胚胎發(fā)育與細(xì)胞分化

關(guān)于胚胎發(fā)育與細(xì)胞分化一受精與胚胎發(fā)育多細(xì)胞的真核生物，尤其是高等動(dòng)植物，都是由多種類型的細(xì)胞構(gòu)成。雖然它們之間形態(tài)和功能差別明顯，但都是由同一個(gè)受精卵不斷分裂分化而來的。卵細(xì)胞受精后隨即進(jìn)入快速的卵裂，產(chǎn)生許多后代細(xì)胞，這些細(xì)胞進(jìn)一步生長、分裂和凋亡的同時(shí)，細(xì)胞之間不斷地在形態(tài)和功能上出現(xiàn)差異，最終形成不同的組織和器官而構(gòu)建成的完整的多細(xì)胞個(gè)體。在個(gè)體的發(fā)育中，細(xì)胞的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程稱為細(xì)胞分化，其本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞分化第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（一）精子和卵的結(jié)構(gòu)1動(dòng)物成熟卵的結(jié)構(gòu)外被:糖蛋白(透明帶)；皮質(zhì)部:可形成受精膜，阻止其它精子進(jìn)入；卵黃：營養(yǎng)復(fù)合物；核：處于減數(shù)分裂中期。2精子的結(jié)構(gòu)頭部：核、頂體等；尾部：分為頸段、中段、主段和末段四部分。第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天卵細(xì)胞及早期受精第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天精子的結(jié)構(gòu)第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

（二）受精作用

受精：精子的獲能（capacitation）、頂體反應(yīng)（acrosomereaction）、皮層反應(yīng)（corticalreaction）、原核形成和融合等過程。受精后，由于受精卵中的pH升高，導(dǎo)致受精卵中的mRNA翻譯和DNA的復(fù)制稱為受精激活。第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天受精作用第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（三）卵裂與胚胎早期發(fā)育卵裂（cleavage）是指受精卵經(jīng)過分裂，將卵質(zhì)分配到子細(xì)胞的過程，分裂產(chǎn)生的細(xì)胞叫做分裂球。1）桑椹胚：64細(xì)胞以前為實(shí)心體胚胎；2）囊胚：128細(xì)胞階段胚胎，細(xì)胞團(tuán)內(nèi)部空隙擴(kuò)，成為充滿液體的囊胚腔，此時(shí)的胚胎稱為囊胚；3）原腸胚：囊胚繼續(xù)發(fā)育，部分位于外表面的細(xì)胞通過各種細(xì)胞運(yùn)動(dòng)方式(如：移入、內(nèi)卷、內(nèi)陷)進(jìn)入內(nèi)部從而形成一個(gè)二層或三層的原腸胚。這種細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)過程稱為原腸形成。留在外面的稱為外胚層，遷移到里面的稱為內(nèi)胚層或中、內(nèi)胚層。第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天蛙的胚胎早期發(fā)育第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（一）細(xì)胞分化的基本概念1細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果；2管家基因、組織特異性基因以及調(diào)節(jié)基因；3組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)；4單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化；5轉(zhuǎn)分化與再生。第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞分化是基因選擇性

表達(dá)的結(jié)果

在個(gè)體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細(xì)胞類群的過程稱為細(xì)胞分化。細(xì)胞分化是多細(xì)胞有機(jī)體發(fā)育的基礎(chǔ)和核心，細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)的合成，而特異性蛋白質(zhì)合成的實(shí)質(zhì)在于基因選擇性表達(dá)。表達(dá)產(chǎn)物不僅決定細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且執(zhí)行各自不生理功能。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2管家基因、組織特異性基因以及調(diào)節(jié)基因分化細(xì)胞基因組中所表達(dá)的基因大致可分為三種基本類型：第一類是管家基因，即所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的。如微管蛋白基因；第二類是組織特異性基因，或稱奢侈基因，即不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦于各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的生理功能。如胰島素基因。第三類是調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達(dá)，或者起激活作用，或者起阻抑作用。因此，細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是組織特異性基因在時(shí)間與空間上的差異表達(dá)。第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天組合調(diào)控引發(fā)組織特異性

基因的表達(dá)

