发育生物学 第5讲发育机制学习资料

第五讲胚胎发育机制

主讲：徐玱主要胚胎发育机制细胞生长（长大与增殖）细胞分化胚胎诱导形态发生机制胚胎场现象细胞增大+细胞增殖本质：蛋白质与核酸等合成一细胞生长1细胞增大

:C体积↑胞质长大胞核长大2细胞增殖：C数目↑

由细胞分裂实现1两个概念细胞全能性(totipotency)

C含有形成完整个体之潜能（分化潜能最强）。全能性→多能性→专能性→终末性内细胞群C→外胚层C→神经干C→神经C信息连

（不同）基因→（不同）

mRNA→

（不同）蛋白质→（不同）形态结构、生化特征、功能2细胞分化的决定(celldetermination)C在出现特有形态结构/生化特征/功能之前发生之决定C分化方向之内在隐蔽变化过程。决定的C沿特定类型分化,一般不会中途改变。二细胞分化---发育生物学研究之核心

3细胞分化(celldifferentiation,P82）定义：胚胎C或幼稚C发育成具有特殊形态结构\

生化特性\功能之专一化C之过程2）原因：基因差异表达（5-10%）3)事件：化学分化:特异蛋白合成RBC（Hb）,神经细胞(烯醇化酶)等形态结构..:外形分化、核分化、胞质分化功能..:4）特点：过程一般不可逆

过程渐进：全能-多能-专能-终末终末分化C一般不再分裂受细胞内外信号调控。细胞分化参考信息

实验一把某时期供体组织原基移植到受体不同位，如果移植块按照在受体移植部位进行发育，说明在移植时其命运尚未决定；如果按照在供体原地情况发育，表明在移植时已发生了分化决定。实验二干细胞移植治疗老年痴呆:神经干细胞→标记后移植入病变区→检测功能改善、形态结构变化特异蛋白表达→证实是否发生了分化。细胞分化参考信息

（1）细胞核对细胞分化调控（2）细胞质对…（3）细胞间相互作用对…

细胞诱导细胞抑制细胞识别与粘合其他：5）细胞分化调控,P83内部因素外部因素

实验一施佩曼将受精卵结扎，一半球含细胞核，另一半球不含细胞核。结果有核半球能进行正常卵裂分化，无核则不能。在16或32个细胞期，让一胞核通过结扎处进入无核半球，结果这个半球也开始卵裂分化，并且发育成正常胚胎。实验一说明：没有细胞核，细胞不能分化,

细胞核提供了分化的潜能（1）细胞核在细胞分化过程中具主导作用

取一羊乳腺C细胞核取另一羊去核卵C两者融合将发育至32细胞时移植人待孕羊子宫后代像供核之羊实验二核移植实验两实验表明：胚胎发育分化过程中细胞核起主导作用实验二说明：有什么样细胞核就有什么样的分化潜能Dolly克隆牛欣欣，生命源于耳细胞

我国首例“胎儿皮肤上皮细胞”克隆牛“康康”

基因位于细胞核内染色体上，通过转录产生mRNA进入细胞质，翻译成各种

蛋白质

从而决定细胞和个体发育分化方向。细胞核在细胞分化中主导作用之机制

受精卵发育形成的同源细胞含有相同基因组（在细胞核内）但在发育中只有5-10%基因表达(人类基因总数约3万--5万)且表达之基因差异较大Why?细胞核的主导作用不是绝对的，核的活动受到胞质中一些物质调节与制约（2）细胞质在分化过程中的作用

1928年，施佩曼做了个实验:用较细的婴儿头发将蝾螈受精卵结扎成两个半球状，其中一个半球中含灰新月区(受精时，蝾螈卵细胞上出现的一个浅灰色的半月形区带)和细胞核，另一个不含这个区带。结果前者发育成了胚，后者则不能。即使后者含有细胞核，细胞也不能分化，只能发育成没有一定形状的团块。实验说明：1灰新月区(细胞质)中含某种物质，只有具备这种物质，胚胎发育分化才能正常进行。2卵细胞质各区域组分并不相同。这些特殊胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmicdeterminants)—RNA与蛋白质。3胞质在C分化中的作用：是通过C质决定子影响核基因表达，一定程度上影响C分化。核与质间相互作用对细胞分化影响

