细胞的特化与定型

由同一个受精卵分裂、增殖而来的胚胎细胞经过囊胚、原肠胚、神经胚等多个相继的发育阶段，逐渐出现差异，产生许多形态结构、生理功能和生化特征都不同的细胞类型。这种现象就是细胞分化。Chap3胚胎细胞分化：细胞命运的特化和定型在细胞分化的基础上，胚胎逐渐产生出许多不同的组织、器官和系统，协调地组成一个复杂、精巧、能自主生活的生命个体。™细胞分化是胚胎不同组织、器官和系统等结构形态发生的基础。™细胞的形态结构、生理功能和生化特征都是由细胞的基因控制。™一般来说，在胚胎发生的过程中，所有的细胞都接受了完整的、而且是同样的基因组。每个细胞都具有基因组的等值性。™已经分化了的体细胞仍然具有个体发育所需要的全部基因。™发育过程中基因的选择性表达是细胞分化的基础。不同类型的细胞选择不同的基因表达。如此，便合成了不同的专一性蛋白质，导致细胞产生不同的结构和功能。所以，细胞分化总是先有生化成分的改变，然后才有生理功能和形态结构的改变。¾正常的发育需要胚胎中的每一个细胞：1、在正确的时间、正确的地点、选择正确的基因表达；2、在发育的不同时期，不同部位、不同细胞中表达的许多基因彼此之间在空间上和时间上能正确地协调。¾正常个体发育中的细胞分化和基因选择性表达过程是极其复杂、同时又是极其严密有序、并按照规定的时空模式进行的。严格的时空秩序性是发育的基本特征。™动物胚胎发育过程中细胞的分化取决于形态生成素（morphogen）决定的全局位置信息和局部的细胞间相互作用。形态生成素（morphogen）是由母源基因编码的一些信息分子（蛋白质和mRNA）。™在大多数动物中，细胞间的相互作用在形态生成素确定的框架下，再精确决定每个细胞的命运。第一节：细胞命运的特化和定型的基本方式细胞分化是一个非常复杂的过程，但在总体上可分为两个基本阶段：1、细胞命运的决定(determination)或定型(commitment）2、细胞的分化（differentiation）。首先是细胞命运的决定，然后是细胞按决定的方向进行分化一、分化之前先有细胞命运的决定或定型¾定型是指细胞被赋予特殊的“使命”或“命运”，并进入程序性分化的过程。在这一阶段，细胞虽然还没有显示出特定形态的、生理的和生化的特征，但是已经确定了向特定方向分化的程序。胚胎细胞的定型可分为:™感应能力的获得（competence）;™细胞的特化（specification）;™细胞的决定（determination）三个相继的阶段。这一隐蔽的变化过程有时用细胞的决定(determination)这一个术语来描述。果蝇的器官芽或成虫盘是幼虫中一些还没有分化但已决定了分化方向的细胞团。在变态时，不同器官芽分化形成相应的腿、翅膀、触角等器官。每一种器官芽的发育方向都是确定的，而且这种决定状态是稳定的，可以在细胞分裂增殖过程中保持不变。将器官芽在成虫腹腔内一代又一代连续移植达9年之久（约分裂1800次）再移植到正要变态的幼虫身体上，它们仍然能按照各自原来的决定的方向分化，产生出预定的结构。将某种器官芽移植到成虫的腹腔内，可以继续其保持分裂和未分化状态。但如果移植到正要变态的幼虫的适当部位，就能诱发其分化，产生出特定类型的器官。这一研究结果说明：1、决定状态是非常稳定的；2、在正常状态下，胚胎细胞的命运被决定以后，就丧失了发育成其他类型细胞的潜能。核移植技术为直接研究细胞核与细胞质的关系提供了极大的方便。同时，也对研究发育过程中细胞命运决定的时间以及细胞核中的遗传物质是否发生了不可逆的改变提供了技术手段。右图所示将原肠胚早期的细胞核移植到去核卵中，能发育成正常的蝌蚪。二、定型或决定并不是遗传物质的不可逆的改变•将原肠胚早期的细胞核移植到去核卵中，能发育成正常的蝌蚪。说明囊胚期和原肠早期胚胎细胞的命运尚未决定。其细胞核仍然具有发育的全能性。•用原肠晚期及以后发育阶段的胚胎细胞核进行移植，则正常发育率逐渐下降。‹说明胚胎细胞的命运在原肠后已经基本决定或定型。去决定是非常困难的。•1962年，英国科学家J.B.Gardon先用紫外线破坏细胞核，再将蝌蚪肠上皮细胞核注射到去核卵中。