A第7章細胞的自主特化

1、第七章第七章 細胞的自主特化細胞的自主特化:形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子動物有機體是由分化的細胞組成的。分化細胞不僅形態(tài)各異，動物有機體是由分化的細胞組成的。分化細胞不僅形態(tài)各異，而且功能各異，它們都有自己特異的蛋白質產(chǎn)物而且功能各異，它們都有自己特異的蛋白質產(chǎn)物(p123, 表表6.1)。第一節(jié)第一節(jié) 細胞定型和分化細胞定型和分化從單個受精卵產(chǎn)生各種類型細胞的發(fā)育過程稱為從單個受精卵產(chǎn)生各種類型細胞的發(fā)育過程稱為細胞分化細胞分化(cell differentiation)。在細胞分化之前發(fā)生一些隱蔽的變化，使細胞在細胞分化之前發(fā)生一些隱蔽的變化，使細胞向特定方向發(fā)育，這一過程稱為向特定方向發(fā)

2、育，這一過程稱為定型定型(commitment)，經(jīng)典胚胎經(jīng)典胚胎學稱為學稱為決定決定(determination)。已定型細胞與未定型細胞間表型上已定型細胞與未定型細胞間表型上無任何不同，只是前者發(fā)育受到嚴格限制。在發(fā)育過程中定無任何不同，只是前者發(fā)育受到嚴格限制。在發(fā)育過程中定型和分化是兩個相互關聯(lián)的過程，細胞定型后分化的方向不型和分化是兩個相互關聯(lián)的過程，細胞定型后分化的方向不可逆轉。可逆轉。 細胞定型有兩種方式：細胞定型有兩種方式：通過通過胞質隔離胞質隔離(cytoplasmic segrega-tion)實現(xiàn)。卵裂時受精卵內(nèi)特實現(xiàn)。卵裂時受精卵內(nèi)特定的細胞質分離到特定的卵裂球中，決定

3、它發(fā)育為那種類型定的細胞質分離到特定的卵裂球中，決定它發(fā)育為那種類型細胞，細胞決定與臨近細胞無關。細胞命運的這種決定方式細胞，細胞決定與臨近細胞無關。細胞命運的這種決定方式稱為稱為自主特化自主特化(autonomous specification)，其胚胎發(fā)育模式稱為其胚胎發(fā)育模式稱為鑲鑲嵌型發(fā)育嵌型發(fā)育(mosac development)，也稱也稱自主型發(fā)育自主型發(fā)育。通過通過胚胎誘導胚胎誘導實現(xiàn)。相鄰細胞或組織間相互作用實現(xiàn)。相鄰細胞或組織間相互作用, 決定一方或決定一方或雙方的發(fā)育命運。這種定型方式稱為雙方的發(fā)育命運。這種定型方式稱為條件特化條件特化(conditional)或或漸漸進

4、特化進特化(progresive)或或依賴性特化依賴性特化(dependent), 其發(fā)育模式為其發(fā)育模式為調(diào)整調(diào)整型發(fā)育型發(fā)育(regulative development)。 第二節(jié)第二節(jié) 形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子(morphogenetic determinant)也稱也稱胞質決定子胞質決定子或成形或成形素素(morphogen)。其概念源于對細胞譜系研究。發(fā)現(xiàn)水蛭和海鞘胚胎發(fā)育中一些其概念源于對細胞譜系研究。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)域細胞質，卵裂球都自

5、主發(fā)育，其發(fā)育為鑲嵌型發(fā)育。當代研究胞質，卵裂球都自主發(fā)育，其發(fā)育為鑲嵌型發(fā)育。當代研究發(fā)現(xiàn)，海鞘胚胎確實類似于依據(jù)卵內(nèi)儲存信息進行自我分化發(fā)現(xiàn)，海鞘胚胎確實類似于依據(jù)卵內(nèi)儲存信息進行自我分化的鑲嵌體。的鑲嵌體。柄海鞘受精卵柄海鞘受精卵的細胞質根據(jù)所含色素不的細胞質根據(jù)所含色素不同分為同分為4個區(qū)域個區(qū)域(下圖下圖): 動物極透明細動物極透明細胞質胞質，植物極近赤道面兩個相對排，植物極近赤道面兩個相對排列的新月區(qū)，列的新月區(qū)， 一個淺灰色的一個淺灰色的灰色新灰色新月區(qū)月區(qū)(gray crescent)和一個黃色的和一個黃色的黃色新黃色新月區(qū)月區(qū)(yellow crescent)，最后為含卵黃的

6、最后為含卵黃的植物極其余部分稱植物極其余部分稱灰色卵黃區(qū)灰色卵黃區(qū)。受精后卵裂形成的卵裂球可根據(jù)所含細受精后卵裂形成的卵裂球可根據(jù)所含細胞質的色素追蹤，含胞質的色素追蹤，含黃色新月區(qū)細黃色新月區(qū)細胞形成肌細胞胞形成肌細胞; 灰色新月區(qū)細胞形成灰色新月區(qū)細胞形成脊索和神經(jīng)管脊索和神經(jīng)管; 動物極透明區(qū)細胞形動物極透明區(qū)細胞形成表皮成表皮; 灰色卵黃區(qū)細胞形成消化道灰色卵黃區(qū)細胞形成消化道.認為不同細胞接受不同區(qū)域細胞質認為不同細胞接受不同區(qū)域細胞質, 其其內(nèi)含不同的形態(tài)發(fā)生決定子內(nèi)含不同的形態(tài)發(fā)生決定子,能夠使能夠使細胞朝一定方向分化。細胞朝一定方向分化。 海鞘第一次卵裂面和幼蟲身體左右對稱面相

