第3章 細胞命運的決定（章節(jié)課程）

1、第三章 細胞命運的決定1教書育人本章教學基本要求1. 理解：細胞定型的概念及與細胞分化的關系。2. 掌握：細胞命運決定的兩種機制和兩種胚胎發(fā)育模式。 3. 熟悉：形態(tài)發(fā)生決定子的分子機制及與形態(tài)發(fā)生素的區(qū)別。4、了解：果蠅的合胞體特化。課時：2 學時。2教書育人細胞分化：從單個全能的受精卵產(chǎn)生各種類型細胞的發(fā)育過程叫細胞分化（cell differentiation）。已分化的細胞不但具有一定的形態(tài)和特殊的蛋白質，而且行使特異的功能（圖3-1）。第一節(jié) 細胞定型一、定型與分化的概念3教書育人圖3-1 各種細胞的分化：多細胞生物生長發(fā)育過程中，在一些內在機制作用下，細胞在形態(tài)、結構、生理功能及生

2、化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異，成為多種不同的細胞類型，以形成不同組織、器官和系統(tǒng)的過程。 4教書育人細胞定型：分化細胞在表現(xiàn)出明顯的形態(tài)和功能變化之前，細胞內部會發(fā)生一些隱蔽的變化，使細胞命運朝特定方向發(fā)展，這一過程稱為定型（commitment）。細胞定型分為兩個階段： 第一階段為特化（specification）階段； 第二階段為決定（determination）階段。5教書育人圖3-2a 細胞的發(fā)育命運、特化和決定示意圖6教書育人1）特化（specialized）特化階段細胞仍處于可變期：即當一個細胞或組織放 在中性環(huán)境如培養(yǎng)皿中可以自主分化時，說明這個細 胞或組織的命運已經(jīng)特化。已特

3、化的細胞或組織的發(fā)育命運是可逆的。如果把已特化的細胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會分化成不同的組織（如圖3-2a）。7教書育人2）決定（determined）當一個細胞或組織放在胚胎另一個部位仍然可以自主分化時，說明這個細胞或組織的命運已經(jīng)決定。已決定的細胞或組織的發(fā)育命運是不可逆的。如把已經(jīng)決定的細胞或組織移植到胚胎不同部位，它只會按既定命運發(fā)育，不會分化成另外的組織（如圖3-2a）。8教書育人圖3-2b 兩棲動物眼區(qū)細胞的發(fā)育變化原腸胚中眼區(qū)將發(fā)育為眼睛。將原腸胚中眼區(qū)細胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們將按新部位的命運發(fā)育為體節(jié)和脊索。將神經(jīng)胚中眼區(qū)細胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們仍將發(fā)育為

4、類似于眼的結構。9教書育人在動物的胚胎發(fā)育過程中，定型和分化是兩個相互關聯(lián)的過程。定型是分化的必要準備，分化是定型發(fā)展的必然結果。二、細胞定型的方式細胞定型存在三種方式： 10教書育人 1）自主特化（auto-nomous specification）； 2）有條件特化（conditional specificat-ion）； 3）合胞體特化（syncytial specification）。動物胚胎一般使用多種方式確定細胞發(fā)育命運。 三、思考：細胞定型與動物克隆技術的關系？11教書育人一、自主特化與鑲嵌型發(fā)育原因：卵裂時，受精卵內特定的細胞質分配到不同的分裂球中，進而決定各子裂球的發(fā)育命運（

5、胞質隔離）,這種定型方式稱為自主特化（autonomous specification）。第二節(jié) 細胞的自主特化12教書育人實驗：在胚胎發(fā)育早期，將一個特定裂球從整體上分離下來，就會形成如同在整體胚胎中將會形成的結構一樣，而胚胎其余部分正好缺乏分離裂球所能形成的結構，兩者互補。這種以細胞自主特化為特點的胚胎發(fā)育模式稱為鑲嵌型發(fā)育（mosaic developm-ent）。13教書育人自主特化裂球含有特定的、影響細胞發(fā)育命運的分子，稱為形態(tài)發(fā)生決定子（morphogenetic determinants)，其化學本質是一些轉錄因子或它們的mRNA。二、形態(tài)發(fā)生決定子與胞質定域14教書育人形態(tài)發(fā)生

