發(fā)育生物學 第5講發(fā)育機制學習資料

第五講胚胎發(fā)育機制

主講：徐玱主要胚胎發(fā)育機制細胞生長（長大與增殖）細胞分化胚胎誘導形態(tài)發(fā)生機制胚胎場現(xiàn)象細胞增大+細胞增殖本質：蛋白質與核酸等合成一細胞生長1細胞增大

:C體積↑胞質長大胞核長大2細胞增殖：C數(shù)目↑

由細胞分裂實現(xiàn)1兩個概念細胞全能性(totipotency)

C含有形成完整個體之潛能（分化潛能最強）。全能性→多能性→專能性→終末性內細胞群C→外胚層C→神經(jīng)干C→神經(jīng)C信息連

（不同）基因→（不同）

mRNA→

（不同）蛋白質→（不同）形態(tài)結構、生化特征、功能2細胞分化的決定(celldetermination)C在出現(xiàn)特有形態(tài)結構/生化特征/功能之前發(fā)生之決定C分化方向之內在隱蔽變化過程。決定的C沿特定類型分化,一般不會中途改變。二細胞分化---發(fā)育生物學研究之核心

3細胞分化(celldifferentiation,P82）定義：胚胎C或幼稚C發(fā)育成具有特殊形態(tài)結構\

生化特性\功能之專一化C之過程2）原因：基因差異表達（5-10%）3)事件：化學分化:特異蛋白合成RBC（Hb）,神經(jīng)細胞(烯醇化酶)等形態(tài)結構..:外形分化、核分化、胞質分化功能..:4）特點：過程一般不可逆

過程漸進：全能-多能-專能-終末終末分化C一般不再分裂受細胞內外信號調控。細胞分化參考信息

實驗一把某時期供體組織原基移植到受體不同位，如果移植塊按照在受體移植部位進行發(fā)育，說明在移植時其命運尚未決定；如果按照在供體原地情況發(fā)育，表明在移植時已發(fā)生了分化決定。實驗二干細胞移植治療老年癡呆:神經(jīng)干細胞→標記后移植入病變區(qū)→檢測功能改善、形態(tài)結構變化特異蛋白表達→證實是否發(fā)生了分化。細胞分化參考信息

（1）細胞核對細胞分化調控（2）細胞質對…（3）細胞間相互作用對…

細胞誘導細胞抑制細胞識別與粘合其他：5）細胞分化調控,P83內部因素外部因素

實驗一施佩曼將受精卵結扎，一半球含細胞核，另一半球不含細胞核。結果有核半球能進行正常卵裂分化，無核則不能。在16或32個細胞期，讓一胞核通過結扎處進入無核半球，結果這個半球也開始卵裂分化，并且發(fā)育成正常胚胎。實驗一說明：沒有細胞核，細胞不能分化,

細胞核提供了分化的潛能（1）細胞核在細胞分化過程中具主導作用

取一羊乳腺C細胞核取另一羊去核卵C兩者融合將發(fā)育至32細胞時移植人待孕羊子宮后代像供核之羊實驗二核移植實驗兩實驗表明：胚胎發(fā)育分化過程中細胞核起主導作用實驗二說明：有什么樣細胞核就有什么樣的分化潛能Dolly克隆牛欣欣，生命源于耳細胞

我國首例“胎兒皮膚上皮細胞”克隆?！翱悼怠?/p>

基因位于細胞核內染色體上，通過轉錄產(chǎn)生mRNA進入細胞質，翻譯成各種

蛋白質

從而決定細胞和個體發(fā)育分化方向。細胞核在細胞分化中主導作用之機制

受精卵發(fā)育形成的同源細胞含有相同基因組（在細胞核內）但在發(fā)育中只有5-10%基因表達(人類基因總數(shù)約3萬--5萬)且表達之基因差異較大Why?細胞核的主導作用不是絕對的，核的活動受到胞質中一些物質調節(jié)與制約（2）細胞質在分化過程中的作用

