胚胎發(fā)育與細胞分化

1、13.胚胎發(fā)育與細胞分化,班級：2014級生科5班姓名：秦柯學(xué)號：201411140513,前言,對于多細胞真核生物來說，每個個體都是由多種類型細胞組成，如人的細胞就達200多種。雖然不同類型細胞的形態(tài)和功能特異但他們都是由同一個受精卵產(chǎn)生的細胞后代分化增殖而來，即卵細胞在受精后迅速進入反復(fù)的有絲分裂，生成后代細胞，這些細胞將循不同的發(fā)育方向，按一定規(guī)律變化，包括生長、增殖和凋亡，并組成機體的各種組織和器官。,從受精卵形成胚胎，再由

2、胚胎生長發(fā)育為個體的過程稱為個體發(fā)育。 從生長、發(fā)育、成熟到形成下一代的卵細胞或精細胞，直至個體衰亡的過程，形成個體發(fā)育史。 個體發(fā)育過程中，細胞的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程稱為細胞分化，其本質(zhì)是基因選擇性表達的結(jié)果，即基因表達調(diào)控的結(jié)果。 進行有性生殖的生物，通過單倍體的雌雄配子的融合產(chǎn)生下一代，融合的過程稱為受精作用。,1、雌雄配子與配子發(fā)生,配子分為雌配子和雄配子，動物和植物的雌配子都稱為卵，而將雄配子稱為精

3、子。精子相當(dāng)小，并且能夠運動，而卵細胞體積相當(dāng)大，并且是不可游動的。盡管雌雄配子的體積不同，但他們?yōu)樽哟峁┑腄NA是等量的，不過，由于卵細胞的體積大，子代細胞的細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)和細胞質(zhì)DNA都是由卵細胞提供的。配子形成的主要過程叫配子發(fā)生。,雌雄配子發(fā)生過程的比較,2、卵子發(fā)生,卵子發(fā)生，發(fā)生在卵巢。卵原細胞經(jīng)過有絲分裂增殖，再進行減數(shù)分裂，此時的卵原細胞稱為卵母細胞。在卵子的生長期即減數(shù)分裂，卵母細胞需要儲存大量的蛋白質(zhì)、脂類、糖

4、類等，以供受精后發(fā)育所用，在這個過程中，肝細胞和濾泡細胞可以為其提供營養(yǎng)儲備，濾泡細胞是卵母細胞周圍的細胞。,,濾泡細胞,精子發(fā)生,動物的雄配子稱為精子，是在睪丸中通過精子發(fā)生過程產(chǎn)生的，為精子發(fā)育提供營養(yǎng)和保護的是支持細胞。精子發(fā)生開始于精原細胞的有絲分裂，然后再進行減數(shù)分裂，其中精原細胞有絲分裂在成年后的生命過程中是持續(xù)發(fā)生的，因而能夠不斷產(chǎn)生大量的精細胞。其中在精子發(fā)生的初級階段，精子細胞的染色質(zhì)要進行緊密壓縮和包裝，壓縮包裝的

5、細胞核最終定位到細胞一端，形成精細胞的頭，在頭的頂端有一個特化的小泡，叫做頂體，它是由高爾基體小泡發(fā)育而來。頂體含有各種水解酶類。,精子的發(fā)生過程,2、受精作用,動物的配子發(fā)生產(chǎn)生了兩種類型的單倍體細胞：精子和卵子，精子與卵子的融合，即受精作用，重新形成一個二倍體的細胞，即受精卵。受精作用的基本過程包括：精卵間的接觸、精子對卵被的穿透，精子與卵子間質(zhì)膜的融合、卵的激活；涉及的反應(yīng)包括：頂體反應(yīng)、皮層反應(yīng)、愿核融合等。,頂體反應(yīng),精子細

6、胞通過質(zhì)子交換泵使細胞內(nèi)鈣離子濃度升高激發(fā)頂體反應(yīng)，首先鈣離子引起頂體膜與精細胞質(zhì)膜融合，使頂體中的水解酶釋放到細胞外將卵細胞的外被進行水解，之后頂體突快速延伸到達卵細胞的外被，并與卵細胞透明帶的外層接觸。此時位于頂體突表面的一種蛋白，叫做結(jié)合蛋白與位于透明帶表面的特異受體結(jié)合，精子的結(jié)合蛋白與卵細胞透明帶的受體相互作用是高度特異性的，這保證了受精作用的正確性，頂體突：精細胞的細胞核與頂體之間有大量的未聚合的肌動蛋白單體，當(dāng)細胞內(nèi)的P

