第一篇發(fā)育生物學(xué)基本原理

1、第一篇第一篇 發(fā)育生物學(xué)基本原理發(fā)育生物學(xué)基本原理第一章第一章 細(xì)胞命運(yùn)的決定細(xì)胞命運(yùn)的決定第二章 細(xì)胞分化的分子機(jī)制 轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄前調(diào)控第三章 細(xì)胞分化的分子機(jī)制 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控第四章 發(fā)育中的信號(hào)傳導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)第一章第一章 細(xì)胞命運(yùn)的的決定細(xì)胞命運(yùn)的的決定動(dòng)物機(jī)體是由分化細(xì)胞組成的。動(dòng)物機(jī)體是由分化細(xì)胞組成的。分化細(xì)胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異。分化細(xì)胞不僅形態(tài)多樣，而且功能各異。 表表1.1 1.1 部分已分化細(xì)胞的類型、特征產(chǎn)物及功能部分已分化細(xì)胞的類型、特征產(chǎn)物及功能第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞定型和分化細(xì)胞定型和分化細(xì)胞分化細(xì)胞分化 cell differentiation： 從單個(gè)全能細(xì)胞（受精卵

2、）產(chǎn)生各種類型分化細(xì)胞的發(fā)育過程。 已分化細(xì)胞不僅具有一定形態(tài)特征、合成的特異性產(chǎn)物，而且行使特定的功能。細(xì)胞定型細(xì)胞定型 commitmentcommitment：細(xì)胞在分化之前，將發(fā)生一些隱蔽的變化，使細(xì)胞朝特定方向發(fā)展的過程。在細(xì)胞發(fā)育過程中，定型和分化是兩個(gè)相在細(xì)胞發(fā)育過程中，定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程?；リP(guān)聯(lián)的過程。定型分為特化和決定兩個(gè)時(shí)相 特化特化 specification： 當(dāng)細(xì)胞或組織放在中性環(huán)境如培養(yǎng)皿中可以自主分化時(shí)，該細(xì)胞或組織已經(jīng)特化。 已特化的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是已特化的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是可逆可逆的。的。 決定決定 determination：當(dāng)一個(gè)細(xì)胞

3、或者組織放在胚胎另一部位可以自主分化時(shí)，該細(xì)胞或組織已經(jīng)決定。 已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是已決定的細(xì)胞或組織的發(fā)育命運(yùn)是不可逆不可逆的。的。 近朱者赤，近墨者黑近朱者赤，近墨者黑出淤泥而不染出淤泥而不染 細(xì)胞定型的兩種方式：細(xì)胞定型的兩種方式： 和和 （1 1）自主特化）自主特化：細(xì)胞命運(yùn)完全由內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)決定。：細(xì)胞命運(yùn)完全由內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)決定。 通過胞質(zhì)隔離實(shí)現(xiàn)通過胞質(zhì)隔離實(shí)現(xiàn)：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)：卵裂時(shí)，受精卵內(nèi)特定的細(xì)胞質(zhì)分離到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特胞質(zhì)分離到特定的卵裂球中，卵裂球中所含的特定細(xì)胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪一類細(xì)胞，而與鄰近細(xì)定細(xì)胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪一類細(xì)胞，而與鄰近

4、細(xì)胞無關(guān)。胞無關(guān)。鑲嵌型鑲嵌型：以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)的胚：以細(xì)胞自主特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式。胎發(fā)育模式。 整體胚胎是由能自我分化的各部分組合而成。整體胚胎是由能自我分化的各部分組合而成。（2 2）有條件特化（漸進(jìn)特化、依賴型特化）有條件特化（漸進(jìn)特化、依賴型特化）：細(xì)胞：細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)完全取決于其相鄰的細(xì)胞或組織。發(fā)育命運(yùn)完全取決于其相鄰的細(xì)胞或組織。 通過胚胎誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)通過胚胎誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)：胚胎發(fā)育過程中，相鄰細(xì)胞或：胚胎發(fā)育過程中，相鄰細(xì)胞或組織之間通過相互作用，決定其中一方或雙方細(xì)胞組織之間通過相互作用，決定其中一方或雙方細(xì)胞的分化方向。的分化方向。 相互作用之前，細(xì)胞具有多種分化潛能，但和鄰

