细胞命运决定概述

核心概念

细胞命运决定是多细胞生物发育过程中的核心机制:

  • 细胞命运:指正常发育情况下细胞将发育的方向,这种方向可因条件的改变而改变
  • 细胞定型(Cell Commitment):细胞在表现出明显的形态和功能变化之前,将发生一些隐蔽的变化,使细胞命运朝特定方向发展的过程
  • 细胞分化(Cell Differentiation):细胞表型多样化和功能多样化产生的过程
  • 细胞命运决定是细胞特性发生不可逆改变的过程,发育潜力已经单一化

发育路径

  • 干细胞 → 定型细胞 → 分化细胞
  • 定型细胞阶段:细胞命运已确定但尚未表现出分化特征
  • 分化细胞阶段:细胞表现出特定形态和功能特征

关键点: 细胞命运决定是发育生物学的基础,理解这一过程有助于揭示器官形成、组织再生和疾病发生的机制。

细胞分化

细胞分化概念

多细胞生物是由多种类型的分化细胞组成的,发育的过程同时也是不断进行细胞分化的过程。

细胞分化是细胞表型多样化和功能多样化产生的过程,使不同类型的细胞具有不同的形态结构和功能特征。

干细胞 定型细胞 红细胞 神经细胞 肌细胞

图:从干细胞到分化细胞的发育过程

细胞定型

定型的两个时相

细胞定型可分为两个阶段:特化和决定

特征 特化(Specification) 决定(Determination)
定义 当一个细胞或组织放在中性环境(如培养皿中培养)可以自主分化时,那么这个细胞或组织被认为是命运已经特化了 当一个细胞或组织放在胚胎另一个部位可以自主分化时,那么这个细胞或组织被认为是命运已经决定了
发育命运 可变的 不可逆的
环境依赖性 在中性环境中可自主分化 在胚胎不同位置仍保持原分化方向

命运图谱(Fate Map)

命运图谱显示了胚胎不同区域细胞在正常发育情况下的发育命运

Region A 发育为组织X Region B 发育为组织Y 移植实验

图:细胞命运图谱概念示意图

细胞定型方式

自主特化(Autonomous Specification)

  • 细胞发育命运完全由内部细胞质组分决定的细胞定型方式
  • 通过胞质隔离实现:受精卵内特定的细胞质,随着卵裂被分配到特定的裂球中
  • 镶嵌型发育(Mosaic Development):以自主特化为特点的胚胎发育模式
  • 典型生物:栉水母、环节动物、线虫、软体动物、海鞘

实例: 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。

渐进特化(Dependent Specification)

  • 细胞的定型分化依赖于周围的细胞或组织
  • 同一种细胞可能因在不同的细胞或组织环境中,命运不同
  • 通过胚胎诱导实现:胚胎发育中,一部分细胞或组织对其邻近的另一部分细胞或组织产生影响,并决定其分化方向
  • 调整型发育(Regulative Development):以细胞依赖型特化为特点的胚胎发育模式
  • 典型生物:海胆、两栖类、鱼类等

两种定型方式的比较

特征 自主特化 依赖型特化
常见生物 多数无脊椎动物 所有脊椎动物及少数无脊椎动物
细胞命运决定因素 由其所获得的卵内特定的细胞质组分决定 由细胞之间相互作用决定,细胞的相对位置颇为重要
卵裂方式 不可改变 可以改变
裂球发育命运 一般不可改变 可改变
细胞特化时机 发生在胚胎细胞大量迁移之前 大量的细胞重排和迁移发生在细胞特化之前或与细胞特化相伴
发育类型 产生"镶嵌型"发育 产生"调整型"发育

重要说明: 两种细胞定型方式通常同时存在于胚胎发育中,但在不同动物中发挥作用程度不同。在多数无脊椎动物中,主要是细胞自主特化在发生作用;而在脊椎动物中,主要是细胞有条件特化在发生作用。

形态发生决定子

形态发生决定子的概念

  • 形态发生决定子(Morphogenetic Determinant):决定细胞发育命运的胞质决定子
  • 广泛存在于各种动物的卵子细胞质中,不论是以镶嵌型还是调整型发育为主的生物
  • 胞质定域(Cytoplasmic Localization):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,被分割到一定区域
母细胞 子细胞A 子细胞B 不对称分裂

