细胞命运的决定.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 细胞命运的决定,动物组织器官是由各种不同的,分化细胞（,specialized cell,）,组成的。,分化细胞不仅具有一定的形态，而且行驶特定的功能。,嗜酸性粒细胞,浆细胞,淋巴细胞,疏松结缔组织的细胞种类,大鼠脾脏的树突状细胞,部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能,在胚胎早期发育卵裂过程中，是什么原因导致分化的方向发生了变化？,why,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,(cell differentiation),。,细胞分化在表现出明显的形态和功能变化之前，会发生一些隐蔽的变化，使细胞命运朝特定方向发展，这一过程称为,定型,(commitment),。,Slack(1991),建议将,定型分为特化,(specification),和决定,(determination),两个时相,。,第一节 细胞定型,当一个细胞或者组织放在中性环境,(neutral environment),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,。,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,。,Fate 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。,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。,在早期胚胎中，卵裂球的发育命运是没有决定（,determination,）的。,随着胚胎的发育，不同卵裂球受本身,内在因素,及,环境条件,的影响，其发育命运被确定下来，分化为内胚层、中胚层或外胚层细胞。,对每一个卵裂球进行标记，通过追踪不同卵裂球的发育过程，可在囊胚表面划定不同的区域，显示每一区域细胞的发育趋向，这样的分区图称为,发育命运图（,fate map,）,。,爪蟾早期胚胎发育命运图的确定。荧光标记的,C3,裂球,在尾芽期胚胎中形成一侧的,中胚层细胞,。,命运图反映了胚胎在发育过程中各区域细胞的,运动趋势,，并不是细胞的分化情况。,特化图（,specification map,）,却可以在一定程度上反映出,细胞的分化情况,。,特化图是将囊胚切成小块，每小块分别在简单培养基中培养，观察它们形成哪一种组织。,爪蟾晚期囊胚的特化图,外胚层区细胞还没有分化为预定神经细胞，中胚层区细胞还没有分化为预定肌肉细胞。,爪蟾晚期囊胚命运图和特化图的比较。,脊索的命运图和特化图基本相当,，其他中胚层区的特化还没有发生。,不同脊椎动物命运图中各胚层所在区域及原肠运动时,细胞内移位点具有很强的相似性,，,意味着不同动物可能有相同的细胞分化机制,。,命运图不能反映出早期胚胎细胞的全部潜能，此时脊椎动物的胚胎仍然有很强的发育调整能力。,原肠胚,胚孔,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。,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,(anlage),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。,胚胎细胞的定型的方式：,自主特化,(autonomous specification),:,细胞发育命运完全由内部细胞质组分决定的细胞定型方式。通过胞质隔离来实现。,(,胞质隔离,cytoplasmic segregation),：,受精卵内特定的细胞质，随着卵裂被分配到特定的分裂球中，中这些特胞质将决定裂球的发育命运，与临近的细胞无关。,胚胎细胞的定型的方式：,镶嵌型发育,(mosaic development),，,或自主性发育：,以自主特化为特点的胚胎发育模式，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。,代表动物：栉水母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘等,胚胎细胞的定型的方式：,有条件特化,(conditional specification),或渐进特化,(progressive specification),或依赖型特化,(dependent specification),：,细胞的定型分化依赖于周围的细胞或组织，同一种细胞可能因在不同的细胞或组织环境中，命运不同。通过胚胎诱导来实现。,胚胎诱导：,胚胎发育中，一部分细胞或组织对其临近的另一部分细胞或组织产生影响，并决定其分化方向（命运）的作用。,调整型发育,(regulative development),：,以细胞依赖型特化为特点的胚胎发育模式。,代表动物：海胆、两栖动物、鱼类等,合胞体特化（,syncytial specification,）：昆虫受精卵在受精后,2 h,内，只有细胞核分裂，没有细胞质分裂，形成含有大约,3500,细胞核的合胞体囊胚，其细胞发育命运的特化使用自主特化和渐进特化两种方式，这种特化方式成为合胞体特化。,细胞定型方式及特点,自主特化,渐进特化,1.,多数无脊椎动物具有,所有脊椎动物及少数无脊椎动物,2.,细胞命运由其所获得的特定细胞质组分决定,细胞命运由细胞间相互作用决定，细胞间的相对位置颇为重要,3.,卵裂方式不可改变,卵裂的方式可以改变,4.,裂球发育命运一般不可改变,裂球的发育命运可以改变,5.,细胞特化发生在胚胎细胞大量迁移之前,细胞特化发生在胚胎细胞大量迁移的过程中或之后,6.,产生“镶嵌型”发育,产生“调整型”发育,注：一般两种定型方式同时存在与胚胎发育中，但不同动物两种方式发挥作用的程度不同。,第二节 细胞自主特化,海鞘的发育为一种典型的镶嵌型发育,，其卵裂球的发育命运是由细胞质中储存的卵源性形态发生决定子决定的。,形态发生决定子（,morphogenetic determinants,）,:,自主特化裂球细胞质中能影响细胞发育命运的分子。