A-第8章細胞命運的漸進特化

第八章

細胞命運的漸進特化胚胎細胞的相互作用在海膽和脊椎動物中細胞命運取決于它們在胚胎內(nèi)的位置，而不是卵裂時所獲得的卵子細胞質(zhì)。一般認為大多數(shù)無脊椎動物進行自主型發(fā)育(autonomousdevelopment)和多數(shù)脊椎動物進行依賴型發(fā)育(dependentdevelopment)。后者細胞命運由其“鄰居”決定,每個細胞開始具有相同潛能,其發(fā)育命運取決于遇到的細胞。因此，胚胎一部分細胞對鄰近另一部分細胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用稱為胚胎誘導(embryonicinduction).這是決定胚胎細胞分化的一個極重要的方面

第一節(jié)驗證“種質(zhì)學說”一.Weismann:種質(zhì)學說19世紀70年代細胞學研究取得很大發(fā)展,發(fā)現(xiàn)受精時精卵融合及它們的核融合，不同種生物細胞核含不同數(shù)目染色體，同種生物細胞核含相同數(shù)目染色體，在進行減數(shù)分裂時染色體數(shù)目減半，受精時還原。由Weismann提出的種質(zhì)學說如右圖示,以解釋發(fā)育、遺傳、再生、有性生殖和自然進化等不同生命現(xiàn)象的假說.

種質(zhì)學說認為精卵對有機體貢獻質(zhì)量和數(shù)量相同的染色體，而染色體由各種決定細胞命運的核決定子組成，受精卵分裂時每個卵裂球只接受部分核決定子，它們根據(jù)核決定子分化為不同類型的細胞，只生殖細胞接受全部核決定子，通過遺傳保持種的連續(xù)性。但實驗胚胎學的結(jié)果并不支持Weismann的種質(zhì)學說。二.WilhelmRoux:鑲嵌性發(fā)育德國胚胎學家Roux用灼熱的針刺死蛙2-細胞期胚胎的一個卵裂球，剩下的一個卵裂球發(fā)育為半個身體的胚胎(下圖)，這符合了weismann假說，第一次卵裂產(chǎn)生的2-細胞胚胎，左右兩個卵裂球各自含有半側(cè)決定子，破壞一個卵裂球，剩余的一個卵裂球只能發(fā)育為半胚。Roux把這種類型的發(fā)育稱為鑲嵌性發(fā)育。后來有人重復Roux的實驗，將2-細胞期胚胎兩個卵裂球分開，結(jié)果每個卵裂球都發(fā)育為完整的胚胎，證明2-細胞期胚胎的兩個卵裂球是等能的，核決定子并非不均等分配。證明Roux的實驗得出了錯誤結(jié)論，但他開創(chuàng)了用實驗方法研究胚胎學的先例成為實驗胚胎的奠基人。

