第十章細(xì)胞命運(yùn)的漸進(jìn)特化

1、第十章第十章 細(xì)胞命運(yùn)的漸進(jìn)特化：細(xì)胞命運(yùn)的漸進(jìn)特化： 胚胎細(xì)胞相互作用胚胎細(xì)胞相互作用動(dòng)物細(xì)胞以動(dòng)物細(xì)胞以“自主方式自主方式”或或“有條件或依賴型有條件或依賴型方式方式”兩種方式特化。兩種方式特化。多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎細(xì)胞以自主方式特化多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物胚胎細(xì)胞以自主方式特化多數(shù)脊椎動(dòng)物胚胎細(xì)胞以依賴型方式特化多數(shù)脊椎動(dòng)物胚胎細(xì)胞以依賴型方式特化自主特化：鑲嵌型發(fā)育在自主型發(fā)育及鑲嵌型發(fā)育過(guò)程中，胚軸和細(xì)胞命運(yùn)由細(xì)胞質(zhì)在每一裂球中的分配決定。漸進(jìn)特化：調(diào)整型發(fā)育在調(diào)整型發(fā)育過(guò)程中，胚軸和細(xì)胞命運(yùn)則由胚胎細(xì)胞相互作用決定。胚胎一部分細(xì)胞對(duì)鄰近另一部分細(xì)胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用，即胚胎誘導(dǎo)，

2、是決定胚胎細(xì)胞分化方向的一個(gè)極重要的方面。胚胎誘導(dǎo)決定胚胎細(xì)胞分化方向的觀念是隨著發(fā)育鑲嵌理論片面性的發(fā)現(xiàn)而逐漸發(fā)展起來(lái)的位置信息對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的作用位置信息對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的作用每一個(gè)胚胎細(xì)胞或細(xì)胞核受到不同的環(huán)境因素（主要是起信號(hào)作用的生物大分子）的作用。這些環(huán)境因素即為胚胎細(xì)胞或細(xì)胞核的位置信息。 位置信息的作用：調(diào)節(jié)細(xì)胞核中某些基因的表達(dá)。 胚胎細(xì)胞在其內(nèi)在因素和外部因素共同 作用下，發(fā)育的命運(yùn)逐漸被確定 l 內(nèi)在因素：卵質(zhì)決定子，即形態(tài)發(fā)生決定子 l 外部因素：位置信息，即誘導(dǎo)因素 哺乳類哺乳類的囊胚（13.16） 滋養(yǎng)層細(xì)胞 內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞 圖13.16 小鼠桑椹胚細(xì)胞命運(yùn)的決定返回 構(gòu)成桑椹

3、胚的細(xì)胞僅有位置上的差異，某些細(xì)胞處于外方，某些細(xì)胞處于內(nèi)方。 l那些處于外方的細(xì)胞成為滋養(yǎng)層細(xì)胞 l那些處于內(nèi)方的細(xì)胞成為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞 脊椎動(dòng)物體節(jié)細(xì)胞的分化 體節(jié)細(xì)胞分別形成生皮節(jié)、生肌節(jié)和生骨節(jié)細(xì)胞與體節(jié)細(xì)胞所處的位置有關(guān)（13.17） 體節(jié)周圍的組織結(jié)構(gòu) l神經(jīng)管、脊索、側(cè)板中胚層和表皮外胚層 l神經(jīng)管背部和表皮外胚層產(chǎn)生背部來(lái)的信號(hào)（13.18）l神經(jīng)管腹部和脊索產(chǎn)生腹部來(lái)的信號(hào)l脊索發(fā)出的信號(hào)使得體節(jié)細(xì)胞分化成為生骨節(jié)細(xì)胞（13.19）l 側(cè)板中胚層產(chǎn)生側(cè)面來(lái)的信號(hào)圖13.17 雞胚體節(jié)細(xì)胞命運(yùn)的決定返回 圖13.18 體節(jié)細(xì)胞所獲得的位置信息返回 圖13.19 脊索對(duì)體節(jié)分化起的