,黄色新月区,灰色新月区,海鞘（,Phallusia mammillata,）受精时胞质定域的分离,脊索,脊髓,8,细胞期,4,对裂球分开后，每对裂球都形成独特的结构,（,1,）每对卵裂球的发育命运不同：,B4.1,发育形成内胚层、间质和肌肉组织,（,2,）胚胎中神经组织是从动物极前面一对裂球（,a4.2,）和植物极前面一对裂球（,A4.1,）产生；单独培养时，它们都不能形成神经组织。,即使是严格的镶嵌型发育，仍,存在着胚胎的诱导作用，即细,胞间的相互作用,B4.1,的细胞质挤入少量到,b4.2,后者也会有,肌肉细胞产生。左图是胆碱酯酶染色显示,肌肉细胞,我国学者童第周（,1977,）在海鞘卵子受精后把受精卵一分为二。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移植到受体中。,结果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。,帽贝成纤毛细胞（,trochoblast cell,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（,polar lobe,）,。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。,软体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。,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,担轮幼虫,（,trochophore larva,），而是发育成缺乏中胚层器官肌肉、口壳腺和足的幼虫。因此,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,。,用细胞松弛素（,cytochalasin,）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎,存在于极叶中的形态发生决定子可能位于卵子皮层或细胞骨架上，卵子可扩散的细胞质（,diffusible cytoplasm,）不含形态发生决定子。,极叶还含有决定胚胎背腹轴形成的物质。极叶对软体动物正常发育十分重要，但迄今为止，仍不清楚其作用机制。,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。,副蛔虫正常受精卵（,A,）和经离心处理的受精卵（,B,）分裂时生殖质的分布。,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,(germ plasm),。,秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质可能含有“转录因子”样形态发生决定子,SKN,1,蛋白质。,SKN-1,可能通过激活,P1,裂球及其产生的,EMS,和,P2,两裂球中的某些特定基因，从而决定它们的发育 命运。咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（,maternal factor,）自主决定。,SKN,1,在胞质中的定位。,SKN,1,存在于,P1,细胞谱系中。,mex,1,突变体中，,SKN,1,分布于所有裂球中。,skn-1,突变体中肠和咽部的缺陷,四、昆虫不育基因研究,果蝇的极质（生殖质）：,gcl,基因（,germ cell-less,）。野生型,gcl,基因在果蝇卵巢的营养细胞中转录，通过环管（,ring canal,）运至卵子中。,gcl,mRNA,一旦进入卵子，便进一步迁移到卵子的最后端，定位于称为极质的细胞质中。,Nanos,基因。位于卵子后端，,Nanos,蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏,Nanos,蛋白的极细胞不能迁移到生殖腺中，因而不能发育成生殖细胞。,oskar,基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。,Oskar,基因将其,mRNA,定位于胚胎的后极。,有些母体效应基因（,maternal effect gene,）的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。,至少有,8,种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（,sterile,）的。,五、两栖类生殖细胞的特化,林蛙（,Rana temporaria,）受精卵的植物极皮层区域含有和果蝇卵中极质类似的物质，在发育过程中流入少数几个预定内胚层细胞，最终迁移到生殖嵴内。用,UV,照射卵子植物极产生的蝌蚪缺乏生殖细胞，移植植物极细胞可使受体胚胎发育成的蝌蚪是能育的。,第三节、细胞渐进特化,胚胎诱导,：胚胎一部分细胞对邻近另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用。,渐进特化,：指胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间通过相互作用，决定其中一方或双方细胞分化方向的细胞定型方式。,一、种质学说,1883,年，德国学者,August Weismann,根据受精和减数分裂过程中染色体数目的变化，提出了解释细胞分化的,种质学说（,germ plasm theory,）,。,（,1,）精子和卵子都对新生有机体提供质量及数量等同的染色体,（,2,）染色体由各种能决定细胞发育命运的核决定子组成,（,3,）染色体携带全部的遗传物质,（,4,）每个裂球只含有部分核决定子，不同的核决定子在胚胎发育过程中分配到不同的细胞内,（,5,）受精卵含有全部的核决定子，部分细胞含有“血液决定子”，部分含有“肌肉决定子”,（,6,）只有终将发育成生殖细胞的细胞中含有全部的决定子,如何通过实验来验证,Weismann,的理论？