1、第十五章 细胞分化与胚胎发育,内容提要,第一节 细胞分化(Cell differentiation) 第二节 胚胎发育中的细胞分化,第一节 细胞分化(Cell differentiation),一、细胞分化的基本概念：细胞分化是指在个体发育过程中，由一种细胞类型经分裂后逐渐形成在形态、结构和功能上有稳定性差异的不同细胞类群的过程。,(一)细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化的本质是基因在时间和空间上的选择性表达，通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生各自特有的标志性蛋白质，从而导致细胞在形态、结构与功能上产生了差异。不同类型的细胞在发育过程中，各自表达一套特异的基因；不同发育时期的细胞也各自
2、表达一套相应的特异基因。一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。,分子杂交技术检测基因及其表达,鸡胚胎发育中Tbx4基因表达（蓝色）诱导前肢产生， Tbx5基因表达（红色）诱导后肢产生,鸡胚胎中四肢的分化,拟南芥菜Arabidopsis的ABC 模型,雌蕊,雄蕊,花瓣,花萼,基因表达在错误位置引起的突变,A类基因单独表达在W1，花萼发生； A与B共同表达在W2，花瓣发生； B与C共同表达在W3，雄蕊发生； C独自表达在W4，雌蕊发生。,A和B在四个部位表达，整个花均为花瓣； 四个部位只表达A，整个花均为花萼。,(二)管家基因与组织特异性基因,细胞分化是通过严格而精密的调控基因表达来实现的。分化细胞
3、所表达的基因大致可分为2类：一类是管家基因(house-keeping gene)，另一类是组织特异性基因(tissue-specific gene)，又称奢侈基因(luxury gene)。,管家基因(house-keeping gene)，在所有细胞中都表达的基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需。如糖酵解酶系基因等。这类基因一般在细胞周期S期的早期复制。组织特异性基因(tissue-specific)，又称奢侈基因(luxury genes)，在不同类细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能，如卵清蛋白基因、胰岛素基因等。这类基因的复制一般也在
4、细胞周期S期的早期。但在不表达这类基因的细胞中，则在S期的晚期复制。,由于管家基因在各种细胞中都表达，所以，细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达，这种差异表达不仅涉及基因转录水平和转录后加工水平上的精确调控，还涉及染色体和DNA水平、翻译和翻译后加工与修饰等复杂而严格的调控过程。早期研究认为，在哺乳动物基因组中多数为管家基因，但现已证明，真正意义上的管家基因可能仅占基因总数中的很少一部分。,而且，管家基因一般其转录起始部位没有TATA框，仅有GC富集区。其内含子相对很短。它们的编码产物多为细胞基础代谢活动所需的酶类。相比之下，组织特异性基因占基因总数的绝大多数，它们调控并参与
5、了细胞分化和组织器官的建成。,(三)组合调控引发组织特异基因的表达,人体至少有200种不同类型的细胞。如果每种细胞分化都需要一种调控蛋白的话，则至少需要200种调控蛋白。而实际上细胞中仅有为数不多的调控蛋白通过组合调控，完成对多种不同类型细胞分化的控制。,组合调控(combinational control),在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白。编码这种蛋白的基因称为主导基因（master gene）。因此，有时单一调控蛋白就有可能启动整个细胞分化过程。借助组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可将一种类型的细胞转化形成另
