第六章：胚胎細胞分化命運的決定與基因的選擇性表達調(diào)控由同一個受精卵分裂、增殖而來的胚胎細胞經(jīng)過囊胚、原腸胚、神經(jīng)胚等多個相繼的發(fā)育階段，逐漸出現(xiàn)差異，產(chǎn)生許多形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和生化特征都不同的細胞類型。這種現(xiàn)象就是細胞分化。在細胞分化的基礎(chǔ)上，胚胎逐漸產(chǎn)生出許多不同的組織、器官和系統(tǒng)，協(xié)調(diào)地組成一個復(fù)雜、精巧、能自主生活的生命個體。因此、細胞分化是胚胎不同組織、器官和系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生的基礎(chǔ)。細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和生化特征都是由細胞的基因控制。一般來說，在胚胎發(fā)生的過程中，所有的細胞都接受了完整的、而且是同樣的基因組。每個細胞都具有基因組的等值性。細胞核移植的實驗表明：兩棲類、魚類、哺乳等的不同分化類型的體細胞核移植到相應(yīng)物種的去核卵中，都得到了發(fā)育正常，有自主生活能力的個體。證明了已經(jīng)分化了的體細胞仍然具有個體發(fā)育所需要的全部基因。因此，細胞的分化并不是在分化的過程中細胞核中的遺傳物質(zhì)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的改變，而是不同分化類型的細胞中選擇了不同類型的基因表達的結(jié)果。發(fā)育過程中基因的選擇性表達是細胞分化的基礎(chǔ)。不同的基因選擇不同的基因表達。如此，便合成了不同的專一性蛋白質(zhì)，導(dǎo)致細胞產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)和功能。所以，細胞分化總是先有生化成分的改變，然后才有生理功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。每個細胞里都有整個個體發(fā)育所需要的全部基因。這些基因數(shù)以萬記。一個受精卵要發(fā)育成一個復(fù)雜、精巧和有自主生活力的個體，就需要（1）每一個細胞在正確的時間、正確的地點、選擇正確的基因表達；（2）在發(fā)育的不同時期，不同部位、不同細胞中表達的許多基因彼此之間在空間上和時間上能正確地協(xié)調(diào)。正常個體發(fā)育中的細胞分化和基因選擇性表達過程是極其復(fù)雜、同時又是極其嚴(yán)密有序、并按照規(guī)定的時空模式進行的。嚴(yán)格的時空秩序性是發(fā)育的基本特征。動物胚胎發(fā)育過程中細胞的分化取決于形態(tài)生成素（morphogen）決定的全局位置信息和局部的細胞間相互作用。形態(tài)生成素是由母源基因編碼的一些信息分子（蛋白質(zhì)和mRNA）。這些信息分子分布在卵子或早期胚胎的一定部位，在卵裂時被分隔到不同的卵裂球中。這些信息分子以及它們的分布位置決定了胚胎的前后、背腹以及左右軸。確定了胚胎的基本格局。在大多數(shù)動物中，細胞間的相互作用在形態(tài)生成素確定的框架下，再精確決定每個細胞的命運。第一節(jié)：細胞命運的特化和定型的基本方式細胞分化是一個非常復(fù)雜的過程，但在總體上可分為兩個基本階段：即細胞命運的決定(determination)或定型(commitment)和細胞的分化(differentiation)o首先是細胞命運的決定，然后是細胞按決定的方向進行分化。一、分化之前先有細胞命運的決定或定型胚胎細胞在顯示特有的形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理功能和生化特征之前，需要經(jīng)歷一個稱做細胞定型(commitment)的階段。定型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(tài)的、生理的和生化的特征，但是已經(jīng)確定了向特定方向分化的程序。胚胎細胞的定型可分為感應(yīng)能力的獲得(competence)、細胞的特化(specification)和細胞的決定(determination)三個相繼的階段。這一隱避的變化過程有時用細胞的決定(determination)這一術(shù)語來描述。獲得感應(yīng)能力是指胚胎細胞獲得了對某種信號進行反應(yīng)的能力。在此階段，如細胞被置于合適的協(xié)同信號環(huán)境里，便可以向一定的細胞類型開始轉(zhuǎn)化。特化是指細胞已經(jīng)接受到向特定類型細胞轉(zhuǎn)變的合適信號，如再無其他外界信號的作用，便可以自主向特定的細胞類型分化。但在此階段，已特化細胞的命運仍然是可被逆轉(zhuǎn)的，其沿著神經(jīng)細胞分化發(fā)展的狀態(tài)仍然可能被其他信號抑制和改變分化的方向。如果將已特化的細胞移植到胚胎的不同部位，就會分化成不同的組織。決定是指細胞已經(jīng)確定了分化方向，并進入了特定類型細胞的分化程序。即使其他抑制信號分子或誘導(dǎo)信號分子存在，或?qū)⑵湟浦驳脚咛サ钠渌课灰膊辉俑淖兎只较?。其發(fā)育的命運在正常發(fā)育過程中已不可逆轉(zhuǎn)。胚胎細胞進入到分化階段時已經(jīng)離開了有絲分裂周期，不再能進行分裂。