A第7章细胞的自主特化.ppt

第七章 细胞的自主特化:形态发生决定子,动物有机体是由分化的细胞组成的。分化细胞不仅形态各异，而且功能各异，它们都有自己特异的蛋白质产物(P123, 表6.1)。 第一节 细胞定型和分化 从单个受精卵产生各种类型细胞的发育过程称为细胞分化(cell differentiation)。在细胞分化之前发生一些隐蔽的变化，使细胞向特定方向发育，这一过程称为定型(commitment)，经典胚胎学称为决定(determination)。已定型细胞与未定型细胞间表型上无任何不同，只是前者发育受到严格限制。在发育过程中定型和分化是两个相互关联的过程，细胞定型后分化的方向不可逆转。,细胞定型有两种方式： 通过胞质隔离(cytoplasmic segrega-tion)实现。卵裂时受精卵内特定的细胞质分离到特定的卵裂球中，决定它发育为那种类型细胞，细胞决定与临近细胞无关。细胞命运的这种决定方式称为自主特化(autonomous specification)，其胚胎发育模式称为镶嵌型发育(mosac development)，也称自主型发育。 通过胚胎诱导实现。相邻细胞或组织间相互作用, 决定一方或双方的发育命运。这种定型方式称为条件特化(conditional)或渐进特化(progresive)或依赖性特化(dependent), 其发育模式为调整型发育(regulative development)。,第二节 形态发生决定子 形态发生决定子(morphogenetic determinant)也称胞质决定子或成形素(morphogen)。 其概念源于对细胞谱系研究。发现水蛭和海鞘胚胎发育中一些特定组织由特定卵裂球发育而成，它们含有卵子一定区域细胞质，卵裂球都自主发育，其发育为镶嵌型发育。当代研究发现，海鞘胚胎确实类似于依据卵内储存信息进行自我分化的镶嵌体。,柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素不同分为4个区域(下图): 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相同. 实验研究发现，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(下右图)。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的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.,海鞘胚胎的镶嵌型决定作用 8-细胞期4对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构,用玻璃针反复挤压海鞘B4.1卵裂球使原分裂沟退化,在靠近植物极区形成新卵裂沟, 沿此将卵裂球分开部分黄色新月胞质进入b4.2，它也形成肌肉.童第周核移植实验也证明如此,第三节 胞质定域 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，卵裂时分配到特定卵裂球决定其发育命运。这一现象称为胞质定域(cytoplasmic localization)。,一. 海鞘 1. 肌质和肌细胞的特化 Whittacker(1973)首先用组织化学方法检测了海鞘胚胎中乙酰胆碱酶(AChE)的发育情况，证明海鞘胚胎的胞质定域。发现AChE只存在于海鞘幼虫肌肉组织中。根据海鞘胚胎细胞谱系(图6.4), 8-细胞期只有植物极后面一对卵裂球B4.1形成肌肉，分离后单独培养也是如此，而且AChE染色呈阳性(左图)。后来证明A4.1卵裂球在完整胚胎中也能形成肌肉，它是由于诱导作用形成的。当用细胞松弛素B处理不同时期海鞘胚胎抑制胞质分裂再进行AChE活性检测时发现，所得结果与细胞谱系分析吻合(右图),2. 内胚层、表皮和前后轴的决定 实验证明，内胚层特异的碱性磷酸酶只在预定形成消化道的细胞中产生。后来利用细胞和细胞或细胞和细胞碎片融合的实验追踪决定内胚层和表皮细胞发育命运的形态发生决定子(下图): 当一个细胞谱系的细胞或细胞碎片与另一个细胞谱系的细胞融合后用生化标记或抗体标记检测很容易发现融合细胞是否新的发育命运. 