發(fā)育生物學第四周

1、胚胎發(fā)育的細胞增殖和分化,劉正華 基礎醫(yī)學院組織胚胎系,胚胎發(fā)育過程：細胞生長分化識別遷移死亡功能表達組織和器官的形成等,細胞長大+細胞增殖本 質(zhì)：蛋白質(zhì)與核酸等合成,細胞生長,1 細胞長大 :細胞體積↑ 胞質(zhì)長大 胞核長大,2 細胞增殖：細胞數(shù)量↑ 由細胞分裂實現(xiàn),生長方式,損傷或刺激可誘導細胞增殖或生長。如將大鼠肝臟切除2/3，剩余部分增

2、殖使肝臟恢復原來的大小,生長方式,切除腎的一部分，剩余部分主要通過細胞增大而增大。,細胞增殖受內(nèi)外因素的控制,細胞分化---發(fā)育生物學研究之核心細胞分化(cell differentiation）定義：由同一個受精卵分裂、增殖而來的胚胎細胞發(fā)育成具有特殊形態(tài)與功能的專一化細胞的過程。,,在細胞分化的基礎上，胚胎逐漸產(chǎn)生出許多不同的組織、器官和系統(tǒng)，協(xié)調(diào)地組成一個復雜、精巧、能自主生活的生命個體。,細胞分化經(jīng)歷的事件：化學分化:

3、 合子基因激活、特異蛋白合成 RBC（血紅蛋白）形態(tài)分化：核分化、胞質(zhì)分化功能分化,總體上分為兩個階段：一、細胞命運的決定（determination）二、細胞的分化（differentiation）,細胞命運的決定 決定是指細胞被賦予特殊的“使命”或“命運”，并進入程序性分化的過程。在這一階段，細胞雖然還沒有顯示出特定形態(tài)的、生理的和生化的特征，但是已經(jīng)確定了向特定方向分化的程序。,,二、決定的兩種基本

4、方式1、鑲嵌型發(fā)育(mosaic development)： 由細胞質(zhì)內(nèi)的形態(tài)發(fā)生決定因子決定 ，整體胚胎象是自我分化的各部分組裝在一起的集合體。（自主發(fā)育） 2、調(diào)整型發(fā)育(regulative development)： 胚胎發(fā)育過程中，相鄰細胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發(fā)育）,,Roux's attempt to show mosaic developme

5、nt. Destroying (but not removing) one cell of a 2-cell frog embryo results in the development of only one-half of the embryo.,1.鑲嵌型發(fā)育,形態(tài)發(fā)生決定子（morphgenetic determinant）也稱為成型素（morphogen）或細胞質(zhì)決定子（cytoplasmic determinant），是卵子

6、或受精卵中存在的能夠決定細胞的分化方向，發(fā)育形成一定的組織和形態(tài)結構的特殊細胞質(zhì)因子。形態(tài)發(fā)生決定子在受精卵中的特殊定位，以及卵裂時對各個子細胞分配的不均一性稱為細胞質(zhì)定域（cytoplasm locolization）。,由于鑲嵌型發(fā)育的胚胎細胞定型方式與鄰近細胞的相互作用無關，因此，如果在發(fā)育的早期將一個卵裂球從胚胎整體上分離下來進行單獨培養(yǎng)，它仍然會發(fā)育成在整體中負責發(fā)育的組織結構，而胚胎的其余部分發(fā)育形成的胚胎中將缺乏這種組織

7、結構，二者恰好互補。如：海鞘。,,柄海鞘受精卵的細胞質(zhì)根據(jù)所含色素不同可分為四個不同的區(qū)域.,動物極部分含透明的細胞質(zhì)；植物極部分靠近赤道處有兩個彼此相對排列的新月區(qū)，一個是呈淺灰色的灰色新月區(qū)，和一個呈黃色的黃色新月區(qū)；植物極的其他部分含灰色卵黃，為灰色卵黃區(qū)。,動物極部分含透明細胞質(zhì)，將來形成幼蟲表皮。黃色新月區(qū)將來形成肌肉細胞，稱為肌細胞質(zhì)。灰色新月區(qū)將來形成脊索和神經(jīng)管。灰色卵黃區(qū)含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲的消化道