1928年，施佩曼做了個實驗:用較細的嬰兒頭發(fā)將蠑螈受精卵結扎成兩個半球狀，其中一個半球中含灰新月區(qū)(受精時，蠑螈卵細胞上出現(xiàn)的一個淺灰色的半月形區(qū)帶)和細胞核，另一個不含這個區(qū)帶。結果前者發(fā)育成了胚，后者則不能。即使后者含有細胞核，細胞也不能分化，只能發(fā)育成沒有一定形狀的團塊。實驗說明：1灰新月區(qū)(細胞質)中含某種物質，只有具備這種物質，胚胎發(fā)育分化才能正常進行。2卵細胞質各區(qū)域組分并不相同。這些特殊胞質組分稱為細胞質決定子(cytoplasmicdeterminants)—RNA與蛋白質。3胞質在C分化中的作用：是通過C質決定子影響核基因表達，一定程度上影響C分化。核與質間相互作用對細胞分化影響

互相依賴，缺一則不能生存核控制著遺傳信息質對核有重要調節(jié)作用兩者通過核孔相互傳遞蛋白來實現(xiàn)對細胞分化調控(3)細胞間的相互作用（細胞社會學）在細胞分化中的影響,P83誘導抑制識別其他胚胎誘導（induction）：胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響其它細胞分化方向。細胞抑制（inhibition）：已分化細胞抑制鄰近細胞進行相同分化。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。細胞識別與粘合（組織親合性）：三胚層細胞混雜培養(yǎng)→各胚層相互識別，相互粘著

癌細胞不能識別粘著，失去了正常細胞調控能力其他：細胞數(shù)量，細胞外基質，激素等4去分化（dedifferentiation），又稱逆轉

高度分化C失去分化能力，返回到未分化或低分化狀態(tài)。5轉分化（transdifferentiation）1)從一種分化細胞轉變到另一種分化細胞；2)通過增生干C或低分化C轉化為其他類型C3)轉分化表明已分化的細胞存在潛在的可塑性

三胚胎誘導,P84過程：將遷移到內部之前的背唇切下來，移植到另一正常原腸胚腹部。結果：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。誘導實驗施佩曼因此獲得1935諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。實驗表明：在移植物誘導下，移植物周圍胚層

改變了原來發(fā)育方向胚胎誘導（induction）：胚胎發(fā)育時期，部分C提供或傳遞信號，

其它C接受該信號，并向特定方向分化誘導者（inductor）：起誘導作用之C或組織反應者（respondingtissue）：接受信號并起反應之C或組織。1概念大分子：蛋白質或核酸，小分子：苯丙氨酸、胞嘧啶核苷酸

2誘導物本質3誘導特點1）誘導具有雙向性2）誘導者決定反應者產(chǎn)生何結構反應者決定所產(chǎn)生結構的遺傳性5）誘導引起的反應C的分化持續(xù)、不可逆3）誘導者異，反應異同一外胚層→神經(jīng)誘導物→神經(jīng)組織中胚層誘導物→肌肉，骨骼等等4）有權能期（periodofcompetence）

一定時間內發(fā)生，一旦超出臨界時間，誘導或反應能力會減退、消失初級誘導、次級誘導與三級誘導脊索誘導神經(jīng)系統(tǒng)形成稱之初級誘導前腦區(qū)兩側外突視泡誘導其外方之外胚層形成晶狀體，乃次級誘導晶狀體再誘導其表面外胚層形成角膜，乃三級誘導

4誘導層次性5誘導類型1）指令性誘導定義：

誘導者決定（命令）反應者基因如何表達（如晶狀體形成）特點：在誘導發(fā)生前，反應者分化未決定誘導組織A存在，反應組織B才能向特定方向分化A不存在，B不能向特定方向分化A存在，與B不同的C也能沿B分化方向分化A不存在，與A不同的D來誘導B分化，但B不能以原方式發(fā)育。2）允諾性誘導定義：反應者有特定的應答潛能，但潛能表現(xiàn)則需誘導者允許特點：

