發(fā)育生物學——細胞命運決定ppt課件

細胞命運決定及命運圖,山東師范大學生命科學學院,動物有機體是由分化細胞(specializedcell)組成分化細胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異,第二節(jié)胚胎細胞發(fā)育命運的決定,從單個全能的受精卵產(chǎn)生各種類型細胞的發(fā)育過程叫細胞分化。已分化的細胞不但具有一定的形態(tài)和合成特異的產(chǎn)物，而且行使特異的功能。,脊椎動物骨骼肌的分化主要特征,第二節(jié)胚胎細胞發(fā)育命運的決定,Fateofcells:指正常發(fā)育情況下細胞將發(fā)育的方向，這種方向可因條件的改變而改變定型(commitment):細胞在分化之前，會發(fā)生一些隱蔽的變化，使細胞命運朝特定方向發(fā)展。-特化（specification）-決定（determination）,當一個細胞或者組織放在中性環(huán)境(neutralenvironment)如培養(yǎng)皿中可以自主分化時，可以說這個細胞或組織已經(jīng)特化。Theydevelopaccordingtonormalfate.當一個細胞或組織放在胚胎另一個部位可以自主分化時，可以說這個細胞或組織已經(jīng)決定。細胞特性發(fā)生了不可逆的改變，發(fā)育潛力已經(jīng)單一化。,Cellfate:specificationanddetermination,已特化的細胞或組織的發(fā)育命運是可逆的。如果把已特化的細胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會分化成不同的組織。已決定的細胞或組織的發(fā)育命運是不可逆的。在細胞發(fā)育過程中，定型和分化是兩個相互關(guān)連的過程。在胚胎早期發(fā)育過程中，某一組織或器官的細胞必需先定型，然后才能向預定的方向發(fā)育，也就是分化，形成相應(yīng)的組織或器官。定型之后，分化方向變得不可逆轉(zhuǎn)。,Cellfate:specificationanddetermination,早期胚胎中，卵裂球的發(fā)育命運沒有決定(determination)。隨著胚胎的發(fā)育，不同卵裂球受本身內(nèi)在因素及環(huán)境條件的影響，其發(fā)育命運被確定下來，分化為內(nèi)胚層、中胚層或外胚層細胞。細胞發(fā)育命運的決定是一個漸進的過程,兩棲動物眼區(qū)細胞的潛能隨發(fā)育時期的不同而改變,胚胎發(fā)育早期，細胞的發(fā)育潛力更大！,原腸胚中眼區(qū)將發(fā)育為眼睛。,將原腸胚中眼區(qū)細胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們將按新部位的命運發(fā)育為體節(jié)和脊索。,將神經(jīng)胚中眼區(qū)細胞移植到神經(jīng)胚的軀干區(qū)，它們?nèi)詫l(fā)育為類似于眼的結(jié)構(gòu)。,細胞命運的定型的作用方式胞質(zhì)隔離(cytoplasmicsegregation)：卵裂時，受精卵內(nèi)特定的細胞質(zhì)分離到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪一類細胞，細胞命運的決定與臨近的細胞無關(guān)。自主特化（autonomousspecification）。以細胞自主特化為特點的胚胎發(fā)育模式稱為鑲嵌型發(fā)育(mosaicdevelopment)，或自主性發(fā)育，整體胚胎好像是自我分化的各部分的總和。無脊椎動物為主。,Weismann理論的核心強調(diào)早期的卵裂必須為不對稱卵裂。卵裂結(jié)果產(chǎn)生的子細胞彼此之間是完全不同的。,細胞質(zhì)中決定因子的定位和細胞不對稱分裂使細胞變得不同,細胞分裂時母細胞中的某些分子不均等地分配到兩個子細胞中，造成子細胞向不同方向分化。,不對稱分裂：生成不同的子細胞,細胞質(zhì)分裂時分配到子細胞中的細胞質(zhì)不均一,在一定程度上決定了細胞的早期分化。細胞質(zhì)中決定細胞命運的特殊信號物質(zhì)稱為決定子(determinant),Cellfatedetermination,Cytoplasmiclocalizationandasymmetriccelldivision:resultindaughtercellshavingpropertiesdifferentfromeachother;chemicaldifferencesdistributedintheeggintheformofdeterminants(mRNAorproteins,Xenopus-VegT,vegetalregionsofthefertilizedegg),Cellfatedetermination,Asymmetricdivision:stemcell:repeateddivision-stemcellsanddifferentiateintoavarietyofcelltypes;inadult-selfrenewal;Pluripotent.,海鞘不同區(qū)域的卵細胞質(zhì)分別與未來胚胎特定的發(fā)育命運相聯(lián)系。