6、決定子在卵細胞質中呈一定形式分布，受精時發(fā)生運動，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時分配到特定的裂球中，激活或抑制某些基因表達，決定裂球的發(fā)育命運。這一現(xiàn)象稱為胞質定域（cytoplasmic localization）。15教書育人具有鑲嵌型發(fā)育胚胎的動物包括柄海鞘、櫛水母（ctenophor-es）、環(huán)節(jié)動物（annelids）、線蟲（nematodes）、軟體動物（molluscs）等，主要是一些無脊椎動物，其中典型代表是海鞘胚胎（圖3-3）。16教書育人圖3-3 海鞘（Phallusia mammillata）受精時胞質定域分離17教書育人分子水平研究結果表明，海鞘胚胎屬于典型的依據(jù)卵內貯存

7、信息進行“自我分化的鑲嵌體”。海鞘胚胎卵裂時，不同的細胞接受不同區(qū)域的卵細胞質，不同區(qū)域的卵細胞質含有不同的形態(tài)發(fā)生決定子（mRNA或蛋白質），能夠使細胞朝一定的方向分化，如何證明？18教書育人柄海鞘（Styela partita）受精卵不同區(qū)域細胞質具有不同的顏色，可以根據(jù)顏色把受精卵分成4個區(qū)域：含透明細胞質的是動物極部分（形成幼蟲表皮）、含有灰色細胞質的是灰色新月區(qū)（分化出脊索和神經(jīng)管）、含黃色細胞質的是黃色新月區(qū)（形成肌細胞）、含卵黃的是植物極部分（形成幼蟲的消化道）（圖3-4）。19教書育人圖3-4 海鞘胚胎的發(fā)育命運A.海鞘受精卵細胞質不同區(qū)域具有不同的發(fā)育命運；B. 海鞘幼蟲器官

8、 AB20教書育人胚胎切割實驗進一步證明了海鞘的鑲嵌型發(fā)育模式：在海鞘胚胎的發(fā)育的8細胞期，將胚胎進行切割研究：結果表明，各部分均能發(fā)育出獨特結構。說明海鞘裂球的發(fā)育命運在8細胞期已經(jīng)定型，分離后能自我分化（圖3-5），但都不能形成完整胚胎。21教書育人圖3-5 8細胞期4對裂球分開后，每對裂球都形成獨特的結構22教書育人盡管柄海鞘的胚胎發(fā)育為鑲嵌型，海鞘早期胚胎多數(shù)細胞通過自主性定型。但實驗發(fā)現(xiàn)，不同的卵裂球之間依然存在著相互誘導作用。如外胚層區(qū)域直到64細胞期時還沒有“神經(jīng)化”，顯然外胚層細胞的發(fā)育命運不僅僅是由胞質決定子決定的。這也顯示出不同區(qū)域細胞定型時期不同。23教書育人此外，蠑螈和

9、馬蛔蟲（Parascaris aequorum）體細胞和生殖細胞的分化也受到形態(tài)發(fā)生決定子的影響。在胚胎發(fā)育過程中，通過染色體消減形成體細胞，而只有一個最靠近植物極的分裂球含有全數(shù)染色體（全套基因），將來形成生殖細胞的裂球里（圖3-6，7）。24教書育人圖3-6 25教書育人圖3-7 馬蛔蟲正常受精卵（A）和經(jīng)離心處理的受精卵（B）分裂時生殖質的分布。26教書育人昆蟲卵細胞中也存在著一類決定生殖細胞分化的生殖質，是含有特殊調節(jié)因子的局部細胞質，可以促進生殖細胞的成熟。如果蠅卵的后部細胞質（圖3-8）。27教書育人圖3-8 確定生殖細胞決定子定位于卵子后端的示意圖28教書育人漸進特化指胚胎發(fā)育過

10、程中，相鄰細胞或組織之間通過相互作用，影響其中一方或雙方的分化方向，決定發(fā)育的現(xiàn)象。第三節(jié) 細胞的漸進特化一、漸進特化和調整型發(fā)育29教書育人初始階段，即相互作用開始前，細胞可能具有不止一種分化潛能，但隨著與鄰近細胞或組織的相互作用逐漸限制了它們的發(fā)育命運，使它們只能朝一定的方向分化，因此也稱為漸進特化（progressive specification）或有條件特化。30教書育人對漸進特化的胚胎，如果在胚胎發(fā)育的早期將一個分裂球從整體胚胎上分離，那么剩余的胚胎細胞就可以改變發(fā)育命運，填補所留下的空缺。這種以細胞有條件特化為特點的胚胎發(fā)育模式稱為調整型發(fā)育（regulative develop