5、近相互作用之前，細(xì)胞具有多種分化潛能，但和鄰近細(xì)胞或組織相互作用后逐漸限制了它們的發(fā)育命運(yùn)，細(xì)胞或組織相互作用后逐漸限制了它們的發(fā)育命運(yùn)，使之朝某一特定方向分化。使之朝某一特定方向分化。 調(diào)整型發(fā)育：調(diào)整型發(fā)育：以細(xì)胞有條件特化為特點(diǎn)的以細(xì)胞有條件特化為特點(diǎn)的胚胎發(fā)育模式。胚胎發(fā)育模式。 事實(shí)上，任何動(dòng)物的胚胎發(fā)育過程中，兩種細(xì)事實(shí)上，任何動(dòng)物的胚胎發(fā)育過程中，兩種細(xì)胞定型方式在一定程度上發(fā)生作用。胞定型方式在一定程度上發(fā)生作用。 一般來說，一般來說，無脊椎動(dòng)物無脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞自主特化為主，細(xì)胞有條件特化次之；自主特化為主，細(xì)胞有條件特化次之；脊椎動(dòng)脊椎動(dòng)物物

6、胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞有條件特化為主，細(xì)胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞有條件特化為主，細(xì)胞自主特化次之。胞自主特化次之。第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞發(fā)育通過形態(tài)發(fā)生決定細(xì)胞發(fā)育通過形態(tài)發(fā)生決定子自主特化子自主特化一、形態(tài)發(fā)生決定子一、形態(tài)發(fā)生決定子 形態(tài)發(fā)生決定子（成形素、胞質(zhì)決定子）：形態(tài)發(fā)生決定子（成形素、胞質(zhì)決定子）：細(xì)細(xì)胞質(zhì)中含有的決定細(xì)胞分化的特定物質(zhì)。胞質(zhì)中含有的決定細(xì)胞分化的特定物質(zhì)。例例1 1 水蛭水蛭 卵裂、囊胚期細(xì)胞數(shù)目相對少，可以根據(jù)大小、形狀和位置將卵裂球區(qū)分，追蹤卵裂球的來源及其發(fā)育命運(yùn)（）32 cell分化組織是早期由某一特定卵分化組織是早期由某一特定卵裂球發(fā)育而來，在以特定的卵裂球發(fā)育

7、而來，在以特定的卵裂方式產(chǎn)生卵球的過程中，裂方式產(chǎn)生卵球的過程中，特特定的細(xì)胞質(zhì)（形態(tài)發(fā)生決定子）定的細(xì)胞質(zhì)（形態(tài)發(fā)生決定子）不均等分配。不均等分配。 中胚層成肌肉胚帶 肌肉 中胚層干細(xì)胞 成神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)胚帶 腹神經(jīng)索爪蟾晚期囊胚的發(fā)育命運(yùn)圖上：側(cè)面觀上：側(cè)面觀外胚層形成上皮和神經(jīng)外胚層形成上皮和神經(jīng)系統(tǒng)，沿著背腹軸的帶系統(tǒng)，沿著背腹軸的帶狀區(qū)域?yàn)橹信邔?，由它狀區(qū)域?yàn)橹信邔樱伤纬杉顾?、體節(jié)、心臟、形成脊索、體節(jié)、心臟、腎和血液。腎和血液。下：背面觀下：背面觀例例2 2：海鞘：海鞘圖圖1-1 1-1 受精時(shí)細(xì)胞質(zhì)決定子的隔離受精時(shí)細(xì)胞質(zhì)決定子的隔離 透明動(dòng)物極透明動(dòng)物極 表皮表皮 灰色新月

