A-第7章 細(xì)胞的自主特化

第七章細(xì)胞的自主特化:形態(tài)發(fā)生決定子動物有機(jī)體是由分化的細(xì)胞組成的。分化細(xì)胞不僅形態(tài)各異，而且功能各異，它們都有自己特異的蛋白質(zhì)產(chǎn)物(P123,表6.1)。第一節(jié)細(xì)胞定型和分化從單個(gè)受精卵產(chǎn)生各種類型細(xì)胞的發(fā)育過程稱為細(xì)胞分化(celldifferentiation)。在細(xì)胞分化之前發(fā)生一些隱蔽的變化，使細(xì)胞向特定方向發(fā)育，這一過程稱為定型(commitment)，經(jīng)典胚胎學(xué)稱為決定(determination)。已定型細(xì)胞與未定型細(xì)胞間表型上無任何不同，只是前者發(fā)育受到嚴(yán)格限制。在發(fā)育過程中定型和分化是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程，細(xì)胞定型后分化的方向不可逆轉(zhuǎn)。

細(xì)胞定型有兩種方式：①通過胞質(zhì)隔離(cytoplasmicsegrega-tion)實(shí)現(xiàn)。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，決定它發(fā)育為那種類型細(xì)胞，細(xì)胞決定與臨近細(xì)胞無關(guān)。細(xì)胞命運(yùn)的這種決定方式稱為自主特化(autonomousspecification)，其胚胎發(fā)育模式稱為鑲嵌型發(fā)育(mosacdevelopment)，也稱自主型發(fā)育。②通過胚胎誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。相鄰細(xì)胞或組織間相互作用,決定一方或雙方的發(fā)育命運(yùn)。這種定型方式稱為條件特化(conditional)或漸進(jìn)特化(progresive)或依賴性特化(dependent),其發(fā)育模式為調(diào)整型發(fā)育(regulativedevelopment)。

第二節(jié)形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子(morphogeneticdeterminant)也稱胞質(zhì)決定子或成形素(morphogen)。其概念源于對細(xì)胞譜系研究。發(fā)現(xiàn)水蛭和海鞘胚胎發(fā)育中一些特定組織由特定卵裂球發(fā)育而成，它們含有卵子一定區(qū)域細(xì)胞質(zhì)，卵裂球都自主發(fā)育，其發(fā)育為鑲嵌型發(fā)育。當(dāng)代研究發(fā)現(xiàn)，海鞘胚胎確實(shí)類似于依據(jù)卵內(nèi)儲存信息進(jìn)行自我分化的鑲嵌體。柄海鞘受精卵的細(xì)胞質(zhì)根據(jù)所含色素不同分為4個(gè)區(qū)域(下圖):

動物極透明細(xì)胞質(zhì)，植物極近赤道面兩個(gè)相對排列的新月區(qū)，一個(gè)淺灰色的灰色新月區(qū)(graycrescent)和一個(gè)黃色的黃色新月區(qū)(yellowcrescent)，最后為含卵黃的植物極其余部分稱灰色卵黃區(qū)。受精后卵裂形成的卵裂球可根據(jù)所含細(xì)胞質(zhì)的色素追蹤，含黃色新月區(qū)細(xì)胞形成肌細(xì)胞;灰色新月區(qū)細(xì)胞形成脊索和神經(jīng)管;動物極透明區(qū)細(xì)胞形成表皮;灰色卵黃區(qū)細(xì)胞形成消化道.不同細(xì)胞接受不同區(qū)域細(xì)胞質(zhì),其內(nèi)含不同的形態(tài)發(fā)生決定子,能夠使細(xì)胞朝一定方向分化。

