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1、Chapter 13,Embryo development and cell differentiation,在个体发育中, 细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)，其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。,Cell differentiation,concept,个体发育（individual development） 从受精卵形成胚胎、再由胚胎生长发育成个体的过程。 从生长、发育、成熟到形成下一代的卵细胞或精细胞，直至个体逐渐衰老死亡的过程，构成个体发育史。 从形态上看，个体发育过程经历生长(growth)、分化(differ
2、entiation)和形态发生(morphogensis)。,细胞分化（cell differentiation） 在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。 其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。,OUTLINE,01,Gametegenesis and fertillization,02,Embryonic formation and differentiation,03,Molecular basis of cell differentiation,04,Stem Cell,5,13.1.1 Game
3、te genesis 配子发生,13.1 Individual development,雌雄生殖细胞的发生都要经过三个时期，即增殖期、生长期和成熟分裂期。,雌、雄配子发生过程的比较,配子的形成过程，即二倍体的原始生殖细胞要通过减数分裂和分化转化成为单倍体的卵或精子的过程。,male gamete: sperm,female gamete: egg,13.1.1.1 卵子发生（oogenesis）,有丝分裂期：在大多数动物中，卵子发生(oogenesis) (即卵子形成)，发生在卵巢，并且有一个增殖期(proliferation phase)。在该期，卵原细胞(oogonia)通过有丝分裂增加细
4、胞数量。 生长期：经过有丝分裂增殖之后，卵原细胞进行减数分裂，此时的卵原细胞被称为卵母细胞(oocyte)，经减数分裂，染色体发生遗传重组，并将染色体组的数量减半成为单倍体。在卵子发生的生长期，卵母细胞常常要储备大量的蛋白质、脂类、糖类，以供受精后的胚胎发育之用。这些物质中有一些是卵母细胞自身制备的，但大多数都是靠其它来源提供的，如肝细胞、滤泡细胞(follicle cell)和抚育细胞(nurse cell)。液泡细胞是卵母细胞周围的细胞。抚育细胞为无脊椎动物，如昆虫的卵母细胞生长提供支持。 减数分裂期：卵子发生的生长期完成之后，卵母细胞准备进行减数分裂，但是卵母细胞不会自动进入成熟期，而是
5、停滞在前期，直到有适当的激素进行刺激。 卵母细胞的减数分裂是高度不对称的，最后产生一个成熟的卵细胞和三个极体(polar body)。,卵母细胞在发育过程中具有显著的不对称性。卵母细胞的一端称为植物极(vegetal pole)，相反的一端称为动物极。,13.1.1.2 精子发生（spermatogenesis）,雄性的精子发生于卵子发生过程有很大的不同。动物的雄配子称作精子，是在睾丸中通过精子发生过程产生的。在哺乳动物中，精子发生与支持细胞(Sertoli cells)的发生密切相关，支持细胞为发育中精子提供保护和营养。实际上，精子发育的各个阶段都是发生在支持细胞的表面。 支持细胞排列在构成