誘導發(fā)生前，反應者已完成了分化決定

誘導者不能改變反應者基因如何表達而僅僅是讓它有能力表達（1）接觸性誘導：

直接接觸縫隙連接（2）非接觸性誘導

信號物質擴散—車，船細胞外基質---路，橋6誘導作用機制總之誘導者必須激活反應者有關基因基因活動產(chǎn)物又激活其他有關基因一組基因被激活產(chǎn)生一組特異性蛋白從而導致細胞分化

四形態(tài)發(fā)生機制,P86

組織、器官、系統(tǒng)、機體的形態(tài)發(fā)生（morphogenesis）是通過細胞的

細胞運動細胞識別和粘著細胞增殖和死亡等過程而實現(xiàn)的定義：相對位置移動分類：單細胞..+群體..主要原因：形態(tài)改變←C內微絲、微管配布變化

1細胞運動2細胞識別和粘著神經(jīng)管形成過程細胞形狀與微絲、微管配布變化的關系（1）外胚層細胞呈立方形，微絲和微管任意分布（2）細胞變長，微管平行于長軸排列，形成神經(jīng)板（3）細胞頂部縮窄，微絲與表面平行分布，形成神經(jīng)管定義：也稱細胞凋亡（apoptosis）一種由基因控制之主動之細胞生理性自殺行為2）PCD機制,P88調控基因凋亡基因（caspase等）:造成C自殺性死亡抗凋亡基因（Bcl-2等）:阻止C凋亡途徑：

死亡受體途徑：經(jīng)典途徑

線粒體途徑：

主要途徑內質網(wǎng)途徑：新發(fā)現(xiàn)途徑（研究熱點）3程序性細胞死亡（programmedcelldeath，PCD）4）胚胎發(fā)育中PCD之意義,P88系統(tǒng)匹配(量與位置)：如80%卵母C,迷路C雕刻軀體：如食管管化，指（趾）蹼及尾巴消失保護機體：去除有害C，如自身反應T\B，癌細胞等PCD失控，將導致各種疾?。喝鏟CD↓

→癌；而PCD↑

→艾滋?。ˋIDS）。腦細胞PCD失控將導致多種嚴重疾病，如：帕金森癥，老年性癡呆等2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在細胞程序性死亡方面的研究獲

諾貝爾生理與醫(yī)學獎。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

一）肢芽發(fā)生實驗1若將早期肢芽挖除，其周圍組織仍能長出一個正常肢芽距原肢芽越近的組織發(fā)生新肢芽的能力越強，反之則弱2若切除肢芽的1／2或3／4，余部仍能發(fā)育為正常肢體3若把一肢芽中胚層組織挖出，填入另一肢芽內，使后者具有雙倍肢芽中胚層，該肢芽仍僅發(fā)育為一正常肢體

四胚胎場現(xiàn)象,P90實驗結果表明胚體可形成肢芽范圍比預定發(fā)生肢芽部位要廣

這種能發(fā)育形成某種結構之組織場地

稱為該結構之胚胎場（embryonicfield）

或胚野眼、耳、心臟等也存在胚胎場

二）胚胎場現(xiàn)象特征1胚胎場中形成某特定結構之組織比該預定結構本身范圍更廣2發(fā)育潛能隨著與預定結構距離拉長而減弱3部分原基→一個完整肢體4增加原基→一個完整肢體5胚胎場形成某特定結構之潛能隨結構分化程度增加而降低總的來說發(fā)育問題歸根結底依賴于基因在發(fā)育過程中按一定時間和一定空間有秩序、有選擇地表達參考資料1．細胞運動與形態(tài)變化