細胞開始表達類型特征性或組織特異性基因而構(gòu)建特征性的的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能。果蠅的器官芽或成蟲盤是幼蟲中一些還沒有分化但已決定了分化方向的細胞團。在變態(tài)時，不同器官牙分化形成相應(yīng)的腿、翅膀、觸角等器官。每一種器官芽的發(fā)育方向都是確定的，而且這種決定狀態(tài)是穩(wěn)定的，可以在細胞分裂增殖過程中保持不變。將某種器官芽移植到成蟲的腹腔內(nèi)，可以繼續(xù)其保持分裂和未分化狀態(tài)。但如果移植到正要變態(tài)的幼蟲的適當(dāng)部位，就能誘發(fā)其分化，產(chǎn)生出特定類型的器官。有人將器官芽在成蟲腹腔內(nèi)一代又一代連續(xù)移植達9年之久（約分裂1800次）再移植到正要變態(tài)的幼蟲身體上，它們?nèi)匀荒馨凑崭髯栽瓉淼臎Q定的方向分化。產(chǎn)生出預(yù)定的結(jié)構(gòu)（圖3.25）。這一研究說明：（1）決定狀態(tài)是非常穩(wěn)定的；（2）在正常狀態(tài)下，胚胎細胞的命運被決定以后，就喪失了發(fā)育成其他類型細胞的潛能。這已成為一條被廣泛接受的規(guī)律。二、定型或決定并不是遺傳物質(zhì)的不可逆改變造成胚胎細胞命運被決定后喪失了發(fā)育成其他類型細胞的潛能的可能原因有兩個。第一種可能的原因是細胞的命運被決定以后，細胞的遺傳物質(zhì)便有了不可逆的改變；基因組中與該細胞類型無關(guān)的基因在遺傳上不再有功能。第二種可能的原因是細胞中的遺傳物質(zhì)并沒有發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，基因組中的所有基因仍然存在和具有遺傳上的功能；但基因組中的與該細胞類型無關(guān)的基因的表達被抑制。哪種可能性是真實的呢？1952年，Briggs和king進行了一項著名的實驗。他們將非洲爪蟾囊胚細胞的核移植到去核的卵中，移入了核的卵可以發(fā)育成正常的爪蟾（圖）。這種核移植技術(shù)為直接研究細胞核與細胞質(zhì)的關(guān)系提供了極大的方便。同時，也對研究發(fā)育過程中細胞命運決定的時間以及細胞核中的遺傳物質(zhì)是否發(fā)生了不可逆的改變提供了技術(shù)手段。將原腸胚早期的細胞核移植到去核卵中，能發(fā)育成正常的蝌蚪。說明囊胚期和原腸早期胚胎細胞的命運尚未決定。其細胞核仍然具有發(fā)育的全能性。但用原腸晚期及以后發(fā)育階段的胚胎細胞核進行移植，則正常發(fā)育率逐漸下降。說明胚胎細胞的命運在原腸后已經(jīng)基本決定或定型。去決定是非常困難的。1962年，英國科學(xué)家J.B.Gardon先用紫外線破壞細胞核，再將蝌蚪腸上皮細胞核注射到去核卵中。有1.5%的移核卵可發(fā)育全蝌蚪期，另有極少數(shù)可以發(fā)育為成體。這一實驗第一次說明高等動物中已決定和分化的細胞中的遺傳物質(zhì)并沒有發(fā)生不可逆的改變。1997年，英國羅斯林研究所的Wilmut從一條6歲芬蘭母羊的體細胞中取出的細胞在體外培養(yǎng)，經(jīng)饑餓處理（將培養(yǎng)液中血清的濃度從10%降到0.5%)后，使乳腺細胞脫分化(進入60期)再將G0期乳腺細胞與去核的卵細胞用電脈沖融合實現(xiàn)核移植。將移植卵培養(yǎng)到桑葚胚胚后，接種到代孕母羊子宮中，培養(yǎng)出了世界為之震動的克隆羊“多莉”(圖)。這一實驗第一次說明分化了的高等哺乳動物的細胞中遺傳物質(zhì)也沒有發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，而仍然具有遺傳上的全能性。三、定型的兩種基本方式動物胚胎細胞的定型有兩種主要的方式(表6.2)。1、鑲嵌型發(fā)育的胚胎細胞定型：由細胞內(nèi)的形態(tài)發(fā)生決定因子決定第一種方式是通過細胞質(zhì)隔離(cytoplasmicsegregation)來實現(xiàn)的。卵裂時受精卵內(nèi)特定的細胞質(zhì)分離到特定的卵裂球中。卵裂球中這些特定的細胞質(zhì)決定它發(fā)育成哪種類型的細胞。因此，細胞命運的決定與鄰近的細胞無關(guān)，而完全由細胞本身的細胞質(zhì)組分決定。細胞命運的這種定型方式稱為自主特化(autonomousspecification)。由于這種細胞定型方式與鄰近細胞的相互作用無關(guān)，因此，如果在發(fā)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(yǎng)，它仍然會發(fā)育成與整體胚胎上將會發(fā)育成的組織結(jié)構(gòu)相同的組織結(jié)構(gòu)。，而胚胎的其余部分發(fā)育形成的胚胎中將缺乏被分離的卵裂球所能形成的組織結(jié)構(gòu)。二者恰好互補。這種已細胞自主特化為特點的胚胎發(fā)育模式稱為鑲嵌型發(fā)育(mosaicdevelopment)；整體胚胎象是自我分化的各部分組裝在一起的集合體。2、調(diào)整型發(fā)育的胚胎細胞定型：由細胞相互關(guān)系來決定第二種胚胎細胞的定型方式是通過胚胎細胞的相互作用來實現(xiàn)的。胚胎發(fā)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。采用這種方式發(fā)育的動物的胚胎細胞在發(fā)育的初始階段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(fā)育命運，使其只能朝一定方向分化。