第3章 细胞命运的决定（章节课程）

1、第三章 细胞命运的决定1教书育人本章教学基本要求1. 理解：细胞定型的概念及与细胞分化的关系。2. 掌握：细胞命运决定的两种机制和两种胚胎发育模式。 3. 熟悉：形态发生决定子的分子机制及与形态发生素的区别。4、了解：果蝇的合胞体特化。课时：2 学时。2教书育人细胞分化：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（cell differentiation）。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3-1）。第一节 细胞定型一、定型与分化的概念3教书育人图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下，细胞在形态、结构、生理功能及生

2、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。 4教书育人细胞定型：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，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitment）。细胞定型分为两个阶段： 第一阶段为特化（specification）阶段； 第二阶段为决定（determination）阶段。5教书育人图3-2a 细胞的发育命运、特化和决定示意图6教书育人1）特化（specialized）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 胞或组织的命运已经特化。已特

3、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，它就会分化成不同的组织（如图3-2a）。7教书育人2）决定（determined）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。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，它只会按既定命运发育，不会分化成另外的组织（如图3-2a）。8教书育人图3-2b 两栖动物眼区细胞的发育变化原肠胚中眼区将发育为眼睛。将原肠胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，它们将按新部位的命运发育为体节和脊索。将神经胚中眼区细胞移植到神经胚的躯干区，它们仍将发育为

4、类似于眼的结构。9教书育人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，分化是定型发展的必然结果。二、细胞定型的方式细胞定型存在三种方式： 10教书育人 1）自主特化（auto-nomous specification）； 2）有条件特化（conditional specificat-ion）； 3）合胞体特化（syncytial specification）。动物胚胎一般使用多种方式确定细胞发育命运。 三、思考：细胞定型与动物克隆技术的关系？11教书育人一、自主特化与镶嵌型发育原因：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（

5、胞质隔离）,这种定型方式称为自主特化（autonomous specification）。第二节 细胞的自主特化12教书育人实验：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一样，而胚胎其余部分正好缺乏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发育模式称为镶嵌型发育（mosaic developm-ent）。13教书育人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（morphogenetic determinants)，其化学本质是一些转录因子或它们的mRNA。二、形态发生决定子与胞质定域14教书育人形态发生

6、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（cytoplasmic localization）。15教书育人具有镶嵌型发育胚胎的动物包括柄海鞘、栉水母（ctenophor-es）、环节动物（annelids）、线虫（nematodes）、软体动物（molluscs）等，主要是一些无脊椎动物，其中典型代表是海鞘胚胎（图3-3）。16教书育人图3-3 海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域分离17教书育人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

7、信息进行“自我分化的镶嵌体”。海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质，不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子（mRNA或蛋白质），能够使细胞朝一定的方向分化，如何证明？18教书育人柄海鞘（Styela partita）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4个区域：含透明细胞质的是动物极部分（形成幼虫表皮）、含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）、含卵黄的是植物极部分（形成幼虫的消化道）（图3-4）。19教书育人图3-4 海鞘胚胎的发育命运A.海鞘受精卵细胞质不同区域具有不同的发育命运；B. 海鞘幼虫器官

8、 AB20教书育人胚胎切割实验进一步证明了海鞘的镶嵌型发育模式：在海鞘胚胎的发育的8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。说明海鞘裂球的发育命运在8细胞期已经定型，分离后能自我分化（图3-5），但都不能形成完整胚胎。21教书育人图3-5 8细胞期4对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构22教书育人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，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64细胞期时还没有“神经化”，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。这也显示出不同区域细胞定型时期不同。23教书育人此外，蝾螈和

9、马蛔虫（Parascaris aequorum）体细胞和生殖细胞的分化也受到形态发生决定子的影响。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色体（全套基因），将来形成生殖细胞的裂球里（图3-6，7）。24教书育人图3-6 25教书育人图3-7 马蛔虫正常受精卵（A）和经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。26教书育人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，可以促进生殖细胞的成熟。如果蝇卵的后部细胞质（图3-8）。27教书育人图3-8 确定生殖细胞决定子定位于卵子后端的示意图28教书育人渐进特化指胚胎发育过

10、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，决定发育的现象。第三节 细胞的渐进特化一、渐进特化和调整型发育29教书育人初始阶段，即相互作用开始前，细胞可能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（progressive specification）或有条件特化。30教书育人对渐进特化的胚胎，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（regulative develop

11、ment）。31教书育人海胆胚胎的发育是典型的调整型发育。如果在胚胎发育的4细胞期或8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。即每一个卵裂球在被分离后，都能调整自身的发育，以形成一个完整的机体（图3-9）。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）。32教书育人图3-933教书育人事实上，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点。34教书育人一般来说，多数无脊椎动物胚胎发育过程中，以细胞自主特化

12、为主，细胞有条件特化次之。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，细胞自主特化次之。35教书育人在遗传学和细胞学的发展的基础上，德国生物学家魏斯曼（A.Weismann）于1888年提出了解释细胞特化的种质学说。种质学说（gern plasm thory）认为：多细胞生物体可分为种质和体质两部分。二、种质学说（germ plasm theory）36教书育人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,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，但它不能产生种质。Weismann的种质学说强调了生殖细胞的连续性和永生性