有1.5%的移核卵可发育至蝌蚪期，另有极少数可以发育为成体。这一实验第一次说明高等动物中已决定和分化的细胞中的遗传物质并没有发生不可逆的改变。•图为用白化品系爪蟾的同一个尾芽期胚胎细胞的细胞核移植到野生型品系去核卵中得到的白化爪蟾克隆。高等动物中只有卵子是具有发育的全能性的细胞可以通过人工诱导，启动卵子发育，形成雌核发育单倍体胚胎1997年，英国罗斯林研究所的Wilmut将一条6岁芬兰母羊的乳腺细胞中取出,在体外培养，经饥饿处理后，使乳腺细胞脱分化（进入G0期）再将G0期乳腺细胞与去核的卵细胞用电脉冲融合实现核移植。将移植卵培养到桑葚胚后，接种到代孕母羊子宫中，培养出了世界为之震动的克隆羊“多莉”。这一实验第一次说明分化了的高等哺乳动物的细胞中遗传物质也没有发生不可逆转的破坏，而仍然具有遗传上的全能性。三、定型的两种基本方式动物胚胎细胞的定型有两种主要的方式：1、镶嵌型发育的胚胎细胞定型：由细胞内的形态发生决定因子决定，称为自主特化（autonomousspecification）。整体胚胎象是自我分化的各部分组装在一起的集合体。2、调整型发育的胚胎细胞定型：由细胞相互关系来决定，称为有条件特化或渐进式特化或依赖式特化。Roux'sattempttoshowmosaicdevelopment.Destroying(butnotremoving)onecellofa2-cellfrogembryoresultsinthedevelopmentofonlyone-halfoftheembryo.镶嵌型发育的胚胎细胞定型：由本身的细胞质组分决定。胚胎学家Roux（1887）的实验结果支持Weismannn的理论。蛙的发育存在嵌合型发育机制。调整型发育的胚胎细胞定型：细胞相互关系来决定Driech（1891）首先证明海胆发育过程中存在调整型发育（regulativedevelopment）：胚胎为保证正常的发育，可以产生胚胎细胞位置的移动和重排。第二节：形态发生决定子与细胞质定域在细胞定型和分化中的作用™形态发生决定子（morphogeneticdeterminant）也称为成型素（morphogen）或细胞质决定子（cytoplasmicdeterminant），是卵子或受精卵中存在的特殊细胞质因子，它能够决定细胞的分化方向以及发育形成一定的组织和形态结构。™与形态发生有关的特殊的细胞质物质在受精卵中的特殊定位，以及卵裂时对各个子细胞分配的不均一性称为细胞质定域（cytoplasmlocalization）。一、镶嵌型胚胎发育的形态发生决定子及细胞质定域¾海鞘卵的细胞质在不同区域具有不同的颜色。如柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素不同可分为四个不同的区域。¾卵子受精分裂时，不同区域的细胞质分配到不同的卵裂球中。不同的色素可作为追踪不同区域发育潜力的标记。而且海鞘只由少数几种类型细胞组成，因而很容易辨认，和非常有利于细胞谱系的建立和细胞发育命运追踪。™动物极部分含透明的细胞质；™植物极部分靠近赤道处有两个彼此相对排列的新月区，一个是呈浅灰色的灰色新月区，和一个呈黄色的黄色新月区；™植物极的其他部分含灰色卵黄，为灰色卵黄区。™动物极部分含透明细胞质，将来形成幼虫表皮。™灰色新月区含有灰色细胞质，将来形成脊索和神经管。™黄色新月区含有黄色细胞质，将来形成肌肉细胞，称为肌细胞质（myoplasm）。™灰色卵黄区含大量灰色的卵黄，将来形成幼虫的消化道。柄海鞘的镶嵌型发育当8细胞期胚胎中的4对卵裂球被分离后，每对卵裂球只能发育为部分结构。用卵裂球分离的方式证明：每个卵裂球都负责产生幼虫的一定的组织。当特定的卵裂球分离下来后，由这些卵裂球负责产生的结构在幼虫中便不复存在。而被分离下来的卵裂球，虽然已与胚胎其它卵裂球失去联系，但仍能形成在整体中他负责产生的结构。因此，海鞘每个卵裂球都是可以自主发育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分构成的镶嵌体。