第十五章 细胞分化与胚胎发育

第十五章细胞分化与胚胎发育内容提要•第一节细胞分化(Celldifferentiation)•第二节胚胎发育中的细胞分化•第一节细胞分化(Celldifferentiation)一、细胞分化的基本概念：细胞分化是指在个体发育过程中，由一种细胞类型经分裂后逐渐形成在形态、结构和功能上有稳定性差异的不同细胞类群的过程。(一)细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化的本质是基因在时间和空间上的选择性表达，通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生各自特有的标志性蛋白质，从而导致细胞在形态、结构与功能上产生了差异。不同类型的细胞在发育过程中，各自表达一套特异的基因；不同发育时期的细胞也各自表达一套相应的特异基因。一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。分子杂交技术检测基因及其表达鸡胚胎发育中Tbx4基因表达（蓝色）诱导前肢产生，Tbx5基因表达（红色）诱导后肢产生鸡胚胎中四肢的分化拟南芥菜Arabidopsis的ABC模型雌蕊雄蕊花瓣花萼4雌蕊1花萼2花瓣3雄蕊whorl基因表达在错误位置引起的突变A类基因单独表达在W1，花萼发生；A与B共同表达在W2，花瓣发生；B与C共同表达在W3，雄蕊发生；C独自表达在W4，雌蕊发生。A和B在四个部位表达，整个花均为花瓣；四个部位只表达A，整个花均为花萼。(二)管家基因与组织特异性基因•细胞分化是通过严格而精密的调控基因表达来实现的。分化细胞所表达的基因大致可分为2类：一类是管家基因(house-keepinggene)，另一类是组织特异性基因(tissue-specificgene)，又称奢侈基因(luxurygene)。•管家基因(house-keepinggene)，在所有细胞中都表达的基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需。如糖酵解酶系基因等。这类基因一般在细胞周期S期的早期复制。•组织特异性基因(tissue-specific)，又称奢侈基因(luxurygenes)，在不同类细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能，如卵清蛋白基因、胰岛素基因等。这类基因的复制一般也在细胞周期S期的早期。但在不表达这类基因的细胞中，则在S期的晚期复制。•由于管家基因在各种细胞中都表达，所以，细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达，这种差异表达不仅涉及基因转录水平和转录后加工水平上的精确调控，还涉及染色体和DNA水平、翻译和翻译后加工与修饰等复杂而严格的调控过程。•早期研究认为，在哺乳动物基因组中多数为管家基因，但现已证明，真正意义上的管家基因可能仅占基因总数中的很少一部分。•而且，管家基因一般其转录起始部位没有TATA框，仅有GC富集区。其内含子相对很短。它们的编码产物多为细胞基础代谢活动所需的酶类。相比之下，组织特异性基因占基因总数的绝大多数，它们调控并参与了细胞分化和组织器官的建成。(三)组合调控引发组织特异基因的表达人体至少有200种不同类型的细胞。如果每种细胞分化都需要一种调控蛋白的话，则至少需要200种调控蛋白。而实际上细胞中仅有为数不多的调控蛋白通过组合调控，完成对多种不同类型细胞分化的控制。组合调控(combinationalcontrol)•在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白。编码这种蛋白的基因称为主导基因（mastergene）。因此，有时单一调控蛋白就有可能启动整个细胞分化过程。•借助组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可将一种类型的细胞转化形成另一种类型的细胞，甚至还可以诱发整个器官的形成。•这类调节蛋白间的组合及引发的级联反应正是复杂有机体完成形态建成的高效且经济的机制之一。•组织特异性基因的选择性表达主要是由调节蛋白来启动的。调节蛋白的组合是影响细胞分化的主要直接因素。组合调控又要受到胞外信号系统以及外部环境的影响。总之，细胞分化是内因与外因共同作用的结果。（四）单细胞有机体的细胞分化•细胞分化并非多细胞有机体独有的特征。单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。如枯草杆菌芽孢的形成等。•与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：单细胞生物多为适应不同的生活环境，而多细胞有机体则要通过细胞分化构建成执行不同功能的组织和器官。因此，多细胞有机体的细胞分化程序及调节机制显得更为复杂。(五)转分化与再生转分化指一种分化类型的细胞转变成另一种类型细胞的现象。转分化往往要经历去分化（Dedifferentiation）和再分化（Redifferentiation）的过程。如植物体细胞在一定条件下可经去分化形成愈伤组织（未分化的细胞群），然后经诱导再分化形成根、芽，并最终发育成植株。愈伤组织烟草细胞的去分化及再生植株的过程(A)Direct(B)Dedifferentiation(C)Stemcellintermediate高等动物的克隆也涉及细胞去分化问题，但其分化细胞的细胞核必须在卵细胞质中才能完成其去分化过程。这一过程又称为重编程（reprogramming），其中涉及DNA与组蛋白修饰的改变。再生(regeneration)是生物界普遍存在的现象，一般指生物体缺失部分的重建过程。虹膜蝾螈(Newts)沃尔夫晶体的再生：摘除发育中的蝾螈晶状体，其背面的虹膜上含黑色素的平滑肌细胞就会去分化，失去色素和肌纤维，然后再分化或转分化成为产生晶状体蛋白的晶状体细胞。•不同的多细胞有机体，其再生能力有明显差异，一般来说，植物比动物再生能力强，低等动物比高等动物再生能力强。而且，再生能力通常随个体年龄增大而下降。•再生现象从另一个方面反应了细胞的全能性。（一）细胞全能性(totipotent)是指细胞经过分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。一个细胞能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整个体，所以把这个细胞的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性(pluripotent)，再到单能性(unipotent)，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。