发育生物学论文——胚胎发育中的程序性细胞死亡

鲁东大学生命科学学院2011 －2012 学年第 1 学期《发育生物学》课程论文

课程号：

任课教师刘泽隆成绩

摘要：

细胞程序性死亡是生物体发育过程中普遍存在的，是一个由基因决定的细胞主主动的有序的死亡方式。具体指细胞遇到内、外环境因子刺激时，受基因调控启动的自杀保护措施，包括一些分子机制的诱导激活和基因编程，通过这种方式去除体内非必需细胞或即将发生特化的细胞。而细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留瘢痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。

关键词：programmed cell death, 细胞程序性死亡,凋亡相关蛋白,细胞凋亡因子

正文:

一、动物胚胎发育中细胞死亡类型

发育过程中的细胞死亡通常是程序化的，即在特定的时间和部位发生控制性的细胞死亡。若这种精确调节的细胞死亡程序改变，可引起多种先天性发育异常。

细胞死亡类型：1、调亡性细胞死亡（Ⅰ型），特点是：细胞固缩，细胞与细胞间接触破坏，细胞片段化（细胞核DNA也片段化），邻近细胞的吞噬及继发性溶酶体降解细胞片段。见于鼠趾间区的形成；2、溶酶体性的细胞死亡（Ⅱ型），特征：初级溶酶体形成，然后细胞固缩和片段化（细胞核DNA也片段化）。见于变态过程中两栖类动物尾巴的消失；3、坏死性细胞死亡（Ⅲ型），特征：细胞膜受损，肿胀，破裂，内溶物漏出等。见于骨化前胚胎和骺软骨的形成。这三种类型的细胞死亡均见于胚胎发育中。胚胎发育中的程序性细胞死亡的证据：

1．中枢神经系统发生中的程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）

①神经板向神经管转化

鼠胚：9~20体节期神经沟的闭合首先发生于颈区，神经管闭合前在神经－体节连接处（neuro-somatic junction）可见细胞死亡；神经管闭合后，（鼠）沿头-尾轴的背侧中线亦存在细胞死亡。除沿脊椎CNS背侧中线各段有PCD外，其腹侧亦存在细胞死亡区，其中以间脑和终脑连接处及视泡外突后的胚胎视网膜和视蒂的背侧中线最为明显。

鸡胚：第10期和第11期的间脑和中脑部细胞死亡率低，而第11期菱脑1和菱脑2联合处以及菱脑顶部神经管的背侧壁有大量的细胞死亡。另外，17~19期脊髓可见3个细胞死亡区，即背侧固缩区（18期死亡细胞数最多）；腹侧固缩区（17期死亡细胞数最多）；底板固缩区（19期死亡细胞数最多）。

②神经元细胞的死亡

PCD诱导胚胎发育中80%以上的神经元死亡。已证明：中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）大部分区域的发育过程中存在特定的神经元细胞死亡期。而神经元的死亡具有时空顺序。

例如：鼠胚：第10天神经元细胞死亡罕见，第14天约70%的大脑皮层细胞死亡；第18天约50%的皮层细胞死亡，而成年鼠皮层细胞几乎无死亡。PCD发生于全皮层，多数位于增殖活跃区。神经元的死亡是调节神经元的数目和连接的重要方式。

出生后CNS仍存在神经元的PCD，主要发生于出生后一周内。小鼠大脑皮层：出生后第一周内凋亡细胞数目进行性增加，其高峰位于出生后第5~8天，之后下降。丘脑中PCD神经元少见。小脑颗粒细胞数目的减少主要见于出生后3~5天（20%~30%），出生后5~9天小脑颗粒细胞

广泛出现核DNA片断化。因此，推测小脑颗粒细胞在突触形成前死亡可能有助于调节细胞的数目。

2．管腔形成中的程序型细胞死亡

发育中的脊椎动物最常见的结构元素便是管（腔）道。在管（腔）道形成处可见细胞死亡。并发现外胚层细胞的外层可诱导其内层细胞的死亡。例如：在小鼠胚胎前羊膜腔的形成时有PCD。另外，人肝内胆管发育的全过程中均伴有PCD。