,两个推论：,胚胎不同细胞细胞核应具有本质差异；扰乱受精卵卵裂过程，导致核决定子分布异常，导致不正常的发育,.,实验胚胎学开展了,4,类实验：即,缺损实验；分离实验；重组实验和移植实验,。,In 1888,Roux published the results of a series of defect experiments in which he took 2-and 4-cell frog embryos and destroyed some of the cells of each embryo with a hot needle.Weismanns hypothesis predicted the formation of right or left half-embryos.,Roux obtained half-blastulae,just as Weismann had predicted.,Rouxs,defect,experiments,Driesch,实验说明，,胚胎细胞核在卵裂过程中并未出现本质上的差异不存在所谓核决定子不均等分布的现象，,首次证实胚胎发育过程中存在,调整现象。,结论：裂球在整体胚胎中的位置,总体上,可以决定其发育的结果。细胞分化是,核决定子不均等分离,引起的假设是,错误,的。,Drieschs recombination experiment,Driesch,认为分裂球在胚胎发育中的命运只取决于它在胚胎内的位置，并进一步提出了发育过程中,细胞核和细胞质相互作用,假说。,当代实验胚胎学研究结果表明，,哺乳动物的胚胎发育也具有调整能力。,两个或更多个小鼠早期胚胎融合后，仍能正常发育。在小鼠或兔子胚胎,2-,细胞期，毁坏其中一个裂球，移植到母体子宫内，也能正常发育。,Driesch,裂球分离实验所得的结论也不是百分之百正确。,许多动物胚胎在很大程度上呈镶嵌型发育，即使,海胆胚胎也不是由完全等能的细胞组成的集合体，不是百分之百呈调整型发育。,海胆各卵裂球的发育命运图,第四节 形态发生素梯度和细胞特化,形态发生素：,指能够通过其浓度确定细胞发育命运的可以扩散的生化分子。,形态发生素梯度是细胞渐进特化的重要机制。,Sven H,rstadius,的裂球分离实验证明,海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育。,海胆胚胎早期的不对称性,海胆受精卵的不对称性,海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡,海胆胚胎中存在着两个彼此相对的梯度：,植物极化梯度,和,动物极化梯度,。,植物极化梯度在植物极活性最大，动物极化梯度在动物极活性最大。,海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡，,而不依赖于它们的绝对大小。两个梯度之间的不同组合建立起各种中间状态。,Ubisch,将分离的动物极半球细胞放在氯化锂溶液中培养，获得正常的长腕幼虫。显然，锂可以弱化动物极细胞的动物极化梯度，从而使动物极半球细胞能平衡发育。,蛋白质抑制剂如重金属、,NaSCN,和染料,Evans Blue,可以减弱植物极化因子的作用，从而使胚胎向动物极化方向发育。,呼吸抑制剂如,CO,、,KCN,、,NaN,3,和锂离子可以减弱动物极化因子的作用，从而使胚胎向植物极化方向发育。,两栖动物的调整型发育,Spemann1938,）发现在蝾螈的发育中也存在调整型发育的情况。,蝾螈受精卵的结扎实验说明两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传上的等同性（,genetically identical,）。,Spemann,推测两个相似的实验得出两个截然不同的实验结果的原因可能是,某些细胞质不均等的分配造成的,。,正常情况下，蝾螈的卵子受精后，卵子在纳精点对面区域形成,灰色新月区,。含有灰色新月区的裂球才能正常发育。显然，,灰色新月区的某些物质是胚胎正常发育必不可少的,。,Grey crescent separates evenly,to daughter cells,灰色新月区域所形成的细胞将来组成胚胎胚孔的背唇。胚孔背唇细胞注定要向囊胚腔内陷，从而发动原肠作用，并形成原肠。据此，,Spemann,推测：,灰色新月区物质的重要性在于它具有发动原肠作用的能力，而胚胎发育的关键性变化就发生在原肠作用过程中,。,1918,年，,Spemann,通过胚胎移植实验证明细胞发育潜能的诸多变化确实发生在原肠作用过程中。,Spemann,实验结果表明：由早期原肠胚向晚期原肠胚过渡过程中，细胞的发育潜能逐渐受到限制，晚期原肠胚细胞只能朝某一预定方向分化，成为,已决定细胞（,determined cell,）,。,蝾螈胚胎细胞发育命运的渐进特化。,Spemann,进行的蝾螈早期和晚期胚胎移植实验结果表明：,由早期原肠胚向晚期原肠胚过渡期内，细胞的发育潜能逐渐受到限制，晚期原肠胚细胞只能朝某一预定方向分化,，称为已决定细胞（,determined cell,）。,决定的分子基础仍是未解之谜,。,初级胚胎诱导,动物胚胎发育过程中存在许多诱导作用，其中,脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织这一关键的诱导作用称为初级胚胎诱导（,primary embryonic induction,）,。,Spemann,和,Mangold,（,1924,）证明两栖类早期胚胎的,胚孔背唇不但是唯一能自我分化的区域，而且能诱发原肠作用，并影响周围细胞的发育分化，诱导上面覆盖的外胚层细胞形成完整的神经组织，因此称之为组织者（,organizer,）。,背唇组织的自我分化,细胞命运决定，,miRNA,起关键作用,(2007,，,Nature Genetics 39,259-263,）,近轴体节细胞,侧板体节细胞,利用皮肤干细胞成功分化出不同类型的视网膜细胞,不仅证实人体诱导多功能干细胞可分化成视网膜细胞，而且这种分化发育过程与人眼视网膜自身的发育过程十分相似。基于此研究，他们很快就可以在实验室中研究一些遗传造成的眼部疾病，筛选治疗这些眼疾的新药。另外，将来视网膜受损的患者就可以从自身提取皮肤细胞进行治疗。,PNS,