發(fā)育生物學(xué)——細(xì)胞命運(yùn)決定ppt課件

細(xì)胞命運(yùn)決定及命運(yùn)圖,山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,動(dòng)物有機(jī)體是由分化細(xì)胞(specializedcell)組成分化細(xì)胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異,第二節(jié)胚胎細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的決定,從單個(gè)全能的受精卵產(chǎn)生各種類(lèi)型細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程叫細(xì)胞分化。已分化的細(xì)胞不但具有一定的形態(tài)和合成特異的產(chǎn)物，而且行使特異的功能。,脊椎動(dòng)物骨骼肌的分化主要特征,第二節(jié)胚胎細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的決定,Fateofcells:指正常發(fā)育情況下細(xì)胞將發(fā)育的方向，這種方向可因條件的改變而改變定型(commitment):細(xì)胞在分化之前，會(huì)發(fā)生一些隱蔽的變化，使細(xì)胞命運(yùn)朝特定方向發(fā)展。-特化（specification）-決定（determination）,當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或者組織放在中性環(huán)境(neutralenvironment)如培養(yǎng)皿中可以自主分化時(shí)，可以說(shuō)這個(gè)細(xì)胞或組織已經(jīng)特化。Theydevelopaccordingtonormalfate.當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或組織放在胚胎另一個(gè)部位可以自主分化時(shí)，可以說(shuō)這個(gè)細(xì)胞或組織已經(jīng)決定。細(xì)胞特性發(fā)生了不可逆的改變，發(fā)育潛力已經(jīng)單一化。,Cellfate:specificationanddetermination,已特化的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是可逆的。如果把已特化的細(xì)胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會(huì)分化成不同的組織。已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是不可逆的。在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)連的過(guò)程。在胚胎早期發(fā)育過(guò)程中，某一組織或器官的細(xì)胞必需先定型，然后才能向預(yù)定的方向發(fā)育，也就是分化，形成相應(yīng)的組織或器官。定型之后，分化方向變得不可逆轉(zhuǎn)。,Cellfate:specificationanddetermination,早期胚胎中，卵裂球的發(fā)育命運(yùn)沒(méi)有決定(determination)。隨著胚胎的發(fā)育，不同卵裂球受本身內(nèi)在因素及環(huán)境條件的影響，其發(fā)育命運(yùn)被確定下來(lái)，分化為內(nèi)胚層、中胚層或外胚層細(xì)胞。細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的決定是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,兩棲動(dòng)物眼區(qū)細(xì)胞的潛能隨發(fā)育時(shí)期的不同而改變,胚胎發(fā)育早期，細(xì)胞的發(fā)育潛力更大！,原腸胚中眼區(qū)將發(fā)育為眼睛。,將原腸胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們將按新部位的命運(yùn)發(fā)育為體節(jié)和脊索。,將神經(jīng)胚中眼區(qū)細(xì)胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們?nèi)詫l(fā)育為類(lèi)似于眼的結(jié)構(gòu)。,細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式胞質(zhì)隔離(cytoplasmicsegregation)：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)胞質(zhì)分離到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪一類(lèi)細(xì)胞，細(xì)胞命運(yùn)的決定與臨近的細(xì)胞無(wú)關(guān)。自主特化（autonomousspecification）。以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱(chēng)為鑲嵌型發(fā)育(mosaicdevelopment)，或自主性發(fā)育，整體胚胎好像是自我分化的各部分的總和。無(wú)脊椎動(dòng)物為主。,Weismann理論的核心強(qiáng)調(diào)早期的卵裂必須為不對(duì)稱(chēng)卵裂。卵裂結(jié)果產(chǎn)生的子細(xì)胞彼此之間是完全不同的。,細(xì)胞質(zhì)中決定因子的定位和細(xì)胞不對(duì)稱(chēng)分裂使細(xì)胞變得不同,細(xì)胞分裂時(shí)母細(xì)胞中的某些分子不均等地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，造成子細(xì)胞向不同方向分化。