7、H升高時，引起那些為防止肌動蛋白聚合而與肌動蛋白單體結(jié)合在一起的蛋白質(zhì)與肌動蛋白脫離，從而促進了肌動蛋白纖維的裝配，形成頂體突。,頂體反應(yīng)基本過程,皮層反應(yīng),雖然在受精作用的開始，一個卵細胞常常被成百上千個精細胞結(jié)合，但在正常的情況下，只有一個精子能夠同卵細胞的質(zhì)膜融合，并將細胞核和一些細胞器注入到卵細胞質(zhì)中，如果有多個精子與同一個卵細胞融合時，則稱為多精受精，一般不會正常發(fā)育。有兩種機制保證了只有一個精子與卵細胞融合，一種機制是卵細

8、胞質(zhì)膜的快速去極化，另一種就是卵細胞的皮層反應(yīng)。,皮層反應(yīng)：當(dāng)精細胞與卵細胞的細胞質(zhì)膜融合時，激活了卵細胞的磷脂酰肌醇信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，引起卵細胞局部胞質(zhì)溶液中鈣離子濃度升高，激活了卵細胞，定位于卵細胞質(zhì)外周的皮質(zhì)顆粒與卵細胞質(zhì)膜融合釋放內(nèi)含物酶，釋放的酶類快速分布到整個卵細胞表面，改變透明帶的結(jié)構(gòu)，使之變得“堅硬”，這樣，精子就不能與卵細胞結(jié)合，從而提供了一種緩慢的二級多精受精的阻斷作用。從機制上來說，皮質(zhì)顆粒釋放的酶類破壞了卵細胞透明帶

9、中與精細胞結(jié)合的受體。,原核融合,精細胞穿過卵細胞的透明帶后，精細胞的質(zhì)膜與卵細胞的質(zhì)膜相互接觸，然后在融合蛋白的幫助下進行兩細胞質(zhì)膜的融合，這樣在精卵細胞之間形成一個連續(xù)的細胞質(zhì)區(qū)，為精細胞的細胞核進入卵細胞創(chuàng)造了一條通路。,,,3、胚胎形成,人和哺乳動物胚胎發(fā)育經(jīng)歷大致相同的分化發(fā)育過程。受精后胚胎的早期發(fā)育主要包括卵裂、胚泡形成和宮內(nèi)植入3個階段。,卵裂,受精卵的卵裂中的有絲分裂與體細胞有絲分裂比較具有以下3個特點：1、細胞增殖

10、，伴隨著一定程度的卵內(nèi)物質(zhì)的重新分配，但無細胞生長。2、由于第一個特點而產(chǎn)生的核質(zhì)比例越來越大。3、細胞間期較短，分裂快，迅速形成囊胚。,,細胞分化、細胞決定、形態(tài)發(fā)生,細胞分化：胚胎細胞分裂后，未定形的細胞在形態(tài)和生化組成上向?qū)Ｒ恍曰蛱禺愋苑较虬l(fā)展，或由原來較簡單具有可塑性的狀態(tài)向異樣化穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的過程。細胞決定是指細胞在發(fā)生可識別的形態(tài)變化之前，就已受到約束而向特定方向分化，這時細胞內(nèi)部已發(fā)生變化，確定了未來的發(fā)育命運。細

11、胞決定可看作分化潛能逐漸限制的過程，決定先于分化。,誘導(dǎo)細胞分化的因素,1、細胞質(zhì)對細胞分化的誘導(dǎo) 誘導(dǎo)細胞分化的特殊的細胞質(zhì)組分稱為細胞質(zhì)決定子。細胞質(zhì)決定子在卵母細胞中就已形成，受精卵在數(shù)次卵裂中，決定子一次次的重新改組分配，卵裂后，決定子的位置固定下來，并分配到不同的細胞質(zhì)中，影響不同細胞的分配。軟體動物極葉的形成就是細胞質(zhì)對分化影響的例子。,,2、細胞的相互作用誘導(dǎo)細胞分化 多細胞生物的細胞是生活在細胞社會中的，所以，細