定義：也稱細胞凋亡（apoptosis）一種由基因控制之主動之細胞生理性自殺行為2）特點：形態(tài)：凋亡小體等生化：階梯狀DNA條帶

(180-200bp)3程序性細胞死亡（programmedcelldeath，PCD）將一些細胞組成功能和形態(tài)不同的組織和器官，最后形成一個具有表型特征個體，這一過程稱為形態(tài)建成。位置信息(positionalinformation)：不斷分裂和移動中的細胞通過感知自己的瞬間空間位置并依此決定分化方向或調整移動路徑，此即位置信息對發(fā)育分化的影響。形態(tài)發(fā)生素(morphogen)假說：胚胎發(fā)生素在胚胎的特定部位合成和分泌，然后擴散到周圍組織，形成一種濃度遞減的梯度。細胞通過適當?shù)氖荏w“感知”自身部位的形態(tài)發(fā)生素的濃度，細胞就可以估測自己離形態(tài)發(fā)生素產(chǎn)生源有多遠，并決定分化的方向。形態(tài)發(fā)生素假說強調的就是位置信息對形態(tài)建成的影響?？茖W家通過對雞的肢芽（limbbuds）發(fā)育的研究，肯定了位置信息在形態(tài)建成中的作用。攜帶決定細胞分化方向相關信息的可擴散的物質。形態(tài)發(fā)生素是以連續(xù)的濃度梯度分布的，因而形成各種濃度閾值，細胞根據(jù)所處環(huán)境的形態(tài)發(fā)生素的濃度閾值決定分化方向。形態(tài)發(fā)生素是決定細胞發(fā)育的基因表達產(chǎn)物。胚胎的形態(tài)發(fā)生多與細胞層的鋪展、卷折、陷入、隆起和細胞遷移有關，而這又與細胞內微絲、微管配布引起的細胞形態(tài)變化和細胞外基質大分子物質的濃度有關。神經(jīng)管形成過程細胞形狀與微絲、微管配布變化的關系（1）外胚層細胞呈立方形，微絲和微管任意分布（2）細胞變長，微管平行于長軸排列，形成神經(jīng)板（3）細胞頂部縮窄，微絲與表面平行分布，形成神經(jīng)管2．細胞識別和粘著與形態(tài)發(fā)生

胚胎發(fā)育中，同類或相關細胞能彼此識別，經(jīng)過遷移能按一定的模式類聚和粘著在一起，構成組織。近年認為，這是由于細胞膜上的糖蛋白受體與相關細胞細胞衣內的糖鏈結合的結果。3．程序性細胞死亡與形態(tài)發(fā)生

胚胎發(fā)生中廣泛存在細胞定時死亡現(xiàn)象，稱程序性細胞死亡（apoptosis）。它是器官正常發(fā)生的重要因素，唯其機制不明。如人胚的尾芽和鰓的定期消失；早期手和足都形似槳板，在預定指或趾之間的細胞死亡后，才能形成指或趾。又如循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生過程中的某段動脈或靜脈的定時退化、女性中腎管的定期退化、男性中腎旁管的定期消失等都屬此例。死亡基因caspases

，啟動造成細胞自殺性死亡。Bcl-2在正常細胞中存在，以阻止細胞的凋亡。細胞凋亡過程失控，將導致各種疾病。如抑制細胞凋亡過程，將產(chǎn)生癌；而促進了細胞凋亡可能產(chǎn)生艾滋?。ˋIDS）。在神經(jīng)系統(tǒng)中，腦細胞凋亡過程的失控將導致多種嚴重的疾病，如：帕金森癥，老年性癡呆等。ABAB

AB

12

34

12最強

4

12

34

3最弱胸腺細胞正常凋亡A、NormalcellB、Apoptosis:Apoptoticbodies2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

若將早期肢芽挖除，其周圍組織仍能長出一個正常肢芽；距原肢芽越近的組織發(fā)生新肢芽的能力越強，反之則弱。若切除肢芽的1／2或3／4，余部仍能發(fā)育為正常肢體。若把一肢芽的中胚層組織控出，填入另一肢芽內，使后者具有雙倍的肢芽中胚層，該肢芽仍僅發(fā)育為一正常肢體。

