动物发育生物学 细胞命运的决定 讲师：陈晶 QQ：354275129

动物有机体是由分化细胞（specialized cell）组成的。 分化细胞不仅形态多样，而且功能各异。

红细胞 白细胞 血小板

部分已分化细胞的类型、特征产物及其功能

why 在早期胚胎中，卵裂球的发育命运是没有决定（determination）的。 随着胚胎的发育，不同卵裂球受本身内在因素及环境条件的影响，其发育命运被确定下来，分化为内胚层、中胚层或外胚层细胞。 对每一个卵裂球进行标记，通过追踪不同卵裂球的发育过程，可在囊胚表面划定不同的区域，显示每一区域细胞的发育趋向，这样的分区图称为发育命运图（fate map）。

爪蟾早期胚胎发育命运图的确定。荧光标记的C3裂球在尾芽期胚胎中形成一侧的中胚层细胞。

命运图反映了胚胎在发育过程中各区域细胞的运动趋势，并不是细胞的分化情况。 特化图（specification map）却可以在一定程度上反映出细胞的分化情况。 特化图是将囊胚切成小块，每小块分别在简单培养基中培养，观察它们形成哪一种组织。

爪蟾晚期囊胚的特化图 外胚层区细胞还没有分化为预定神经细胞，中胚层区细胞还没有分化为预定肌肉细胞。

爪蟾晚期囊胚命运图和特化图的比较。脊索的命运图和特化图基本相当，其他中胚层区的特化还没有发生。

不同脊椎动物命运图中各胚层所在区域及原肠运动时细胞内移位点具有很强的相似性，意味着不同动物可能有相同的细胞分化机制。 命运图不能反映出早期胚胎细胞的全部潜能，此时脊椎动物的胚胎仍然有很强的发育调整能力。

脊椎动物胚胎在各自相当发育阶段的命运图之比较。 从dorsal一侧正面显示囊胚发育命运 脊椎动物胚胎在各自相当发育阶段的命运图之比较。

第一节 细胞命运通过形态发生 决定子自主特化 细胞定型和分化 从单个全能的受精卵产生各种类型细胞的发育过程叫细胞分化（cell differentiation）。细胞在分化之前，会发生一些隐蔽的变化，使细胞朝特定方向发展，这一过程称为定型（commitment）。 已定型细胞细胞的发育命运已经受到严格的限制。

Slack（1991）建议将定型分为特化（specification）和决定（determination）两个时相。 **当一个细胞或者组织放在中性环境（neutral environment）如培养皿中可以自主分化时，就可以说这个细胞或组织发育命运已经特化（specialized）。 **当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位培养可以自主分化时，可以说这个细胞或组织已经决定（determined）。

细胞或者组织发育命运的特化和决定

已特化的细胞或组织的发育命运是可逆的 。如果把已特化的细胞或组织移植到胚胎不同的部位，它就会分化成不同的组织。 已决定的细胞或组织的发育命运是不可逆的。如果把已决定的细胞或者组织移植到胚胎的不同部位，它只会分化为同一种组织。

脊椎动物骨骼肌分化的主要特征

在细胞发育过程中，定型和分化是两个相互关连的过程。 在胚胎早期发育过程中，某一组织或器官的原基（anlage）首先必需获得定型，然后才能向预定的方向发育，也就是分化，形成特定的组织或器官。

胚胎细胞的定型有两种主要方式： 细胞定型是通过胞质隔离（cytoplasmic segregation）实现的。 细胞定型是通过胚胎诱导（embryonic induction）实现的。

自主特化与镶嵌型发育 卵裂时，受精卵内特定的细胞质分离到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞质决定它发育成哪一类细胞，细胞命运的决定与临近的细胞无关。这种定型方式称为自主特化（autonomous specification）。 以细胞自主特化为特点的胚胎发育模式称为镶嵌型发育（ mosaic development），或自主性发育。

柄海鞘的发育为一种典型的镶嵌型发育，其卵裂球的发育命运是由细胞质中储存的卵源性形态发生决定子决定的。 柄海鞘的胚胎发育为镶嵌型，但实际上不同的卵裂球之间依然存在着相互诱导作用。其外胚层区域直到64细胞期时还没有“神经化”，显然外胚层细胞的发育命运不仅仅是由胞质决定子决定的。

海鞘（Phallusia mammillata）受精时胞质定域的分离

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。

海鞘分裂球的决定谱系

渐进特化与调整型发育 在发育的初始阶段，细胞可能具有不止一种分化潜能，和邻近细胞或组织的相互作用逐渐限制了它们的发育命运，使它们只能朝一定的方向分化。细胞命运的这种定型方式称为渐进特化（progressive specification）或有条件特化（conditional specification）或依赖型特化（dependent specification）。 以细胞有条件特化为特点的胚胎发育模式称为调整型发育（regulative development）。