互相依赖，缺一则不能生存核控制着遗传信息质对核有重要调节作用两者通过核孔相互传递蛋白来实现对细胞分化调控(3)细胞间的相互作用（细胞社会学）在细胞分化中的影响,P83诱导抑制识别其他胚胎诱导（induction）：胚胎发育过程中，一部分细胞影响其它细胞分化方向。细胞抑制（inhibition）：已分化细胞抑制邻近细胞进行相同分化。如把发育中蛙胚置于含有成体蛙心碎片培养液中，胚不能产生心脏。细胞识别与粘合（组织亲合性）：三胚层细胞混杂培养→各胚层相互识别，相互粘着

癌细胞不能识别粘着，失去了正常细胞调控能力其他：细胞数量，细胞外基质，激素等4去分化（dedifferentiation），又称逆转

高度分化C失去分化能力，返回到未分化或低分化状态。5转分化（transdifferentiation）1)从一种分化细胞转变到另一种分化细胞；2)通过增生干C或低分化C转化为其他类型C3)转分化表明已分化的细胞存在潜在的可塑性

三胚胎诱导,P84过程：将迁移到内部之前的背唇切下来，移植到另一正常原肠胚腹部。结果：移植物发育成第二条脊索在移植物上方出现了一条神经板最后这个原肠胚发育成一双头怪物。诱导实验施佩曼因此获得1935诺贝尔生理学或医学奖。实验表明：在移植物诱导下，移植物周围胚层

改变了原来发育方向胚胎诱导（induction）：胚胎发育时期，部分C提供或传递信号，

其它C接受该信号，并向特定方向分化诱导者（inductor）：起诱导作用之C或组织反应者（respondingtissue）：接受信号并起反应之C或组织。1概念大分子：蛋白质或核酸，小分子：苯丙氨酸、胞嘧啶核苷酸

2诱导物本质3诱导特点1）诱导具有双向性2）诱导者决定反应者产生何结构反应者决定所产生结构的遗传性5）诱导引起的反应C的分化持续、不可逆3）诱导者异，反应异同一外胚层→神经诱导物→神经组织中胚层诱导物→肌肉，骨骼等等4）有权能期（periodofcompetence）

一定时间内发生，一旦超出临界时间，诱导或反应能力会减退、消失初级诱导、次级诱导与三级诱导脊索诱导神经系统形成称之初级诱导前脑区两侧外突视泡诱导其外方之外胚层形成晶状体，乃次级诱导晶状体再诱导其表面外胚层形成角膜，乃三级诱导

4诱导层次性5诱导类型1）指令性诱导定义：

诱导者决定（命令）反应者基因如何表达（如晶状体形成）特点：在诱导发生前，反应者分化未决定诱导组织A存在，反应组织B才能向特定方向分化A不存在，B不能向特定方向分化A存在，与B不同的C也能沿B分化方向分化A不存在，与A不同的D来诱导B分化，但B不能以原方式发育。2）允诺性诱导定义：反应者有特定的应答潜能，但潜能表现则需诱导者允许特点：

诱导发生前，反应者已完成了分化决定

诱导者不能改变反应者基因如何表达而仅仅是让它有能力表达（1）接触性诱导：

直接接触缝隙连接（2）非接触性诱导

信号物质扩散—车，船细胞外基质---路，桥6诱导作用机制总之诱导者必须激活反应者有关基因基因活动产物又激活其他有关基因一组基因被激活产生一组特异性蛋白从而导致细胞分化

四形态发生机制,P86

组织、器官、系统、机体的形态发生（morphogenesis）是通过细胞的

细胞运动细胞识别和粘着细胞增殖和死亡等过程而实现的定义：相对位置移动分类：单细胞..+群体..主要原因：形态改变←C内微丝、微管配布变化

1细胞运动2细胞识别和粘着神经管形成过程细胞形状与微丝、微管配布变化的关系（1）外胚层细胞呈立方形，微丝和微管任意分布（2）细胞变长，微管平行于长轴排列，形成神经板（3）细胞顶部缩窄，微丝与表面平行分布，形成神经管定义：也称细胞凋亡（apoptosis）一种由基因控制之主动之细胞生理性自杀行为2）PCD机制,P88调控基因凋亡基因（caspase等）:造成C自杀性死亡抗凋亡基因（Bcl-2等）:阻止C凋亡途径：

