发育生物学第一章细胞命运的决定和细胞的自主特化

海鞘不同胞 质决定子的 镶嵌分布。


Reverberi和Minganti（1946）证明海鞘裂球 的发育命运在8细胞期已经决定，此时的裂 球分离后能够自我分化。不过神经系统的 发育例外，只有当动物极前面一对裂球a4.1 和植物极前面一对裂球A4.2配合后，才形 成神经组织。 在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也 存在着裂球之间相互作用决定细胞发育命 运的渐进决定作用。Ortolani（1959）证明 海鞘外胚层细胞直到64细胞期时尚未定型 发育成神经组织。

Conklin（1905）通过跟踪柄海鞘裂球的发育 命运发现：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。


对细胞呈有条件特化的胚胎来说，如果在胚 胎发育的早期将一个分裂球从整体胚胎上分 离，那么剩余的胚胎细胞可以改变发育命运， 填补所留下的空缺。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）。 海胆的发育是典型的调整型发育。在4细胞 期或8细胞期分离卵裂球，细胞也能发育为 完整的幼虫，只不过幼虫体积较小。其每一 个卵裂球在被分离后，都能调整自身的发育， 以形成一个完整的机体。


海鞘胚胎也是依据卵内贮存信息进行自我 分化的镶嵌体。海鞘胚胎卵裂时，不同的 细胞接受不同区域的卵细胞质。不同区域 的卵细胞质含有不同的形态发生决定子， 能够使细胞朝一定的方向分化。 某些海鞘卵细胞质不同区域具有不同的颜 色，卵子受精时不同区域的细胞质分配到 不同的裂球中。
海鞘不同胞质决定子的运动比较
只有在原条形 成以后，其命 运图才显得较 为明确。
小鼠晚期原肠胚 的命运图（背面 观），原条已经 完全形成。

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，主要差别在于不同的卵子卵黄含量不 一样，而使得卵裂的类型和胚胎的形状彼 此不同。 命运图的相似性意味着不同动物可能有相 同的细胞分化机制。当然命运图不能反映 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。
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。

海胆胚胎除了具有典型的调整型发育特点 之外，也显示出某些镶嵌型的特点。如果 将胚胎沿原先的赤道面分隔为两半，则两 部分都不能发育为完整的幼虫。
海胆各卵裂球的发育命运图
Horstadius进行了胚胎学史上的一个最 引人注目的实验，他首先研究了海胆64 细胞期胚胎每一层细胞的发育潜能。
两栖动物的调整型发育

Spemann（1938）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）。
两栖动物卵的不对 称性。 改变结扎的方向， 沿未来的背腹轴将 受精卵结扎，只有 含有灰色新月区细 胞质的背侧半球能 发育成完整胚胎。 说明灰色新月区对 胚胎发育是不可缺 少的。两栖类动物 的胚胎发育也具有 镶嵌发育的特点。
三 形态发生决定子

形态发生决定子（morphogenetic determinant） 也称为成形素（morphogen）或胞质决定子 （cytoplasmic determinant），其概念的形 成源于对细胞谱系的研究。
在卵裂过程中，卵质中的不同胞质成分被分隔到不 同的子细胞中，不同的细胞由于具有不同的卵质成 分，因而其发育命运不同。
Figure 8.39. Cytoplasmic segregation in the egg of Styela partita. The yellow crescent, originally seen in the vegetal pole, becomes segregated into the B4.1 blastomere pair and thence into the muscle cells. (Photographs courtesy of J. R. Whittaker.)
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，来自 Spemman组织者以及腹方的信号将发挥作用。
斑马鱼早 期原肠胚 的命运图。
第一篇
发育生物学基本 原理
第一章 细胞命运的决定
动物有机体是由分化细胞组成的。 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。

部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能

但在早期胚胎中，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。 细胞的发育命运的决定是一个渐进的过程。
植物半球为 不分裂的卵 黄细胞，其 上为胚盘，3 个胚层来源 于该胚盘。 此时部分内 胚层细胞已 迁入胚胎内。
鸡胚的早 期胚盘， 示后缘区。
鸡胚的绝大 部分由后缘 区（posterior marginal zone） 发育而来。 在早期胚盘 中所占的比 例很小，命 运图的绘制 非常困难。
鸡胚原条完 全形成时的 命运图。
定型的两种主要方式：