因此，細胞的發(fā)育命運取決于其所處的環(huán)境條件，即在胚胎上上所處的相對位置。胚胎細胞命運的這種特化方式稱為有條件特化(conditionalspecification)或漸進式特化(progressivespecification)或依賴型特化(dependentspecification)o在胚胎發(fā)育的早期，從采用這種方式發(fā)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(diào)整和改變發(fā)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(fā)育成一個完整的胚胎。這種發(fā)育模式稱為調(diào)整型發(fā)育。但在發(fā)育的較晚時期，當(dāng)胚胎細胞的命運已經(jīng)定型后，其決定狀態(tài)在正常發(fā)育過程中也不再能改變。在任何動物胚胎發(fā)育過程中，細胞定型的兩種發(fā)育模式都在發(fā)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。一般來說，多數(shù)無脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，主要是細胞自主特化在發(fā)生作用，細胞間的相互作用次之，是鑲嵌型發(fā)育的類型。而在脊椎動物中則相反，主要是細胞的相互關(guān)系在起主要作用，細胞的自主特化起次要作用，是調(diào)整型發(fā)育的類型。第二節(jié)：形態(tài)發(fā)生決定子與細胞質(zhì)定域在細胞定型和分化中的作用形態(tài)發(fā)生決定子(morphgeneticdeterminant)也稱為成型素(morphogen)或細胞質(zhì)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(fā)育形成一定的組織和形態(tài)結(jié)構(gòu)的特殊細胞質(zhì)因子。形態(tài)發(fā)生決定子在卵細胞質(zhì)中按照一定的式樣成遞度或區(qū)域性分布，受精時按照固定的方式運動，卵裂時被分隔到特定的卵裂球中，決定卵裂球的發(fā)育命運。這些與形態(tài)發(fā)生有關(guān)的特殊的細胞質(zhì)物質(zhì)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(zhì)定域(cytoplasmlocolization)。一、鑲嵌型胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生決定子及細胞質(zhì)定域海鞘動物卵細胞質(zhì)在不同區(qū)域具有不同的顏色。如柄海鞘受精卵的細胞質(zhì)根據(jù)所含色素不同可分為四個不同的區(qū)域(figure8.37，圖6.1)：動物極部分含透明的細胞質(zhì)；植物極部分靠近赤道處有兩個彼此相對排列的新月區(qū)，一個是呈淺灰色的灰色新月區(qū)，和一個呈黃色的黃色新月區(qū)；植物極的其他部分含灰色卵黃，為灰色卵黃區(qū)。卵子受精分裂時，不同區(qū)域的細胞質(zhì)分配到不同的卵裂球中。不同的色素可作為追蹤不同區(qū)域發(fā)育潛力的標(biāo)記。而且海鞘只由少數(shù)幾種類型細胞組成，因而很容易辨認(圖6.1)，和非常有利于細胞譜系的建立和細胞發(fā)育命運追蹤。Chabry于1887年以海鞘為材料，用卵裂球分離的方式證明：每個卵裂球都負責(zé)產(chǎn)生幼蟲的一定的組織。當(dāng)特定的卵裂球分離下來后，由這些卵裂球負責(zé)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)在幼蟲中便不復(fù)存在。而被分離下來的卵裂球，雖然已與胚胎其它卵裂球失去聯(lián)系，但仍能在整體中他負責(zé)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。因此，海鞘每個卵裂球都是可以自主發(fā)育的，胚胎好象是由能自主分化的各部分構(gòu)成的鑲嵌體。海鞘第一次卵裂時兩個新月區(qū)同時被平分。第二次卵裂與第一次卵裂溝方向垂直。這樣胚胎后部的兩個小卵裂球接受了所有黃色新月區(qū)物質(zhì)；而前部的兩個卵裂球接受了所有的灰色新月區(qū)物質(zhì)。第三次是緯裂。動物半球透明的細胞質(zhì)和灰色新月區(qū)上半部分分布在赤道的上部，而黃色新月區(qū)、灰色植物極細胞質(zhì)以及灰色新月區(qū)域的先半部分分布在赤道下部。隨著卵裂的進行和以后的發(fā)育，繼續(xù)追蹤不同細胞質(zhì)定域區(qū)并配合以人為的區(qū)域性破壞，組織化學(xué)等實驗手段，就可以確定細胞質(zhì)定域與組織分化的關(guān)系。黃色新月區(qū)含有黃色細胞質(zhì)，將來形成肌肉細胞，稱為肌細胞質(zhì)（myoplasm）?；疑略聟^(qū)含有灰色細胞質(zhì)，將來形成脊索和神經(jīng)管。動物極部分含透明細胞質(zhì)，將來形成幼蟲表皮?；疑腰S區(qū)含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲的消化道（圖6.1）。用玻璃針反復(fù)擠壓海鞘B4.1卵裂球，是分裂溝退化。