7、吻合，此后兩邊卵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)育完全相同裂球的發(fā)育完全相同.實驗研究發(fā)現(xiàn)，如將海鞘實驗研究發(fā)現(xiàn)，如將海鞘8-細胞胚胎的卵裂球分成細胞胚胎的卵裂球分成4對對(左右兩左右兩卵裂球是相等的卵裂球是相等的)，發(fā)育過程如卵子命運決定圖譜與預期一樣，發(fā)育過程如卵子命運決定圖譜與預期一樣，植物極后面一對卵裂球植物極后面一對卵裂球(b4.1)形成內(nèi)胚層、間質和肌肉形成內(nèi)胚層、間質和肌肉(下右圖下右圖)?？梢姾Ｇ事蚜亚蛎\在可見海鞘卵裂球命運在8-細胞期已經(jīng)決定，分離的卵裂球可細胞期已經(jīng)決定，分離的卵裂球可以自我分化以自我分化.但但神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育例外，神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)

8、育例外，神經(jīng)細胞是由動物極前面一對卵裂球神經(jīng)細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和植物極前面一對卵裂球(a4.1)產(chǎn)生產(chǎn)生。當這兩對卵裂球。當這兩對卵裂球分離后單獨培養(yǎng)均不生產(chǎn)神經(jīng)組織，當二者配合后可形成腦分離后單獨培養(yǎng)均不生產(chǎn)神經(jīng)組織，當二者配合后可形成腦和觸須和觸須(palp)?？梢娫诤Ｇ蔬@樣鑲嵌型發(fā)育的胚胎中也存在?？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)育命運的漸進決定作用卵裂球之間相互作用決定發(fā)育命運的漸進決定作用.海鞘胚胎的鑲嵌型決定作用海鞘胚胎的鑲嵌型決定作用8-細胞期細胞期4對裂球分開后，每對裂球對裂球分開后，每對裂球都形成獨特的

9、結構都形成獨特的結構用玻璃針反復擠壓海鞘用玻璃針反復擠壓海鞘b4.1卵裂球使原分卵裂球使原分裂溝退化裂溝退化,在靠近植在靠近植物極區(qū)形成新卵裂物極區(qū)形成新卵裂溝溝, 沿此將卵裂球分沿此將卵裂球分開部分黃色新月胞開部分黃色新月胞質進入質進入b4.2，它也，它也形成肌肉形成肌肉.童第周核童第周核移植實驗也證明如移植實驗也證明如此此 第三節(jié)第三節(jié) 胞質定域胞質定域形態(tài)發(fā)生決定子在卵細胞質中呈一定形式分布形態(tài)發(fā)生決定子在卵細胞質中呈一定形式分布，受精時發(fā)生運，受精時發(fā)生運動，被分隔到一定區(qū)域，卵裂時分配到特定卵裂球決定其動，被分隔到一定區(qū)域，卵裂時分配到特定卵裂球決定其發(fā)育命運。這一現(xiàn)象稱為發(fā)育命運。

10、這一現(xiàn)象稱為胞質定域胞質定域(cytoplasmic localization)。一一. 海鞘海鞘1. 肌質和肌細胞的特化肌質和肌細胞的特化whittacker(1973)首先用組織化學方法檢測了海鞘胚胎中首先用組織化學方法檢測了海鞘胚胎中乙酰膽堿乙酰膽堿酶酶(ache)的發(fā)育情況，證明海鞘胚胎的胞質定域。發(fā)現(xiàn)的發(fā)育情況，證明海鞘胚胎的胞質定域。發(fā)現(xiàn)ache只存在于海鞘幼蟲肌肉組織中。根據(jù)海鞘胚胎細胞譜系只存在于海鞘幼蟲肌肉組織中。根據(jù)海鞘胚胎細胞譜系(圖圖6.4), 8-細胞期只有植物極后面一對卵裂球細胞期只有植物極后面一對卵裂球b4.1形成肌肉形成肌肉，分離后單，分離后單獨培養(yǎng)也是如此，而

11、且獨培養(yǎng)也是如此，而且ache染色呈陽性染色呈陽性(左圖左圖)。后來證明后來證明a4.1卵裂球在完整胚胎中也能形成肌肉卵裂球在完整胚胎中也能形成肌肉，它是由于誘導作用形成的，它是由于誘導作用形成的。當用細胞松弛素當用細胞松弛素b處理不同時期海鞘胚胎抑制胞質分裂再進行處理不同時期海鞘胚胎抑制胞質分裂再進行ache活性檢測時發(fā)現(xiàn)活性檢測時發(fā)現(xiàn)，所得結果與細胞譜系分析吻合所得結果與細胞譜系分析吻合(右圖右圖) 2. 內(nèi)胚層、表皮和前后軸的決定內(nèi)胚層、表皮和前后軸的決定實驗證明，內(nèi)胚層特異的實驗證明，內(nèi)胚層特異的堿性磷酸酶堿性磷酸酶只在預定形成消化道的細只在預定形成消化道的細胞中產(chǎn)生。后來利用細胞和細

