發(fā)育生物學(xué)四周簡

發(fā)育生物學(xué)四周簡第1頁/共65頁細(xì)胞長大+細(xì)胞增殖本質(zhì)：蛋白質(zhì)與核酸等合成細(xì)胞生長1細(xì)胞長大:細(xì)胞體積↑胞質(zhì)長大胞核長大2細(xì)胞增殖：細(xì)胞數(shù)量↑

由細(xì)胞分裂實現(xiàn)第2頁/共65頁生長方式損傷或刺激可誘導(dǎo)細(xì)胞增殖或生長。如將大鼠肝臟切除2/3，剩余部分增殖使肝臟恢復(fù)原來的大小第3頁/共65頁生長方式切除腎的一部分，剩余部分主要通過細(xì)胞增大而增大。細(xì)胞增殖受內(nèi)外因素的控制第4頁/共65頁細(xì)胞分化---發(fā)育生物學(xué)研究之核心細(xì)胞分化(celldifferentiation）定義：由同一個受精卵分裂、增殖而來的胚胎細(xì)胞發(fā)育成具有特殊形態(tài)與功能的專一化細(xì)胞的過程。在細(xì)胞分化的基礎(chǔ)上，胚胎逐漸產(chǎn)生出許多不同的組織、器官和系統(tǒng)，協(xié)調(diào)地組成一個復(fù)雜、精巧、能自主生活的生命個體。第5頁/共65頁細(xì)胞分化經(jīng)歷的事件：化學(xué)分化:合子基因激活、特異蛋白合成

RBC（血紅蛋白）形態(tài)分化：核分化、胞質(zhì)分化功能分化總體上分為兩個階段：一、細(xì)胞命運(yùn)的決定（determination）二、細(xì)胞的分化（differentiation）第6頁/共65頁細(xì)胞命運(yùn)的決定決定是指細(xì)胞被賦予特殊的“使命”或“命運(yùn)”，并進(jìn)入程序性分化的過程。在這一階段，細(xì)胞雖然還沒有顯示出特定形態(tài)的、生理的和生化的特征，但是已經(jīng)確定了向特定方向分化的程序。第7頁/共65頁二、決定的兩種基本方式1、鑲嵌型發(fā)育(mosaicdevelopment)：由細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的形態(tài)發(fā)生決定因子決定，整體胚胎象是自我分化的各部分組裝在一起的集合體。（自主發(fā)育）2、調(diào)整型發(fā)育(regulativedevelopment)：胚胎發(fā)育過程中，相鄰細(xì)胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發(fā)育）第8頁/共65頁形態(tài)發(fā)生決定子（morphgeneticdeterminant）也稱為成型素（morphogen）或細(xì)胞質(zhì)決定子（cytoplasmicdeterminant），是卵子或受精卵中存在的能夠決定細(xì)胞的分化方向，發(fā)育形成一定的組織和形態(tài)結(jié)構(gòu)的特殊細(xì)胞質(zhì)因子。形態(tài)發(fā)生決定子在受精卵中的特殊定位，以及卵裂時對各個子細(xì)胞分配的不均一性稱為細(xì)胞質(zhì)定域（cytoplasmlocolization）。

1.鑲嵌型發(fā)育第9頁/共65頁由于鑲嵌型發(fā)育的胚胎細(xì)胞定型方式與鄰近細(xì)胞的相互作用無關(guān)，因此，如果在發(fā)育的早期將一個卵裂球從胚胎整體上分離下來進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)，它仍然會發(fā)育成在整體中負(fù)責(zé)發(fā)育的組織結(jié)構(gòu)，而胚胎的其余部分發(fā)育形成的胚胎中將缺乏這種組織結(jié)構(gòu)，二者恰好互補(bǔ)。如：海鞘。第10頁/共65頁柄海鞘受精卵的細(xì)胞質(zhì)根據(jù)所含色素不同可分為四個不同的區(qū)域.動物極部分含透明的細(xì)胞質(zhì)；植物極部分靠近赤道處有兩個彼此相對排列的新月區(qū)，一個是呈淺灰色的灰色新月區(qū)，和一個呈黃色的黃色新月區(qū)；植物極的其他部分含灰色卵黃，為灰色卵黃區(qū)。第11頁/共65頁動物極部分含透明細(xì)胞質(zhì)，將來形成幼蟲表皮。黃色新月區(qū)將來形成肌肉細(xì)胞，稱為肌細(xì)胞質(zhì)?；疑略聟^(qū)將來形成脊索和神經(jīng)管?；疑腰S區(qū)含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲的消化道。