对细胞呈有条件特化的胚胎来说，如果在胚胎发育的早期将一个分裂球从整体胚胎上分离，那么剩余的胚胎细胞可以改变发育命运，填补所留下的空缺。 海胆的发育是典型的调整型发育。

Aboral：反口的；离口的；反口；对口的 micromere：小分裂球；小裂球；分裂球 海胆各卵裂球的发育命运图

Driesch的海胆胚胎分离发育实验。A，正常长腕幼虫，B，单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。 4细胞期 每个细胞都能单独发育成小但正常的幼虫 Driesch的海胆胚胎分离发育实验。A，正常长腕幼虫，B，单个胚胎细胞发育而成的长腕幼虫。

海胆胚胎除了具有典型的调整型发育特点之外，也显示出某些镶嵌型的特点。

半个8细胞期海胆胚胎的发育。A，沿赤道面将胚胎分为两半，B，沿动植物极轴将胚胎分为两半。 P19图1.7 半个8细胞期海胆胚胎的发育。A，沿赤道面将胚胎分为两半，B，沿动植物极轴将胚胎分为两半。

海胆64细胞期胚胎各部分细胞的组合发育（Horstadius, 1939）。 A，正常发育；B，分离的动物半球的发育；C，动物半球与veg1细胞的组合发育；D，动物半球与veg2细胞的组合发育；E，动物半球与小卵裂球的组合发育。 在每一种组合中，都有细胞相互作用而改变原定的发育命运的现象。 P20图1.9 植物极化趋势

β-catenin决定海胆植物极细胞的发育命运。

一般来说，在多数无脊椎动物胚胎发育过程中，主要是细胞自主特化在发生作用，细胞有条件特化次之；而在脊椎动物胚胎发育过程中则相反，主要是细胞有条件特化在发生作用，细胞自主特化次之。

形态发生决定子 形态发生决定子（morphogenetic determinant）也称为成形素（morphogen）或胞质决定子（cytoplasmic determinant），存在于卵细胞质中的特殊物质，能够制定细胞朝一定方向分化，形成特定组织结构。 一般认为形态发生决定子可能是某些特异性蛋白质或mRNA等生物大分子物质，它们可以激活或抑制某些基因表达，从而决定细胞的分化方向。 形态发生决定子的性质和作用方式在海鞘和果蝇中研究较为深入。

海鞘胚胎是依据卵内贮存信息进行自我分化的镶嵌体。 海鞘胚胎卵裂时，不同的细胞接受不同区域的卵细胞质。不同区域的卵细胞质含有不同的形态发生决定子，能够使细胞朝一定的方向分化。 海鞘胚胎中可能含有两类形态发生决定子。第一类是可以激活某些基因（乙酰胆碱酯酶基因）转录的物质；第二类可能是以mRNA的形式存在于卵内一定的区域，在卵裂时分布到预定的裂球中。 探讨胚胎的决定状态，应对决定细胞发育命运的蛋白质或mRNA进行分析鉴别。

Epidermis：表皮 海鞘不同胞质决定子的运动比较

Reverberi和Minganti（1946）证明海鞘裂球的发育命运在8细胞期已经决定。

Whittaker用玻针反复挤压，使海鞘的分裂沟退化，而形成新的分裂沟，部分肌质即黄色新月区胞质便转移到预定外胚层细胞中。肌质转移到预定非肌细胞后，也能产生肌肉。

海鞘属于典型的镶嵌型发育胚胎。典型的镶嵌型发育的胚胎还有栉水母（ctenophores）、环节动物（annelids）、线虫（nematodes）和软体动物（molluscs）等。 海胆、两栖类和鱼类等动物的胚胎属于典型的调整型发育胚胎。在这些呈典型的调整型发育的动物卵子细胞质中，也存在着形态发生决定子。

胞质定域 形态发生决定子在卵细胞质中呈一定形式分布，受精时发生运动，被分隔到一定区域，并在卵裂时分配到特定的裂球中，决定裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域（cytoplasmic localization）。胞质定域也称为胞质隔离（cytoplasmic segregation）或胞质区域化（cytoplasmic regionalization）或胞质重排（cytoplasmic rearrangement）。