12、胞或細胞和細胞碎片融合的實胞中產(chǎn)生。后來利用細胞和細胞或細胞和細胞碎片融合的實驗追蹤決定內(nèi)胚層和表皮細胞發(fā)育命運的形態(tài)發(fā)生決定子驗追蹤決定內(nèi)胚層和表皮細胞發(fā)育命運的形態(tài)發(fā)生決定子(下下圖圖): 當一個細胞譜系的細胞或細胞碎片與另一個細胞譜系的當一個細胞譜系的細胞或細胞碎片與另一個細胞譜系的細胞融合后用生化標記或抗體標記檢測很容易發(fā)現(xiàn)融合細胞細胞融合后用生化標記或抗體標記檢測很容易發(fā)現(xiàn)融合細胞是否新的發(fā)育命運是否新的發(fā)育命運.結果表明，結果表明，表皮決定子表皮決定子在受精過程中遷移到卵子的動物極頂部在受精過程中遷移到卵子的動物極頂部區(qū)區(qū)(apical region)，卵裂時卵裂時進入動物極卵裂球

13、中進入動物極卵裂球中，即，即8-細胞期胚細胞期胚胎的胎的a4.2和和b4.2兩卵裂球中兩卵裂球中；而而內(nèi)胚層決定子內(nèi)胚層決定子在受精過程中在受精過程中遷移到卵子植物極半球，卵裂期進入植物極卵裂球中。遷移到卵子植物極半球，卵裂期進入植物極卵裂球中。伴隨受精時卵子細胞質運動，海鞘胚胎的前后軸也被決定下來。伴隨受精時卵子細胞質運動，海鞘胚胎的前后軸也被決定下來。在受精過程卵質運動完成后，在受精過程卵質運動完成后，除去受精卵植物極后端大約除去受精卵植物極后端大約10%的細胞質的細胞質(pvc)，則大多數(shù)胚胎缺少前后軸，發(fā)育成只具，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有前端的輻射對稱幼

14、蟲。如果。如果將一個胚胎的將一個胚胎的pvc移植到另一移植到另一個切除個切除pvc胚胎的前端，結果前端發(fā)育為新的后端，后端發(fā)胚胎的前端，結果前端發(fā)育為新的后端，后端發(fā)育為前端育為前端。海鞘肌肉、內(nèi)胚層和表皮三種海鞘肌肉、內(nèi)胚層和表皮三種組織胞質決定子的運動比較組織胞質決定子的運動比較圖僅代表卵子表面觀圖僅代表卵子表面觀 二二. 軟體動物軟體動物wilson(1904)將將帽貝帽貝早期卵裂球分離培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，其發(fā)育命運、分早期卵裂球分離培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，其發(fā)育命運、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(下圖下圖)。這這是由特定的形態(tài)發(fā)生決定子為基礎的

15、是由特定的形態(tài)發(fā)生決定子為基礎的。帽貝成纖毛細胞的分化帽貝成纖毛細胞的分化a.a.帽貝正常胚胎帽貝正常胚胎中成纖毛細胞的分中成纖毛細胞的分化化 a.16-a.16-細胞期側面觀細胞期側面觀. .預定成纖毛預定成纖毛細胞以深色表示細胞以深色表示. b.48-. b.48-細胞期細胞期. c. c.纖毛幼蟲期動物極觀纖毛幼蟲期動物極觀. .纖毛位于成纖纖毛位于成纖毛細胞上毛細胞上. .b.b.分離培養(yǎng)的帽貝成纖毛細胞分離培養(yǎng)的帽貝成纖毛細胞的分的分化化. a. a.分離的成纖毛細胞分離的成纖毛細胞. b,c. . b,c. 培培養(yǎng)過程中第養(yǎng)過程中第1 1和第和第2 2次卵裂次卵裂. d. d.纖毛

16、纖毛形成形成. . 即使分離后單獨培養(yǎng)即使分離后單獨培養(yǎng), ,成纖毛成纖毛細胞同樣在正常時間形成纖毛細胞同樣在正常時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向下突起，形軟體動物胚胎在第一次卵裂前植物極部分胞質向下突起，形成成極葉極葉(polar lobe)。第一次卵裂形成第一次卵裂形成ab和和cd兩個卵裂球，兩個卵裂球，極葉與極葉與cd以細柄相連。極葉約占卵子總體積的以細柄相連。極葉約占卵子總體積的1/3, 因此看因此看起來象一個卵裂球起來象一個卵裂球, 胚胎外形象三葉狀胚胎外形象三葉狀, 稱為稱為三葉期三葉期(trefoil stage)。第一次卵裂完成后，極葉消失并入第一次卵裂完

