關于胚胎發育與細胞分化第1頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日一受精與胚胎發育多細胞的真核生物，尤其是高等動植物，都是由多種類型的細胞構成。雖然它們之間形態和功能差別明顯，但都是由同一個受精卵不斷分裂分化而來的。卵細胞受精后隨即進入快速的卵裂，產生許多后代細胞，這些細胞進一步生長、分裂和凋亡的同時，細胞之間不斷地在形態和功能上出現差異，最終形成不同的組織和器官而構建成的完整的多細胞個體。在個體的發育中，細胞的后代在形態、結構和功能上發生差異的過程稱為細胞分化，其本質是基因選擇性表達的結果。第2頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日細胞分化第3頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（一）精子和卵的結構1動物成熟卵的結構外被:糖蛋白(透明帶)；皮質部:可形成受精膜，阻止其它精子進入；卵黃：營養復合物；核：處于減數分裂中期。2精子的結構頭部：核、頂體等；尾部：分為頸段、中段、主段和末段四部分。第4頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日卵細胞及早期受精第5頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日精子的結構第6頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日

（二）受精作用

受精：精子的獲能（capacitation）、頂體反應（acrosomereaction）、皮層反應（corticalreaction）、原核形成和融合等過程。受精后，由于受精卵中的pH升高，導致受精卵中的mRNA翻譯和DNA的復制稱為受精激活。第7頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日受精作用第8頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（三）卵裂與胚胎早期發育卵裂（cleavage）是指受精卵經過分裂，將卵質分配到子細胞的過程，分裂產生的細胞叫做分裂球。1）桑椹胚：64細胞以前為實心體胚胎；2）囊胚：128細胞階段胚胎，細胞團內部空隙擴，成為充滿液體的囊胚腔，此時的胚胎稱為囊胚；3）原腸胚：囊胚繼續發育，部分位于外表面的細胞通過各種細胞運動方式(如：移入、內卷、內陷)進入內部從而形成一個二層或三層的原腸胚。這種細胞遷移運動過程稱為原腸形成。留在外面的稱為外胚層，遷移到里面的稱為內胚層或中、內胚層。第9頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日蛙的胚胎早期發育第10頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（一）細胞分化的基本概念1細胞分化是基因選擇性表達的結果；2管家基因、組織特異性基因以及調節基因；3組合調控引發組織特異性基因的表達；4單細胞有機體的細胞分化；5轉分化與再生。第11頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日細胞分化是基因選擇性

表達的結果

在個體發育中，由一種相同的細胞類型經細胞分裂后逐漸在形態、結構和功能上形成穩定性差異，產生不同的細胞類群的過程稱為細胞分化。細胞分化是多細胞有機體發育的基礎和核心，細胞分化的關鍵在于特異性蛋白質的合成，而特異性蛋白質合成的實質在于基因選擇性表達。表達產物不僅決定細胞的形態結構，而且執行各自不生理功能。第12頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日2管家基因、組織特異性基因以及調節基因分化細胞基因組中所表達的基因大致可分為三種基本類型：第一類是管家基因，即所有細胞中均要表達的一類基因，其產物是對維持細胞基本生命活動所必需的。如微管蛋白基因；第二類是組織特異性基因，或稱奢侈基因，即不同的細胞類型進行特異性表達的基因，其產物賦于各種類型細胞特異的形態結構特征與特異的生理功能。如胰島素基因。第三類是調節基因，其產物用于調節組織特異性基因的表達，或者起激活作用，或者起阻抑作用。因此，細胞分化的實質是組織特異性基因在時間與空間上的差異表達。第13頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日組合調控引發組織特異性

基因的表達

只有有限的少量調控蛋白啟動為數眾多的特異細胞類型分化。其機制是組合調控的方式，即每種類型的細胞分化是由多種調控蛋白調控完成的，而在這些調控蛋白中，往往是只有其中的一兩種調控蛋白是起決定性的因子。第14頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日基因的選擇性表達第15頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日4單細胞有機體的細胞分化單細胞生物甚至原核生物也存在細胞分化現象。然而與多細胞有機體細胞分化的不同之處是：前者多為適應不同的生活環境，而后者則通過分化構建執行不同功能的組織與器官。第16頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日

5轉分化與再生

一種類型的分化細胞轉變成另一類型的分化細胞的現象稱轉分化，轉分化往往經歷去分化和再分化的過程。去分化又稱脫分化，是指分化細胞失去其特有的結構與功能變成具有未分化細胞特征的過程。體外培養的植物細胞可去分化形成愈傷組織。愈傷組織可進一步誘導其再分化形成根和芽的頂端分生組織細胞，并最終長成植株。廣義的再生包括分子水平、細胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。但一般再生是指生物體缺失一部分后發生重建的過程。第17頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（二）細胞的全能性細胞全能性是指細胞經分裂和分化后仍具有產生完整有機體的潛能或特性；受精卵及早期的胚胎細胞都是具有全能性的細胞；細胞逐漸喪失發育成個體的能力，僅具有分化成有限細胞類型及構建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性。具有多潛能性的細胞稱為干細胞；僅具有分化形成某一種類型能力的細胞，稱為單能干細胞或稱定向干細胞。由定向干細胞最終形成特化細胞類型的過程稱為終末分化。

第18頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日植物細胞的全能性第19頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（三）干細胞