4、作用返回 1 1、 驗(yàn)證驗(yàn)證“種質(zhì)學(xué)說(shuō)種質(zhì)學(xué)說(shuō)”一、一、種質(zhì)學(xué)說(shuō)種質(zhì)學(xué)說(shuō)二、二、wilhelm roux：鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育三、三、hans driesch：調(diào)整型發(fā)育調(diào)整型發(fā)育四、四、sven horstadius：雙梯度模型雙梯度模型1.1 1.1 種質(zhì)學(xué)說(shuō)種質(zhì)學(xué)說(shuō)前提loskar hertwig于1876年觀察到，受精時(shí)不但卵子和精子融合在一起，而且它們的細(xì)胞核也融合在一起。lvan beneden等于1883年證明： 不同種生物的體細(xì)胞核內(nèi)含有不同數(shù)目的染色體； 同一種生物每個(gè)體細(xì)胞內(nèi)所含染色體的數(shù)目是一定的； 每種生物染色體數(shù)目在生殖細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂時(shí)減半，在受精時(shí)又恢復(fù)原有數(shù)目。

5、weismann weismann 的種質(zhì)學(xué)說(shuō)的種質(zhì)學(xué)說(shuō)首先，weismann假定卵子和精子對(duì)新生有機(jī)體貢獻(xiàn)出質(zhì)量和數(shù)量等同的染色體。其次，他假定染色體是由各種能決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的核決定子組成的，染色體攜帶全部的遺傳物質(zhì)，是有機(jī)體世代延續(xù)的基礎(chǔ)。受精卵在分裂時(shí)，雖然每個(gè)裂球內(nèi)部分配有相同數(shù)目的染色體，但是，組成染色體的核決定子并非均等地分配到每個(gè)裂球中，也就是說(shuō)每個(gè)裂球只接受了部分核決定子。不同的核決定子在胚胎發(fā)育過(guò)程中分配到不同的細(xì)胞內(nèi)，由此決定細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)，使其發(fā)育成身體的某一特定部分。weismann的種質(zhì)學(xué)說(shuō)將組成有機(jī)體的細(xì)胞分為兩類：體細(xì)胞和生殖細(xì)胞。l體細(xì)胞是從生殖細(xì)胞發(fā)育而來(lái)的

6、，是各種各樣的，隨著個(gè)體的死亡而死亡。l生殖細(xì)胞完全不同于體細(xì)胞，是世代相傳的，是永生的，不受體細(xì)胞和環(huán)境的影響。weismann的種質(zhì)學(xué)說(shuō)，強(qiáng)調(diào)生殖細(xì)胞的連續(xù)性和不死性，這與成年有機(jī)體生命的有限性形成鮮明對(duì)照。個(gè)體死了，但生殖細(xì)胞還活著；物種正是通過(guò)生殖細(xì)胞得以一代代延續(xù)和發(fā)展。圖圖7.1 weismann7.1 weismann的種質(zhì)學(xué)說(shuō)的種質(zhì)學(xué)說(shuō)1.2 wilhelm roux1.2 wilhelm roux：鑲嵌型發(fā)育：鑲嵌型發(fā)育weismannweismann曾假定：第一次卵裂產(chǎn)生左右曾假定：第一次卵裂產(chǎn)生左右兩裂球，對(duì)應(yīng)未來(lái)胚胎的左邊和右邊，兩裂球，對(duì)應(yīng)未來(lái)胚胎的左邊和右邊，就是由

7、于左右兩裂球分別接受了左側(cè)決就是由于左右兩裂球分別接受了左側(cè)決定子和右側(cè)決定子的結(jié)果。定子和右側(cè)決定子的結(jié)果。德國(guó)胚胎學(xué)家德國(guó)胚胎學(xué)家wilhelm rouxwilhelm roux（1831183119041904）檢驗(yàn)了）檢驗(yàn)了weismannweismann這一假設(shè)。這一假設(shè)。在蛙胚在蛙胚2-2-細(xì)胞期，用熱針刺死一個(gè)裂球，剩細(xì)胞期，用熱針刺死一個(gè)裂球，剩下的一個(gè)裂球發(fā)育成半個(gè)身體的胚胎。下的一個(gè)裂球發(fā)育成半個(gè)身體的胚胎。鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育 roux認(rèn)為：蛙胚是由能自我分化的各部分組織認(rèn)為：蛙胚是由能自我分化的各部分組織在一起形成的鑲嵌體，每一部分的發(fā)育命運(yùn)是不在一起形成的鑲嵌體，每一