6、一种类型的细胞，甚至还可以诱发整个器官的形成。这类调节蛋白间的组合及引发的级联反应正是复杂有机体完成形态建成的高效且经济的机制之一。,组织特异性基因的选择性表达主要是由调节蛋白来启动的。调节蛋白的组合是影响细胞分化的主要直接因素。组合调控又要受到胞外信号系统以及外部环境的影响。总之，细胞分化是内因与外因共同作用的结果。,（四）单细胞有机体的细胞分化,细胞分化并非多细胞有机体独有的特征。单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。如枯草杆菌芽孢的形成等。与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：单细胞生物多为适应不同的生活环境，而多细胞有机体则要通过细胞分化构建成执行不同功能的组织和器官。因此，多细胞有
7、机体的细胞分化程序及调节机制显得更为复杂。,(五) 转分化与再生,转分化指一种分化类型的细胞转变成另一种类型细胞的现象。转分化往往要经历去分化（Dedifferentiation）和再分化（Redifferentiation）的过程。如植物体细胞在一定条件下可经去分化形成愈伤组织（未分化的细胞群），然后经诱导再分化形成根、芽，并最终发育成植株。,愈伤组织,烟草细胞的去分化及再生植株的过程,(A) Direct (B) Dedifferentiation (C) Stem cell intermediate,高等动物的克隆也涉及细胞去分化问题，但其分化细胞的细胞核必须在卵细胞质中才能完成其去分化
8、过程。这一过程又称为重编程（reprogramming），其中涉及DNA与组蛋白修饰的改变。,再生(regeneration)是生物界普遍存在的现象，一般指生物体缺失部分的重建过程。,虹膜,蝾螈(Newts)沃尔夫晶体的再生：摘除发育中的蝾螈晶状体，其背面的虹膜上含黑色素的平滑肌细胞就会去分化，失去色素和肌纤维，然后再分化或转分化成为产生晶状体蛋白的晶状体细胞。,不同的多细胞有机体，其再生能力有明显差异，一般来说，植物比动物再生能力强，低等动物比高等动物再生能力强。而且，再生能力通常随个体年龄增大而下降。再生现象从另一个方面反应了细胞的全能性。,（一）细胞全能性(totipotent)是指细胞
9、经过分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。一个细胞能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整个体，所以把这个细胞的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性(pluripotent)，再到单能性(unipotent)，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。,二、细胞的全能性与多功能干细胞,实验证实是在20世纪创建的单细胞培养技术(植物)和细胞核移植技术(动物),1958年证明高等分化的植物体细胞具有全能性和可塑性,1996年，体细胞克隆羊“多莉”的诞生宣告高等动物体细胞核同样具有全能性,干细胞 (stem cell),干细胞是机体中能进行自我更新（产生于
10、自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同类型细胞），并具有形成克隆能力的一类细胞。因此，它们在细胞分化核个体发育中起着关键性决定作用。根据其分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。,干细胞的分化潜能在正常的人体发育中得到了最好的诠释。人体发育起始于卵细胞的受精，产生一个能发育为完整有机体潜能的单个细胞，即全能性受精卵。受精后的最初几个小时内，受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞。,单能干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞。,多能干细胞是可以分化出多种类型的细胞，但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞的分化潜能称为多能
