動物有機體是由多種類型的分化細胞(specializedcell)

組成的。分化細胞不僅形態多樣，而且功能各異。當前1頁，總共72頁。部分已分化細胞的類型、特征產物及其功能當前2頁，總共72頁。細胞定型和分化從單個全能的受精卵產生各種類型細胞的發育過程叫細胞分化（celldifferentiation）。已分化的細胞不但具有一定的形態和合成特異的產物，而且行使特異的功能。細胞在分化之前，將發生一些隱蔽的變化，使細胞朝特定方向發展，這一過程稱為定型（commitment）。定型可進一步分為特化（specification）和決定（determination）兩個時相。當前3頁，總共72頁。細胞定型的兩個時相當一個細胞或者組織放在中性環境（neutralenvironment）如培養皿中可以自主分化時，就可以說這個細胞或組織已經特化（specialized）了。當一個細胞或組織放在胚胎另一個部位可以自主分化時，就可以說這個細胞或組織已經決定（determined）了。當前4頁，總共72頁。已特化的細胞或組織的發育命運是可逆的。如果把已特化的細胞或組織移植到胚胎不同的部位，它就會分化成不同的組織。相比之下，已決定的細胞或組織的發育命運是不可逆的。在細胞發育過程中，定型和分化是兩個相互關連的過程。在胚胎早期發育過程中，某一組織或器官的原基（anlage）首先必需獲得定型，然后才能向預定的方向發育，也就是分化，形成相應的組織或器官。當前5頁，總共72頁。胚胎細胞的定型有兩種主要方式：1、通過胞質隔離(cytoplasmicsegregation)實現的。卵裂時，受精卵內特定的細胞質分離到特定的分裂球中，裂球中所含有的特定胞質決定它發育成哪一類細胞，細胞命運的決定與臨近的細胞無關。這種定型方式稱為自主特化（autonomousspecification）。以細胞自主特化為特點的胚胎發育模式稱為鑲嵌型發育(mosaicdevelopment)，或自主性發育，整體胚胎好像是自我分化的各部分的總和。（櫛水母、環節動物、線蟲、軟體動物、海鞘）當前6頁，總共72頁。2、細胞定型是通過胚胎誘導實現的。胚胎發育過程中，相鄰細胞或組織之間通過相互作用，決定其中一方或雙方的分化方向，也就是發育命運。初始階段，細胞可能具有不止一種分化潛能，和鄰近細胞或組織的相互作用逐漸限制了它們的發育命運，使它們只能朝一定的方向分化。細胞命運的這種定型方式稱為有條件特化(conditionalspecification)或漸進特化(progressivespecification)或依賴型特化(dependentspecification)。當前7頁，總共72頁。對細胞呈有條件特化的胚胎來說，如果在胚胎發育的早期將一個分裂球從整體胚胎上分離，那么剩余的胚胎細胞可以改變發育命運，填補所留下的空缺。以細胞有條件特化為特點的胚胎發育模式稱為調整型發育（Regulativedevelopment）模式（海膽、兩棲類、魚類等）。當前8頁，總共72頁。任何動物胚胎發育中都存在自主特化和有條件特化兩種細胞定型方式，只是程度大小不同而已。一般來說，在多數無脊椎動物胚胎發育過程中，主要是細胞自主特化在發生作用，細胞有條件特化次之；而在脊椎動物胚胎發育過程中則相反，主要是細胞有條件特化在發生作用，細胞自主特化次之。當前9頁，總共72頁。一、形態發生決定子形態發生決定子(Morphogeneticdeterminant)也稱為成形素(Morphogen)或胞質決定子(Cytoplasmicdeterminant)，是指胚胎細胞中存在的決定細胞發育命運的物質。