3细胞命运的决定

1、3细胞命运的决定2u细胞分化：从单个全能的受精卵产生各种类型细胞细胞分化：从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（的发育过程叫细胞分化（cell differentiationcell differentiation）。）。已分化的细胞不但具有一定的形态和特殊的蛋白质，已分化的细胞不但具有一定的形态和特殊的蛋白质，而且行使特异的功能（图而且行使特异的功能（图3-13-1）。）。一、定型与分化的概念一、定型与分化的概念3图图3-1 3-1 各种细胞的分化：多细胞生物生长发育过程中，在一些内在机制作用各种细胞的分化：多细胞生物生长发育过程中，在一些内在机制作用下，细胞在形态、结构、

2、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，下，细胞在形态、结构、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成不同组织、器官和系统的过程。成为多种不同的细胞类型，以形成不同组织、器官和系统的过程。 4u细胞定型：分化细胞在表现出明显的形态和功能变化细胞定型：分化细胞在表现出明显的形态和功能变化之前，细胞内部会发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝之前，细胞内部会发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为定型（特定方向发展，这一过程称为定型（commitmentcommitment）。u细胞定型分为两个阶段：细胞定型分为两个阶段： 第一阶段为特化（第一阶段

3、为特化（specificationspecification）阶段；）阶段； 第二阶段为决定（第二阶段为决定（determinationdetermination）阶段。）阶段。5图图3-2a 3-2a 细胞的发育命运、特化和决定示意图细胞的发育命运、特化和决定示意图61 1）特化（）特化（specializedspecialized）u特化阶段细胞仍处于可变期：即当一个细胞或组织放特化阶段细胞仍处于可变期：即当一个细胞或组织放 在中性环境如培养皿中可以自主分化时，说明这个细在中性环境如培养皿中可以自主分化时，说明这个细 胞或组织的命运已经特化。胞或组织的命运已经特化。u已特化的细胞或组织的发

4、育命运是可逆的。如果把已已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的。如果把已特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化成不同的组织（如图成不同的组织（如图3-2a3-2a）。）。72 2）决定（）决定（determineddetermined）u当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位仍然可以自主当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位仍然可以自主分化时，说明这个细胞或组织的命运已经决定。分化时，说明这个细胞或组织的命运已经决定。u已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。如把已已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。如把已经决定的细胞或组织移植到胚胎不同部位

5、，它只会按经决定的细胞或组织移植到胚胎不同部位，它只会按既定命运发育，不会分化成另外的组织（如图既定命运发育，不会分化成另外的组织（如图3-2a3-2a）。）。8图3-2b 两栖动物眼区细胞的发育变化9u在动物的胚胎发育过程中，定型和分化是两个相互在动物的胚胎发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。定型是分化的必要准备，分化是定型发关联的过程。定型是分化的必要准备，分化是定型发展的必然结果。展的必然结果。二、细胞定型的方式二、细胞定型的方式10三、思考：细胞定型与动物克隆技术的关系？三、思考：细胞定型与动物克隆技术的关系？11一、自主特化与镶嵌型发育一、自主特化与镶嵌型发育u原因：卵裂时，

6、受精卵内特定的细胞质分配到不同的原因：卵裂时，受精卵内特定的细胞质分配到不同的分裂球中，进而决定各子裂球的发育命运（胞质隔分裂球中，进而决定各子裂球的发育命运（胞质隔离）离）, ,这种定型方式称为自主特化（这种定型方式称为自主特化（autonomous autonomous specificationspecification）。）。12u实验：在胚胎发育早期，将一个特定裂球从整体上分实验：在胚胎发育早期，将一个特定裂球从整体上分离下来，就会形成如同在整体胚胎中将会形成的结构离下来，就会形成如同在整体胚胎中将会形成的结构一样，而胚胎其余部分正好缺乏分离裂球所能形成的一样，而胚胎其余部分正好缺乏

7、分离裂球所能形成的结构，两者互补。这种以细胞自主特化为特点的胚胎结构，两者互补。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（发育模式称为镶嵌型发育（mosaic developm-entmosaic developm-ent）。）。13u自主特化裂球含有特定的、影响细胞发育命运的分自主特化裂球含有特定的、影响细胞发育命运的分子，称为形态发生决定子（子，称为形态发生决定子（morphogenetic morphogenetic determinants)determinants)，其化学本质是一些转录因子或它们，其化学本质是一些转录因子或它们的的mRNAmRNA。14u形态发生决定子在