隨后在更靠近植物極的區(qū)域重新形成分裂溝。用玻璃針沿新形成的分裂溝將卵裂球分離下來，這樣動物極的B4.2卵裂球便含有了部分肌細胞質(zhì)（黃色新月區(qū)細胞質(zhì)）。如此，本來只形成表皮的B4.2卵裂球的后代細胞也能形成肌細胞。通過顯微注射的方法，將B4.1卵裂球中的肌細胞質(zhì)移植到預(yù)定的非肌肉細胞中，也能使其形成肌細胞。我國的實驗胚胎學(xué)家唐第周等在海鞘卵子受精后20分鐘，把受精卵一分為二。其中的一個無核卵塊用作受體，分別把原腸胚或尾芽期幼蟲的外胚層、中胚層和內(nèi)胚層細胞的細胞核移植到受體中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論移植的細胞核來自哪一個胚層，所形成的組織結(jié)構(gòu)總是和無核卵塊中所含有的細胞質(zhì)組分有關(guān)。說明海鞘胚胎細胞發(fā)育命運是由其所含有的細胞質(zhì)形態(tài)決定子有關(guān)，而與細胞核無關(guān)。這些觀察結(jié)果清楚地說明海鞘類動物受精卵不同的細胞質(zhì)區(qū)域含有特殊的形態(tài)發(fā)生決定子，能夠決定細胞的分化方向。卵裂時，這些組分被準(zhǔn)確地分布到胚胎的一定部位。在決定子被分隔到細胞后，它們調(diào)控不同基因的表達，使不同的細胞分化成不同的細胞類型。海鞘胚胎屬于典型的鑲嵌型發(fā)育胚胎。除海鞘之外，呈典型的鑲嵌型胚胎發(fā)育動物卵子還有果蠅、櫛水母、環(huán)節(jié)動物，線蟲和軟體動物等。在這些典型的鑲嵌型發(fā)育的動物卵子細胞質(zhì)中。都存在著形態(tài)發(fā)生決定子。但在櫛水母這種典型的鑲嵌型發(fā)育的動物中，細胞的相互作用對決定一些胚胎細胞的發(fā)育命運也是必要的。櫛水母的神經(jīng)細胞是從動物極前面一對卵裂球(a4.2)和植物極前面一對卵裂球(A4.1)產(chǎn)生的。當(dāng)這兩對卵裂球被分離下來單獨培養(yǎng)時都不能形成神經(jīng)組織?？墒莾烧吲浜蟿t能形成神經(jīng)組織。二、調(diào)整型胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生決定子與細胞質(zhì)定域海膽、魚類和兩棲類等動物的胚胎屬于典型的調(diào)整型發(fā)育胚胎。在胚胎發(fā)育的早期階段當(dāng)胚胎受到某些局部的實驗性損傷時，仍能通過自身的調(diào)節(jié)形成正常的有機體。如兩棲類和海膽二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。但這并不是說調(diào)整型發(fā)育的胚胎中不存在形態(tài)發(fā)生決定子的細胞質(zhì)定域。1、兩棲動物的細胞質(zhì)定域兩棲類的卵子在受精后會因細胞質(zhì)流動而形成一個灰色新月區(qū)。這是對細胞分化、器官發(fā)生都有重要作用的細胞質(zhì)頂域。蛙的第一次卵裂使灰色新月區(qū)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(fā)育成正常的胚胎(figure10.19)。Spermenn通過人工方法使第一次卵裂溝和灰色新月區(qū)平行，由此而形成的兩個卵裂球中只有一個包含灰色新月區(qū)的細胞質(zhì)。再將這兩個卵裂球分離培養(yǎng)，則只有含有灰色新月區(qū)細胞質(zhì)的卵裂球可以發(fā)育成正常胚胎；另一個不含灰色新月區(qū)細胞質(zhì)的卵裂球則只能發(fā)育成沒有背部結(jié)構(gòu)的一團細胞(figure10.19)。這一實驗證明灰色新月區(qū)含有合子形成完整胚胎所必須的形態(tài)發(fā)生決定子。鑲嵌型發(fā)育胚胎和調(diào)整型發(fā)育胚胎之間的差異只是程度上的不同。2、海膽中形態(tài)發(fā)生決定子的細胞質(zhì)定域海膽的受精卵也是調(diào)整型發(fā)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(yǎng)，則分裂的動物極部分形成初級外胚層的組織，植物極的卵裂球形成初級內(nèi)胚層組織。說明動物極和植物極含有不同的形態(tài)發(fā)生決定子。這種決定子在8細胞時第一次分離，16細胞時進一步分離。三、哺乳動物卵裂球命運的決定哺乳動物的卵是調(diào)整型卵子，卵裂期間沒有明顯對以后的發(fā)育分化起決定作用的形態(tài)發(fā)生決定子的細胞質(zhì)定域。用傳統(tǒng)手段將卵裂球分離培養(yǎng)，證明哺乳動物胚胎2細胞，4細胞及至8細胞的單個卵裂球都具有發(fā)育成滋胚層和內(nèi)細胞團的兩種可能性。用二個或多個卵裂球聚合成嵌合體胚胎，發(fā)現(xiàn)發(fā)育的方向是由細胞所在的位置決定的。將白化體品系小鼠8細胞期胚胎的一個卵裂球分離，移植到黑色品系鼠8細胞期胚胎的4個卵裂球中的中間，組成嵌合體胚胎。總共32個嵌合體胚胎中，有6個發(fā)育到了分娩期。有3個鼠的外表呈明顯的白色品系的特征。由此可以肯定，是內(nèi)部的細胞(即白色品系的卵裂球)發(fā)育成了胚胎的本體(圖5-28)。說明卵裂球的發(fā)育命運取決于其在胚胎中所處的相對位置。四、形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)形態(tài)發(fā)生決定子不僅廣泛存在于動物卵細胞質(zhì)中，而且在細胞的自主特化中起決定性作用。