第一篇发育生物学基本原理

第一篇发育生物学基本原理演示文稿第一页，共六十五页。（优选）第一篇发育生物学基本原理第二页，共六十五页。第一节细胞定型和分化细胞分化

celldifferentiation：从单个全能细胞（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特征、合成的特异性产物，而且行使特定的功能。分化细胞与未分化细胞的差异?。第三页，共六十五页。细胞定型commitment：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:表型相近，但前者发育命运限制。在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关联的过程。第四页，共六十五页。定型分为特化和决定两个时相特化specification：

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。已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的。决定determination：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。

已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。

第五页，共六十五页。近朱者赤，近墨者黑出淤泥而不染

第六页，共六十五页。细胞定型的两种方式：自主特化和有条件特化胚胎发育的两种方式：镶嵌型发育和调整型发育（1）自主特化：细胞命运完全由内部细胞质决定。

通过胞质隔离实现：卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近细胞无关。第七页，共六十五页。镶嵌型发育：以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式。特征：在胚胎发育早期，将某特定的卵裂球从整体胚胎分离下来，它会形成如其整体胚胎中将形成的结构一样；而胚胎其余部分形成的组织会缺乏分离裂球能产生的结构，两者恰好互补。整体胚胎是由能自我分化的各部分组合而成。第八页，共六十五页。（2）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）：细胞发育命运完全取决于其相邻的细胞或组织。

通过胚胎诱导实现：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的分化方向。

相互作用之前，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它们的发育命运，使之朝某一特定方向分化。

第九页，共六十五页。调整型发育：以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式。特征：在胚胎发育早期，将某特定的卵裂球从整体胚胎分离下来，剩余的胚胎中某些细胞可以改变命运，填补分离掉裂球的所留下的空缺，仍形成一个正常的胚胎。

第十页，共六十五页。事实上，任何动物的胚胎发育过程中，两种细胞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，细胞自主特化为主，细胞有条件特化次之；脊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。第十一页，共六十五页。第一节细胞发育通过形态发生决定子自主特化一、形态发生决定子形态发生决定子（成形素、胞质决定子）：细胞质中含有的决定细胞分化的特定物质。第十二页，共六十五页。例1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）32cell第十三页，共六十五页。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（形态发生决定子）不均等分配。

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第十四页，共六十五页。爪蟾晚期囊胚的发育命运图上：侧面观外胚层形成上皮和神经系统，沿着背腹轴的带状区域为中胚层，由它形成脊索、体节、心脏、肾和血液。下：背面观第十五页，共六十五页。第十六页，共六十五页。例2：海鞘图1-1受精时细胞质决定子的隔离透明动物极表皮灰色新月区脊索和神经管黄色新月区肌肉灰色卵黄区消化管

卵裂过程中，不同细胞质被分配到不同裂球中，卵质不均分配从而决定裂球的命运。

第十七页，共六十五页。分离实验第十八页，共六十五页。图1-2海鞘胚胎的镶嵌决定作用

（1）每对卵裂球的发育命运不同

B4.1发育形成内胚层、间质和肌肉组织（2）胚胎中神经组织是从动物极前面一对裂球（a4.2）和植物极前面一对裂球（A4.1）产生；

单独培养时，它们都不能形成神经组织。

在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。第十九页，共六十五页。挤压实验B4.1肌肉b4.2无肌肉将B4.1黄色新月区胞质挤压入b4.2，b4.2产生肌肉这些表明：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。第二十页，共六十五页。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。在这些典型镶嵌型发育动物的卵子细胞质中，都存在形态发生决定子。另一方面，海胆、两栖类和鱼类等胚胎属于典型的调整型发育胚胎。同样，也存在着形态决定子。第二十一页，共六十五页。二、胞质定域

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。这一现象称为胞质定域，或胞质隔离、胞质区域化、胞质重排。第二十二页，共六十五页。1.海鞘形态发生决定子的运动（1）肌质（2）内胚层（3）表皮

海鞘卵子受精时，卵质运动，产生独特的胞质区域；不同的胞质区域含有不同的形态决定子，并在卵裂时分配到不同的卵裂球中。第二十三页，共六十五页。第二十四页，共六十五页。2软体动物