•用玻璃针反复挤压海鞘B4.1卵裂球，使分裂沟退化。随后在更靠近植物极的区域重新形成分裂沟。用玻璃针沿新形成的分裂沟将卵裂球分离下来，这样动物极的B4.2卵裂球便含有了部分肌细胞质（黄色新月区细胞质）。如此，本来只形成表皮的B4.2卵裂球的后代细胞也能形成肌细胞。通过显微注射的方法，将B4.1卵裂球中的肌细胞质移植到预定的非肌肉细胞中，也能使其形成肌细胞。•童第周等在海鞘卵子受精后20分钟，把受精卵一分为二。用其中无核的卵块作受体，分别把原肠胚或尾芽期幼虫的外胚层、中胚层和内胚层细胞的细胞核移植到受体中。结果：无论移植的细胞核来自哪一个胚层，所形成的组织结构总是和无核卵块中所含有的细胞质组分有关。说明：海鞘胚胎细胞发育命运是由其所含有的细胞质形态决定子有关，而与细胞核无关。™这些观察结果清楚地说明海鞘类动物受精卵不同的细胞质区域含有特殊的形态发生决定子。卵裂时，这些组分被准确地分布到胚胎的一定部位，通过调控不同基因的表达而决定细胞的分化方向。™呈典型的镶嵌型胚胎发育动物卵子还有栉水母、环节动物，线虫和软体动物等。在这些典型的镶嵌型发育的动物卵子细胞质中。都存在着形态发生决定子。在海鞘、栉水母这些典型的镶嵌型发育的动物中，细胞的相互作用对决定一些胚胎细胞的发育命运也是必要的。如：栉水母的神经细胞是从动物极前面一对卵裂球（a4.2）和植物极前面一对卵裂球（A4.1）产生的。当这两对卵裂球被分离下来单独培养时都不能形成神经组织。可是两者配合则能形成神经组织。二、调整型胚胎发育的形态发生决定子与细胞质定域海胆、鱼类和两栖类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在胚胎发育的早期阶段当胚胎受到某些局部的实验性损伤时，仍能通过自身的调节形成正常的有机体。如两栖类和海胆二细胞期的卵裂球分离后，每个卵裂球都具有潜力形成完整的胚胎。这些并不是说调整型发育的胚胎中不存在形态发生决定子的细胞质定域。¾两栖类的卵子在受精后会因细胞质流动而形成一个灰色新月区。¾实验证明灰色新月区含有合子形成完整胚胎所必须的形态发生决定子。¾镶嵌型发育胚胎和调整型发育胚胎之间的差异只是程度上的不同。•副蛔虫（马蛔虫，Parascarisaequorum）第一次卵裂形成的动物极裂球发生染色体消减（chromosomediminution），而植物极裂球仍保持正常数目的染色体。第二次卵裂形成的两个植物极裂球开始都有正常数目的染色体，后来靠近动物极裂球的染色体在下一次卵裂前又发生消减。只有一个最靠近植物极的裂球含有全数染色体（全套基因）。•全数染色体只存在于将来形成生殖细胞的裂球里。副蛔虫正常受精卵（A）和经离心处理的受精卵（B）分裂时生殖质的分布。马蛔虫受精卵中生殖质的定域，含有生殖质的卵裂球发育成原生殖细胞，不含生殖质的细胞发育成体细胞。•据此，Boveri认为副蛔虫卵子植物极胞质中含有某些物质能保护细胞核染色体不发生消减，并决定有关裂球形成生殖细胞。副蛔虫卵子植物极胞质中所含的能决定生殖细胞形成的物质叫生殖质（germplasm）。线虫•最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。即使在蛙类等的调整型卵子中也存在着生殖细胞决定子。•生殖细胞决定子在卵裂时分配到一定的裂球中，并决定这些裂球发育成生殖细胞。线虫中P颗粒对最初胚胎细胞分化的影响Localizationofgermcell-lessgeneproductsintheposterioroftheeggandembryo.(A,B)ThegclmRNA;(C,D)TheGclprotein海胆的受精卵也是调整型发育的™第一次卵裂形成的两个卵裂球分离后也都可以形成完整的胚胎。™但在第3次卵裂以后，将动、植物极的卵裂球分离培养，则分裂的动物极部分形成初级外胚层的组织，植物极的卵裂球形成初级内胚层组织。™说明动物极和植物极含有不同的形态发生决定子。这种决定子在8细胞时第一次分离，16细胞时进一步分离。三、哺乳动物卵裂球命运