只有有限的少量調(diào)控蛋白啟動(dòng)為數(shù)眾多的特異細(xì)胞類型分化。其機(jī)制是組合調(diào)控的方式，即每種類型的細(xì)胞分化是由多種調(diào)控蛋白調(diào)控完成的，而在這些調(diào)控蛋白中，往往是只有其中的一兩種調(diào)控蛋白是起決定性的因子。第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基因的選擇性表達(dá)第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天4單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化單細(xì)胞生物甚至原核生物也存在細(xì)胞分化現(xiàn)象。然而與多細(xì)胞有機(jī)體細(xì)胞分化的不同之處是：前者多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境，而后者則通過分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官。第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

5轉(zhuǎn)分化與再生

一種類型的分化細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象稱轉(zhuǎn)分化，轉(zhuǎn)分化往往經(jīng)歷去分化和再分化的過程。去分化又稱脫分化，是指分化細(xì)胞失去其特有的結(jié)構(gòu)與功能變成具有未分化細(xì)胞特征的過程。體外培養(yǎng)的植物細(xì)胞可去分化形成愈傷組織。愈傷組織可進(jìn)一步誘導(dǎo)其再分化形成根和芽的頂端分生組織細(xì)胞，并最終長成植株。廣義的再生包括分子水平、細(xì)胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。但一般再生是指生物體缺失一部分后發(fā)生重建的過程。第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（二）細(xì)胞的全能性細(xì)胞全能性是指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機(jī)體的潛能或特性；受精卵及早期的胚胎細(xì)胞都是具有全能性的細(xì)胞；細(xì)胞逐漸喪失發(fā)育成個(gè)體的能力，僅具有分化成有限細(xì)胞類型及構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性。具有多潛能性的細(xì)胞稱為干細(xì)胞；僅具有分化形成某一種類型能力的細(xì)胞，稱為單能干細(xì)胞或稱定向干細(xì)胞。由定向干細(xì)胞最終形成特化細(xì)胞類型的過程稱為終末分化。

第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天植物細(xì)胞的全能性第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（三）干細(xì)胞

干細(xì)胞是一類具有自我更新能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。干細(xì)胞根據(jù)其所處的發(fā)育階段分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。根據(jù)發(fā)育潛能分為3類：全能干細(xì)胞多能干細(xì)胞單能干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞是全能干細(xì)胞，而成體干細(xì)胞是多能或單能干細(xì)胞。第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1胚胎干細(xì)胞

胚胎干細(xì)胞是一種經(jīng)人工操作能夠發(fā)育成一個(gè)新個(gè)體的全能性二倍體細(xì)胞。它是從早期胚胎細(xì)胞團(tuán)（囊胚內(nèi)層細(xì)胞）經(jīng)體外分化抑制培養(yǎng)分離克隆的。胚胎干細(xì)胞在不同條件下具有不同的功能狀態(tài)，它是飼養(yǎng)層細(xì)胞依賴的。在有抑制因子存在的條件培養(yǎng)基中，它呈未分化狀態(tài)生長；在無抑制因子存在的培養(yǎng)基中，分化成各種細(xì)胞；在懸浮培養(yǎng)時(shí)，可形成胚狀體。胚胎干細(xì)胞在動(dòng)物克隆、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)、新藥篩選以及組織工程研究中應(yīng)用越來越廣。第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

2成體干細(xì)胞

在成體組織或器官中，許多細(xì)胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生不同組織細(xì)胞的能力，如造血干細(xì)胞、骨髓間質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、肌干細(xì)胞、成骨干細(xì)胞、內(nèi)胚層干細(xì)胞及視網(wǎng)膜干細(xì)胞等。第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天造血干細(xì)胞是骨髓中的多能干細(xì)胞，能夠分裂形成兩種類型的細(xì)胞：一種仍然作為干細(xì)胞，但另一種成為祖細(xì)胞(progenitorcell),即次一級的干細(xì)胞，又稱為爆發(fā)集落形成單位（burstformingunits,BFUs）和集落形成單位（colony-formingunits,CFUs）,因?yàn)樗鼈兛煞至研纬啥喾N類型的細(xì)胞群，包括：粒性白細(xì)胞、單核細(xì)胞、血小板、紅細(xì)胞、T細(xì)胞與B細(xì)胞等。第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天神經(jīng)干細(xì)胞主要有兩類：1)神經(jīng)嵴干細(xì)胞(neuralcreststemcell，NC-SC)：為外周神經(jīng)干細(xì)胞(PNS-SC)，既可發(fā)育為外周神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞和Schwann氏細(xì)胞，也能分化為色素細(xì)胞(pigmentedcell)和平滑肌細(xì)胞等。2)中樞神經(jīng)干細(xì)胞(CNS-SC)：一般是指存在于腦部的中樞神經(jīng)干細(xì)胞(CNS-SC)，其子代細(xì)胞能分化成為神經(jīng)系統(tǒng)的大部分細(xì)胞。以往認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元在出生前或出生后不久，就失去再生能力。但近年的一些研究表明，成年哺乳動(dòng)物的腦組織仍可不斷產(chǎn)生新的神經(jīng)元，成人腦組織中同樣存在NSC。第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（四）影響細(xì)胞分化的因素