12、胞社會中各細胞群體必然要建立相互間協(xié)調(diào)關(guān)系才能形成具有正常形態(tài)和生命活動協(xié)調(diào)的個體，因此，相鄰細胞間相互關(guān)系影響細胞分化。,蠑螈實驗初期胚胎誘導(dǎo),形態(tài)發(fā)生,單細胞生物僅有時間上的分化，多細胞生物既有時間上的變化，又有空間上的分化。胚胎發(fā)育不僅需要將分裂產(chǎn)生的細胞分化成具有不同功能的特異的細胞類型，同時，要將一些細胞組成、功能和形態(tài)不同的組織和器官，最后形成一個具有表型特征的個體，這一過程稱為形態(tài)發(fā)生。,影響分化和形態(tài)發(fā)生的其他因素,1

13、、細胞黏著分子 在神經(jīng)誘導(dǎo)過程中起重要的調(diào)節(jié)作用。如脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。2、激素 在細胞分化調(diào)節(jié)方式中，除了相鄰細胞之間的作用外，還有遠距離的調(diào)節(jié)作用，隨著機體發(fā)育，細胞數(shù)目增加，機體體積增大，結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，對遠距離細胞的分化調(diào)節(jié)出現(xiàn)了一種新的方式，即激素調(diào)節(jié)。例如激素和某些細胞因子對哺乳動物性別分化的調(diào)節(jié)。3、分化抑制 分化完成的細胞可以產(chǎn)生抑素，這種化學(xué)介質(zhì)可抑制附近的細胞進行同樣會的分化。,細胞分化中的核質(zhì)關(guān)系

14、,1、細胞質(zhì)對細胞核的影響 細胞質(zhì)能夠影響細胞核的基因表達，并對細胞質(zhì)具有調(diào)節(jié)作用。2、細胞核對細胞質(zhì)的影響 例如 Hammerling 和Brachet 用傘形和菊花形帽的傘藻研究了核質(zhì)關(guān)系。,轉(zhuǎn)決定、脫分化與再生,一般的細胞生理活動引起的變化，如激素引起的變化，當(dāng)刺激作用消失后，細胞又回到原來狀態(tài)，細胞分化則不同，它不會自發(fā)的逆轉(zhuǎn)。但是，分化的細胞可以再特定的誘導(dǎo)下進行脫分化，這就是分化的可逆性，其根本原因是分化細胞保留著

15、全部基因組，可以通過適當(dāng)條件去分化，進行再生。,轉(zhuǎn)決定：一般胚胎細胞一旦決定，沿著特定類型進行分化的方向是穩(wěn)定的，但在果蠅中發(fā)現(xiàn)了某種突變體或培養(yǎng)的成蟲盤細胞中有時會出現(xiàn)不按己決定的分化類型發(fā)育，而生長出不是相應(yīng)的成體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)決定的細胞可以回復(fù)到?jīng)Q定的原初狀態(tài)。能全性：分化細胞具有發(fā)育為完整個體的潛能，如1958年Steward利用胡蘿卜根的韌皮組織培養(yǎng)出完整的新植株。脫分化：又稱為去分化，是指分化細胞失去特有的結(jié)構(gòu)和功能變

16、為具有未分化細胞特性的過程。再生：生物體的整體或器官受外力作用發(fā)生創(chuàng)傷而部分丟失，在剩余部分的基礎(chǔ)上又生長出與丟失部分在形態(tài)和功能上相同的結(jié)構(gòu)的修復(fù)過程。再分化是再生的基礎(chǔ),3、細胞分化的分子基礎(chǔ),細胞分化的分子基礎(chǔ)在于基因表達的控制。 1、分化細胞的基因表達 2、真核生物基因表達的調(diào)控 3、果蠅發(fā)育的調(diào)控,分化細胞的基因表達,1、持家基因與奢侈基因 根據(jù)基因同細胞分化的關(guān)系，可以將基因分為兩大類，一類是持家基因，是維持細

17、胞最低限度功能所必不可少的基因，如編碼組蛋白基因、核糖體體蛋白基因、線粒體蛋白基因等。 另一類是組織特異性基因，或稱為奢侈基因。這類基因與各類細胞的特殊性有直接的關(guān)系，是在組織中進行不同的選擇性表達的基因。,,2、基因差異表達及調(diào)節(jié) 某些特定奢侈基因表達的結(jié)果生成一種類型的分化細胞，另一組奢侈基因表達的結(jié)果導(dǎo)致出現(xiàn)另一類型的分化細胞，因此細胞分化的關(guān)鍵是細胞按照一定程序發(fā)生差別基因表達，開放某些基因，關(guān)閉某些基因。 在基因的