8、區(qū)灰色新月區(qū) 脊索和神經(jīng)管脊索和神經(jīng)管 黃色新月區(qū)黃色新月區(qū) 肌肉肌肉 灰色卵黃區(qū)灰色卵黃區(qū) 消化管消化管 卵裂過程中，不同細(xì)胞質(zhì)被分配卵裂過程中，不同細(xì)胞質(zhì)被分配到不同裂球中，到不同裂球中，卵質(zhì)不均分配卵質(zhì)不均分配從而從而決定裂球的命運(yùn)決定裂球的命運(yùn)。 分離實(shí)驗(yàn)分離實(shí)驗(yàn) 圖圖1-2 1-2 海鞘胚胎的鑲嵌決定作用海鞘胚胎的鑲嵌決定作用 （1）每對卵裂球的發(fā)育命運(yùn)不同）每對卵裂球的發(fā)育命運(yùn)不同 B4.1 B4.1 發(fā)育形成內(nèi)胚層、間質(zhì)和肌發(fā)育形成內(nèi)胚層、間質(zhì)和肌肉組織肉組織 （2）胚胎中）胚胎中神經(jīng)組織神經(jīng)組織是從動(dòng)物極前面是從動(dòng)物極前面一對裂球（一對裂球（a4.2）和植物極前面一對裂）和植物

9、極前面一對裂球（球（A4.1）產(chǎn)生；）產(chǎn)生； 單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)，它們都不能形成神經(jīng)單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)，它們都不能形成神經(jīng)組織組織。 在海鞘這樣嚴(yán)格的鑲嵌型發(fā)育胚胎中，也存在裂球之間在海鞘這樣嚴(yán)格的鑲嵌型發(fā)育胚胎中，也存在裂球之間相互作用決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的漸進(jìn)決定作用。相互作用決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的漸進(jìn)決定作用。擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓實(shí)驗(yàn)B4.1 肌肉肌肉b4.2 無肌肉無肌肉將將B4.1B4.1黃色新月區(qū)胞質(zhì)擠壓入黃色新月區(qū)胞質(zhì)擠壓入b4.2b4.2，b4.2 b4.2 產(chǎn)生肌肉產(chǎn)生肌肉 海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。海鞘屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。 其他還有：櫛水母、環(huán)節(jié)動(dòng)物、線蟲、軟體動(dòng)其他還有：櫛水母、環(huán)節(jié)動(dòng)物、線蟲

10、、軟體動(dòng)物。在這些典型鑲嵌型發(fā)育動(dòng)物的卵子細(xì)胞質(zhì)物。在這些典型鑲嵌型發(fā)育動(dòng)物的卵子細(xì)胞質(zhì)中，都存在形態(tài)發(fā)生決定子。中，都存在形態(tài)發(fā)生決定子。 另一方面，海膽、兩棲類和魚類等胚胎屬于典另一方面，海膽、兩棲類和魚類等胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。同樣，也存在著形態(tài)決型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。同樣，也存在著形態(tài)決定子。定子。二、胞質(zhì)定域二、胞質(zhì)定域 形態(tài)發(fā)生子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，形態(tài)發(fā)生子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精后發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被分隔到一定區(qū)域，并在卵受精后發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被分隔到一定區(qū)域，并在卵裂時(shí)分配到特定的卵裂球中，決定裂球的發(fā)育裂時(shí)分配到特定的卵裂球中，決定裂球的發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)象稱為命運(yùn)。

11、這一現(xiàn)象稱為胞質(zhì)定域胞質(zhì)定域，或胞質(zhì)隔離、，或胞質(zhì)隔離、胞質(zhì)區(qū)域化、胞質(zhì)重排。胞質(zhì)區(qū)域化、胞質(zhì)重排。1. 海鞘形態(tài)發(fā)生決定子的運(yùn)動(dòng)海鞘形態(tài)發(fā)生決定子的運(yùn)動(dòng) （1）肌質(zhì)）肌質(zhì) （2）內(nèi)胚層）內(nèi)胚層 （3）表皮）表皮 海鞘卵子受精時(shí)，卵質(zhì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)海鞘卵子受精時(shí)，卵質(zhì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生獨(dú)特的胞質(zhì)區(qū)域；生獨(dú)特的胞質(zhì)區(qū)域； 不同的胞質(zhì)區(qū)域含有不同的形態(tài)不同的胞質(zhì)區(qū)域含有不同的形態(tài)決定子，并在卵裂時(shí)分配到不同決定子，并在卵裂時(shí)分配到不同的卵裂球中。的卵裂球中。2 軟體動(dòng)物軟體動(dòng)物 第第 1次卵裂：次卵裂：AB、CD（含極葉）（含極葉） 第第 2 次卵裂：次卵裂： D（含極葉）（含極葉） 極葉形成是卵裂期間過渡性的