17、成后，極葉消失并入cd卵裂球。第二卵裂球。第二次卵裂時極葉再次出現(xiàn)，卵裂完成后僅與次卵裂時極葉再次出現(xiàn)，卵裂完成后僅與d卵裂球相連，卵裂球相連，后并入后并入d卵裂球。此后極葉出現(xiàn)就不明顯了。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)生兩次極葉突出和縮回各發(fā)生兩次切除實驗證明，切除實驗證明，三葉期除去極葉不能形成正常的擔輪幼蟲，三葉期除去極葉不能形成正常的擔輪幼蟲，形成缺少中胚層的幼蟲；形成缺少中胚層的幼蟲；4-細胞期切除細胞期切除d卵裂球也形成缺卵裂球也形成缺少中胚層的幼蟲少中胚層的幼蟲。證明極葉含有中胚層形成決定子證明極葉含有中胚層形成決定子。殼腺是中胚層細胞誘導外胚層細胞形成的殼腺

18、是中胚層細胞誘導外胚層細胞形成的，除去極葉沒有中胚除去極葉沒有中胚層形成，也就沒有誘導者誘導外胚層形成殼腺。層形成，也就沒有誘導者誘導外胚層形成殼腺。 極葉中形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細胞骨架中極葉中形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細胞骨架中, 而不而不在可擴散的細胞質中在可擴散的細胞質中。將螺將螺(ilyanassa obsoleto)三葉期胚胎離心使極葉中可擴散細胞質三葉期胚胎離心使極葉中可擴散細胞質流入流入cd卵裂球中卵裂球中, 再切除極葉再切除極葉, 發(fā)育的胚胎仍缺少中胚層發(fā)育的胚胎仍缺少中胚層結構結構; 將極葉細胞質吸出，其它部位的細胞質流入極葉將極葉細胞質吸出，其它部位的細胞

19、質流入極葉, 發(fā)發(fā)育的胚胎正常育的胚胎正常; 將極葉細胞質加入將極葉細胞質加入b卵裂球中卵裂球中, b卵裂球并不卵裂球并不產(chǎn)生中胚層結構。因此可擴散細胞質不含形態(tài)發(fā)生決定子。產(chǎn)生中胚層結構。因此可擴散細胞質不含形態(tài)發(fā)生決定子。因此，因此，形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細胞骨架中形態(tài)發(fā)生決定子可能位于卵子皮層或細胞骨架中.由于極葉細胞質的進入，由于極葉細胞質的進入，d 卵裂球比其它卵裂球比其它3個卵裂球都大，故稱個卵裂球都大，故稱其為其為大卵裂球大卵裂球(macromere)。d 分裂產(chǎn)生分裂產(chǎn)生1d 和和1d，1d 分裂產(chǎn)生分裂產(chǎn)生2d 和和2d，2d 分裂產(chǎn)生分裂產(chǎn)生3d和和3d，3d 分

20、裂產(chǎn)生分裂產(chǎn)生4d 和和4d。當除。當除去去d 或或1d 或或2d 卵裂球時卵裂球時,發(fā)育的胚胎缺少心臟、消化道、面發(fā)育的胚胎缺少心臟、消化道、面盤、殼腺、眼和足。除去盤、殼腺、眼和足。除去3d，胚胎只缺少心臟和消化道?？?，胚胎只缺少心臟和消化道?？梢娨娫却嬖谟谠却嬖谟赿 卵裂球中的某些形態(tài)發(fā)生決定子分配到卵裂球中的某些形態(tài)發(fā)生決定子分配到3d卵卵裂球中裂球中。只除去。只除去4d 對胚胎發(fā)育沒有質的影響。對胚胎發(fā)育沒有質的影響。但除去但除去4d, 則胚胎缺少心臟和則胚胎缺少心臟和消化道。因此消化道。因此形成心臟和消化道形成心臟和消化道的決定子已分配到的決定子已分配到4d卵裂球中卵裂球中。4

21、d下一次卵裂時產(chǎn)生兩個成中下一次卵裂時產(chǎn)生兩個成中胚層細胞，它們將來形成中胚層胚層細胞，它們將來形成中胚層的心臟和內(nèi)胚層的消化道。的心臟和內(nèi)胚層的消化道。 三三. 線蟲線蟲1. 生殖細胞的特化生殖細胞的特化卵子細胞質中存在區(qū)域分布的形態(tài)發(fā)生決定子，這在整個動物卵子細胞質中存在區(qū)域分布的形態(tài)發(fā)生決定子，這在整個動物界是普遍現(xiàn)象，最常見的決定子是生殖細胞決定子。界是普遍現(xiàn)象，最常見的決定子是生殖細胞決定子。boveri第一個對胚胎發(fā)育中染色體變化進行了觀察，發(fā)現(xiàn)副蛔第一個對胚胎發(fā)育中染色體變化進行了觀察，發(fā)現(xiàn)副蛔蟲單倍體生殖細胞只有蟲單倍體生殖細胞只有2條染色體，第一次卵裂為緯裂形成條染色體，第一