那么，形態(tài)發(fā)生決定子是什么樣的物質(zhì)/以及如何發(fā)生作用呢？現(xiàn)在已經(jīng)知道，形態(tài)發(fā)生決定子是某些特異性蛋白質(zhì)和mRNA等生物大分子。它們可以激活或抑制某些基因的表達，從而決定細胞的分化方向。形態(tài)發(fā)生決定子的性質(zhì)和作用方式，在海鞘和果蠅中研究得較為深入。例如果蠅卵子的后極有一種顆粒，稱為極顆粒或極質(zhì)。這種極顆粒是生殖細胞的形態(tài)發(fā)生決定物質(zhì)，可以決定原生殖的形成。這種極顆粒已經(jīng)被分離出來，它主要由蛋白質(zhì)和RNA組成。其中的組分之一是gel(germcell-less)基因轉(zhuǎn)錄的mRNA。極顆粒中的gel的mRNA在卵裂的早期翻譯成蛋白質(zhì)，再進入到細胞核內(nèi)，可以啟動與生殖細胞發(fā)育相關(guān)的基因的表達，因而含有極顆粒的細胞能發(fā)育成原生殖細胞。如果將gel基因的反義RNA注射到卵子中，發(fā)育成的胚胎就不能產(chǎn)生出生殖細胞。五、決定或定型可能是啟動了主導(dǎo)基因的表達人們提出了一些假說來解釋特異的細胞類型程序的決定是怎樣產(chǎn)生的。在發(fā)育過程中，為了確定一個分化程序，必須按照一定的順序激活一套特異性基因的表達。已有的研究證明，有一些基因能夠啟動和控制一系列下游基因的表達。這些基因稱為主導(dǎo)基因(mastergene)或選擇者基因(selectorgene)。主導(dǎo)基因或選擇者基因的功能就是選擇和控制一套確定細胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因。因此，主導(dǎo)基因的活化或表達，是啟動選擇，實現(xiàn)選擇以及進一步保持特定分化狀態(tài)的關(guān)鍵。細胞命運的決定或定型可能就是形態(tài)發(fā)生決定因子特異性地激活了主導(dǎo)基因，從而確定了這一細胞譜系的基因表達程序和分化路線。六、細胞譜系(celllineage)許多動物受精卵的分裂按嚴(yán)格的格式進行，在此過程中，各卵裂球生成的先后、順序和空間的位置都有定規(guī)。從這些動物受精卵的卵裂開始，按照卵裂球的世代、位置和特征給予系統(tǒng)的符號和名稱，以表明它們彼此之間的關(guān)系，稱為細胞譜系。細胞譜系對于了解卵細胞質(zhì)的不均等分布和卵裂球發(fā)育命運的關(guān)系，以及比較不同動物早期發(fā)育之間的演化關(guān)系，都有重要的作用。七、胚胎預(yù)定命運圖(embryonicpresumptivefatemap)形成未來器官的許多決定物質(zhì)在動物早期胚胎表面上的分布圖稱為胚胎預(yù)定命運圖；也稱為器官原基分布圖。胚胎預(yù)定命運圖對于研究器官原基的決定和發(fā)生，細胞的分化模式或個體發(fā)生的基因表達調(diào)控模式具有重要的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)在一些模式動物的胚胎預(yù)定命運圖或器官原基分布圖已經(jīng)被繪制出來。母源效應(yīng)基因的作用在個體發(fā)生過程中，母體效應(yīng)基因的作用可以歸納為如下幾個方面母源效應(yīng)基因在卵子發(fā)生過程中已編碼好了早期卵裂及發(fā)育的程序。因此，在卵子受精后去除或破壞合子細胞核，無核的受精卵仍能正常發(fā)育成囊胚。母源效應(yīng)基因決定了胚胎形體發(fā)育的體軸。即前后軸、背腹軸及左右軸。也就是決定了個體發(fā)育的細胞分化模式。母體基因的產(chǎn)物即蛋白質(zhì)和mRNA在卵質(zhì)中按一定的時空圖式分布，卵裂后，從同一合子核分裂而來的卵裂球的細胞核處于不同的細胞質(zhì)中，從而不同的基因被選擇性激活并向不同形態(tài)和功能方向分化。母體效應(yīng):母體基因控制個體早期胚胎發(fā)育并決定了胚胎形體發(fā)育的體軸或細胞的分化模式。這種現(xiàn)象稱為母體效應(yīng)。細胞的轉(zhuǎn)決定與再生當(dāng)細胞進入不同的發(fā)育途徑后，細胞獲得了一種穩(wěn)定的決定狀態(tài)，且這種狀態(tài)能在細胞世代間傳遞。在正常發(fā)育情況下，細胞分化是不可逆的。但在某些特殊情況下(如損傷)偶爾也會出現(xiàn)細胞的決定狀態(tài)被終止而代之以另外的狀態(tài)，稱為轉(zhuǎn)決定和轉(zhuǎn)分化。轉(zhuǎn)決定是指已定向但尚未終末分化的細胞改變了它的發(fā)育程序的情況。轉(zhuǎn)分化指已經(jīng)發(fā)生終末分化的細胞去分化并進入新的發(fā)育途徑。再生的過程終包含了轉(zhuǎn)決定和轉(zhuǎn)分化。如水蜥和蠑螈的胚胎發(fā)育中，表面下面的視杯釋放信號，誘導(dǎo)表皮產(chǎn)生品狀體。若隨后將品狀體消除，就會從背面的虹膜長出新的品狀體，而不是從表皮長出的。虹膜是視杯和腦的衍生物，由一種含黑色素的平滑肌細胞組成。再生之前被去分化，黑色素和肌纖維消失，細胞分裂，然后轉(zhuǎn)分化成為能夠產(chǎn)生品狀體蛋白的品狀體細胞。此外，有尾兩棲類的再生等也是轉(zhuǎn)分化后才出現(xiàn)的。