8、部分的發(fā)育命運(yùn)是不能改變的，因?yàn)槊總€(gè)細(xì)胞接受一組特定的核決定能改變的，因?yàn)槊總€(gè)細(xì)胞接受一組特定的核決定子，并依據(jù)所接受的核決定子分化成相應(yīng)的組織。子，并依據(jù)所接受的核決定子分化成相應(yīng)的組織。 roux把這一類型的發(fā)育把這一類型的發(fā)育鑲嵌型發(fā)育鑲嵌型發(fā)育 大量的研究結(jié)果表明：許多動(dòng)物和軟體動(dòng)物、環(huán)大量的研究結(jié)果表明：許多動(dòng)物和軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和海鞘等節(jié)動(dòng)物和海鞘等卵細(xì)胞質(zhì)中確實(shí)存在著胞質(zhì)決定卵細(xì)胞質(zhì)中確實(shí)存在著胞質(zhì)決定子即形態(tài)發(fā)生決定子，子即形態(tài)發(fā)生決定子，影響以后的胚胎發(fā)育。影響以后的胚胎發(fā)育。mcclendonmcclendon的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)mcclendon把蛙胚兩裂球分離開。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：分

9、開的兩裂球都可以發(fā)育成完整的幼體。這表明蛙胚2-細(xì)胞期的細(xì)胞核是等同的，并沒有核決定子不均等分配的現(xiàn)象。1.3 1.3 hans drieschhans driesch的實(shí)驗(yàn)表明的實(shí)驗(yàn)表明driesch的實(shí)驗(yàn)：2-或4-細(xì)胞期時(shí)，分開的海膽胚胎裂球不是自我分化成胚胎的某一部分，而是通過(guò)調(diào)整發(fā)育成一個(gè)完整的有機(jī)體。這一類型的發(fā)育稱為調(diào)整型發(fā)育。driesch的實(shí)驗(yàn)表明：胚胎細(xì)胞核在卵裂過(guò)程中并未出現(xiàn)本質(zhì)上的差異，不存在所謂核決定子不均等分布現(xiàn)象。1.4 sven horstadius1.4 sven horstadius：雙梯度模型：雙梯度模型實(shí)驗(yàn)1l當(dāng)8-細(xì)胞期胚胎沿動(dòng)植物極軸一分為二時(shí)，兩部

10、分都能發(fā)育成長(zhǎng)腕幼蟲。l 但是，當(dāng)同期海膽胚胎沿赤道分開成動(dòng)物極和植物極兩部分時(shí)，兩部分都不能發(fā)育成完整幼蟲。l 動(dòng)物極部分發(fā)育成具纖毛的囊胚，稱為永久囊胚；l 植物極部分發(fā)育成具有膨大消化管的不正常幼蟲l決定小裂球形成和原腸作用的因子似乎位于卵子植物極部分圖圖7.3 7.3 海膽胚胎的早期不對(duì)稱性海膽胚胎的早期不對(duì)稱性圖圖7.4 7.4 海膽卵子的不對(duì)稱性海膽卵子的不對(duì)稱性實(shí)驗(yàn)2l除去海膽64-細(xì)胞期胚胎的受精膜，用細(xì)玻璃針把不同的細(xì)胞層分開，單獨(dú)培養(yǎng)或按不同組合方式把分離的細(xì)胞層重組培養(yǎng)。l分離的動(dòng)物極半球細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)形成具有纖毛的永久囊胚。這樣的胚胎稱為動(dòng)物極化胚胎。l當(dāng)把動(dòng)物極半球細(xì)