结果表明，表皮决定子在受精过程中迁移到卵子的动物极顶部区(apical region)，卵裂时进入动物极卵裂球中，即8-细胞期胚胎的a4.2和b4.2两卵裂球中；而内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂期进入植物极卵裂球中。,伴随受精时卵子细胞质运动，海鞘胚胎的前后轴也被决定下来。在受精过程卵质运动完成后，除去受精卵植物极后端大约10%的细胞质(PVC)，则大多数胚胎缺少前后轴，发育成只具有前端的辐射对称幼虫。如果将一个胚胎的PVC移植到另一个切除PVC胚胎的前端，结果前端发育为新的后端，后端发育为前端。,海鞘肌肉、内胚层和表皮三种组织胞质决定子的运动比较 图仅代表卵子表面观,二. 软体动物 Wilson(1904)将帽贝早期卵裂球分离培养发现，其发育命运、分裂速度和分裂方式都和完整胚胎内的相同卵裂球一样(下图)。这是由特定的形态发生决定子为基础的。,帽贝成纤毛细胞的分化 A.帽贝正常胚胎中成纤毛细胞的分化 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. B.分离培养的帽贝成纤毛细胞的分化. a.分离的成纤毛细胞. b,c. 培养过程中第1和第2次卵裂. d.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,软体动物胚胎在第一次卵裂前植物极部分胞质向下突起，形成极叶(polar lobe)。第一次卵裂形成AB和CD两个卵裂球，极叶与CD以细柄相连。极叶约占卵子总体积的1/3, 因此看起来象一个卵裂球, 胚胎外形象三叶状, 称为三叶期(trefoil stage)。第一次卵裂完成后，极叶消失并入CD卵裂球。第二次卵裂时极叶再次出现，卵裂完成后仅与D卵裂球相连，后并入D卵裂球。此后极叶出现就不明显了。,极叶突出和缩回各发生两次,切除实验证明，三叶期除去极叶不能形成正常的担轮幼虫，形成缺少中胚层的幼虫；4-细胞期切除D卵裂球也形成缺少中胚层的幼虫。证明极叶含有中胚层形成决定子。 壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的，除去极叶没有中胚层形成，也就没有诱导者诱导外胚层形成壳腺。,极叶中形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架中, 而不在可扩散的细胞质中。 将螺(Ilyanassa obsoleto)三叶期胚胎离心使极叶中可扩散细胞质流入CD卵裂球中, 再切除极叶, 发育的胚胎仍缺少中胚层结构; 将极叶细胞质吸出，其它部位的细胞质流入极叶, 发育的胚胎正常; 将极叶细胞质加入B卵裂球中, B卵裂球并不产生中胚层结构。因此可扩散细胞质不含形态发生决定子。因此，形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架中.,由于极叶细胞质的进入，D 卵裂球比其它3个卵裂球都大，故称其为大卵裂球(macromere)。D 分裂产生1d 和1D，1D 分裂产生2d 和2D，2D 分裂产生3d和3D，3D 分裂产生4d 和4D。当除去D 或1D 或2D 卵裂球时,发育的胚胎缺少心脏、消化道、面盘、壳腺、眼和足。除去3D，胚胎只缺少心脏和消化道。可见原先存在于D 卵裂球中的某些形态发生决定子分配到3d卵裂球中。只除去4D 对胚胎发育没有质的影响。,但除去4d, 则胚胎缺少心脏和消化道。因此形成心脏和消化道的决定子已分配到4d卵裂球中。4d下一次卵裂时产生两个成中胚层细胞，它们将来形成中胚层的心脏和内胚层的消化道。,三. 线虫 1. 生殖细胞的特化 卵子细胞质中存在区域分布的形态发生决定子，这在整个动物界是普遍现象，最常见的决定子是生殖细胞决定子。 Boveri第一个对胚胎发育中染色体变化进行了观察，发现副蛔虫单倍体生殖细胞只有2条染色体，第一次卵裂为纬裂形成动物极和植物极两个卵裂球；在第二次卵裂前动物极卵裂球染色体两端裂解成数十个小片段，散布细胞质中，不再加入新形成的细胞核内，因而失去很多基因，这一现象称为染色体消减(chromosome diminution)。