11、性。,成熟的个体中，干细胞的数目已变得很少了，如骨髓中的造血干细胞仅占骨髓细胞总数的万分之一，而且增值速度很慢。干细胞增殖表现为2种方式，对称性分裂和不对称性分裂。前者多用于干细胞自身数目的增加，而后者除了自身更新外，还产生了分化细胞。,三 影响细胞分化的因素及特点,（一）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和各种蛋白质外，还含有多种mRNA，其中多数mRNA与蛋白质结合处于非活性状态，成为隐蔽mRNA，不能被核糖体识别。然而它们在卵细胞质中呈不均匀分布，受精后部分母体mRNA被激活，合成早期胚胎发育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA被
12、不均一地分配到子细胞中。通过对角贝和海胆受精卵发育的研究证明，在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。,（二）胞外信号分子对细胞分化的影响在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称为近旁组织相互作用，也称为胚胎诱导。近旁组织相互作用主要是通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现的。已知的这类分子包括成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF）等，它们像激素一样发挥作用。干细胞生物学特性的维持及其定向分化也都是由不同的信号分子的组合作用来实现的。远距离细胞相互作用是通过分泌激素来实现对细胞分化的影响
13、的。,（三）细胞间的相互作用与位置效应在胚胎发育中，胚胎诱导在组织分化和器官建成方面发挥了重要作用。胚胎诱导作用又分成不同的层次并不断强化。旁分泌产生的信号分子是其主要的作用因素。位置效应指细胞所处的位置不同对细胞分化命运有明显的影响。这是因为细胞所处的微环境对其状态的维持和分化往往取决定性作用。,（四） 细胞记忆与决定信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化，这就是细胞记忆。它可能是通过两种方式实现的，即正反馈途径和染色质结构变化。细胞在形态特征发生的显著差异前，其分化方向即已确定，并可持续若干细胞代。细胞从分化方向确定开始到
14、出现特异形态特征之前这一时期，称为细胞决定。细胞决定与细胞记忆有关。,（五）环境对性别决定的影响 （六）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,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,单细胞的原生生物：多细胞的后生生物：多细胞机体的发育需通过如下四种过程共同作用来实现的：Cell proliferation, Cell specialization, Cell interaction, and Cell movement.,后生生物的发育需经历一个由单细胞形成为成熟有机体的过程，这是一个神奇且复杂的过程，这个过程实际上是一个受到精密调控的细胞分裂、迁移和
15、分化、凋亡的过程。而细胞分化是整个发育的基础和核心。而后生动物个体的最终形成则是细胞分化最为辉煌的“杰作”。,一、生殖细胞的分化,（一）哺乳动物的性别分化多数高等动物和高等植物都有性别分化。性别分化对有性生殖都是至关重要的。在哺乳动物和人，性别由一对性染色体来决定。通常，男性染色体组成为 44+ XY，女性为 44 + XX。,1.SRY的发现,性别分化的本质实际上是细胞分化，它涉及性腺的形成及其细胞分化。大多数器官的发育进程中，其细胞分化都仅有一个方向。而性腺是一个极为特殊的器官，它具有2个绝然不同的发育方向形成睾丸或卵巢。性腺原基中的每个细胞都具备这2种分化潜能。那么，是什么因素决定性腺原
