第一篇 发育生物学基本原理

1. 海鞘形态发生决定子的运动
（1）肌质 （2）内胚层 （3）表皮
海鞘卵子受精时，卵质运动，产 生独特的胞质区域； 不同的胞质区域含有不同的形态 决定子，并在卵裂时分配到不同 的卵裂球中。
2 软体动物 第 1次卵裂：AB、CD（含极叶） 第 2 次卵裂： D（含极叶）
极叶形成是卵裂期间过渡性的一种形态 变化，是由于卵内部物质流动引起。极 叶中含有控制 D裂球特定分裂节奏、分 裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。
定型分为特化和决定两个时相 • 特化 specification： 当细胞或组织放在中
性环境如培养皿中可以自主分化时，该细胞或 组织已经特化。 已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的。
• 决定 determination：当一个细胞或者组织
放在胚胎另一部位可以自主分化时，该细胞或 组织已经决定。 已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。
中，都存在形态发生决定子。
• 另一方面，海胆、两栖类和鱼类等胚胎属于典 型的调整型发育胚胎。同样，也存在着形态决 定子。
二、胞质定域
形态发生子在卵细胞质中呈一定形式分布， 受精后发生运动，被分隔到一定区域，并在卵
裂时分配到特定的卵裂球中，决定裂球的发育
命运。这一现象称为胞质定域，或胞质隔离、
胞质区域化、胞质重排。
肌肉 腹神经索
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。 下：背面观
例2：Hale Waihona Puke Baidu鞘
图1-1 受精时细胞质决定子的隔离
透明动物极 灰色新月区 黄色新月区 灰色卵黄区
表皮 脊索和神经管 肌肉 消化管
卵裂过程中，不同细胞质被分配 到不同裂球中，卵质不均分配从而 决定裂球的命运。
第一节 基因组相同和基因差异表达
一、有机体不同组织细胞基因组相同 （一）遗传学证据
染色体数目
（二）胚胎学证据
不同细胞期的卵裂球 可单独发育个体
（三）分子生物学证据
分子杂交
同一有机体的不同细胞，无论是已决定的细胞或是已 分化的细胞，都与未分化细胞的核相同，具有相等的 基因组结构，即基因组相同。
二、发育过程中，核潜能的限定
卵子细胞质的不对称性，灰色新月区（原 肠作用发动者）。
3 移植实验
• 图1.22 • 表1.3
体节
眼状
• 在早期原肠胚(特化)向晚期原肠胚过渡的过程中, 胚 胎细胞的发育潜能逐渐受到限制； • 到了原肠胚晚期, 原肠胚的细胞发育命运已经(决定)。
• 二
• 诱导：胚胎的一个部分对另一个区域发生影响，
第一篇
发育生物学基本原理
第一章 细胞命运的决定 第二章 细胞分化的分子机制
——转录和转录前调控
第三章 细胞分化的分子机制
——转录后调控
第四章 发育中的信号传导
第一章
细胞命运的的决定
动物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。
表1.1 部分已分化细胞的类型、特征产物及功能
第一节 细胞定型和分化
• 事实上，任何动物的胚胎发育过程中，两种细 胞定型方式在一定程度上发生作用。
• 一般来说，无脊椎动物胚胎发育过程中，细胞 自主特化为主，细胞有条件特化次之；脊椎动 物胚胎发育过程中，细胞有条件特化为主，细 胞自主特化次之。
第一节
细胞发育通过形态发生决定 子自主特化
一、形态发生决定子
形态发生决定子（成形素、胞质决定子）：细 胞质中含有的决定细胞分化的特定物质。
镶嵌型发育：以细胞自主特化为特点的胚 胎发育模式。
特征： 在胚胎发育早期，将某特定的卵裂球从整体胚 胎分离下来，它会形成如其整体胚胎中将形成 的结构一样；而胚胎其余部分形成的组织会缺 乏分离裂球能产生的结构，两者恰好互补。
• 整体胚胎是由能自我分化的各部分组合而成。
（2）有条件特化（渐进特化、依赖型特化）：细胞 发育命运完全取决于其相邻的细胞或组织。 通过胚胎诱导实现：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细胞 的分化方向。
细胞分化 cell differentiation： 从单个全能细胞（受精卵）产生各种类 型分化细胞的发育过程。
已分化细胞不仅具有一定形态特征、合 成的特异性产物，而且行使特定的功能。 分化细胞与未分化细胞的差异?
