第一章细胞命运的决定

动物有机体是由多种类型的分化细胞(specializedcell)

组成的。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。当前1页，总共72页。部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能当前2页，总共72页。细胞定型和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（celldifferentiation）。已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物，而且行使特异的功能。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，这一过程称为定型（commitment）。定型可进一步分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。当前3页，总共72页。细胞定型的两个时相当一个细胞或者组织放在中性环境（neutralenvironment）如培养皿中可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织已经特化（specialized）了。当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织已经决定（determined）了。当前4页，总共72页。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，它就会分化成不同的组织。相比之下，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连的过程。在胚胎早期发育过程中，某一组织或器官的原基（anlage）首先必需获得定型，然后才能向预定的方向发育，也就是分化，形成相应的组织或器官。当前5页，总共72页。胚胎细胞的定型有两种主要方式：1、通过胞质隔离(cytoplasmicsegregation)实现的。卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。这种定型方式称为自主特化（autonomousspecification）。以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育(mosaicdevelopment)，或自主性发育，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。（栉水母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘）当前6页，总共72页。2、细胞定型是通过胚胎诱导实现的。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的分化方向，也就是发育命运。初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜能，和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。细胞命运的这种定型方式称为有条件特化(conditionalspecification)或渐进特化(progressivespecification)或依赖型特化(dependentspecification)。当前7页，总共72页。对细胞呈有条件特化的胚胎来说，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可以改变发育命运，填补所留下的空缺。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（Regulativedevelopment）模式（海胆、两栖类、鱼类等）。当前8页，总共72页。任何动物胚胎发育中都存在自主特化和有条件特化两种细胞定型方式，只是程度大小不同而已。一般来说，在多数无脊椎动物胚胎发育过程中，主要是细胞自主特化在发生作用，细胞有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过程中则相反，主要是细胞有条件特化在发生作用，细胞自主特化次之。当前9页，总共72页。一、形态发生决定子形态发生决定子(Morphogeneticdeterminant)也称为成形素(Morphogen)或胞质决定子(Cytoplasmicdeterminant)，是指胚胎细胞中存在的决定细胞发育命运的物质。大量研究证明，不论是以镶嵌型发育为主还是以调整型发育为主，形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。第一节细胞命运通过形态发生决定子自主特化当前10页，总共72页。海鞘胚胎是依据卵内贮存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，能够使细胞朝一定的方向分化。某些海鞘卵细胞质不同区域具有不同的颜色，卵子受精时不同区域的细胞质分配到不同的裂球中。当前11页，总共72页。Conklin(1905)通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现：不同区域的卵细胞质分别与未来胚胎特定的发育命运相联系。黄色新月区含有黄色细胞质，称为肌质(myoplasm)，将来形成肌细胞。灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫消化道。当前12页，总共72页。海鞘不同胞质决定子的镶嵌分布。当前13页，总共72页。Reverberi和Minganti(1946)证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。不过神经系统的发育例外，只有当动物极前面一对裂球a4.2和植物极前面一对裂球A4.1配合后，才形成神经组织。在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在着裂球之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。Ortolani(1959)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。当前14页，总共72页。Whittaker用玻针反复挤压，使海鞘的分裂沟退化，而形成新的分裂沟，部分肌质即黄色新月区胞质便转移到预定外胚层细胞中。肌质转移到预定非肌细胞后，也能产生肌肉。当前15页，总共72页。我国学者童第周(1977)在海鞘卵子受精后把受精卵一分为二。其中一个无核卵块作为受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层的细胞核移植到受体中。结果所形成的组织总是和无核卵块含有的细胞质组分有关，与细胞核无关。上面所有实验都说明卵细胞质中存在某些形态发生决定子，能够决定细胞朝一定方向分化，形成一定组织结构。当前16页，总共72页。除了海鞘属于典型的镶嵌型发育外，典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉水母(ctenophores)、环节动物(annelids)、线虫(nematodes)和软体动物(molluscs)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，也存在着形态发生决定子。形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。当前17页，总共72页。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（cytoplasmiclocalization）。胞质定域也称为胞质隔离（cytoplasmicsegregation）或胞质区域化（cytoplasmicregionalization）或胞质重排（cytoplasmicrearrangement）。二、胞质定域当前18页，总共72页。(一)、海鞘海鞘肌肉、内胚层、表皮和前后轴也与胞质定域有关表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部(apicalregion)，卵裂时进入动物极裂球中。内胚层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。