12、一種形態(tài)極葉形成是卵裂期間過渡性的一種形態(tài)變化，是由于卵內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng)引起。變化，是由于卵內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng)引起。極極葉中含有控制葉中含有控制 D D裂球特定分裂節(jié)奏、分裂球特定分裂節(jié)奏、分裂方式以及中胚層分化所必需的決定子。裂方式以及中胚層分化所必需的決定子。 3 線蟲（副蛔蟲）線蟲（副蛔蟲） 第第1次卵裂：緯裂，染色體消減次卵裂：緯裂，染色體消減 第第2次卵裂：經(jīng)裂、緯裂次卵裂：經(jīng)裂、緯裂 第第4次卵裂：僅最靠近植物極的裂球保留全部染色體數(shù)，次卵裂：僅最靠近植物極的裂球保留全部染色體數(shù)，發(fā)育成為生殖干細(xì)胞。其中，含有某些能保護(hù)染色體發(fā)育成為生殖干細(xì)胞。其中，含有某些能保護(hù)染色體數(shù)不發(fā)生消減的物質(zhì)。

13、數(shù)不發(fā)生消減的物質(zhì)。植物極胞質(zhì)中含有能決定生殖細(xì)胞形成的物質(zhì)植物極胞質(zhì)中含有能決定生殖細(xì)胞形成的物質(zhì)( (生殖質(zhì)生殖質(zhì)) )4 昆蟲（蠓）昆蟲（蠓） 胚胎卵裂時(shí)，多數(shù)細(xì)胞的細(xì)胞核從原來的胚胎卵裂時(shí)，多數(shù)細(xì)胞的細(xì)胞核從原來的 40 條條染色體中失去染色體中失去 32 條，只有條，只有位于卵子后端的位于卵子后端的 2 個(gè)個(gè)細(xì)胞核染色體不會(huì)消減細(xì)胞核染色體不會(huì)消減，而且停留一段時(shí)間不，而且停留一段時(shí)間不分裂。最終，這分裂。最終，這 2 個(gè)細(xì)胞核形成生殖細(xì)胞的核。個(gè)細(xì)胞核形成生殖細(xì)胞的核。 極質(zhì)極質(zhì)( (卵子后端的生殖質(zhì)卵子后端的生殖質(zhì)) )在生殖細(xì)胞決定中其在生殖細(xì)胞決定中其中重要作用中重要作用5

14、兩棲類（林蛙）兩棲類（林蛙） 受精卵的植物極皮層區(qū)域含有與果蠅卵中極質(zhì)類似的受精卵的植物極皮層區(qū)域含有與果蠅卵中極質(zhì)類似的物質(zhì)，在發(fā)育過程中進(jìn)入少數(shù)幾個(gè)預(yù)定的物質(zhì)，在發(fā)育過程中進(jìn)入少數(shù)幾個(gè)預(yù)定的內(nèi)胚層細(xì)胞內(nèi)胚層細(xì)胞，最終遷移到生殖嵴內(nèi)。最終遷移到生殖嵴內(nèi)。 UV照射照射: 不能形成正常的生殖細(xì)胞不能形成正常的生殖細(xì)胞 蛙類受精卵植物極區(qū)域細(xì)胞質(zhì)中含有控制生殖細(xì)胞形蛙類受精卵植物極區(qū)域細(xì)胞質(zhì)中含有控制生殖細(xì)胞形成和遷移的決定子成和遷移的決定子。三、形態(tài)發(fā)生子的性質(zhì)一、一、 海鞘形態(tài)發(fā)生決定子海鞘形態(tài)發(fā)生決定子 （1）激活某些基因轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)）激活某些基因轉(zhuǎn)錄的物質(zhì) （2）RNA二二 、果蠅極質(zhì)、果

