/12/12121）自主特化（auto-nomousspecification）；

2）有條件特化（conditionalspecificat-ion）；

3）合胞體特化（syncytialspecification）。動(dòng)物胚胎一般使用多種方式確定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)。

三、思考：細(xì)胞定型與動(dòng)物克隆技術(shù)的關(guān)系？2020/12/1213一、自主特化與鑲嵌型發(fā)育原因：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)胞質(zhì)分配到不同的分裂球中，進(jìn)而決定各子裂球的發(fā)育命運(yùn)（胞質(zhì)隔離）,這種定型方式稱為自主特化（autonomousspecification）。第二節(jié)細(xì)胞的自主特化2020/12/1214實(shí)驗(yàn)：在胚胎發(fā)育早期，將一個(gè)特定裂球從整體上分離下來(lái)，就會(huì)形成如同在整體胚胎中將會(huì)形成的結(jié)構(gòu)一樣，而胚胎其余部分正好缺乏分離裂球所能形成的結(jié)構(gòu)，兩者互補(bǔ)。這種以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱為鑲嵌型發(fā)育（mosaicdevelopm-ent）。2020/12/1215自主特化裂球含有特定的、影響細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的分子，稱為形態(tài)發(fā)生決定子（morphogeneticdeterminants)，其化學(xué)本質(zhì)是一些轉(zhuǎn)錄因子或它們的mRNA。二、形態(tài)發(fā)生決定子與胞質(zhì)定域2020/12/1216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)分配到特定的裂球中，激活或抑制某些基因表達(dá)，決定裂球的發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)象稱為胞質(zhì)定域（cytoplasmiclocalization）。2020/12/1217具有鑲嵌型發(fā)育胚胎的動(dòng)物包括柄海鞘、櫛水母（ctenophor-es）、環(huán)節(jié)動(dòng)物（annelids）、線蟲(chóng)（nematodes）、軟體動(dòng)物（molluscs）等，主要是一些無(wú)脊椎動(dòng)物，其中典型代表是海鞘胚胎（圖3-3）。2020/12/1218圖3-3海鞘（Phallusiamammillata）受精時(shí)胞質(zhì)定域分離2020/12/1219分子水平研究結(jié)果表明，海鞘胚胎屬于典型的依據(jù)卵內(nèi)貯存信息進(jìn)行“自我分化的鑲嵌體”。海鞘胚胎卵裂時(shí)，不同的細(xì)胞接受不同區(qū)域的卵細(xì)胞質(zhì)，不同區(qū)域的卵細(xì)胞質(zhì)含有不同的形態(tài)發(fā)生決定子（mRNA或蛋白質(zhì)），能夠使細(xì)胞朝一定的方向分化，如何證明？2020/12/1220柄海鞘（Styelapartita）受精卵不同區(qū)域細(xì)胞質(zhì)具有不同的顏色，可以根據(jù)顏色把受精卵分成4個(gè)區(qū)域：含透明細(xì)胞質(zhì)的是動(dòng)物極部分（形成幼蟲(chóng)表皮）、含有灰色細(xì)胞質(zhì)的是灰色新月區(qū)（分化出脊索和神經(jīng)管）、含黃色細(xì)胞質(zhì)的是黃色新月區(qū)（形成肌細(xì)胞）、含卵黃的是植物極部分（形成幼蟲(chóng)的消化道）（圖3-4）。2020/12/1221圖3-4海鞘胚胎的發(fā)育命運(yùn)A.海鞘受精卵細(xì)胞質(zhì)不同區(qū)域具有不同的發(fā)育命運(yùn)；B.海鞘幼蟲(chóng)器官