22、次卵裂為緯裂形成動物極和植物極兩個卵裂球；在第二次卵裂前動物極卵裂球動物極和植物極兩個卵裂球；在第二次卵裂前動物極卵裂球染色體兩端裂解成數(shù)十個小片段，散布細胞質中，不再加入染色體兩端裂解成數(shù)十個小片段，散布細胞質中，不再加入新形成的細胞核內(nèi)，因而失去很多基因，這一現(xiàn)象稱為新形成的細胞核內(nèi)，因而失去很多基因，這一現(xiàn)象稱為染色染色體消減體消減(chromosome diminution)。植物極卵裂球仍保持正常數(shù)目植物極卵裂球仍保持正常數(shù)目染色體。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，因此動物

23、極的卵裂球染色體消減，因此4-細胞期胚胎只有細胞期胚胎只有1個卵裂個卵裂球含有正常數(shù)目染色體球含有正常數(shù)目染色體。此后每次卵裂有一個卵裂球發(fā)生染此后每次卵裂有一個卵裂球發(fā)生染色體消減色體消減，16-細胞期只有細胞期只有2個卵裂球含全數(shù)染色體，最終個卵裂球含全數(shù)染色體，最終只只有有1個卵裂球含全數(shù)染色體形成生殖細胞個卵裂球含全數(shù)染色體形成生殖細胞，其它形成體細胞其它形成體細胞。當將副蛔蟲受精卵卵裂前離心使紡錘體旋轉當將副蛔蟲受精卵卵裂前離心使紡錘體旋轉90，卵裂由緯裂，卵裂由緯裂變成經(jīng)裂形成的兩個卵裂球內(nèi)均不發(fā)生染色體消減，下一次變成經(jīng)裂形成的兩個卵裂球內(nèi)均不發(fā)生染色體消減，下一次緯裂產(chǎn)生的兩個

24、動物極細胞均發(fā)生消減，植物極均不。說明緯裂產(chǎn)生的兩個動物極細胞均發(fā)生消減，植物極均不。說明植物極含有某些物質保護卵裂球染色體不消減，植物極含有某些物質保護卵裂球染色體不消減，這些物質決這些物質決定生殖細胞形成，稱為定生殖細胞形成，稱為生殖質生殖質(germ plasm).副蛔蟲正常受精卵副蛔蟲正常受精卵(a)和經(jīng)和經(jīng)離心處理的受精卵離心處理的受精卵(b)分分裂時生殖質的分布裂時生殖質的分布a.正常情況下生殖質保留在正常情況下生殖質保留在最靠植物極的裂球中最靠植物極的裂球中，該裂球保留全數(shù)染色體，該裂球保留全數(shù)染色體，成為生殖干細胞成為生殖干細胞b.離心使第一次卵裂面旋轉離心使第一次卵裂面旋轉9

25、0，由此形成的兩裂隙，由此形成的兩裂隙球全保留有生殖質。兩球全保留有生殖質。兩個裂隙球中的染色體都個裂隙球中的染色體都必須不發(fā)生消減。經(jīng)兩必須不發(fā)生消減。經(jīng)兩次卵裂后，植物極兩個次卵裂后，植物極兩個裂球成為生殖干細胞裂球成為生殖干細胞2. 咽部原始細胞命運的決定咽部原始細胞命運的決定第一次卵裂產(chǎn)生第一次卵裂產(chǎn)生p和和ab卵裂球，后端卵裂球，后端p卵裂產(chǎn)生卵裂產(chǎn)生ems和和p2卵裂卵裂球，球，只有只有ems分離后能產(chǎn)生咽部肌肉分離后能產(chǎn)生咽部肌肉。而。而ems分裂后產(chǎn)生分裂后產(chǎn)生ms和和e兩個卵裂球，兩個卵裂球，只有只有ms具有形成咽部組織的潛能具有形成咽部組織的潛能。秀麗線蟲胚胎中發(fā)現(xiàn)秀麗線蟲

26、胚胎中發(fā)現(xiàn)skn-1蛋白質可能是一種蛋白質可能是一種“轉錄因子轉錄因子”樣樣形態(tài)發(fā)生決定子形態(tài)發(fā)生決定子，它是一種母源性多肽，它是一種母源性多肽,控制形成咽后部的控制形成咽后部的ems卵裂球命運。卵裂球命運。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胞的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胞的命運。命運。其突變體其突變體(skn_1)胚胎既不能由胚胎既不能由ems產(chǎn)生咽，也不能產(chǎn)產(chǎn)生咽，也不能產(chǎn)生腸。生腸。 skn-1在細胞質中處于無活性狀態(tài)在細胞質中處于無活性狀態(tài)。第一次卵裂后它大部分進。第一次卵裂后它大部分進入入p1細胞核，少量進入細胞核，少量進入ab； 第二次卵裂，

27、第二次卵裂，p1產(chǎn)生產(chǎn)生ems和和p2 細胞核均含細胞核均含skn-1。它可能是一種形態(tài)發(fā)生決定子，它能激。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。但活所在卵裂球中某些特定基因，并決定它們的發(fā)育命運。但還需要另外一些因子將還需要另外一些因子將skn-1功能限制于功能限制于ems卵裂球中，同卵裂球中，同時阻止它們在時阻止它們在p2卵裂球中發(fā)生作用。卵裂球中發(fā)生作用。 把把skn-1功能限制于功能限制于4-細胞期細胞期ems卵裂球是通過卵裂球是通過pie-1 (pharyngeal and imtestinal excess)和和mex-1(muscle