一、海鞘 典型的镶嵌型发育的胚胎，也存在着由细胞之间相互作用决定细胞发育命运的渐进决定作用。 童第周等（1977）证明，无论供体核是取自海鞘原肠胚的外胚层、中胚层还是内胚层，只要受体卵块所含细胞质相同，那么所发育的胚胎结构就相同。因此，可以推测，肌质等形态发生决定子可能选择性地激活（或抑制）裂球中某些特定基因的表达，从而决定裂球的发育命运。 海鞘 脊索动物门，尾索动物亚门的代表动物。海鞘中的血液开管式循环，血液定期改变方向，同一条血管轮流充当动脉和静脉，这在脊椎动物中是唯一的。 童第周：中国实验胚胎学的主要奠基人，童第周正在借着路灯光演算习题（小学课本中的励志故事）

表皮决定子在受精过程中迁移到卵子动物极顶部（apical region），卵裂时进入动物极裂球中。内胚层决定子在受精过程中迁移到卵子植物极半球，卵裂时进入植物极裂球中。 海鞘受精卵植物极后端胞质（posterior vegetal cytoplasm，PVC）相当于其余部分细胞质呈“显性”。把一个受精卵的PVC移植到另一个去除PVC的受精卵的前端，受体卵原来的前端便发育成新的后端，而原来的后端（去除了PVC）则发育为前端。

海鞘肌肉、内胚层和表皮三种胞质决定子的运动

海鞘胚胎后端的发育命运由卵细胞质中特定的胞质决定子决定，而前端的 发育命运则由缺乏PVC所决定。 总之，海鞘卵子受精时，卵质发生运动，产生独特的胞质区域；不同的胞质区域含有不同的形态发生决定子，并在卵裂时分配到不同的裂球中。

二、软体动物 Wilson把帽贝（Patella coerulea）早期裂球分离，发现分离裂球不仅发育命运而且分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎内的相同裂球一样。分离裂球本身不但含有决定分裂节奏和分裂方式所必需的全部物质，而且还含有不依赖于胚胎其他细胞而进行自我分化所必需的全部物质。

帽贝成纤毛细胞（trochoblast cell）的分化

某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是软体动物和环节动物）在第一次卵裂时卵子植物极部分形成一个胞质凸起，称为极叶（polar lobe）。第一次卵裂结束时，极叶缩回。第二次卵裂开始前，极叶再次凸起，第二次卵裂完成时，再次缩回，此后极叶的出现就不明显了。极叶的形成是卵裂期间一种过渡性的形态变化，是卵内部物质流动所引起的。

软体动物的极叶。A，第一次卵裂前极叶的扫描电镜照片；B，三叶期胚胎的极叶。

Dentalium卵裂过程中极叶凸出和缩回各发生两次

去除极叶，剩下的裂球虽然能正常分裂，但是不能形成正常的担轮幼虫（trochophore larva），而是发育成缺乏中胚层器官－肌肉、口、壳腺和足的幼虫。因此Wilson认为极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏、分裂方式以及中胚层分化所必需的决定子。

壳腺是中胚层细胞诱导外胚层细胞形成的。中胚层不存在时，便没有诱导者诱导外胚层细胞形成壳腺。这是镶嵌型发育胚胎中也存在细胞间相互作用决定细胞发育命运的又一例证。

用细胞松弛素（cytochalasin ）抑制极叶形成将形成两个联体胚胎

三、线虫 最常见的形态发生决定子可能要算生殖细胞决定子。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。

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（chromosome diminution），而植物极裂球仍保持正常数目的染色体。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。

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（germ plasm）。

秀丽新小杆线虫胚胎细胞命运主要由卵内细胞质可能含有“转录因子”样形态发生决定子SKN－1蛋白质。 SKN-1可能通过激活P1裂球及其产生的EMS和P2两裂球中的某些特定基因，从而决定它们的发育 命运。咽部细胞命运可以通过分离到这些裂球中的母源性因子（maternal factor）自主决定。

SKN－1在胞质中的定位。SKN－1存在于P1细胞谱系中。mex－1突变体中，SKN－1分布于所有裂球中。

Pharynx：咽 gut-specific-granule：肠道特异性颗粒 skn-1突变体中肠和咽部的缺陷

四、昆虫不育基因研究 果蝇的极质（生殖质）：gcl基因（germ cell-less）。野生型gcl基因在果蝇卵巢的营养细胞中转录，通过环管（ring canal）运至卵子中。gcl mRNA一旦进入卵子，便进一步迁移到卵子的最后端，定位于称为极质的细胞质中。

Nanos基因。位于卵子后端，Nanos蛋白是果蝇形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的极细胞不能迁移到生殖腺中，因而不能发育成生殖细胞。 oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。

有些母体效应基因（maternal effect gene）的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。 至少有8种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育（sterile）的。

