《发育生物学》第3版课件006-细胞命运

1第一节细胞命运通过形态发生决定子自主特化2细胞分化（celldifferentiation）：是指从单个全能的受精卵产生个体各种类型细胞的发育过程。3细胞定型（commitment)：

是指细胞在分化之前，将发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展的过程。和未定型细胞相比从表型上看不出任何不同，但定型细胞发育已受到严格限制；定型细胞可分为特化和决定两个时相一、细胞的定型和分化45特化：一个细胞或者组织放在中性环境可自主分化；特化细胞或组织移植到胚胎不同部位，它就会分化成不同组织，它发育命运是可逆的。6

决定：一个细胞或者组织放在胚胎另一个部位可以自主分化；已决定的细胞或组织移植到胚胎不同部位，它不会分化成不同组织，它发育命运是不可逆的。7胚胎细胞定型的方式定型方式实现途径与近邻的细胞关系胚胎发育模式自主特化胞质隔离无关以自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育（自主型发育）。渐进特化（依赖型特化）（有条件特化）胚胎诱导有关以渐进特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育（有条件发育、依赖型发育）任何动物胚胎发育过程中，细胞定型的两种方式在一定程度上都发生作用，只是程度不同而已。8胚胎细胞定型的特点自主特化渐进特化

为多数无脊椎动物（海鞘、栉水母、环节动物、线虫和软体动物）为脊椎动物及部分无脊椎动物（海胆、两栖类和鱼类）细胞命运由其所获得的卵内特定的细胞质组分决定细胞的命运由细胞之间相互作用决定卵裂方式和卵裂球命运不能改变卵裂方式和卵裂球的命运可以改变细胞谱系“创始细胞”一般在胚轴两极部分形成；细胞的特化发生在胚胎细胞大量迁移之前细胞特化发生在大量的细胞重排和迁移之后或相伴产生“镶嵌型”发育产生“调整型”发育细胞不能改变发育命运细胞可以改变发育命运不能填补所分离裂球留下的空缺填补所分离裂球留下的空缺9Whitman（1878）水蛭细胞谱系和细胞发育命运比较研究，表明肌肉和腹神经索等高度分化的结构是由特定的裂球发育来的,而特定的裂球含有经卵裂获得的卵子一定区域的细胞质。形态发生决定子：是细胞质中的一类分子，在母细胞中呈极性分布，细胞分裂时导致两个子细胞中只有一个能够继承这种物质，它们有助于细胞命运的决定。形态发生决定子也称为成型素或胞质决定子二、形态发生决定子10Chabry（1887）对分离的海鞘裂球的研究证明：每个裂球都负责产生幼虫一定的组织，表明海鞘胚胎好像是由能自我分化的各部分构成的镶嵌体。形态发生决定子存在的实验证据11柄海鞘受精卵细胞质的4个区域透明区：黄色新月区灰色新月区灰色卵黄区12ABCD海鞘幼虫器官灰色卵黄区---灰色的卵黄-----幼虫的消化道透明区----透明的细胞质----幼虫表皮黄色新月区--黄色细胞质----肌肉灰色新月区----灰色细胞质---脊索和神经管受精卵不同区域具有不同的发育命运13左右左前右前AB2AB2A3B3A3B3B4.1b4.2A4.1a4.2a4.2A4.1b4.2前后海鞘卵裂的术语动物极用小写字母植物极细胞用大写字母14卵裂球成对分开

在海鞘8-细胞胚胎的裂球分成4对进行培养的结果与卵子命运决定图谱完全吻合。表明海鞘裂球的发育命运在8-细胞期已经决定，此时的裂球分离后能够自我分化。裂球的分离培养时不出现神经细胞，只有当a4.2和A4.1配合后，才能形成脑和触须组织。表明以自主发育为特征的海鞘发育中，同时存在渐进决定作用。已证明海鞘外胚层细胞直到64-细胞期时尚未定型发育成神经组织。