干細胞是一類具有自我更新能力的多潛能細胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細胞。干細胞根據其所處的發育階段分為胚胎干細胞和成體干細胞。根據發育潛能分為3類：全能干細胞多能干細胞單能干細胞胚胎干細胞是全能干細胞，而成體干細胞是多能或單能干細胞。第20頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日1胚胎干細胞

胚胎干細胞是一種經人工操作能夠發育成一個新個體的全能性二倍體細胞。它是從早期胚胎細胞團（囊胚內層細胞）經體外分化抑制培養分離克隆的。胚胎干細胞在不同條件下具有不同的功能狀態，它是飼養層細胞依賴的。在有抑制因子存在的條件培養基中，它呈未分化狀態生長；在無抑制因子存在的培養基中，分化成各種細胞；在懸浮培養時，可形成胚狀體。胚胎干細胞在動物克隆、轉基因動物生產、新藥篩選以及組織工程研究中應用越來越廣。第21頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日

2成體干細胞

在成體組織或器官中，許多細胞仍具有自我更新及分化產生不同組織細胞的能力，如造血干細胞、骨髓間質干細胞、神經干細胞、肌干細胞、成骨干細胞、內胚層干細胞及視網膜干細胞等。第22頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日造血干細胞是骨髓中的多能干細胞，能夠分裂形成兩種類型的細胞：一種仍然作為干細胞，但另一種成為祖細胞(progenitorcell),即次一級的干細胞，又稱為爆發集落形成單位（burstformingunits,BFUs）和集落形成單位（colony-formingunits,CFUs）,因為它們可分裂形成多種類型的細胞群，包括：粒性白細胞、單核細胞、血小板、紅細胞、T細胞與B細胞等。第23頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日神經干細胞主要有兩類：1)神經嵴干細胞(neuralcreststemcell，NC-SC)：為外周神經干細胞(PNS-SC)，既可發育為外周神經細胞、神經內分泌細胞和Schwann氏細胞，也能分化為色素細胞(pigmentedcell)和平滑肌細胞等。2)中樞神經干細胞(CNS-SC)：一般是指存在于腦部的中樞神經干細胞(CNS-SC)，其子代細胞能分化成為神經系統的大部分細胞。以往認為，中樞神經系統的神經元在出生前或出生后不久，就失去再生能力。但近年的一些研究表明，成年哺乳動物的腦組織仍可不斷產生新的神經元，成人腦組織中同樣存在NSC。第24頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（四）影響細胞分化的因素

細胞中組織特異性基因的選擇性表達主要是由調控蛋白所啟動。調控蛋白的組合調控是影響細胞分化的主要的直接因素。1細胞質對細胞分化的影響――細胞決定與決定子；2細胞之間的互相作用――胞外信號分子對細胞分化的影響；3環境對性別決定的影響；4染色質變化與基因重排對細胞分化的影響。第25頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日1細胞質對細胞分化的影響――細胞決定與決定子

細胞決定是指細胞在發生可識別的形態變化之前，其內部就已經確定了未來的發育命運。細胞在這種決定狀態下，沿著特定類型分化的能力已經穩定下來，一般不會中途改變。這就是細胞決定。如果蠅的成蟲盤。影響卵裂細胞向不同方向分化的細胞質成分稱為決定子。第26頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日2細胞之間的互相作用――

胞外信號分子對細胞分化的影響

在早期胚胎發育過程中，一部分細胞會影響周圍細胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導。近端組織的相互作用是通過細胞旁分泌產生的旁分泌素信號分子（又稱細胞生長分化因子）來實現的。另一種遠距離細胞間相互作用對細胞分化的影響主要是通過激素來調節的。第27頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日3環境對性別決定的影響

環境因素對細胞分化可產生影響，并進而影響到生物的個體發育。其中環境對性別決定的影響是一個典型的例子。如蜥蜴較低溫度（24℃）下全部發育為雌性，而在較高溫度（32℃）下則全部發育為雄性。而烏龜則相反。第28頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日4染色質變化與基因重排對細胞分化的影響只有1對或2對染色體的馬蛔蟲在卵裂過程中，染色體出現消減現象。B淋巴細胞中的DNA經過斷裂丟失與重排而利用有限的免疫球蛋白基因，在理論上可表達出數百億種抗體。第29頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日（五）發育模式與細胞分化的分子調控線蟲(nematoe)、果蠅(fruitfly)、斑馬魚(zebrafish)、小鼠(mice)和植物中的擬南芥(Arabidopsisthaliana)等已成為人們研究發育調控的模式生物。通過對大量的果蠅突變體的研究，人們發現了一套在果蠅體節發育中起關鍵作用的基因群，稱為同源異型基因(Hoxgenes)。因其在基因表達調控中的主導作用，又稱為homeoticselectorgene,即Hoxgene。Hoxgene都含有一段高度保守的由180bp組成的DNA序列，稱為同源異型框（homeobox），可編碼60個氨基酸同源異型結構域(homeodomain)。Hox基因的產物基本上都是轉錄因子，在轉錄水平調控基因表達。同源異型框普遍存在于果蠅、鼠、人、蛙等生物中。果蠅中有一套Hox基因，而脊椎動物中有4套Hox基因，它們都具有非常保守（60％～80％）的同源框結構。所有這些基因在細胞分化與發育中均具有類似的生物學功能。第30頁，共38頁，星期日，2025年，2月5日細胞分化是基因選擇性表達