死亡受体途径：经典途径

线粒体途径：

主要途径内质网途径：新发现途径（研究热点）3程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD）4）胚胎发育中PCD之意义,P88系统匹配(量与位置)：如80%卵母C,迷路C雕刻躯体：如食管管化，指（趾）蹼及尾巴消失保护机体：去除有害C，如自身反应T\B，癌细胞等PCD失控，将导致各种疾病：如PCD↓

→癌；而PCD↑

→艾滋病（AIDS）。脑细胞PCD失控将导致多种严重疾病，如：帕金森症，老年性痴呆等2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获

诺贝尔生理与医学奖。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

一）肢芽发生实验1若将早期肢芽挖除，其周围组织仍能长出一个正常肢芽距原肢芽越近的组织发生新肢芽的能力越强，反之则弱2若切除肢芽的1／2或3／4，余部仍能发育为正常肢体3若把一肢芽中胚层组织挖出，填入另一肢芽内，使后者具有双倍肢芽中胚层，该肢芽仍仅发育为一正常肢体

四胚胎场现象,P90实验结果表明胚体可形成肢芽范围比预定发生肢芽部位要广

这种能发育形成某种结构之组织场地

称为该结构之胚胎场（embryonicfield）

或胚野眼、耳、心脏等也存在胚胎场

二）胚胎场现象特征1胚胎场中形成某特定结构之组织比该预定结构本身范围更广2发育潜能随着与预定结构距离拉长而减弱3部分原基→一个完整肢体4增加原基→一个完整肢体5胚胎场形成某特定结构之潜能随结构分化程度增加而降低总的来说发育问题归根结底依赖于基因在发育过程中按一定时间和一定空间有秩序、有选择地表达参考资料1．细胞运动与形态变化

定义：也称细胞凋亡（apoptosis）一种由基因控制之主动之细胞生理性自杀行为2）特点：形态：凋亡小体等生化：阶梯状DNA条带

(180-200bp)3程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD）将一些细胞组成功能和形态不同的组织和器官，最后形成一个具有表型特征个体，这一过程称为形态建成。位置信息(positionalinformation)：不断分裂和移动中的细胞通过感知自己的瞬间空间位置并依此决定分化方向或调整移动路径，此即位置信息对发育分化的影响。形态发生素(morphogen)假说：胚胎发生素在胚胎的特定部位合成和分泌，然后扩散到周围组织，形成一种浓度递减的梯度。细胞通过适当的受体“感知”自身部位的形态发生素的浓度，细胞就可以估测自己离形态发生素产生源有多远，并决定分化的方向。形态发生素假说强调的就是位置信息对形态建成的影响。科学家通过对鸡的肢芽（limbbuds）发育的研究，肯定了位置信息在形态建成中的作用。携带决定细胞分化方向相关信息的可扩散的物质。形态发生素是以连续的浓度梯度分布的，因而形成各种浓度阈值，细胞根据所处环境的形态发生素的浓度阈值决定分化方向。形态发生素是决定细胞发育的基因表达产物。胚胎的形态发生多与细胞层的铺展、卷折、陷入、隆起和细胞迁移有关，而这又与细胞内微丝、微管配布引起的细胞形态变化和细胞外基质大分子物质的浓度有关。神经管形成过程细胞形状与微丝、微管配布变化的关系（1）外胚层细胞呈立方形，微丝和微管任意分布（2）细胞变长，微管平行于长轴排列，形成神经板（3）细胞顶部缩窄，微丝与表面平行分布，形成神经管2．细胞识别和粘着与形态发生

胚胎发育中，同类或相关细胞能彼此识别，经过迁移能按一定的模式类聚和粘着在一起，构成组织。近年认为，这是由于细胞膜上的糖蛋白受体与相关细胞细胞衣内的糖链结合的结果。3．程序性细胞死亡与形态发生

