发育-细胞命运的决定-(2)

上海海洋大学细胞命运的决定1细胞命运与定型;形态发生决定子概念及性质;胞质定域；镶嵌型发育、调整型发育;细胞分化的实质与分子机制知识点2动物有机体是由分化细胞（specializedcell）组成的。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。3巨噬细胞成纤维细胞纤维细胞脂肪细胞嗜酸性粒细胞浆细胞淋巴细胞疏松结缔组织的细胞种类4红细胞白细胞血小板56789细胞定型和分化从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（celldifferentiation）。细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitment）。已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格的限制。10Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。**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发育命运已经特化（specialized）**当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位培养可以自主分化时，可以说这个细胞或组织已经决定（determined）。11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。已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。如果把已决定的细胞或者组织移植到胚胎的不同部位，它只会分化为同一种组织。12Fateofcells:指正常发育情况下细胞将发育的方向，这种方向可因条件的改变而改变(seenextslide)。Determination:指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。Specification:指一组细胞在中性环境下离体培养，它们仍按其正常命运图谱发育。13细胞命运（cellfate）的决定14细胞有自己发育的命运！基因组中那些基因将使用，哪些基因不使用，其差异表达程序是在细胞决定过程中设计好了的。冥冥之中自有天意15细胞发育命运（fate）的决定（determination）是指细胞的发育命运发生了稳定的不可改变的变化。16细胞命运的决定方式A决定于胞质决定因子（cytoplasmicdeterminants），这种胚胎发育方式称为嵌合型发育B决定于相邻细胞的相互作用，这种胚胎发育方式称为调整型发育所有的动物一般都有同时具有镶嵌型和调整型两种发育方式，只不过在不同的动物中的侧重点不同17第一节细胞命运通过形态发生决定子自主特化嵌合型发育（mosaicdevelopment）18形态发生决定子•形态发生决定子（morphogeneticdeterminant）也称为成形素（morphogen）或胞质决定子（cytoplasmicdeterminant），其概念的形成源于对细胞谱系的研究。19形态发生决定子的性质•一般认为形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞的分化方向。•形态发生决定子的性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。20卵质的不同成分即不同的胞质决定因子（红色点）被分割到不同的子细胞中，不同的细胞由于具有不同的的卵质成分，因而具有不同的发育潜能，最后其发育命运不同。即不对称分裂导致细胞的不同命运。嵌合型发育（mosaicdevelopment）21不对称分裂导致细胞的不同命运，形成不同的细胞家系（celllineage）嵌合型发育（mosaicdevelopment）22嵌合型发育是指由胞质决定因子（cytoplasmicdeterminants）决定细胞的命运的发育方式。每个细胞有自发的分化。细胞的命运决定于细胞自身的家系而不是位置。如果将一个发育早期胚胎的某一个卵裂球去掉，则这个胚胎将会发育为一个不完整的胚胎。嵌合型发育（mosaicdevelopment）23柄海鞘是典型的镶嵌型发育24柄海鞘的胚胎分离实验:当8细胞期胚胎中的4对卵裂球被分离后，每对卵裂球只能发育为部分结构。柄海鞘的镶嵌型发育25柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素不同可分为四个不同的区域：动物极部分含透明的细胞质；植物极部分靠近赤道处有两个彼此相对排列的新月区，一个是呈浅灰色的灰色新月区，和一个呈黄色的黄色新月区；植物极的其他部分含灰色卵黄，为灰色卵黄区。26用卵裂球分离的方式证明：每个卵裂球都负责产生幼虫的一定的组织。当特定的卵裂球分离下来后，由这些卵裂球负责产生的结构在幼虫中便不复存在。而被分离下来的卵裂球，虽然已与胚胎其它卵裂球失去联系，但仍能形成在整体中他负责产生的结构。因此，海鞘每个卵裂球都是可以自主发育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分构成的镶嵌体。27实验结果表明：黄色新月区含有黄色细胞质，将来形成肌肉细胞，称为肌细胞质（myoplasm）。灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫的消化道28用玻璃针反复挤压海鞘B4.1卵裂球，使分裂沟退化。随后在更靠近植物极的区域重新形成分裂沟。用玻璃针沿新形成的分裂沟将卵裂球分离下来，这样动物极的B4.2卵裂球便含有了部分肌细胞质（黄色新月区细胞质）。如此，本来只形成表皮的B4.2卵裂球的后代细胞也能形成肌细胞。通过显微注射的方法，将B4.1卵裂球中的肌细胞质移植到预定的非肌肉细胞中，也能使其形成肌细胞。29童第周等在海鞘卵子受精后20分钟，把受精卵一分为二。用其中无核的卵块作受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层细胞的细胞核移植到受体中。结果：无论移植的细胞核来自哪一个胚层，所形成的组织结构总是和无核卵块中所含有的细胞质组分有关。说明海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有的细胞质形态决定子决定，而不是由细胞核的来源决定。30这些观察结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不同的细胞质区域含有特殊的形态发生决定子。卵裂时，这些组分被准确地分布到胚胎的一定部位，通过调控不同基因的表达而决定细胞的分化方向。呈典型的镶嵌型胚胎发育动物卵子还有果蝇、栉水母、环节动物，线虫和软体动物等。在这些典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中。都存在着形态发生决定子。31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。三、胞质定域32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。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。（一）海鞘33海鞘分裂球的决定谱系34海鞘的肌肉细胞谱系自主肌肉特化有条件肌肉特化35细胞松弛素能与细胞中微丝结合抑制细胞质分裂。但细胞核分裂仍能正常进行。不同时期海鞘胚胎AChE活性测定发现：2细胞期胚胎2裂球都能产生AChE;4细胞期胚胎只有后面2裂球能产生AChE;8细胞期胚胎只有植物极后面2裂球能产生AChE。实验结果表明：在细胞松弛素处理的胚胎中，形成AChE的裂球与按细胞谱系推测含有肌质的裂球完全吻合。而且形成AChE的时间也和正常胚胎完全一致。结论：海鞘卵中的肌质在卵裂时被分配到预定中胚层细胞中，指定它们分化成肌组织。细胞松弛素B抑制实验36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37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。海鞘胚胎前后轴决定与胞质定域38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39帽贝成纤毛细胞的分化40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41角贝属海生动物Dentalium卵裂Dentalium卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次42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。43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44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。极叶中形态发生决定子45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。极叶中背-腹轴决定物质46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47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48副蛔虫受精卵卵裂实验副蛔虫正常受精卵（A）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49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）。50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