8、。,用卵裂球分離的方式證明：每個卵裂球都負責產(chǎn)生幼蟲的一定的組織。當特定的卵裂球分離下來后，由這些卵裂球負責產(chǎn)生的結構在幼蟲中便不復存在。,因此，海鞘每個卵裂球都是可以自主發(fā)育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分構成的鑲嵌體。,,童第周等在海鞘卵子受精后20分鐘，把受精卵一分為二。用其中無核的卵塊作受體，分別把原腸胚外胚層、中胚層和內(nèi)胚層細胞的細胞核移植到受體中。結果：無論移植的細胞核來自哪一個胚層，所形成的組織結構總是和無核卵塊中所含

9、有的細胞質(zhì)組分有關。說明海鞘胚胎細胞發(fā)育命運是由其所含有的細胞質(zhì)形態(tài)決定子有關，而與細胞核無關。,實驗結果清楚地說明海鞘類動物受精卵不同的細胞質(zhì)區(qū)域含有特殊的形態(tài)發(fā)生決定子。卵裂時，這些組分隨著胚胎的卵裂被準確地分布到胚胎的一定部位，通過調(diào)控不同基因的表達而決定細胞的分化方向。呈典型的鑲嵌型胚胎發(fā)育動物卵子還有櫛水母、環(huán)節(jié)動物，線蟲和軟體動物等一些低等的無脊椎動物。在這些典型的鑲嵌型發(fā)育的動物卵子細胞質(zhì)中，都存在著形態(tài)發(fā)生決定子。,

10、在海鞘、櫛水母這些典型的鑲嵌型發(fā)育的動物中，細胞的相互作用對決定一些胚胎細胞的發(fā)育命運也是必要的。神經(jīng)細胞是從a4.2和A4.1兩對產(chǎn)生的。當這兩對卵裂球被分離下來單獨培養(yǎng)時都不能形成神經(jīng)組織?？墒莾烧吲浜喜拍苄纬缮窠?jīng)組織。,2. 調(diào)整型發(fā)育(regulative development)： 胚胎發(fā)育過程中，相鄰細胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發(fā)育）,調(diào)整型胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生決定子與細胞質(zhì)定域,在發(fā)育

11、的初始階段，采用調(diào)整型發(fā)育動物的胚胎細胞可能具有不止一種分化潛能，但在和鄰近細胞的相互作用過程中逐漸限制了它們的發(fā)育命運，使其只能朝一定方向分化。,在胚胎發(fā)育的早期，從采用調(diào)整型發(fā)育的胚胎上分離出一個卵裂球，則胚胎上的其他相鄰的卵裂球可以調(diào)整和改變發(fā)育命運，填補分離掉的卵裂球所留下的空缺，使其仍然可以發(fā)育成一個完整的胚胎。但在發(fā)育的較晚時期，當胚胎細胞的命運已經(jīng)決定后，其決定狀態(tài)在正常發(fā)育過程中也不再能改變。,海膽、魚類和兩棲類等動

12、物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。在胚胎發(fā)育的早期階段當胚胎受到某些局部的實驗性損傷時，仍能通過自身的調(diào)節(jié)形成正常的有機體。,,,如兩棲類和海膽四細胞期的卵裂球分離后，每個卵裂球都具有潛力形成完整的胚胎。,兩棲類的卵子在受精后會因細胞質(zhì)流動而形成一個灰色新月區(qū)。蛙的第一次卵裂使灰色新月區(qū)平均分配到所形成的兩個卵裂球中，這兩個卵裂求都具有全能性。將其分離后，兩個都可以發(fā)育成正常的胚胎。,但調(diào)整型發(fā)育的胚胎中也存在形態(tài)發(fā)生決定子的細胞質(zhì)定

13、域,實驗證明：1、灰色新月區(qū)含有合子形成完整胚胎 所必須的形態(tài)發(fā)生決定子。 2、鑲嵌型發(fā)育胚胎和調(diào)整型發(fā)育胚胎 之間的差異只是程度上的不同。,海膽的受精卵也是調(diào)整 型發(fā)育的。第一次卵裂形成的兩個 卵裂球分離后也都可以 形成完整的胚胎。但在第3次卵裂以后，將動、植物極的卵裂球分離

