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第五节 发育与分化的机制

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第五节 发育与分化的机制 - PowerPoint PPT Presentation


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第五节 发育与分化的机制. 多细胞有机体的发育一般始于单个细胞,即看上去匀质的受精卵。 个体发育时,简单的、无定型的物质逐渐多样化,自发地形成有机体。 雄性生殖细胞中的遗传信息和卵细胞内携带信息的结构赋予有机体自我复制的能力, 然而,来自雌雄生殖细胞的 DNA 信息含量显然无法储存建造有机体高度复杂的结构的全部蓝图, 例如,人脑的突触连接就有 10 18 - 10 24 之多, 大大超过了人类基因组 10 12 碱基对的数量。 现代发育生物学认为, 动物的发育与分化的调控 —— 是通过基因表达的时空顺序以及细胞间的相互作用来实现的。. 一、卵裂的精确调控 .

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Presentation Transcript
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多细胞有机体的发育一般始于单个细胞,即看上去匀质的受精卵。
  • 个体发育时,简单的、无定型的物质逐渐多样化,自发地形成有机体。
  • 雄性生殖细胞中的遗传信息和卵细胞内携带信息的结构赋予有机体自我复制的能力,
  • 然而,来自雌雄生殖细胞的DNA信息含量显然无法储存建造有机体高度复杂的结构的全部蓝图,
  • 例如,人脑的突触连接就有1018-1024之多,
  • 大大超过了人类基因组1012碱基对的数量。
  • 现代发育生物学认为,
  • 动物的发育与分化的调控
  • ——是通过基因表达的时空顺序以及细胞间的相互作用来实现的。
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一、卵裂的精确调控
  • 卵裂类型难以置信的复杂情况下,却存在着功能和机制的单一性。
  • 在所有情况下,核分裂与胞质分裂必须协调,卵裂成多个细胞区。
  • 通过卵裂,核质比例恢复正常,发育的重要信息被集中到不同细胞区域中。
  • 对大多数动物而言:
  • 1、母型调控;2、合子型调控
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母型调控早期卵裂由源自卵母细胞的因子调控。母型调控早期卵裂由源自卵母细胞的因子调控。
  • 大多数动物种类中,
  • 受精后早胚细胞分裂的速度以及各卵裂球所处的位置
  • ——都是由贮存在卵内的母型mRNAs、蛋白质所控制的。
  • 通过有丝分裂分配到卵裂球中的合子基因组,在早期卵裂胚胎中并不起作用
  • ——即使用化学物质抑制转录,早胚也能正常发育。
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合子型调控晚期卵裂由合子基因组表达产物调控合子型调控晚期卵裂由合子基因组表达产物调控
  • 直到卵裂较晚的时期,
  • 早胚才大量转录合成mRNAs,实现由母型向合子型过渡的调控胚胎发育的机制。
  • 卵裂期细胞数目的增加速度与其它发育阶段相比要快得多,
  • (蛙受精卵:43h,37000个细胞)
  • 这种迅速分裂的结果导致核质比迅速增大。
  • 在多种生物的胚胎中,
  • 核质比值的成倍增大是决定某些基因定时开始转录的因素:
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非洲爪蟾胚胎,12nd卵裂后才开始转录mRNA,
  • 届时卵裂速度减慢,卵裂球开始运动,合子基因组开始转录。
  • 合子型基因打开的时间能通过改变每个细胞核中染色质的量而改变,
  • 因而认为新合成的染色质能感受卵内一些因子的量的变化:
  • 胚胎细胞中染色质含量愈高,这种转化发生愈早
  • ——如果核内染色质为正常情况的2倍,转化将提前一个周期发生
  • ——所以受精后开始的受母型调控的卵裂,将于核质比例达到一个新平衡点而终止。
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动物界调控卵裂的生化机制是类似的(如果不一致的话),动物界调控卵裂的生化机制是类似的(如果不一致的话),
  • 甚至真核生物细胞分裂的生化机制也可能是一致的。
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二、胚胎细胞的分化
  • 1、细胞分化和定型的概念:分化细胞简介;分化、定型概念
  • 2、细胞定型的两种方式:自主特化;有条件特化;总结
  • 3、细胞的自主特化-形态发生决定子:形态发生决定子;胞质定域
  • 4、细胞的有条件特化-胚胎细胞相互作用
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部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能

细 胞 类 型

特 征 产 物

功 能

角质细胞(表皮细胞)

角蛋白

保护身体免受损伤及防止干燥

红细胞

血红蛋白

输送氧气

晶体细胞

晶体蛋白

传送光线

B-淋巴细胞

免疫球蛋白

合成抗体

T-淋巴细胞

细胞表面抗原(淋巴因子)