第1次卵裂：AB、CD（含极叶）第2次卵裂：D（含极叶）极叶形成是卵裂期间过渡性的一种形态变化，是由于卵内部物质流动引起。极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。

第二十五页，共六十五页。3线虫（副蛔虫）

第1次卵裂：纬裂，染色体消减第2次卵裂：经裂、纬裂第4次卵裂：仅最靠近植物极的裂球保留全部染色体数，发育成为生殖干细胞。其中，含有某些能保护染色体数不发生消减的物质。植物极胞质中含有能决定生殖细胞形成的物质(生殖质)第二十六页，共六十五页。4昆虫（蠓）

胚胎卵裂时，多数细胞的细胞核从原来的40条染色体中失去32条，只有位于卵子后端的2个细胞核染色体不会消减，而且停留一段时间不分裂。最终，这2个细胞核形成生殖细胞的核。

极质(卵子后端的生殖质)在生殖细胞决定中其中重要作用第二十七页，共六十五页。5两栖类（林蛙）

受精卵的植物极皮层区域含有与果蝇卵中极质类似的物质，在发育过程中进入少数几个预定的内胚层细胞，最终迁移到生殖嵴内。UV照射:不能形成正常的生殖细胞

蛙类受精卵植物极区域细胞质中含有控制生殖细胞形成和迁移的决定子。第二十八页，共六十五页。三、形态发生子的性质一、海鞘形态发生决定子

（1）激活某些基因转录的物质（2）RNA第二十九页，共六十五页。二、果蝇极质蛋白质、RNA分子gclmRNANanos蛋白线粒体大核糖体（mtlrRNA）第三十页，共六十五页。第二节细胞命运通过相互作用的渐进特化第三十一页，共六十五页。一、经典的胚胎学实验

1.Roux1887缺损实验(蛙)

镶嵌型发育缺损实验奠定实验胚胎学1910,McClendon蛙胚两裂球分离实验，两裂球分开后都可以完全发育第三十二页，共六十五页。2.Driesch分离组合实验(海胆)2-细胞调整型发育4-细胞（与上述结果相同）第三十三页，共六十五页。3.Horstadius分离实验(海胆)8-细胞既镶嵌型发育,又调整型发育第三十四页，共六十五页。第三十五页，共六十五页。64cell第三十六页，共六十五页。4.双梯度模型植物极化梯度动物极化梯度双梯度模型(图1.19)第三十七页，共六十五页。二、两栖类发育调控1.Spemann结扎实验(蝾螈)

图1.20

两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每个细胞核都具有发育形成完整机体的潜能第三十八页，共六十五页。两栖类卵子不对称实验

Spemann,1938

卵子细胞质的不对称性，灰色新月区（原肠作用发动者）。第三十九页，共六十五页。3移植实验图1.22表1.3在早期原肠胚(特化)向晚期原肠胚过渡的过程中,胚胎细胞的发育潜能逐渐受到限制；到了原肠胚晚期,原肠胚的细胞发育命运已经(决定)。体节眼状第四十页，共六十五页。二诱导：胚胎的一个部分对另一个区域发生影响，并使后者沿着一条新途径分化的作用。经典实验胚胎学：脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织（初级胚胎诱导）。第四十一页，共六十五页。初级胚胎诱导（广义）的四个阶段：第一阶段：受精诱导背部化决定子的激活，形成背部细胞Niuwkoop中心第二阶段：诱导形成组织者、中胚层第三阶段：组织者诱导神经组织第四阶段：神经组织区域化第四十二页，共六十五页。要点：细胞分化细胞定型及其时相（特化、决定）细胞定型的两种方式与其特点（自主特化、有条件特化）胚胎发育的两种方式与其特点（镶嵌型发育、调整发育）形态决定子胞质定域（海胆、软体动物、线虫）细胞命运渐进特化的系列实验双梯度模型诱导、胚胎诱导第四十三页，共六十五页。第二章细胞分化的分子机制个体发育的中心问题是细胞分化。从表型特征上，将可细胞分为3种类型：全能细胞：能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整的有机体。全套基因信息都可以表达。多潜能细胞：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。部分限制、部分表达。分化细胞：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。大部分限制、5-10%的信息表达。第四十四页，共六十五页。全能细胞totipotentcell多能细胞pluripotentcell专能细胞multipotent双能细胞bipotent单能细胞unipotent