11、胞和veg1細(xì)胞重組時(shí)，發(fā)育形成的幼蟲的動(dòng)物極化程度相對(duì)減小；細(xì)胞表面纖毛的發(fā)育被抑制，胚胎產(chǎn)生部分消化管。l 當(dāng)動(dòng)物極半球細(xì)胞和veg2細(xì)胞重組時(shí)，形成一個(gè)外形正常的長(zhǎng)腕幼蟲。l小裂球比veg2細(xì)胞具有更強(qiáng)的抑制動(dòng)物極化或?qū)е轮参飿O化；lveg2細(xì)胞又比veg1細(xì)胞具有更強(qiáng)的植物極化能力。海膽胚胎中植物極化（抑制動(dòng)物極化）的能力是呈梯度分布的，其強(qiáng)度從植物極到動(dòng)物極逐漸遞減。海膽胚胎中不僅存在動(dòng)物極化因子，而且動(dòng)物極化因子也呈梯度分布。分離的an1和an2細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)都形成永久囊胚。但是，當(dāng)an1細(xì)胞和4個(gè)小裂球組合時(shí)，可以發(fā)育成正常幼蟲，而an2細(xì)胞只要和2個(gè)裂球組合就能發(fā)育成正常幼蟲。

12、在海膽胚胎中存在著兩個(gè)彼此相對(duì)的梯度；植物極化梯度和動(dòng)物極化梯度。植物極化梯度在植物極活性最大，動(dòng)物極化梯度在動(dòng)物極活性最大。 圖圖7.5 horstadius7.5 horstadius所示的植物極化梯度所示的植物極化梯度圖圖7.6 horstadius7.6 horstadius所示的動(dòng)物極化梯度所示的動(dòng)物極化梯度2 2 兩棲類發(fā)育調(diào)控兩棲類發(fā)育調(diào)控一、胚胎細(xì)胞的漸進(jìn)決定一、胚胎細(xì)胞的漸進(jìn)決定二、初級(jí)胚胎誘導(dǎo)二、初級(jí)胚胎誘導(dǎo)2.1 2.1 胚胎細(xì)胞的漸進(jìn)決定胚胎細(xì)胞的漸進(jìn)決定即使在呈調(diào)整型發(fā)育的胚胎中，裂球的發(fā)育命運(yùn)總會(huì)從某一時(shí)刻開始逐漸受到限制。horstadius發(fā)現(xiàn)海膽胚胎裂球只有在

13、含有足夠的動(dòng)物極細(xì)胞質(zhì)和植物極細(xì)胞質(zhì)時(shí)，才具有調(diào)整能力，從而把裂球發(fā)育潛能的限制和卵裂平面聯(lián)系起來(lái)。spemannspemann spemann用發(fā)環(huán)沿動(dòng)植物極并且和第一次卵裂平行的平面套住剛剛受精的蠑螈的卵子，然后把卵子結(jié)扎成兩部分，使細(xì)胞核只在其中一部分內(nèi)分裂。待有細(xì)胞核部分分裂到16個(gè)細(xì)胞時(shí)，放進(jìn)1個(gè)細(xì)胞核到無(wú)核部分，無(wú)核部分便開始分裂。緊接著將套索拉緊，使兩部分完全分開。這樣，從一個(gè)卵可以長(zhǎng)出兩個(gè)一大一小幼體。 結(jié)論:兩棲類早期胚胎的細(xì)胞核具有遺傳等同性，每個(gè)細(xì)胞核都能產(chǎn)生完整的有機(jī)體。圖圖7.8 spemann7.8 spemann所示的蠑螈卵裂期的核等同所示的蠑螈卵裂期的核等同性性

14、圖圖7.9 7.9 兩棲類兩棲類卵子的不對(duì)稱性卵子的不對(duì)稱性為什么兩個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)卻得出兩個(gè)截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？l兩棲類（如蠑螈）的卵子受精后，皮層細(xì)胞質(zhì)發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。 由于皮層細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，卵子在納精點(diǎn)對(duì)面區(qū)域色素減少，形成一個(gè)新月形的灰色區(qū)域即灰色新月。l正常情況下，第一次卵裂面經(jīng)過(guò)新月區(qū)，并把灰色新月物質(zhì)一分為二，均等地分到兩個(gè)裂球中。這時(shí)，把兩個(gè)裂球分開，兩者都能形成完整幼體。l沿和第一次卵裂面垂直的平面節(jié)扎卵子時(shí)，灰色新月物質(zhì)就只分配到一個(gè)裂球中。l顯然，灰色新月區(qū)域的某些物質(zhì)是胚胎正常發(fā)育必不可少的推測(cè)l灰色新月區(qū)域物質(zhì)的重要性在于它具有發(fā)動(dòng)原腸作用的能力；l胚胎發(fā)育的關(guān)鍵性變化就發(fā)