28、 excess)基因活動實基因活動實現(xiàn)的現(xiàn)的。二者均能調(diào)節(jié)。二者均能調(diào)節(jié)skn-1的活動。的活動。pie-1和和mex-1基因突變將基因突變將改變秀麗線蟲改變秀麗線蟲8-細胞期胚胎中細胞決定作用，產(chǎn)生一些額外細胞期胚胎中細胞決定作用，產(chǎn)生一些額外的卵裂球形成的卵裂球形成ms細胞。細胞。在在pie-1缺陷型母體胚胎中，缺陷型母體胚胎中，p3和和c姊妹卵裂球分別轉變成姊妹卵裂球分別轉變成e和和ms卵裂球卵裂球；在在mex-1缺陷型母體胚胎中，缺陷型母體胚胎中，ab卵裂球產(chǎn)生的卵裂球產(chǎn)生的子細胞均形成子細胞均形成ms卵裂球卵裂球；在來自同時缺少；在來自同時缺少pie-1和和mex-1產(chǎn)物產(chǎn)物母體胚胎

29、中，其前端母體胚胎中，其前端6個細胞為個細胞為ms卵裂球卵裂球, 后端后端2個細胞為個細胞為e卵裂球。卵裂球?？梢姷鞍踪|可見蛋白質pie-1和和mex-1可以各自單獨發(fā)生作用可以各自單獨發(fā)生作用: mex-1在在第一次卵裂時使第一次卵裂時使skn-1不對稱地分配到不對稱地分配到p1卵裂球中；而卵裂球中；而pie-1在第二次卵裂時使在第二次卵裂時使skn-1不對稱地分配到不對稱地分配到ems卵裂球卵裂球(圖圖).無論怎樣無論怎樣野生型基因野生型基因skn-1都是額外的都是額外的ms卵卵裂球形成所必須的裂球形成所必須的;缺乏缺乏skn-1的胚胎不能形成咽的胚胎不能形成咽.這樣這樣mex-1, pi

30、e-1和和skn-1的激活聯(lián)系在一的激活聯(lián)系在一起起。pie-1也起促進作也起促進作用保持生殖細胞全能性。用保持生殖細胞全能性。野生型和突變型胚胎中野生型和突變型胚胎中ms細胞決定模型細胞決定模型 四四. 昆蟲昆蟲1. 極質和生殖細胞的分化極質和生殖細胞的分化昆蟲卵含有的生殖質能保護生殖細胞染色體免于消減昆蟲卵含有的生殖質能保護生殖細胞染色體免于消減.蠓蠓在胚胎卵裂時多數(shù)細胞的染色體由原來在胚胎卵裂時多數(shù)細胞的染色體由原來40條失去條失去32條條, 只有只有位于卵后端的兩個細胞核染色體不消減，并保留一段時間不位于卵后端的兩個細胞核染色體不消減，并保留一段時間不分裂，最終這兩個細胞核形成生殖細胞

31、的核分裂，最終這兩個細胞核形成生殖細胞的核.當用當用結扎方法阻止細胞核遷入卵子后端細胞質時，所有細胞核結扎方法阻止細胞核遷入卵子后端細胞質時，所有細胞核染色體都經(jīng)歷消減，發(fā)育成的蠓是不育的染色體都經(jīng)歷消減，發(fā)育成的蠓是不育的，缺少生殖細胞。，缺少生殖細胞。當結扎松開讓發(fā)生染色體消減的細胞核進入卵子后端細胞質，當結扎松開讓發(fā)生染色體消減的細胞核進入卵子后端細胞質，發(fā)育的蠓具有生殖細胞，但不能分化成有功能的精子和卵子。發(fā)育的蠓具有生殖細胞，但不能分化成有功能的精子和卵子。證明證明:消減的染色質中含有在生殖細胞形成過程中處于活躍狀消減的染色質中含有在生殖細胞形成過程中處于活躍狀態(tài)的基因態(tài)的基因.有研

32、究發(fā)現(xiàn)在極細胞有研究發(fā)現(xiàn)在極細胞(polar cell)形成前除去或破壞蜜蜂卵子的形成前除去或破壞蜜蜂卵子的極質極質 (polar plasm)，即卵子后端的即卵子后端的生殖質生殖質，發(fā)育的蜜蜂缺乏生殖細胞，發(fā)育的蜜蜂缺乏生殖細胞，不能繁殖。在蜜蜂卵子極質中含有不能繁殖。在蜜蜂卵子極質中含有極粒極粒(polar granule)，雖然其雖然其功能尚不清楚，但它總與極質以后形成生殖細胞聯(lián)系在一起，功能尚不清楚，但它總與極質以后形成生殖細胞聯(lián)系在一起，成為辨認極質和生殖細胞的標記。成為辨認極質和生殖細胞的標記。蠓胚胎中的蠓胚胎中的染色體消減染色體消減極粒在胚胎發(fā)育過程中不斷變化極粒在胚胎發(fā)育過程中

