ru-第13章 胚胎发育与细胞分化 20161213(1).ppt

CHAPTER 13胚胎发育与细胞分化,Individual Development and Cell differentiation,1,OUTLINE,13.1 配子发生与受精(Gametogenensis and fertilization)13.2 胚胎形成与分化(Embryo development and cell differentiation)13.3 细胞分化的分子基础 13.4 干细胞(Stem Cell),2,3,个体发育与细胞分化,4,个体发育(individual development)从受精卵形成胚胎，而后胚胎生长发育成个体的过程称为个体发育。从形态上看，个体发育过程经历：生长(growth)、分化(differentiation)、形态发生(morphogenesis)。,5,配子发生(gamete genesis)雌雄生殖细胞的发生都要经过三个时期,即增殖期、生长期和成熟分裂期。,13.1 配子发生与受精,6,配子的发生,The stages in human oocyte development.,The stages in drosophila oocyte development.,The zona pellucida,10,配子的发生,细胞质桥,12,受精(fertillization)受精是成熟的精子与成熟的卵子相遇，两者融合重新形成一个2倍体细胞，即受精卵。经过:顶体反应(acrosomal reaction)、皮层反应(cortical reaction)、原核融合(pronuclei fussion)等过程，受精作用结束。,13,顶体反应：cGMPCa2+Na+/H+pump,获能：(Capicitation),14,卵细胞质膜快速去极化:Na+内流皮层反应：IP3 信号通路激活，内Ca2+上升，皮质颗粒释放酶至卵表面，透明带结构变化。,两种机制保证一个精子与一个卵细胞结合。,15,13.2.1 胚胎发生 受精后，受精卵经过多次有丝分裂，形成许多分裂球，这个过程叫卵裂(cleavage)。它与体细胞有丝分裂比较具有以下三个特点：细胞增殖，伴随着一定程度的卵内物质的重新分配，而无细胞生长；由于第一个特点而产生的核质比例越来越大；细胞间期较短，分裂快，迅速形成囊胚。,13.2 胚胎形成与分化,16,胚胎发生,17,经过囊胚期(blastula)之后，进入原肠胚(gastrula)，这是分化发展的过程。,18,细胞分化(differentiation)细胞分化是指同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构，生理功能和生化特征的过程。细胞分化时的主要特征是细胞出现不同的形态结构和合成组织特异性蛋白质，演变成特定表型的细胞类型。,13.2.2 细胞分化、细胞决定与形态发生,19,分化细胞的特点 个体中所有不同种类的细胞的遗传背景完全一样。分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致。细胞分化中最显著的特点是分化状态的稳定性。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程,但是在一定的条件下,细胞分化又是可逆的。,20,细胞决定(cell determination)细胞决定是指在细胞发生可识别的形态变化之前，就已受到约束而向特定方向分化。是分化潜能逐渐限制的过程，决定先于分化。,参与细胞决定，影响细胞分化的因素：细胞质的作用细胞的相互作用的影响形态发生：(时间空间)，位置信息其它：核质关系、细胞黏着、激素、环境如温度、营养、个体大小等,21,细胞质在细胞决定中的作用 从受精卵第一次卵裂开始,细胞核就受到内环境(即不同的卵细胞质)的影响。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmic determinants)，决定子支配着细胞分化的途径。受精卵在数次卵裂中,决定子一次次地被重新改组、分配。卵裂后,决定子的位置固定下来,并分配到不同的细胞中,子细胞便产生差别。,22,卵细胞质分布的不对称性,Segregation of germ cell determinants in the nematode C.elegans.,P granulues(Green)DNA(blue),in Mammalian Embryos:Signals from Neighbors Specify PGCs(primordial germ cell),24,卵裂与细胞分化,25,细胞的相互作用对分化的影响动物在一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导(embryonic induction)，或称为分化诱导。