。
细胞定型 commitment： 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的过程。 定型细胞与未定型细胞: 表型相近，但前者发育命运限制。 在细胞发育过程中，定型和分化是两个相 互关联的过程。
挤压实验
B4.1 b4.2
肌肉 无肌肉
将B4.1黄色新月区胞质挤压入b4.2，b4.2 产生肌肉
这些表明：细胞质存在某些形态发生决定子，能够 决定细胞朝一个方向分化，形成一定的组织结构。
• 海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。 • 其他还有：栉水母、环节动物、线虫、软体动
物。在这些典型镶嵌型发育动物的卵子细胞质
• 8-细胞
既镶嵌型发育, 又调整型发育
64 cell
4. 双梯度模型
• 植物极化梯度 • 动物极化梯度 • 双梯度模型 (图1.19)
二、 两栖类发育调控
1. Spemann 结扎实验(蝾螈)
图1.20
两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每个 细胞核都具有发育形成完整机体的潜能
2 两栖类卵子不对称实验 Spemann, 1938
分离实验
图1-2
海鞘胚胎的镶嵌决定作用
（1）每对卵裂球的发育命运不同 B4.1 发育形成内胚层、间质和肌 肉组织 （2）胚胎中神经组织是从动物极前面 一对裂球（a4.2）和植物极前面一对裂 球（A4.1）产生； 单独培养时，它们都不能形成神经 组织。 在海鞘这样严格的镶嵌型发育胚胎中，也存在裂球之间 相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。
特殊细胞表型。大部分限制、 5-10%的信息表达。
• 全能细胞 totipotent cell
• 多能细胞 pluripotent cell
• 专能细胞 multipotent • 双能细胞 bipotent • 单能细胞unipotent
• 细胞分化是基因差异性表达的结果。体细胞基 因组相同, 但由于基因差异性表达，不同细胞 具有了不同的转录组、蛋白质组。 引起差异基因表达来源： —— 细胞内卵质差异 —— 细胞外周围环境，邻近细胞位置信息、细 胞外信号分子 差异基因表达的调控机制： —— 基因差异转录 —— 核RNA的选择性加工 (转录组） —— mRNA的选择性翻译 （蛋白质组） —— 差别蛋白质的加工（功能蛋白质组） —— 表观遗传修饰（甲基化、组蛋白修饰等）
并使后者沿着一条新途径分化的作用。
• 经典实验胚胎学：脊索中胚层诱导外胚层细胞 分化成神经组织（初级胚胎诱导）。
初级胚胎诱导（广义）的四个阶段： • 第一阶段：受精诱导背部化决定子的激 活，形成背部细胞 Niuwkoop中心 • 第二阶段：诱导形成 组织者、中胚层 • 第三阶段：组织者 诱导 神经组织 • 第四阶段：神经组织 区域化
三、基因组相同的例外 1 染色体消减 马蛔虫: —— 体细胞中80%的DNA丢失 2 基因重排 B淋巴细胞：通过免疫球蛋白基因重排。
染色体中失去 32 条，只有位于卵子后端的 2 个
细胞核染色体不会消减，而且停留一段时间不
分裂。最终，这 2 个细胞核形成生殖细胞的核。
极质(卵子后端的生殖质)在生殖细胞决定中其 中重要作用
5 两栖类（林蛙）
受精卵的植物极皮层区域含有与果蝇卵中极质类似的 物质，在发育过程中进入少数几个预定的内胚层细胞， 最终迁移到生殖嵴内。
3 线虫（副蛔虫）
第1次卵裂：纬裂，染色体消减 第2次卵裂：经裂、纬裂 第4次卵裂：仅最靠近植物极的裂球保留全部染色体数， 发育成为生殖干细胞。其中，含有某些能保护染色体 数不发生消减的物质。 植物极胞质中含有能决定生殖细胞形成的物质(生殖质)
4 昆虫（蠓）
胚胎卵裂时，多数细胞的细胞核从原来的 40 条
• UV照射: 不能形成正常的生殖细胞
蛙类受精卵植物极区域细胞质中含有控制生殖细胞形 成和迁移的决定子。
三、形态发生子的性质
一、 海鞘形态发生决定子
（1）激活某些基因转录的物质 （2）RNA
二 、果蝇极质 蛋白质、RNA分子
gcl mRNA Nanos蛋白 线粒体大核糖体（mtlrRNA）
第二节 细胞命运通过相互作用的 渐进特化