海鞘受精卵植物极后端胞质(posteriorvegetalcytoplasm，PVC)相对于其余部分细胞质呈“显性”。把一个受精卵的PVC移植到另一个去除PVC的受精卵的前端，受体卵原来的前端便发育成新的后端，而原来的后端(去除了PVC)则发育为前端。当前19页，总共72页。海鞘肌肉、内胚层和表皮三种胞质决定子的运动当前20页，总共72页。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，而前端的发育命运则由缺乏PVC所决定。总之，海鞘卵子受精时，卵质发生运动，产生独特的胞质区域；不同的胞质区域含有不同的形态发生决定子，并在卵裂时分配到不同的裂球中。当前21页，总共72页。(二)、软体动物Wilson把帽贝（Patellacoerulea）早期裂球分离，发现分离裂球不仅发育命运而且分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎内的相同裂球一样。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，而且还含有不依赖于胚胎其他细胞而进行自我分化所必需的全部物质。当前22页，总共72页。帽贝成纤毛细胞（trochoblastcell）的分化当前23页，总共72页。某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极叶（polarlobe）。第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，此后极叶的出现就不明显了。极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部物质流动所引起的。当前24页，总共72页。软体动物的极叶。A，第一次卵裂前极叶的扫描电镜照片；B，三叶期胚胎的极叶。当前25页，总共72页。Dentalium卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次当前26页，总共72页。去除极叶，剩下的裂球虽然能正常分裂，但是不能形成正常的担轮幼虫（trochophorelarva），而是发育成缺乏中胚层器官－肌肉、口、壳腺和足的幼虫。因此Wilson认为极叶中含有控制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。如果吸除极叶区胞质，胚胎发育正常；将极叶胞质吸取并注射到B细胞中，未见B细胞产生中胚层结构。当前27页，总共72页。推测：形态发生决定子可能位于该区域皮质部的胞质或细胞骨架上，卵子可扩散的细胞质（diffusiblecytoplasm）不含形态发生决定子。壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚层不存在时，便没有诱导者诱导外胚层细胞形成壳腺。这是镶嵌型发育胚胎中也存在细胞间相互作用决定细胞发育命运的又一例证。当前28页，总共72页。用细胞松弛素（cytochalasin）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎。极叶还含有决定胚胎背腹轴形成的物质。当前29页，总共72页。(三)、线虫最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等的调整型卵子中也存在着生殖细胞决定子。生殖细胞决定子在卵裂时分配到一定的裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。当前30页，总共72页。副蛔虫(马蛔虫，Parascarisaequorum)第一次卵裂形成的动物极裂球发生染色体消减(chromosomediminution)，而植物极裂球仍保持正常数目的染色体。第二次卵裂形成的两个植物极裂球开始都有正常数目的染色体，后来靠近动物极裂球的染色体在下一次卵裂前又发生消减。只有一个最靠近植物极的裂球含有全数染色体(全套基因)。全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。当前31页，总共72页。副蛔虫正常受精卵（A）和经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。当前32页，总共72页。据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有某些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定有关裂球形成生殖细胞。副蛔虫卵子植物极胞质中所含的能决定生殖细胞形成的物质叫生殖质（germplasm）。当前33页，总共72页。秀丽隐杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决定，而不是由邻近细胞间相互作用决定。其胚胎中发现的SKN－1蛋白质就很可能是一种“转录因子”样形态发生决定子。SKN-1可能通过激活P1裂球及其产生的EMS和P2两裂球中的某些特定基因，从而决定它们的发育命运。咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（maternalfactor）自主决定。当前34页，总共72页。当前35页，总共72页。skn-1突变体中肠和咽部的缺陷当前36页，总共72页。把SKN-1功能限制在4细胞期的EMS裂球中是通过pie-1(pharyngealandintestinalexcess)和mex-1(muscleexcess)两个基因的活动来实现的。蛋白质MEX-1和PIE-1可以单独发挥作用。MEX-1在第一次卵裂时使SKN-1不对称地分布于P1卵裂球中，而PIE-1在第二次卵裂时使SKN-1不对称地分布于EMS裂球中。SKN-1是MS裂球形成必需的，缺乏SKN-1的胚胎不能产生咽。当前37页，总共72页。野生型和突变型胚胎中MS细胞决定模型当前38页，总共72页。形态发生决定子的性质一般认为形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞的分化方向。形态发生决定子的性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。当前39页，总共72页。海鞘胚胎中可能含有两类形态发生决定子。第一类是可以激活某些基因(乙酰胆碱酯酶基因)转录的物质，因为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；第二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一定的区域，在卵裂时分布到预定的裂球中，因为对蛋白合成抑制剂敏感。当前40页，总共72页。果蝇极质果蝇卵子极粒已被分离出来，它主要由蛋白质和RNA组成。生殖质(极质)的组分之一是gcl(germcell-less)基因转录的mRNA。野生型gcl基因在果蝇卵巢的营养细胞中转录，通过环管(ringcanal)运至卵子中。gclmRNA一旦进入卵子，便进一步迁移到卵子的最后端，定位于称为极质的细胞质中。当前41页，总共72页。生殖细胞决定子的另一种可能是Nanos蛋白。NanosmRNA蛋白位于卵子后端，Nanos蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的极细胞不能迁移到生殖腺中，因而不能发育成生殖细胞。生殖质可能含有非可译RNA，也称极粒组分。oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。当前42页，总共72页。有些母体效应基因(maternaleffectgene)的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有7种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育(sterile)的。当前43页，总共72页。A.staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B.研究明了的影响果蝇生殖细胞发生的基因的作用顺序。当前44页，总共72页。在调整型发育过程中，胚轴和细胞的命运由胚胎细胞相互作用决定。胚胎一部分细胞对邻近另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用，即胚胎诱导（embryonicinduction）