15通过受精卵分割、胞质和核移植

实验证明形态发生决定子的存在Whittaker玻针挤压实验16Deno和Satoh胞质显微注射实验海鞘B4．1裂球中的肌质移植到预定非肌细胞后，预定不形成肌肉的细胞也能产生肌肉童第周等(1977)核移植实验发育成胞质相关的组织结构其他时期的细胞核

（原肠胚外胚层、中胚层和内胚层）无核细胞质海鞘受精卵17以上研究结果表明：海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有的细胞质决定子决定的，海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。除海鞘之外，呈典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉（zhi）水母、环节动物、线虫和软体动物等。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。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞质中，也都存在着形态发生决定子。18胞质定域（cytoplasmiclocalization）:

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，并在卵裂时分配到特定的裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域。(也称胞质隔离、胞质区域化、胞质重排)‘三、胞质定域19（一）、海鞘201、海鞘的肌质和肌细胞的特化Whittaker（1973）的组织化学实验：

乙酰胆碱酯酶(AChE)只存在于海鞘幼虫肌肉组织；

B4.1含有肌质——分离培养——形成肌肉组织(AChE染色阳性)Deno等和Nishida研究结果：

b4.2、A4.1------分离培养-----不能形成肌肉组织

b4.2、A4.1------在完整胚胎中也能形成肌肉-----非B4.1裂球来源的肌肉组织是由诱导形成的。结论说明以镶嵌型发育为特征海鞘，也存在着由细胞之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。21细胞松弛素B-------抑制细胞质分裂（核仍分裂）用细胞松弛素处理海鞘不同时期胚胎后测定不同时期和不同位置的裂球的AChE活性；B4.1b4.2A4.1a4.2a4.2A4.1b4.2前后左右左前右前2-细胞期2裂球都能产生AChE细胞松弛素处理4-细胞期只有后面2裂球能产生AChE细胞松弛素处理8-细胞期只有植物极后面2裂球能产生AChE细胞松弛素处理结果显示，含有AChE裂球（含有肌质）与据细胞谱系推测出的含有肌质能产生肌肉组织的裂球完全吻合。推测肌质等形态发生决定子可能选择性地激活(或抑制)裂球中某些特定基因的表达，从而决定裂球的发育命运。222.海鞘肌肉、内胚层和表皮三种组织

胞质决定子的运动肌质开始均匀分布在卵皮质胞质，受精后细胞质重组，首先汇集到植物极，然后移到卵的后部，最后进入B4.1卵裂球。表皮细胞决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部，卵裂时进入动物极裂球中内胚层细胞决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂时进入植物极裂球中。233.形态发生决定子与胚轴的关系伴随受精时卵子细胞质的运动，海鞘胚胎的前后轴也被决定下来。CPVCPVCPVC后端去除PVCPVC后前前后植物极后端细胞质则多数胚胎不能形成前后轴，而发育成具有前端的辐射对称性幼虫海鞘胚胎后端的发育命运由卵细胞质中特定的胞质决定子决定将PVC移到另一个后端去除PVC的胚胎前端24（二）、软体动物帽贝早期裂球分离实验（Wilson－1904）A.帽贝正常胚胎中成纤毛细胞分化。B.分离培养的帽贝成纤毛细胞分化。分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式所必需的全部物质，而且含有不依赖于胚胎其它细胞而进行自我分化所必需的全部物质。25呈螺旋卵裂的角贝胚胎在第一次卵裂前植物极部分向下凸出，而在卵子植物极部分形成一个胞质突起，通常称为极叶。极叶与形态发生决定子三叶期2627去掉D裂球去掉极叶幼虫缺乏中胚层器官-肌肉、口、壳腺、足幼虫缺乏中胚层器官表明极叶中含有控制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。极叶中含有形态发生决定子28

极叶中的形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架上，不是位于卵子可扩散的细胞质。吸走极叶中的胞质将极叶胞质注入B细胞当把极叶胞质加入到B裂球时，B裂球并不产生中胚层结构。卵子其他部分的细胞质便流进极叶填充留下的空间，结果胚胎可以正常发育；29A4细胞期胚；B8-细胞期胚的1D和1d裂球；C16细胞期胚的2D和2d裂球；D2D大裂球产生的3D和3d；E64细胞期的3D和3d裂球；F4d裂球分为两个中胚层细胞ME细胞Ilyanassa

