發育生物學四周第1頁/共77頁胚胎發育過程：細胞生長分化識別遷移死亡功能表達組織和器官的形成等第2頁/共77頁細胞長大+細胞增殖本質：蛋白質與核酸等合成細胞生長1細胞長大:細胞體積↑胞質長大胞核長大第3頁/共77頁2細胞增殖：細胞數量↑

由細胞分裂實現第4頁/共77頁生長方式損傷或刺激可誘導細胞增殖或生長。如將大鼠肝臟切除2/3，剩余部分增殖使肝臟恢復原來的大小第5頁/共77頁生長方式切除腎的一部分，剩余部分主要通過細胞增大而增大。第6頁/共77頁細胞增殖受內外因素的控制第7頁/共77頁細胞分化---發育生物學研究之核心細胞分化(celldifferentiation）定義：由同一個受精卵分裂、增殖而來的胚胎細胞發育成具有特殊形態與功能的專一化細胞的過程。第8頁/共77頁在細胞分化的基礎上，胚胎逐漸產生出許多不同的組織、器官和系統，協調地組成一個復雜、精巧、能自主生活的生命個體。第9頁/共77頁細胞分化經歷的事件：化學分化:合子基因激活、特異蛋白合成

RBC（血紅蛋白）形態分化：核分化、胞質分化功能分化總體上分為兩個階段：一、細胞命運的決定（determination）二、細胞的分化（differentiation）第10頁/共77頁細胞命運的決定決定是指細胞被賦予特殊的“使命”或“命運”，并進入程序性分化的過程。在這一階段，細胞雖然還沒有顯示出特定形態的、生理的和生化的特征，但是已經確定了向特定方向分化的程序。第11頁/共77頁二、決定的兩種基本方式1、鑲嵌型發育(mosaicdevelopment)：由細胞質內的形態發生決定因子決定，整體胚胎象是自我分化的各部分組裝在一起的集合體。（自主發育）2、調整型發育(regulativedevelopment)：胚胎發育過程中，相鄰細胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發育）第12頁/共77頁Roux'sattempttoshowmosaicdevelopment.Destroying(butnotremoving)onecellofa2-cellfrogembryoresultsinthedevelopmentofonlyone-halfoftheembryo.

1.鑲嵌型發育第13頁/共77頁形態發生決定子（morphgeneticdeterminant）也稱為成型素（morphogen）或細胞質決定子（cytoplasmicdeterminant），是卵子或受精卵中存在的能夠決定細胞的分化方向，發育形成一定的組織和形態結構的特殊細胞質因子。形態發生決定子在受精卵中的特殊定位，以及卵裂時對各個子細胞分配的不均一性稱為細胞質定域（cytoplasmlocolization）。

第14頁/共77頁由于鑲嵌型發育的胚胎細胞定型方式與鄰近細胞的相互作用無關，因此，如果在發育的早期將一個卵裂球從胚胎整體上分離下來進行單獨培養，它仍然會發育成在整體中負責發育的組織結構，而胚胎的其余部分發育形成的胚胎中將缺乏這種組織結構，二者恰好互補。如：海鞘。第15頁/共77頁柄海鞘受精卵的細胞質根據所含色素不同可分為四個不同的區域.動物極部分含透明的細胞質；植物極部分靠近赤道處有兩個彼此相對排列的新月區，一個是呈淺灰色的灰色新月區，和一個呈黃色的黃色新月區；植物極的其他部分含灰色卵黃，為灰色卵黃區。第16頁/共77頁動物極部分含透明細胞質，將來形成幼蟲表皮。黃色新月區將來形成肌肉細胞，稱為肌細胞質?；疑略聟^將來形成脊索和神經管。灰色卵黃區含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲的消化道。

第17頁/共77頁用卵裂球分離的方式證明：每個卵裂球都負責產生幼蟲的一定的組織。當特定的卵裂球分離下來后，由這些卵裂球負責產生的結構在幼蟲中便不復存在。

第18頁/共77頁因此，海鞘每個卵裂球都是可以自主發育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分構成的鑲嵌體。

第19頁/共77頁童第周等在海鞘卵子受精后20分鐘，把受精卵一分為二。用其中無核的卵塊作受體，分別把原腸胚外胚層、中胚層和內胚層細胞的細胞核移植到受體中。結果：無論移植的細胞核來自哪一個胚層，所形成的組織結構總是和無核卵塊中所含有的細胞質組分有關。說明海鞘胚胎細胞發育命運是由其所含有的細胞質形態決定子有關，而與細胞核無關。