33、不斷變化：受精前致密的膜狀極粒聚集受精前致密的膜狀極粒聚集在線在線粒體周圍粒體周圍，當胚胎細胞核遷移到，當胚胎細胞核遷移到極區(qū)前，極粒分散開來，極區(qū)前，極粒分散開來，最終并最終并入極細胞中入極細胞中。當極細胞向。當極細胞向生殖嵴生殖嵴(germinal ridge)內(nèi)遷移時，極粒進內(nèi)遷移時，極粒進一步分散成被稱為一步分散成被稱為朦朧子朦朧子(nuage)的細絲，聚集于核膜周圍。的細絲，聚集于核膜周圍。極粒這種極粒這種 變化很可能普遍存在變化很可能普遍存在,并在并在配子發(fā)生中起重要作用配子發(fā)生中起重要作用.右圖示右圖示將極質從未被輻射的供主移將極質從未被輻射的供主移植到被輻射的受體，可挽救輻射植

34、到被輻射的受體，可挽救輻射誘導的不育誘導的不育.l圖由左至右：圖由左至右：l1正常胚胎具有卵裂球和極細胞正常胚胎具有卵裂球和極細胞l2卵裂早期被輻射胚胎具有卵裂卵裂早期被輻射胚胎具有卵裂球但無極細胞球但無極細胞; l3 注入極質的被輻射胚胎注入極質的被輻射胚胎. 2. 果蠅晚期發(fā)育中細胞不對稱分裂果蠅晚期發(fā)育中細胞不對稱分裂果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的研究表明，果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的研究表明，形態(tài)發(fā)生決定子可能在胚胎發(fā)育晚形態(tài)發(fā)生決定子可能在胚胎發(fā)育晚期發(fā)生分離期發(fā)生分離。果蠅幼蟲神經(jīng)系統(tǒng)形成時神經(jīng)干細胞果蠅幼蟲神經(jīng)系統(tǒng)形成時神經(jīng)干細胞(成神經(jīng)成神經(jīng)細胞細胞)分裂產(chǎn)生兩個性質截然不同的子細胞分裂產(chǎn)生兩個性質截然不同

35、的子細胞: 一個一個成神經(jīng)細胞成神經(jīng)細胞(干細胞干細胞); 另一個成為另一個成為神經(jīng)節(jié)母細胞神經(jīng)節(jié)母細胞(ganglion mother cell)。后后者分裂產(chǎn)生的細胞預定分化為神經(jīng)元者分裂產(chǎn)生的細胞預定分化為神經(jīng)元。神經(jīng)節(jié)母細胞神經(jīng)節(jié)母細胞含有一些含有一些特異的蛋白質特異的蛋白質，如，如膜蛋白膜蛋白numb和轉錄和轉錄因子因子prospero, 它們它們決定了神經(jīng)元的發(fā)育命運決定了神經(jīng)元的發(fā)育命運。雖然這些特。雖然這些特異性蛋白質分布于神經(jīng)節(jié)母細胞，但它們并非在這些細胞異性蛋白質分布于神經(jīng)節(jié)母細胞，但它們并非在這些細胞內(nèi)合成的，它們是內(nèi)合成的，它們是在成神經(jīng)細胞中合成的在成神經(jīng)細胞中合成的

36、。有研究發(fā)現(xiàn)，有研究發(fā)現(xiàn)，在成神經(jīng)細在成神經(jīng)細胞中合成的胞中合成的numb 和和prospero位于部分細胞膜位于部分細胞膜上上，當細胞完成分裂后，當細胞完成分裂后這些蛋白質都分隔到神這些蛋白質都分隔到神經(jīng)節(jié)母細胞中經(jīng)節(jié)母細胞中(右圖右圖)。這兩種蛋白質具有一段共這兩種蛋白質具有一段共同的氨基酸序列，它同的氨基酸序列，它可可能與成神經(jīng)細胞分裂時能與成神經(jīng)細胞分裂時的不對稱分離有關的不對稱分離有關，當，當這段共同的氨基酸序列這段共同的氨基酸序列被 剔 除 后 ，被 剔 除 后 ， n u m b 和和prospero將被隨機地分配將被隨機地分配到兩個子細胞中到兩個子細胞中. 五五. 兩棲類生殖細

37、胞的特化兩棲類生殖細胞的特化研究發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)林蛙受精卵林蛙受精卵植物極皮層中含有染色特性植物極皮層中含有染色特性和果蠅極質類和果蠅極質類似的物質似的物質, 發(fā)育中它流入少數(shù)幾個預定內(nèi)胚層細胞發(fā)育中它流入少數(shù)幾個預定內(nèi)胚層細胞, 最后遷最后遷移到生殖嵴內(nèi)移到生殖嵴內(nèi), 它們是它們是原始生殖細胞原始生殖細胞(下左圖下左圖)。如果將蛙神經(jīng)胚中向生殖嵴遷移的含原始生殖細胞的內(nèi)胚層切如果將蛙神經(jīng)胚中向生殖嵴遷移的含原始生殖細胞的內(nèi)胚層切下，移植到另一只蛙神經(jīng)胚中下，移植到另一只蛙神經(jīng)胚中(下右圖下右圖): 結果供主細胞核只有結果供主細胞核只有一個核仁，受體細胞核有兩個核仁，一個核仁，受體細胞核有兩個核仁