大量研究證明，不論是以鑲嵌型發育為主還是以調整型發育為主，形態發生決定子廣泛存在于各種動物的卵子細胞質中。第一節細胞命運通過形態發生決定子自主特化當前10頁，總共72頁。海鞘胚胎是依據卵內貯存信息進行自我分化的鑲嵌體。海鞘胚胎卵裂時，不同的細胞接受不同區域的卵細胞質。不同區域的卵細胞質含有不同的形態發生決定子，能夠使細胞朝一定的方向分化。某些海鞘卵細胞質不同區域具有不同的顏色，卵子受精時不同區域的細胞質分配到不同的裂球中。當前11頁，總共72頁。Conklin(1905)通過跟蹤柄海鞘裂球的發育命運發現：不同區域的卵細胞質分別與未來胚胎特定的發育命運相聯系。黃色新月區含有黃色細胞質，稱為肌質(myoplasm)，將來形成肌細胞。灰色新月區含有灰色細胞質，將來形成脊索和神經管。動物極部分含透明細胞質，將來形成幼蟲表皮。灰色卵黃區含大量灰色的卵黃，將來形成幼蟲消化道。當前12頁，總共72頁。海鞘不同胞質決定子的鑲嵌分布。當前13頁，總共72頁。Reverberi和Minganti(1946)證明海鞘裂球的發育命運在8細胞期已經決定，此時的裂球分離后能夠自我分化。不過神經系統的發育例外，只有當動物極前面一對裂球a4.2和植物極前面一對裂球A4.1配合后，才形成神經組織。在海鞘這樣嚴格的鑲嵌型發育胚胎中，也存在著裂球之間相互作用決定細胞發育命運的漸進決定作用。Ortolani(1959)證明海鞘外胚層細胞直到64細胞期時尚未定型發育成神經組織。當前14頁，總共72頁。Whittaker用玻針反復擠壓，使海鞘的分裂溝退化，而形成新的分裂溝，部分肌質即黃色新月區胞質便轉移到預定外胚層細胞中。肌質轉移到預定非肌細胞后，也能產生肌肉。當前15頁，總共72頁。我國學者童第周(1977)在海鞘卵子受精后把受精卵一分為二。其中一個無核卵塊作為受體，分別把原腸胚或尾芽期幼蟲的外胚層、中胚層和內胚層的細胞核移植到受體中。結果所形成的組織總是和無核卵塊含有的細胞質組分有關，與細胞核無關。上面所有實驗都說明卵細胞質中存在某些形態發生決定子，能夠決定細胞朝一定方向分化，形成一定組織結構。當前16頁，總共72頁。除了海鞘屬于典型的鑲嵌型發育外，典型的鑲嵌型發育的胚胎還有櫛水母(ctenophores)、環節動物(annelids)、線蟲(nematodes)和軟體動物(molluscs)等。另一方面，海膽、兩棲類和魚類等動物的胚胎屬于典型的調整型發育胚胎。在這些呈典型的調整型發育的動物卵子細胞質中，也存在著形態發生決定子。形態發生決定子廣泛存在于各種動物的卵子細胞質中。當前17頁，總共72頁。形態發生決定子在卵細胞質中呈一定形式分布，受精時發生運動，被分隔到一定區域，并在卵裂時分配到特定的裂球中，決定裂球的發育命運。這一現象稱為胞質定域（cytoplasmiclocalization）。胞質定域也稱為胞質隔離（cytoplasmicsegregation）或胞質區域化（cytoplasmicregionalization）或胞質重排（cytoplasmicrearrangement）。二、胞質定域當前18頁，總共72頁。(一)、海鞘海鞘肌肉、內胚層、表皮和前后軸也與胞質定域有關表皮決定子在受精過程中遷移到卵子動物極頂部(apicalregion)，卵裂時進入動物極裂球中。內胚層決定子在受精過程中遷移到卵子植物極半球，卵裂時進入植物極裂球中。海鞘受精卵植物極后端胞質(posteriorvegetalcytoplasm，PVC)相對于其余部分細胞質呈“顯性”。把一個受精卵的PVC移植到另一個去除PVC的受精卵的前端，受體卵原來的前端便發育成新的后端，而原來的后端(去除了PVC)則發育為前端。當前19頁，總共72頁。