6、睾丸输精管上，包埋在支持细胞表面的凹处的发育中的精细胞。成熟的精细胞从支持细胞释放进入输精管的腔。 精子发生:开始于雄性原始生殖细胞精原细胞(spermatogonia)的有丝分裂，雄性中的精原细胞的有丝分裂在成年中生命过程中是持续发生的，因而能够不断产生大量的精细胞。 有丝分裂：在精母细胞(spermatocyte)有丝分裂增殖过程中产生的某些细胞最终分化成初级精母细胞，然后进入减数分裂。 第一次减数分裂：将初级精母细胞转化成次级精母细胞。 第二次减数分裂：次级精母细胞产生功能上不成熟的精子细胞（spermatid），必须通过精子发生将减数分裂产生的精子细胞(spermatid)转化成成熟的
7、精细胞(sperm cell):一个长长的尾和带有顶体(acrosome)的头。,10,13.1.2 Fertilization 受精作用,定义： 单倍体的精子与卵子融合，重新形成一个二倍体细胞的过程 基本过程： 精卵间的接触 精子对卵背的穿透 精子与卵子质膜的融合 卵的激活 涉及反应： acrosomal reaction 顶体反应 cortical reaction 皮层反应 pronuclei fussion 原核融合,11,13.1.2 Fertilization 受精作用,13.1.2.1 acrosomal reaction 顶体反应：顶体泡 顶体突 大多数的精子都是靠游动来发现卵
8、细胞，并与透明带结合。为了确保精细胞与卵子的正确结合，需要有一种特别的机制。 海胆的卵细胞外被中含有一种小肽，叫作呼吸活化肽(resact),它可以作为化学附着物，扩散到海水中，能够选择性地与同种海胆精子表面的特异受体结合，这种受体具有尿苷环化酶的作用，与海胆的呼吸活化肽结合之后，能够在细胞内产生第二信使cGMP。呼吸活化肽与受体的结合，指导了精子的运动，发现卵子并与之结合，然后进行顶体反应。,12,糖蛋白与受体识别，Ca2，pH升高，膜融合，,释放水解酶,形成顶体突,结合蛋白与受体识别,水解酶,海胆的受精过程,在哺乳动物中，受精作用发生在雌性动物的体内，是靠精子沿生殖道游动找到卵细胞，然后发
9、生顶体反应。 在小鼠卵细胞的透明带中有一种单体糖蛋白，ZP3在受精过程与负责与精子结合并诱导顶体反应。 哺乳动物在交配中射出的精子必须在雌性生殖道中被分泌物修饰，这一过程称为获能(capacitation),在人类通常需要56小时。精子获能是对精子细胞质膜的脂和糖蛋白成份进行修饰，其结果增强了精子的代谢能力和运动能力。一旦获能的精细胞穿透滤泡细胞层，就会与透明带结合。哺乳动物卵细胞的透明带有三种糖蛋白，其中ZP2和ZP3装配成纤维，而ZP1对这些纤维进行交联形成三维结构。ZP3作为精子的受体，使得精子与卵细胞进行特异性的结合，引起顶体反应。,受精作用顶体反应,13.1.2.2 cortical
10、 reaction 皮层反应 虽然在受精作用的开始，一个卵细胞常常被成百上千个精细胞结合（图13-9），但在正常情况下只有一个精子能够同卵细胞的质膜融合，并将细胞核和一些细胞器注入到卵细胞质中，如果有多个精子与同一个卵细胞融合，则称为多精受精（polyspermy）,一般不会正常发育。有两种机制保证了只有一个精子与卵细胞融合，所以多精受精是很少发生的。 确保单精受精的机制： 卵细胞质膜的快速去极化：亦称为多精受精的一级阻断 Jaffe实验发现，海胆卵细胞在受精后的几秒钟内，膜电位由-60V上升到+20V，质膜的去极化阻断了多精的融合作用。 卵细胞的皮层反应：主要是防止多精受精，属于多精受精的二
11、级阻断。 当精细胞与卵细胞的细胞质膜融合时，激活了卵细胞的磷脂肌醇信号转导途径，引起卵细胞局部胞质溶胶中Ca2+浓度的升高，激活了卵细胞；定位于卵细胞质外周的皮层颗粒（cortical granule）与卵细胞质膜融合释放内含物（酶类）；释放的酶类快速分布到整个卵细胞的表面，改变透明带的结构，使之变得“坚硬”，这样，精子就不能与卵细胞结合，从而提供了一种缓慢的二级多精受精的阻断作用。从机理上说，皮层颗粒释放的酶类破坏了卵细胞透明带中与精细胞结合的受体。,15,13.1.2.3 Pronuclei fussion 原核融合,精细胞的细胞核进入卵细胞质后，包被紧密的染色质开始解旋。精子的细胞核膜解