13、，这与有机体生命的有限性形成明显对照。37教书育人种质学说阐述的另一个观点是“决定子” 和“嵌合型发育” 理论。魏斯曼认为：合子的细胞核含有大量特殊的信息物质决定子，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3-10）。38教书育人图3-10 39教书育人1912年，摩尔根（Morgan）进一步发展了魏斯曼的“决定子”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。40教书育人德国胚胎学家，实验胚胎学的

14、奠基人威廉. 鲁（Wilhelm Roux）通过蛙胚针刺实验验证了August Weismann的核决定子理论(图3-11)。威廉.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，依据所接受的核决定子分化为相应的组织。 41教书育人图3-11 1887，W.Roux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胚胎。42教书育人但由于从19世纪末到20世纪初所进行的多种实验胚胎学的研究，特别是由于HDriesch，TBoverj，HSpemann等科学家的大量实验研究完全否

15、定了上述魏斯曼-威廉.鲁的理论，不过这个理论也不是没有任何正确的地方，为什么？43教书育人1891年，德里斯（Driesch）用海胆为实验材料重复了威廉. 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。后来发现是威廉. 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。44教书育人Driesch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，可以产生细胞位置的移动和重排。即胚胎具有在局部被排除或受损伤后仍正常发育的能力，也就是说，胚胎发育是可调节的。 45教书育人德里斯H.Driesch曾做过一个具有跨时代意义的生物学实验：当海胆的受精卵分裂为二个

16、或四个细胞时，通过振荡或钙离子水处理将各细胞分开，结果它们会分别发育成一个完整的海胆幼体（图3-12）。该实验极大地丰富了胚胎学、细胞分子学、遗传学内容，类似于现在的一个分子克隆实验！46教书育人图3-12 海胆卵2细胞期的分离实验47教书育人Driesch的另一实验是将海胆卵放在两块玻璃板之间轻轻挤压，改变第三次分裂面，使细胞核发生异常分布，结果仍然获得正常胚胎。因此他认为：“裂球在整体胚胎中的相对位置总体上可以决定其发育结果”，如果位置发生改变，裂球会相应地调整自己的发育方向，即海胆胚胎是一个和谐等能的系统，一个自主性的协调发育整体（图3-13）。48教书育人图3-1349教书育人第四节

17、形态发生素梯度和细胞特化大量实验证实，胚胎细胞的特化与特定的形态发生素（morphogen）浓度梯度密切相关。所谓形态发生素，是能够通过其浓度确定细胞发育命运的可以扩散的生化分子。形态发生素不同于形态发生决定子，它以定量方式确定细胞命运，而后者则以定性方式确定细胞命运。50教书育人形态发生素可以是细胞产生的转录因子，也可以是一组细胞内产生的旁分泌因子，被转运到另一组细胞并根据含量多少确定靶细胞的发育命运。而形态发生决定子的化学本质是什么？51教书育人可见，形态发生素浓度梯度是细胞渐进特化的重要机制。其作为发育和再生过程的推动力的概念最早由T.H.Morgan于1905到1906年提出的。后来，

18、瑞典著名的动物胚胎学家赫斯塔德乌斯Sven Horsta-dius 进行了实验证明。52教书育人Sven Horstadius对海胆卵的早期发生进行研究,设计出显微法分离卵裂球和人工组合或移植的技术, 研究了细胞的早期胚胎中动-植物轴的发育潜能。也开创了实验胚胎学和发育生物学研究的基本方法。53教书育人首先，通过对海胆的8细胞期胚胎进行切割分离，即分别沿动-植物极轴、沿赤道切割动物极和植物极，结果两部分发育完全不同：前者两部分都发育成长腕幼虫（小但正常），后者两部分都不能发育成完整幼虫，其中动物极部分发育为永久囊胚，而植物极细胞发育成具有庞大消化管的不正常幼虫（图3-14）；54教书育人图3-

19、1455教书育人用同样方法，分别沿动-植物极轴、赤道分别切割受精卵细胞, 实验结果类似上述（图3-15）。 此外，赫斯塔德乌斯Sven Horstadius还通过胚胎切割和重组，还进一步研究了64个细胞期中各部分裂球的功能情况（海胆64细胞期胚胎中的动物极细胞an和植物极第一层veg1细胞都形成外胚层；植物极第二层veg2细胞形成内胚层；而小裂球则形成中胚层骨骼）， 结果表明：56教书育人图3-15 海胆卵子的不对称性57教书育人当分离和重组培养后，不同组合命运不同（图3-16）：动物极半球细胞单独培养形成永久囊胚；动物极半球细胞与veg1层细胞重组时，动物极化不完全；当动物极半球细胞与veg2层细胞重组时，形成一个外形正常的幼虫，而正常情况下形成原肠及其衍生物的veg2层细胞发育成骨骼；当动物极细胞与小裂球重组时，也形成正常幼虫，而内胚层完全由动物极发育而来。58教书育人图3-1659教书育人此外，赫斯塔德乌斯还发现，不同部分组合多少不同结果不同：分离的an1层细胞单独培养时都形成永久囊胚。但当与4个小裂球配合时，可以发育成正常幼虫。而an2细胞只要与2个小裂球配合就能发育成正常幼虫。此外，vag1、vag2与小裂球配合则表现出强烈的植物极化现象，不能形成幼虫。具体情况见（图3-17）。60教书育人图3-1761教书育人为解释上述情况，赫斯塔德乌斯提出双梯度