14、培養(yǎng)，則動物極的卵裂球形成初級外胚層的組織，植物極的卵裂球形成初級內(nèi)胚層組織。說明動物極和植物極含有不同的形態(tài)發(fā)生決定子。這種決定子在8細胞時第一次分離。,在任何動物胚胎發(fā)育過程中，細胞定型的兩種發(fā)育模式都在發(fā)生作用。但在不同的動物中哪種方式起主要的作用在程度是不同的。多數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，主要是細胞自主特化在發(fā)生作用，細胞間的相互作用次之，是鑲嵌型發(fā)育的類型。在脊椎動物中則相反，主要是細胞的相互關系在起主要作用，細胞

15、的自主特化起次要作用，是調(diào)整型發(fā)育的類型。,把某時期某種組織原基移植到另一胚胎與原地不同之部位，如果移植塊按照在原地情況發(fā)育，表明在移植時已發(fā)生了分化決定；如果按照在移植部位進行發(fā)育，說明在移植時其命運尚未決定。,三、細胞分化參考信息,（1）細胞核（2）細胞質(zhì)（3）細胞間相互調(diào)控 細胞誘導 細胞抑制 細胞識別與粘合 其他,四、細胞分化的調(diào)控,,內(nèi)

16、部因素,,外部因素,1. 細胞核在細胞分化過程中具主導作用 實驗一 施佩曼將受精卵結扎，一半球含細胞核，另一半球不含細胞核。結果有核半球能進行正常卵裂，無核則不能。在16或32細胞期，讓一胞核通過結扎處進入無核半球，結果這個半球也開始卵裂，并且發(fā)育成正常胚胎。,取一羊乳腺細胞細胞核,取另一羊去核卵細胞,兩者融合,,發(fā)育至32細胞時移植入待孕羊子宮后代像供核之羊,實驗二 核移植實驗,,實驗表

17、明：胚胎發(fā)育過程中細胞核起主導作用,Dolly,克隆牛欣欣，生命源于耳細胞,我國首例“胎兒皮膚上皮細胞”克隆牛“康康”,細胞中絕大部分基因位于細胞核內(nèi)染色體上，通過轉錄產(chǎn)生mRNA進入細胞質(zhì)，翻譯成各種特異性蛋白質(zhì)從而決定細胞新陳代謝類型和個體發(fā)育方向。 細胞核的主導作用不是絕對的，核的活動受到胞質(zhì)中一些物質(zhì)調(diào)控與制約,細胞核在細胞分化中主導作用之機制,受精卵發(fā)育形成的細胞含有相同基因但在發(fā)育中只有5-10%基因表達(人類基因

18、總數(shù)約3萬--5萬)且表達的基因差異較大Why?,（2）細胞質(zhì)在分化過程中的作用,1928年，施佩曼用嬰兒頭發(fā)將蠑螈受精卵結扎成兩個半球狀，其中一個半球中含灰新月區(qū)和細胞核，另一個不含這個區(qū)帶。結果前者發(fā)育成了胚胎，后者則不能。即使后者含有細胞核，細胞也不能分化，只能發(fā)育成沒有一定形狀的團塊。 實驗說明：灰新月區(qū)(細胞質(zhì))中含某種物質(zhì)，只有完全具備這種物質(zhì)，胚胎發(fā)育才能正常進行。,這些特殊胞質(zhì)組分為形態(tài)發(fā)生決定子（RNA與蛋白

19、質(zhì)）。,胞質(zhì)在細胞分化中的作用：是通過細胞質(zhì)決定子影響胞核基因表達，一定程度上決定細胞早期分化。,核與質(zhì)間相互作用影響細胞分化    互相依賴，缺一則不能生存核控制著遺傳信息質(zhì)對核有重要調(diào)節(jié)作用兩者通過核孔相互傳遞蛋白來實現(xiàn)對細胞分化調(diào)控,(3)細胞間的相互作用（細胞社會學）對細胞分化的影響,誘導抑制識別其他,胚胎誘導（induction）：胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響其它細胞分化