3．肢体发生中的程序型细胞死亡

肢体发育中最重要的事件之一便是细胞死亡，以使肢体具有特定的造型和曲线。如：鸟类和哺乳类动物指（趾）的形成中有大量的细胞死亡。（但是在有蹼动物如鸭，在趾间蹼区很少或没有细胞的死亡）。

胚胎肢体发育中PCD呈顺序性。观察鼠胚妊娠11~15天肢体发育中的PCD，发现：PCD发生于手（足）间充质细胞，而并不是表面外胚层细胞。指（趾）的形成过程中，指（趾）的间充质细胞的PCD从近手（足）端开始并向远端扩展。PCD开始发生的部位决定了指（趾）形态、掌骨和指（趾）骨的分离和关节腔的形成。指（趾）间区的PCD于胚胎第13天最强烈。胚胎4~5天，PCD于手、足板的胫骨，腓骨边缘大量发生，防止多指（趾），并指（趾）等畸形。PCD开始和终止的定时效应，PCD发生的部位、强度、时限，由近及远进展的方向等均由遗传决定。4．生殖细胞发育过程中的PCD

①卵发生过程中PCD

早期的形态学分析表明：99.9%以上的卵泡发生退化过程，导致生殖期内的卵泡闭锁。女婴出生时约有200万个卵母细胞(为胚胎期的20%),青春期仅剩下40万，其中400个可发育成熟并排卵，其余都闭锁。分析表明，卵泡的闭锁是典型的PCD，即：PCD构成了卵泡闭锁过程的基础。

研究鼠胚特定发育阶段原始生殖细胞的凋亡情况，证明雌性鼠发育12天时未见凋亡细胞；13天－17天时有卵母细胞凋亡。

②睾丸生精细胞的PCD

雄性鼠发育到12天时无PCD，13~17天可见原始生殖细胞凋亡。出生前后约有半数生殖细胞死亡，死亡细胞被睾丸支持细胞吞噬。这些生精细胞的凋亡分为3个时期：a 早期（核内染色体游移到核边缘）；b 中期（凋亡小体）；c 晚期（仅见凋亡小体碎片）。另外，生精细胞的凋亡与鼠的发育期相关，16~28天鼠睾丸内DNA片段含量是8天鼠的1.8~2.0倍。此时PCD最活跃。（灵长类和人类睾丸细胞PCD的报道较少）。

5、脊椎动物胚期泌尿器官发育与程序性细胞死亡。

哺乳动物和其它高等脊椎动物在胚胎发育阶段，泌尿器官和生殖器官均起源于中胚层，二个系统均明显出现暂时性生存的结构。这些结构在成体已消失，但它反映了动物进化历史的过程。高等动物成体阶段结构常在胚胎发育较晚阶段出现，而那些早期出现的，较原始的，而且最终将消失的器官、组织，在它们消失前，常对进化较高级器官的形成起着重要的作用。

脊椎动物泌尿器官起源于体节旁侧的间介中胚层，由它陆续发生前肾→中肾→后肾的分化过程。肾的3个发育过程有顺序诱导作用，即前肾诱导中肾形成，中肾又诱导后肾形成，并且各组成细胞之间又有相互诱导作用。前肾是原始的肾，在脊椎动物发育中很早发生，但除原始鱼类外，在所有脊椎动物体内都己退化。虽然，前肾在发育过程中非常早退化，但它的管道系统却保留下来，对中肾、后肾及生殖系统的发育起着主要诱导作用。前肾发生时，前肾管从前肾向后生长，直通肛门前的消化管。中肾从未分化的生肾组织发生，它受前肾管的诱导向中肾方向分化，中肾的肾小管与中肾管相通，至此，前肾管改称为中肾管。在发育时，如果前肾管被破坏，则从破坏处后段就没有中肾的分化。后肾是成体终生肾，它的形成依赖中肾管。在中肾管后端产生输尿管芽，它朝生肾组织的前方生长，形成后肾管或称输尿管。当输尿管芽与生肾组织接触后，即诱导形成后肾。如果中肾管后端被破坏，则不形成输尿管芽，也就不能诱导后肾的发生。输尿管芽作为后肾发育的诱导者，当它伸入间质，使间质诱导分化并增殖，同时，输尿管芽被诱导而分支。