第一种方式的细胞定型是通过胞质隔离 （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。这种定型方式称为自主特化 （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），或自主型发育， 整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。

脊椎动物胚胎在各自相当发育阶段的命运图之比较。
二 细胞的定型和分化


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）。已分化 的细胞不但具有一定的形态和合成特异的产物， 而且行使特异的功能。 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，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。

Whittaker用玻针反复挤压，使海鞘的分裂沟 退化，而形成新的分裂沟，部分肌质即黄色 新月区胞质便转移到预定外胚层细胞中。肌 质转移到预定非肌细胞后，也能产生肌肉。
Whittaker用玻针反复挤压B4.1裂球，使分裂沟退化。随后，在更靠近植物 极的区域重新形成分裂沟。使部分肌质即黄色新月区胞质转移到b4.2裂球 中， b4.2裂球接受肌质后，也能产生肌肉。
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。
爪蟾晚期囊胚的发育 命运图 上：侧面观，外胚层 形成上皮和神经系统， 沿着背腹轴的带状区 域为中胚层，由它形 成脊索、体节、心脏、 肾和血液。爪蟾中胚 层表面还覆盖有一薄 层外胚层。
下：囊胚背面观


命运图并不是表示早期胚胎中各区域的细 胞发育命运已经确定了，它在很大程度上 反映的是胚胎在继续发育过程各区域细胞 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。特 化图与命运图之间有很大程度的相似性， 但在外胚层和中胚层存在很大的差别。

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， 细胞有条件特Βιβλιοθήκη Baidu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。
细胞定型方式及其特点
自主特化 1、多数无脊椎动物具有 2、细胞命运由其所获得的卵内 特定的细胞质组分决定 依赖型特化 所有脊椎动物及少数无脊椎动物 细胞命运由细胞之间相互作用决 定，细胞的相对位置颇为重要
海胆的调整型 发育过程中也 存在镶嵌式发 育的成分。
海胆64细胞期胚胎各 部分细胞的组合发育 （Horstadius, 1939）。 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。


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）。 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。


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。相 比之下，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。

两栖类 发育过 程中眼 区发育 命运的 渐进决 定
细胞的发育命运、特化和决定。
第一节 细胞命运通过 形态发生决定子自主特化
一

发育命运图
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）。
Deno和Satoh用显微注射的方法将B4.1裂球中的肌质移植到预定非肌质细胞 后，这些细胞也产生肌肉。 说明卵细胞质中存在某些形态发生决定子，能够决定细胞朝一定方向分化， 形成一定组织结构。
Figure 3.10. Microsurgery on tunicate eggs forces some of the yellow crescent cytoplasm of the muscle-forming B4.1 blastomeres to enter the b4.2 (skin- and nerve-producing) blastomere pair. Pressing the B4.1 blastomeres with a glass needle causes the regression of the cleavage furrow. The furrow will re-form at a more vegetal position where the cells are cut with a needle. The new furrow will thereby separate the cells in such a way that the b4.2 blastomeres receive some of the muscle-forming ("yellow crescent") B4.1 cytoplasm. These modified b4.2 cells produce muscle cells as well as their normal ectodermal progeny. (After Whittaker 1983.)


柄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。 柄海鞘8细胞期胚胎卵裂球的发育命运已发 生决定。尽管柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型， 但实际上不同的卵裂球之间依然存在着相 互诱导作用。其外胚层区域直到64细胞期 时还没有“神经化”，显然外胚层细胞的 发育命运不仅仅是由胞质决定子决定的。
3、卵裂方式不可改变
4、裂球发育命运一般不可改变 5、细胞特化发生在胚胎细胞 大量迁移之前 6、产生“镶嵌型”发育
卵裂方式可以改变
裂球的命运可改变 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 产生“调整型”发育
注：一般两种细胞定型同时存在于胚胎发育中，但不同动物两 种方式发挥作用的程度不同
海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的分离
海鞘分裂 球的决定 谱系
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。
海鞘的肌 肉细胞谱 系


第二种方式的细胞定型是通过胚胎诱导实 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，也就是发育命运。 初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜 能，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。细胞命运的这种定型方式称 为有条件特化（conditional specification）或 渐进特化（progressive specification）或 依赖型特化（dependent specification） 。