第12頁/共65頁用卵裂球分離的方式證明：每個卵裂球都負(fù)責(zé)產(chǎn)生幼蟲的一定的組織。當(dāng)特定的卵裂球分離下來后，由這些卵裂球負(fù)責(zé)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)在幼蟲中便不復(fù)存在。

第13頁/共65頁因此，海鞘每個卵裂球都是可以自主發(fā)育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分構(gòu)成的鑲嵌體。

第14頁/共65頁童第周等在海鞘卵子受精后20分鐘，把受精卵一分為二。用其中無核的卵塊作受體，分別把原腸胚外胚層、中胚層和內(nèi)胚層細(xì)胞的細(xì)胞核移植到受體中。結(jié)果：無論移植的細(xì)胞核來自哪一個胚層，所形成的組織結(jié)構(gòu)總是和無核卵塊中所含有的細(xì)胞質(zhì)組分有關(guān)。說明海鞘胚胎細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)是由其所含有的細(xì)胞質(zhì)形態(tài)決定子有關(guān)，而與細(xì)胞核無關(guān)。

第15頁/共65頁實驗結(jié)果清楚地說明海鞘類動物受精卵不同的細(xì)胞質(zhì)區(qū)域含有特殊的形態(tài)發(fā)生決定子。卵裂時，這些組分隨著胚胎的卵裂被準(zhǔn)確地分布到胚胎的一定部位，通過調(diào)控不同基因的表達(dá)而決定細(xì)胞的分化方向。呈典型的鑲嵌型胚胎發(fā)育動物卵子還有櫛水母、環(huán)節(jié)動物，線蟲和軟體動物等一些低等的無脊椎動物。在這些典型的鑲嵌型發(fā)育的動物卵子細(xì)胞質(zhì)中，都存在著形態(tài)發(fā)生決定子。第16頁/共65頁在海鞘、櫛水母這些典型的鑲嵌型發(fā)育的動物中，細(xì)胞的相互作用對決定一些胚胎細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)也是必要的。神經(jīng)細(xì)胞是從a4.2和A4.1兩對產(chǎn)生的。當(dāng)這兩對卵裂球被分離下來單獨(dú)培養(yǎng)時都不能形成神經(jīng)組織。可是兩者配合才能形成神經(jīng)組織。

第17頁/共65頁2.調(diào)整型發(fā)育(regulativedevelopment)：胚胎發(fā)育過程中，相鄰細(xì)胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發(fā)育）第18頁/共65頁調(diào)整型胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生決定子與細(xì)胞質(zhì)定域在發(fā)育的初始階段，采用調(diào)整型發(fā)育動物的胚胎細(xì)胞可能具有不止一種分化潛能，但在和鄰近細(xì)胞的相互作用過程中逐漸限制了它們的發(fā)育命運(yùn)，使其只能朝一定方向分化。第19頁/共65頁在胚胎發(fā)育的早期，從采用調(diào)整型發(fā)育的胚胎上分離出一個卵裂球，則胚胎上的其他相鄰的卵裂球可以調(diào)整和改變發(fā)育命運(yùn)，填補(bǔ)分離掉的卵裂球所留下的空缺，使其仍然可以發(fā)育成一個完整的胚胎。但在發(fā)育的較晚時期，當(dāng)胚胎細(xì)胞的命運(yùn)已經(jīng)決定后，其決定狀態(tài)在正常發(fā)育過程中也不再能改變。第20頁/共65頁海膽、魚類和兩棲類等動物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。在胚胎發(fā)育的早期階段當(dāng)胚胎受到某些局部的實驗性損傷時，仍能通過自身的調(diào)節(jié)形成正常的有機(jī)體。第21頁/共65頁如兩棲類和海膽四細(xì)胞期的卵裂球分離后，每個卵裂球都具有潛力形成完整的胚胎。第22頁/共65頁兩棲類的卵子在受精后會因細(xì)胞質(zhì)流動而形成一個灰色新月區(qū)。蛙的第一次卵裂使灰色新月區(qū)平均分配到所形成的兩個卵裂球中，這兩個卵裂求都具有全能性。將其分離后，兩個都可以發(fā)育成正常的胚胎。但調(diào)整型發(fā)育的胚胎中也存在形態(tài)發(fā)生決定子的細(xì)胞質(zhì)定域

第23頁/共65頁實驗證明：1、灰色新月區(qū)含有合子形成完整胚胎所必須的形態(tài)發(fā)生決定子。2、鑲嵌型發(fā)育胚胎和調(diào)整型發(fā)育胚胎之間的差異只是程度上的不同。