五胚胎場現(xiàn)象---肢芽發(fā)生實驗結果表明，胚體可形成肢芽的范圍比預定發(fā)生肢芽的部位要廣。

這種能發(fā)育形成某種結構的組織場地，稱為該結構的胚胎場（embryonicfield）或胚野。實驗還揭示，胚胎場內的細胞有識別自身所在的位置，并調整自身增殖與分化的能力。眼、耳、心臟等的發(fā)生也存在胚胎場。

胚胎場現(xiàn)象特征胚胎場中形成某種特定結構的組織分化潛能比該預定結構本聲的范圍更廣泛.潛能的表達,隨著與預定結構距離的拉長而減弱部分原基可以產(chǎn)生完整結構增加原基,產(chǎn)生的仍是一個完整的肢體胚胎場形成某特定結構的潛能隨著結構的分化程序的發(fā)展而降低胚胎場現(xiàn)象---肢芽發(fā)生ABAB

AB

12

34

12最強

3最弱4

12

34

總的來說，發(fā)育問題歸根結底依賴于基因在發(fā)育過程中按一定的時間和一定的空間有秩序、有選擇地表達。參考資料（未整理）誘導（induction）：動物在一定的胚胎發(fā)育時期，一部分細胞誘導其它細胞向特定方向分化的現(xiàn)象三胚胎誘導反應細胞只是在一定時間內對誘導者發(fā)生反應，一旦超出臨界時間，反應能力會逐漸減退以致完全消失。起誘導作用的細胞或組織者稱為誘導者（inductor），被影響（誘導）的細胞叫反應細胞。誘導是通過信號來實現(xiàn)的，其中有些誘導信號是短距離的，僅限于相互接觸的細胞間；有些是長距離的，通過擴散作用于靶細胞。通常把響應誘導信號的同類細胞叫做形態(tài)發(fā)生場（morphogeneticfield）。實驗：用手術方法，在將背唇遷移到內部之前把它切下來，移植到另一個正常原腸胚的腹部(圖5-12)。為了便于追蹤觀察，用灰色蠑螈變種的胚孔背唇作供體，用黑色蠑螈變種作受體。1、誘導實驗：蠑螈早期原腸胚的背唇移植實驗實驗結果：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)育成了一個雙頭怪物。這種誘導作用，最早是由施佩曼發(fā)現(xiàn)的，他因此而獲得了1935年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。這個實驗表明：在移植物的作用下，移植物周圍的胚層改變了原來的發(fā)育方向，即發(fā)育成了神經(jīng)組織以致整個頭部誘導物質的性質是化學物質：大分子的蛋白質或核酸，也可能是苯丙氨酸、胞嘧啶核苷酸等小分子物質存在于胚胎或成體組織；活、死組織均存在誘導

2、誘導物質的性質

誘導條件不同對細胞分化能力的改變有一定的限制。

如果用晚原腸期（大約2天后）的細胞進行上述相同的實驗，其結果完全不同：將神經(jīng)組織的細胞放在胚胎的能夠發(fā)育成表皮組織的部位將不會發(fā)育成表皮，而是神經(jīng)細胞，反之亦然。胚胎誘導一般發(fā)生在內胚層和中胚層或外胚層和中胚層之間。從誘導的層次上看,分為三級,即初級誘導、二級誘導和三級誘導。（1）初級誘導，原腸胚的脊索中胚層誘導其上方的外胚層形成神經(jīng)板，神經(jīng)板形成神經(jīng)管。

3、誘導層次性

（2）次級誘導和三級誘導

各器官原基形成的早期均有誘導現(xiàn)象，而且可出現(xiàn)連續(xù)的誘導。感官形成是最典型的例子，前腦區(qū)兩側外突的視囊，誘導其外方的外胚層形成晶狀體，稱為次級誘導。晶狀體又誘導其外表的外胚層形成角膜，稱為三級誘導。4、誘導作用的方式（類型）（1）指令性誘導