海鞘第一次卵裂面和幼蟲身體左右對稱面相吻合，此后兩邊卵裂球的發(fā)育完全相同.實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，如將海鞘8-細(xì)胞胚胎的卵裂球分成4對(左右兩卵裂球是相等的)，發(fā)育過程如卵子命運(yùn)決定圖譜與預(yù)期一樣，植物極后面一對卵裂球(B4.1)形成內(nèi)胚層、間質(zhì)和肌肉(下右圖)?？梢姾Ｇ事蚜亚蛎\(yùn)在8-細(xì)胞期已經(jīng)決定，分離的卵裂球可以自我分化.但神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育例外，神經(jīng)細(xì)胞是由動物極前面一對卵裂球(a4.2)和植物極前面一對卵裂球(A4.1)產(chǎn)生。當(dāng)這兩對卵裂球分離后單獨(dú)培養(yǎng)均不生產(chǎn)神經(jīng)組織，當(dāng)二者配合后可形成腦和觸須(palp)?？梢娫诤Ｇ蔬@樣鑲嵌型發(fā)育的胚胎中也存在卵裂球之間相互作用決定發(fā)育命運(yùn)的漸進(jìn)決定作用.海鞘胚胎的鑲嵌型決定作用

8-細(xì)胞期4對裂球分開后，每對裂球都形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)用玻璃針反復(fù)擠壓海鞘B4.1卵裂球使原分裂溝退化,在靠近植物極區(qū)形成新卵裂溝,沿此將卵裂球分開部分黃色新月胞質(zhì)進(jìn)入b4.2，它也形成肌肉.童第周核移植實(shí)驗(yàn)也證明如此

第三節(jié)胞質(zhì)定域形態(tài)發(fā)生決定子在卵細(xì)胞質(zhì)中呈一定形式分布，受精時(shí)發(fā)生運(yùn)動，被分隔到一定區(qū)域，卵裂時(shí)分配到特定卵裂球決定其發(fā)育命運(yùn)。這一現(xiàn)象稱為胞質(zhì)定域(cytoplasmiclocalization)。一.海鞘1.肌質(zhì)和肌細(xì)胞的特化Whittacker(1973)首先用組織化學(xué)方法檢測了海鞘胚胎中乙酰膽堿酶(AChE)的發(fā)育情況，證明海鞘胚胎的胞質(zhì)定域。發(fā)現(xiàn)AChE只存在于海鞘幼蟲肌肉組織中。根據(jù)海鞘胚胎細(xì)胞譜系(圖6.4),

8-細(xì)胞期只有植物極后面一對卵裂球B4.1形成肌肉，分離后單獨(dú)培養(yǎng)也是如此，而且AChE染色呈陽性(左圖)。后來證明A4.1卵裂球在完整胚胎中也能形成肌肉，它是由于誘導(dǎo)作用形成的。當(dāng)用細(xì)胞松弛素B處理不同時(shí)期海鞘胚胎抑制胞質(zhì)分裂再進(jìn)行AChE活性檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，所得結(jié)果與細(xì)胞譜系分析吻合(右圖)

2.內(nèi)胚層、表皮和前后軸的決定實(shí)驗(yàn)證明，內(nèi)胚層特異的堿性磷酸酶只在預(yù)定形成消化道的細(xì)胞中產(chǎn)生。后來利用細(xì)胞和細(xì)胞或細(xì)胞和細(xì)胞碎片融合的實(shí)驗(yàn)追蹤決定內(nèi)胚層和表皮細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的形態(tài)發(fā)生決定子(下圖):當(dāng)一個(gè)細(xì)胞譜系的細(xì)胞或細(xì)胞碎片與另一個(gè)細(xì)胞譜系的細(xì)胞融合后用生化標(biāo)記或抗體標(biāo)記檢測很容易發(fā)現(xiàn)融合細(xì)胞是否新的發(fā)育命運(yùn).結(jié)果表明，表皮決定子在受精過程中遷移到卵子的動物極頂部區(qū)(apicalregion)，卵裂時(shí)進(jìn)入動物極卵裂球中，即8-細(xì)胞期胚胎的a4.2和b4.2兩卵裂球中；而內(nèi)胚層決定子在受精過程中遷移到卵子植物極半球，卵裂期進(jìn)入植物極卵裂球中。伴隨受精時(shí)卵子細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動，海鞘胚胎的前后軸也被決定下來。在受精過程卵質(zhì)運(yùn)動完成后，除去受精卵植物極后端大約10%的細(xì)胞質(zhì)(PVC)，則大多數(shù)胚胎缺少前后軸，發(fā)育成只具有前端的輻射對稱幼蟲。如果將一個(gè)胚胎的PVC移植到另一個(gè)切除PVC胚胎的前端，結(jié)果前端發(fā)育為新的后端，后端發(fā)育為前端。海鞘肌肉、內(nèi)胚層和表皮三種組織胞質(zhì)決定子的運(yùn)動比較圖僅代表卵子表面觀