8、卵细胞质中呈一定形式分布，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，并在卵裂时受精时发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的裂球中，激活或抑制某些基因表达，分配到特定的裂球中，激活或抑制某些基因表达，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域（cytoplasmic localizationcytoplasmic localization）。）。15u具有镶嵌型发育胚胎的动物包括柄海鞘、栉水母具有镶嵌型发育胚胎的动物包括柄海鞘、栉水母（ctenophor-esctenophor-es）、环节动物（）、环节动物（a

9、nnelidsannelids）、线虫）、线虫（nematodesnematodes）、软体动物（）、软体动物（molluscsmolluscs）等，主要是）等，主要是一些无脊椎动物，其中典型代表是海鞘胚胎（图一些无脊椎动物，其中典型代表是海鞘胚胎（图3-33-3）。）。16图图3-3 3-3 海鞘（海鞘（Phallusia mammillataPhallusia mammillata）受精时胞质定域分离）受精时胞质定域分离17u分子水平研究结果表明，海鞘胚胎属于典型的依据卵分子水平研究结果表明，海鞘胚胎属于典型的依据卵内贮存信息进行内贮存信息进行“自我分化的镶嵌体自我分化的镶嵌体”。海鞘胚胎

10、卵。海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质，不同区裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质，不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子（域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子（mRNA或或蛋白质），能够使细胞朝一定的方向分化，如何证明？蛋白质），能够使细胞朝一定的方向分化，如何证明？18u柄海鞘（柄海鞘（Styela partitaStyela partita）受精卵不同区域细胞质具）受精卵不同区域细胞质具有不同的颜色，可以根据颜色把受精卵分成有不同的颜色，可以根据颜色把受精卵分成4 4个区域：个区域：含透明细胞质的是动物极部分（形成幼虫表皮）、含含透明细胞质的是动物极部分（形成幼虫表皮

11、）、含有灰色细胞质的是灰色新月区（分化出脊索和神经有灰色细胞质的是灰色新月区（分化出脊索和神经管）、含黄色细胞质的是黄色新月区（形成肌细胞）、管）、含黄色细胞质的是黄色新月区（形成肌细胞）、含卵黄的是植物极部分（形成幼虫的消化道）（图含卵黄的是植物极部分（形成幼虫的消化道）（图3-3-4 4）。）。19图图3-4 3-4 海鞘胚胎的发育命运海鞘胚胎的发育命运A.A.海鞘受精卵细胞质不同区域具有不同的发育命运；海鞘受精卵细胞质不同区域具有不同的发育命运；B. B. 海鞘幼虫器官海鞘幼虫器官 AB20u胚胎切割实验进一步证明了海鞘的镶嵌型发育模式：胚胎切割实验进一步证明了海鞘的镶嵌型发育模式：在海

12、鞘胚胎的发育的在海鞘胚胎的发育的8细胞期，将胚胎进行切割研究：细胞期，将胚胎进行切割研究：结果表明，各部分均能发育出独特结构。说明海鞘裂结果表明，各部分均能发育出独特结构。说明海鞘裂球的发育命运在球的发育命运在8细胞期已经定型，分离后能自我分细胞期已经定型，分离后能自我分化（化（图图3-53-5），但都不能形成完整胚胎。），但都不能形成完整胚胎。21图图3-5 83-5 8细胞期细胞期4 4对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构22u尽管柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型，海鞘早期胚胎多数尽管柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型，海鞘早期胚胎多数细胞通过自主性定型。但实验发现，

13、不同的卵裂球之细胞通过自主性定型。但实验发现，不同的卵裂球之间依然存在着相互诱导作用。如外胚层区域直到间依然存在着相互诱导作用。如外胚层区域直到6464细细胞期时还没有胞期时还没有“神经化神经化”，显然外胚层细胞的发育命，显然外胚层细胞的发育命运不仅仅是由胞质决定子决定的。这也显示出不同区运不仅仅是由胞质决定子决定的。这也显示出不同区域细胞定型时期不同。域细胞定型时期不同。23u此外，蝾螈和马蛔虫（此外，蝾螈和马蛔虫（Parascaris aequorumParascaris aequorum）体）体细胞和生殖细胞的分化也受到形态发生决定子的影细胞和生殖细胞的分化也受到形态发生决定子的影响。在