海鞘肌肉、內胚層和表皮三種胞質決定子的運動當前20頁，總共72頁。海鞘胚胎后端的發育命運由卵細胞質中特定的胞質決定子決定，而前端的發育命運則由缺乏PVC所決定。總之，海鞘卵子受精時，卵質發生運動，產生獨特的胞質區域；不同的胞質區域含有不同的形態發生決定子，并在卵裂時分配到不同的裂球中。當前21頁，總共72頁。(二)、軟體動物Wilson把帽貝（Patellacoerulea）早期裂球分離，發現分離裂球不僅發育命運而且分裂速度和分裂方式都和留在完整胚胎內的相同裂球一樣。分離裂球本身不但含有決定分裂節奏和分裂方式所必需的全部物質，而且還含有不依賴于胚胎其他細胞而進行自我分化所必需的全部物質。當前22頁，總共72頁。帽貝成纖毛細胞（trochoblastcell）的分化當前23頁，總共72頁。某些呈螺旋卵裂的胚胎（主要是軟體動物和環節動物）在第一次卵裂時卵子植物極部分形成一個胞質凸起，稱為極葉（polarlobe）。第一次卵裂結束時，極葉縮回。第二次卵裂開始前，極葉再次凸起，第二次卵裂完成時，再次縮回，此后極葉的出現就不明顯了。極葉的形成是卵裂期間一種過渡性的形態變化，是卵內部物質流動所引起的。當前24頁，總共72頁。軟體動物的極葉。A，第一次卵裂前極葉的掃描電鏡照片；B，三葉期胚胎的極葉。當前25頁，總共72頁。Dentalium卵裂過程中極葉凸出和縮回各發生兩次當前26頁，總共72頁。去除極葉，剩下的裂球雖然能正常分裂，但是不能形成正常的擔輪幼蟲（trochophorelarva），而是發育成缺乏中胚層器官－肌肉、口、殼腺和足的幼蟲。因此Wilson認為極葉中含有控制D裂球特定分裂節奏、分裂方式以及中胚層分化所必需的決定子。如果吸除極葉區胞質，胚胎發育正常；將極葉胞質吸取并注射到B細胞中，未見B細胞產生中胚層結構。當前27頁，總共72頁。推測：形態發生決定子可能位于該區域皮質部的胞質或細胞骨架上，卵子可擴散的細胞質（diffusiblecytoplasm）不含形態發生決定子。殼腺是中胚層細胞誘導外胚層細胞形成的。中胚層不存在時，便沒有誘導者誘導外胚層細胞形成殼腺。這是鑲嵌型發育胚胎中也存在細胞間相互作用決定細胞發育命運的又一例證。當前28頁，總共72頁。用細胞松弛素（cytochalasin）抑制極葉形成將形成兩個聯體胚胎。極葉還含有決定胚胎背腹軸形成的物質。當前29頁，總共72頁。(三)、線蟲最常見的形態發生決定子可能要算生殖細胞決定子。即使在蛙類等的調整型卵子中也存在著生殖細胞決定子。生殖細胞決定子在卵裂時分配到一定的裂球中，并決定這些裂球發育成生殖細胞。當前30頁，總共72頁。副蛔蟲(馬蛔蟲，Parascarisaequorum)第一次卵裂形成的動物極裂球發生染色體消減(chromosomediminution)，而植物極裂球仍保持正常數目的染色體。第二次卵裂形成的兩個植物極裂球開始都有正常數目的染色體，后來靠近動物極裂球的染色體在下一次卵裂前又發生消減。只有一個最靠近植物極的裂球含有全數染色體(全套基因)。全數染色體只存在于將來形成生殖細胞的裂球里。當前31頁，總共72頁。副蛔蟲正常受精卵（A）和經離心處理的受精卵（B）分裂時生殖質的分布。當前32頁，總共72頁。據此，Boveri認為副蛔蟲卵子植物極胞質中含有某些物質能保護細胞核染色體不發生消減，并決定有關裂球形成生殖細胞。副蛔蟲卵子植物極胞質中所含的能決定生殖細胞形成的物質叫生殖質（germplasm）。當前33頁，總共72頁。秀麗隱桿線蟲胚胎細胞命運主要由卵內細胞質決定，而不是由鄰近細胞間相互作用決定。其胚胎中發現的SKN－1蛋白質就很可能是一種“轉錄因子”樣形態發生決定子。