植物极卵裂球仍保持正常数目染色体。,第二次卵裂，动物极经裂，植物极纬裂，在下一次卵裂前靠近动物极的卵裂球染色体消减，因此4-细胞期胚胎只有1个卵裂球含有正常数目染色体。此后每次卵裂有一个卵裂球发生染色体消减，16-细胞期只有2个卵裂球含全数染色体，最终只有1个卵裂球含全数染色体形成生殖细胞，其它形成体细胞。 当将副蛔虫受精卵卵裂前离心使纺锤体旋转90，卵裂由纬裂变成经裂形成的两个卵裂球内均不发生染色体消减，下一次纬裂产生的两个动物极细胞均发生消减，植物极均不。说明植物极含有某些物质保护卵裂球染色体不消减，这些物质决定生殖细胞形成，称为生殖质(germ plasm).,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 A.正常情况下生殖质保留在最靠植物极的裂球中，该裂球保留全数染色体，成为生殖干细胞 B.离心使第一次卵裂面旋转90，由此形成的两裂隙球全保留有生殖质。两个裂隙球中的染色体都必须不发生消减。经两次卵裂后，植物极两个裂球成为生殖干细胞,2. 咽部原始细胞命运的决定 第一次卵裂产生P和AB卵裂球，后端P卵裂产生EMS和P2卵裂球，只有EMS分离后能产生咽部肌肉。而EMS分裂后产生MS和E两个卵裂球，只有MS具有形成咽部组织的潜能。 秀丽线虫胚胎中发现SKN-1蛋白质可能是一种“转录因子”样形态发生决定子，它是一种母源性多肽,控制形成咽后部的EMS卵裂球命运。 表明母源性因子分离到特定卵裂球中自主决定形成咽部细胞的命运。其突变体(skn_1)胚胎既不能由EMS产生咽，也不能产生肠。,SKN-1在细胞质中处于无活性状态。第一次卵裂后它大部分进入P1细胞核，少量进入AB； 第二次卵裂，P1产生EMS和P2 细胞核均含SKN-1。它可能是一种形态发生决定子，它能激活所在卵裂球中某些特定基因，并决定它们的发育命运。但还需要另外一些因子将SKN-1功能限制于EMS卵裂球中，同时阻止它们在P2卵裂球中发生作用。,把SKN-1功能限制于4-细胞期EMS卵裂球是通过pie-1 (pharyngeal and imtestinal excess)和mex-1(muscle excess)基因活动实现的。二者均能调节skn-1的活动。pie-1和mex-1基因突变将改变秀丽线虫8-细胞期胚胎中细胞决定作用，产生一些额外的卵裂球形成MS细胞。 在pie-1缺陷型母体胚胎中，P3和C姊妹卵裂球分别转变成E和MS卵裂球；在mex-1缺陷型母体胚胎中，AB卵裂球产生的子细胞均形成MS卵裂球；在来自同时缺少pie-1和mex-1产物母体胚胎中，其前端6个细胞为MS卵裂球, 后端2个细胞为E卵裂球。 可见蛋白质PIE-1和MEX-1可以各自单独发生作用: MEX-1在第一次卵裂时使SKN-1不对称地分配到P1卵裂球中；而PIE-1在第二次卵裂时使SKN-1不对称地分配到EMS卵裂球(图).,无论怎样野生型基因skn-1都是额外的MS卵裂球形成所必须的;缺乏skn-1的胚胎不能形成咽.这样MEX-1, PIE-1和SKN-1的激活联系在一起。PIE-1也起促进作用保持生殖细胞全能性。,野生型和突变型胚胎中MS细胞决定模型,四. 昆虫 1. 极质和生殖细胞的分化 昆虫卵含有的生殖质能保护生殖细胞染色体免于消减. 蠓在胚胎卵裂时多数细胞的染色体由原来40条失去32条, 只有位于卵后端的两个细胞核染色体不消减，并保留一段时间不分裂，最终这两个细胞核形成生殖细胞的核. 当用结扎方法阻止细胞核迁入卵子后端细胞质时，所有细胞核染色体都经历消减，发育成的蠓是不育的，缺少生殖细胞。 当结扎松开让发生染色体消减的细胞核进入卵子后端细胞质，发育的蠓具有生殖细胞，但不能分化成有功能的精子和卵子。 证明:消减的染色质中含有在生殖细胞形成过程中处于活跃状态的基因.,有研究发现在极细胞(polar cell)形成前除去或破坏蜜蜂卵子的极质 (polar plasm)，即卵子后端的生殖质，发育的蜜蜂缺乏生殖细胞，不能繁殖。