发育生物学——细胞命运决定

胞质定域
• 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。这一现象称为 胞质定域（cytoplasmic localization）。胞质定域
也称为胞质隔离（cytoplasmic segregation）或
胞质区域化（cytoplasmic regionalization）或胞 质重排（cytoplasmic rearrangement）。
海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的 分离
表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部(apical region), 卵裂时进入动物极裂球中。 内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂时进入植 物极裂球中。
• 秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细 胞质决定，而不是由邻近细胞间相互作用决 定。其胚胎中发现的SKN－1蛋白质就很可能 是一种“转录因子”样形态发生决定子。 • 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。
发育潜力已经单一化。
Cell fate: specification and determination
Cell fate: specification and determination
• 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。 • 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，某一组织或器官的细胞必需 先定型，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。定型之后，分化方向变得不可逆 转。
细胞命运决定及命运图
山东师范大学生命科学学院
• 动物有机体是由分化细胞(specialized cell)组成 • 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异
• 从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细 第二节 胚胎细胞发育命运的决 胞分化。已分化的细胞不但具有一定的形态和合成特异 定 的产物，而且行使特异的功能。
"French flag" model
Single gradient
当信号分子从一个源
头向外扩散时，往往
形成一个信号的浓度
梯度，使得距源头远 近不同的细胞根据自 己周围信号分子的阈 浓度，表现出各种不
同的行为。
A. staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影 响oskar基因的表达。B. 研究明了的影响果蝇生殖细 胞发生的6种基因的作用顺序。
细胞命运的定型的作用方式
• 胚胎诱导：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。 有条件特化（conditional specification），因为细胞命运取决于与 其临近的细胞或组织。以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为 调整型发育（regulative development），或依赖型发育。脊椎动 物为主。
脊椎动物骨骼肌的分化主要特征
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
第二节 胚胎细胞发育命运的决定 定型 (commitment): 细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变化
，使细胞命运朝特定方向发展。 -- 特化（specification） -- 决定（determination）
细胞间的相互诱导
来自外部的信号使一群
细胞中的一个或更多的
成员进入不同的发育 途径。
细胞被导入新的发育途径
诱导作用可使细胞互为不同 信号传导特点
传递距离有限 并非所有细胞都能对 某种信号发生反应。 不同类型细胞可对同 跨膜蛋白的 一信号发生不同反应, 直接互作 e.g., 乙酰胆碱使心肌 收缩频率下降，但促使 唾液腺分泌唾液。
胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！
细胞命运的定型的作用方式
• 胞质隔离 (cytoplasmic segregation)：卵裂时，受精卵内特定的细 胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成 哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。 自主特化（autonomous specification）。以细胞自主特化为特点 的胚胎发育模式称为镶嵌型发育 (mosaic development)，或自主性 发育，整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。无脊椎动物为主。
果蝇极质
• 果蝇生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cellless）基因转录的mRNA。 另一种可能是Nanos蛋白。Nanos mRNA蛋白位于 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。 至少有8种母体效应基因（maternal effect gene ）的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细 胞。
•
早期胚胎中，卵裂球的发育命运没有决定
(determination)。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。
细胞发育命运的决定是一个渐进的过程
两栖动物眼区细胞的潜能随发育时期的不同而改变 原肠胚中眼区将 发育为眼睛。 将原肠胚中眼区 细胞移植到神经 胚的躯干区，它 们将按新部位的 命运发育为体节 和脊索。 将神经胚中眼区 细胞移植到神经 胚的躯干区，它 们仍将发育为类 似于眼的结构。
Cell fate determination