第20頁/共77頁實驗結果清楚地說明海鞘類動物受精卵不同的細胞質區域含有特殊的形態發生決定子。卵裂時，這些組分隨著胚胎的卵裂被準確地分布到胚胎的一定部位，通過調控不同基因的表達而決定細胞的分化方向。呈典型的鑲嵌型胚胎發育動物卵子還有櫛水母、環節動物，線蟲和軟體動物等一些低等的無脊椎動物。在這些典型的鑲嵌型發育的動物卵子細胞質中，都存在著形態發生決定子。第21頁/共77頁在海鞘、櫛水母這些典型的鑲嵌型發育的動物中，細胞的相互作用對決定一些胚胎細胞的發育命運也是必要的。神經細胞是從a4.2和A4.1兩對產生的。當這兩對卵裂球被分離下來單獨培養時都不能形成神經組織。可是兩者配合才能形成神經組織。

第22頁/共77頁2.調整型發育(regulativedevelopment)：胚胎發育過程中，相鄰細胞之間通過相互作用，決定其中的一方或雙方的分化方向。（依賴性發育）第23頁/共77頁調整型胚胎發育的形態發生決定子與細胞質定域在發育的初始階段，采用調整型發育動物的胚胎細胞可能具有不止一種分化潛能，但在和鄰近細胞的相互作用過程中逐漸限制了它們的發育命運，使其只能朝一定方向分化。第24頁/共77頁在胚胎發育的早期，從采用調整型發育的胚胎上分離出一個卵裂球，則胚胎上的其他相鄰的卵裂球可以調整和改變發育命運，填補分離掉的卵裂球所留下的空缺，使其仍然可以發育成一個完整的胚胎。但在發育的較晚時期，當胚胎細胞的命運已經決定后，其決定狀態在正常發育過程中也不再能改變。第25頁/共77頁海膽、魚類和兩棲類等動物的胚胎屬于典型的調整型發育胚胎。在胚胎發育的早期階段當胚胎受到某些局部的實驗性損傷時，仍能通過自身的調節形成正常的有機體。第26頁/共77頁如兩棲類和海膽四細胞期的卵裂球分離后，每個卵裂球都具有潛力形成完整的胚胎。第27頁/共77頁兩棲類的卵子在受精后會因細胞質流動而形成一個灰色新月區。蛙的第一次卵裂使灰色新月區平均分配到所形成的兩個卵裂球中，這兩個卵裂求都具有全能性。將其分離后，兩個都可以發育成正常的胚胎。但調整型發育的胚胎中也存在形態發生決定子的細胞質定域

第28頁/共77頁實驗證明：1、灰色新月區含有合子形成完整胚胎所必須的形態發生決定子。2、鑲嵌型發育胚胎和調整型發育胚胎之間的差異只是程度上的不同。

第29頁/共77頁海膽的受精卵也是調整型發育的。第一次卵裂形成的兩個卵裂球分離后也都可以形成完整的胚胎。但在第3次卵裂以后，將動、植物極的卵裂球分離培養，則動物極的卵裂球形成初級外胚層的組織，植物極的卵裂球形成初級內胚層組織。說明動物極和植物極含有不同的形態發生決定子。這種決定子在8細胞時第一次分離。

第30頁/共77頁在任何動物胚胎發育過程中，細胞定型的兩種發育模式都在發生作用。但在不同的動物中哪種方式起主要的作用在程度是不同的。多數無脊椎動物胚胎發育過程中，主要是細胞自主特化在發生作用，細胞間的相互作用次之，是鑲嵌型發育的類型。在脊椎動物中則相反，主要是細胞的相互關系在起主要作用，細胞的自主特化起次要作用，是調整型發育的類型。第31頁/共77頁把某時期某種組織原基移植到另一胚胎與原地不同之部位，如果移植塊按照在原地情況發育，表明在移植時已發生了分化決定；如果按照在移植部位進行發育，說明在移植時其命運尚未決定。三、細胞分化參考信息

第32頁/共77頁第33頁/共77頁（1）細胞核（2）細胞質（3）細胞間相互調控

細胞誘導細胞抑制細胞識別與粘合其他四、細胞分化的調控內部因素外部因素第34頁/共77頁1.細胞核在細胞分化過程中具主導作用實驗一施佩曼將受精卵結扎，一半球含細胞核，另一半球不含細胞核。結果有核半球能進行正常卵裂，無核則不能。在16或32細胞期，讓一胞核通過結扎處進入無核半球，結果這個半球也開始卵裂，并且發育成正常胚胎。

