搜索
第二章细胞命运的决定•动物机体是由分化细胞（specializedcell）组成的。•分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。•分化细胞的种类约250种。心肌细胞平滑肌神经元红细胞第一节细胞定型一、细胞定型和分化细胞分化：从单个的全能细胞受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（celldifferentiation）。已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物，而且行使特异的功能。定型：细胞分化在表现出明显的形态和功能变化之前，会发生隐性变化，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为定型或指定（commitment）。•已定型细胞和未定型细胞表型相同，唯一区别是前者的发育命运已经受到严格限制。•Slack（1991）建议将细胞定型分为特化（specification）和决定（determination）两个阶段：第一阶段：特化当一个细胞或者组织放在中性环境（neutralenvironment）如培养皿中可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织已经特化（specialized）了。第二阶段：决定当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织已经决定（determined）了。特化和决定的特征：已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的。如果把已特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化成不同的组织。相比之下，已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。把已决定细胞或组织移植到胚胎不同部位，它只会分化成同一种组织。定型和分化的关系：在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关连的过程。在胚胎早期发育过程中，某一组织或器官的原基首先必需获得定型，然后才能向预定的方向发育，也就是分化，形成相应的组织或器官。定型后，分化不可逆转。细胞定型存在三种方式第一种：自主特化第二种：有条件特化（渐进特化、依赖型特化）第三种：合胞体特化胚胎一般使用多种方式确定细胞发育命运。第一种：自主特化细胞定型是通过胞质隔离来实现的。卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。这种定型方式称为自主特化。以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育或自主性发育，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是完全不同的。第二种：有条件特化（渐进特化、依赖型特化）细胞定型是通过胚胎诱导实现的。胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间通过相互作用，决定其中一方或双方的分化方向，也就是发育命运。初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜能，和邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方向分化。细胞命运的这种定型方式称为有条件特化或渐进特化或依赖型特化。第三种：合胞体特化昆虫（如果蝇卵）受精后2h内，只有细胞核分裂，没有细胞质分裂，由此形成在受精卵周围含有大约3500个细胞核的合胞体囊胚。合胞体细胞拥有共同的细胞质，其中细胞发育命运的特化使用自主特化和渐进式特化两种方式，称为合胞体特化。合胞体前端细胞的细胞核暴露于前端细胞质的转录因子中，这些转录因子在后端细胞质并不存在。合胞体后端细胞的细胞核暴露于后端细胞质的转录因子中，这些转录因子在前端细胞质也不存在。细胞核和转录因子之间相互作用就发生共同的细胞质中，而这一作用最终导致细胞发育命运向不同方向特化。通过转录因子行使形态发生素作用，果蝇合胞体内每个细胞核都获得一个位置信息，也就是细胞核是成为身体前端、中部或者后端一部分。当合胞体细胞核最终分隔到细胞内时，这些细胞的发育命运大体已经定型。每个细胞特定的发育命运将通过自主特化（由从卵子内继承的转流因子作用）和渐进特化（由细胞-细胞相互作用）共同作用而决定。•任何动物胚胎发育过程中都存在自主特化和有条件特化两种细胞定性方式，程度大小不同而已。•多数无脊椎动物：自主特化（主要）有条件特化（次要）•脊椎动物：有条件特化（主要）自主特化（次要）一、形态发生决定子•形态发生决定子也称为成形素或胞质决定子，其概念的形成源于对细胞谱系的研究。•Whitman（1878）对环节动物水蛭（Clepsine）细胞谱系和细胞发育命运作过较为完整的描述。•结果表明：水蛭肌肉和腹神经索等高度分化的结构是由特定的裂球发育而来，特定的裂球是受精卵根据精确的卵裂方式分裂产生，含有卵子一定区域的细胞质。第二节细胞自主特化•和水蛭胚胎相似，海鞘胚胎也是依据卵内贮存信息进行自我分化的镶嵌体。•海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质。不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子，能够使细胞朝一定的方向分化。•某些海鞘卵细胞质不同区域具有不同的颜色，卵子受精时不同区域的细胞质分配到不同的裂球中。柄海鞘裂球的发育命运•Conklin（1905）通过跟踪柄海鞘裂球的发育命运发现：不同区域的卵细胞质分别与未来胚胎特定的发育命运相联系。•①黄色新月区含有黄色细胞质，称为肌质（myoplasm），将来形成肌细胞。•②灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。•③动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。•④灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫消化道。①②③④海鞘不同胞质决定子的镶嵌分布玻针挤压实验•Whittaker用玻针反复挤压，使海鞘的分裂沟退化，而形成新的分裂沟，部分肌质即黄色新月区胞质便转移到预定外胚层细胞中。肌质转移到预定非肌细胞后，也能产生肌肉。•结果表明：卵细胞质中存在某种形态发生决定子，能够指定细胞朝一定方向分化，形成特定组织结构。核移植实验•我国学者童第周（1977）在海鞘卵子受精后20min把受精卵一分为二。其中一个无核卵块作为受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层的细胞核（供体）移植到受体中。•结果表明：所形成的组织总是和无核卵块含有的细胞质组分有关，与细胞核无关。外胚层细胞核中胚层细胞核内胚层细胞核•海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。