发 育 的 遗 传 学 基 础

胚胎发育中的细胞分化北京大学生命科学学院佟向军2011.8.3.宁夏银川全国高校细胞生物学和遗传学骨干教师研讨会胚胎发育：原生生物(protozoan)与后生生物（metazoan）的生命周期都肇始于单细胞，所不同的是原生生物终生维持单细胞状态，而后生生物则经历一个由单细胞到多细胞，最终成为成熟生物个体的过程，这个过程称为发育（development）。细胞分化：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化（celldifferentiation）。（翟中和、王喜忠和丁明孝，《细胞生物学》）Processbywhichacellundergosachangetoanovertlyspecilizedcelltype.Albertsetal,MolecularBiologyoftheCell,4th胚胎发育的过程，就是一个精密调控的细胞分裂、迁移、分化和凋亡的过程，而分化是发育的核心。虽然细胞分化不是胚胎发育所特有的，单细胞生物也会产生细胞分化，但是最重要、最吸引人的细胞分化无疑存在于后生动物的胚胎发育过程中。在很大的程度上，我们可以说：受精卵发育为成熟的生命体，是细胞分化最为辉煌、最为伟大的成就！关于第15章（第3版第14章，第2版第12章）修订的几点说明第3版第14章，第2版第12章题目：细胞分化与基因表达调控第一节细胞分化一、细胞分化的基本概念二、影响细胞分化的因素三、细胞分化与胚胎发育第二节癌细胞一、癌细胞的基本特征二、癌基因与抑癌基因三、肿瘤发生是基因突变逐渐积累的结果四、肿瘤干细胞（第3版）第三节真核细胞基因表达的调控一、转录水平的调控二、加工水平的调控三、翻译水平的调控（第2版）第4版第15章题目：细胞分化与胚胎发育第一节细胞分化一、细胞分化的基本概念二、细胞的全能性与多能干细胞三、影响细胞分化的因素第二节胚胎发育中的细胞分化一、生殖细胞的分化二、早期胚胎发育过程中的细胞分化三、果蝇胚胎早期发育中的细胞分化第14章细胞增殖调控与癌细胞第11章细胞核与染色质影响细胞分化的因素受精卵细胞质的不均一性胞外信号分子及其浓度细胞自身的“记忆”与决定细胞生物学着重于细胞的共同特征，而分化是细胞产生特化的过程，每种细胞的分化过程都不尽相同，都是基因以不同的组合方式选择性表达的结果。随着发育生物学和干细胞研究的深入，人们越来越认识到各不相同的细胞分化过程，其实还是有许多的共同特征：受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响胞外信号分子对细胞分化的影响——胚胎诱导诱导：胚胎发育中，一部分细胞对其邻近的另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用，称为胚胎诱导。细胞之间细胞的位置环境因素信号分子及其浓度梯度细胞分化细胞的“记忆”与决定细胞分化的共性之二：胚胎细胞，尤其是后口动物胚胎细胞的分化过程中，尽管细胞分化的最终命运大相径庭，但对分化，尤其是早期分化起主要调控作用的都是少数几种相同的信号途径，它们按照极其相似的方式调控发育过程。胚胎发育过程中决定细胞分化的主要信号分子：FGF、TGF-β（BMP）、Wnt、RA、Shh生殖细胞的分化1、哺乳动物生殖腺细胞的分化与第一性征的形成性别分化实际上是性腺细胞的分化。性腺是一个极为特殊的器官：大多数器官的发育进程，其细胞分化都仅有一个方向，而性腺的分化却具有两个截然不同的方向——睾丸或卵巢。性腺原基中的每个细胞都具备这两种分化潜能，要么分化为睾丸细胞，要么分化为卵巢细胞。Y染色体与性腺的分化SRY生殖嵴细胞（XY）Sertoli细胞抑制PGC的减数分裂分泌抗穆勒氏管因子，使其退化引导附近的间充质细胞迁入生殖嵴，为精子形成提供结构支持（形成睾丸索，最终形成曲精细管）诱导睾丸间质细胞（Leydig）形成，后者分泌睾酮，诱导雄性生殖管道和外生殖器官的形成SRY与性腺细胞的分化SRY的作用机制SRY编码一个转录因子，通过调节下游基因的表达，引起前体细胞向睾丸支持细胞分化。