第24頁/共65頁海膽的受精卵也是調(diào)整型發(fā)育的。第一次卵裂形成的兩個卵裂球分離后也都可以形成完整的胚胎。但在第3次卵裂以后，將動、植物極的卵裂球分離培養(yǎng)，則動物極的卵裂球形成初級外胚層的組織，植物極的卵裂球形成初級內(nèi)胚層組織。說明動物極和植物極含有不同的形態(tài)發(fā)生決定子。這種決定子在8細(xì)胞時第一次分離。

第25頁/共65頁在任何動物胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞定型的兩種發(fā)育模式都在發(fā)生作用。但在不同的動物中哪種方式起主要的作用在程度是不同的。多數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，主要是細(xì)胞自主特化在發(fā)生作用，細(xì)胞間的相互作用次之，是鑲嵌型發(fā)育的類型。在脊椎動物中則相反，主要是細(xì)胞的相互關(guān)系在起主要作用，細(xì)胞的自主特化起次要作用，是調(diào)整型發(fā)育的類型。第26頁/共65頁把某時期某種組織原基移植到另一胚胎與原地不同之部位，如果移植塊按照在原地情況發(fā)育，表明在移植時已發(fā)生了分化決定；如果按照在移植部位進(jìn)行發(fā)育，說明在移植時其命運(yùn)尚未決定。三、細(xì)胞分化參考信息

第27頁/共65頁第28頁/共65頁（1）細(xì)胞核（2）細(xì)胞質(zhì)（3）細(xì)胞間相互調(diào)控

細(xì)胞誘導(dǎo)細(xì)胞抑制細(xì)胞識別與粘合其他四、細(xì)胞分化的調(diào)控內(nèi)部因素外部因素第29頁/共65頁1.細(xì)胞核在細(xì)胞分化過程中具主導(dǎo)作用實驗一施佩曼將受精卵結(jié)扎，一半球含細(xì)胞核，另一半球不含細(xì)胞核。結(jié)果有核半球能進(jìn)行正常卵裂，無核則不能。在16或32細(xì)胞期，讓一胞核通過結(jié)扎處進(jìn)入無核半球，結(jié)果這個半球也開始卵裂，并且發(fā)育成正常胚胎。

第30頁/共65頁取一羊乳腺細(xì)胞細(xì)胞核取另一羊去核卵細(xì)胞兩者融合發(fā)育至32細(xì)胞時移植入待孕羊子宮后代像供核之羊

實驗二核移植實驗實驗表明：胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞核起主導(dǎo)作用第31頁/共65頁

細(xì)胞中絕大部分基因位于細(xì)胞核內(nèi)染色體上，通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，翻譯成各種特異性蛋白質(zhì)從而決定細(xì)胞新陳代謝類型和個體發(fā)育方向。細(xì)胞核的主導(dǎo)作用不是絕對的，核的活動受到胞質(zhì)中一些物質(zhì)調(diào)控與制約細(xì)胞核在細(xì)胞分化中主導(dǎo)作用之機(jī)制

第32頁/共65頁受精卵發(fā)育形成的細(xì)胞含有相同基因但在發(fā)育中只有5-10%基因表達(dá)(人類基因總數(shù)約3萬--5萬)且表達(dá)的基因差異較大Why?第33頁/共65頁（2）細(xì)胞質(zhì)在分化過程中的作用

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1928年，施佩曼用嬰兒頭發(fā)將蠑螈受精卵結(jié)扎成兩個半球狀，其中一個半球中含灰新月區(qū)和細(xì)胞核，另一個不含這個區(qū)帶。結(jié)果前者發(fā)育成了胚胎，后者則不能。即使后者含有細(xì)胞核，細(xì)胞也不能分化，只能發(fā)育成沒有一定形狀的團(tuán)塊。實驗說明：灰新月區(qū)(細(xì)胞質(zhì))中含某種物質(zhì)，只有完全具備這種物質(zhì)，胚胎發(fā)育才能正常進(jìn)行。第35頁/共65頁這些特殊胞質(zhì)組分為形態(tài)發(fā)生決定子（RNA與蛋白質(zhì)）。胞質(zhì)在細(xì)胞分化中的作用：是通過細(xì)胞質(zhì)決定子影響胞核基因表達(dá)，一定程度上決定細(xì)胞早期分化。第36頁/共65頁核與質(zhì)間相互作用影響細(xì)胞分化