AB2020/12/1222胚胎切割實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了海鞘的鑲嵌型發(fā)育模式：在海鞘胚胎的發(fā)育的8細(xì)胞期，將胚胎進(jìn)行切割研究：結(jié)果表明，各部分均能發(fā)育出獨(dú)特結(jié)構(gòu)。說(shuō)明海鞘裂球的發(fā)育命運(yùn)在8細(xì)胞期已經(jīng)定型，分離后能自我分化（圖3-5），但都不能形成完整胚胎。2020/12/1223圖3-58細(xì)胞期4對(duì)裂球分開(kāi)后，每對(duì)裂球都形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)2020/12/1224盡管柄海鞘的胚胎發(fā)育為鑲嵌型，海鞘早期胚胎多數(shù)細(xì)胞通過(guò)自主性定型。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的卵裂球之間依然存在著相互誘導(dǎo)作用。如外胚層區(qū)域直到64細(xì)胞期時(shí)還沒(méi)有“神經(jīng)化”，顯然外胚層細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)不僅僅是由胞質(zhì)決定子決定的。這也顯示出不同區(qū)域細(xì)胞定型時(shí)期不同。2020/12/1225此外，蠑螈和馬蛔蟲(chóng)（Parascarisaequorum）體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的分化也受到形態(tài)發(fā)生決定子的影響。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)染色體消減形成體細(xì)胞，而只有一個(gè)最靠近植物極的分裂球含有全數(shù)染色體（全套基因），將來(lái)形成生殖細(xì)胞的裂球里（圖3-6，7）。2020/12/1226圖3-62020/12/1227圖3-7馬蛔蟲(chóng)正常受精卵（A）和經(jīng)離心處理的受精卵（B）分裂時(shí)生殖質(zhì)的分布。2020/12/1228昆蟲(chóng)卵細(xì)胞中也存在著一類決定生殖細(xì)胞分化的生殖質(zhì)，是含有特殊調(diào)節(jié)因子的局部細(xì)胞質(zhì)，可以促進(jìn)生殖細(xì)胞的成熟。如果蠅卵的后部細(xì)胞質(zhì)（圖3-8）。2020/12/1229圖3-8

確定生殖細(xì)胞決定子定位于卵子后端的示意圖2020/12/1230漸進(jìn)特化指胚胎發(fā)育過(guò)程中，相鄰細(xì)胞或組織之間通過(guò)相互作用，影響其中一方或雙方的分化方向，決定發(fā)育的現(xiàn)象。第三節(jié)細(xì)胞的漸進(jìn)特化一、漸進(jìn)特化和調(diào)整型發(fā)育2020/12/1231初始階段，即相互作用開(kāi)始前，細(xì)胞可能具有不止一種分化潛能，但隨著與鄰近細(xì)胞或組織的相互作用逐漸限制了它們的發(fā)育命運(yùn)，使它們只能朝一定的方向分化，因此也稱為漸進(jìn)特化（progressivespecification）或有條件特化。2020/12/1232對(duì)漸進(jìn)特化的胚胎，如果在胚胎發(fā)育的早期將一個(gè)分裂球從整體胚胎上分離，那么剩余的胚胎細(xì)胞就可以改變發(fā)育命運(yùn)，填補(bǔ)所留下的空缺。這種以細(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（regulativedevelopment）。2020/12/1233海膽胚胎的發(fā)育是典型的調(diào)整型發(fā)育。如果在胚胎發(fā)育的4細(xì)胞期或8細(xì)胞期分離卵裂球，分開(kāi)的細(xì)胞也能發(fā)育為完整的幼蟲(chóng)，但幼蟲(chóng)體積較小。即每一個(gè)卵裂球在被分離后，都能調(diào)整自身的發(fā)育，以形成一個(gè)完整的機(jī)體（圖3-9）。漸進(jìn)特化中，一個(gè)細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)主要取決于其臨近細(xì)胞所分泌的旁分泌因子（如各種生長(zhǎng)因子等）。2020/12/1234圖3-92020/12/1235事實(shí)上，任何動(dòng)物的胚胎發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞定型的兩種方式在一定程度上都會(huì)發(fā)生作用，只是程度不同而已；如海膽，在其胚胎發(fā)育過(guò)程中，除了具有典型的調(diào)整型發(fā)育特點(diǎn)外，也顯示出某些鑲嵌型特點(diǎn)。2020/12/1236一般來(lái)說(shuō)，多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中，以細(xì)胞自主特化為主，細(xì)胞有條件特化次之。而脊椎動(dòng)物和少數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中情況正好則相反，以有條件特化為主，細(xì)胞自主特化次之。2020/12/1237在遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)的發(fā)展的基礎(chǔ)上，德國(guó)生物學(xué)家魏斯曼（A.Weismann）于1888年提出了解釋細(xì)胞特化的種質(zhì)學(xué)說(shuō)。種質(zhì)學(xué)說(shuō)（gernplasmthory）認(rèn)為：多細(xì)胞生物體可分為種質(zhì)和體質(zhì)兩部分。二、種質(zhì)學(xué)說(shuō)（germplasmtheory）2020/12/1238種質(zhì)是親代傳遞給后代的遺傳物質(zhì)，存留在生殖細(xì)胞染色體上,它可以發(fā)育為新個(gè)體的體質(zhì)。體質(zhì)可以通過(guò)生長(zhǎng)和發(fā)育形成新個(gè)體的各個(gè)組織和器官，但它不能產(chǎn)生種質(zhì)。Weismann的種質(zhì)學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)了生殖細(xì)胞的連續(xù)性和永生性，這與有機(jī)體生命的有限性形成明顯對(duì)照。2020/12/1239種質(zhì)學(xué)說(shuō)闡述的另一個(gè)觀點(diǎn)是“決定子”

