发育生物学——细胞命运决定ppt课件
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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。
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
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。
形态发生素梯度
Morphogen (诱导相邻细胞发育的信号分子,可 扩散的蛋白质,转录因子) 常在轴一端合成,扩 散,细胞沿轴受到不同的Morphogen的浓度, 从而在不同浓度下诱导不同基因表达图。分泌 成形素的一组特殊细胞称为组织者 (organizer)。
Instructive induction: the cell respond differently to different concentrations of the signal.
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
• 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， 发育潜力已经单一化。
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
胞分第化。二已节分化的胚细胎胞不细但胞具有发一育定命的形运态的和合决成特异 的产物，而且行使特异的定功能。
。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。
• 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。
胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！
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。
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。
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
因条第件的二改节变而改胚变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）
The concentration of substance at either end of the gradient must remain different from each other but constant, thus fixing boundary
"French flag" model Single gradient
• 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。
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。
the form of determinants
(mRNA or proteins, Xenopus- VegT, vegetal regions of the fertilized egg)
Cell fate determination
Asymmetric division: stem cell: repeated division-stem cells and differentiate into a variety of cell types; in adult-self renewal; Pluripotent.
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。
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.
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
Morphogen: 某种化学物质 浓度变化影响到图式形成.
果蝇极质
• 果蝇生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cell-
less）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
• 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 。
• 形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵 子细胞质中。
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。
诱导作用可使细胞互为不同
信号传导特点
扩散性
传递距离有限
信号分子 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。
间隙连接
wenku.baidu.com
Signal transduction
相邻细胞相互作用决定分化方向
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)
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 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。
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: 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
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
• 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。
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等生物大分子物质，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。
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。
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
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。
形态发生素梯度
Morphogen (诱导相邻细胞发育的信号分子,可 扩散的蛋白质,转录因子) 常在轴一端合成,扩 散,细胞沿轴受到不同的Morphogen的浓度, 从而在不同浓度下诱导不同基因表达图。分泌 成形素的一组特殊细胞称为组织者 (organizer)。
Instructive induction: the cell respond differently to different concentrations of the signal.
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
• 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， 发育潜力已经单一化。
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
胞分第化。二已节分化的胚细胎胞不细但胞具有发一育定命的形运态的和合决成特异 的产物，而且行使特异的定功能。
。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。
• 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。
胚胎发育早期，细胞的发育潜力更大！
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。
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。
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
因条第件的二改节变而改胚变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）
The concentration of substance at either end of the gradient must remain different from each other but constant, thus fixing boundary
"French flag" model Single gradient
• 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。
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。
the form of determinants
(mRNA or proteins, Xenopus- VegT, vegetal regions of the fertilized egg)
Cell fate determination
Asymmetric division: stem cell: repeated division-stem cells and differentiate into a variety of cell types; in adult-self renewal; Pluripotent.
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。
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.
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
Morphogen: 某种化学物质 浓度变化影响到图式形成.
果蝇极质
• 果蝇生殖质（极质）的组分之一是gcl（germ cell-
less）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
• 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 。
• 形态发生决定子广泛存在于各种动物的卵 子细胞质中。
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。
诱导作用可使细胞互为不同
信号传导特点
扩散性
传递距离有限
信号分子 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。
间隙连接
wenku.baidu.com
Signal transduction
相邻细胞相互作用决定分化方向
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)
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 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。
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: 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
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
• 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。
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等生物大分子物质，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。