15、蠅極質(zhì) 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、RNA分子分子 gcl mRNA Nanos蛋白蛋白 線粒體大核糖體（線粒體大核糖體（mtlrRNA）第二節(jié) 細(xì)胞命運(yùn)通過相互作用的漸進(jìn)特化一、經(jīng)典的胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)一、經(jīng)典的胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn) 1. Roux 1887 缺損實(shí)驗(yàn)缺損實(shí)驗(yàn) ( 蛙蛙 ) 鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育 缺損實(shí)驗(yàn)缺損實(shí)驗(yàn) 奠定實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)奠定實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)1910, McClendon 蛙胚兩裂球分離實(shí)驗(yàn)，兩裂球分開后都蛙胚兩裂球分離實(shí)驗(yàn)，兩裂球分開后都可以完全發(fā)育可以完全發(fā)育2. Driesch分離組合實(shí)驗(yàn)分離組合實(shí)驗(yàn)(海膽海膽) 2-細(xì)胞細(xì)胞 調(diào)整型發(fā)育調(diào)整型發(fā)育 4-細(xì)胞細(xì)胞 （與上述結(jié)果相同）（與上述結(jié)果相同）

16、3. Horstadius 分離實(shí)驗(yàn)分離實(shí)驗(yàn)(海膽海膽) 8-細(xì)胞細(xì)胞既鑲嵌型發(fā)育既鑲嵌型發(fā)育, , 又調(diào)整型發(fā)育又調(diào)整型發(fā)育64 cell4. 雙梯度模型雙梯度模型 植物極化梯度植物極化梯度 動(dòng)物極化梯度動(dòng)物極化梯度 雙梯度模型雙梯度模型 (圖圖1.19)二、二、 兩棲類發(fā)育調(diào)控兩棲類發(fā)育調(diào)控1. Spemann 結(jié)扎實(shí)驗(yàn)結(jié)扎實(shí)驗(yàn)(蠑螈蠑螈) 圖圖1.20 兩棲類早期胚胎的細(xì)胞核具有遺傳等同性，每個(gè)兩棲類早期胚胎的細(xì)胞核具有遺傳等同性，每個(gè)細(xì)胞核都具有發(fā)育形成完整機(jī)體的潛能細(xì)胞核都具有發(fā)育形成完整機(jī)體的潛能兩棲類卵子不對稱實(shí)驗(yàn) Spemann, 1938 卵子細(xì)胞質(zhì)的不對稱性，卵子細(xì)胞質(zhì)的不

17、對稱性，灰色新月區(qū)灰色新月區(qū)（原原腸作用發(fā)動(dòng)者腸作用發(fā)動(dòng)者）。）。3 移植實(shí)驗(yàn) 圖1.22 表1.3 在早期原腸胚在早期原腸胚( (特化特化) )向晚期原腸胚過渡的過程中向晚期原腸胚過渡的過程中, , 胚胚胎細(xì)胞的發(fā)育潛能逐漸受到限制；胎細(xì)胞的發(fā)育潛能逐漸受到限制； 到了原腸胚晚期到了原腸胚晚期, , 原腸胚的細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)原腸胚的細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)( (決定決定) )。體節(jié)體節(jié)眼狀眼狀二二 誘導(dǎo)誘導(dǎo)：胚胎的一個(gè)部分對另一個(gè)區(qū)域發(fā)生影響，：胚胎的一個(gè)部分對另一個(gè)區(qū)域發(fā)生影響，并使后者沿著一條新途徑分化的作用。并使后者沿著一條新途徑分化的作用。 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)：脊索中胚層誘導(dǎo)外胚層細(xì)胞經(jīng)典實(shí)驗(yàn)胚