和“嵌合型發(fā)育”理論。魏斯曼認(rèn)為：合子的細(xì)胞核含有大量特殊的信息物質(zhì)—決定子，在卵裂的過(guò)程中這些決定子被不均勻地分配到子細(xì)胞中去控制子細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)，即細(xì)胞的命運(yùn)早被決定。這種觀點(diǎn)后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展為嵌合型發(fā)育理論（圖3-10）。2020/12/1240圖3-102020/12/12411912年，摩爾根（Morgan）進(jìn)一步發(fā)展了魏斯曼的“決定子”學(xué)說(shuō)，提出基因是遺傳性狀表現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，動(dòng)物的一切特征都在遺傳基因中預(yù)先存在，發(fā)育不過(guò)是這些性狀的逐漸表現(xiàn)。決定細(xì)胞命運(yùn)的是不同遺傳物質(zhì)的特定產(chǎn)物。

2020/12/1242德國(guó)胚胎學(xué)家，實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的奠基人威廉.魯（WilhelmRoux）通過(guò)蛙胚針刺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AugustWeismann的核決定子理論(圖3-11)。威廉.魯通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為：蛙胚是由自我分化的各部分組織在一起形成的鑲嵌體，每一部分的發(fā)育命運(yùn)是不能改變的，因?yàn)槊總€(gè)細(xì)胞接受一組特定的核決定子，依據(jù)所接受的核決定子分化為相應(yīng)的組織。

2020/12/1243圖3-111887，W.Roux用燒熱的解剖針破壞兩細(xì)胞時(shí)期蛙胚的一個(gè)分裂球，結(jié)果存活的另一個(gè)分裂球只能發(fā)育成為半個(gè)胚胎。2020/12/1244但由于從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初所進(jìn)行的多種實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的研究，特別是由于H．Driesch，T．Boverj，H．Spemann等科學(xué)家的大量實(shí)驗(yàn)研究完全否定了上述魏斯曼-威廉.魯?shù)睦碚?，不過(guò)這個(gè)理論也不是沒(méi)有任何正確的地方，為什么？2020/12/12451891年，德里斯（Driesch）用海膽為實(shí)驗(yàn)材料重復(fù)了威廉.魯?shù)膶?shí)驗(yàn)卻得到完全不同的結(jié)果：結(jié)果表明，另一半雞胚可發(fā)育成完整的胚胎。后來(lái)發(fā)現(xiàn)是威廉.魯?shù)膶?shí)驗(yàn)操作存在問(wèn)題，可能是熱針影響了另一半胚胎的發(fā)育。2020/12/1246Driesch的實(shí)驗(yàn)第一次證明了發(fā)育過(guò)程中存在調(diào)整型機(jī)制。胚胎為保證正常發(fā)育，可以產(chǎn)生細(xì)胞位置的移動(dòng)和重排。即胚胎具有在局部被排除或受損傷后仍正常發(fā)育的能力，也就是說(shuō)，胚胎發(fā)育是可調(diào)節(jié)的。