第三節(jié)：細胞相互作用在胚胎細胞定型和分化中的作用一、誘導(dǎo)與感應(yīng)性(inductionandcompetence)器官是由多種組織組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如在脊椎動物的眼睛中，光線通過透明的角膜組織后被品狀體組織聚焦，最終在神經(jīng)視網(wǎng)膜組織中形成電脈沖。眼睛精巧結(jié)構(gòu)的任何改變都會損傷其功能。器官形成過程中這種不同組織的協(xié)調(diào)是通過一類細胞改變相鄰的另一類細胞的行為，導(dǎo)致這些細胞改變其形狀、分裂速率、或命運而完成的。在緊鄰區(qū)域中兩種或多種細胞的這種相互作用稱為誘導(dǎo)(indunction)。在每一個誘導(dǎo)過程涉及兩個部分的相互作用：第一部分是誘導(dǎo)者(inducer)，即發(fā)出信號引起其他組織的細胞改變行為的組織；第二部分是感應(yīng)者(responder)，即被誘導(dǎo)的組織。誘導(dǎo)作用的第一個特征是誘導(dǎo)者和感應(yīng)者具有特異性。例如爪蟾的視泡能誘導(dǎo)頭部外胚層發(fā)育為品狀體，將視泡移植到頭部其他位置的外胚層下也能誘導(dǎo)該位置的外胚層形成品狀體組織，但將其他組織移植到頭部外胚層下不能誘導(dǎo)形成品狀體組織。說明視泡時特異的品狀體誘導(dǎo)者(fig.6.1)。并不是所有組織都能對誘導(dǎo)者發(fā)出的信號作出反應(yīng)。但將視泡移植到軀干部外胚層的下面，不能誘導(dǎo)這一部位的外胚層形成品狀體組織。說明只有頭部外胚層細胞有對視泡細胞發(fā)出的信號進行應(yīng)答的感應(yīng)能力。被誘導(dǎo)組織對特定的誘導(dǎo)信號進行應(yīng)答的這種能力稱為感應(yīng)性(competance)。感應(yīng)性并不是一種被動的狀態(tài)，而是一種主動的狀態(tài)。在被誘導(dǎo)組織的細胞中存在感應(yīng)因子(competencefactor)o如Pax6是頭部外胚層的感應(yīng)因子，該基因只在頭部外胚層中表達。沒有Pax6的表達，頭部外胚層就不能對視泡的誘導(dǎo)信號進行應(yīng)答(fig.6.3)。誘導(dǎo)作用的第二個特征是其相互性(reciprocal)。以眼睛發(fā)育的誘導(dǎo)為例，當(dāng)品狀體在視泡的誘導(dǎo)下形成后，又反過來誘導(dǎo)視泡內(nèi)陷形成雙層的視杯，視杯的外層進而發(fā)育成色素視網(wǎng)膜，內(nèi)層發(fā)育神經(jīng)視網(wǎng)膜。同時晶狀體也誘導(dǎo)其外的外胚層形成角膜(fig.6.5)。二、指導(dǎo)性和允許性相互作用誘導(dǎo)反應(yīng)可分為兩種模式：一是指導(dǎo)性相互作用(instructiveinteraction)，來自誘導(dǎo)細胞的信號對啟動感應(yīng)細胞中新基因的表達是必須的，沒有誘導(dǎo)細胞，感應(yīng)細胞不能就不能按特定的途徑分化。如視泡對品狀體的誘導(dǎo)即是。第二類是允許性相互作用(permissiveinteraction)o感應(yīng)細胞已經(jīng)特化了，只需要一種環(huán)境允許這些特性的出現(xiàn)。如很多組織的發(fā)育需要固體基質(zhì)中含有fibronectinorlaminino這兩種基質(zhì)分子并不會改變已經(jīng)產(chǎn)生的細胞類型，但能使已經(jīng)決定的發(fā)育特征出現(xiàn)。三、上皮細胞與間充質(zhì)細胞相互作用上皮細胞是片狀和管狀組織的緊密連接細胞，任何胚層都可以產(chǎn)生上皮細胞。間充質(zhì)細胞是松散分布的細胞。所有器官都含有上皮細胞和與其相關(guān)的間充質(zhì)細胞。上皮細胞與間充質(zhì)細胞的相互作用在皮膚組織如毛發(fā)，、指甲、汗腺，乳腺的發(fā)育，附肢的發(fā)育，消化器官的發(fā)育；咽部及呼吸相關(guān)器官的發(fā)育，腎臟以及牙的發(fā)育中都起重要的作用。上皮-間充質(zhì)細胞相互誘導(dǎo)具有區(qū)域特異性和遺傳特異性。將蛙原腸胚和蠑螈原腸胚外胚層預(yù)定吸盤和平衡榜位置的組織塊互相移植，被移植的組織快在受體物種中被誘導(dǎo)后仍然發(fā)育成原來物種的器官。這也說明誘導(dǎo)作用可以跨越種的界限，但感應(yīng)組織的反應(yīng)具有種的特異性。(fig.6.8)。四、旁分泌因子是誘導(dǎo)分子誘導(dǎo)信號在誘導(dǎo)者和反應(yīng)組織之間是怎樣傳遞的呢？一個細胞表面的膜蛋白與相鄰細胞表面的受體蛋白相互作用稱為近分泌相互作用(juxtacrineinteraction)o一個細胞合成分泌的蛋白可以擴散一段短的距離而誘導(dǎo)相鄰細胞的變化稱為旁分泌相互作用(paracrineinteraction)，可擴散的蛋白稱為旁分泌因子(paracrinefactor)或生長分化因子(growthanddifferentiationfactor,GDF)。與內(nèi)分泌因子是通過血液運輸不同，旁分泌因子只分泌到產(chǎn)生它的細胞的周圍小空間里，這種蛋白是經(jīng)典實驗胚胎學(xué)的誘導(dǎo)因子。在過去的二十年里，發(fā)育生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)各種器官的誘導(dǎo)實際上是由相對比較少的旁分泌因子來實現(xiàn)的。胚胎繼承了一個相當(dāng)簡潔的工具箱，用一些同樣的分子工具來構(gòu)建心臟、腎臟、牙、眼睛以及其他的器官。而且，同樣的分子工具在整個動物王國都通用。