第35頁/共77頁取一羊乳腺細胞細胞核取另一羊去核卵細胞兩者融合發育至32細胞時移植入待孕羊子宮后代像供核之羊

實驗二核移植實驗實驗表明：胚胎發育過程中細胞核起主導作用第36頁/共77頁Dolly克隆牛欣欣，生命源于耳細胞

我國首例“胎兒皮膚上皮細胞”克隆?！翱悼怠?/p>

第37頁/共77頁

細胞中絕大部分基因位于細胞核內染色體上，通過轉錄產生mRNA進入細胞質，翻譯成各種特異性蛋白質從而決定細胞新陳代謝類型和個體發育方向。細胞核的主導作用不是絕對的，核的活動受到胞質中一些物質調控與制約細胞核在細胞分化中主導作用之機制

第38頁/共77頁受精卵發育形成的細胞含有相同基因但在發育中只有5-10%基因表達(人類基因總數約3萬--5萬)且表達的基因差異較大Why?第39頁/共77頁（2）細胞質在分化過程中的作用

第40頁/共77頁

1928年，施佩曼用嬰兒頭發將蠑螈受精卵結扎成兩個半球狀，其中一個半球中含灰新月區和細胞核，另一個不含這個區帶。結果前者發育成了胚胎，后者則不能。即使后者含有細胞核，細胞也不能分化，只能發育成沒有一定形狀的團塊。實驗說明：灰新月區(細胞質)中含某種物質，只有完全具備這種物質，胚胎發育才能正常進行。第41頁/共77頁這些特殊胞質組分為形態發生決定子（RNA與蛋白質）。胞質在細胞分化中的作用：是通過細胞質決定子影響胞核基因表達，一定程度上決定細胞早期分化。第42頁/共77頁核與質間相互作用影響細胞分化

互相依賴，缺一則不能生存核控制著遺傳信息質對核有重要調節作用兩者通過核孔相互傳遞蛋白來實現對細胞分化調控第43頁/共77頁(3)細胞間的相互作用（細胞社會學）對細胞分化的影響誘導抑制識別其他第44頁/共77頁胚胎誘導（induction）：胚胎發育過程中，一部分細胞影響其它細胞分化方向。細胞抑制(inhibition)：已分化細胞抑制鄰近細胞進行相同分化。如把發育中蛙胚置于含有成體蛙心碎片培養液中，胚不能產生心臟。其他：激素，細胞數量，細胞外基質等細胞識別與粘合(組織親合性)：三胚層細胞混雜培養→各胚層自我挑選，相互粘著。癌細胞不能識別粘著，失去了正常細胞調控能力第45頁/共77頁

三胚胎誘導第46頁/共77頁1.概念胚胎誘導：胚胎發育時期，部分細胞提供或傳遞信號，其它細胞接受該信號，并向特定方向分化。誘導者（inductor）：起誘導作用的細胞或組織反應者（respondingtissue）：接受信號并起反應的細胞或組織。第47頁/共77頁1912年施佩曼最早發現：兩棲類發育中眼泡能誘導覆蓋它的表皮形成晶狀體

誘導實驗一第48頁/共77頁過程：將遷移到內部之前的背唇切下來，移植到另一正常原腸胚腹部。結果：移植物發育成第二條脊索在移植物上方出現了一條神經板最后這個原腸胚發育成一雙頭怪物。誘導實驗二第49頁/共77頁施佩曼因此獲得1935諾貝爾生理學或醫學獎。

實驗二表明：在移植物作用下，移植物周圍胚層改變了原來發育方向第50頁/共77頁2誘導特點1）有權能期（periodofcompetence）一定時間內發生，一旦超出臨界時間，誘導或反應能力會減退、消失第51頁/共77頁將原腸晚期原腸頂不同部位的移植塊放到早期原腸胚的囊胚腔中，會誘導不同的結構形成。第52頁/共77頁2）誘導者異，反應異同一外胚層→神經誘導物→神經組織中胚層誘導物→脊索、肌肉等第53頁/共77頁4）誘導引起的反應細胞分化持續、不可逆3）誘導物決定反應細胞產生何種結構反應細胞決定產生結構之遺傳性第54頁/共77頁初級誘導、次級誘導與三級誘導脊索誘導神經系統形成為初級誘導