18、差異表達中，包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的差異表達，差異表達的結(jié)構(gòu)基因受組織特異性表達的調(diào)控基因的調(diào)節(jié)。,真核生物基因表達的調(diào)控,DNA水平調(diào)控 Replicational regulation – 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 transcriptional regulation – 轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控 post transcriptional regulation – 翻譯水平調(diào)控 translational regulation – 蛋白質(zhì)加工

19、水平的調(diào)控 regulation of protein maturation,DNA水平調(diào)控,將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱為基因重排。通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達。1、DNA的甲基化 ? 胞嘧啶被甲基化修飾形成5-甲基胞嘧啶(mC) ? 幾乎所有的mC與其3’的鳥嘌呤以5’ mCpG3’的形式存在。 ? 當(dāng)兩條鏈上的胞嘧啶都被甲基化時稱為完全甲基化

20、。 ? 一般在復(fù)制剛完成時，子鏈上的C呈非甲基化狀態(tài)，稱為半甲基化。,真核生物細胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性： ? 構(gòu)建性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于非甲基化位點，對發(fā)育早期DNA甲基化位點的確定起重要作用。 ? 維持性甲基轉(zhuǎn)移酶：作用于半甲基化位點，使子代細胞具備親代的甲基化狀態(tài)。 ? 在一些不表達的基因中，啟動區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化程度較低。,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,轉(zhuǎn)錄控制是真核生物控制基因表達的重要調(diào)控方式

21、，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，控制著基因在不同組織中進行差異表達。如果蠅的同源異形基因的突變,翻譯水平的調(diào)控,一、 5’UTR(untranslated region)結(jié)構(gòu)與翻譯起始的調(diào)節(jié) ? 5’UTR通常不到100nt ? 幾乎所有的真核生物和病毒mRNA的5’端都具有帽子結(jié)構(gòu)，其作用 – 保護mRNA免遭5’外切酶降解 – 為mRNA的核輸出提供轉(zhuǎn)運信號 – 提高翻譯模板的穩(wěn)定性和翻譯效率 ? 實驗證實，對

22、于通過滑動搜索起始的轉(zhuǎn)錄過程來說，mRNA的翻譯活性依賴于5’端 的帽子結(jié)構(gòu)。 二．蛋白質(zhì)磷酸化對翻譯效率的影響 ? eIF-4F的磷酸化能提高翻譯速度 ? eIF-2α的磷酸化抑制翻譯起始 三．3’UTR結(jié)構(gòu)與mRNA穩(wěn)定性調(diào)控 ? 3’UTR序列及結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性和壽命 ? 多聚腺苷酸尾調(diào)節(jié)翻譯效率,轉(zhuǎn)錄后加工的控制,真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要通過加工成為成熟的MRNA，然后向細胞質(zhì)運輸。RNA

23、轉(zhuǎn)錄加工的調(diào)節(jié)，分為兩種類型：簡單的轉(zhuǎn)錄單元，只能加工形成一種MRNA；復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄單元，可以加工形成幾種不同的MRNA。,果蠅發(fā)育的調(diào)控,果蠅是發(fā)育研究的模式生物，這些模式生物的優(yōu)越性在于它們在實驗室中易于飼養(yǎng)和繁殖。 果蠅的生活史,,同源異形基因?qū)夡w節(jié)調(diào)控,在果蠅中，有個基因復(fù)合體稱為Bithorax Complex（BX-C，雙胸復(fù)合體），其DNA序列突變后可出現(xiàn)結(jié)果是一個節(jié)段的身份變成另一節(jié)段的身份。第一個bithorax

24、（bx）突變是摩爾根的學(xué)生Calvin Bridges于1915年發(fā)現(xiàn)、由Bridges和Morgan（1923）報道，果蠅成蟲第三胸節(jié)段（T3）的殘翅變成像正常果蠅第二胸節(jié)段（T2）才有的翅膀，使bx突變種果蠅有兩對翅膀。,,4、干細胞,1、干細胞分類和特點2、胚胎干細胞3、成體干細胞,干細胞分類與特點,干細胞有兩種分類方法，一是根據(jù)干細胞所處得發(fā)育階段分為胚胎干細胞embryonicstem cell,ES ell和成體干細胞s

25、omatic stem cell。第二種分類方法是根據(jù)干細胞的發(fā)育潛能分為3類：全能干細胞totipotent stem cell ,TSC、多能干細胞pluripotent stem cell和單能干細胞unipotent stem cell。胚胎干細胞的發(fā)育等級較高，是全能干細胞，而成體干細胞的發(fā)育等級較低，是多能或單能干細胞。,干細胞具有幾個顯著地特點：1、干細胞本身不是處于分化途徑的終端。 2、干細胞能無限的增殖分裂。

