发育生物学基本原理

1、1第一篇第一篇 发育生物学基本原理发育生物学基本原理第一章第一章 细胞命运的决定细胞命运的决定第二章第二章 细胞分化的机制细胞分化的机制第三章第三章 转录后的调控转录后的调控第四章第四章 发育中的信号传导发育中的信号传导2第一章第一章 细胞命运的的决定细胞命运的的决定动物机体是由分化细胞组成的。动物机体是由分化细胞组成的。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。 表表1.1 1.1 部分已分化细胞的类型、特征产物及功能部分已分化细胞的类型、特征产物及功能3部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能细细 胞胞 类类 型型特特 征征

2、 产产 物物功功 能能角质细胞（表皮细胞）角蛋白 保护身体免受损伤及防止干燥 红细胞血红蛋白 输送氧气 晶体细胞 晶体蛋白 传送光线 B淋巴细胞 免疫球蛋白 合成抗体 T-淋巴细胞 细胞表面抗原（淋巴因子） 破坏外源细胞；调节免疫反应 黑素细胞 黑色素 产生色素 胰岛细胞 胰岛素 调节糖类代谢 Leydig细胞（） 睾酮 雄性特征 软骨细胞 硫酸软骨素；胶原纤维 腱、韧带 成骨细胞 骨基质 支撑骨骼 肌肉细胞 肌动蛋白、肌球蛋白 肌肉收缩 肝细胞 血清白蛋白；多种酶类 产生血清白蛋白；多种酶类功能 神经元 神经递质（乙酰胆碱、肾上腺素等） 传导点刺激 鸡输卵管管状细胞（） 卵清蛋白 产生保护胚

3、胎并为之提供营养的卵清蛋白 昆虫输卵管滤泡细胞（） 卵壳蛋白 产生保护胚胎的卵壳蛋白 B淋巴细胞 免疫球蛋白 合成抗体 T-淋巴细胞 细胞表面抗原（淋巴因子） 破坏外源细胞；调节免疫反应 黑素细胞 黑色素 产生色素 胰岛细胞 胰岛素 调节糖类代谢 4第一节第一节 细胞定型和分化细胞定型和分化细胞分化：细胞分化： 从单个全能的细胞（受精卵）产生各种类型分化细胞的发育过程。 已分化细胞不仅具有一定形态和合成的特异性产物，而且行使特定的功能。5细胞定型：细胞定型：细胞在分化之前，将发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展的过程。定型细胞与未定型细胞的表型相近，但前者发育命运限制定型分为特化和决定两个

4、时相6 特化：特化： 当细胞或组织放在中性环境如培养皿当细胞或组织放在中性环境如培养皿中可以自主分化时，该细胞或组织已经特化。中可以自主分化时，该细胞或组织已经特化。 已特化的细胞或组织的命运是可逆的。已特化的细胞或组织的命运是可逆的。 决定：决定：当一个细胞或者组织放在胚胎另一部当一个细胞或者组织放在胚胎另一部位可以自主分化时，该细胞或组织已经决定。位可以自主分化时，该细胞或组织已经决定。 已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。 在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。在早期发育过程中，某一组织或器联

5、的过程。在早期发育过程中，某一组织或器官原基必须首先定型，然后才能向预定方向发官原基必须首先定型，然后才能向预定方向发育。育。7细胞定型有两种方式：细胞定型有两种方式： 和和 （1 1）自主特化）自主特化：细胞命运完全由内部细胞质决定。：细胞命运完全由内部细胞质决定。 通过胞质隔离实现通过胞质隔离实现：卵裂时，受精卵内特定的细：卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近细定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近细胞无关。胞无关。 镶嵌型发育镶嵌型发育：以细胞自主特化为特点的胚胎发育：以细胞

6、自主特化为特点的胚胎发育模式。模式。89（2 2）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）：细胞：细胞的发育命运完全取决与其相邻的细胞或组织。的发育命运完全取决与其相邻的细胞或组织。 通过胚胎诱导实现：通过胚胎诱导实现：胚胎发育过程中，相邻细胞或胚胎发育过程中，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。相互作用之前，的分化方向。相互作用之前， 细胞具有多种分化细胞具有多种分化潜能，但和邻近细胞或组织相互作用后逐渐限制了潜能，但和邻近细胞或组织相互作用后逐渐限制了它们的发育命运，使之朝某一特定方向分化