20、方向。,細胞抑制(inhibition)：已分化細胞抑制鄰近細胞進行相同分化。如把發(fā)育中蛙胚置于含有成體蛙心碎片培養(yǎng)液中，胚不能產(chǎn)生心臟。,其他：激素，細胞數(shù)量，細胞外基質(zhì)等,細胞識別與粘合(組織親合性)：三胚層細胞混雜培養(yǎng)→各胚層自我挑選，相互粘著。癌細胞不能識別粘著，失去了正常細胞調(diào)控能力,三 胚 胎 誘 導,1. 概念胚胎誘導：胚胎發(fā)育時期，部分細胞提供或傳遞信號，其它細胞接受該信號，并向特定方向分化。,誘導者（induc

21、tor）： 起誘導作用的細胞或組織反應者（responding tissue）： 接受信號并起反應的細胞或組織。,1912年施佩曼最早發(fā)現(xiàn)：兩棲類發(fā)育中眼泡能誘導覆蓋它的表皮形成晶狀體,誘導實驗一,過程：將遷移到內(nèi)部之前的背唇切下來，移植到另一正常原腸胚腹部。,結果：移植物發(fā)育成第二條脊索在移植物上方出現(xiàn)了一條神經(jīng)板最后這個原腸胚發(fā)育成一雙頭怪物。,誘導實驗二,施佩曼因此獲得1935諾貝爾生理學或醫(yī)學獎

22、。,實驗二表明：在移植物作用下，移植物周圍胚層改變了原來發(fā)育方向,2 誘導特點,1）有權能期（period of competence） 一定時間內(nèi)發(fā)生，一旦超出臨界時間， 誘導或反應能力會減退、消失,將原腸晚期原腸頂不同部位的移植塊放到早期原腸胚的囊胚腔中，會誘導不同的結構形成。,2）誘導者異，反應異同一外胚層→神經(jīng)誘導物→神經(jīng)組織中胚層誘導物→脊索、肌肉等,4）誘導引起的反應細胞分化持續(xù)、不可逆,3）誘導物決定反應細

23、胞產(chǎn)生何種結構 反應細胞決定產(chǎn)生結構之遺傳性,,初級誘導、次級誘導與三級誘導脊索誘導神經(jīng)系統(tǒng)形成為初級誘導,3 誘導層次性,前腦區(qū)兩側外突視泡誘導其外方之外胚層形成晶狀體，為次級誘導晶狀體再誘導其表面外胚層形成角膜，為三級誘導,誘導組織必須激活反應細胞內(nèi)有關基因基因表達產(chǎn)物又激活或抑制其他有關基因細胞產(chǎn)生特異性蛋白從而導致分化,總的來說發(fā)育問題歸根結底依賴于基因在發(fā)育過程中按一定時間和一定空間有秩序、有選

24、擇地表達,第三節(jié) 細胞分化的基因控制 一、主導基因如何控制一種組織和一個完整器官的形成,主導基因(master gene)或選擇者基因(selector gene)即為一些能夠啟動和控制一系列下游基因表達的基因。功能：選擇和控制一套確定細胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因。即主導基因的表達是啟動選擇、實現(xiàn)選擇以及進一步保持特定分化狀態(tài)的關鍵。細胞命運的決定可能就是形態(tài)發(fā)生決定子特異性地激活了主導基因。,一、生肌蛋白基因家族為肌組織發(fā)生

25、設定發(fā)育程序,1. 成肌細胞決定基因1(MyoD1),生肌蛋白基因家族的主導基因是成肌細胞決定基因1(MyoD1)。整個成體終末分化所需的其它附屬基因都統(tǒng)歸在成肌細胞決定基因的控制下。只要用MyoD1的mRNA轉染，成纖維細胞及脂肪組織細胞即可被重新編程，并使其成為穩(wěn)定而可遺傳的成肌細胞。這說明，只要MyoD1被轉錄，這個細胞的命運就已經(jīng)被決定成為成肌細胞，并按成肌細胞的分化程序進行分化。,MyoD1蛋白具有一種堿性α螺旋－β折疊－

26、α螺旋的結構域(bHLH)，這種結構域可結合到受控基因的控制區(qū)，作為轉錄因子啟動下游生肌蛋白基因的表達。 另一方面，MyoD1蛋白還能與自身基因的上游調(diào)控區(qū)結合，使自身基因保持轉錄活性，從而擴大和維持本身的合成。該過程也叫自催化或者正反饋。自催化機制保證了胚胎細胞在分裂增殖過程中，決定狀態(tài)能被穩(wěn)定下來并忠實地傳遞給子細胞 。,哺乳動物中，已知有4種類似的生肌主導者基因：MyoD1，myf-5，mrf-4和myogenin，他們都屬于