,不對(duì)稱(chēng)分裂：生成不同的子細(xì)胞,細(xì)胞質(zhì)分裂時(shí)分配到子細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)不均一,在一定程度上決定了細(xì)胞的早期分化。細(xì)胞質(zhì)中決定細(xì)胞命運(yùn)的特殊信號(hào)物質(zhì)稱(chēng)為決定子(determinant),Cellfatedetermination,Cytoplasmiclocalizationandasymmetriccelldivision:resultindaughtercellshavingpropertiesdifferentfromeachother;chemicaldifferencesdistributedintheeggintheformofdeterminants(mRNAorproteins,Xenopus-VegT,vegetalregionsofthefertilizedegg),Cellfatedetermination,Asymmetricdivision:stemcell:repeateddivision-stemcellsanddifferentiateintoavarietyofcelltypes;inadult-selfrenewal;Pluripotent.,海鞘不同區(qū)域的卵細(xì)胞質(zhì)分別與未來(lái)胚胎特定的發(fā)育命運(yùn)相聯(lián)系。黃色新月區(qū)含有黃色細(xì)胞質(zhì)，稱(chēng)為肌質(zhì)（myoplasm），將來(lái)形成肌細(xì)胞?；疑略聟^(qū)含有灰色細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形成脊索和神經(jīng)管。動(dòng)物極部分含透明細(xì)胞質(zhì)，將來(lái)形成幼蟲(chóng)表皮?；疑腰S區(qū)含大量灰色的卵黃，將來(lái)形成幼蟲(chóng)消化道。,柄海鞘的鑲嵌型發(fā)育。當(dāng)8細(xì)胞期胚胎中的4對(duì)卵裂球被分離后，每對(duì)卵裂球只能發(fā)育為部分結(jié)構(gòu)。,海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。典型的鑲嵌型發(fā)育的胚胎還有櫛水母(tenophores)、環(huán)節(jié)動(dòng)物(annelids)、線(xiàn)蟲(chóng)(nematodes)和軟體動(dòng)物（molluscs）等。另一方面，海膽、兩棲類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。在這些呈典型的調(diào)整型發(fā)育的動(dòng)物卵子細(xì)胞質(zhì)中，也存在著形態(tài)發(fā)生決定子。形態(tài)發(fā)生決定子廣泛存在于各種動(dòng)物的卵子細(xì)胞質(zhì)中。,形態(tài)發(fā)生決定子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時(shí)分配到特定的裂球中，決定裂球的發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)象稱(chēng)為胞質(zhì)定域（cytoplasmiclocalization）。胞質(zhì)定域也稱(chēng)為胞質(zhì)隔離（cytoplasmicsegregation）或胞質(zhì)區(qū)域化（cytoplasmicregionalization）或胞質(zhì)重排（cytoplasmicrearrangement）。,胞質(zhì)定域,海鞘（Phallusiamammillata）受精時(shí)胞質(zhì)定域的分離,表皮決定子在受精過(guò)程中遷移到卵子動(dòng)物極頂部(apicalregion),卵裂時(shí)進(jìn)入動(dòng)物極裂球中。內(nèi)胚層決定子在受精過(guò)程中遷移到卵子植物極半球，卵裂時(shí)進(jìn)入植物極裂球中。,秀麗新小桿線(xiàn)蟲(chóng)胚胎細(xì)胞命運(yùn)主要由卵內(nèi)細(xì)胞質(zhì)決定，而不是由鄰近細(xì)胞間相互作用決定。其胚胎中發(fā)現(xiàn)的SKN1蛋白質(zhì)就很可能是一種“轉(zhuǎn)錄因子”樣形態(tài)發(fā)生決定子。SKN-1可能通過(guò)激活P1裂球及其產(chǎn)生的EMS和P2兩裂球中的某些特定基因，從而決定它們的發(fā)育命運(yùn)。咽部細(xì)胞命運(yùn)可以通過(guò)分離到這些裂球中的母源性因子（maternalfactor）自主決定。,skn-1突變體中腸和咽部的缺陷,形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì),形態(tài)發(fā)生決定子可能是某些特異性蛋白質(zhì)或mRNA等生物大分子物質(zhì)，它們可以激活或抑制某些基因表達(dá)，從而決定細(xì)胞的分化方向。形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)和作用方式在海鞘和果蠅中研究較為深入。,海鞘胚胎中：第一類(lèi)是可以激活某些基因（乙酰膽堿酯酶基因）轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)，因?yàn)楹Ｇ逝咛ブ卸鄶?shù)組織特異性結(jié)構(gòu)的形成都對(duì)轉(zhuǎn)錄抑制劑敏感；第二類(lèi)可能是以mRNA的形式存在于卵內(nèi)一定的區(qū)域，在卵裂時(shí)分布到預(yù)定的裂球中。