15、生在原腸作用過(guò)程中。證明l細(xì)胞發(fā)育潛能的諸多變化確實(shí)發(fā)生在原腸作用過(guò)程中。l早期原腸胚為依賴性發(fā)育，她們的最終發(fā)育命運(yùn)完全取決于它們?cè)谂咛ブ兴幍奈恢谩?l晚期原腸細(xì)胞的預(yù)期命運(yùn)已經(jīng)決定，它們的發(fā)育命運(yùn)不再因所處位置不同而改變。l在由早期原腸胚向晚期原腸胚過(guò)渡期內(nèi)，細(xì)胞的發(fā)育潛能逐漸受到限制。l晚期原腸胚細(xì)胞只能朝某一預(yù)定方向分化。只能朝某一預(yù)定方向發(fā)育的細(xì)胞稱為已決定細(xì)胞。圖圖7.10 7.10 蠑螈蠑螈原腸作用時(shí)外胚層的原腸作用時(shí)外胚層的決定決定2.2 2.2 初級(jí)胚胎誘導(dǎo)初級(jí)胚胎誘導(dǎo)胚胎一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(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叫誘導(dǎo)。動(dòng)物胚胎發(fā)育中存在許多誘導(dǎo)作用，

16、其中脊索中胚層誘導(dǎo)外胚層細(xì)胞分化成神經(jīng)組織稱為初級(jí)胚胎誘導(dǎo)。l并不是胚胎發(fā)育中首先出現(xiàn)的誘導(dǎo)作用胚孔背唇稱為組織者l唯一能自我分化,而且能誘發(fā)原腸作用,并影響周圍細(xì)胞的發(fā)育分化。圖圖7.11 7.11 背唇組織的自我分化背唇組織的自我分化圖圖7.12 7.12 亨氏結(jié)誘導(dǎo)形成新胚軸亨氏結(jié)誘導(dǎo)形成新胚軸3 nieuwkoop3 nieuwkoop中心中心胚胎誘導(dǎo)作用l1.受精時(shí),卵子內(nèi)質(zhì)旋轉(zhuǎn),由輻射對(duì)稱兩側(cè)對(duì)稱l精子入卵點(diǎn)對(duì)面的植物極裂球中，由于動(dòng)物極和植物極細(xì)胞質(zhì)的匯合導(dǎo)致裂球內(nèi)部背部化決定子激活。l含有已激活的背部化決定子的植物極細(xì)胞稱為nieuwkoop中心l2.背部化的植物極細(xì)胞后裔誘導(dǎo)它上面的細(xì)胞形成組織者,其余的植物極細(xì)胞誘導(dǎo)上面的緣區(qū)細(xì)胞形成側(cè)面和腹部中胚層l內(nèi)胚層誘導(dǎo)上面的細(xì)胞成為中胚層l3.組織者把毗連的中胚層變成背部中胚層,并指令背部外胚層形成神經(jīng)組織l4.神經(jīng)組織出現(xiàn)區(qū)域性特征4. 4. 神經(jīng)誘導(dǎo)神經(jīng)誘導(dǎo)一、區(qū)域性差異的決定二、神經(jīng)誘導(dǎo)模型：激動(dòng)和轉(zhuǎn)化4.1 4.1 區(qū)域性差異的決定區(qū)域性差異的決定神經(jīng)誘導(dǎo)最有趣的現(xiàn)象之一是神經(jīng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)區(qū)域特異性，神經(jīng)管前腦、后腦和脊柱尾部區(qū)域由前向后排列井井有條。組織者不但誘導(dǎo)神經(jīng)管而且對(duì)神經(jīng)管區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃。圖圖7.14 7.1