27、同一基因家族，且序列高度相似，都是編碼含有bHLH的轉錄因子。 將其注射到成纖維細胞種，它們都能啟動肌肉分化地程序。myogenin不能被其它三種基因替換，其他三種可以相互替換（genetic redundancy, 遺傳冗余）。,2. 控制眼形成的主導基因eyeless 在果蠅中，Eyeless突變會導致眼睛變少或完全沒有眼睛。Eyeless基因編碼的蛋白質(zhì)有與DNA的同源異型框(homeodomain)及配對框相結合的兩個結

28、構域。這個主導基因的靶標可能是各種不同的視蛋白基因。,Gehring等人將帶有UAS啟動子的eyeless cDNA導入到含有酵母轉錄因子GAL4基因的轉基因果蠅卵中。GAL4是一個轉座子，當其插入到啟動區(qū)下游時，可以在果蠅的許多器官芽中被激活而轉錄、翻譯成蛋白質(zhì)。,GAL4基因這種蛋白質(zhì)可以作為轉錄因子與UAS啟動子特異地結合，從而啟動eyeless基因的轉錄。,在發(fā)育到果蠅變態(tài)時，許多器官中除了將自身的基因表達程序表達之外，eye

29、less cDNA也被GAL4轉錄因子啟動表達。,由于eyeless基因是一個主導基因，成復眼的基因表達程序就在許多器官芽中被啟動。結果在轉基因果蠅的腿上、翅膀上等都額外長出了眼睛。最多的一個果蠅體上長出了多達14個眼睛。,3. 同源異型基因的主要特性在細胞分化決定過程中，負責作出決定的主導基因或選擇者基因是同源異型基因。1）它們都有一種高度保守的基本序列，即同源異型框，在果蠅中叫做HOM序列。其所編碼的蛋白叫同源異型域結構域，一種

30、由60－70個氨基酸組成的，在立體結構上為α螺旋－β折疊－α螺旋的結構域（HLH）結構。,homeodomain能夠識別它所控制的基因的啟動子中特異的序列。,2）同源異型基因編碼的蛋白質(zhì)是轉錄因子，除了能通過HLH結構域特異地結合并激活所控制的下屬基因，也能結合到自身基因的啟動區(qū)，使自身處于適當?shù)霓D錄活性水平。 3）典型的同源異型基因不參與基本軀干的構建，而是作為主導基因，選擇一個分化程序。,4）大部分同源異型選擇者基因集中分布在幾條

31、染色體上，而且在染色體上的排列順序與其在體內(nèi)的時空表達模式相對應，二者之間存在著一種近似線性的關系。,如果使控制胸部發(fā)育的HOX基因在頸部表達，就會在頸部形成胸部的結構。,二、發(fā)育過程中不表達基因如何保持沉默,1、DNA甲基化,真核生物DNA中，通過加進一個甲基基團后，胞嘧啶可以轉變成位5’－甲基胞嘧啶。這種甲基化只在CG堿基對上發(fā)生，即－C*-G-。這種甲基化模式可以傳遞到子細胞中。哺乳動物中，大約70％的CG序列會被甲基化。,1.

32、DNA甲基化,DNA甲基化可改變DNA與蛋白質(zhì)的相互關系，調(diào)節(jié)被甲基化基因的表達活性。一般說來，甲基化程度高會導致被甲基化的基因轉錄水平低。,2、異染色質(zhì)化 在異染色質(zhì)化過程中，染色體會進入一種高度固縮的狀態(tài)。常染色質(zhì)變成異染色質(zhì)會停止或妨礙轉錄。子細胞可承襲異染色質(zhì)化的模式。異染色質(zhì)上有一種特殊的DNA固縮蛋白。蛋白質(zhì)通過聚集靠近在一起而使DNA折疊壓縮。果蠅的polycomb基因所編碼的蛋白就類似于這種蛋白。 哺乳動物為了補償