图:胞质决定子的不对称分配导致细胞命运差异

海鞘肌肉形成
  • 黄色新月含有调节肌肉细胞特异基因表达的卵质决定子
  • Whittaker实验:用玻针反复挤压使分裂沟退化,形成新的分裂沟,黄色新月区胞质转移到预定外胚层细胞中,使其产生肌肉
  • 证明黄色新月是肌肉形成的决定区域
软体动物中胚层形成
  • 极叶与中胚层形成(肌肉和壳腺)密切相关
  • 3叶期切除极叶,胚胎缺失中胚层结构
  • 4细胞期去除D裂球,同样缺乏中胚层结构
  • 极叶中含有控制D裂球特定分裂节奏和中胚层分化的决定子
线虫生殖细胞
  • 生殖质(P颗粒)含有生殖细胞决定子
  • 染色体消减(Chromosome Diminution):卵裂时染色体不同程度丢失在细胞质中
  • 植物极处含有抑制染色体消减的细胞质
  • 获得生殖质的卵裂球形成原生殖细胞

细胞命运的渐进转化

种质学说

  • Weismann细胞分化的种质学说:染色体由各种决定细胞发育命运的核决定子组成
  • 受精卵分裂时,核决定子不均等分配到每个裂球中,决定不同的发育命运
  • 生殖细胞含有全部的核决定子,具有连续性和永生性

镶嵌型发育

  • Wilhelm Roux实验:用热针刺死蛙2细胞期胚胎的一个裂球,剩余裂球发育成半个胚胎
  • 认为蛙胚是由能自我分化的各部分组合在一起形成的镶嵌体
  • 每个细胞接受特定的核决定子,分化为相应的组织细胞

调整型发育

  • Hans Driesch海胆实验:分离海胆早期胚胎(2、4细胞)均可产生正常的胚胎
  • 证明海胆胚胎是一个和谐等能系统,各部分能协调发育成单个完整有机体
  • Sven Hörstadius双梯度模型:海胆胚胎存在植物极化和动物极化两个对立的梯度
  • 正常发育依赖于两个梯度的平衡

两栖类发育调控

胚胎细胞的渐进决定

  • Hans Spemann结扎分离实验:证明两栖类早期胚胎细胞核具有遗传等同性
  • 沿动植物极轴平行于第一次卵裂面结扎:产生两个完整胚胎
  • 沿动植物极轴垂直于第一次卵裂面结扎:经过灰色新月的部分发育成完整胚胎
  • 灰色新月区域含有背唇,具有发动原肠作用的能力

灰色新月: 精子入卵后,皮层向精子进入的方向旋转约30°,形成在精子进入点对面的新月形灰色区域,是胚胎发育的关键区域。

细胞潜能变化

  • 早期原肠胚细胞:发育的预期潜能大于预期命运,表现为依赖型发育
  • 晚期原肠胚细胞:潜能逐渐受限,表现为自主型发育
  • 移植实验:早期眼区细胞移植到躯干部位,发育为体节和脊索;晚期眼区细胞移植后仍发育为眼结构

初级胚胎诱导

组织者概念

  • 胚胎诱导:胚胎发育中,一部分细胞或组织对其邻近的另一部分细胞或组织产生影响,并决定其分化方向的作用
  • 初级胚胎诱导:脊索中胚层诱导外胚层细胞分化成神经组织的过程(神经诱导)
  • 组织者:能够诱导外胚层形成神经系统,并能和其他组织一起调整成为中轴器官的胚孔背唇部分
  • Spemann和Mangold实验:移植背唇组织可诱导次生胚胎形成
两栖类组织者
  • 胚孔背唇可诱导次生胚胎形成
  • 在文景鱼、园口动物和各种两栖类胚胎中均有效
鱼类组织者
  • 早期胚盾具有组织者功能
  • 可诱导次生胚胎形成
鸟类和哺乳类
  • 原结(Hensen's node)具有组织者功能
  • 移植实验:鸭的亨氏结移植到鸡胚胎可诱导神经管形成