破坏外源细胞;调节免疫反应

黑素细胞

黑色素

产生色素

胰岛细胞

胰岛素

调节糖类代谢

Leydig细胞(♂)

睾酮

雄性特征

软骨细胞

硫酸软骨素;胶原纤维Ⅱ

腱、韧带

成骨细胞

骨基质

支撑骨骼

肌肉细胞

肌动蛋白、肌球蛋白

肌肉收缩

肝细胞

血清白蛋白;多种酶类

产生血清白蛋白;多种酶类功能

神经元

神经递质(乙酰胆碱、肾上腺素等)

传导点刺激

鸡输卵管管状细胞(♀)

卵清蛋白

产生保护胚胎并为之提供营养的卵清蛋白

昆虫输卵管滤泡细胞(♀)

卵壳蛋白

产生保护胚胎的卵壳蛋白

B-淋巴细胞

免疫球蛋白

合成抗体

T-淋巴细胞

细胞表面抗原(淋巴因子)

破坏外源细胞;调节免疫反应

黑素细胞

黑色素

产生色素

胰岛细胞

胰岛素

调节糖类代谢

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细胞分化、定型的概念
  • 1、细胞分化(cell differentiation)
  • 从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程。
  • 2、细胞定型(commitment)
  • 细胞在分化之前,将发生一些隐蔽的变化,使细胞朝特定方向发展的过程。
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2.1 特化(specification)
  • 当一个细胞或组织被放在中性环境(neutral environment)-如培养皿中
  • ——可以自主分化时,就认为这个细胞或组织已经特化了。
  • 2.2 决定(determination)
  • 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时,就认为这个细胞或组织已经决定了。
  • 2.3 特化与决定的区别
  • 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部位,它就会分化成不同组织;
  • 相比之下,已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。
autonomous specification
自主特化(autonomous specification)
  • 通过胞质隔离(cytoplasmic segregation)来实现的:
  • 卵裂时,受精卵内特定的细胞质分离到特定的裂球中,
  • 裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞。
  • 因此,细胞命运的决定与近邻的细胞无关,细胞发育命运完全由内部细胞质组分决定。
  • 如果在发育早期将一个特定裂球从整体胚胎上分离下来,
  • 它就会形成如同其在整体胚胎中将会形成的结构一样的组织,
  • 而胚胎其余部分形成的组织中将缺乏分离裂球所能产生的结构,
  • 两者恰好互补。
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上述以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式
  • ——镶嵌型发育(mosaic development)或自主型发育。
  • 整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。
  • 典型的镶嵌型发育的胚胎:
  • 海鞘、栉水母(ctenophores)、环节动物(annelids)、
  • 线虫(nematodes)、软体动物(molluscs)等。

海鞘胚胎-镶嵌型决定作用

8-细胞期4对裂球分开后,每对裂球都形成独特的结构

conditional specification
有条件特化(conditional specification)
  • 也称渐进特化(progressive specification)、依赖型特化(dependent specification):
  • 通过胚胎诱导实现的。
  • 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的分化方向,即发育命运;
  • 初期阶段,细胞可能具有不止一种分化潜能,
  • 但是,和邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运,
  • 使它们只能朝一定的方向分化。
  • 细胞发育命运取决于其所处的环境条件,如邻近的细胞或组织等。
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对细胞呈有条件特化的胚胎而言,
  • 如果在胚胎发育早期将一个裂球从整体胚胎上分离下来,
  • 那么剩余的胚胎细胞可以改变发育命运,填补分离掉的裂球所留下的空缺,
  • 仍形成一个正常的胚胎。
  • 上述以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式
  • ——调整型发育(regulative development)、有条件发育、依赖型发育。
  • 典型的调整型发育胚胎:海胆、两栖类、鱼类等。
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细胞定型两种方式-总结
  • 任何动物胚胎发育过程中,细胞定型的两种方式在一定程度上都发生作用,只是程度不同而已:
  • 一般而言,
  • 多数无脊椎动物胚胎发育过程中,主要是自主特化在发生作用,细胞有条件特化次之;
  • 脊椎动物胚胎发育过程中则相反,主要是细胞有条件特化,细胞自主特化次之。
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细胞定型方式及其特点