18、胎學(xué)：脊索中胚層誘導(dǎo)外胚層細(xì)胞分化成神經(jīng)組織（分化成神經(jīng)組織（初級胚胎誘導(dǎo)初級胚胎誘導(dǎo)）。）。初級胚胎誘導(dǎo)（廣義）的四個(gè)階段初級胚胎誘導(dǎo)（廣義）的四個(gè)階段： 第一階段：受精誘導(dǎo)背部化決定子的激活，形成背部細(xì)胞 第二階段：誘導(dǎo)形成 、中胚層 第三階段：組織者 誘導(dǎo) 第四階段：神經(jīng)組織 要點(diǎn)：要點(diǎn)： 細(xì)胞分化細(xì)胞分化 細(xì)胞定型細(xì)胞定型及其時(shí)相（及其時(shí)相（特化、決定特化、決定） 細(xì)胞定型的兩種方式與其特點(diǎn)（細(xì)胞定型的兩種方式與其特點(diǎn)（自主特化、有條件特化自主特化、有條件特化） 胚胎發(fā)育的兩種方式與其特點(diǎn)（胚胎發(fā)育的兩種方式與其特點(diǎn)（鑲嵌型發(fā)育、調(diào)整發(fā)育鑲嵌型發(fā)育、調(diào)整發(fā)育） 形態(tài)決定子形態(tài)決定子 胞

19、質(zhì)定域胞質(zhì)定域（海膽、軟體動(dòng)物、線蟲）（海膽、軟體動(dòng)物、線蟲） 細(xì)胞命運(yùn)漸進(jìn)特化的系列實(shí)驗(yàn)細(xì)胞命運(yùn)漸進(jìn)特化的系列實(shí)驗(yàn) 雙梯度模型雙梯度模型 誘導(dǎo)、胚胎誘導(dǎo)誘導(dǎo)、胚胎誘導(dǎo) 個(gè)體發(fā)育的中心問題是細(xì)胞分化。個(gè)體發(fā)育的中心問題是細(xì)胞分化。 從表型特征上，將可細(xì)胞分為從表型特征上，將可細(xì)胞分為3種類型：種類型： 全能細(xì)胞全能細(xì)胞：能夠產(chǎn)生有機(jī)體所有細(xì)胞表型，或者一個(gè)完整能夠產(chǎn)生有機(jī)體所有細(xì)胞表型，或者一個(gè)完整的有機(jī)體。的有機(jī)體。全套基因信息都可以表達(dá)全套基因信息都可以表達(dá)。 多潛能細(xì)胞多潛能細(xì)胞：發(fā)育潛能受到一定的限定，僅能分化形成發(fā)育潛能受到一定的限定，僅能分化形成特定范圍內(nèi)的細(xì)胞。特定范圍內(nèi)的細(xì)胞。

20、部分限制、部分表達(dá)部分限制、部分表達(dá)。 分化細(xì)胞分化細(xì)胞：由多潛能細(xì)胞通過一系列分裂和分化發(fā)育成的由多潛能細(xì)胞通過一系列分裂和分化發(fā)育成的特殊細(xì)胞表型。特殊細(xì)胞表型。大部分限制、大部分限制、 5-10%的信息表達(dá)的信息表達(dá)。 全能細(xì)胞 totipotent cell 多能細(xì)胞 pluripotent cell 專能細(xì)胞 multipotent 雙能細(xì)胞 bipotent 單能細(xì)胞unipotent 細(xì)胞分化是細(xì)胞分化是基因差異性表達(dá)基因差異性表達(dá)的結(jié)果。體細(xì)胞基的結(jié)果。體細(xì)胞基因組相同因組相同, 但由于基因差異性表達(dá)，不同細(xì)胞但由于基因差異性表達(dá)，不同細(xì)胞具有了不同的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組。具有了不

21、同的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組。 引起差異引起差異基因基因表達(dá)來源表達(dá)來源： 細(xì)胞內(nèi)卵質(zhì)差異細(xì)胞內(nèi)卵質(zhì)差異 細(xì)胞外周圍環(huán)境，鄰近細(xì)胞位置信息、細(xì)胞外周圍環(huán)境，鄰近細(xì)胞位置信息、細(xì)胞外信號(hào)分子細(xì)胞外信號(hào)分子 差異基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制差異基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制： 基因差異轉(zhuǎn)錄基因差異轉(zhuǎn)錄 核核RNA的選擇性加工的選擇性加工 (轉(zhuǎn)錄組）轉(zhuǎn)錄組） mRNA的選擇性翻譯的選擇性翻譯 （蛋白質(zhì)組）（蛋白質(zhì)組） 差別蛋白質(zhì)的加工差別蛋白質(zhì)的加工（功能蛋白質(zhì)組）（功能蛋白質(zhì)組） 表觀遺傳修飾表觀遺傳修飾（甲基化、組蛋白修飾等）（甲基化、組蛋白修飾等）一、有機(jī)體不同組織細(xì)胞基因組相同一、有機(jī)體不同組織細(xì)胞基因組相同（一）遺傳學(xué)