SKN-1可能通過激活P1裂球及其產生的EMS和P2兩裂球中的某些特定基因，從而決定它們的發育命運。咽部細胞命運可以通過分離到這些裂球中的母源性因子（maternalfactor）自主決定。當前34頁，總共72頁。當前35頁，總共72頁。skn-1突變體中腸和咽部的缺陷當前36頁，總共72頁。把SKN-1功能限制在4細胞期的EMS裂球中是通過pie-1(pharyngealandintestinalexcess)和mex-1(muscleexcess)兩個基因的活動來實現的。蛋白質MEX-1和PIE-1可以單獨發揮作用。MEX-1在第一次卵裂時使SKN-1不對稱地分布于P1卵裂球中，而PIE-1在第二次卵裂時使SKN-1不對稱地分布于EMS裂球中。SKN-1是MS裂球形成必需的，缺乏SKN-1的胚胎不能產生咽。當前37頁，總共72頁。野生型和突變型胚胎中MS細胞決定模型當前38頁，總共72頁。形態發生決定子的性質一般認為形態發生決定子可能是某些特異性蛋白質或mRNA等生物大分子物質，它們可以激活或抑制某些基因表達，從而決定細胞的分化方向。形態發生決定子的性質和作用方式在海鞘和果蠅中研究較為深入。當前39頁，總共72頁。海鞘胚胎中可能含有兩類形態發生決定子。第一類是可以激活某些基因(乙酰膽堿酯酶基因)轉錄的物質，因為海鞘胚胎中多數組織特異性結構的形成都對轉錄抑制劑敏感；第二類可能是以mRNA的形式存在于卵內一定的區域，在卵裂時分布到預定的裂球中，因為對蛋白合成抑制劑敏感。當前40頁，總共72頁。果蠅極質果蠅卵子極粒已被分離出來，它主要由蛋白質和RNA組成。生殖質(極質)的組分之一是gcl(germcell-less)基因轉錄的mRNA。野生型gcl基因在果蠅卵巢的營養細胞中轉錄，通過環管(ringcanal)運至卵子中。gclmRNA一旦進入卵子，便進一步遷移到卵子的最后端，定位于稱為極質的細胞質中。當前41頁，總共72頁。生殖細胞決定子的另一種可能是Nanos蛋白。NanosmRNA蛋白位于卵子后端，Nanos蛋白是果蠅形成腹部所必需。缺乏Nanos蛋白的極細胞不能遷移到生殖腺中，因而不能發育成生殖細胞。生殖質可能含有非可譯RNA，也稱極粒組分。oskar基因在果蠅極質的形成和裝配過程中起著極其重要的調控作用。Oskar基因將其mRNA定位于胚胎的后極。當前42頁，總共72頁。有些母體效應基因(maternaleffectgene)的表達對于果蠅極質的形成具有重要的作用。至少有7種基因的突變會導致果蠅不能形成極質，不能形成生殖細胞，因此是不育(sterile)的。當前43頁，總共72頁。A.staufen基因內應在oskar基因之前行使功能，并影響oskar基因的表達。B.研究明了的影響果蠅生殖細胞發生的基因的作用順序。當前44頁，總共72頁。在調整型發育過程中，胚軸和細胞的命運由胚胎細胞相互作用決定。胚胎一部分細胞對鄰近另一部分細胞產生影響，并決定其分化方向的作用，即胚胎誘導（embryonicinduction）

，是決定胚胎細胞分化方向的一個極重要的方面。胚胎誘導決定細胞分化方向觀念的形成是隨著發育鑲嵌理論（mosaictheory）片面性的發現而逐漸發展起來的。第二節細胞命運通過相互作用漸進特化-胚胎誘導當前45頁，總共72頁。一、種質學說的驗證19世紀末，德國學者AugustWeismann根據受精和減數分裂過程中染色體數目的變化，提出了解釋細胞分化的種質學說（germplasmtheory）。Weismann的種質學說將組成有機體的細胞分為兩類：體細胞（somaticcell）和生殖細胞（germcell）。