三.HansDriesch:調(diào)整型發(fā)育Roux進行的是缺損實驗(defectexperiment)，破壞一部分胚胎后觀察剩余的部分如何發(fā)育；Driesch采用分離實驗(isolationexperiment)，通過劇烈地搖蕩將2-細胞期甚至4-細胞期海膽胚胎卵裂球分離后單獨培養(yǎng)，結(jié)果2-細胞期和4-細胞期胚胎的單個卵裂球均能發(fā)育為完整的長腕幼蟲(pluteus)，只是單個卵裂球發(fā)育的個體比正常的稍小一些(下圖).實驗證明，海膽2-或4-細胞期胚胎的卵裂球分開后不是自主分化為胚胎的一部分，而是通過調(diào)整發(fā)育為一個完整的有機體。這種類型的發(fā)育為調(diào)整型發(fā)育.海膽受精卵頭兩次卵裂為經(jīng)裂，第三次為緯裂,形成動物極4個卵裂球和植物極4個卵裂球。后來Driesch將海膽受精卵夾在兩玻璃片之間使前三次卵裂均為經(jīng)裂，產(chǎn)生8個卵裂球在同一平面，然后除去玻璃片讓其發(fā)育得到正常胚胎，并不因為卵裂方向和核決定子分離發(fā)生改變而影響胚胎正常發(fā)育。四.SvenH?rstadius:雙梯度模型Driesch卵裂球分離實驗也并非完全正確，盡管海膽呈調(diào)整型發(fā)育，但不是百分之百的。H?rstadius進行了一系列實驗，將海膽胚胎不同層次細胞用玻璃針分開分別觀察它們的發(fā)育命運，當8-細胞期胚胎沿動植物極軸一分為二時，如Driesch預言兩部分均發(fā)育為長腕幼蟲；但當沿赤道面將胚胎分為動物極和植物極兩部分時，兩部分都不發(fā)育為完整幼蟲：動物極部分發(fā)育為具纖毛的囊泡稱永久囊胚(permanentblastula),植物極部分發(fā)育為具膨大消化道的異常幼蟲(下圖)。H?rstadius還將海膽未受精卵沿赤道面切割成動物極和植物極兩部分，然后使其受精，因為海膽卵片(merogone)具單倍體核就能發(fā)育獲得與分離實驗相同結(jié)果，動物極部分發(fā)育為永久囊胚，植物極部分發(fā)育為具膨大消化道的異常囊胚.當沿動植物極軸將卵切開，受精后兩部分都能形成正常胚胎(右圖)H?rstadius繼而進行一系列最令人激動的實驗，首先追蹤64-細胞期胚胎6層細胞中每層細胞正常發(fā)育命運，發(fā)現(xiàn)海膽64-細胞期胚胎動物極細胞和植物極第1層細胞(veg1)形成外胚層，植物極第2層細胞(veg2)形成內(nèi)胚層，而小卵裂球形成中胚層骨骼.此后，H?rstadius除去海膽64-細胞期胚胎外面的受精膜，用玻璃針把不同細胞層分開，單獨培養(yǎng)或以不同組合方式將不同細胞層重組培養(yǎng):單獨動物極半球細胞培養(yǎng)形成具纖毛的永久囊胚，稱動物極化(animali-zation)胚胎；將動物極半球細胞與veg1細胞重組培養(yǎng)形成胚胎纖毛發(fā)育被抑制，出現(xiàn)消化道，動物極化程度減?。划攧游飿O半球細胞與veg2重組時形成正常長腕幼蟲，veg2正常形成原腸,現(xiàn)在形成骨骼；動物極半球細胞只與小卵裂球也形成正常長腕幼蟲，此處消化道由動物極細胞形成。小卵裂球比veg2，veg2比veg1具有更強的抑制動物極化或?qū)е轮参飿O化的能力。H?rstadius還把海膽胚胎小卵裂球與64-細胞期胚胎不同細胞層分別組合證明海膽胚胎中不僅存在動物極化因子，而且還有植物極化因子，它也呈梯度分布。分離的an1和an2單獨培養(yǎng)都形成永久囊胚；但當an1和4個小卵裂球組合時發(fā)育為正常幼蟲；而an2只與2個小卵裂球組合就能發(fā)育為正常幼蟲。當an2與4個小卵裂球組合時發(fā)育的幼蟲具有膨大的消化道。veg1細胞單獨培養(yǎng)也形成永久囊胚。但當veg1和1個小卵裂球組合時發(fā)育的幼蟲消化道異常膨大。至于veg2細胞根本不需要與小卵裂球配合發(fā)育就具有植物極化趨勢(右上圖)。實驗證明，植物極化強度由植物極向動物極逐漸遞減,而動物極化強度從動物極an1向植物極小卵裂球逐漸遞減(右下圖)。這種雙梯度模型對于解釋其它重組實驗非常有用，如將小卵裂球從植物極移植到32-細胞期胚胎的中央，這些移植的小卵裂球陷入受體的囊胚腔內(nèi)，形成發(fā)育良好的次級原腸(上圖)。當小卵裂球加入到動物極，只形成一個非常小的消化道。但直到目前無論是動物極化因子還是植物極化因子都還沒有分離出來。調(diào)整型發(fā)育并非如此簡單，似乎還存在一種負的誘導作用，它使胚胎細胞的發(fā)育潛能受到限制:如從16-細胞期海膽胚胎動物極分離的成對的細胞，它們能形成外胚層和中胚層的成分;然而當它們與動物極其它成對細胞聚集后，它們形成中胚層的能力嚴格受限(下圖)。