定義：誘導組織發(fā)出的誘導信息啟動了反應組織中的基因或基因組，合成特定蛋白，并逐漸分化為與誘導組織相關的組織結構。（如晶狀體形成）

特點：誘導組織A存在，反應組織B才能分化誘導組織A不存在，反應組織B不會分化誘導組織A存在，與B不同的C組織也能沿著B

組織的分化方向分化。（2）允諾性誘導

定義：誘導組織與反應組織構成了相互作用的體系，在誘導作用發(fā)生前，反應組織已完成了分化決定，不具有多項分化的能力.兩種誘導作用的特征：誘導作用是雙向的誘導作用可以發(fā)生在不同種或不同門的動物胚胎之間后腎的發(fā)生就是這種接觸誘導的典型例子。后腎是由同屬于中胚層組織的輸尿管芽和生后腎組織相互作用形成的。在體外實驗中，將輸尿管芽和生后腎組織彼此分離，輸尿管芽就不能形成樹枝狀的管道，生后腎組織也不能形成腎小管；若將它們放在一起培養(yǎng)，輸尿管芽將生長并分支，生后腎組織將形成腎小管。雖然腎小管的分化并不完全需要輸尿管芽的誘導，其他的一些組織，如神經(jīng)管、唾液腺間質等也能誘導其形成腎小管。這說明，生后腎組織早已經(jīng)決定了，這種相互作用是容許性質的。但是輸尿管芽的分支只有在生后腎組織的誘導下才能進行。如果將輸尿管芽和生后腎組織置于微孔濾膜的兩側，發(fā)現(xiàn)輸尿管芽的小突起穿過濾膜與生后腎組織接觸，生后腎組織形成腎小管。后腎的發(fā)生就是這種接觸誘導的典型例子后腎是由中胚層組織的輸尿管芽和生后腎組織相互作用形成的實驗證明，誘導作用的發(fā)生并不一定需要誘導組織與反應組織間的直接的細胞接觸。如果將胰腺原基中的內胚層上皮細胞與其周圍的間質細胞分開來培養(yǎng)，無胰腺結構發(fā)生。而將兩種細胞混合培養(yǎng)，就會形成胰腺結構，這說明兩者之間有明顯的誘導作用。如果在混合培養(yǎng)時，在兩種細胞之間隔一層薄膜，只允許分子通過，不允許細胞或細胞突起通過，結果形成了胰腺腺泡和管道結構，并有胰酶合成。這說明間充質細胞對上皮細胞的誘導作用并不是通過細胞間的直接接觸來實現(xiàn)的。在這種誘導過程中，誘導組織可能通過產(chǎn)生一些大分子物質，并將其排放到細胞外基質中形成一定的濃度梯度，從而影響了反應組織的定向分化和形態(tài)發(fā)生。在一些情況下，誘導組織產(chǎn)生的化學物質，不參與細胞外基質的組成，只是通過基質而擴散到反應組織，從而誘導反應組織的分化和形態(tài)發(fā)生。

（1）直接的接觸，誘導者和反應細胞質膜上的受體起作用；（2）大分子物質的擴散；（3）胚胎發(fā)育早期的細胞間通訊；（4）細胞外基質在誘導作用中起重要作用:誘導組織可能通過產(chǎn)生一些大分子物質，并將其排放到細胞外基質中形成一定的濃度梯度，從而影響了反應組織的定向分化和形態(tài)發(fā)生。5、誘導物作用機制不同的誘導刺激，反應不同同樣的外胚層受到神經(jīng)誘導物質作用的會產(chǎn)生神經(jīng)組織，而中胚層誘導物質可以使它們產(chǎn)生脊索、肌肉等結構。處于不同發(fā)育時