14、胚胎发育过程中，通过染色体消减形成体细响。在胚胎发育过程中，通过染色体消减形成体细胞，而只有一个最靠近植物极的分裂球含有全数染胞，而只有一个最靠近植物极的分裂球含有全数染色体（全套基因），将来形成生殖细胞的裂球里色体（全套基因），将来形成生殖细胞的裂球里（图（图3-63-6，7 7）。）。24图图3-6 25图图3-7 3-7 马蛔虫正常受精卵（马蛔虫正常受精卵（A A）和经离心处理的受精卵（）和经离心处理的受精卵（B B）分裂时生殖）分裂时生殖质的分布。质的分布。26u昆虫卵细胞中也存在着一类决定生殖细胞分化的生昆虫卵细胞中也存在着一类决定生殖细胞分化的生殖质，是含有特殊调节因子的局部细胞质

15、，可以促殖质，是含有特殊调节因子的局部细胞质，可以促进生殖细胞的成熟。如果蝇卵的后部细胞质（图进生殖细胞的成熟。如果蝇卵的后部细胞质（图3-8）。）。27图图3-83-8 确定生殖细胞决定子定位于卵子后端的示意图确定生殖细胞决定子定位于卵子后端的示意图28u渐进特化指胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间渐进特化指胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间通过相互作用，影响其中一方或双方的分化方向，通过相互作用，影响其中一方或双方的分化方向，决定发育的现象。决定发育的现象。一、渐进特化和调整型发育一、渐进特化和调整型发育29u初始阶段，即相互作用开始前，细胞可能具有不止初始阶段，即相互作用开始前，细胞可能

16、具有不止一种分化潜能，但随着与邻近细胞或组织的相互作用一种分化潜能，但随着与邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方向分化，因此也称为渐进特化（向分化，因此也称为渐进特化（progressive progressive specificationspecification）或有条件特化。）或有条件特化。30u对渐进特化的胚胎，如果在胚胎发育的早期将一个对渐进特化的胚胎，如果在胚胎发育的早期将一个分裂球从整体胚胎上分离，那么剩余的胚胎细胞就可分裂球从整体胚胎上分离，那么剩余的胚胎细胞就可以改变发育命运，填补所留下的空缺。

17、这种以细胞有以改变发育命运，填补所留下的空缺。这种以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育条件特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育（regulative developmentregulative development）。）。31u海胆胚胎的发育是典型的调整型发育。如果在胚胎海胆胚胎的发育是典型的调整型发育。如果在胚胎发育的发育的4 4细胞期或细胞期或8 8细胞期分离卵裂球，分开的细胞也细胞期分离卵裂球，分开的细胞也能发育为完整的幼虫，但幼虫体积较小。即每一个卵能发育为完整的幼虫，但幼虫体积较小。即每一个卵裂球在被分离后，都能调整自身的发育，以形成一个裂球在被分离后，都能调整自身

18、的发育，以形成一个完整的机体（图完整的机体（图3-93-9）。）。u渐进特化中，一个细胞的发育命运主要取决于其临渐进特化中，一个细胞的发育命运主要取决于其临近细胞所分泌的旁分泌因子（如各种生长因子等）。近细胞所分泌的旁分泌因子（如各种生长因子等）。32图图3-933u事实上，任何动物的胚胎发育过程中，细胞定型的事实上，任何动物的胚胎发育过程中，细胞定型的两种方式在一定程度上都会发生作用，只是程度不两种方式在一定程度上都会发生作用，只是程度不同而已；如海胆，在其胚胎发育过程中，除了具有同而已；如海胆，在其胚胎发育过程中，除了具有典型的调整型发育特点外，也显示出某些镶嵌型特典型的调整型发育特点外，

19、也显示出某些镶嵌型特点。点。34u一般来说，多数无脊椎动物胚胎发育过程中，以细一般来说，多数无脊椎动物胚胎发育过程中，以细胞自主特化为主，细胞有条件特化次之。胞自主特化为主，细胞有条件特化次之。u而脊椎动物和少数无脊椎动物胚胎发育过程中情况而脊椎动物和少数无脊椎动物胚胎发育过程中情况正好则相反，以有条件特化为主，细胞自主特化次正好则相反，以有条件特化为主，细胞自主特化次之。之。35u在遗传学和细胞学的发展的基础上，德国生物学家在遗传学和细胞学的发展的基础上，德国生物学家魏斯曼（魏斯曼（A.WeismannA.Weismann）于）于18881888年提出了解释细胞特年提出了解释细胞特化的种质学