7、。它们的发育命运，使之朝某一特定方向分化。 调整型发育：调整型发育：以细胞有条件特化为特点的胚胎发育以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式。模式。10 事实上，任何动物的胚胎发育过程，两种细胞事实上，任何动物的胚胎发育过程，两种细胞定型方式在一定程度上发生作用。定型方式在一定程度上发生作用。 一般来说，无脊椎动物胚胎发育过程中，细胞一般来说，无脊椎动物胚胎发育过程中，细胞自主特化为主，自主特化为主， 细胞有条件特化次之；而在脊细胞有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过程中，细胞有条件特化为主，椎动物胚胎发育过程中，细胞有条件特化为主，细胞自主特化次之。细胞自主特化次之。11第一节 细胞发育通过形

8、态发生决定子自主特化一、形态发生决定子一、形态发生决定子 形态发生决定子形态发生决定子(成形素、胞质决定子）：成形素、胞质决定子）：细胞细胞质中含有的决定细胞分化的特定物质。质中含有的决定细胞分化的特定物质。12例例1 1 水蛭水蛭 卵裂、囊胚期细胞数目相对少，可以根据大小、形状和位置将卵裂球区分，追踪卵裂球的来源及其发育命运。（细胞系谱） 中胚层成肌肉胚带 肌肉 中胚层干细胞 成神经细胞的神经胚带 腹神经索 分化组织是早期由某一特定卵裂球发育而来，在以特分化组织是早期由某一特定卵裂球发育而来，在以特定的卵裂方式产生卵球的过程中，特定的细胞质不均定的卵裂方式产生卵球的过程中，特定的细胞质不均等

9、分配。等分配。13例例2 2：海鞘：海鞘图图1-1 1-1 受精时细胞质决定子的隔离受精时细胞质决定子的隔离 透明动物极透明动物极 表皮表皮 灰色新月区灰色新月区 脊索脊索 神经管神经管 黄色新月区黄色新月区 肌肉肌肉 灰色卵黄区灰色卵黄区 消化管消化管 卵裂过程中，不同细胞质被分配到不同裂球中，从卵裂过程中，不同细胞质被分配到不同裂球中，从而决定裂球的命运而决定裂球的命运 。 14图图1-2 1-2 海鞘胚胎的镶嵌决定作用海鞘胚胎的镶嵌决定作用8细胞期4对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构（1）每对卵裂球的发育）每对卵裂球的发育命运不同：命运不同：B4.1 发育形发育形成内胚层、间质和肌肉

10、成内胚层、间质和肌肉组织组织（2）胚胎中）胚胎中神经组织神经组织是是从动物极前面一对裂球从动物极前面一对裂球（a4.2）和植物极前面一）和植物极前面一对裂球（对裂球（A4.1）产生；）产生；单独培养时，它们都不单独培养时，它们都不能形成神经组织。能形成神经组织。在海鞘这样严格的镶嵌型发育在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在裂球胚胎中，也存在裂球之间相互作用决定细胞发育命之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。运的渐进决定作用。15图图1-3 1-3 挤压实验挤压实验B4.1 肌肉肌肉b4.2 无肌肉无肌肉将将B4.1黄色新月区胞质挤压入黄色新月区胞质挤压入b4.2， b4.2 产生肌肉

11、产生肌肉细胞质存在某些形态发生决定子，能够决定细胞朝细胞质存在某些形态发生决定子，能够决定细胞朝一个方向分化，形成一定的组织结构一个方向分化，形成一定的组织结构。16 海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。其他还有：海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。其他还有：栉水母、环节动物、线虫、软体动物。在这些栉水母、环节动物、线虫、软体动物。在这些典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中，都存典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中，都存在形态发生决定子。在形态发生决定子。 另一方面，海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎另一方面，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。同样，也存在着属于典型的调整型发育胚胎。同样，也