能对其他细胞的分化起诱导作用的细胞称为诱导者或组织者。,26,胚胎诱导,27,形态发生：(时间空间)胚胎发育不仅需要将分裂产生的细胞分化成具有不同功能的特异的细胞类型，同时要将一些细胞组成功能和形态不同的组织和器官，最后形成一个具有表性特征的个体，这一过程称形态发生(morphogenesis)。位置信息(positional information),28,位置信息在胎 细胞分化中的作用,29,其它影响分化的因素：细胞黏着分子：近距离激素：远距离环境：如温度、营养、个体大小等核质关系分化抑制,30,细胞粘着分子在胚胎发育中的作用,31,伞藻实验,32,伞藻实验,33,分化抑制,在细胞分化和胚胎发育过程中,细胞之间除了有胚胎诱导外,还存在相互抑制分化的作用。,34,13.2.3 转分化、全能性与再生,转决定(transdeterminination),不按已决定的分化类型发育，而生长出不是相应成体的结构。它是一群细胞而不是单一细胞发生变化。,全能性(totipotency),分化细胞保留着全部的核基因组,它具有生物个体生长、发育所需要的全部遗传信息,即能够表达本身基因库中的任何一种基因,也就是说分化细胞具有发育为完整个体的潜能,称为全能性。,35,植物细胞的全能性卵细胞的全能性：如孤雌生殖体细胞核的全能性表现：核移植（多利羊）,全能性(totipotency),36,蛙的核移植实验,37,脱分化(dedifferentiation),脱分化，又称去分化，是指分化细胞失去了特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程。在动物中,去分化细胞具有胚胎间质细胞的功能。在植物中,，去分化细胞成为薄壁细胞,称为愈伤组织(callus)。去分化往往随之又发生再分化(redifferentiation)。,38,再生(regeneration),生物体的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失,在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态与功能上相同的结构，这一修复过程称为再生。再分化是再生的基础，在再生过程中,有些细胞首先要发生去分化,然后发生再分化，形成失去的器官或组织。,39,13.3 细胞分化的分子基础-基因表达控制,基因的选择性表达,40,13.3.1 分化细胞的基因表达,看家基因(House-keeping gene)是维持细胞最低限度功能所不可少的基因,如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。组织特异性(Tissue-specific gene)表达基因或称为奢侈基因(luxyry gene)。这类基因与各类细胞的特殊性有直接的关系，是在各种组织中进行不同的选择性表达的基因。细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因的选择性表达的结果。,41,13.3.2 基因表达调控,基因组调控：DNA甲基化 转录水平的调控 转录后加工的调控：翻译水平的调控：翻译后加工 其它：mRNA运输的控制、mRNA降解的控制等,42,甲基化作用与基因活性调节,43,转录水平的调控,?顺式调控元件/反式作用因子,44,Trans-acting factor and cis-acting element,45,转录后加工的调节-Splicing variations,原肌球蛋白基因的转录和剪接,46,铁蛋白的翻译调控,翻译水平的调节-蛋白质合成速度/mRNA稳定性/翻译起始控制,47,翻译后加工控制,48,13.3.3 果蝇发育的基因控制,三类基因控制着果蝇的发育:母体效应基因(maternal-effect gene)基因在果蝇卵母细胞成熟过程中由抚育细胞转录，合成的mRNA运送至卵母细胞，其翻译产物在早期胚胎发育中调节合子基因的转录。这些基因决定果蝇的极性，即果蝇的头部、尾部、背部-腹部的轴。,49,卵细胞中的母体信息,卵细胞质母体信息(maternal information)受精激活后,受精卵中蛋白质合成迅速增加,此时加入RNA合成抑制剂不能影响蛋白质合成,表明合成蛋白质的mRNA是卵母细胞带来的,并且是非活性状态存在,只有受精后才被激活,这些由卵母细胞带来的信息叫母体信息。,50,母体信息的受精激活及翻译调控,多数mRNA在卵母细胞中处于非活性状态,受精作用激活了这些卵母细胞贮存的mRNA,使受精卵的发育在翻译水平上受到调节,调节的机理可能有:隐蔽mRNA的利用 无帽信息(uncapped message)的修饰 封存信息(sequestered message)的利用 翻译效率的改变,51,母体效应(maternal-effect)卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不均匀的,各种mRNA在细胞中都有定位分布,并随卵裂进入不同的子细胞中。