11、ment）。31教書育人海膽胚胎的發(fā)育是典型的調整型發(fā)育。如果在胚胎發(fā)育的4細胞期或8細胞期分離卵裂球，分開的細胞也能發(fā)育為完整的幼蟲，但幼蟲體積較小。即每一個卵裂球在被分離后，都能調整自身的發(fā)育，以形成一個完整的機體（圖3-9）。漸進特化中，一個細胞的發(fā)育命運主要取決于其臨近細胞所分泌的旁分泌因子（如各種生長因子等）。32教書育人圖3-933教書育人事實上，任何動物的胚胎發(fā)育過程中，細胞定型的兩種方式在一定程度上都會發(fā)生作用，只是程度不同而已；如海膽，在其胚胎發(fā)育過程中，除了具有典型的調整型發(fā)育特點外，也顯示出某些鑲嵌型特點。34教書育人一般來說，多數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，以細胞自主特化

12、為主，細胞有條件特化次之。而脊椎動物和少數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中情況正好則相反，以有條件特化為主，細胞自主特化次之。35教書育人在遺傳學和細胞學的發(fā)展的基礎上，德國生物學家魏斯曼（A.Weismann）于1888年提出了解釋細胞特化的種質學說。種質學說（gern plasm thory）認為：多細胞生物體可分為種質和體質兩部分。二、種質學說（germ plasm theory）36教書育人種質是親代傳遞給后代的遺傳物質，存留在生殖細胞染色體上,它可以發(fā)育為新個體的體質。體質可以通過生長和發(fā)育形成新個體的各個組織和器官，但它不能產(chǎn)生種質。Weismann的種質學說強調了生殖細胞的連續(xù)性和永生性

13、，這與有機體生命的有限性形成明顯對照。37教書育人種質學說闡述的另一個觀點是“決定子” 和“嵌合型發(fā)育” 理論。魏斯曼認為：合子的細胞核含有大量特殊的信息物質決定子，在卵裂的過程中這些決定子被不均勻地分配到子細胞中去控制子細胞的發(fā)育命運，即細胞的命運早被決定。這種觀點后來進一步發(fā)展為嵌合型發(fā)育理論（圖3-10）。38教書育人圖3-10 39教書育人1912年，摩爾根（Morgan）進一步發(fā)展了魏斯曼的“決定子”學說，提出基因是遺傳性狀表現(xiàn)的物質基礎，動物的一切特征都在遺傳基因中預先存在，發(fā)育不過是這些性狀的逐漸表現(xiàn)。決定細胞命運的是不同遺傳物質的特定產(chǎn)物。40教書育人德國胚胎學家，實驗胚胎學的

14、奠基人威廉. 魯（Wilhelm Roux）通過蛙胚針刺實驗驗證了August Weismann的核決定子理論(圖3-11)。威廉.魯通過實驗認為：蛙胚是由自我分化的各部分組織在一起形成的鑲嵌體，每一部分的發(fā)育命運是不能改變的，因為每個細胞接受一組特定的核決定子，依據(jù)所接受的核決定子分化為相應的組織。 41教書育人圖3-11 1887，W.Roux用燒熱的解剖針破壞兩細胞時期蛙胚的一個分裂球，結果存活的另一個分裂球只能發(fā)育成為半個胚胎。42教書育人但由于從19世紀末到20世紀初所進行的多種實驗胚胎學的研究，特別是由于HDriesch，TBoverj，HSpemann等科學家的大量實驗研究完全否

15、定了上述魏斯曼-威廉.魯?shù)睦碚?，不過這個理論也不是沒有任何正確的地方，為什么？43教書育人1891年，德里斯（Driesch）用海膽為實驗材料重復了威廉. 魯?shù)膶嶒瀰s得到完全不同的結果：結果表明，另一半雞胚可發(fā)育成完整的胚胎。后來發(fā)現(xiàn)是威廉. 魯?shù)膶嶒灢僮鞔嬖趩栴}，可能是熱針影響了另一半胚胎的發(fā)育。44教書育人Driesch的實驗第一次證明了發(fā)育過程中存在調整型機制。胚胎為保證正常發(fā)育，可以產(chǎn)生細胞位置的移動和重排。即胚胎具有在局部被排除或受損傷后仍正常發(fā)育的能力，也就是說，胚胎發(fā)育是可調節(jié)的。 45教書育人德里斯H.Driesch曾做過一個具有跨時代意義的生物學實驗：當海膽的受精卵分裂為二個