Sox9是最重要的一个SRY下游基因，在性别决定中起着比SRY更为直接和普遍的作用：它在所有雄性脊椎动物中都特异表达，SRY对性别分化的作用，是通过激活sox9基因的表达来实现的，它只是sox9的“开关”，其他动物可能利用其他的开关或直接来调控sox9的表达。J.Polancoetal,2007性腺的分化命运取决于FGF9与Wnt4间的颉颃关系sox9激活FGF9；FGF9蛋白分泌到细胞外，通过信号转导过程作用于本身和邻近前体细胞的sox9基因，维持其表达水平的平衡，保证分化的同步。Wnt4在性别决定过程中仅在雌性生殖嵴表达，与FGF9有明显的拮抗作用。FGF信号转导途径（L.Dailyetal,2005)经典的Wnt信号转导途径(C.LoganandR.Nusse,2004)2、生殖细胞的形成与成熟(G.Zhaoetal,2002)小鼠PGC开始形成的位置小鼠卵细胞在受精后第6天，部分胚外组织的细胞分泌BMP4等信号分子，使几十个邻近的细胞分化为PGCs的前体。BMP的效应蛋白SMAD1、SMAD5可能在PGCs的形成过程中起了主要作用。在它们的作用下，很多体细胞特异表达的基因被逐渐关闭，而一套生殖细胞特异表达的基因被逐渐开启，细胞最终分化为PGCs。SMAD所调控的下游基因仍然很不清楚，其中可能包括Oct4。BMP是诱导PGCs形成的主要信号分子原生殖细胞（PGCs）的迁移原生殖细胞（PGCs）形成于胚胎发育早期（小鼠为受精后第7天）的胚外中胚层，首先聚集在尿囊和后肠的交界处（A），然后沿卵黄囊的尾部进入后肠，再沿肠系膜向背部迁移，沿途的体细胞为其提供胞外信号分子，引导PGCs因循正确的迁移路径和迁移方向，最后通过中肾进入生殖嵴（B）。PGCs在迁移过程中伴随着快速分裂，数量显著增加。基因印记PGCs进入生殖嵴后的细胞分裂小鼠的PGCs在10.5dpc进入生殖嵴，而后其细胞周期在雌雄之间出现很大差异。在卵巢原基中，PGCs继续进行有丝分裂，并且在13.5dpc进入减数分裂I（此时PGCs实际上已经分化为初级卵母细胞），经历细、偶和粗线期，进入双线期。胚胎出生后，初级卵母细胞进入终变期，直到性成熟后，才依次完成减数分裂I，进入减数分裂II，并停留在中期。这时卵子从卵巢排出，受精后减数分裂II完成，排出极体，成为受精卵。在睾丸原基中，PGCs的有丝分裂受到抑制，也不会进行减数分裂。幼鼠出生后，生殖细胞立即进入有丝分裂，并且在几天后进入减数分裂，生成大量的精子细胞。整个过程在雄鼠的一生中不断重复，保证精子的持续产生。生殖嵴对生殖细胞减数分裂的调控1：11.5dpc的小鼠生殖嵴，原生殖细胞已经迁移到里面；中肾管和中肾小管都分泌RA信号；在雄性生殖嵴中，SRY开始表达，上调Cyp26b1，尤其是生殖细胞周围的支持细胞中，Cyp26b1的表达量更高，形成睾丸索，生殖细胞不受RA的影响从而不进入减数分裂。在雌性生殖嵴中，Cyp26b1到12.5dpc时基本消失，生殖嵴前端在RA的影响下开始表达促减数分裂的基因Stra8。减数分裂的标志基因Sycp3和Dmc1等开始大量表达，并由前向后扩散；细胞一旦进入减数分裂，生殖干细胞的标志基因Pouf5就不再表达了。RA（G.Duester,2008)RA的合成与信号转导途径RA：retinoicacid；RBP4：retinol-bindingprotein；CRBP：cellularretinol-bindingprotein；ADH：alcoholdehydrogenase；RDH：retinoldehydrogenase；RALDH：retinaldehydedehydrogenase；CRABP：cellular-RAbindingprotein；RAR：RAreceptor；RARE：retinoicacidresponseelement.