3誘導層次性第55頁/共77頁前腦區兩側外突視泡誘導其外方之外胚層形成晶狀體，為次級誘導晶狀體再誘導其表面外胚層形成角膜，為三級誘導第56頁/共77頁誘導組織必須激活反應細胞內有關基因基因表達產物又激活或抑制其他有關基因細胞產生特異性蛋白從而導致分化

第57頁/共77頁總的來說發育問題歸根結底依賴于基因在發育過程中按一定時間和一定空間有秩序、有選擇地表達第58頁/共77頁第三節細胞分化的基因控制

一、主導基因如何控制一種組織和一個完整器官的形成第59頁/共77頁主導基因(mastergene)或選擇者基因(selectorgene)即為一些能夠啟動和控制一系列下游基因表達的基因。功能：選擇和控制一套確定細胞類型和區域特異性發育的基因。即主導基因的表達是啟動選擇、實現選擇以及進一步保持特定分化狀態的關鍵。細胞命運的決定可能就是形態發生決定子特異性地激活了主導基因。第60頁/共77頁一、生肌蛋白基因家族為肌組織發生設定發育程序

1.成肌細胞決定基因1(MyoD1)第61頁/共77頁生肌蛋白基因家族的主導基因是成肌細胞決定基因1(MyoD1)。整個成體終末分化所需的其它附屬基因都統歸在成肌細胞決定基因的控制下。只要用MyoD1的mRNA轉染，成纖維細胞及脂肪組織細胞即可被重新編程，并使其成為穩定而可遺傳的成肌細胞。這說明，只要MyoD1被轉錄，這個細胞的命運就已經被決定成為成肌細胞，并按成肌細胞的分化程序進行分化。第62頁/共77頁MyoD1蛋白具有一種堿性α螺旋－β折疊－α螺旋的結構域(bHLH)，這種結構域可結合到受控基因的控制區，作為轉錄因子啟動下游生肌蛋白基因的表達。另一方面，MyoD1蛋白還能與自身基因的上游調控區結合，使自身基因保持轉錄活性，從而擴大和維持本身的合成。該過程也叫自催化或者正反饋。自催化機制保證了胚胎細胞在分裂增殖過程中，決定狀態能被穩定下來并忠實地傳遞給子細胞。

第63頁/共77頁哺乳動物中，已知有4種類似的生肌主導者基因：MyoD1，myf-5，mrf-4和myogenin，他們都屬于同一基因家族，且序列高度相似，都是編碼含有bHLH的轉錄因子。將其注射到成纖維細胞種，它們都能啟動肌肉分化地程序。myogenin不能被其它三種基因替換，其他三種可以相互替換（geneticredundancy,遺傳冗余）。第64頁/共77頁2.控制眼形成的主導基因eyeless在果蠅中，Eyeless突變會導致眼睛變少或完全沒有眼睛。Eyeless基因編碼的蛋白質有與DNA的同源異型框(homeodomain)及配對框相結合的兩個結構域。這個主導基因的靶標可能是各種不同的視蛋白基因。

第65頁/共77頁Gehring等人將帶有UAS啟動子的eyelesscDNA導入到含有酵母轉錄因子GAL4基因的轉基因果蠅卵中。GAL4是一個轉座子，當其插入到啟動區下游時，可以在果蠅的許多器官芽中被激活而轉錄、翻譯成蛋白質。GAL4基因這種蛋白質可以作為轉錄因子與UAS啟動子特異地結合，從而啟動eyeless基因的轉錄。第66頁/共77頁在發育到果蠅變態時，許多器官中除了將自身的基因表達程序表達之外，eyelesscDNA也被GAL4轉錄因子啟動表達。由于eyeless基因是一個主導基因，成復眼的基因表達程序就在許多器官芽中被啟動。結果在轉基因果蠅的腿上、翅膀上等都額外長出了眼睛。最多的一個果蠅體上長出了多達14個眼睛。

第67頁/共77頁3.同源異型基因的主要特性在細胞分化決定過程中，負責作出決定的主導基因或選擇者基因是同源異型基因。1）它們都有一種高度保守的基本序列，即同源異型框，在果蠅中叫做HOM序列。其所編碼的蛋白叫同源異型域結構域，一種由60－70個氨基酸組成的，在立體結構上為α螺旋－β折疊－α螺旋的結構域（HLH）結