細(xì)胞中組織特異性基因的選擇性表達(dá)主要是由調(diào)控蛋白所啟動(dòng)。調(diào)控蛋白的組合調(diào)控是影響細(xì)胞分化的主要的直接因素。1細(xì)胞質(zhì)對細(xì)胞分化的影響――細(xì)胞決定與決定子；2細(xì)胞之間的互相作用――胞外信號分子對細(xì)胞分化的影響；3環(huán)境對性別決定的影響；4染色質(zhì)變化與基因重排對細(xì)胞分化的影響。第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1細(xì)胞質(zhì)對細(xì)胞分化的影響――細(xì)胞決定與決定子

細(xì)胞決定是指細(xì)胞在發(fā)生可識別的形態(tài)變化之前，其內(nèi)部就已經(jīng)確定了未來的發(fā)育命運(yùn)。細(xì)胞在這種決定狀態(tài)下，沿著特定類型分化的能力已經(jīng)穩(wěn)定下來，一般不會中途改變。這就是細(xì)胞決定。如果蠅的成蟲盤。影響卵裂細(xì)胞向不同方向分化的細(xì)胞質(zhì)成分稱為決定子。第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2細(xì)胞之間的互相作用――

胞外信號分子對細(xì)胞分化的影響

在早期胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞會影響周圍細(xì)胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導(dǎo)。近端組織的相互作用是通過細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生的旁分泌素信號分子（又稱細(xì)胞生長分化因子）來實(shí)現(xiàn)的。另一種遠(yuǎn)距離細(xì)胞間相互作用對細(xì)胞分化的影響主要是通過激素來調(diào)節(jié)的。第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天3環(huán)境對性別決定的影響

環(huán)境因素對細(xì)胞分化可產(chǎn)生影響，并進(jìn)而影響到生物的個(gè)體發(fā)育。其中環(huán)境對性別決定的影響是一個(gè)典型的例子。如蜥蜴較低溫度（24℃）下全部發(fā)育為雌性，而在較高溫度（32℃）下則全部發(fā)育為雄性。而烏龜則相反。第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天4染色質(zhì)變化與基因重排對細(xì)胞分化的影響只有1對或2對染色體的馬蛔蟲在卵裂過程中，染色體出現(xiàn)消減現(xiàn)象。B淋巴細(xì)胞中的DNA經(jīng)過斷裂丟失與重排而利用有限的免疫球蛋白基因，在理論上可表達(dá)出數(shù)百億種抗體。第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（五）發(fā)育模式與細(xì)胞分化的分子調(diào)控線蟲(nematoe)、果蠅(fruitfly)、斑馬魚(zebrafish)、小鼠(mice)和植物中的擬南芥(Arabidopsisthaliana)等已成為人們研究發(fā)育調(diào)控的模式生物。通過對大量的果蠅突變體的研究，人們發(fā)現(xiàn)了一套在果蠅體節(jié)發(fā)育中起關(guān)鍵作用的基因群，稱為同源異型基因(Hoxgenes)。因其在基因表達(dá)調(diào)控中的主導(dǎo)作用，又稱為homeoticselectorgene,即Hoxgene。Hoxgene都含有一段高度保守的由180bp組成的DNA序列，稱為同源異型框（homeobox），可編碼60個(gè)氨基酸同源異型結(jié)構(gòu)域(homeodomain)。Hox基因的產(chǎn)物基本上都是轉(zhuǎn)錄因子，在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因表達(dá)。同源異型框普遍存在于果蠅、鼠、人、蛙等生物中。果蠅中有一套Hox基因，而脊椎動(dòng)物中有4套Hox基因，它們都具有非常保守（60％～80％）的同源框結(jié)構(gòu)。所有這些基因在細(xì)胞分化與發(fā)育中均具有類似的生物學(xué)功能。第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達(dá)第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共38頁，20