12、存在着形态决定子。形态决定子。17二、胞质定域二、胞质定域 形态发生子在卵细胞质中呈一定形式分布，受形态发生子在卵细胞质中呈一定形式分布，受精后发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂精后发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的卵裂球中，决定裂球的发育命时分配到特定的卵裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为运。这一现象称为胞质定域胞质定域，或胞质隔离、胞，或胞质隔离、胞质区域化、胞质重排。质区域化、胞质重排。18海鞘形态发生决定子的运动海鞘形态发生决定子的运动 图图15 海鞘肌肉、内胚层、表皮三种组织胞质决定子的运动比较海鞘肌肉、内胚层、表皮三种组织胞质决定子的运动比较（图为卵子表面观

13、）（图为卵子表面观）海鞘卵子受海鞘卵子受精时，卵质精时，卵质运动，产生运动，产生独特的胞质独特的胞质区域；区域；不同的胞质不同的胞质区域含有不区域含有不同的形态决同的形态决定子，并在定子，并在卵裂时分配卵裂时分配到不同的卵到不同的卵裂球中。裂球中。19三、形态发生子的性质 （1）激活某些基因转录的物质）激活某些基因转录的物质 （2）某些）某些m RNA20第二节 细胞命运通过相互作用的渐进特化在海胆和脊椎动物等后口动物中，细胞发育命运主要取决于它在胚胎中所处的位置，而不是取决于它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。21

14、一、经典的胚胎学实验一、经典的胚胎学实验 1. Roux 缺损实验缺损实验 ( 蛙蛙 ) 镶嵌型发育镶嵌型发育缺损实验缺损实验奠定实验胚胎学奠定实验胚胎学222. Driesch分离组合实验分离组合实验(海胆海胆)Wilhelm Roux的同事的同事Hans Driesch的下述实验表明，胚胎具有的下述实验表明，胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，即胚胎发育是可胚胎发育是可调节的调节的。（调整型发育）。（调整型发育）233. Horstadius 分离实验分离实验(海胆海胆) 8-细胞细胞( 图图1.15) 受精卵受精卵(图图1.16)既镶

15、嵌型发育既镶嵌型发育, , 又调整型发育又调整型发育244. 双梯度模型双梯度模型 植物极化梯度植物极化梯度 (图图1.17) 动物极化梯度动物极化梯度(图图1.18) 双梯度模型双梯度模型(图图1.19)25本章小结本章小结: : 细胞分化细胞分化 细胞定型细胞定型及其时相（及其时相（特化、决定特化、决定） 细胞定型的两种方式与其特点（细胞定型的两种方式与其特点（自主特化自主特化、有条件特化有条件特化） 胚胎发育的两种方式与其特点（胚胎发育的两种方式与其特点（镶嵌型发育、依赖型发镶嵌型发育、依赖型发育育） 形态决定子形态决定子 胞质定域胞质定域（海胆）（海胆） 形态决定子的性质形态决定子的性

16、质 细胞命运渐进特化的系列实验细胞命运渐进特化的系列实验 双梯度模型双梯度模型26 个体发育的中心问题是细胞分化。个体发育的中心问题是细胞分化。 细胞表型：细胞表型：细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现。细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现。 从表型特征上，将可细胞分为从表型特征上，将可细胞分为3种类型：种类型： 全能细胞全能细胞：能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整的有机体。的有机体。全套基因信息都可以表达。全套基因信息都可以表达。 多潜能细胞多潜能细胞：发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成特发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成特定范围内的细胞

17、。定范围内的细胞。部分限制、部分表达。部分限制、部分表达。 分化细胞分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的特殊细胞表型。特殊细胞表型。大部分限制、大部分限制、 5-10%的信息表达。的信息表达。27 细胞分化是基因差异性表达的结果；由于基因细胞分化是基因差异性表达的结果；由于基因差异性表达，不同细胞具有了不同的转录组和差异性表达，不同细胞具有了不同的转录组和蛋白质组。蛋白质组。 引起差异引起差异基因基因表达来源于表达来源于： 细胞内卵质差异细胞内卵质差异 细胞外邻近细胞的相互作用。细胞外邻近细胞的相互作用。 差异基因表达的调控机制差异基因表达的调控机制： 差异基因转录差异基因转录 核核RNA的选择性加工的选择性加工 mRNA的选择性翻译的选择性翻译 差别蛋白质的加工差别蛋白质的加工28 多细胞动物的胚胎发育是一个复杂又高度协调多细胞动物的胚胎发育是一个复杂又高度协调的过程。的过程。 信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号细胞产生信号分子，诱导靶细胞发生某种反应；细胞