12、体形成小的囊泡，并立即与精子细胞和脱离，形成没有核被膜的精子染色质。 随即形成新的核被膜，称为雄性原核(male pronucleus)。 雄性原核向卵细胞的雌性原核移动，当两个原核相互接触时，通常会发生融合，形成一个二倍体的核。,哺乳动物受精后的精细胞与卵细胞的两个原核的融合 原核移到卵细胞的中央，当它们碰到一起时，各自的核被膜解体，中心粒复制，两个配子的染色体在纺锤体的作用下排列在同一个赤道板，进行合子的第一次卵裂,16,海胆的卵母细胞，在受精前，只有不到1%的核糖体具有活性，所以蛋白质合成几乎完全停滞。但受精后不到5分钟，蛋白质合成速率大大增加，不到30分钟，蛋白质合成速率达到最高。,1
13、4.1.4 受精激活与母体效应,17,激活反应：,在卵细胞受精后加入RNA合成的抑制剂不会影响蛋白质合成，这表明合成蛋白质的mRNA是卵母细胞带来的。这些由卵母细胞带来的信息分子称为母体信息（maternal Information）。,18,13.2 Embryonic formation and differentiation,13.2.1 胚胎形成,卵裂 受精后，受精卵经过多次有丝分裂，形成许多分裂球，这个过程叫卵裂（cleavage）。 它与体细胞有丝分裂比较具有以下三个特点： 细胞增殖，伴随着一定程度的卵内物质的重新分配，而无细胞生长； 由于第一个特点而产生的核质比例越来越大； 细胞
14、间期较短，分裂快，迅速形成囊胚（blastula）,蛙的胚胎,13.2.2 原肠胚形成（gastrulation） 囊胚细胞迁移，最终将囊胚转变成原肠胚(gastrula)，它是由三层细胞层构成的。 外胚层形成上皮覆盖在外表面(皮肤和腺体)以及中性组织； 内胚层分化成的上皮覆盖在组织的内表面（胃肠和相关的腺体）； 中胚层最终发育成扩散的海绵网状间充质细胞（mesenchyme cell），这些细胞形成支持细胞，如肌肉、软骨、骨、血和结缔组织。,受精后胚胎的早期发育主要包括卵裂、胚泡形成和宫内植入3个阶段。,24,13.2.2 Cell differentiation、Cell determin
15、ation,Cell differentiation ：是指同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构，生理功能和生化特征的过程。 特点：分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程, 但是在一定的条件下, 细胞分化又是可逆的。 Cell determination: 细胞在发生可识别的形态变化之前,就已受到约束而向着特定方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运。细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程,决定先于分化。,1 细胞质对细胞分化的诱导,卵裂时, 细胞核内的物质, 包括基因组都平均地分配到子细胞内, 所以子细
16、胞内的遗传物质是相同的。但是, 卵细胞质各区域的组分并不相同。卵裂使不同的胞质组分分割进入各卵裂细胞。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmic determinants)。 细胞质决定子在卵母细胞中已然形成, 受精卵在数次卵裂中, 决定子一次次地重新改组、分配。卵裂后, 决定子的位置固定下来, 并分配到不同的细胞中, 影响着细胞分化。 胞质对性细胞的分化亦起重要作用。如双翅目昆虫的受精卵后端有一部分称为极质(pole plasm)。极质中含有膜包起的颗粒状物质, 称为极粒(polar granule)。当核进入极质后, 极粒围绕在核周围, 诱导极细胞分化为生殖细胞。因此, 生殖细胞的分化决定于细胞质中的极质。,2细胞的相互作用对细胞分化的诱导,动物在一定的胚胎发育时期, 一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导(embryonic induction), 或称为分化诱导。如将正常的能够发育成神经组织的细胞从两栖类原肠期的早期胚胎中切下，然后移植到另一个胚胎的可以发育成表皮的区域中，结果，移植来的细胞发育成