16、或四個細胞時，通過振蕩或鈣離子水處理將各細胞分開，結果它們會分別發(fā)育成一個完整的海膽幼體（圖3-12）。該實驗極大地豐富了胚胎學、細胞分子學、遺傳學內容，類似于現(xiàn)在的一個分子克隆實驗！46教書育人圖3-12 海膽卵2細胞期的分離實驗47教書育人Driesch的另一實驗是將海膽卵放在兩塊玻璃板之間輕輕擠壓，改變第三次分裂面，使細胞核發(fā)生異常分布，結果仍然獲得正常胚胎。因此他認為：“裂球在整體胚胎中的相對位置總體上可以決定其發(fā)育結果”，如果位置發(fā)生改變，裂球會相應地調整自己的發(fā)育方向，即海膽胚胎是一個和諧等能的系統(tǒng)，一個自主性的協(xié)調發(fā)育整體（圖3-13）。48教書育人圖3-1349教書育人第四節(jié)

17、形態(tài)發(fā)生素梯度和細胞特化大量實驗證實，胚胎細胞的特化與特定的形態(tài)發(fā)生素（morphogen）濃度梯度密切相關。所謂形態(tài)發(fā)生素，是能夠通過其濃度確定細胞發(fā)育命運的可以擴散的生化分子。形態(tài)發(fā)生素不同于形態(tài)發(fā)生決定子，它以定量方式確定細胞命運，而后者則以定性方式確定細胞命運。50教書育人形態(tài)發(fā)生素可以是細胞產(chǎn)生的轉錄因子，也可以是一組細胞內產(chǎn)生的旁分泌因子，被轉運到另一組細胞并根據(jù)含量多少確定靶細胞的發(fā)育命運。而形態(tài)發(fā)生決定子的化學本質是什么？51教書育人可見，形態(tài)發(fā)生素濃度梯度是細胞漸進特化的重要機制。其作為發(fā)育和再生過程的推動力的概念最早由T.H.Morgan于1905到1906年提出的。后來，

18、瑞典著名的動物胚胎學家赫斯塔德烏斯Sven Horsta-dius 進行了實驗證明。52教書育人Sven Horstadius對海膽卵的早期發(fā)生進行研究,設計出顯微法分離卵裂球和人工組合或移植的技術, 研究了細胞的早期胚胎中動-植物軸的發(fā)育潛能。也開創(chuàng)了實驗胚胎學和發(fā)育生物學研究的基本方法。53教書育人首先，通過對海膽的8細胞期胚胎進行切割分離，即分別沿動-植物極軸、沿赤道切割動物極和植物極，結果兩部分發(fā)育完全不同：前者兩部分都發(fā)育成長腕幼蟲（小但正常），后者兩部分都不能發(fā)育成完整幼蟲，其中動物極部分發(fā)育為永久囊胚，而植物極細胞發(fā)育成具有龐大消化管的不正常幼蟲（圖3-14）；54教書育人圖3-

19、1455教書育人用同樣方法，分別沿動-植物極軸、赤道分別切割受精卵細胞, 實驗結果類似上述（圖3-15）。 此外，赫斯塔德烏斯Sven Horstadius還通過胚胎切割和重組，還進一步研究了64個細胞期中各部分裂球的功能情況（海膽64細胞期胚胎中的動物極細胞an和植物極第一層veg1細胞都形成外胚層；植物極第二層veg2細胞形成內胚層；而小裂球則形成中胚層骨骼）， 結果表明：56教書育人圖3-15 海膽卵子的不對稱性57教書育人當分離和重組培養(yǎng)后，不同組合命運不同（圖3-16）：動物極半球細胞單獨培養(yǎng)形成永久囊胚；動物極半球細胞與veg1層細胞重組時，動物極化不完全；當動物極半球細胞與veg2層細胞重組時，形成一個外形正常的幼蟲，而正常情況下形成原腸及其衍生物的veg2層細胞發(fā)育成骨骼；當動物極細胞與小裂球重組時，也形成正常幼蟲，而內胚層完全由動物極發(fā)育而來。58教書育人圖3-1659教書育人此外，赫斯塔德烏斯還發(fā)現(xiàn)，不同部分組合多少不同結果不同：分離的an1層細胞單獨培養(yǎng)時都形成永久囊胚。但當與4個小裂球配合時，可以發(fā)育成正常幼蟲。而an2細胞只要與2個小裂球配合就能發(fā)育成正常幼蟲。此外，vag1、vag2與小裂球配合則表現(xiàn)出強烈的植物極化現(xiàn)象，不能形成幼蟲。具體情況見（圖3-17）。60教書育人圖3-1761教書育人為解釋上述情況，赫斯塔德烏斯提出雙梯度