果蠅和哺乳動物構(gòu)建眼睛和心臟的分子工具是非常相似的。這些旁分泌因子可以按照它們的結(jié)構(gòu)歸類到如下的四個家族里：1、成纖維生長因子家族(fibroblastgrowthfactor,FGF)：FGF基因家族由20多個結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因組成。這些基因可以在不同組織中通過RNA剪接和改變起始密碼位置而產(chǎn)生數(shù)百種蛋白異構(gòu)體。其中的FGF1是酸性FGF，在再生過程中顯示有重要作用；FGF2有時稱為堿性FGF，在血管形成中有重要的作用；FGF7有時稱為角質(zhì)細胞生長因子(keratnocytegrowthfactor)，對皮膚發(fā)育至關(guān)重要。雖然FGFs常能互相替代，但它們的表達式樣和受體的不同使它們的功能不一樣。2、Hedgehog家族：旁分泌因子Hedgehog蛋白家族被胚胎用于誘導(dǎo)特別的細胞類型以及在不同組織間形成邊界。脊椎動物的Hedgehog有三類：sonichedgehog(shh)，deserthedgehog(dhh)，indianhedgehog(ihh)。Dhh蛋白在精巢的支持細胞中表達，小鼠的dhh無功能純合突變體會出現(xiàn)精子發(fā)生的缺陷。ihh蛋白在消化管和軟骨中表達，在出生后的骨發(fā)育中有重要作用。shh的作用最多，尤其在神經(jīng)胚發(fā)育階段對神經(jīng)管的分化以及對附肢的形成具有關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。3、Wingless或Wnt家族：Wnt家族是一類富含半胱酸的糖蛋白家族。在脊椎動物中至少有15個基因成員。在sonichedgehog規(guī)劃體節(jié)的腹部細胞(使其發(fā)育成軟骨細胞)的同時，Wnt蛋白似起誘導(dǎo)體節(jié)背部細胞分化為肌肉細胞以及與中腦細胞的特化有關(guān)。Wnt蛋白也在附肢的極化、啟動干細胞的增殖以及泌尿系統(tǒng)的發(fā)育中起重要作用。2003年以前，都不能分離到活性的Wnt蛋白。Willert和同事們發(fā)現(xiàn)每一個Wnt蛋白都有一個共價結(jié)合的脂類分子。這些疏水的的分子對Wnt蛋白的活性至關(guān)重要并可能起在細胞膜上增加其濃度的作用。4、TGF-p超級家族，包括TGF-p家族，活化素(activin)家族，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bonemorphogeneticproteins,BMPs)家族，VG1家族以及其他幾種蛋白質(zhì)(fig.6.21)?？偣灿谐^30個在結(jié)構(gòu)上相關(guān)的家族成員。TGF-P超級家族蛋白在被加工后在其C-末端區(qū)域含有成熟的多肽鏈。這段多肽鏈通過與自身或其他的TGF-P蛋白二聚化而形成同二聚體或異二聚體后分泌到細胞外。TGF-P1、2、3和5在調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的形成以及細胞分裂過程中有重要的作用。在控制腎臟、肺等器官通過上皮分支以形成導(dǎo)管的過程中有關(guān)鍵的作用。除內(nèi)分泌、旁分泌和近分泌調(diào)節(jié)外，還有自分泌調(diào)節(jié)(autocrineregulation)，即細胞分泌的旁分泌因子在自身的細胞膜上有反應(yīng)受體。自分泌調(diào)節(jié)雖然不常見，但可在胎盤細胞滋養(yǎng)層細胞上看到。這些細胞合成和分泌的胎盤生長因子的受體就在胎盤滋養(yǎng)細胞的膜上。五、誘導(dǎo)應(yīng)答的作用機制旁分泌因子通過結(jié)合到受體上，在細胞內(nèi)啟動一系列的酶相互作用。這種酶相互作用最終通過改變轉(zhuǎn)錄因子的活性而調(diào)節(jié)不同的基因表達，或者通過調(diào)節(jié)細胞骨架而改變細胞的形狀。這種對旁分泌因子的反應(yīng)途徑常常有幾個不同的終點，因而稱為信號傳導(dǎo)聯(lián)級反應(yīng)(signaltranisductioncascades)o每一個受體都跨越細胞膜并有一個細胞外區(qū)域和一個細胞內(nèi)區(qū)域。當(dāng)配體(即旁分泌因子)結(jié)合到其受體的細胞外區(qū)域上后即引起受體結(jié)構(gòu)的構(gòu)象改變。這種形狀的改變通過細胞膜的傳導(dǎo)而改變其細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的形狀。細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域構(gòu)象的改變使其具有了酶活性——通常是用ATP能使特定蛋白質(zhì)的特殊tyrosin殘基磷酸化的激酶活性。因此這種受體又常稱為tyrosine激酶受體(receptortyrosinekinase,RTK)O這時，活化了的受體又能催化其他蛋白質(zhì)的磷酸化，激活其潛在的活性。最終這種磷酸化聯(lián)級反應(yīng)激活一個休眠的轉(zhuǎn)錄因子或一個休眠的細胞骨架蛋白(fig.6.10)。轉(zhuǎn)錄因子分為三類。第一類是在所有細胞中都存在的轉(zhuǎn)錄因子，包括通用轉(zhuǎn)錄因子如Sp1等。