二.軟體動物Wilson(1904)將帽貝早期卵裂球分離培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，其發(fā)育命運(yùn)、分裂速度和分裂方式都和完整胚胎內(nèi)的相同卵裂球一樣(下圖)。這是由特定的形態(tài)發(fā)生決定子為基礎(chǔ)的。帽貝成纖毛細(xì)胞的分化A.帽貝正常胚胎中成纖毛細(xì)胞的分化a.16-細(xì)胞期側(cè)面觀.預(yù)定成纖毛細(xì)胞以深色表示.b.48-細(xì)胞期.c.纖毛幼蟲期動物極觀.纖毛位于成纖毛細(xì)胞上.B.分離培養(yǎng)的帽貝成纖毛細(xì)胞的分化.a.分離的成纖毛細(xì)胞.b,c.培養(yǎng)過程中第1和第2次卵裂.d.纖毛形成.即使分離后單獨(dú)培養(yǎng),成纖毛細(xì)胞同樣在正常時(shí)間形成纖毛軟體動物胚胎在第一次卵裂前植物極部分胞質(zhì)向下突起，形成極葉(polarlobe)。第一次卵裂形成AB和CD兩個(gè)卵裂球，極葉與CD以細(xì)柄相連。極葉約占卵子總體積的1/3,因此看起來象一個(gè)卵裂球,胚胎外形象三葉狀,稱為三葉期(trefoilstage)。第一次卵裂完成后，極葉消失并入CD卵裂球。第二次卵裂時(shí)極葉再次出現(xiàn)，卵裂完成后僅與D卵裂球相連，后并入D卵裂球。此后極葉出現(xiàn)就不明顯了。極葉突出和縮回各發(fā)生兩次切除實(shí)驗(yàn)證明，①三葉期除去極葉不能形成正常的擔(dān)輪幼蟲，形成缺少中胚層的幼蟲；②4-細(xì)胞期切除D卵裂球也形成缺少中胚層的幼蟲。證明極葉含有中胚層形成決定子。殼腺是中胚層細(xì)胞誘導(dǎo)外胚層細(xì)胞形成的，除去極葉沒有中胚層形成，也就沒有誘導(dǎo)者誘導(dǎo)外胚層形成殼腺。

極葉中形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細(xì)胞骨架中,而不在可擴(kuò)散的細(xì)胞質(zhì)中。將螺(Ilyanassaobsoleto)三葉期胚胎離心使極葉中可擴(kuò)散細(xì)胞質(zhì)流入CD卵裂球中,再切除極葉,發(fā)育的胚胎仍缺少中胚層結(jié)構(gòu);將極葉細(xì)胞質(zhì)吸出，其它部位的細(xì)胞質(zhì)流入極葉,發(fā)育的胚胎正常;將極葉細(xì)胞質(zhì)加入B卵裂球中,B卵裂球并不產(chǎn)生中胚層結(jié)構(gòu)。因此可擴(kuò)散細(xì)胞質(zhì)不含形態(tài)發(fā)生決定子。因此，形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細(xì)胞骨架中.由于極葉細(xì)胞質(zhì)的進(jìn)入，D卵裂球比其它3個(gè)卵裂球都大，故稱其為大卵裂球(macromere)。D分裂產(chǎn)生1d和1D，1D分裂產(chǎn)生2d和2D，2D分裂產(chǎn)生3d和3D，3D分裂產(chǎn)生4d和4D。當(dāng)除去D或1D或2D卵裂球時(shí),發(fā)育的胚胎缺少心臟、消化道、面盤、殼腺、眼和足。除去3D，胚胎只缺少心臟和消化道?？梢娫却嬖谟贒卵裂球中的某些形態(tài)發(fā)生決定子分配到3d卵裂球中。只除去4D對胚胎發(fā)育沒有質(zhì)的影響。但除去4d,則胚胎缺少心臟和消化道。因此形成心臟和消化道的決定子已分配到4d卵裂球中。4d下一次卵裂時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)成中胚層細(xì)胞，它們將來形成中胚層的心臟和內(nèi)胚層的消化道。