互相依賴，缺一則不能生存核控制著遺傳信息質(zhì)對核有重要調(diào)節(jié)作用兩者通過核孔相互傳遞蛋白來實現(xiàn)對細(xì)胞分化調(diào)控第37頁/共65頁(3)細(xì)胞間的相互作用（細(xì)胞社會學(xué)）對細(xì)胞分化的影響誘導(dǎo)抑制識別其他第38頁/共65頁胚胎誘導(dǎo)（induction）：胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響其它細(xì)胞分化方向。細(xì)胞抑制(inhibition)：已分化細(xì)胞抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行相同分化。如把發(fā)育中蛙胚置于含有成體蛙心碎片培養(yǎng)液中，胚不能產(chǎn)生心臟。其他：激素，細(xì)胞數(shù)量，細(xì)胞外基質(zhì)等細(xì)胞識別與粘合(組織親合性)：三胚層細(xì)胞混雜培養(yǎng)→各胚層自我挑選，相互粘著。癌細(xì)胞不能識別粘著，失去了正常細(xì)胞調(diào)控能力第39頁/共65頁1.概念胚胎誘導(dǎo)：胚胎發(fā)育時期，部分細(xì)胞提供或傳遞信號，其它細(xì)胞接受該信號，并向特定方向分化。誘導(dǎo)者（inductor）：起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞或組織反應(yīng)者（respondingtissue）：接受信號并起反應(yīng)的細(xì)胞或組織。

三胚胎誘導(dǎo)第40頁/共65頁1912年施佩曼最早發(fā)現(xiàn)：兩棲類發(fā)育中眼泡能誘導(dǎo)覆蓋它的表皮形成晶狀體

誘導(dǎo)實驗一第41頁/共65頁過程：將遷移到內(nèi)部之前的背唇切下來，移植到另一正常原腸胚腹部。結(jié)果：移植物發(fā)育成第二條脊索在移植物上方出現(xiàn)了一條神經(jīng)板最后這個原腸胚發(fā)育成一雙頭怪物。誘導(dǎo)實驗二實驗二表明：在移植物作用下，移植物周圍胚層改變了原來發(fā)育方向第42頁/共65頁2誘導(dǎo)特點(diǎn)1）有權(quán)能期（periodofcompetence）一定時間內(nèi)發(fā)生，一旦超出臨界時間，誘導(dǎo)或反應(yīng)能力會減退、消失第43頁/共65頁將原腸晚期原腸頂不同部位的移植塊放到早期原腸胚的囊胚腔中，會誘導(dǎo)不同的結(jié)構(gòu)形成。第44頁/共65頁4）誘導(dǎo)引起的反應(yīng)細(xì)胞分化持續(xù)、不可逆3）誘導(dǎo)物決定反應(yīng)細(xì)胞產(chǎn)生何種結(jié)構(gòu)反應(yīng)細(xì)胞決定產(chǎn)生結(jié)構(gòu)之遺傳性2）誘導(dǎo)者異，反應(yīng)異同一外胚層→神經(jīng)誘導(dǎo)物→神經(jīng)組織中胚層誘導(dǎo)物→脊索、肌肉等第45頁/共65頁初級誘導(dǎo)、次級誘導(dǎo)與三級誘導(dǎo)脊索誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)形成為初級誘導(dǎo)

3誘導(dǎo)層次性第46頁/共65頁前腦區(qū)兩側(cè)外突視泡誘導(dǎo)其外方之外胚層形成晶狀體，為次級誘導(dǎo)晶狀體再誘導(dǎo)其表面外胚層形成角膜，為三級誘導(dǎo)第47頁/共65頁誘導(dǎo)組織必須激活反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)有關(guān)基因基因表達(dá)產(chǎn)物又激活或抑制其他有關(guān)基因細(xì)胞產(chǎn)生特異性蛋白從而導(dǎo)致分化

第48頁/共65頁總的來說發(fā)育問題歸根結(jié)底依賴于基因在發(fā)育過程中按一定時間和一定空間有秩序、有選擇地表達(dá)第49頁/共65頁第三節(jié)細(xì)胞分化的基因控制

一、主導(dǎo)基因如何控制一種組織和一個完整器官的形成第50頁/共65頁主導(dǎo)基因(mastergene)或選擇者基因(selectorgene)即為一些能夠啟動和控制一系列下游基因表達(dá)的基因。功能：選擇和控制一套確定細(xì)胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因。即主導(dǎo)基因的表達(dá)是啟動選擇、實現(xiàn)選擇以及進(jìn)一步保持特定分化狀態(tài)的關(guān)鍵。細(xì)胞命運(yùn)的決定可能就是形態(tài)發(fā)生決定子特異性地激活了主導(dǎo)基因。第51頁/共65頁一、生肌蛋白基因家族為肌組織發(fā)生設(shè)定發(fā)育程序

