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1、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2n n动物有机体是动物有机体是 由由分化细胞（分化细胞（specialized cellspecialized cell）组成的。组成的。n n分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。3红细胞白细胞血小板56789细胞定型和分化细胞定型和分化n n从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫发育过程叫细胞分化（细胞分化（cell differentiationcell differenti
2、ation）。细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变。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，这一过程称化，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为为定型（定型（commitmentcommitment）。n n已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格的限制。的限制。10n nSlackSlack（19911991）建议将）建议将定型分为定型分为特化（特化（specificationspecification）和决定（）和决定（determinationdetermination）两个）两个时相时相。 * *当一个细胞或者组织放在中性环境（当一个细胞或
3、者组织放在中性环境（neutral neutral environmentenvironment）如培养皿中可以自主分化时，就可以）如培养皿中可以自主分化时，就可以说这个说这个细胞或组织发育命运已经特化（细胞或组织发育命运已经特化（specializedspecialized） * *当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位培养可以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，可以说这个自主分化时，可以说这个细胞或组织已经决定（细胞或组织已经决定（determineddetermined）。11n n已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的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
4、胞或组织移植到胚胎。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。不同的部位，它就会分化成不同的组织。n n已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的的。如果把已决定的细胞或者组织移植到。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胚胎的不同部位，它只会分化为同一种组织。织。12nFate of cells: 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(see next slide)。nDetermination: 指细胞特性发生了不可逆的改变，发育潜力已经单一化。nSpecification:
5、 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（cell fate）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 （cytoplasmic determinants），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
6、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（mosaic development） 18形态发生决定子 形态发生决定子（morphogenetic determinant）也称为成形素（morphogen）或胞质决定子（cytoplasmic determinant），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（
7、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（mosaic development） 21不对称分裂导致细胞的不同命运，形成不同的细胞家系（cell lineage）嵌合型发育（mosaic development） 22n嵌合型发育是指由胞质决定因子（cytoplasmic determinants）决定细胞的命运的发育方式。n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。n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（
8、mosaic development） 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：v动物极部分含透明的细胞质；v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；v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
9、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：v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）。v灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。v动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。v灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫的消化道 28l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）
10、。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。l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。30v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
11、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。v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。 31n n形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布，受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。这一现配到特定的裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为象称为胞质定域胞质定域。n n胞质定域也称为胞质定域也称为胞质隔离胞质隔离或或胞质区域化胞质区域化或或
12、胞质重排胞质重排。三、胞质定域32n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。n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。nB4.1两裂球：分离下来单独培养，确实可以形成肌组织，AChE染色呈阳性；n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海鞘的肌肉细胞谱系自主肌肉特化有条件肌肉特化35n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
13、仍能正常进行。n不同时期海鞘胚胎AChE活性测定发现：n2细胞期胚胎2裂球都能产生AChE;n4细胞期胚胎只有后面2裂球能产生AChE;n8细胞期胚胎只有植物极后面2裂球能产生AChE。n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。n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37n海鞘受精卵植物极后端胞质（PVC）相对于其
14、余部分细胞质呈“显性”。n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。n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。n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。n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38n nWilsonWilson把把帽贝帽贝（Patella coeruleaPatella co
15、erulea）早期裂球分离，发）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。和留在完整胚胎内的相同裂球一样。n n分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式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。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（二）软体动物：极叶和中胚层，背- -腹腹轴的决定轴的决定39帽贝成纤毛细胞的分化帽贝成纤毛细胞的分化40n n某些呈螺旋
16、卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在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，称为第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极极叶（叶（polar lobepolar lobe）。n n第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二次卵裂开始前，极叶第一次卵裂结束时，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。现就不明显了。n n极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部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。物质流动所引起的。极 叶41角贝属海生动物角贝属海生动物DentaliumDentalium卵裂卵裂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。43nWilson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。n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