上述的发育过程中,无用组织的消失过程是有选择性的,预定死亡的细胞在特定时间和部位退化而消失,而整个动物体仍继续生长发育,有实验将大鼠胚胎发育13d的后肾间质分离出来培养,可见未诱导的间质出现程序性细胞死亡所特有的形态特征,如核碎片、核质凝集、细胞核内DNA降解为200bp的小片段。

6、免疫细胞的程序性细胞死亡

程序性细胞死亡是组织发育和细胞增殖过程中维持细胞数目平衡的一个基本功能机制。免疫细胞的增殖和死亡是免疫系统保持自身平衡的重要条件，各种免疫细胞都存在程序性细胞死亡现象。到目前为止，啮齿（nie chi）动物的胸腺细胞在激素等诱导下发生程序性细胞死亡过程仍是程序性细胞死亡研究的经典模型。

7．造血控制与程序性细胞死亡

机体正常造血过程是非常复杂的，不仅是细胞数量的增多，更重要是其功能的分化。在正常发育过程中，血细胞的死亡完全是一种生理性死亡过程。成熟血细胞由骨髓中的造血干细胞产生，在骨髓微环境中，干细胞的发育受各种刺激，包括与其它类型细胞之间生理性相互作用、细胞外基质分子，如纤维粘连蛋白以及生长刺激因子等的相互作用。这些调节因子一起刺激，影响干细胞向血液中成熟细胞的发育和过渡。现已鉴定和克隆出与干细胞发育有关的18种生长因子，有的具有生长刺激作用，而有的则具有生长抑制作用。不仅造血干细胞的增殖和分化过程需要生长因子的刺激，而且细胞的生存也需要细胞因子持续不断地刺激。因这些生长因子撤除之后会造成干细胞程序性细胞死亡。在体外，如果移去生长因子则造血母细胞快速凋亡。

8．血管系统发育中的细胞死亡（PCD）。

鸡翅芽血管系统发育中有血管退化的独特区域。新血管区以空间和时间模式为特征出现，而且与发展中软骨的位置相关。对翅芽切片中内皮细胞进行双标，可以分析微血管的消失。（通过向26-30期鸡胚中注射荧光标记的低密度脂蛋白(DiIacLDL)来标记特异性吸收乙酰化低密度脂蛋白的内皮细胞）。结果表明血管于软骨明显分化前在预定区消退。

鸡胚中，中肾和后肾都有一个肾门系统。中肾的门静脉系统退化。一些中肾的血管表现出血管生成过程来拓殖后肾，然而另外一些中肾的血管表现出退化的迹象，并和中肾一起退化。

三、胚胎发育中程序性细胞死亡的生物学意义

1．淘汰没有作用或不再起作用的细胞。

如在胚胎发育中80%以上的神经细胞和70%~95%的淋巴细胞以及80%的卵母细胞的凋亡，以保证那些有功能的细胞的营养和空间需要。另外，PCD还可以消除没有形成突触连接的神经元。2．消除胚胎发育中迁移错误的细胞。

胚胎发育中有广泛的细胞迁移现象，如原始生殖细胞由卵黄囊向生殖腺迁移时，若迁移到生殖腺以外的部位时，可通过PCD被选择性的消除。PCD消除异常迁移的细胞可以保证胚胎正常的形态发育。