26、 3、干細胞可連續(xù)分裂幾代，也可在較長時間內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)4、干細胞通過兩種方式生長 ，一種是對稱分裂--形成兩個相同的干細胞，另一種是非對稱分裂--由于細胞質(zhì)中的調(diào)節(jié)分化蛋白不均勻地分配，使得一個子細胞不可逆的走向分化的終端成為功能專一的分化細胞;另一個保持親代的特征，仍作為干細胞保留下來。分化細胞的數(shù)目受分化前干細胞的數(shù)目和分裂次數(shù)控制?？梢哉f，干細胞是具多潛能和自我更新特點的增殖速度較緩慢的細胞。,胚胎干細胞,胚胎干細胞（

27、embryonic stem cell，ESCs，簡稱ES或EK細胞。）胚胎干細胞是早期胚胎（原腸胚期之前）或原始性腺中分離出來的一類細胞。特點：①胚胎干細胞具有多向分化潛能和發(fā)育的全能性，可長期增殖培養(yǎng)并保持高度未分化狀態(tài)。 ②可在體外培養(yǎng)條件下建立穩(wěn)定的細胞系，并保持穩(wěn)定的二倍體核型，在體外長時間培養(yǎng)、誘導(dǎo)分化后，仍能分化形成3種胚胎生殖層。 ③胚胎干細胞具有種系傳遞功能。若將其與受者囊胚混合后，可形成嵌合

28、體或嵌合動物，結(jié)合基因工程技術(shù)，可以克隆出大量優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因生物。 ④胚胎干細胞在體外可以進行遺傳及改造操作，包括基因重組、誘導(dǎo)基因突變、轉(zhuǎn)基因動物等方面,胚胎干細胞的應(yīng)用：作為生產(chǎn)克隆動物的高效材料。胚胎干細胞可以無限傳代和增殖而不失去其基因型和表現(xiàn)型，以其作為核供體進行核移植后在短期內(nèi)可獲得大量基因型和表現(xiàn)型完全相同的個體。生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物的高效載體。利用胚胎干細胞作載體使外源基因的整合篩選等工作能在細胞水平上進行，使操作簡

29、便可靠。從鼠囊胚內(nèi)細胞團ES細胞，培養(yǎng)后作為轉(zhuǎn)基因受體。轉(zhuǎn)基因后經(jīng)培養(yǎng)鑒定，選取陽性ES細胞，并重新注入代理母親囊胚的內(nèi)細胞團中，發(fā)育后獲得嵌合體，經(jīng)雜交篩選可獲得轉(zhuǎn)基因純種種。發(fā)育生物學(xué)研究的理想體外模型。通過比較胚胎干細胞不同發(fā)育階段基因轉(zhuǎn)錄和表達，可確定胚胎發(fā)育及細胞分化的分子機制，并發(fā)現(xiàn)新基因。新型藥物的發(fā)現(xiàn)篩選。利用胚胎干細胞體外分化的細胞組織檢驗篩選新藥，可大大減少實驗動物及人群數(shù)量。加快了組織工程（histologi

30、cal engineering）的發(fā)展,成體干細胞,成體干細胞是指存在于一種已經(jīng)分化組織中的未分化細胞，這種細胞能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類型組織的細胞。成體干細胞存在于機體的各種組織器官中。成年個體組織中的成體干細胞在正常情況下大多處于休眠狀態(tài)，在病理狀態(tài)或在外因誘導(dǎo)下可以表現(xiàn)出不同程度的再生和更新能力。,造血干細胞,造血干細胞（hemopoieticstemcellHSC）是存在于造血組織中的一群原始造血細胞，它不是組織固定

31、細胞，可存在于造血組織及血液中。它具有自我更新能力并能分化為各種血細胞前體細胞，最終生成各種血細胞成分，包括紅細胞、白細胞和血小板，它們也可以分化成各種其他細胞。,,神經(jīng)干細胞,神經(jīng)干細胞(neuralstemcell)具有分化為神經(jīng)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的能力，能自我更新。神經(jīng)干細胞在神經(jīng)發(fā)育和修復(fù)受損神經(jīng)組織中發(fā)揮重要作用。神經(jīng)干細胞移植是修復(fù)和代替受損腦組織的有效方法，能重建部分環(huán)路和功能。此外神經(jīng)干細胞可作為基因載