细胞定型方式

自主特化

有条件特化

为多数无脊椎动物所具有

为所有脊椎动物及少数无脊椎动物所具有

细胞命运由其所获得的卵内特定的细胞质组分决定

细胞命运由细胞之间的相互作用决定,细胞的相对位置颇为重要

卵裂方式不可改变,每个胚胎都产生相同的细胞谱系

卵裂方式可以改变

裂球发育命运一般不可改变

裂球命运可改变

细胞谱系“创始细胞”(founder cell)一般在胚轴两极部分形成

细胞特化发生在胚胎细胞大量迁移之前

大量的细胞重排和迁移发生在细胞特化之前或与细胞特化相伴发生

产生“镶嵌型”发育:细胞不能改变发育命运,不能填补所分离裂球留下的空缺

产生“调整型”发育:细胞可以改变发育命运,填补所分离裂球留下的空缺

morphogenetic determinant
形态发生决定子(morphogenetic determinant)
  • 也称成形素(morphogen)、胞质决定子(cytoplasmic determinant)

受精时细胞质决定子的隔离

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其概念的形成源于对细胞谱系的研究,
  • 即在镶嵌型发育胚胎中,特定的结构源自特定的裂球,特定的裂球源自受精卵精确的卵裂方式,源自含有卵子一定区域的细胞质。
  • 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,从而决定细胞分化方向。
  • 大量研究表明:
  • 形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵子细胞质中,
  • 包括典型的镶嵌型发育胚胎和典型的调整型发育胚胎。
cytoplasmic localization
胞质定域(cytoplasmic localization)
  • 也称胞质隔离(cytoplasmic segregation)、
  • 胞质区域化(cytoplasmic regionalization)、
  • 胞质重排(cytoplasmic rearrangement):
  • 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。
  • 图示
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海鞘肌肉、内胚层、表皮三种组织胞质决定子的运动比较海鞘肌肉、内胚层、表皮三种组织胞质决定子的运动比较

图仅代表卵子表面观

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细胞的有条件特化-胚胎细胞相互作用
  • 在自主型发育,即镶嵌型发育中,
  • 胚轴和细胞命运由细胞质在每一裂球中的分配决定。
  • 在调整型发育过程中,胚轴和细胞命运则由胚胎细胞相互作用决定:
  • 胚胎诱导是决定胚胎细胞分化方向的一个极重要的方面。
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胚胎诱导(embryonic induction):
  • 机体的发育过程中,一个区域的组织与另一区域的组织相互作用,引起后一种组织分化方向上变化的过程。
  • 诱导者(inductor):
  • 在胚胎诱导相互作用的两种组织中,
  • 产生影响并引起另外的细胞或组织分化方向变化的这部分细胞或组织。
  • 反应组织(responding tissue):
  • 接受影响并改变分化方向的细胞或组织。
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诱导者的作用
  • ——可能是激活那些对细胞分化所必需的特异蛋白质的编码基因。
  • 反应组织
  • ——则必须具有感受性(competence),才能接受诱导者的刺激,从而发生分化的变化。
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在动物胚胎的发育过程中存在大量的、连续的诱导作用,在动物胚胎的发育过程中存在大量的、连续的诱导作用,
  • 它们对胚体的建成是至关重要的:
  • 初级胚胎诱导(primary embryonic induction)
  • ——原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经系统,十分关键;
  • 次级胚胎诱导(secondaty embryonic induction)
  • ——通过一种组织与另一种组织的相互作用,特异地指定它的命运:
  • 初级胚胎诱导的产物-神经管(如视杯)诱导表面覆盖的外胚层形成晶状体;
  • 三级胚胎诱导(tertiary embryonic induction)
  • ——次级诱导的产物又可作为诱导者,通过与相邻组织地相互作用,特异地指定它的命运。
  • 晶状体和(或)视杯诱导表面的外胚层形成角膜。
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连续的诱导作用-两栖类发育(仿Gurdon,1987)连续的诱导作用-两栖类发育(仿Gurdon,1987)

诱导组织用箭头表示;对诱导起反应的感应细胞用圆圈表示;实际起反应的细胞用实心圆表示

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三、发育过程的基因表达
  • 大量研究资料表明:
  • 胚胎细胞在发育过程中,仍然保持基因组的完整性与遗传潜能的全能性。
  • 分化
  • ——细胞基因循序差异表达的结果,分化细胞中的基因90%以上被关闭,只选择性地开启表达遗传潜能中的一小部分。
  • 激活指定基因的程序并不是在细胞决定时马上执行的,
  • 即使经过多次细胞分裂,将要沿着不同路线发育的细胞表面上还显示不出其特点和未来的命运,
  • 只有在终末分化之后,细胞才表现出特异的形态和功能。
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成肌细胞
  • 合成肌肉类型的蛋白质如肌球蛋白、肌动蛋白、肌钙蛋白等,构建肌肉收缩的生理功能;
  • 成红细胞
  • 合成血红蛋白、碳酸酐酶等,红细胞才获得其生理的功能。
  • 细胞的种类特异性蛋白质的表达在转录水平、转译水平上均有调节的机制,
  • 合成的蛋白质还必须经过修饰才具有活性。