12 细胞命运的决定与细胞特化的机制

本节内容
一镶嵌型发育 二调整型发育
镶嵌型发育
在卵裂的过程中，不同的细胞由于具有不 同的卵质成分(胞质决定子决定) 同的卵质成分(胞质决定子决定)，因而发 育命运不同。如果将一个发育早期的胚胎 的一个卵裂球去掉，胚胎将发育不完整。 这种胚胎发育方式为镶嵌型发育（ 这种胚胎发育方式为镶嵌型发育（mosaic development）。 development）。 整体胚胎好像是自我分化的各部分的总和。
Hans Spemann
两栖动物的调整型发育
他先用婴儿的头发将两栖类刚授精的受精 卵左右两边分开，并让其中一边带有全部 的细胞核。而当细胞分裂到16个细胞时， 通常会有一个核逃跑到另一边，于是另一 边也开始像受精卵一样分裂。最后将可以 得到两个正常的胚胎。 Spemann于是推论 出两栖类的每一个核都有相同的遗传能力 来发育出完整的个体 。
镶嵌型发育
典型的镶嵌型发育的胚胎： 海鞘（Ascidian）、环节动物（annelids）、 （ ） 线虫（nematodes）、软体动物（molluscs） 等。
镶嵌型发育
柄海鞘的镶嵌型发育 海鞘、线虫等的细胞决定发生得很早，因 此，当胚胎受到损伤时，它的调节能力很 差，移走的细胞不能被替代或者补偿。
线虫中P 线虫中P颗粒的分化
果蝇生殖细胞的决定
果蝇卵的后部有一特殊的细胞质区域称极 质，其中富含RNA的小颗粒叫极颗粒。经过 质，其中富含RNA的小颗粒叫极颗粒。经过 受精、卵裂，含有极颗粒的细胞称极细胞， 就是果蝇的原始生殖细胞。如果将原在后 部的极质注射到卵的前部，可使预定发育 为体细胞的细胞发育为生殖细胞。
不同发育时期的 诱导能力 在原肠作用早期， 把神经外胚层移 植到表皮，结果 却只会形成表皮。 但在B中，在原肠 作用的晚期进行 同样的移植实验， 却可以形成神经 板组织，说明细 胞命运的决定， 是有时间性的
调整型发育小结
发育是渐进式的、细胞命运决定于不同的 发育时间。 正常发育情况下细胞Biblioteka Baidu育的方向（Fate of cells）可因条件的改变而改变。 所有动物都同时具有两种发育方式，只不 过不同的动物侧重点不一样。一般来讲， 大多数无脊椎动物侧重于镶嵌型，而脊椎 动物主要采取调整型发育。
细胞发育命运的决定
许多昆虫中另一种命运决定方式。在合胞 许多昆虫中另一种命运决定方式。在合胞 体胚盘中，由卵源性组分之间的相互作用 来决定细胞的发育命运，因而在细胞形成 来决定细胞的发育命运，因而在细胞形成 之前，它们的发育命运已经决定。 之前，它们的发育命运已经决定。
昆虫的表面裂
前13次分裂仅为细胞核的分裂，这期间的胚叫多核胚。在第14 次分裂时，已移至外周的核之间的卵膜内陷，将每个核围成一个细 胞，形成细胞化胚。
在机体发育过程中，一个区域的组织与另 一个区域的组织相互作用，引起一种组织 一个区域的组织相互作用，引起一种组织 分化方向上变化的过程称为胚胎诱导。 分化方向上变化的过程称为胚胎诱导。 胚胎诱导一般发生在内胚层和中胚层或外 胚层和中胚层之间。从诱导的层次上看, 胚层和中胚层之间。从诱导的层次上看, 分为三级, 分为三级,即初级诱导、次级诱导和三级诱 导。
三其它脊椎动物的命运图
斑马鱼 从囊胚到原肠胚的发育过程中，细胞运动 相当复杂，因而构建早期发育的命运图相 当困难。
斑马鱼囊胚期发育命运图
植物半球为不分裂的卵黄细胞，其上为胚盘， 3个胚层来源于胚盘。
鸡胚早期胚盘命运图
鸡胚早期胚盘（相当于爪蟾的囊胚）命运 图的绘制非常困难，一是因为鸡胚的绝大 部分由后缘区发育而来，在早期胚盘中， 部分由后缘区发育而来，在早期胚盘中， 该区域很小；二是鸡胚在原条形成和原肠 运动期间，细胞的增殖和生长都很旺盛， 同时细胞运动广泛，只有在原条形成以后， 其命运图才较为明显。
胞质定域（cytoplasmic localization） localization） 胞质定域（