探討胚胎的決定狀態(tài)，應(yīng)對(duì)決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的蛋白質(zhì)或mRNA進(jìn)行分析鑒別，而不是分析鑒別細(xì)胞分化時(shí)產(chǎn)生的特異性蛋白質(zhì)和mRNA。,果蠅極質(zhì)果蠅生殖質(zhì)（極質(zhì)）的組分之一是gcl（germcell-less）基因轉(zhuǎn)錄的mRNA。另一種可能是Nanos蛋白。NanosmRNA蛋白位于卵子后端，Nanos蛋白是果蠅形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的極細(xì)胞不能遷移到生殖腺中，因而不能發(fā)育成生殖細(xì)胞。oskar基因在果蠅極質(zhì)的形成和裝配過(guò)程中起著極其重要的調(diào)控作用。Oskar基因?qū)⑵鋗RNA定位于胚胎的后極。至少有8種母體效應(yīng)基因（maternaleffectgene）的突變會(huì)導(dǎo)致果蠅不能形成極質(zhì)，不能形成生殖細(xì)胞。,A.staufen基因內(nèi)應(yīng)在oskar基因之前行使功能，并影響oskar基因的表達(dá)。B.研究明了的影響果蠅生殖細(xì)胞發(fā)生的6種基因的作用順序。,細(xì)胞命運(yùn)的定型的作用方式胚胎誘導(dǎo)：胚胎發(fā)育過(guò)程中，相鄰細(xì)胞或組織之間通過(guò)相互作用，決定其中一方或雙方的分化方向。有條件特化（conditionalspecification），因?yàn)榧?xì)胞命運(yùn)取決于與其臨近的細(xì)胞或組織。以細(xì)胞有條件特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式稱(chēng)為調(diào)整型發(fā)育（regulativedevelopment），或依賴(lài)型發(fā)育。脊椎動(dòng)物為主。,Driesch的海膽胚胎分離發(fā)育實(shí)驗(yàn)。A，正常長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)，B，單個(gè)胚胎細(xì)胞發(fā)育而成的長(zhǎng)腕幼蟲(chóng)。,海膽的調(diào)整型發(fā)育過(guò)程中也存在鑲嵌式發(fā)育的成分。,半個(gè)8細(xì)胞期海膽胚胎的發(fā)育。A，沿赤道面將胚胎分為兩半，B，沿動(dòng)植物極軸將胚胎分為兩半。,海膽受精卵的不對(duì)稱(chēng)性,海膽64細(xì)胞期胚胎各部分細(xì)胞的組合發(fā)育（Horstadius,1939）。A，正常發(fā)育；B，分離的動(dòng)物半球的發(fā)育；C，動(dòng)物半球與veg1細(xì)胞的組合發(fā)育；D，動(dòng)物半球與veg2細(xì)胞的組合發(fā)育；E，動(dòng)物半球與小卵裂球的組合發(fā)育。在每一種組合中，都有細(xì)胞相互作用而改變?cè)ǖ陌l(fā)育命運(yùn)的現(xiàn)象。,一般來(lái)說(shuō)，在多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中，主要是細(xì)胞自主特化在發(fā)生作用，細(xì)胞有條件特化次之；而在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中則相反，主要是細(xì)胞有條件特化在發(fā)生作用，細(xì)胞自主特化次之。,Cellfatedetermination,Induction:asignalfromonegroupofcellsinfluencesthedevelopmentofanadjacentgroupofcells;細(xì)胞間的誘導(dǎo)作用使得細(xì)胞之間互不相同。,Permissiveinduction:acellmakesonlyonekindofresponsetoasignalatagivenlevel.Instructiveinduction:thecellresponddifferentlytodifferentconcentrationsofthesignal.,細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)來(lái)自外部的信號(hào)使一群細(xì)胞中的一個(gè)或更多的成員進(jìn)入不同的發(fā)育途徑。,細(xì)胞被導(dǎo)入新的發(fā)育途徑,誘導(dǎo)作用可使細(xì)胞互為不同,擴(kuò)散性信號(hào)分子,跨膜蛋白的直接互作,間隙連接,信號(hào)傳導(dǎo)特點(diǎn),傳遞距離有限并非所有細(xì)胞都能對(duì)某種信號(hào)發(fā)生反應(yīng)。不同類(lèi)型細(xì)胞可對(duì)同一信號(hào)發(fā)生不同反應(yīng),e.g.,乙酰膽堿使心肌收縮頻率下降，但促使唾液腺分泌唾液。,Signaltransduction,相鄰細(xì)胞相互作用決定分化方向,圖式建成依賴(lài)于細(xì)胞對(duì)位置信息的譯讀,每個(gè)細(xì)胞位置信息：獲得位置值(positionalvalue)，這個(gè)值決定它的位置(兩端的邊界)細(xì)胞譯讀位置信息,法國(guó)國(guó)旗模式,細(xì)胞如何知道它們的positionalvalue?由形態(tài)發(fā)生素梯度產(chǎn)生Morphogen:某種化學(xué)物質(zhì)濃度變化影響到圖式形成.Theconcentrationofsubstanceateitherendofthegradientmustremaindifferentfromeachotherbutconstant,thusfixingboundary,Frenchflagmodel,Singlegradient,當(dāng)信號(hào)分子從一個(gè)源頭向外擴(kuò)散時(shí)，往往形成一個(gè)信號(hào)的濃度梯度，使得距源頭遠(yuǎn)近不同的細(xì)胞根據(jù)自己周?chē)盘?hào)分子的閾濃度，表現(xiàn)出各種不同的行為。