38、，結果表明結果表明:供主胚胎發(fā)育的成蛙不育供主胚胎發(fā)育的成蛙不育; 受體胚胎發(fā)育的成蛙不但正常繁殖，而且與正常蛙交配產(chǎn)生受體胚胎發(fā)育的成蛙不但正常繁殖，而且與正常蛙交配產(chǎn)生的后代既有細胞核含一個核仁的，也有含兩個核仁的。的后代既有細胞核含一個核仁的，也有含兩個核仁的。第四節(jié)第四節(jié) 形態(tài)發(fā)生決定子的性質形態(tài)發(fā)生決定子的性質形態(tài)發(fā)生決定子不但廣泛存在于動物卵細胞質中，而且在細胞形態(tài)發(fā)生決定子不但廣泛存在于動物卵細胞質中，而且在細胞分化中起決定性作用。分化中起決定性作用。它可能是一些特異性它可能是一些特異性蛋白質或蛋白質或mrna，它們它們可激活或抑制某些基因的表達可激活或抑制某些基因的表達, 從而

39、決定細胞的分化方從而決定細胞的分化方向向。一一. 海鞘的形態(tài)發(fā)生決定子海鞘的形態(tài)發(fā)生決定子研究發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)海鞘胚胎可能含有兩類形態(tài)發(fā)生決定子海鞘胚胎可能含有兩類形態(tài)發(fā)生決定子: 可以激活可以激活某些基因轉錄的物質某些基因轉錄的物質; 可能是可能是mrna。因為直到原腸胚才能在因為直到原腸胚才能在b4.1卵裂球后裔細胞中檢測到卵裂球后裔細胞中檢測到ache的的mrna，所以它是新合成的；而且多數(shù)組織特異性結構形成，所以它是新合成的；而且多數(shù)組織特異性結構形成對轉錄抑制劑敏感。對轉錄抑制劑敏感。 另外，另外，可能形態(tài)發(fā)生決定子以可能形態(tài)發(fā)生決定子以mrna的形式存在于卵內(nèi)一定區(qū)域的形式存在于卵內(nèi)一

40、定區(qū)域，如內(nèi)胚層特異的堿性磷酸酶，如內(nèi)胚層特異的堿性磷酸酶，用抑制用抑制mrna合成的放線菌素合成的放線菌素d處理不影響它的合成處理不影響它的合成；而；而用抑制蛋白質合成的嘌呤霉素處理則用抑制蛋白質合成的嘌呤霉素處理則無堿性磷酸酶產(chǎn)生無堿性磷酸酶產(chǎn)生，因此堿性磷酸酶的，因此堿性磷酸酶的mrna存在于卵細胞質存在于卵細胞質中，在卵裂過程中它被分配到將來發(fā)育為內(nèi)胚層的卵裂球中中，在卵裂過程中它被分配到將來發(fā)育為內(nèi)胚層的卵裂球中.同樣，同樣，肌肉特異性肌動蛋白形成決定子也以肌肉特異性肌動蛋白形成決定子也以mrna的形式存在于的形式存在于海鞘卵子黃色新月細胞質的細胞骨架成分海鞘卵子黃色新月細胞質的細胞

41、骨架成分，分布在卵子皮層中，分布在卵子皮層中，受精后隨黃色物質分隔到植物極，以后隨卵裂進入預定形成肌受精后隨黃色物質分隔到植物極，以后隨卵裂進入預定形成肌肉的細胞中。肉的細胞中。 二二. 果蠅極質果蠅極質果蠅極質能夠決定那些含有極質的細胞的命運果蠅極質能夠決定那些含有極質的細胞的命運(下圖下圖): 如將野生型果蠅卵的如將野生型果蠅卵的極質極質移植到另一個遺傳上具有標記移植到另一個遺傳上具有標記的的突變體突變體果蠅胚胎的果蠅胚胎的前端前端，其細胞類似正常胚胎后部的生殖，其細胞類似正常胚胎后部的生殖細胞。然后將這些前端細胞移植到以不同細胞。然后將這些前端細胞移植到以不同突變體突變體為標記的受為標記的受體體后部后部， 它們的后代能遷移到它們的后代能遷移到生殖腺生殖腺，當將它們與未移植的，當將它們與未移植的突變體交配，產(chǎn)生的后代有些是野生型的，證明這些后代的突變體交配，產(chǎn)生的后代有些是野生型的，證明這些后代的生殖細胞來自非親代的果蠅品系。生殖細胞來自非親代的果蠅品系。果蠅極粒已分離出果蠅極粒已分離出, 它主要它主要由蛋由蛋白質和白質和mrna 組成組成。極質的主。極質的主要組分之一是要組分之一是gcl(germ cell-less)基因轉錄的基因轉錄的mrna。野生型。野生型gcl基因在果蠅卵巢的營養(yǎng)細胞中基因在果蠅卵巢的營養(yǎng)細胞中轉錄，轉錄的轉錄，轉錄的mrna通過環(huán)管通過