三.線蟲1.生殖細(xì)胞的特化卵子細(xì)胞質(zhì)中存在區(qū)域分布的形態(tài)發(fā)生決定子，這在整個(gè)動物界是普遍現(xiàn)象，最常見的決定子是生殖細(xì)胞決定子。Boveri第一個(gè)對胚胎發(fā)育中染色體變化進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)副蛔蟲單倍體生殖細(xì)胞只有2條染色體，第一次卵裂為緯裂形成動物極和植物極兩個(gè)卵裂球；在第二次卵裂前動物極卵裂球染色體兩端裂解成數(shù)十個(gè)小片段，散布細(xì)胞質(zhì)中，不再加入新形成的細(xì)胞核內(nèi)，因而失去很多基因，這一現(xiàn)象稱為染色體消減(chromosomediminution)。植物極卵裂球仍保持正常數(shù)目染色體。

第二次卵裂，動物極經(jīng)裂，植物極緯裂，在下一次卵裂前靠近動物極的卵裂球染色體消減，因此4-細(xì)胞期胚胎只有1個(gè)卵裂球含有正常數(shù)目染色體。此后每次卵裂有一個(gè)卵裂球發(fā)生染色體消減，16-細(xì)胞期只有2個(gè)卵裂球含全數(shù)染色體，最終只有1個(gè)卵裂球含全數(shù)染色體形成生殖細(xì)胞，其它形成體細(xì)胞。當(dāng)將副蛔蟲受精卵卵裂前離心使紡錘體旋轉(zhuǎn)90°，卵裂由緯裂變成經(jīng)裂形成的兩個(gè)卵裂球內(nèi)均不發(fā)生染色體消減，下一次緯裂產(chǎn)生的兩個(gè)動物極細(xì)胞均發(fā)生消減，植物極均不。說明植物極含有某些物質(zhì)保護(hù)卵裂球染色體不消減，這些物質(zhì)決定生殖細(xì)胞形成，稱為生殖質(zhì)(germplasm).副蛔蟲正常受精卵(A)和經(jīng)離心處理的受精卵(B)分裂時(shí)生殖質(zhì)的分布A.正常情況下生殖質(zhì)保留在最靠植物極的裂球中，該裂球保留全數(shù)染色體，成為生殖干細(xì)胞B.離心使第一次卵裂面旋轉(zhuǎn)90o，由此形成的兩裂隙球全保留有生殖質(zhì)。兩個(gè)裂隙球中的染色體都必須不發(fā)生消減。經(jīng)兩次卵裂后，植物極兩個(gè)裂球成為生殖干細(xì)胞2.咽部原始細(xì)胞命運(yùn)的決定第一次卵裂產(chǎn)生P和AB卵裂球，后端P卵裂產(chǎn)生EMS和P2卵裂球，只有EMS分離后能產(chǎn)生咽部肌肉。而EMS分裂后產(chǎn)生MS和E兩個(gè)卵裂球，只有MS具有形成咽部組織的潛能。秀麗線蟲胚胎中發(fā)現(xiàn)SKN-1蛋白質(zhì)可能是一種“轉(zhuǎn)錄因子”樣形態(tài)發(fā)生決定子，它是一種母源性多肽，控制形成咽后部的EMS卵裂球命運(yùn)。表明母源性因子分離到特定卵裂球中自主決定形成咽部細(xì)胞的命運(yùn)。其突變體(skn_1)胚胎既不能由EMS產(chǎn)生咽，也不能產(chǎn)生腸。