在蜜蜂卵子极质中含有极粒(polar granule)，虽然其功能尚不清楚，但它总与极质以后形成生殖细胞联系在一起，成为辨认极质和生殖细胞的标记。,蠓胚胎中的染色体消减,极粒在胚胎发育过程中不断变化：受精前致密的膜状极粒聚集在线粒体周围，当胚胎细胞核迁移到极区前，极粒分散开来，最终并入极细胞中。当极细胞向生殖嵴(germinal ridge)内迁移时，极粒进一步分散成被称为朦胧子(nuage)的细丝，聚集于核膜周围。 极粒这种 变化很可能普遍存在,并在配子发生中起重要作用. 右图示将极质从未被辐射的供主移植到被辐射的受体，可挽救辐射诱导的不育.,图由左至右： 1正常胚胎具有卵裂球和极细胞 2卵裂早期被辐射胚胎具有卵裂球但无极细胞; 3 注入极质的被辐射胚胎.,2. 果蝇晚期发育中细胞不对称分裂 果蝇神经系统的研究表明，形态发生决定子可能在胚胎发育晚期发生分离。果蝇幼虫神经系统形成时神经干细胞(成神经细胞)分裂产生两个性质截然不同的子细胞: 一个成神经细胞(干细胞); 另一个成为神经节母细胞(ganglion mother cell)。后者分裂产生的细胞预定分化为神经元。 神经节母细胞含有一些特异的蛋白质，如膜蛋白Numb和转录因子prospero, 它们决定了神经元的发育命运。虽然这些特异性蛋白质分布于神经节母细胞，但它们并非在这些细胞内合成的，它们是在成神经细胞中合成的。,有研究发现，在成神经细胞中合成的Numb 和prospero位于部分细胞膜上，当细胞完成分裂后这些蛋白质都分隔到神经节母细胞中(右图)。 这两种蛋白质具有一段共同的氨基酸序列，它可能与成神经细胞分裂时的不对称分离有关，当这段共同的氨基酸序列被剔除后，Numb和prospero将被随机地分配到两个子细胞中.,五. 两栖类生殖细胞的特化 研究发现林蛙受精卵植物极皮层中含有染色特性和果蝇极质类似的物质, 发育中它流入少数几个预定内胚层细胞, 最后迁移到生殖嵴内, 它们是原始生殖细胞(下左图)。 如果将蛙神经胚中向生殖嵴迁移的含原始生殖细胞的内胚层切下，移植到另一只蛙神经胚中(下右图): 结果供主细胞核只有一个核仁，受体细胞核有两个核仁， 结果表明: 供主胚胎发育的成蛙不育; 受体胚胎发育的成蛙不但正常繁殖，而且与正常蛙交配产生的后代既有细胞核含一个核仁的，也有含两个核仁的。,第四节 形态发生决定子的性质 形态发生决定子不但广泛存在于动物卵细胞质中，而且在细胞分化中起决定性作用。它可能是一些特异性蛋白质或mRNA，它们可激活或抑制某些基因的表达, 从而决定细胞的分化方向。 一. 海鞘的形态发生决定子 研究发现海鞘胚胎可能含有两类形态发生决定子: 可以激活某些基因转录的物质; 可能是mRNA。 因为直到原肠胚才能在B4.1卵裂球后裔细胞中检测到AChE的mRNA，所以它是新合成的；而且多数组织特异性结构形成对转录抑制剂敏感。,另外，可能形态发生决定子以mRNA的形式存在于卵内一定区域，如内胚层特异的碱性磷酸酶，用抑制mRNA合成的放线菌素D处理不影响它的合成；而用抑制蛋白质合成的嘌呤霉素处理则无碱性磷酸酶产生，因此碱性磷酸酶的mRNA存在于卵细胞质中，在卵裂过程中它被分配到将来发育为内胚层的卵裂球中. 同样，肌肉特异性肌动蛋白形成决定子也以mRNA的形式存在于海鞘卵子黄色新月细胞质的细胞骨架成分，分布在卵子皮层中，受精后随黄色物质分隔到植物极，以后随卵裂进入预定形成肌肉的细胞中。,二. 果蝇极质 果蝇极质能够决定那些含有极质的细胞的命运 (下图): 如将野生型果蝇卵的极质移植到另一个遗传上具有标记的突变体果蝇胚胎的前端，其细胞类似正常胚胎后部的生殖细胞。然后将这些前端细胞移植到以不同突变体为标记的受体后部， 它们的后代能迁移到生殖腺，当将它们与未移植的突变体交配，产生的后代有些是野生型的，证明这些后代的生殖细胞来自非亲代的果蝇品系。,果蝇极粒已分离出, 它主要由蛋白质和mRNA 组成。极质的主要组分之一是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，转录的mRNA通过环管(ring canal)转运到卵子中，进入卵子后它很快迁移到卵子后端定位于极质中。它在卵裂早期翻译成蛋白质，蛋白质进入细胞核后成为极细胞