2020/12/1247德里斯H.Driesch曾做過(guò)一個(gè)具有跨時(shí)代意義的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)海膽的受精卵分裂為二個(gè)或四個(gè)細(xì)胞時(shí)，通過(guò)振蕩或鈣離子水處理將各細(xì)胞分開(kāi)，結(jié)果它們會(huì)分別發(fā)育成一個(gè)完整的海膽幼體（圖3-12）。該實(shí)驗(yàn)極大地豐富了胚胎學(xué)、細(xì)胞分子學(xué)、遺傳學(xué)內(nèi)容，類似于現(xiàn)在的一個(gè)分子克隆實(shí)驗(yàn)！2020/12/1248圖3-12海膽卵2細(xì)胞期的分離實(shí)驗(yàn)2020/12/1249Driesch的另一實(shí)驗(yàn)是將海膽卵放在兩塊玻璃板之間輕輕擠壓，改變第三次分裂面，使細(xì)胞核發(fā)生異常分布，結(jié)果仍然獲得正常胚胎。因此他認(rèn)為：“裂球在整體胚胎中的相對(duì)位置總體上可以決定其發(fā)育結(jié)果”，如果位置發(fā)生改變，裂球會(huì)相應(yīng)地調(diào)整自己的發(fā)育方向，即海膽胚胎是一個(gè)和諧等能的系統(tǒng)，一個(gè)自主性的協(xié)調(diào)發(fā)育整體（圖3-13）。2020/12/1250圖3-132020/12/1251第四節(jié)形態(tài)發(fā)生素梯度和細(xì)胞特化大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，胚胎細(xì)胞的特化與特定的形態(tài)發(fā)生素（morphogen）濃度梯度密切相關(guān)。所謂形態(tài)發(fā)生素，是能夠通過(guò)其濃度確定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的可以擴(kuò)散的生化分子。形態(tài)發(fā)生素不同于形態(tài)發(fā)生決定子，它以定量方式確定細(xì)胞命運(yùn)，而后者則以定性方式確定細(xì)胞命運(yùn)。2020/12/1252形態(tài)發(fā)生素可以是細(xì)胞產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄因子，也可以是一組細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的旁分泌因子，被轉(zhuǎn)運(yùn)到另一組細(xì)胞并根據(jù)含量多少確定靶細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)。而形態(tài)發(fā)生決定子的化學(xué)本質(zhì)是什么？2020/12/1253可見(jiàn)，形態(tài)發(fā)生素濃度梯度是細(xì)胞漸進(jìn)特化的重要機(jī)制。其作為發(fā)育和再生過(guò)程的推動(dòng)力的概念最早由T.H.Morgan于1905到1906年提出的。后來(lái)，瑞典著名的動(dòng)物胚胎學(xué)家赫斯塔德烏斯SvenHorsta-dius

進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明。2020/12/1254SvenHorstadius對(duì)海膽卵的早期發(fā)生進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)出顯微法分離卵裂球和人工組合或移植的技術(shù),研究了細(xì)胞的早期胚胎中動(dòng)-植物軸的發(fā)育潛能。也開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究的基本方法。2020/12/1255首先，通過(guò)對(duì)海膽的8細(xì)胞期胚胎進(jìn)行切割分離，即分別沿動(dòng)-植物極軸、沿赤道切割動(dòng)物極和植物極，結(jié)果兩部分發(fā)育完全不同：前者兩部分都發(fā)育成長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)（小但正常），后者兩部分都不能發(fā)育成完整幼蟲(chóng)，其中動(dòng)物極部分發(fā)育為永久囊胚，而植物極細(xì)胞發(fā)育成具有龐大消化管的不正常幼蟲(chóng)（圖3-14）；2020/12/1256圖3-142020/12/1257用同樣方法，分別沿動(dòng)-植物極軸、赤道分別切割受精卵細(xì)胞,實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似上述（圖3-15）。此外，赫斯塔德烏斯SvenHorstadius還通過(guò)胚胎切割和重組，還進(jìn)一步研究了64個(gè)細(xì)胞期中各部分裂球的功能情況（海膽64細(xì)胞期胚胎中的動(dòng)物極細(xì)胞an和植物極第一層veg1細(xì)胞都形成外胚層；植物極第二層veg2細(xì)胞形成內(nèi)胚層；而小裂球則形成中胚層骨骼），結(jié)果表明：2020/12/1258圖3-15海膽卵子的不對(duì)稱性2020/12/1259當(dāng)分離和重組培養(yǎng)后，不同組合命運(yùn)不同（圖3-16）：動(dòng)物極半球細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)形成永久囊胚；動(dòng)物極半球細(xì)胞與veg1層細(xì)胞重組時(shí)，動(dòng)物極化不完全；當(dāng)動(dòng)物極半球細(xì)胞與veg2層細(xì)胞重組時(shí)，形成一個(gè)外形正常的幼蟲(chóng)，而正常情況下形成原腸及其衍生物的veg2層細(xì)胞發(fā)育成骨骼；當(dāng)動(dòng)物極細(xì)胞與小裂球重組時(shí)，也形成正常幼蟲(chóng)，而內(nèi)胚層完全由動(dòng)物極發(fā)育而來(lái)。2020/12/1260圖3-162020/12/1261此外，赫斯塔德烏斯還發(fā)現(xiàn)，不同部分組合多少不同結(jié)果不同：分離的an1層細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)都形成永久囊胚。但當(dāng)與4個(gè)小裂球配合時(shí)，可以發(fā)育成正常幼蟲(chóng)。而an2細(xì)胞只要與2個(gè)小裂球配合就能發(fā)育成正常幼蟲(chóng)。此外，vag1、vag2與小裂球配合則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的植物極化現(xiàn)象，不能形成幼蟲(chóng)。具體情況見(jiàn)（圖3-17）。2020/12/1262圖3-172020/12/1263為解釋上述情況，赫斯塔德烏斯提出