20、说。化的种质学说。u种质学说（种质学说（gern plasm thorygern plasm thory）认为：多细胞生物）认为：多细胞生物体可分为种质和体质两部分。体可分为种质和体质两部分。36u种质是亲代传递给后代的遗传物质，存留在生殖细种质是亲代传递给后代的遗传物质，存留在生殖细胞染色体上胞染色体上, ,它可以发育为新个体的体质。体质可以它可以发育为新个体的体质。体质可以通过生长和发育形成新个体的各个组织和器官，但通过生长和发育形成新个体的各个组织和器官，但它不能产生种质。它不能产生种质。uWeismannWeismann的种质学说强调了生殖细胞的连续性和永的种质学说强调了生殖细胞的连续

21、性和永生性，这与有机体生命的有限性形成明显对照。生性，这与有机体生命的有限性形成明显对照。37u种质学说阐述的另一个观点是种质学说阐述的另一个观点是“决定子决定子” 和和“嵌合嵌合型发育型发育” 理论。魏斯曼认为：合子的细胞核含有大量理论。魏斯曼认为：合子的细胞核含有大量特殊的信息物质特殊的信息物质决定子，在卵裂的过程中这些决定决定子，在卵裂的过程中这些决定子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命子被不均匀地分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运，即细胞的命运早被决定。这种观点后来进一步发运，即细胞的命运早被决定。这种观点后来进一步发展为嵌合型发育理论（图展为嵌合型发育理论（图3-103-

22、10）。）。38图图3-10 39u19121912年，摩尔根（年，摩尔根（MorganMorgan）进一步发展了魏斯曼的）进一步发展了魏斯曼的“决定子决定子”学说，提出基因是遗传性状表现的物质基学说，提出基因是遗传性状表现的物质基础，动物的一切特征都在遗传基因中预先存在，发育础，动物的一切特征都在遗传基因中预先存在，发育不过是这些性状的逐渐表现。决定细胞命运的是不同不过是这些性状的逐渐表现。决定细胞命运的是不同遗传物质的特定产物。遗传物质的特定产物。40u德国胚胎学家，实验胚胎学的奠基人威廉德国胚胎学家，实验胚胎学的奠基人威廉. . 鲁鲁（Wilhelm RouxWilhelm Roux）通

23、过蛙胚针刺实验验证了）通过蛙胚针刺实验验证了August August WeismannWeismann的核决定子理论的核决定子理论( (图图3-11)3-11)。威廉。威廉. .鲁通过实鲁通过实验认为：蛙胚是由自我分化的各部分组织在一起形成验认为：蛙胚是由自我分化的各部分组织在一起形成的镶嵌体，每一部分的发育命运是不能改变的，因为的镶嵌体，每一部分的发育命运是不能改变的，因为每个细胞接受一组特定的核决定子，依据所接受的核每个细胞接受一组特定的核决定子，依据所接受的核决定子分化为相应的组织。决定子分化为相应的组织。 41图图3-11 18873-11 1887，W.RouxW.Roux用烧热的

24、解剖针破坏两细胞时期蛙胚用烧热的解剖针破坏两细胞时期蛙胚的一个分裂球，结果存活的另一个分裂球只能发育成为半个的一个分裂球，结果存活的另一个分裂球只能发育成为半个胚胎。胚胎。42u但由于从但由于从1919世纪末到世纪末到2020世纪初所进行的多种实验胚世纪初所进行的多种实验胚胎学的研究，特别是由于胎学的研究，特别是由于H HDrieschDriesch，T TBoverjBoverj，H HSpemannSpemann等科学家的大量实验研究完全否定了上等科学家的大量实验研究完全否定了上述魏斯曼述魏斯曼- -威廉威廉. .鲁的理论，不过这个理论也不是没鲁的理论，不过这个理论也不是没有任何正确的地方

25、，为什么？有任何正确的地方，为什么？43u18911891年，德里斯（年，德里斯（DrieschDriesch）用海胆为实验材料重）用海胆为实验材料重复了威廉复了威廉. . 鲁的实验却得到完全不同的结果：结果鲁的实验却得到完全不同的结果：结果表明，另一半鸡胚可发育成完整的胚胎。后来发现表明，另一半鸡胚可发育成完整的胚胎。后来发现是威廉是威廉. . 鲁的实验操作存在问题，可能是热针影响鲁的实验操作存在问题，可能是热针影响了另一半胚胎的发育。了另一半胚胎的发育。44uDrieschDriesch的实验第一次证明了发育过程中存在调整的实验第一次证明了发育过程中存在调整型机制。胚胎为保证正常发育，可以产生细胞位置型机制。胚胎为保证正常发育，可以产生细胞位置的移动和重排。即的移动和重排。即胚胎具有在局部被排除或受损伤胚胎具有在局部被排除