D卵裂球的发育Clement(1986)对D裂球中形态发生决定子的进一步分配情况作了研究。D、D1、D2：心脏、消化道、面盘、壳腺、眼和足D3：心脏和消化道D4：不影响正常发育d4：心脏和消化道30用低浓度细胞松弛素抑制极叶形成，极叶物质分配到AB和CD两卵裂球中形成两个极叶B.每个裂球都能组织形成自己的背腹轴，形成双生胚A.第六次卵裂期正常胚胎极叶含有决定背腹轴的决定子。低浓度细胞松弛素角贝31（三）、线虫和副蛔虫1．生殖细胞的特化副蛔虫受精卵的分裂特征：1)靠近动物极的裂球发生染色体消减现象；

副蛔虫受精卵第一次分裂为纬裂，受精卵沿赤道分为动物极和植物极两个裂球。第一次卵裂形成的动物极裂球在下一次分裂开始前，染色体两端裂解成数十个小片段，散落到细胞质中，不再加入到新形成的细胞核内，因而失去很多基因。这一现象称为染色体消减。32副蛔虫受精卵的分裂特征：2)植物极胞质中含有保护细胞核染色体不发生消减的物质（生殖质），并决定有关裂球形成生殖细胞。

33咽细胞咽部肌肉咽组织的潜能2.咽部原始细胞命运的决定

从秀丽新小杆线虫分离的母源性多肽-SKN-1可能是转录因子，其具有类似于bZIP簇转录因子和与DNA结合的特征序列，并控制形成后部咽的EMS裂球的命运。Mex-1控制第一次卵裂中skn-1不对称分配到P1细胞中pie-1控制第二次卵裂中skn-1不对称分配到EMS细胞中POP-1Skn-1Skn-134（四）、昆虫1．极质和生殖细胞的特化蠓卵中含有的生殖质可以保护生殖细胞染色体免于消减35

果蝇的原生殖细胞的命运决定于后部极质果蝇卵细胞后端胞质中含有P颗粒的结构，胚胎发育早期，在P颗粒存在的部位出现极细胞，成为生殖干细胞。36正常胚胎有极细胞照射处理的胚胎没有极细胞照射处理后移植极细胞质胚胎有极细胞372.果蝇晚期发育中形态发生决定子的分离

果蝇神经系统发育过程中，形态发生决定子可以在胚胎发育晚期当胚胎主要形体结构建立之后发生分离。神经干细胞预定分化成神经元A.成神经细胞合成Prospero蛋白，扩散分布于细胞质中C.有丝分裂后期和末期，所有的Prospero蛋白进入神经节母细胞D.作为转录因子Prospero蛋白和来自成神经细胞的Numb(成神经细胞中也存在）起进入神经节母细胞核中，决定特异神经元的发育Prospero和Numb蛋白特异性分布于神经母细胞，但却不是由神经母细胞合成的，而是在成神经细胞中合成的。38（一）、海鞘形态发生决定子四、形态发生决定子的性质第一类是可以激活某些基因转录的物质。玻璃海鞘胚胎不能形成AChE

放线菌素D（转录抑制剂）说明乙酰胆碱酯酶基因没被激活39海鞘胚胎B4.1海鞘胚胎B4.1后裔提取mRNA蛙卵海鞘胚胎提取mRNA蛙卵蛋白质表达提取mRNA蛙卵AChE蛋白质表达没有检测到AChE可见AChE是由新合成的mRNA翻译来的此外，海鞘胚胎中多数组织特异性结构的形成都对转录抑制剂敏感，由此推测形态发生决定子可能通过激活某些特定基因转录而发生作用。40第二类形态发生决定子可能mRNA。不影响海鞘胚胎形成碱性磷酸酶（内胚层特异性酶）