22、證據(jù)（一）遺傳學(xué)證據(jù) 染色體數(shù)目染色體數(shù)目（二）胚胎學(xué)證據(jù)（二）胚胎學(xué)證據(jù) 不同細(xì)胞期的卵裂球不同細(xì)胞期的卵裂球 可單獨(dú)發(fā)育個(gè)體可單獨(dú)發(fā)育個(gè)體（三）分子生物學(xué)證據(jù)（三）分子生物學(xué)證據(jù) 分子雜交分子雜交 同一有機(jī)體的不同細(xì)胞，無論是已決定的細(xì)胞或是已同一有機(jī)體的不同細(xì)胞，無論是已決定的細(xì)胞或是已分化的細(xì)胞，都與未分化細(xì)胞的核相同，具有相等的分化的細(xì)胞，都與未分化細(xì)胞的核相同，具有相等的基因組結(jié)構(gòu)，即基因組相同?；蚪M結(jié)構(gòu)，即基因組相同。二、發(fā)育過程中，核潛能的限定二、發(fā)育過程中，核潛能的限定 Briggs & King（1952, 1960） 豹蛙豹蛙 核移植實(shí)驗(yàn)核移植實(shí)驗(yàn) 早期卵裂：早

23、期卵裂：100%100%發(fā)育成正常蝌蚪發(fā)育成正常蝌蚪 囊胚：囊胚： 80%80%發(fā)育成正常蝌蚪發(fā)育成正常蝌蚪 原腸胚：原腸胚：50%50%發(fā)育成正常蝌蚪發(fā)育成正常蝌蚪 神經(jīng)胚：神經(jīng)胚：10%10%發(fā)育成正常蝌蚪發(fā)育成正常蝌蚪 隨著胚胎發(fā)育的不斷進(jìn)行，細(xì)胞核指導(dǎo)發(fā)育的隨著胚胎發(fā)育的不斷進(jìn)行，細(xì)胞核指導(dǎo)發(fā)育的潛能被越來越限定，甚至喪失了指導(dǎo)全部發(fā)育潛能被越來越限定，甚至喪失了指導(dǎo)全部發(fā)育的能力。的能力。 分化細(xì)胞核的潛在全能性分化細(xì)胞核的潛在全能性 分化細(xì)胞分化細(xì)胞 核移植核移植 不能獲得正常的胚胎。不能獲得正常的胚胎。 核克?。簩?nèi)胚層細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞、紅細(xì)核克?。簩?nèi)胚層細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞、

24、紅細(xì)胞的細(xì)胞核移植進(jìn)去核卵中，再將卵裂期或囊胞的細(xì)胞核移植進(jìn)去核卵中，再將卵裂期或囊胚期的核再次移植，也可獲得正常的胚胎。胚期的核再次移植，也可獲得正常的胚胎。 克隆羊克隆羊Dolly（1996）：母羊乳腺上皮細(xì)胞核）：母羊乳腺上皮細(xì)胞核 一系列克隆動(dòng)物一系列克隆動(dòng)物iPS 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 2006年日本京都大學(xué)山中伸彌（Shinya Yamanaka）領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室在細(xì)胞上率先報(bào)道了iPS的研究。他們把Oct3/4、Sox2、c-Myc和和Klf4這四種轉(zhuǎn)錄因子用逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄病毒錄病毒引入小鼠胚胎或皮膚纖維母細(xì)胞小鼠胚胎或皮膚纖維母細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)其發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的iPS 干細(xì)胞，