胚胎出生前后，RA对生殖细胞减数分裂的调控出生前，迁入雌性生殖嵴中的生殖细胞接受RA信号，激活Stra8的表达。雄性生殖嵴的支持细胞表达降解RA的酶Cyp26b1，因此这里的生殖细胞无法对RA信号做出反应。出生后，支持细胞转而表达RALDH2，制造RA，作用于表达RARs的生殖细胞，激活Stra8的表达，促使细胞进入减数分裂。生精小管外周的肌样细胞在此时表达Cyp26基因，降解外界的RA信号，保证生殖细胞的分化不受其他体细胞的影响。（dayspostpartum）PGCs本身在生殖细胞分化中的作用虽然PGCs的减数分裂依赖于周围的体细胞，但有功能的生殖细胞的最终形成，也依赖于细胞本身。将XY的PGCs移入XX小鼠的生殖嵴或反过来进行移植，生殖细胞的减数分裂虽然依照性腺体细胞来进行，但细胞在进入粗线期之前就凋亡殆尽了，无法形成有功能的性细胞；这说明，PGCs本身对其最终的分化命运十分重要，性别特异的DNA甲基化（如基因组印记）以及组蛋白的修饰对生殖细胞的分化必不可少。早期胚胎发育中的细胞分化VegTXnr（TGF-β家族）β-catenin（Wnt）Xwnt8BMP4（TGF-β家族）ectoderminA，中期囊胚的植物极表达母体基因Vegt，背侧表达β－catenin，形成由背侧向腹侧的浓度梯度。B、C，VegT和β－catenin都会激活Nodal相关基因Xnr的表达，而在两者信号重叠处，Xnr表达最高，此处将来形成胚胎诱导者——背唇。此处的信号也阻止了BMP4和Xwnt8的表达，两者的功能是抑制背部结构的形成，而促进腹侧中胚层的形成。爪蟾原肠胚形成中的信号分子胚层形成中的细胞分化及信号分子Wnt5等体节脊索中胚层脊索形成中的细胞分化及信号分子脊索脊索中胚层细胞汇聚延伸为脊索非典型的Wnt信号途径DshM.Tadaetal,2002神经胚的形成（neorulation）最初形成的神经管仅由单层神经外胚层细胞围成，所有的神经上皮细胞都有干细胞的性质，处于旺盛的增殖状态。神经管闭合，有的神经上皮细胞脱离细胞周期，并迁移到神经管外围。内部单层神经上皮仍然维持干细胞特性。由神经管侧的前体节中胚层分泌的FGF信号诱导cycD2，对于干细胞区的维持至关重要。Wnt通过β－catenin调控cyclinD1和c－myc的转录，促进神经管上皮细胞增殖。体节中胚层转而分泌RA，对FGF信号起到颉颃作用，促进神经前体细胞的分化。脊索前后轴的分化：颈部，高RA；颈胸交界处，低RA，低FGF；胸部，高FGF；腰部，高FGF。Shh和BMP形成浓度梯度，调控神经前体细胞分化。ShhBMP神经管闭合，有的神经上皮细胞脱离细胞周期，并迁移到神经管外围。内部单层神经上皮仍然维持干细胞特性。神经元前体细胞通过侧向抑制而特化A，Neurogenin、Delta和Notch基因开始在神经板细胞中都有表达，Delta和Notch的相互作用又会抑制neurogenin的表达。B，一旦某个细胞表达的Delta多于他的邻居，就会抑制邻居细胞中Delta的合成，从而解除对其自身的抑制，于是该细胞表达neurogenin和neuroD，向神经元分化。P.Ranganathanetal,2011Delta-like(DLL)a|SignaltransductionfromNotchreceptors.Notchsignallingisactivatedbyinteractionbetweentheligand-expressingcellandtheNotch-expressingcell,followedbyproteolyticcleavagethatreleasestheNotchintracellulardomain(NICD).TheNICDconvertstheCSL-repressorcomplexintoatranscriptionalactivatorcomplexanddrivesthetranscriptionoftargetgenes.b|Signa