放线菌素D（转录抑制剂）海鞘胚胎不能形成碱性磷酸酶嘌呤霉素（蛋白合成抑制剂）海鞘内胚层的碱性磷酸酶mRNA必定已存在于卵细胞质中，它在卵裂时分离到将来发育成内胚层的裂球中。41（二）、果蝇极质果蝇卵子极粒主要由蛋白质和RNA组成。[mRNA]

母源性基因产物gclmRNA为生殖质(极质)的组分之一。其在卵裂早期翻译成蛋白质并进入细胞核内，成为极细胞形成所必不可少的成分。[线粒体大核糖体RNA(mtlrRNA)]

mtlrRNA具有恢复经UV照射后的极细胞的能力；mtlrRNA位于线粒体之外，存在于卵裂期胚胎的极质中。42[蛋白质]Nanos蛋白。缺乏nanos蛋白的极细胞不能迁移进入生殖腺中。[极质的定位]

oskarmRNA的含量和位置决定生殖细胞的数量和位置。cappucino/spire→staufen→oskar→vasa←tudor/valoir→生殖细胞决定子43第二节细胞命运通过相互作用渐进特化44一般情况下多数无脊椎动物胚胎细胞以自主方式特化，而脊椎动物胚胎细胞以依赖型方式特化；有条件特化的每个细胞开始都具有相似的潜能，其发育命运取决于它在胚胎中所处的位置。451883年，AugustWeissman试图提出一种能解释诸如遗传、发育、再生、有性生殖和自然选择进化等各种不同生命现象的假说即种质学说。种质学说的内容：种质是机体内参与生物遗传与生殖的一种因子，包含在生殖细胞中，通过个体发生与受精过程连续地传递给后代；生殖细胞以外的一切细胞都是从生殖细胞衍生而来，种质以外的机体物质统称为体质，所有体细胞都由体质所组成。种质存在于核内染色质上，种质的构成单位就是决定子。一、种质学说46受精卵卵裂时获得相同数目的染色体，但组成染色体的核决定子并不均等分配到不同的细胞中，不同的核决定子决定细胞的发育命运；只有发育成生殖细胞的细胞获得全部的核决定子。47WilhelmRoux：镶嵌型发育Weismann学说的实验证据：WilhelmRoux的蛙胚实验(1888)

48McClendon(1910)实验:把蛙胚两裂球分离开后，分开的两裂球都可以发育成完整的幼体。这表明蛙胚2-细胞期的细胞核是等同的，并没有核决定子不均等分配的现象。49Weidman学说的实验虽然得出了错误的结论，但是他在蛙胚上的一系列实验开创了用实验方法研究胚胎学的先例，使他成为实验胚胎学的奠基人之一。再者，大量的研究结果表明：许多动物如软体动物、环节动物和海鞘等卵细胞质中确实存在着胞质决定子(cytoplasmicdeterminant)即形态发生决定子，影响以后的胚胎发育，因而，镶嵌型胚胎发育这一术语仍然沿用至今。50二、海胆的调整型发育Driesch的试验证明，2-或4-细胞期时，分开的海胆胚胎裂球不是自我分化成胚胎的某一部分，而是通过调整发育成一个完整的有机体。这一类型的发育称为调整型发育。51Driesch的加压实验（1934)正常情况下本该分配到内胚层中的细胞核可能分配到外胚层细胞中，本该产生背部结构的细胞核可能分配到腹部细胞中。如果确有核决定子发生分离，那么，由此发育成的胚胎应该是畸形的。但是，Driesch仍然获得正常胚胎。表明，扰乱卵裂过程，使细胞核发生异常分布，并不影响胚胎正常发育。52小结以上结果证明：

●Weismann和Roux关于细胞分化是由核决定子不均等分离引起的假设是错误的；●Driesch裂球分离实验所得的结论也不全面。因为镶嵌型发育是动物界普遍存在的现象。53双梯度模型（SvenHörstadius

）SvenHörstadius实验（一）54将海胆未受精卵沿赤道分开成动物极和植物极两个部分，然后分别使其受精发育.结论：海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育，至少沿动植物极轴是如此。SvenHörstadius实验（二）：