25、與胚胎干細(xì)胞極為相似。 2007年11月，美國威斯康星大學(xué)Thompson實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)報(bào)道，利用ips技術(shù)同樣可以誘導(dǎo)人皮膚纖維母細(xì)人皮膚纖維母細(xì)胞胞成為幾乎與胚胎干細(xì)胞完全一樣的多能干細(xì)胞。采用了以慢病毒載體慢病毒載體引入Oct4、Sox2加加Nanog和和LIN28這種因子組合。 這些研究成果被美國科學(xué)雜志列為2007年十大科技突破中的第二位。2012年10月8日，John B. Gurdon 與 Shinya Yamanaka 因此獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 三、基因組相同的例外三、基因組相同的例外1 1 染色體消減染色體消減 馬蛔蟲馬蛔蟲: 體細(xì)胞中體細(xì)胞中80%的的DNA丟失丟失 2

26、 2 基因重排基因重排 B B淋巴細(xì)胞：通過免疫球蛋白基因重排淋巴細(xì)胞：通過免疫球蛋白基因重排。3.3.基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增 基因選擇性復(fù)制。基因選擇性復(fù)制。一一 、基因表達(dá)的時(shí)間和空間的特異性、基因表達(dá)的時(shí)間和空間的特異性 基因表達(dá)的精確時(shí)間、空間位置，否則基因表達(dá)的精確時(shí)間、空間位置，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)育異常。會(huì)導(dǎo)致發(fā)育異常。二、發(fā)育中基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)和變化二、發(fā)育中基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)和變化珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄 圖圖2.12 圖圖2.13三、基因差異轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制三、基因差異轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制基因的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄過程基因的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄過程 圖圖2.14 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子啟動(dòng)子、增強(qiáng)子 轉(zhuǎn)錄因子（轉(zhuǎn)

27、錄因子（proteinprotein） DNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄RNA RNA加工水平調(diào)控加工水平調(diào)控 翻譯及翻譯后水平調(diào)控翻譯及翻譯后水平調(diào)控一、一、mRNA前體和前體和mRNA細(xì)胞核的最初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，細(xì)胞核細(xì)胞核的最初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，細(xì)胞核RNA，區(qū)，區(qū)別細(xì)胞質(zhì)中別細(xì)胞質(zhì)中mRNA與與mRNAmRNA相比，細(xì)胞核相比，細(xì)胞核RNARNA分子量大，壽命短分子量大，壽命短僅有少部分能被加工形成僅有少部分能被加工形成mRNAmRNA二、二、 前體前體RNA加工加工 圖圖3.2 不同發(fā)育期的核不同發(fā)育期的核RNARNA一致性。在一定程度上，一致性。在一定程度上，基因差異表達(dá)是在基因差異表達(dá)是在RNARNA加工水平上

28、進(jìn)行調(diào)控。加工水平上進(jìn)行調(diào)控。 在核在核RNA、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)mRNA、（翻譯）水平分別、（翻譯）水平分別檢測。檢測。三、三、 加工水平的調(diào)控加工水平的調(diào)控圖圖3.4 DNA mRNA前體前體 不同加工不同加工mRNA mRNA的種類、數(shù)量，貯藏的種類、數(shù)量，貯藏/翻譯翻譯 翻譯的時(shí)間、數(shù)量翻譯的時(shí)間、數(shù)量 與其他基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)與其他基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào) 翻譯產(chǎn)物的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、包裝翻譯產(chǎn)物的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、包裝 多細(xì)胞動(dòng)物的胚胎發(fā)育是一個(gè)多細(xì)胞動(dòng)物的胚胎發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜又高度復(fù)雜又高度協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)的過程的過程。 信號(hào)傳導(dǎo)是細(xì)胞間通訊的主要形式，即由信號(hào)信號(hào)傳導(dǎo)是細(xì)胞間通訊的主要形式，即由信號(hào)細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)分子信號(hào)分子，誘導(dǎo)靶細(xì)胞發(fā)生某種，誘導(dǎo)靶細(xì)胞發(fā)生某種反應(yīng)反應(yīng)；靶細(xì)胞通常通過靶細(xì)胞通