16、基中细胞的分化方向呢？研究表明，哺乳动物的Y染色体起了决定作用，Y染色体的存在对睾丸支持细胞的分化似乎充分必要的。因此人们推测Y染色体有决定男性的关键基因(TDF),人类中有一些特殊的性逆转现象，如男性（44+XX）的一条X染色体上携带了一个来自Y染色体的片段，它编码一个转录因子，决定睾丸的发育，人们将其称为SRY。在XY的性逆转女性患者中则缺乏SRY的活性。而在XX的小鼠中人为转入人的SRY，它将发育为雄性而不是雌性。至此，人们苦苦寻找的决定男性的关键基因TDF终于水落石出，就是SRY了。,2.SRY与性腺细胞的分化,性腺是生殖细胞生存和分化成熟的地方。哺乳动物的性腺原基在胚胎发育早期（人类
17、为第4周时）由体腔上皮和间充质细胞形成。而生殖细胞的前体原生殖细胞(PGC)则由胚外的尿囊组织逐渐迁移进入生殖嵴原基（人第6周） 。但直到第7周，男女两性的生殖嵴等结构也未显示出任何差别。人类的SRY基因的表达最初出现于胚胎发育第41天的部分生殖嵴细胞中，与PGC到达生殖嵴的时间相符。表达SRY基因的细胞最终分化为睾丸中最主要的细胞类型支持细胞，它诱导性腺中其他细胞的分化,具体来说，支持细胞主要有以下4个功能：（1）诱导PGC向精子方向分化；（2）分泌抗穆勒氏管激素，促使其退化，抑制雌性生殖管道的形成(输卵管、子宫和阴道上部)；（3）引导临近间充质组织中的上皮和平滑肌细胞移入生殖嵴内，为精子形
18、成提供结构支持；（4）诱导生殖嵴的其它体细胞成为睾丸间质细胞(Leydig细胞)分泌睾酮：诱导乌尔夫氏管分化为雄性生殖管道(输精管、前列腺); 诱导雄性特征的形成。,雌性生殖嵴的形成：在XX个体，形成支持细胞的细胞分化为滤泡细胞；滤泡细胞诱导生殖嵴中其它体细胞分化为膜细胞(thecacell)，分泌雌激素。SRY诱导支持细胞的形成和性腺的分化与生殖细胞的存在与否没有关系。在缺乏生殖细胞的突变体小鼠中仍然有结构正常的睾丸，同样卵巢的分化也不依赖于生殖细胞的存在。,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。但是，细胞是否正常分化，还依赖于SR
19、Y下游基因的表达。SRY下游基因中Sox9是一个关键成员， Sox9与SRY同属于HMG类DNA结合蛋白，对睾丸的形成至关重要，在XX胚胎的生殖嵴细胞中异位表达Sox9，胚胎将发育为雄性。 Sox9在性别决定中起着比SRY更为直接和普遍的作用，虽然它不在Y染色体上，但在所有雄性脊椎动物都特异表达，而SRY仅存在于哺乳动物，它需通过激活Sox9 的表达来促进性别分化的。哺乳动物的SRY只是Sox9的“开关” 。,Sox9的持续表达对性别分化很重要。那么，维持Sox9表达的基因是什么？2001年人们发现一种成纤维细胞生长因子9( FGF9 ) 起了关键作用。FGF9是蛋白类信号分子，FGF9蛋白被
20、分泌到细胞外来发挥作用。FGF9、SRY和Sox9构成了一个调控网络：SRY的表达启动了Sox9的表达， Sox9作为转录因子激活FGF9。FGF9蛋白被分泌到细胞外，起2方面的作用：（1）通过信号转导作用于本身，维持Sox9表达水平；同时作用于临近细胞，使前体细胞向睾丸支持细胞分化构成中Sox9表达水平保持相对平衡，保证分化同步。（2）触发细胞向XY性腺迁移，稳定睾丸支持细胞的分化状态，形成睾丸索结构，最终形成睾丸。Sox9除了激活FGF9的表达外，还激活抗穆勒氏管因子的表达，使其退化，阻止雌性生殖管道的形成。,SRY的作用机制图解,4.卵巢的分化,在SRY不存在时，生殖嵴原基细胞在细胞外信
21、号和细胞内转录因子的联合调控下，发育为卵巢。可以说，雌性的发育方向是哺乳动物基因组中固有的编程。SRY基因使这个程序的某些部分改变，而产生了不同的结果。当然，卵巢的形成也并非完全被动，如果性腺原基中SRY和Sox9等雄性发育相关信号表达推迟，则睾丸的分化受阻。卵巢的分化也受到很多特异基因的调控，其中以Wnt4尤为重要。Wnt4 编码一种生长因子，在发育过程的各个阶段都发挥着重要作用。,在性别决定之前， Wnt4 在两性的生殖嵴中都有表达；在性别决定发生时， Wnt4 的表达仅限于XX个体。在雄性生殖嵴中大大降低。在小鼠中敲除Wnt4，雌性性腺发育为睾丸样结构，生殖细胞也凋亡，可见Wnt4在雌性