第二節(jié)兩棲類發(fā)育調(diào)控一.胚胎細胞的漸進決定象海膽這種調(diào)整型發(fā)育的胚胎中卵裂球的發(fā)育命運總會從某一時刻開始逐漸受到限制，H?rstadius的實驗將它與卵裂平面聯(lián)系起來。Spemann發(fā)現(xiàn)蠑螈卵裂球的發(fā)育情況與海膽的頗為相似。他用胎兒發(fā)環(huán)沿動植物極并與第一次卵裂面平行結(jié)扎蠑螈受精卵，使細胞核只在一側(cè)分裂，待分裂到16細胞時放一個細胞核進入無核部分。此時將發(fā)環(huán)扎緊使兩部分完全分隔。結(jié)果得到兩個幼體(下圖)。證明早期胚胎細胞核的等能性。

但是當沿動植物極軸并與第一次卵裂面垂直結(jié)扎時，細胞核在兩邊都能分裂，但其中只有一部分能形成正常幼體，另一部分只發(fā)育成沒有任何組織結(jié)構(gòu)的細胞塊，稱腹片(bellypiece)。腹片外層由表皮細胞組成，內(nèi)含血細胞、間質(zhì)細胞和消化道細胞，但是沒有神經(jīng)系統(tǒng)、脊索和肌節(jié).實驗證明,兩棲類受精卵第一次卵裂經(jīng)過灰色新月，把灰色新月物質(zhì)均等地分到兩個卵裂球中，分開后都能形成完整幼體；垂直于第一次卵裂面分開兩個卵裂球，灰色新月物質(zhì)只進入一個卵裂球，它發(fā)育為完整幼體，而另一個不。顯然灰色新月物質(zhì)是形成完整胚胎所必須的。推測:

①灰色新月物質(zhì)的重要性在于它具有發(fā)動原腸形成的能力；②胚胎發(fā)育的關鍵性變化發(fā)生在原腸形成過程中。Spemann將具有不同色素的兩種蠑螈早期原腸胚的細胞相互交換，當預期表皮細胞移植到預定形成神經(jīng)板的位置時，它們形成神經(jīng)組織；當預期神經(jīng)細胞移植到預定腹部表皮位置時，移植細胞形成表皮(右圖)?？梢娤旙⒃缙谠c胚細胞的發(fā)育命運尚未決定，它們的預期潛能大于預期命運。它們表現(xiàn)為依賴型發(fā)育,其最終命運取決于在胚胎內(nèi)所處的位置.但在晚期原腸胚進行同樣的移植實驗時得到的結(jié)果截然不同，移植細胞不再根據(jù)它們在胚胎內(nèi)的位置調(diào)整分化，表現(xiàn)自主發(fā)育，此時細胞命運已決定.

二.初級胚胎誘導胚胎一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域產(chǎn)生影響，使后者沿著一條新途徑分化的作用稱誘導(induction)。動物胚胎發(fā)育過程存在許多誘導作用，其中脊索中胚層誘導其上覆蓋的外胚層細胞分化為神經(jīng)組織這一關鍵的誘導作用經(jīng)典胚胎學稱為初級胚胎誘導(primaryem-bryonicinduction)。事實上這并不是胚胎發(fā)育中最早出現(xiàn)的誘導作用。Spemann和Mangold證明兩棲類早期原腸胚胚孔背唇不但是唯一能自我分化的區(qū)域，而且能誘發(fā)原腸作用，并影響周圍細胞的發(fā)育分化(下右圖)胚孔背唇能組織和誘導次級胚胎的形成；鳥類和哺乳類發(fā)動原腸作用的區(qū)域原條(primitivestreak)前端的亨氏結(jié)(原結(jié)，Hensen’snode)也能誘導次級胚胎的形成。