SKN-1在細(xì)胞質(zhì)中處于無活性狀態(tài)。第一次卵裂后它大部分進(jìn)入P1細(xì)胞核，少量進(jìn)入AB；第二次卵裂，P1產(chǎn)生EMS和P2細(xì)胞核均含SKN-1。它可能是一種形態(tài)發(fā)生決定子，它能激活所在卵裂球中某些特定基因，并決定它們的發(fā)育命運(yùn)。但還需要另外一些因子將SKN-1功能限制于EMS卵裂球中，同時(shí)阻止它們在P2卵裂球中發(fā)生作用。

把SKN-1功能限制于4-細(xì)胞期EMS卵裂球是通過pie-1(pharyngealandimtestinalexcess)和mex-1(muscleexcess)基因活動實(shí)現(xiàn)的。二者均能調(diào)節(jié)skn-1的活動。pie-1和mex-1基因突變將改變秀麗線蟲8-細(xì)胞期胚胎中細(xì)胞決定作用，產(chǎn)生一些額外的卵裂球形成MS細(xì)胞。在pie-1缺陷型母體胚胎中，P3和C姊妹卵裂球分別轉(zhuǎn)變成E和MS卵裂球；在mex-1缺陷型母體胚胎中，AB卵裂球產(chǎn)生的子細(xì)胞均形成MS卵裂球；在來自同時(shí)缺少pie-1和mex-1產(chǎn)物母體胚胎中，其前端6個(gè)細(xì)胞為MS卵裂球,后端2個(gè)細(xì)胞為E卵裂球?？梢姷鞍踪|(zhì)PIE-1和MEX-1可以各自單獨(dú)發(fā)生作用:MEX-1在第一次卵裂時(shí)使SKN-1不對稱地分配到P1卵裂球中；而PIE-1在第二次卵裂時(shí)使SKN-1不對稱地分配到EMS卵裂球(圖).無論怎樣野生型基因skn-1都是額外的MS卵裂球形成所必須的;缺乏skn-1的胚胎不能形成咽.這樣MEX-1,PIE-1和SKN-1的激活聯(lián)系在一起。PIE-1也起促進(jìn)作用保持生殖細(xì)胞全能性。野生型和突變型胚胎中MS細(xì)胞決定模型

四.昆蟲1.極質(zhì)和生殖細(xì)胞的分化昆蟲卵含有的生殖質(zhì)能保護(hù)生殖細(xì)胞染色體免于消減.蠓在胚胎卵裂時(shí)多數(shù)細(xì)胞的染色體由原來40條失去32條,只有位于卵后端的兩個(gè)細(xì)胞核染色體不消減，并保留一段時(shí)間不分裂，最終這兩個(gè)細(xì)胞核形成生殖細(xì)胞的核.當(dāng)用結(jié)扎方法阻止細(xì)胞核遷入卵子后端細(xì)胞質(zhì)時(shí)，所有細(xì)胞核染色體都經(jīng)歷消減，發(fā)育成的蠓是不育的，缺少生殖細(xì)胞。當(dāng)結(jié)扎松開讓發(fā)生染色體消減的細(xì)胞核進(jìn)入卵子后端細(xì)胞質(zhì)，發(fā)育的蠓具有生殖細(xì)胞，但不能分化成有功能的精子和卵子。證明:消減的染色質(zhì)中含有在生殖細(xì)胞形成過程中處于活躍狀態(tài)的基因.有研究發(fā)現(xiàn)在極細(xì)胞(polarcell)形成前除去或破壞蜜蜂卵子的極質(zhì)

(polarplasm)，即卵子后端的生殖質(zhì)，發(fā)育的蜜蜂缺乏生殖細(xì)胞，不能繁殖。在蜜蜂卵子極質(zhì)中含有極粒(polar