體細胞是從生殖細胞發育而來的，是各種各樣的，隨個體的死亡而死亡。而生殖細胞完全不同于體細胞，是世代相傳的，是永生的（immortality），不受體細胞和環境的影響。當前46頁，總共72頁。Weismann的種質學說，生殖細胞產生分化的體細胞和新的生殖細胞。當前47頁，總共72頁。Weismann理論的核心強調早期的卵裂必須為不對稱卵裂。卵裂結果產生的子細胞彼此之間是完全不同的。當前48頁，總共72頁。Weismann提出細胞的決定和分化是由核決定子分配到不同的細胞而實現的。那么，就可以推論：1.不同的胚胎細胞的細胞核應該有本質上的差異;2.如果擾亂受精卵的卵裂過程,必然導致核決定子在細胞之間分布不正常,從而引起不正常發育。當前49頁，總共72頁。WilhelmRoux：鑲嵌型發育

德國胚胎學家WihelmRoux的實驗結果證明蛙的發育為鑲嵌型發育，正好和Weismann假設預期的結果吻合。

當前50頁，總共72頁。J.F.McClendon證實，Roux實驗中蛙呈鑲嵌型發育的結果純粹是實驗的假象（缺損實驗）。壞死裂球的內部或者表面某些物質仍然能夠和存活的裂球進行交流，從而影響后者的發育。但Roux在蛙胚上的一系列實驗開創了用實驗方法研究胚胎學的先例。McClendon1910年，把蛙胚兩裂球分開，均可發育成完整的幼體。當前51頁，總共72頁。二海膽的調整型發育

HansDriesch采用分離實驗（isolationexperiment）的方法，即通過劇烈的搖晃將海膽胚胎裂球分開培養。結果表明，2-細胞或4-細胞期時，分開的海膽裂球不是自我分化成胚胎的某一部分，而是通過調整發育成一個完整的有機體。這一類型的發育稱為調整型發育。Driesch實驗表明胚胎細胞核在卵裂過程中并未出現本質上的差異，不存在所謂核決定子不均等分布的現象。當前52頁，總共72頁。Figure3.15.Driesch'sdemonstrationofregulativedevelopment.(A)Anintact4-cellseaurchinembryogeneratesanormalpluteuslarva.(B)Whenoneremovesthe4-cellembryofromitsfertilizationenvelopeandisolateseachofthefourcells,eachcellcanformasmaller,butnormal,pluteuslarva.(Alllarvaearedrawntothesamescale.)Notethatthefourlarvaederivedinthiswayarenotidentical,despitetheirabilitytogenerateallthenecessarycelltypes.Suchvariationsarealsoseeninadultseaurchinsformedinthisway(Marcus1979).(PhotographcourtesyofG.Watchmaker.)HansDriesch:調整型發育-1893年，分離實驗（isolationexperiment）當前53頁，總共72頁。