要点： • 细胞分化 • 细胞定型及其时相（特化、决定） • 细胞定型的两种方式与其特点（自主特化、有条件特化） • 胚胎发育的两种方式与其特点（镶嵌型发育、调整发育）
• 形态决定子 • 胞质定域（海胆、软体动物、线虫） • 细胞命运渐进特化的系列实验 • 双梯度模型 • 诱导、胚胎诱导
第二章 细胞分化的分子机制
相互作用之前，细胞具有多种分化潜能，但和邻近 细胞或组织相互作用后逐渐限制了它们的发育命运， 使之朝某一特定方向分化。
调整型发育：以细胞有条件特化为特点的 胚胎发育模式。
特征：
在胚胎发育早期，将某特定的卵裂球从整体胚 胎分离下来，剩余的胚胎中某些细胞可以改变 命运，填补分离掉裂球的所留下的空缺，仍形 成一个正常的胚胎。
Briggs & King（1952, 1960） 豹蛙 核移植实验 早期卵裂：100%发育成正常蝌蚪 囊胚： 80%发育成正常蝌蚪 原肠胚：50%发育成正常蝌蚪 神经胚：10%发育成正常蝌蚪
随着胚胎发育的不断进行，细胞核指导发育的 潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育 的能力。
• 分化细胞核的潜在全能性 • 分化细胞 核移植 不能获得正常的胚胎。
例1 水蛭
卵裂、囊胚期细胞数目 相对少，可以根据大小、形 状和位置将卵裂球区分，追 踪卵裂球的来源及其发育命 运（细胞系谱）
32 cell
分化组织是早期由某一特定卵 裂球发育而来，在以特定的卵 裂方式产生卵球的过程中，特 定的细胞质（形态发生决定子） 不均等分配。
• • 中胚层干细胞 •
中胚层成肌肉胚带 成神经细胞的神经胚带
• 个体发育的中心问题是细胞分化。
从表型特征上，将可细胞分为3种类型： • 全能细胞：能够产生有机体所有细胞表型，或者一个完整
的有机体。全套基因信息都可以表达。
• 多潜能细胞：发育潜能受到一定的限定，仅能分化形成
特定范围内的细胞。部分限制、部分表达。
• 分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的
• 核克隆：将内胚层细胞、小肠上皮细胞、红细 胞的细胞核移植进去核卵中，再将卵裂期或囊 胚期的核再次移植，也可获得正常的胚胎。
克隆羊Dolly（1996）：母羊乳腺上皮细胞核 一系列克隆动物
iPS 诱导多能干细胞
• 2006年日本京都大学山中伸弥（Shinya Yamanaka）领 导的实验室在《细胞》上率先报道了iPS的研究。他们 把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子用逆转 录病毒引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导 其发生转化，产生的iPS 干细胞，与胚胎干细胞极为相 似。 • 2007年11月，美国威斯康星大学Thompson实验室几乎 同时报道，利用ips技术同样可以诱导人皮肤纤维母细 胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。采 用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这 种因子组合。 • 这些研究成果被美国《科学》杂志列为2007年十大科 技突破中的第二位。 2012年10月8日，John B. Gurdon 与 Shinya Yamanaka 因此获得 诺贝尔生理学和医学奖
近朱者赤，近墨者黑 出淤泥而不染
细胞定型的两种方式：自主特化 和 有条件特化
胚胎发育的两种方式：镶嵌型发育 和 调整型发育
（1）自主特化：细胞命运完全由内部细胞质决定。 通过胞质隔离实现：卵裂时，受精卵内特定的细 胞质分离到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特 定细胞质决定它发育成哪一类细胞，而与邻近细 胞无关。
一、经典的胚胎学实验
1. Roux 1887 缺损实验 ( 蛙 )
• • •
镶嵌型发育 缺损实验 奠定实验胚胎学
1910, McClendon 蛙胚两裂球分离实验，两裂球分开后都 可以完全发育
2. Driesch分离组合实验(海胆)
• 2-细胞
调整型发育
• 4-细胞 （与上述结果相同）
3. Horstadius 分离实验(海胆)