A. staufen基因内应在oskar基因之前行使功能，并影响oskar基因的表达。B

五、两栖类生殖细胞的特化 林蛙（Rana temporaria）受精卵的植物极皮层区域含有和果蝇卵中极质类似的物质，在发育过程中流入少数几个预定内胚层细胞，最终迁移到生殖嵴内。用UV照射卵子植物极产生的蝌蚪缺乏生殖细胞，移植植物极细胞可使受体胚胎发育成的蝌蚪是能育的。

第二节 细胞命运通过相互作用渐进特化 海胆和脊椎动物等后口动物。它们的细胞发育命运主要取决于它在胚胎中所处的位置，而不是取决于在卵裂时获得哪一块细胞质。 胚胎一部分细胞可以对邻近另一部分细胞施加影响，并决定其分化方向，这种作用称为胚胎诱导（embryonic induction），是决定胚胎细胞分化方向的一个极重要的方面，是随着发育镶嵌理论（mosaic theory）片面性的发现而逐渐发展起来的。

种质学说及验证 19世纪末，德国学者August Weismann根据受精和减数分裂过程中染色体数目的变化，提出了解释细胞分化的种质学说（germ plasm theory）。 种质学说将组成有机体的细胞分为两类：体细胞（somatic cell）和生殖细胞（germ cell）。体细胞是从生殖细胞发育而来的，随个体的死亡而死亡。而生殖细胞是世代相传的，是永生的（immortality），不受体细胞和环境的影响。  Ernst Mayr ranked him the second most notable evolutionary theorist of the 19th century, afterCharles Darwin.

Weismann的种质学说，生殖细胞产生分化的体细胞和新的生殖细胞。

Weismann的核决定子理论：子代细胞的决定和分化方向是由核决定子在卵裂过程中的不对称分布决定的。

Weismann种质学说的推论： 1. 胚胎不同细胞的细胞核应该有本质上的差异; 2. 如果扰乱受精卵的卵裂过程,必然导致核决定子在细胞之间分布不正常,从而引起不正常发育。

德国胚胎学家Wihelm Roux的实验结果证明蛙的发育为镶嵌型发育，正好和Weismann假设预期的结果吻合。 Wilhelm Roux：镶嵌型发育 德国胚胎学家Wihelm Roux的实验结果证明蛙的发育为镶嵌型发育，正好和Weismann假设预期的结果吻合。 Wilhelm Roux /wilelm ru:/

但Roux在蛙胚上的一系列实验开创了用实验方法研究胚胎学的先例。 但后来J. F. McClendon证实，Roux实验中蛙呈镶嵌型发育的结果纯粹是实验（缺损实验）的假象。坏死裂球的内部或者表面某些物质仍然能够和存活的裂球进行交流，从而影响后者的发育。 但Roux在蛙胚上的一系列实验开创了用实验方法研究胚胎学的先例。 Jesse Francis McClendon /maeclendn/(December 21, 1880 – November 22, 1976) was an American chemist, zoologist andphysiologist. He is remembered today mainly for the first pH measurement of human stomach in situ.(和现在实验室用的PH计原理一致)

Hans Driesch：调整型发育 Hans Driesch采用分离实验（isolation experiment）的方法，即通过剧烈的摇晃将海胆胚胎裂球分开培养。结果表明，2-细胞或4-细胞期时，分开的海胆裂球不是自我分化成胚胎的某一部分，而是通过调整发育成一个完整的有机体。这一类型的发育称为调整型发育。 Driesch 杜里舒

Driesch实验说明，胚胎细胞核在卵裂过程中并未出现本质上的差异，不存在所谓核决定子不均等分布的现象，首次证实胚胎发育过程中存在调整现象。

海胆4-细胞期的每一个裂球分离后都能形成一个正常的幼虫，但体积较小，四个幼虫的形状也略有差异。

Driesch将海胆放在两块玻璃片之间轻轻挤压，改变第三次分裂面，使第三次卵裂由纬裂变为经裂。这样一来，正常情况下本应该分配到内胚层中的细胞核可能分配到外胚层细胞中，卵裂过程被扰乱，但是仍然得到正常的胚胎。 结论：裂球在整体胚胎中的位置总体上可以决定其发育的结果。细胞分化是核决定子不均等分离引起的假设是错误的。

扰乱海胆第三次卵裂过程，使细胞核发生异常分布，并没有影响胚胎正常发育。

Driesch认为分裂球在胚胎发育中的命运只取决于它在胚胎内的位置，并进一步提出了发育过程中细胞核和细胞质相互作用假说。 当代实验胚胎学研究结果表明，哺乳动物的胚胎发育也具有调整能力。两个或更多个小鼠早期胚胎融合后，仍能正常发育。在小鼠或兔子胚胎2-细胞期，毁坏其中一个裂球，移植到母体子宫内，也能正常发育。