，是决定胚胎细胞分化方向的一个极重要的方面。胚胎诱导决定细胞分化方向观念的形成是随着发育镶嵌理论（mosaictheory）片面性的发现而逐渐发展起来的。第二节细胞命运通过相互作用渐进特化-胚胎诱导当前45页，总共72页。一、种质学说的验证19世纪末，德国学者AugustWeismann根据受精和减数分裂过程中染色体数目的变化，提出了解释细胞分化的种质学说（germplasmtheory）。Weismann的种质学说将组成有机体的细胞分为两类：体细胞（somaticcell）和生殖细胞（germcell）。体细胞是从生殖细胞发育而来的，是各种各样的，随个体的死亡而死亡。而生殖细胞完全不同于体细胞，是世代相传的，是永生的（immortality），不受体细胞和环境的影响。当前46页，总共72页。Weismann的种质学说，生殖细胞产生分化的体细胞和新的生殖细胞。当前47页，总共72页。Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。当前48页，总共72页。Weismann提出细胞的决定和分化是由核决定子分配到不同的细胞而实现的。那么，就可以推论：1.不同的胚胎细胞的细胞核应该有本质上的差异;2.如果扰乱受精卵的卵裂过程,必然导致核决定子在细胞之间分布不正常,从而引起不正常发育。当前49页，总共72页。WilhelmRoux：镶嵌型发育

德国胚胎学家WihelmRoux的实验结果证明蛙的发育为镶嵌型发育，正好和Weismann假设预期的结果吻合。

当前50页，总共72页。J.F.McClendon证实，Roux实验中蛙呈镶嵌型发育的结果纯粹是实验的假象（缺损实验）。坏死裂球的内部或者表面某些物质仍然能够和存活的裂球进行交流，从而影响后者的发育。但Roux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。McClendon1910年，把蛙胚两裂球分开，均可发育成完整的幼体。当前51页，总共72页。二海胆的调整型发育

HansDriesch采用分离实验（isolationexperiment）的方法，即通过剧烈的摇晃将海胆胚胎裂球分开培养。结果表明，2-细胞或4-细胞期时，分开的海胆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。Driesch实验表明胚胎细胞核在卵裂过程中并未出现本质上的差异，不存在所谓核决定子不均等分布的现象。当前52页，总共72页。Figure3.15.Driesch'sdemonstrationofregulativedevelopment.(A)Anintact4-cellseaurchinembryogeneratesanormalpluteuslarva.(B)Whenoneremovesthe4-cellembryofromitsfertilizationenvelopeandisolateseachofthefourcells,eachcellcanformasmaller,butnormal,pluteuslarva.(Alllarvaearedrawntothesamescale.)Notethatthefourlarvaederivedinthiswayarenotidentical,despitetheirabilitytogenerateallthenecessarycelltypes.Suchvariationsarealsoseeninadultseaurchinsformedinthisway(Marcus1979).(PhotographcourtesyofG.Watchmaker.)HansDriesch:调整型发育-1893年，分离实验（isolationexperiment）当前53页，总共72页。