第二類包括細胞內(nèi)定位所需要的轉(zhuǎn)錄因子，如Bicoid蛋白質(zhì)。第三類是通過信號傳導(dǎo)聯(lián)級反應(yīng)被活化的轉(zhuǎn)錄因子。1、FGFs作用的一般機制：FGFs通過激活一套稱為FGF受體(FGFRs)的酪氨酸激酶受體而起作用。當(dāng)一個FGF受體與一個FGF結(jié)合(也只有與FGF結(jié)合)，反應(yīng)細胞內(nèi)休眠的激酶就被激活而使特定的蛋白質(zhì)磷酸化。一旦這些蛋白質(zhì)被磷酸化激活便行使新的功能(fig.6.12)。在早期胚胎發(fā)育過程中，F(xiàn)GFs在胚層特化過程中起重要的作用。2、Hedgehog家族的作用機制：Hedgehog通過結(jié)合到稱為Patched的受體上而產(chǎn)生作用。但Patched蛋白不是一個信號傳導(dǎo)者，而是結(jié)合到信號傳導(dǎo)者Smoothened蛋白上，抑制Smoothed的功能。在Patched蛋白沒有被hedgehog結(jié)合時，Smoothened無活性，一種稱為cubittusinterruptus(Ci)的蛋白被固定在感應(yīng)細胞的微管上，該蛋白被裂解后進入細胞核而成為轉(zhuǎn)錄抑制因子。Patched被hedgehog結(jié)合后，其構(gòu)象改變而不再抑制Smoothened蛋白。Smoothened被活化(可能是通過磷酸化)后而從微管上釋放Ci蛋白而阻止該蛋白被裂解。未被裂解的蛋白進入細胞核后成為同一個基因的激活因子(fig.6.17)。3、Wnt家族的作用機制：目前已知Wnt信號有三條作用途經(jīng)。(1)標(biāo)準(zhǔn)的Wnt途經(jīng)(canoicalWntpathway)是一些Wnt家族的成員與跨細胞膜的Frizzled蛋白受體家族相互作用。在大多數(shù)情況下，Wnt與Frizzled的結(jié)合引起Frizzled激活Disheveled蛋白。被激活的Disheveled蛋白能抑制糖原合成酶-3(glycogensynthasekinase-3,GSK3)的活性。被激活的GSK3能阻止。-catenin蛋白與APC蛋白的分離，使6-catenin不被降解。當(dāng)Wnt信號存在時，GSK3的活性被抑制，6-catenin便從APC蛋白上分離下來并進入細胞核，與DNA結(jié)合蛋白LEF或TCF形成二聚體而成為轉(zhuǎn)錄因子。這種復(fù)合二聚體結(jié)合到Wnt應(yīng)答基因上，并激活其表達(fig.6.20A)。(2)非標(biāo)準(zhǔn)的Wnt途經(jīng)(noncanonicalWntpathway)是指Wnt信號也可以影響細胞骨架而改變細胞形狀。例如當(dāng)Wnt激活了Dishaveled，被激活的Dishaveked與RhoGTPase相互作用，通過RhoGTPase蛋白激活使細胞骨架蛋白磷酸化的激酶，從而改變細胞的形狀、極性和運動能力(fig.6.20B)。(3)第三條作用途經(jīng)是通過Frizzled受體激活一種磷脂酶(phospholipase,PLC)，PLC合成一種成分使鈣離子從細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋放出來。游離的鈣離子可以激活一些酶、轉(zhuǎn)錄因子和翻譯因子(fig.6.20C)?？赡蹻rizzled蛋白(有多種)可以被用來偶聯(lián)Wnt信號的不同信號傳導(dǎo)聯(lián)級反應(yīng)途經(jīng)，而且不同的細胞發(fā)展出了利用Wnt信號因子的不同方式。4、TGF-6超級家族的作用機制：旁分泌因子TGF-6蛋白通過激活Smad轉(zhuǎn)錄因子家族中的一些成員而起作用°TGF-B配體結(jié)合到TGF-p受體II上后,TGF-P受體II就可以和TGF-p受體I結(jié)合。一旦這兩個受體緊密接觸，受體II便將受體I上的一個絲氨酸或蘇氨酸磷酸化而使受體I被活化。被活化的受體I可以使Smad蛋白磷酸化。TGF-p家族中的BMP激活Smad1、5；TGF-P、活化素和Nodal蛋白則使Samd2、3磷酸化。這些被磷酸化了的Samd蛋白與Smad4結(jié)合而形成能進入細胞核的轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體(fig.6.23)。第四節(jié)：表觀遺傳調(diào)控在基因選擇性表達控制中的作用不被選擇表達的基因如何保持沉默？品狀體細胞為什么總能保持品狀體細胞的特性而不會有肌肉特異性基因的表達？為什么細胞經(jīng)過有絲分裂后仍然保持原有的分化特性？基因的選擇性表達由遺傳和表觀遺傳機制共同控制。上述的遺傳調(diào)控機制在正確的時間和地點選擇正確的基因表達，而表觀遺傳調(diào)控機制使大部分不表達的基因保持沉默。已知有兩種表觀遺傳修飾機制可以導(dǎo)致基因保持沉默。一、DNA甲基化真核生物DNA中，通過加成一個甲基基團后，胞嘧啶可以轉(zhuǎn)變成位5'一甲基胞嘧啶(用C*表示)。這種甲基化只在CG堿基對上發(fā)生，即一C*-G-.這種甲基化模式可以傳遞到子細胞中。果蠅的DNA不會發(fā)生甲基化，但在哺乳動物中，甲基化很普遍，大約有70%的CG序列會被甲基化。一般說來，甲基化程度高會導(dǎo)致被甲基化的基因轉(zhuǎn)錄水平低。脊椎動物中一個基因啟動子中胞嘧啶的甲基化與該基因的轉(zhuǎn)錄抑制是一致的。發(fā)育中的人和雞的血紅細胞中血紅