在镶嵌型发育中，存在形态发生决定子 在镶嵌型发育中，存在形态发生决定子 （morphogenetic determinant），它们在卵 ，它们在卵 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，决定卵裂球的发育命运。 形态发生决定子被定位于特定卵质区域的现象 形态发生决定子被定位于特定卵质区域的现象 叫胞质定域，也称胞质隔离（cytoplasmic 胞质定域，也称胞质隔离（ segregation）、胞质区域化（ segregation）、胞质区域化（cytoplasmic regionalization）、 regionalization）、
两栖类生殖细胞的决定
蛙受精卵中含有一种类似于果蝇极质的物 质。 两栖类未受精卵子中，生殖质位于植物极 皮层的卵黄区域，受精后在微管和类驱动 蛋白的作用下迁移到植物极。 蛙胚的植物极经紫外照射后，不能形成生 殖细胞。
二调整型发育
或细胞间作用决定。是指如果移去早期胚 或细胞间作用决定。是指如果移去早期胚 胎的卵裂球，胚胎剩余的部分则可改变它 们正常的发育命运，来填补移去卵裂球所 留下的空缺，使胚胎仍然发育为一个完整 的胚胎，这种发育方式为调整型 （regulative development）发育。 development）发育。
一 爪蟾发育命运图
边缘区 血液和肾 心脏
爪蟾的命运图是在32细胞期时，对每一个卵裂球 用不同的方法进行标记。
二海鞘发育命运图
命运图
命运图并不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 应的是胚胎在继续发育过程中各区域细胞 的运动趋势，并不是细胞分化的情况。 的运动趋势，并不是细胞分化的情况。 特化图（specification map）可以在一定 特化图（specification map）可以在一定 程度上反应细胞分化的情况。 程度上反应细胞分化的情况。 特化图的绘制方法：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。
形态发生决定子
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 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。
胚胎诱导
由胚孔背唇诱导背轴和神经管的形成， 胚孔背唇诱导背轴和神经管的形成， 习惯上称为初级胚胎诱导。胚孔背唇被 称为组织者（organizer）。 称为组织者（organizer）。
初级胚胎诱导尚不能构筑整个的胚胎。通过 初级胚胎诱导产生的组织，特异的指令另一 组织的命运称为次级胚胎诱导。次级胚胎诱 导的产物又可作为诱导者，通过与相邻组织 作用进行三级胚胎诱导。
鸡 胚 盘 下 胚 层 的 形 成 与 原 条 的 定 位
上胚层细胞再 后端聚集，形 成原条
由于此时 内胚层已 陷入胚胎 内部，因 此在表面 结构中没 有内胚层。
鼠原肠胚晚期命运图
鼠最早期胚胎命运图构建也较为困难，因 为发育时间在3.5天之内的胚胎的内细胞团 为发育时间在3.5天之内的胚胎的内细胞团 可以分化为多种不同的胚胎组织及胚外结 构。发育至6 构。发育至6－7天左右，鼠胚中形成原条， 上胚层经原肠运动形成3 上胚层经原肠运动形成3个胚层。
以眼的晶状体诱导为例。中脑侧壁的两个 膨胀部产生视泡，转变成二层壁的视杯， 内壁产生多层神经元和光受体，统称为视 网膜，而外壁则形成色素层。 视泡诱导了晶状体，晶状体又诱导了角膜， 最终形成正常的眼。
海胆卵裂
第一次第二次为经裂，第三次为纬裂，如 果将胚胎压在玻璃板间，第三次变为经裂， 第四次为纬裂。这样可以改变卵裂球的发 育方向。 Driesch认为卵裂球在胚胎中的相对位置决 Driesch认为卵裂球在胚胎中的相对位置决 定其发育命运。位置改变，卵裂球也相应 的调整自己的发育方向。
2 两栖动 物的调整 型发育
但是Spemann随后进行了另一个类似的实验， 但是他这次切割的经线与上次是互相垂直， 将之后的背与腹两边分开，而这样得到的 却只有一个完整的个体，与一团被称作腹 片（belly piece）的腹部细胞，而没有背 上的结构。