Driesch將海膽放在兩塊玻璃片之間輕輕擠壓，改變第三次分裂面，使第三次卵裂由緯裂變為經裂。這樣一來，正常情況下本應該分配到內胚層中的細胞核可能分配到外胚層細胞中，卵裂過程被擾亂，但是仍然得到正常的胚胎。Driesch由此得出結論，裂球在整體胚胎中的位置總體上可以決定其發育的結果。當前54頁，總共72頁。Driesch有關海膽裂球分離和壓板改變分裂面的實驗結果說明，Weismann和Roux兩人有關細胞分化是核決定子不均等分離引起的假設是錯誤的。Driesch的實驗結果表明，海膽分離裂球的預期潛能（prospectivepotency）大于預期命運（prospectivefate）。海膽胚胎是一個和諧等能系統（harmoniousequipotentialsystem），它把獨立自主發育成完整胚胎的各部分組織在一起協調作用發育成單個完整的有機體。當前55頁，總共72頁。再者，Driesch認為細胞核在胚胎發育中的命運只取決于它在胚胎內的位置。在此基礎上，Driesch提出了發育過程中細胞核和細胞質相互作用假說。當代實驗胚胎學研究結果表明，哺乳動物的胚胎發育也具有調整能力。兩個或更多個小鼠早期胚胎融合后，仍能正常發育。在小鼠或兔子胚胎2-細胞期，毀壞其中一個裂球，移植到母體子宮內，也能正常發育。當前56頁，總共72頁。SvenH?rstadius：雙梯度模型Driesch裂球分離實驗所得的結論也不是百分之百正確。許多動物胚胎在很大程度上呈鑲嵌型發育，即使海膽胚胎也不是由完全等能的細胞組成的集合體，不是百分之百呈調整型發育。瑞典學者SvenH?rstadius將海膽8細胞胚胎沿垂直于赤道面切割成兩部分，使其發育，獲得了和分離實驗相似的結果。將8-細胞期海膽胚胎沿赤道分開成動物極和植物極兩部分時，兩部分都不能發育成完整幼蟲。當前57頁，總共72頁。SvenH?rstadius的裂球分離實驗證明海膽胚胎在一定程度上呈鑲嵌型發育，至少沿動植物極軸是如此。當前58頁，總共72頁。海膽64細胞期胚胎各部分細胞的組合發育（Horstadius,1939）。A，正常發育；B，分離的動物半球的發育；C，動物半球與veg1細胞的組合發育；D，動物半球與veg2細胞的組合發育；E，動物半球與小裂球的組合發育。在每一種組合中，都有細胞相互作用而改變原定的發育命運的現象。當前59頁，總共72頁。結論植物極細胞具有抑制動物極化的能力。抑制動物極化的作用稱為植物極化；小裂球比veg2、veg2比veg1具有更強的抑制動物極化的能力；海膽胚胎中植物極化的能力從植物極到動物極遞減當前60頁，總共72頁。結論：海膽胚胎中還存在一個動物極化梯度（沿動物極到植物極遞減）海膽32細胞時：單獨培養每一層細胞，an1、an2、veg1→永久囊胚；veg2→出現植物極化將每層細胞分別于1，2，4個小分裂球組合培養；

an1+4個小分裂球→正常幼蟲；an2+2個小分裂球→正常幼蟲；an2+4個小分裂球→幼蟲具膨大的消化管veg1+1個小分裂球→幼蟲消化管異常膨大當前61頁，總共72頁。Horstandius所示的動物極化梯度當前62頁，總共72頁。由海膽胚胎32-細胞期兩極細胞和中間兩層細胞形成的長腕幼蟲當前63頁，總共72頁。總結：1、海膽胚胎存在植物極化和動物極化兩個對立的梯度；其正常發育依賴于兩個梯度的平衡；某些蛋白抑制劑（重金屬、NaSCN和伊萬斯藍）可減弱植物極化因子的作用，而某些呼吸抑制劑（CO、KCN、NaN3、Li+）可減弱動物極化因子的作用。2、裂球的預期命運只要還未決定，都是可以調整的。裂球的發育命運一旦由于動物極細胞質和植物極細胞質彼此分裂而決定下來，便失去調整能力。即使在調整型發育的胚胎中，總會從某一時期開始，胚胎細胞的發育潛能逐漸受到限制。3、海膽胚胎在32細胞以后，多數裂球不能再形成完整胚胎。當前64頁，總共72頁。兩棲動物的調整型發育Spemann（1938）發現在蠑螈的發育中也存在調整型發育的情況。蠑螈受精卵的結扎實驗說明兩棲類早期胚胎的細胞核具有遺傳上的等同性（geneticallyidentical）。當前65頁，總共72頁。但當Spemann沿著與第一