1.成肌細(xì)胞決定基因1(MyoD1)生肌蛋白基因家族的主導(dǎo)基因是成肌細(xì)胞決定基因1(MyoD1)。整個成體終末分化所需的其它附屬基因都統(tǒng)歸在成肌細(xì)胞決定基因的控制下。只要用MyoD1的mRNA轉(zhuǎn)染，成纖維細(xì)胞及脂肪組織細(xì)胞即可被重新編程，并使其成為穩(wěn)定而可遺傳的成肌細(xì)胞。這說明，只要MyoD1被轉(zhuǎn)錄，這個細(xì)胞的命運(yùn)就已經(jīng)被決定成為成肌細(xì)胞，并按成肌細(xì)胞的分化程序進(jìn)行分化。第52頁/共65頁MyoD1蛋白具有一種堿性α螺旋－β折疊－α螺旋的結(jié)構(gòu)域(bHLH)，這種結(jié)構(gòu)域可結(jié)合到受控基因的控制區(qū)，作為轉(zhuǎn)錄因子啟動下游生肌蛋白基因的表達(dá)。另一方面，MyoD1蛋白還能與自身基因的上游調(diào)控區(qū)結(jié)合，使自身基因保持轉(zhuǎn)錄活性，從而擴(kuò)大和維持本身的合成。該過程也叫自催化或者正反饋。自催化機(jī)制保證了胚胎細(xì)胞在分裂增殖過程中，決定狀態(tài)能被穩(wěn)定下來并忠實地傳遞給子細(xì)胞。

第53頁/共65頁哺乳動物中，已知有4種類似的生肌主導(dǎo)者基因：MyoD1，myf-5，mrf-4和myogenin，他們都屬于同一基因家族，且序列高度相似，都是編碼含有bHLH的轉(zhuǎn)錄因子。將其注射到成纖維細(xì)胞種，它們都能啟動肌肉分化地程序。myogenin不能被其它三種基因替換，其他三種可以相互替換（geneticredundancy,遺傳冗余）。第54頁/共65頁2.控制眼形成的主導(dǎo)基因eyeless在果蠅中，Eyeless突變會導(dǎo)致眼睛變少或完全沒有眼睛。Eyeless基因編碼的蛋白質(zhì)有與DNA的同源異型框(homeodomain)及配對框相結(jié)合的兩個結(jié)構(gòu)域。這個主導(dǎo)基因的靶標(biāo)可能是各種不同的視蛋白基因。

第55頁/共65頁Gehring等人將帶有UAS啟動子的eyelesscDNA導(dǎo)入到含有酵母轉(zhuǎn)錄因子GAL4基因的轉(zhuǎn)基因果蠅卵中。GAL4是一個轉(zhuǎn)座子，當(dāng)其插入到啟動區(qū)下游時，可以在果蠅的許多器官芽中被激活而轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白質(zhì)。GAL4基因這種蛋白質(zhì)可以作為轉(zhuǎn)錄因子與UAS啟動子特異地結(jié)合，從而啟動eyeless基因的轉(zhuǎn)錄。第56頁/共65頁在發(fā)育到果蠅變態(tài)時，許多器官中除了將自身的基因表達(dá)程序表達(dá)之外，eyelesscDNA也被GAL4轉(zhuǎn)錄因子啟動表達(dá)。由于eyeless基因是一個主導(dǎo)基因，成復(fù)眼的基因表達(dá)程序就在許多器官芽中被啟動。結(jié)果在轉(zhuǎn)基因果蠅的腿上、翅膀上等都額外長出了眼睛。最多的一個果蠅體上長出了多達(dá)14個眼睛。

第57頁/共65頁3.同源異型基因的主要特性在細(xì)胞分化決定過程中，負(fù)責(zé)作出決定的主導(dǎo)基因或選擇者基因是同源異型基因。1）它們都有一種高度保守的基本序列，即同源異型框，在果蠅中叫做HOM序列。其所編碼的蛋白叫同源異型域結(jié)構(gòu)域，一種由60－70個氨基酸組成的，在立體結(jié)構(gòu)上為α螺旋－β折疊－α螺旋的結(jié)構(gòu)域（HLH）結(jié)構(gòu)。第58頁/共65