Driesch裂球分离实验所得的结论也不是百分之百正确。 许多动物胚胎在很大程度上呈镶嵌型发育，即使海胆胚胎也不是由完全等能的细胞组成的集合体，不是百分之百呈调整型发育。

Sven Hörstadius：双梯度模型 Sven Hörstadius[sven 'hɔ:steɪlz]

Sven Hörstadius的裂球分离实验证明海胆胚胎在一定程度上呈镶嵌型发育。

海胆卵子的不对称性

Maruyama等（1985）进一步证实了Sven Hörstadius的实验结果。他们用类似的方法切割海胆的未受精卵，发现只有受精的植物极部分可以形成小分裂球（micromere）并进行原肠作用。因此决定小分裂球形成和原肠作用的决定子位于卵子的植物极。

Sven Hörstadius除去海胆64-细胞期胚胎的受精膜，用细玻璃针把不同的细胞层分开单独培养或按不同组合方式把分离的细胞层重组培养。 结果表明：海胆胚胎中植物极化的能力是呈梯度分布的，其强度从植物极到动物极逐渐递减，同样动物极化的梯度从动物极细胞至植物极小裂球逐渐递减。

海胆64-细胞期不同裂球组合后的发育。

海胆胚胎中存在着两个彼此相对的梯度：植物极化梯度和动物极化梯度。海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡，而不依赖于它们的绝对大小。两个梯度之间的不同组合建立起各种中间状态。 Ubisch将分离的动物极半球细胞放在氯化锂溶液中培养，获得正常的长腕幼虫。显然，锂可以弱化动物极细胞的动物极化梯度，从而使动物极半球细胞能平衡发育。

Horstandius所示的动物极化梯度

海胆胚胎的正常发育依赖于两者之间适当的平衡

蛋白质抑制剂如重金属、NaSCN和染料Evans Blue可以减弱植物极化因子的作用，从而使胚胎向动物极化方向发育。 呼吸抑制剂如CO、KCN、NaN3和锂离子可以减弱动物极化因子的作用，从而使胚胎向植物极化方向发育。 一个基于卵内物质相对浓度梯度建立起来的调整型发育模型。

两栖类的调整型发育 1918年，Hans Spemann（University of Freiburg）也证实两栖类早期胚胎的细胞核具有遗传等同性，每一个细胞核都能产生完整的有机体。

Spemann所示的蝾螈卵裂期的核等同性。

但当Spemann沿着与第一次卵裂面垂直的平面结扎时，得到了完全不同的结果。

Spemann推测两个相似的实验得出两个截然不同的实验结果的原因可能是某些细胞质不均等的分配造成的。 正常情况下，蝾螈的卵子受精后，卵子在纳精点对面区域形成灰色新月区。含有灰色新月区的裂球才能正常发育。显然，灰色新月区的某些物质是胚胎正常发育必不可少的。

两栖类的灰色新月 精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30º，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为灰色新月。

灰色新月区域所形成的细胞将来组成胚胎胚孔的背唇。胚孔背唇细胞注定要向囊胚腔内陷，从而发动原肠作用，并形成原肠。据此，Spemann推测：灰色新月区物质的重要性在于它具有发动原肠作用的能力，而胚胎发育的关键性变化就发生在原肠作用过程中。 1918年，Spemann通过胚胎移植实验证明细胞发育潜能的诸多变化确实发生在原肠作用过程中。

蝾螈原肠作用时外胚层的决定

蝾螈胚胎细胞发育命运的渐进特化。

Spemann进行的蝾螈早期和晚期胚胎移植实验结果表明：由早期原肠胚向晚期原肠胚过渡期内，细胞的发育潜能逐渐受到限制，晚期原肠胚细胞只能朝某一预定方向分化，称为已决定细胞（determined cell）。 决定的分子基础仍是未解之谜。

初级胚胎诱导 动物胚胎发育过程中存在许多诱导作用，其中脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织这一关键的诱导作用称为初级胚胎诱导（primary embryonic induction）。 Spemann和Mangold（1924）证明两栖类早期胚胎的胚孔背唇不但是唯一能自我分化的区域，而且能诱发原肠作用，并影响周围细胞的发育分化，诱导上面覆盖的外胚层细胞形成完整的神经组织，因此称之为组织者（organizer）。

背唇组织的自我分化

鸟类和哺乳类发动原肠作用的区域—原条（primitive streak）前端即亨氏节（Hensen’s node）也能组织一个次生胚胎的形成。