二、细胞的全能性与多功能干细胞实验证实是在20世纪创建的单细胞培养技术(植物)和细胞核移植技术(动物)1958年证明高等分化的植物体细胞具有全能性和可塑性1996年，体细胞克隆羊“多莉”的诞生宣告高等动物体细胞核同样具有全能性干细胞(stemcell)干细胞是机体中能进行自我更新（产生于自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同类型细胞），并具有形成克隆能力的一类细胞。因此，它们在细胞分化核个体发育中起着关键性决定作用。根据其分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。干细胞的分化潜能在正常的人体发育中得到了最好的诠释。人体发育起始于卵细胞的受精，产生一个能发育为完整有机体潜能的单个细胞，即全能性受精卵。受精后的最初几个小时内，受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞。单能干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞。多能干细胞是可以分化出多种类型的细胞，但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞的分化潜能称为多能性。•成熟的个体中，干细胞的数目已变得很少了，如骨髓中的造血干细胞仅占骨髓细胞总数的万分之一，而且增值速度很慢。•干细胞增殖表现为2种方式，对称性分裂和不对称性分裂。前者多用于干细胞自身数目的增加，而后者除了自身更新外，还产生了分化细胞。三影响细胞分化的因素及特点•（一）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响•在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和各种蛋白质外，还含有多种mRNA，其中多数mRNA与蛋白质结合处于非活性状态，成为隐蔽mRNA，不能被核糖体识别。然而它们在卵细胞质中呈不均匀分布，受精后部分母体mRNA被激活，合成早期胚胎发育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA被不均一地分配到子细胞中。通过对角贝和海胆受精卵发育的研究证明，在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。•（二）胞外信号分子对细胞分化的影响•在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称为近旁组织相互作用，也称为胚胎诱导。•近旁组织相互作用主要是通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现的。已知的这类分子包括成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF）等，它们像激素一样发挥作用。干细胞生物学特性的维持及其定向分化也都是由不同的信号分子的组合作用来实现的。•远距离细胞相互作用是通过分泌激素来实现对细胞分化的影响的。（三）细胞间的相互作用与位置效应在胚胎发育中，胚胎诱导在组织分化和器官建成方面发挥了重要作用。胚胎诱导作用又分成不同的层次并不断强化。旁分泌产生的信号分子是其主要的作用因素。位置效应指细胞所处的位置不同对细胞分化命运有明显的影响。这是因为细胞所处的微环境对其状态的维持和分化往往取决定性作用。（四）细胞记忆与决定•信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化，这就是细胞记忆。它可能是通过两种方式实现的，即正反馈途径和染色质结构变化。•细胞在形态特征发生的显著差异前，其分化方向即已确定，并可持续若干细胞代。细胞从分化方向确定开始到出现特异形态特征之前这一时期，称为细胞决定。细胞决定与细胞记忆有关。（五）环境对性别决定的影响（六）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响第二节胚胎发育中的细胞分化一、生殖细胞的分化二、早期胚胎发育过程中的细胞分化单细胞的原生生物：多细胞的后生生物：多细胞机体的发育需通过如下四种过程共同作用来实现的：Cellproliferation,Cellspecialization,Cellinteraction,andCellmovement.•后生生物的发育需经历一个由单细胞形成为成熟有机体的过程，这是一个神奇且复杂的过程，这个过程实际上是一个受到精密调控的细胞分裂、迁移和分化、凋亡的过程。而细胞分化是整个发育的基础和核心。而后生动物个体的最终形成则是细胞分化最为辉煌的“杰作”。一、生殖细胞的分化•（一）哺乳动物的性别分化•多数高等动物和高等植物都有性别分化。性别分化对有性生殖都是至关重要的。在哺乳动物和人，性别由一对性染色体来决定。通常，男性染色体组成为44+XY，女性为44+XX。1.SRY的发现•性别分化的本质实际上是细胞分化，它涉及性腺的形成及其细胞分化。•大多数器官的发育进程中，其细胞分化都仅有一个方向。而性腺是一个极为特殊的器官，它具有2个绝然不同的发育方向—形成睾丸或卵巢。性腺原基中的每个细胞都具备这2种分化潜能。那么，是什么因素决定性腺原基中细胞的分化方向呢？研究表明，哺乳动物的Y染色体起了决定作用，Y染色体的存在对睾丸支持细胞的分化似乎充分必要的。因此人们推测Y染色体有决定男性的关键基因(TDF)•人类中有一些特殊的性逆转现象，如男性（44+XX）的一条X染色体上携带了一个来自Y染色体的片段，它编码一个转录因子，决定睾丸的发育，人们将其称为SRY。在XY的性逆转女性患者中则缺乏SRY的活性。而在XX的小鼠中人为转入人的SRY，它将发育为雄性而不是雌性。至此，人们苦苦寻找的决定男性的关键基因TDF终于水落石出，就是SRY了。2.SRY与性腺细胞的分化•性腺是生殖细胞生存和分化成熟的地方。哺乳动物的性腺原基在胚胎发育早期（人类为第4周时）由体腔上皮和间充质细胞形成。而生殖细胞的前体—原生殖细胞(PGC)则由胚外的尿囊组织逐渐迁移进入生殖嵴原基（人第6周）。但直到第7周，男女两性的生殖嵴等结构也未显示出任何差别。人类的SRY基因的表达最初出现于胚胎发育第41天的部分生殖嵴细胞中，与PGC到达生殖嵴的时间相符。表达SRY基因的细胞最终分化为睾丸中最主要的细胞类型——支持细胞，它诱导性腺中其他细胞的分化•具体来说，支持细胞主要有以下4个功能：•（1）诱导PGC向精子方向分化；•（2）分泌抗穆勒氏管激素，促使其退化，抑制雌