•典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉水母、环节动物、线虫和软体动物等。在这些动物卵细胞质中，都存在形态发生决定子。•与镶嵌发育相反，海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞质中，也存在着形态发生决定子。•形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中。二、胞质定域胞质定域：形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布，受精时发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域。•胞质定域也称为胞质隔离或胞质区域化或胞质重排。（一）海鞘根据海鞘胚胎细胞谱系，8细胞期只有植物极后面一对裂球B4.1含有肌质，能形成肌肉组织。B4.1两裂球：分离下来单独培养，确实可以形成肌组织，AChE染色呈阳性；余下的6个裂球：分离下来单独培养后发育的胚胎不形成肌肉，也检测不到AChE活性。海鞘胚胎发育过程中，只在幼虫肌组织中形成乙配胆碱酯酶(AChE)，它使幼虫肌肉能对来自神经的刺激发生反应。因此，AChE可以作为海鞘肌细胞分化的特异性标记。海鞘分裂球的决定谱系海鞘的肌肉细胞谱系自主肌肉特化有条件肌肉特化海鞘的三种组织胞质决定子的运动比较肌肉表皮内胚层第一期卵质分离8细胞胚胎第二期卵质分离海鞘胚胎前后轴决定与胞质定域•海鞘受精卵植物极后端胞质（PVC）相对于其余部分细胞质呈“显性”。•去除卵子植物极后端大约10%的细胞质，则多数胚胎只形成幼虫前端结构，缺乏前后轴。•把一个受精卵的PVC移植到另一个去除PVC的受精卵的前端，受体卵原来的前端便发育成新的后端，而原来的后端（去除了PVC）则发育为前端。结论：海鞘胚胎后端的发育命运由卵细胞质中特定的胞质决定子决定。而前端的发育命运则由缺乏PVC所决定。总结：海鞘卵子受精时，卵质发生运动，产生独特的胞质区域；不同的胞质区域含有不同的形态发生决定子，并在卵裂时分配到不同的裂球中。•Wilson把帽贝（Patellacoerulea）早期裂球分离，发现分离裂球的发育命运、分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎内的相同裂球一样。•分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式所必需的全部物质，而且还含有不依赖于胚胎其他细胞而进行自我分化所必需的全部物质。（二）软体动物：极叶和中胚层，背-腹轴的决定帽贝成纤毛细胞的分化•某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极叶（polarlobe）。•第一次卵裂结束时，极叶缩回。•第二次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，此后极叶的出现就不明显了。•极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部物质流动所引起的。极叶角贝属海生动物卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次软体动物的极叶A，第一次卵裂前极叶的扫描电镜照片；B，三叶期胚胎的极叶。极叶•Wilson认为极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。•原因：去除极叶，剩下的裂球虽然能正常分裂，但是不能形成正常的幼虫，而是发育成缺乏中胚层器官－肌肉和壳腺的幼虫。•壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚层不存在时，便没有诱导者诱导外胚层细胞形成壳腺。这是镶嵌型发育胚胎中也存在细胞间相互作用决定细胞发育命运的又一例证。极叶中形态发生决定子•存在于极叶中的形态发生决定子可能和卵子皮质有关。证据：①把三叶期胚胎进行离心处理，使极叶中可扩散细胞质流入CD裂球中，再切除极叶，结果发育的胚胎仍缺乏中胚层结构；②用微吸管吸除极叶中胞质后，卵子其它部分的细胞质流入极叶，结果胚胎也可以正常发育；③把极叶胞质注射到B裂球时，B裂球并不产生中胚层结构。•结论：卵子可扩散的细胞质不含形态发生决定子。•推论：极叶形态发生决定子很可能位于卵子皮质胞质中或位于皮质部分细胞骨架上。极叶中背-腹轴决定物质•极叶还含有决定胚胎背-腹轴形成的物质。•用细胞松弛素处理角贝正在分裂的受精卵，抑制极叶形成，吸取细胞松弛素后，处理过的受精卵分裂成两个大小一样的裂球，它们在下一次分裂前都形成极叶。这样一来，极叶物质便在第一次卵裂时被同时分配到两个裂球之中；由此形成的幼虫是一对孪生胎，彼此以腹部相连。•最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等的调整型卵子中也存在着生殖细胞决定子。•生殖细胞决定子在卵裂时分配到一定的裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。（三）线虫•副蛔虫第一次卵裂形成的动物极裂球发生染色体消减，而植物极裂球仍保持正常数目的染色体。•第二次卵裂形成的两个植物极裂球开始都有正常数目的染色体，后来靠近动物极裂球的染色体在下一次卵裂前又发生消减。•最终只有一个最靠近植物极的裂球含有全数染色体（全套基因）。•全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。副蛔虫副蛔虫受精卵卵裂实验副蛔虫正常受精卵（A）经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。生殖质染色体消减干细胞（1个）无染色体消减生殖质无染色体消减干细胞（2个）生殖质•据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有某些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定有关裂球形成生殖细胞。•副蛔虫卵子植物极胞质中所含的能决定生殖细胞形成的物质叫生殖质（germplasm）。秀丽隐杆线虫•秀丽隐杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质决定，而不是由邻近细胞间相互作用决定。•发育过程中，转录因子可以进入特定裂球的细胞核，激活或抑制特定基因表达，从而决定细胞命运。•秀丽隐杆线虫胚胎中发现的SKN－1蛋白质就很可能是一种“转录因子”样形态发生决定子。SKN-1•SKN-1来自母体，具有与DNA结合的特征序列，能调节形成咽的EMS裂球的命运。•秀丽隐杆线虫受精卵第一次卵裂后产生P1和AB两裂球，只有后端P1裂球分离后可以形成咽细胞；•P1裂球分裂后，产生EMS和P2两裂球，只有EMS裂球分离后能形成咽细胞；•而EMS裂球分裂后，产生MS和E两裂球，只有MS裂球具有形成咽的潜能。•结论：咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（mate