第四十五页，共六十五页。细胞分化是基因差异性表达的结果。体细胞基因组相同,但由于基因差异性表达，不同细胞具有了不同的转录组、蛋白质组。

引起差异基因表达来源：

——细胞内卵质差异

——细胞外周围环境，邻近细胞位置信息、细胞外信号分子差异基因表达的调控机制：

——基因差异转录

——核RNA的选择性加工(转录组）

——mRNA的选择性翻译（蛋白质组）

——差别蛋白质的加工（功能蛋白质组）

——表观遗传修饰（甲基化、组蛋白修饰等）第四十六页，共六十五页。第一节基因组相同和基因差异表达一、有机体不同组织细胞基因组相同（一）遗传学证据

染色体数目（二）胚胎学证据

不同细胞期的卵裂球可单独发育个体（三）分子生物学证据

分子杂交

同一有机体的不同细胞，无论是已决定的细胞或是已分化的细胞，都与未分化细胞的核相同，具有相等的基因组结构，即基因组相同。第四十七页，共六十五页。二、发育过程中，核潜能的限定

Briggs&King（1952,1960）豹蛙核移植实验

早期卵裂：100%发育成正常蝌蚪囊胚：80%发育成正常蝌蚪原肠胚：50%发育成正常蝌蚪神经胚：10%发育成正常蝌蚪

随着胚胎发育的不断进行，细胞核指导发育的潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。第四十八页，共六十五页。分化细胞核的潜在全能性分化细胞核移植不能获得正常的胚胎。核克隆：将内胚层细胞、小肠上皮细胞、红细胞的细胞核移植进去核卵中，再将卵裂期或囊胚期的核再次移植，也可获得正常的胚胎。

克隆羊Dolly（1996）：母羊乳腺上皮细胞核

一系列克隆动物第四十九页，共六十五页。iPS诱导多能干细胞2006年日本京都大学山中伸弥（ShinyaYamanaka）领导的实验室在《细胞》上率先报道了iPS的研究。他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子用逆转录病毒引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS干细胞，与胚胎干细胞极为相似。2007年11月，美国威斯康星大学Thompson实验室几乎同时报道，利用ips技术同样可以诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。采用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这种因子组合。这些研究成果被美国《科学》杂志列为2007年十大科技突破中的第二位。2012年10月8日，JohnB.Gurdon与ShinyaYamanaka因此获得诺贝尔生理学和医学奖

第五十页，共六十五页。三、基因组相同的例外1染色体消减马蛔虫:——体细胞中80%的DNA丢失

2基因重排

B淋巴细胞：通过免疫球蛋白基因重排。3.基因扩增基因选择性复制。第五十一页，共六十五页。第二节转录水平调控一、基因表达的时间和空间的特异性

基因表达的精确时间、空间位置，否则会导致发育异常。第五十二页，共六十五页。二、发育中基因转录水平的调节和变化珠蛋白基因的转录图2.12图2.13第五十三页，共六十五页。三、基因差异转录的调控机制基因的结构及转录过程图2.14启动子、增强子转录因子（protein）第五十四页，共六十五页。第三章转录后调控DNA——转录——RNARNA加工水平调控翻译及翻译后水平调控第五十五页，共六十五页。第一节RNA加工水平调控一、mRNA前体和mRNA细胞核的最初转录产物，细胞核RNA，区别细胞质中mRNA——与mRNA相比，细胞核RNA分子量大，寿命短——仅有少部分能被加工形成mRNA第五十六页，共六十五页。二、前体RNA加工

图3.2不同发育期的核RNA一致性。在一定程度上，基因差异表达是在RNA加工水平上进行调控。在核RNA、细胞质mRNA、（翻译）水平分别检测。第五十七页，共六十五页。三、加工水平的调控图3.4DNA—mRNA前体—不同加工——mRNA——第五十八页，共六十五页。第二节翻译及翻译后水平调控mRNA的种类、数量