原因
因为在受精之后，细胞质就会开始移动， 在精子进入的相反位置 (背侧)产生一个 gray crescent，而只有带有灰新月的一边 才会正常发育。 对gray crescent进行fate map可以发现这 些细胞会成为dorsal lip的部分，而这部 分也就是gastrulation开始的部分。
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、
图仅代表卵子表面观
形态发生决定子与生殖细胞
动物生殖细胞的形成与细胞质中的形态发 生决定子密切相关，只有含有某些特殊细 胞质（生殖质）的细胞才能发育成生殖细 胞。
线虫生殖细胞的决定
线虫P 线虫P 颗粒
线虫生殖细胞的决定
线虫的生殖质通常被称为P 线虫的生殖质通常被称为P颗粒，对它的分 配是通过一种不对称分裂实现的，这种分 裂方式把它只分配到生殖细胞中，而不分 配到注定要成为体细胞的姊妹细胞中。
调整型发育
在水螅、水母、海胆和脊椎动物的胚胎中，胚 胎细胞的决定主要依赖于细胞间相互作用，胚 胎的调整能力强，且能持续较长的时间。 研究发现，在这些动物的卵中也存在着许多的 母体编码基因产物，接受这些物质的细胞常发 育为某一种细胞。
调整型发育
1 海胆的调整型发育 2 两栖动物的调整型发育
1海 胆 的 调 整 型 发 育
鼠 原 肠 胚 晚 期 命 运 图
命运图小结
比较不同脊椎动物的命运图中各胚层所在 区域及原肠运动时细胞内移位点，可以发 现它们具有很强的相似性，主要差别在于 由于不同的卵子卵黄含量不一，使得卵裂 由于不同的卵子卵黄含量不一，使得卵裂 的类型彼此不同。 命运图的相似性意味着不同的动物可能有 相同的细胞分化机制。 命运图不能反应出早期胚胎细胞的全部发 育潜能，因为命运图反应的是晚期囊胚或 早期原肠胚的胚层分布情况，而实际上脊 椎动物的胚胎仍有很强的发育调整能力。
所以Spemann怀疑灰新月的重要性是在于诱导 原肠作用，并在原肠作用期间影响一些关键的 发育过程。 说明两栖类胚胎发育时具有调整能力，但也像 海胆一样，具有一定的镶嵌发育的特点。
原肠作用期间细胞潜能的变化
将不同原肠时期的细胞，移植到其它胚胎 的不同位置上，并发现早期的原肠胚细胞 会成为该处的细胞形态；但是后期的原肠 胚已经特化，不会因为移植到不同位置而 成为该处的细胞类型，这显示在原肠作用 期间，细胞的分化潜能与时间是相关的。
第三节 胚胎诱导及其作用机制
一 胚胎诱导 二 初级胚胎诱导、Nieuwkoop中心和中胚层 初级胚胎诱导、Nieuwkoop中心和中胚层 的形成 三 中胚层诱导的分子基础 四 组织者活性 五 诱导的区域特异性
一 胚胎诱导（embryonic induction） 胚胎诱导（ induction）
海鞘是研究发育 细胞命运决定的好材料
胚胎透明 24小时从卵到幼虫（2000细胞） 24小时从卵到幼虫（2000细胞） 细胞的位置和发育命运不变
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 的部分结 构
镶嵌型发育
进一步的研究发现，在这些胚胎中也存在 着细胞间相互作用，而且这种作用发生得 很早。
第二节 胚胎细胞发育命运的决定
一个早期胚胎的细胞本来具有多种发育命 运，但由于细胞内的特种物质的存在或相 邻细胞间的影响，使发育命运受限，只按 一种特定的方向分化。 细胞发育命运的决定是指细胞的发育命运 细胞发育命运的决定是指细胞的发育命运 发生了稳定的不可改变的变化。 发生了稳定的不可改变的变化。
十二细胞命运的决定与细胞 特化的机制
本章内容
第一节 命运图 一 爪蟾发育命运图 二海鞘发育命运图 三其它脊椎动物的命运图 第二节 胚胎细胞发育命运的决定 第三节 胚胎诱导及其作用机制
第一节 命运图（fate map） 命运图（fate map）
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，这样的分区图称为命运图。