,形態(tài)發(fā)生素梯度Morphogen(誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞發(fā)育的信號(hào)分子,可擴(kuò)散的蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄因子)常在軸一端合成,擴(kuò)散,細(xì)胞沿軸受到不同的Morphogen的濃度,從而在不同濃度下誘導(dǎo)不同基因表達(dá)圖。分泌成形素的一組特殊細(xì)胞稱(chēng)為組織者(organizer)。,形態(tài)發(fā)生素梯度Morphogeneticgradient:某些因子沿體軸的分布呈現(xiàn)一個(gè)濃度梯度,這些因子在每一局部的水平?jīng)Q定著這一區(qū)域的命運(yùn)或反應(yīng)。,GeneandDevelopment,母體基因,間隙基因,成對(duì)基因,體節(jié)極性基因,同源異形基因,母體基因沿胚的前后軸形成濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達(dá)：,Bicoid:thefirstmorphogen,Positionalinformationistranslatedintotheactivationandrepressionoftargetgenes,Responsestomorphogengradients:activation/repressionoftargetgenes;cellproliferationandgrowth;morphogeneticmovements,Differenttargetshavedifferentaffinitiesforeffectors,位置信息可以產(chǎn)生無(wú)數(shù)的模式,旁側(cè)抑制產(chǎn)生間隔模式,Lateralinhibition:mechanismthatgivesrisetospacing;thedifferentiatingcellssecretinhibitorymolecule.E.g.abirdsskin,Lateralinhibitiongiveaspacingpattern,相鄰細(xì)胞的旁側(cè)抑制使已分化的細(xì)胞阻止臨近細(xì)胞朝相同方向分化,可避免器官重復(fù)發(fā)育。,分化細(xì)胞發(fā)出更多抑制信號(hào),周?chē)?xì)胞分化受到抑制,Cellfatedetermination,Embryonicdevelopment:程序是逐步產(chǎn)生(generative),不是預(yù)先完整描述好的.Itismoreliketheinstructionsformakingastructurebypaperfoldingthanablueprint.多種途徑保障發(fā)育的可靠性:如雙腿保持同樣的長(zhǎng)度Redundancy(冗余):whentherearetwoormorewaysofcarryingoutaparticularprocess;ifonefailsforanyreasonanotherwillstillfunction.Negativefeedback:theendproductofaprocessinhibitsanearlierstageandthuskeepsthelevelsofproductconstant.Thecomplexityofthenetworkofgeneactivity:robustandrelativeinsensitivetosmallchange,發(fā)育命運(yùn)圖,對(duì)每一個(gè)卵裂球進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)追蹤不同卵裂球的發(fā)育過(guò)程，可在囊胚表面劃定不同的區(qū)域，顯示每一區(qū)域細(xì)胞的發(fā)育趨向，這樣的分區(qū)圖稱(chēng)為發(fā)育命運(yùn)圖（fatemap）。,Fatemaps,Earlygastrula,10hr,Blastoporeformsatpredictedposition,Fertilizedeggs,markedwithnilebluedye,32cell,blastula,Lategastrula,Cellsinjectedat32cellstagewithfluorescentdextrans,aslineagetracers,爪蟾早期胚胎發(fā)育命運(yùn)圖的確定。熒光標(biāo)記的C3裂球在尾芽期胚胎中形成一側(cè)的中胚層細(xì)胞。,爪蟾晚期囊胚的發(fā)育命運(yùn)圖上：側(cè)面觀(guān)，外胚層形成上皮和神經(jīng)系統(tǒng)，沿著背腹軸的帶狀區(qū)域?yàn)橹信邔?，由它形成脊索、體節(jié)、心臟、腎和血液。爪蟾中胚層表面還覆蓋有一薄層外胚層。下：囊胚背面觀(guān),命運(yùn)圖并不是表示早期胚胎中各區(qū)域的細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)確定了，它在很大程度上反映的是胚胎在繼續(xù)發(fā)育過(guò)程各區(qū)域細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并不是細(xì)胞的分化情況。特化圖（specificationmap）卻可以在一定程度上反映出細(xì)胞的分化情況。特化圖是將囊胚切成小塊，每小塊分別在簡(jiǎn)單培養(yǎng)基中培養(yǎng)，觀(guān)察它們形成哪一種組織。特化圖與命運(yùn)圖之間有很大程度的相似性，但在外胚層和中胚層存在很大的差別。,爪蟾晚期囊胚的特化圖外胚層區(qū)細(xì)胞還沒(méi)有分化為預(yù)定神經(jīng)細(xì)胞，中胚層區(qū)細(xì)胞還沒(méi)有分化為預(yù)定肌肉細(xì)胞。,爪蟾囊胚命運(yùn)圖和特化圖的比較。脊索的命運(yùn)圖和特化