,果蝇发育的极性,52,果蝇发育母体效应基因,53,体节基因(segmentation genes)这些基因控制着果蝇体节的数量，包括三个亚类 裂缝基因(gap-gene)这是果蝇胚胎发育中第一个表达的基因，之所以如此称呼，是因为这类基因突变使果蝇在胚胎发育中产生裂缝。例如hunchback(hb)基因缺陷的胚胎，将没有胸和口结构。配对规则基因(pair-rule genes)负责将胚胎的裂缝域分成节。之所以如此称谓是因为这些基因的突变将造成每一个次级节的缺失。体节极性基因(segment polarity genes)这些基因负责节发育的极性。,54,果蝇的体节基因,55,同源异形选择基因(homeotic selector genes),在高等真核生物中，经常发生某一器官异位生长的现象，称为同形异位作用。同形异位作用是由一类叫同形异位基因的突变所产生。在目前已知的300多个同形异位基因中，都存在一个高度保守的同源区域，长180bp,编码60个氢基酸。这个同源域称为同源异形盒(homeobox)，因此同形异位基因又叫做同源异形盒基因。,56,同源异型框,57,果蝇发育HOX基因,58,13.4 干细胞(stem cell),13.4.1 干细胞及其类型 干细胞是一类具有自我更新(self renewing)能力的多潜能细胞，在一定条件下可以分化成多种功能的细胞。,59,干细胞具有以下几个特点:干细胞本身不是终末分化细胞(即干细胞不是处于分化途径的终端);干细胞能无限地分裂;干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一:或保持亲代特征,仍作为干细胞；或不可逆地向终末分化。,60,干细胞的分类根据分化能力：全能干细胞（totipotent stem cell）如：受精卵在2细胞期、4细胞期细胞多能干细胞（pluripotent stem cell）如：胚胎干细胞、造血干细胞单能干细胞（unipotent stem cell）如：祖细胞,胚胎干细胞的多分化潜能,造血干细胞的多能性,63,干细胞的鉴定：“自我更新与分化潜能”根据位置与形态：活体组织中分子标记：在体及体外分化能力的检测：,干细胞的全能性鉴定,64,干细胞的分类根据来源及个体发育阶段：胚胎干细胞（embryonic stem cell）：囊胚期内细胞团或原始生殖细胞经体外分化抑制培养分离克隆的，多能成体干细胞（somatic stem cell）：存在于机体组织的特定位置，多能或单能，通常缓慢分裂，或处于静息，特定条件下激活参与组织更新与修复，如造血干细胞和骨髓间充质干细胞诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell）：体细胞经Yamanaka 四个转录因子（c-Myc、Oct3/4、Sox2、Klf4）的转导，而“重编程”为多能干细胞,神经干细胞的多能性,神经干细胞：巢蛋白（nestin）阳性,目前体细胞重编程的策略（Cell 132,567582）,iPS,体细胞核移植,诱导性多能干细胞干性基因的活化及鉴定（Cell 132,567582）,诱导性多能干细胞干性基因的表观遗传调控（Cell 132,567582）,13.4.2 干细胞的应用胚胎干细胞克隆动物生产转基因动物的高效载体发育生物学研究的体外模型药物筛选模型组织工程,转基因,13.4.2 干细胞的应用成体干细胞替代治疗：骨髓移植，胰岛重建，脊髓损伤修复诱导性多能干细胞定制疾病特异的细胞模型：病因研究及药物筛选,皮肤成纤维细胞,帕金森病或老年痴呆症,X,iPS细胞,疾病特异性神经元,思考题：1、细胞分化对细胞本身和生命体的意义是什么？2、你所了解的细胞分化的表观遗传学调控方式有哪些？3、什么是干细胞？它有哪些特性？,Haploid cells and diploid cells in life cycle,PGC development:depends on the suppression of somatic cell fates by gene repression;inhibition of translation of specific mRNAs by Nanos RNA-binding proteins.,The crucial gene on the Y chromosome that directs the genital ridge to develop into a testis instead of an ovary,Sry(sex-determining region of Y):in sertoli cells,Sry Sox9 anti-Mllerian hormone,Influence of Sry on gonad development,