第三節(jié)Nieuwkoop中心初級胚胎誘導作用第一階段發(fā)生在受精時。精子入卵導致相對卵子皮層的內(nèi)層細胞質(zhì)(innercytoplasm)旋轉(zhuǎn)，使卵子由輻射對稱變?yōu)閮蓚?cè)對稱。初級胚胎誘導分為:①精子入卵點對面植物極卵裂球內(nèi)背部化決定子(dorsaldeterminant)被激活，含有已激活的背部化決定子的植物極細胞稱為Nieuwkoop

中心；②背部化的植物極細胞后裔誘導其上的細胞形成組織者(organizer)，其余的植物極細胞誘導上面的邊緣區(qū)細胞形成側(cè)面和腹面中胚層；③組織者誘導并指令背部外胚層形成神經(jīng)組織；④被誘導神經(jīng)組織的區(qū)域化。內(nèi)胚層能誘導上面的細胞形成中胚層，極性也隨之轉(zhuǎn)移。

非洲爪蟾的Nieuwkoop中心位于囊胚最背側(cè)的植物極細胞中。腹部和側(cè)部的植物極細胞也能誘導中胚層形成，最背側(cè)的植物極細胞誘導中軸中胚層，脊索和肌節(jié)；腹部和側(cè)部植物極細胞誘導中段中胚層(肌肉和間質(zhì))與腹中胚層(間質(zhì)、血細胞和前腎).Nieuwkoop中心的作用是激活上面中胚層細胞中一些編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因，如XANF-1和Goosecoid兩種蛋白質(zhì)。XANF-1是一種含有Goosecoid同源序列的，最早表達的轉(zhuǎn)錄因子。原腸作用開始時它主要在背唇深層細胞中表達，其mRNA注射到囊胚腹部可在此誘導次生胚軸。Goosecoid發(fā)揮作用的方式同XANF-1相似，其基因轉(zhuǎn)錄最早在囊胚期檢測到，它可能是一個控制細胞核的基因。Vg1能誘導它的轉(zhuǎn)錄，而FGF2或Noggin則抑制它的轉(zhuǎn)錄。下圖示Xbra,Noggin,Goosecoid

和Xnr3基因在原腸形成早期(左)和晚期(右)于植物極細胞中的表達情況。

第四節(jié)神經(jīng)誘導一.區(qū)域性差異的決定神經(jīng)管形成后其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出區(qū)域特異性，前部分化為腦，后部分化為脊髓.組織者不但誘導神經(jīng)管而且對其不同區(qū)域進行規(guī)劃下圖示Mangold證明的系列實驗：把剛完成原腸形成蠑螈胚胎表面的神經(jīng)板剝除，將露出的原腸頂分從前向后依次切下，移植到早期原腸胚的囊胚腔中，結(jié)果:①最前端的原腸頂誘導出平衡器和部分口器；②下一段原腸頂誘導各種頭部結(jié)構(gòu),包括鼻、眼、平衡器和聽囊；③第三段誘導產(chǎn)生后腦；④最后一段誘導產(chǎn)生背部軀干和尾部中胚層。神經(jīng)板后端1/5產(chǎn)生尾部體節(jié)和前腎后端部分。蠑螈早期原腸胚背唇移植到另一個早期原腸胚中誘導產(chǎn)生次級頭部；而晚期原腸胚背唇移植到一個早期原腸胚中則誘導產(chǎn)生次生尾部。在雞胚中也存在類似的誘導現(xiàn)象。

二.神經(jīng)誘導模型：激動和轉(zhuǎn)化神經(jīng)誘導區(qū)域特異性模型分兩步:①組織者誘導產(chǎn)生神經(jīng)組織，它屬于原腦組織(archencephalictissue)；②由后端化信號(posteriorizingsignal)產(chǎn)生誘導作用，它呈梯度分布，尾部濃度最高。后端化信號可作用于前端外胚層，使其產(chǎn)生后腦和