55海胆64-细胞期胚胎各层细胞追踪实验：动物极细胞和植物极第一层（veg1）细胞形成外胚层，植物极第二层（veg2）细胞形成内胚层，而小裂球形成中胚层骨骼。56(A)海胆从囊胚到幼虫的正常发育

(B)分离的动物半球的发育

(C)动物半球与veg1细胞的组合发育

(D)动物半球与veg2细胞的组合发育

(E)动物半球与小卵裂的组合发育。外胚层内胚层中胚层性骨骼海胆胚胎中植物极化（抑制动物极化）的能力是呈梯度分布的，其强度从植物极到动物极逐渐递减。57A.和an1细胞组合需4个小裂球才能形成正常幼虫B.和an2细胞组合，仅需2个小裂球就能形成正常幼虫C. veg1细胞和一个小裂球组合即形成植物极化幼虫D.veg2细胞缺乏形成正常幼虫的足够动物极特性结果表明，海胆胚胎中存在一个动物极化梯度，其强度从动物an1细胞到植物极小裂球逐渐递减58海胆胚胎32-细胞期两极细胞和中间层细胞形成的长腕幼虫A.小裂球与中裂球组合B.an2细胞层与大卵裂球（未来的veg1和veg2）组合。胚胎下方的图示假定的梯度。59双梯度模型

上述实验结果表明，在海胆胚胎中存在着两个彼此相对的梯度：植物极化梯度和动物极化梯度。植物极化梯度在植物极活性最大，动物极化梯度在动物极活性最大。海胆胚胎的正常发育依赖于动物极化梯度和植物极化梯度两者之间的适当平衡，而不依赖于它们的绝对强度大小。裂球的发育命运一旦由于动物极细胞质和植物极细胞质彼此分离而决定下来，便失去调整能力。海胆胚胎在32-细胞期以后，多数裂球便不能再形成完整幼虫，而小裂球在16-细胞期时便已失去形成完整幼虫的能力。这都是由于动物极细胞质和植物极细胞质彼此分离的结果。因此，即使在调整型发育的胚胎中，总会从某一时期开始，胚胎细胞的发育潜能逐渐受到限制。60迄今为止，尚未分离出动物极化因子或者植物极化因子。蛋白质抑制剂如重金属、NaSCN和染料伊万斯蓝(Evansblue)等可以减弱植物极化因子的作用，从而使胚胎朝向动物极化方向发育。而呼吸抑制剂如CO、KCN、NaN3和Li’等可以减弱动物极化因子的作用，从而使胚胎朝向植物极化方向发育。61三、两栖类发育调控

Spemann所示的蝾螈卵裂期的核等同性，每个核都能产生完整的有机体A.蝾螈受精卵结扎后，核位于其中一部分中。有核部分已分裂形成8个细胞，而无核部分仍未分裂B.待有核部分分裂形成16细胞时，向尚未分裂的部分放进一个细胞核，再把结扎分成两部分C.140天后每一部分长成正常幼虫1.胚胎细胞的渐进决定62正常幼体细胞块（腹块）为什么两个相似的实验却得出两个截然不同的实验结果?可不可能是由于沿和第一次卵裂面垂直的平面结扎卵子时，某些细胞质不均等地分配到两部分之中造成的?事实确实如此。63两栖类卵子的不对称性A.第一次卵裂后卵裂均含灰色新月，分开后都能形成正常幼虫；B.第一次卵裂后，含灰色新月的裂球能形成正常胚胎，另一个裂球形成腹块（含有血细胞、间质细胞和消化管细胞，无神经系统、脊索和肌节）。64蝾螈原肠作用时外胚层的决定A.早期原肠时，将蝾螈预定神经外胚层细胞移植到另一胚胎预定形成表皮区域，预定神经外胚层细胞发育成表皮，受体胚胎中只能见到一个神经板；B.晚期神经胚进行同样移植，预定神经外胚层细胞形成神经组织，受体胚胎中能见到两个神经板。

结论：早期原肠胚向晚期原肠胚过渡期内，细