黃色新月區(qū)含有黃色細胞質(zhì)，稱為肌質(zhì)（myoplasm），將來形成肌細胞?；疑略聟^(qū)含有灰色細胞質(zhì)，將來形成脊索和神經(jīng)管。動物極部分含透明細胞質(zhì)，將來形成幼蟲表皮?；疑腰S區(qū)含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲消化道。,柄海鞘的鑲嵌型發(fā)育。當8細胞期胚胎中的4對卵裂球被分離后，每對卵裂球只能發(fā)育為部分結(jié)構(gòu)。,海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。典型的鑲嵌型發(fā)育的胚胎還有櫛水母(tenophores)、環(huán)節(jié)動物(annelids)、線蟲(nematodes)和軟體動物（molluscs）等。另一方面，海膽、兩棲類和魚類等動物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。在這些呈典型的調(diào)整型發(fā)育的動物卵子細胞質(zhì)中，也存在著形態(tài)發(fā)生決定子。形態(tài)發(fā)生決定子廣泛存在于各種動物的卵子細胞質(zhì)中。,形態(tài)發(fā)生決定子在卵細胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精時發(fā)生運動，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時分配到特定的裂球中，決定裂球的發(fā)育命運。這一現(xiàn)象稱為胞質(zhì)定域（cytoplasmiclocalization）。胞質(zhì)定域也稱為胞質(zhì)隔離（cytoplasmicsegregation）或胞質(zhì)區(qū)域化（cytoplasmicregionalization）或胞質(zhì)重排（cytoplasmicrearrangement）。,胞質(zhì)定域,海鞘（Phallusiamammillata）受精時胞質(zhì)定域的分離,表皮決定子在受精過程中遷移到卵子動物極頂部(apicalregion),卵裂時進入動物極裂球中。內(nèi)胚層決定子在受精過程中遷移到卵子植物極半球，卵裂時進入植物極裂球中。,秀麗新小桿線蟲胚胎細胞命運主要由卵內(nèi)細胞質(zhì)決定，而不是由鄰近細胞間相互作用決定。其胚胎中發(fā)現(xiàn)的SKN1蛋白質(zhì)就很可能是一種“轉(zhuǎn)錄因子”樣形態(tài)發(fā)生決定子。SKN-1可能通過激活P1裂球及其產(chǎn)生的EMS和P2兩裂球中的某些特定基因，從而決定它們的發(fā)育命運。咽部細胞命運可以通過分離到這些裂球中的母源性因子（maternalfactor）自主決定。,skn-1突變體中腸和咽部的缺陷,形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì),形態(tài)發(fā)生決定子可能是某些特異性蛋白質(zhì)或mRNA等生物大分子物質(zhì)，它們可以激活或抑制某些基因表達，從而決定細胞的分化方向。形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)和作用方式在海鞘和果蠅中研究較為深入。,海鞘胚胎中：第一類是可以激活某些基因（乙酰膽堿酯酶基因）轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)，因為海鞘胚胎中多數(shù)組織特異性結(jié)構(gòu)的形成都對轉(zhuǎn)錄抑制劑敏感；第二類可能是以mRNA的形式存在于卵內(nèi)一定的區(qū)域，在卵裂時分布到預定的裂球中。探討胚胎的決定狀態(tài)，應(yīng)對決定細胞發(fā)育命運的蛋白質(zhì)或mRNA進行分析鑒別，而不是分析鑒別細胞分化時產(chǎn)生的特異性蛋白質(zhì)和mRNA。,果蠅極質(zhì)果蠅生殖質(zhì)（極質(zhì)）的組分之一是gcl（germcell-less）基因轉(zhuǎn)錄的mRNA。