22、性别决定的各个步骤中都有作用。在性别决定过程中， Wnt4和FGF9这2种胞外信号分子具有明显的拮抗作用。在XY性腺中，SRY启动Sox9 和FDF9之间反馈回路，使FGF9表达量提高，同时阻止Wnt4的表达，性腺朝睾丸方向分化；在XX的性腺中消除Wnt4的表达，足以导致Sox9 和FDF9表达上升。,（二）生殖细胞的形成与成熟,生殖细胞是最早决定细胞分化方向的细胞之一。在脊椎动物胚胎发育的早期就有一部分细胞决定向生殖细胞分化，这就是原生殖细胞（PGC）。PGC经过分裂和长距离迁移，最终进入正在发育而尚未分化的生殖嵴中。随着生殖嵴向睾丸或卵巢方向的分化，PGC也相应的向精子或卵细胞分化，经过减
23、数分裂等过程，最终形成精子或卵子。,1.原生殖细胞的产生,线虫、果蝇等无脊椎动物以及蛙等部分脊椎动物，它们的未受精卵中包含某些特殊的大分子，这些分子在卵细胞中有特殊的定位，当卵细胞受精分裂后，继承这些大分子的细胞将分红为生殖细胞，其他细胞分化为各种体细胞。这些决定生殖细胞分化方向的大分子很多是mRNA，其中一种叫Vasa的mRNA对种质细胞的决定是必须的。 Vasa的mRNA存在于卵细胞中，在卵裂时特异进入生殖细胞中，但Vasa决定种质细胞的机制还不清楚。,哺乳动物的卵细胞是均质的，没有决定生殖细胞的特殊物质。其生殖细胞的分化主要依赖邻近细胞提供信号来诱导。哺乳动物最初几次分裂所产生的细胞，彼
24、此间没有任何差别，如果分开后给以适当条件，每个细胞都可以发育为一个完整的胚胎。因此，这些细胞是全能性的。随着胚胎发育的进行，某些细胞在邻近细胞的诱导下。开始向PGC方向分化。进入生殖嵴的PGC将向什么方向分化，主要是由生殖嵴中体细胞的分化方向来决定，而不是PGC本身的核型来决定。,哺乳动物两性生殖细胞开始分化的最早迹象是具有性别特征的生殖细胞分裂和位点特异的甲基化。两性的PGC在迁移过程中都进行有丝分裂，但一旦进入生殖嵴，雌雄的PGC的表现就有所不同了。小鼠雄性生殖细胞在15.5dpc就停止分裂，直到出生后1-2天才又重新开始分裂；雌性生殖细胞则继续有丝分裂并很快进入减数分裂，但分裂不会完成，
25、而是停止在减数分裂I的前期。另一方面，性别特异性的某些基因发生特异性甲基化基因印记也是在PGC到达生殖嵴的前后形成，这个过程是由PGC本身的核型所决定的，与生殖嵴的体细胞无关。,2.原生殖细胞向的生殖细胞的分化,基因组印记(genomic imprinting)根据孟德尔遗传定律,当一种性状从亲代传到子代,涉及这种性状的基因和染色体无论是来自父方或母方, 它所产生的表型效应都应该是相同的.但是这一规律现在哺乳动物某些组织和细胞中已发现有例外,即控制某一性状的一对等位基因由于亲源不同而差异性表达,即机体只表达来自亲本一方的等位基因,而与该基因的显隐性无关，这就是基因组印记。基因组印记现象在哺乳动
26、物中普遍存在，据估计，哺乳动物的基因组中含有超过100个这类基因。,原生殖细胞向的生殖细胞分化图解,（一）动物早期发育概述有性生殖的生物，其生命一般起始于受精卵的形成。该过程都包括2个连续发生的反应顶体反应和皮层反应。受精作用使合子细胞染色体恢复到2倍体，为发育奠定了基础。受精过程激活了肌醇磷脂信号通路，使得细胞中储存的mRNA开始翻译，合成细胞分裂所需的各种物质，从而导致后续的发育过程，形成桑椹胚、囊胚、原肠胚等结构，直至发育为完整胚胎个体。,二.早期胚胎发育过程中的细胞分化,（二）神经胚形成中的信号转导1.脊索的形成2.神经管的形成神经嵴细胞的形成卵裂桑椹期原肠胚期神经胚器官形成期动物胚胎
27、发育的主要分期（三）神经管的初期分化1.神经干细胞的维持：FGF信号维持神经上皮的干细胞特性：视黄酸(RA)促进神经前体细胞分化Wnt维持腹侧前体细胞的分裂Shh-BMP诱导腹-背分化Delta-Notch与神经前体细胞的分化.,经多年对胚胎发育中细胞分化机制的探索，在果蝇中发现了一套在体节发育中起关键作用的基因群，称为同源异型基因。这些基因都含有1段高度保守称为同源框的结构（180bp的DNA片段）,它编码60个氨基酸片段，形成螺旋-转角-螺旋结构，可与特异DNA片段结合，启动基因表达。同源异型基因在染色体上的排列次序不仅与这些基因在胚胎发育中活化的时间顺序一致，还与它们沿躯体前后轴的空间表达顺序基本相符。说明细胞分化调控的时间和空间竟浓缩在每个细胞的染色体上。,三. 果蝇胚胎早期发育中的细胞分化,