Cytoplasmic localization and asymmetric cell division: result in daughter cells having properties different from each other; chemical differences distributed in the egg in the form of determinants (mRNA or proteins, Xenopus- VegT, vegetal regions of the fertilized egg)
A，正常发育；B，分 离的动物半球的发育； C，动物半球与veg1细 胞的组合发育；D，动 物半球与veg2细胞的 组合发育；E，动物半 球与小卵裂球的组合 发育。 在每一种组合中，都 有细胞相互作用而改 变原定的发育命运的 现象。
• 一般来说，在多数无脊椎动物胚胎发育过程
中，主要是细胞自主特化在发生作用，细胞
海鞘不同区域的卵 细胞质分别与未来 胚胎特定的发育命 运相联系。黄色新 月区含有黄色细胞 质，称为肌质 （myoplasm）， 将来形成肌细胞。 灰色新月区含有灰 色细胞质，将来形 成脊索和神经管。 动物极部分含透明 细胞质，将来形成 幼虫表皮。灰色卵 黄区含大量灰色的 卵黄，将来形成幼 虫消化道。
skn-1突变体中肠和咽部的缺陷
形态发生决定子的性质
• 形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或
mRNA等生物大分子来自百度文库质，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。
• 海鞘胚胎中： 第一类是可以激活某些基因（乙酰胆碱酯酶 基因）转录的物质，因为海鞘胚胎中多数组织 特异性结构的形成都对转录抑制剂敏感； 第二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一 定的区域，在卵裂时分布到预定的裂球中。 • 探讨胚胎的决定状态，应对决定细胞发育命运 的蛋白质或mRNA进行分析鉴别，而不是分析 鉴别细胞分化时产生的特异性蛋白质和mRNA 。
Weismann理论的核心强调早期的卵裂必须为 不对称卵裂。卵裂结果产生的子细胞彼此之间是 完全不同的。
细胞质中决定因子的定位和细胞不对称分裂使 细胞变得不同
细胞分裂时母细胞中的某些分子不均等地分配到两个子 细胞中，造成子细胞向不同方向分化。
不对称分裂：生成不同的子细胞
细胞质分裂时分配到子 细胞中的细胞质不均一 ,在一定程度上决定了 细胞的早期分化。细胞 质中决定细胞命运的特 殊信号物质称为决定子 (determinant)
Morphogen: 某种化学物质 浓度变化影响到图式形成.
The concentration of substance at either end of the gradient must remain different from each other but constant, thus fixing boundary
• 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，可以说这个细胞或组织已经特化。 They develop according to normal fate. • 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时，可以 说这个细胞或组织已经决定。细胞特性发生了不可逆的改变，
柄海鞘的镶 嵌型发育。
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。
• 海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的 镶嵌型发育的胚胎还有栉水母 (tenophores)、环节动物(annelids)、线 虫(nematodes)和软体动物（molluscs） 等。另一方面，海胆、两栖类和鱼类等动 物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在 这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞 质中，也存在着形态发生决定子。 • 形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵 子细胞质中。
扩散性 信号分子 间隙连接
Signal transduction
相邻细胞相互作用决定分化方向
图式建成依赖于细胞对位置信息的译读
法国国旗模式
每个细胞位置信息： 获得位置值(positional value)，这个值决定它的位置 (两端 的边界) 细胞译读位置信息
细胞如何知道它们的 positional value? 由形态发生素梯度产生
有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过
程中则相反，主要是细胞有条件特化在发生 作用，细胞自主特化次之。
Cell fate determination Induction: a signal from one group of cells influences the development of an adjacent group of cells; 细胞间的 诱导作用使得细胞之间互不相同。 Permissive induction: a cell makes only one kind of response to a signal at a given level. Instructive induction: the cell respond differently to different concentrations of the signal.
Driesch的海胆胚胎分离发育实验。A，正常长腕幼虫， B，单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。
海胆的调整型 发育过程中也 存在镶嵌式发 育的成分。
半个8细胞期海胆胚胎的发育。A，沿赤道面将胚胎分 为两半，B，沿动植物极轴将胚胎分为两半。
海胆受精 卵的不对 称性
海胆64细胞期胚胎各 部分细胞的组合发育 （Horstadius, 1939）。
Cell fate determination
Asymmetric division: stem cell: repeated division-stem cells and differentiate into a variety of cell types; in adult-self renewal; Pluripotent.