另一種可能是Nanos蛋白。NanosmRNA蛋白位于卵子后端，Nanos蛋白是果蠅形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的極細胞不能遷移到生殖腺中，因而不能發(fā)育成生殖細胞。oskar基因在果蠅極質(zhì)的形成和裝配過程中起著極其重要的調(diào)控作用。Oskar基因?qū)⑵鋗RNA定位于胚胎的后極。至少有8種母體效應(yīng)基因（maternaleffectgene）的突變會導致果蠅不能形成極質(zhì)，不能形成生殖細胞。,A.staufen基因內(nèi)應(yīng)在oskar基因之前行使功能，并影響oskar基因的表達。B.研究明了的影響果蠅生殖細胞發(fā)生的6種基因的作用順序。,細胞命運的定型的作用方式胚胎誘導：胚胎發(fā)育過程中，相鄰細胞或組織之間通過相互作用，決定其中一方或雙方的分化方向。有條件特化（conditionalspecification），因為細胞命運取決于與其臨近的細胞或組織。以細胞有條件特化為特點的胚胎發(fā)育模式稱為調(diào)整型發(fā)育（regulativedevelopment），或依賴型發(fā)育。脊椎動物為主。,Driesch的海膽胚胎分離發(fā)育實驗。A，正常長腕幼蟲，B，單個胚胎細胞發(fā)育而成的長腕幼蟲。,海膽的調(diào)整型發(fā)育過程中也存在鑲嵌式發(fā)育的成分。,半個8細胞期海膽胚胎的發(fā)育。A，沿赤道面將胚胎分為兩半，B，沿動植物極軸將胚胎分為兩半。,海膽受精卵的不對稱性,海膽64細胞期胚胎各部分細胞的組合發(fā)育（Horstadius,1939）。A，正常發(fā)育；B，分離的動物半球的發(fā)育；C，動物半球與veg1細胞的組合發(fā)育；D，動物半球與veg2細胞的組合發(fā)育；E，動物半球與小卵裂球的組合發(fā)育。在每一種組合中，都有細胞相互作用而改變原定的發(fā)育命運的現(xiàn)象。,一般來說，在多數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，主要是細胞自主特化在發(fā)生作用，細胞有條件特化次之；而在脊椎動物胚胎發(fā)育過程中則相反，主要是細胞有條件特化在發(fā)生作用，細胞自主特化次之。,Cellfatedetermination,Induction:asignalfromonegroupofcellsinfluencesthedevelopmentofanadjacentgroupofcells;細胞間的誘導作用使得細胞之間互不相同。,Permissiveinduction:acellmakesonlyonekindofresponsetoasignalatagivenlevel.Instructiveinduction:thecellresponddifferentlytodifferentconcentrationsofthesignal.,細胞間的相互誘導來自外部的信號使一群細胞中的一個或更多的成員進入不同的發(fā)育途徑。,細胞被導入新的發(fā)育途徑,誘導作用可使細胞互為不同,擴散性信號分子,跨膜蛋白的直接互作,間隙連接,信號傳導特點,傳遞距離有限并非所有細胞都能對某種信號發(fā)生反應(yīng)。不同類型細胞可對同一信號發(fā)生不同反應(yīng),e.g.,乙酰膽堿使心肌收縮頻率下降，但促使唾液腺分泌唾液。,Signaltransduction,相鄰細胞相互作用決定分化方向,圖式建成依賴于細胞對位置信息的譯讀,每個細胞位置信息：獲得位置值(positionalvalue)，這個值決定它的位置(兩端的邊界)細胞譯讀位置信息,法國國旗模式,細胞如何知道它們的positionalvalue?由形態(tài)發(fā)生素梯度產(chǎn)生Morphogen:某種化學物質(zhì)濃度變化影響到圖式形成.Theconcentrationofsubstanceateitherendofthegradientmustremaindifferentfromeachotherbutconstant,thusfixingboundary,Frenchflagmodel,Singlegradient,當信號分子從一個源頭向外擴散時，往往形成一個信號的濃度梯度，使得距源頭遠近不同的細胞根據(jù)自己周圍信號分子的閾濃度，表現(xiàn)出各種不同的行為。,形態(tài)發(fā)生素梯度Morphogen(誘導相鄰細胞發(fā)育的信號分子,可擴散的蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄因子)常在軸一端合成,擴散,細胞沿軸受到不同的Morphogen的濃度,從而在不同濃度下誘導不同基因表達圖。