Driesch将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压，改变第三次分裂面，使第三次卵裂由纬裂变为经裂。这样一来，正常情况下本应该分配到内胚层中的细胞核可能分配到外胚层细胞中，卵裂过程被扰乱，但是仍然得到正常的胚胎。Driesch由此得出结论，裂球在整体胚胎中的位置总体上可以决定其发育的结果。当前54页，总共72页。Driesch有关海胆裂球分离和压板改变分裂面的实验结果说明，Weismann和Roux两人有关细胞分化是核决定子不均等分离引起的假设是错误的。Driesch的实验结果表明，海胆分离裂球的预期潜能（prospectivepotency）大于预期命运（prospectivefate）。海胆胚胎是一个和谐等能系统（harmoniousequipotentialsystem），它把独立自主发育成完整胚胎的各部分组织在一起协调作用发育成单个完整的有机体。当前55页，总共72页。再者，Driesch认为细胞核在胚胎发育中的命运只取决于它在胚胎内的位置。在此基础上，Driesch提出了发育过程中细胞核和细胞质相互作用假说。当代实验胚胎学研究结果表明，哺乳动物的胚胎发育也具有调整能力。两个或更多个小鼠早期胚胎融合后，仍能正常发育。在小鼠或兔子胚胎2-细胞期，毁坏其中一个裂球，移植到母体子宫内，也能正常发育。当前56页，总共72页。SvenHörstadius：双梯度模型Driesch裂球分离实验所得的结论也不是百分之百正确。许多动物胚胎在很大程度上呈镶嵌型发育，即使海胆胚胎也不是由完全等能的细胞组成的集合体，不是百分之百呈调整型发育。瑞典学者SvenHörstadius将海胆8细胞胚胎沿垂直于赤道面切割成两部分，使其发育，获得了和分离实验相似的结果。将8-细胞期海胆胚胎沿赤道分开成动物极和植物极两部分时，两部分都不能发育成完整幼虫。当前57页，总共72页。SvenHörstadius的裂球分离实验证明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。当前58页，总共72页。海胆64细胞期胚胎各部分细胞的组合发育（Horstadius,1939）。A，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，动物半球与小裂球的组合发育。在每一种组合中，都有细胞相互作用而改变原定的发育命运的现象。当前59页，总共72页。结论植物极细胞具有抑制动物极化的能力。抑制动物极化的作用称为植物极化；小裂球比veg2、veg2比veg1具有更强的抑制动物极化的能力；海胆胚胎中植物极化的能力从植物极到动物极递减当前60页，总共72页。结论：海胆胚胎中还存在一个动物极化梯度（沿动物极到植物极递减）海胆32细胞时：单独培养每一层细胞，an1、an2、veg1→永久囊胚；veg2→出现植物极化将每层细胞分别于1，2，4个小分裂球组合培养；

an1+4个小分裂球→正常幼虫；an2+2个小分裂球→正常幼虫；an2+4个小分裂球→幼虫具膨大的消化管veg1+1个小分裂球→幼虫消化管异常膨大当前61页，总共72页。Horstandius所示的动物极化梯度当前62页，总共72页。由海胆胚胎32-细胞期两极细胞和中间两层细胞形成的长腕幼虫当前63页，总共72页。总结：1、海胆胚胎存在植物极化和动物极化两个对立的梯度；其正常发育依赖于两个梯度的平衡；某些蛋白抑制剂（重金属、NaSCN和伊万斯蓝）可减弱植物极化因子的作用，而某些呼吸抑制剂（CO、KCN、NaN3、Li+）可减弱动物极化因子的作用。2、裂球的预期命运只要还未决定，都是可以调整的。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裂而决定下来，便失去调整能力。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。3、海胆胚胎在32细胞以后，多数裂球不能再形成完整胚胎。当前64页，总共72页。两栖动物的调整型发育Spemann（1938）发现在蝾螈的发育中也存在调整型发育的情况。蝾螈受精卵的结扎实验说明两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传上的等同性（geneticallyidentical）。当前65页，总共72页。但当Spemann沿着与第一