胚胎发生中广泛存在细胞定时死亡现象，称程序性细胞死亡（apoptosis）。它是器官正常发生的重要因素，唯其机制不明。如人胚的尾芽和鳃的定期消失；早期手和足都形似桨板，在预定指或趾之间的细胞死亡后，才能形成指或趾。又如循环系统发生过程中的某段动脉或静脉的定时退化、女性中肾管的定期退化、男性中肾旁管的定期消失等都属此例。死亡基因caspases

，启动造成细胞自杀性死亡。Bcl-2在正常细胞中存在，以阻止细胞的凋亡。细胞凋亡过程失控，将导致各种疾病。如抑制细胞凋亡过程，将产生癌；而促进了细胞凋亡可能产生艾滋病（AIDS）。在神经系统中，脑细胞凋亡过程的失控将导致多种严重的疾病，如：帕金森症，老年性痴呆等。ABAB

AB

12

34

12最强

4

12

34

3最弱胸腺细胞正常凋亡A、NormalcellB、Apoptosis:Apoptoticbodies2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理与医学奖。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

若将早期肢芽挖除，其周围组织仍能长出一个正常肢芽；距原肢芽越近的组织发生新肢芽的能力越强，反之则弱。若切除肢芽的1／2或3／4，余部仍能发育为正常肢体。若把一肢芽的中胚层组织控出，填入另一肢芽内，使后者具有双倍的肢芽中胚层，该肢芽仍仅发育为一正常肢体。

五胚胎场现象---肢芽发生实验结果表明，胚体可形成肢芽的范围比预定发生肢芽的部位要广。

这种能发育形成某种结构的组织场地，称为该结构的胚胎场（embryonicfield）或胚野。实验还揭示，胚胎场内的细胞有识别自身所在的位置，并调整自身增殖与分化的能力。眼、耳、心脏等的发生也存在胚胎场。

胚胎场现象特征胚胎场中形成某种特定结构的组织分化潜能比该预定结构本声的范围更广泛.潜能的表达,随着与预定结构距离的拉长而减弱部分原基可以产生完整结构增加原基,产生的仍是一个完整的肢体胚胎场形成某特定结构的潜能随着结构的分化程序的发展而降低胚胎场现象---肢芽发生ABAB

AB

12

34

12最强

3最弱4

12

34

总的来说，发育问题归根结底依赖于基因在发育过程中按一定的时间和一定的空间有秩序、有选择地表达。参考资料（未整理）诱导（induction）：动物在一定的胚胎发育时期，一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象三胚胎诱导反应细胞只是在一定时间内对诱导者发生反应，一旦超出临界时间，反应能力会逐渐减退以致完全消失。起诱导作用的细胞或组织者称为诱导者（inductor），被影响（诱导）的细胞叫反应细胞。诱导是通过信号来实现的，其中有些诱导信号是短距离的，仅限于相互接触的细胞间；有些是长距离的，通过扩散作用于靶细胞。通常把响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场（morphogeneticfield）。实验：用手术方法，在将背唇迁移到内部之前把它切下来，移植到另一个正常原肠胚的腹部(图5-12)。为了便于追踪观察，用灰色蝾螈变种的胚孔背唇作供体，用黑色蝾螈变种作受体。1、诱导实验：蝾螈早期原肠胚的背唇移植实验实验结果：移植物发育成第二条脊索，在移植物上方出现了一条神经板，最后这个原肠胚发育成了一个双头怪物。这种诱导作用，最早是由施佩曼发现的，他因此而获得了1935年的诺贝尔生理学或医学奖。这个实验表明：在移植物的作用下，移植物周围的胚层改变了原来的发育方向，即发育成了神经组织以致整个头部诱导物质的性质是化学物质：大分子的蛋白质或核酸，也可能是苯丙氨酸、胞嘧啶核苷酸等小分子物质存在于胚胎或成体组织；活、死组织均存在诱导