分泌成形素的一組特殊細胞稱為組織者(organizer)。,形態(tài)發(fā)生素梯度Morphogeneticgradient:某些因子沿體軸的分布呈現(xiàn)一個濃度梯度,這些因子在每一局部的水平?jīng)Q定著這一區(qū)域的命運或反應(yīng)。,GeneandDevelopment,母體基因,間隙基因,成對基因,體節(jié)極性基因,同源異形基因,母體基因沿胚的前后軸形成濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達：,Bicoid:thefirstmorphogen,Positionalinformationistranslatedintotheactivationandrepressionoftargetgenes,Responsestomorphogengradients:activation/repressionoftargetgenes;cellproliferationandgrowth;morphogeneticmovements,Differenttargetshavedifferentaffinitiesforeffectors,位置信息可以產(chǎn)生無數(shù)的模式,旁側(cè)抑制產(chǎn)生間隔模式,Lateralinhibition:mechanismthatgivesrisetospacing;thedifferentiatingcellssecretinhibitorymolecule.E.g.abirdsskin,Lateralinhibitiongiveaspacingpattern,相鄰細胞的旁側(cè)抑制使已分化的細胞阻止臨近細胞朝相同方向分化,可避免器官重復發(fā)育。,分化細胞發(fā)出更多抑制信號,周圍細胞分化受到抑制,Cellfatedetermination,Embryonicdevelopment:程序是逐步產(chǎn)生(generative),不是預先完整描述好的.Itismoreliketheinstructionsformakingastructurebypaperfoldingthanablueprint.多種途徑保障發(fā)育的可靠性:如雙腿保持同樣的長度Redundancy(冗余):whentherearetwoormorewaysofcarryingoutaparticularprocess;ifonefailsforanyreasonanotherwillstillfunction.Negativefeedback:theendproductofaprocessinhibitsanearlierstageandthuskeepsthelevelsofproductconstant.Thecomplexityofthenetworkofgeneactivity:robustandrelativeinsensitivetosmallchange,發(fā)育命運圖,對每一個卵裂球進行標記，通過追蹤不同卵裂球的發(fā)育過程，可在囊胚表面劃定不同的區(qū)域，顯示每一區(qū)域細胞的發(fā)育趨向，這樣的分區(qū)圖稱為發(fā)育命運圖（fatemap）。,Fatemaps,Earlygastrula,10hr,Blastoporeformsatpredictedposition,Fertilizedeggs,markedwithnilebluedye,32cell,blastula,Lategastrula,Cellsinjectedat32cellstagewithfluorescentdextrans,aslineagetracers,爪蟾早期胚胎發(fā)育命運圖的確定。熒光標記的C3裂球在尾芽期胚胎中形成一側(cè)的中胚層細胞。,爪蟾晚期囊胚的發(fā)育命運圖上：側(cè)面觀，外胚層形成上皮和神經(jīng)系統(tǒng)，沿著背腹軸的帶狀區(qū)域為中胚層，由它形成脊索、體節(jié)、心臟、腎和血液。爪蟾中胚層表面還覆蓋有一薄層外胚層。下：囊胚背面觀,命運圖并不是表示早期胚胎中各區(qū)域的細胞發(fā)育命運已經(jīng)確定了，它在很大程度上反映的是胚胎在繼續(xù)發(fā)育過程各區(qū)域細胞的運動趨勢，并不是細胞的分化情況。特化圖（specificationmap）卻可以在一定程度上反映出細胞的分化情況。特化圖是將囊胚切成小塊，每小塊分別在簡單培養(yǎng)基中培養(yǎng)，觀察它們形成哪一種組織。特化圖與命運圖之間有很大程度的相似性，但在外胚層和中胚層存在很大的差別。,爪蟾晚期囊胚的特化圖外胚層區(qū)細胞還沒有分化為預定神經(jīng)細胞，中胚層區(qū)細胞還沒有分化為預定肌肉細胞。,爪蟾囊胚命運圖和特化圖的比較。脊索的命運圖和特化