2、诱导物质的性质

诱导条件不同对细胞分化能力的改变有一定的限制。

如果用晚原肠期（大约2天后）的细胞进行上述相同的实验，其结果完全不同：将神经组织的细胞放在胚胎的能够发育成表皮组织的部位将不会发育成表皮，而是神经细胞，反之亦然。胚胎诱导一般发生在内胚层和中胚层或外胚层和中胚层之间。从诱导的层次上看,分为三级,即初级诱导、二级诱导和三级诱导。（1）初级诱导，原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经板，神经板形成神经管。

3、诱导层次性

（2）次级诱导和三级诱导

各器官原基形成的早期均有诱导现象，而且可出现连续的诱导。感官形成是最典型的例子，前脑区两侧外突的视囊，诱导其外方的外胚层形成晶状体，称为次级诱导。晶状体又诱导其外表的外胚层形成角膜，称为三级诱导。4、诱导作用的方式（类型）（1）指令性诱导

定义：诱导组织发出的诱导信息启动了反应组织中的基因或基因组，合成特定蛋白，并逐渐分化为与诱导组织相关的组织结构。（如晶状体形成）

特点：诱导组织A存在，反应组织B才能分化诱导组织A不存在，反应组织B不会分化诱导组织A存在，与B不同的C组织也能沿着B

组织的分化方向分化。（2）允诺性诱导

定义：诱导组织与反应组织构成了相互作用的体系，在诱导作用发生前，反应组织已完成了分化决定，不具有多项分化的能力.两种诱导作用的特征：诱导作用是双向的诱导作用可以发生在不同种或不同门的动物胚胎之间后肾的发生就是这种接触诱导的典型例子。后肾是由同属于中胚层组织的输尿管芽和生后肾组织相互作用形成的。在体外实验中，将输尿管芽和生后肾组织彼此分离，输尿管芽就不能形成树枝状的管道，生后肾组织也不能形成肾小管；若将它们放在一起培养，输尿管芽将生长并分支，生后肾组织将形成肾小管。虽然肾小管的分化并不完全需要输尿管芽的诱导，其他的一些组织，如神经管、唾液腺间质等也能诱导其形成肾小管。这说明，生后肾组织早已经决定了，这种相互作用是容许性质的。但是输尿管芽的分支只有在生后肾组织的诱导下才能进行。如果将输尿管芽和生后肾组织置于微孔滤膜的两侧，发现输尿管芽的小突起穿过滤膜与生后肾组织接触，生后肾组织形成肾小管。后肾的发生就是这种接触诱导的典型例子后肾是由中胚层组织的输尿管芽和生后肾组织相互作用形成的实验证明，诱导作用的发生并不一定需要诱导组织与反应组织间的直接的细胞接触。如果将胰腺原基中的内胚层上皮细胞与其周围的间质细胞分开来培养，无胰腺结构发生。而将两种细胞混合培养，就会形成胰腺结构，这说明两者之间有明显的诱导作用。如果在混合培养时，在两种细胞之间隔一层薄膜，只允许分子通过，不允许细胞或细胞突起通过，结果形成了胰腺腺泡和管道结构，并有胰酶合成。这说明间充质细胞对上皮细胞的诱导作用并不是通过细胞间的直接接触来实现的。在这种诱导过程中，诱导组织可能通过产生一些大分子物质，并将其排放到细胞外基质中形成一定的浓度梯度，从而影响了反应组织的定向分化和形态发生。在一些情况下，诱导组织产生的化学物质，不参与细胞外基质的组成，只是通过基质而扩散到反应组织，从而诱导反应组织的分化和形态发生。

（1）直接的接触，诱导者和反应细胞质膜上的受体起作用；（2）大分子物质的扩散；（3）胚胎发育早期的细胞间通讯；（4）细胞外基质在诱导作用中起重要作用:诱导组织可能通过产生一些大分子物质，并将其排放到细胞外基质中形成一定的浓度梯度，从而影响了反应组织的定向分化和形态发生。5、诱导物作用机制不同的诱导刺激，反应不同同样的外胚层受到神经诱导物质作用的会产生神经组织，而中胚层诱导物质可以使它们产生脊索、肌肉等结构。处于不同发育时