Transcript 胚胎发育中的细胞分化
全国高校细胞生物学和遗传学骨干教师研讨会 胚胎发育中的 细胞分化 北京大学生命科学学院 2011. 8. 3. 宁夏 佟向军 银川 胚胎发育： 原生生物(protozoan)与后生生物 （metazoan）的生命周期都肇始于单细胞，所 不同的是原生生物终生维持单细胞状态，而后 生生物则经历一个由单细胞到多细胞，最终成 为成熟生物个体的过程，这个过程称为发育 （development）。 细胞分化：在个体发育中，由一种相同的细胞类型 经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定 性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化 （cell differentiation）。 （ 翟中 和 、 王 喜 忠 和丁 明 孝 ， 《 细 胞生 物 学》） Process by which a cell undergos a change to an overtly specilized cell type. Alberts et al, Molecular 胚胎发育的过程，就是一个精密调控的细胞分裂、迁移、分化和凋 亡的过程，而分化是发育的核心。虽然细胞分化不是胚胎发育所特有的， 单细胞生物也会产生细胞分化，但是最重要、最吸引人的细胞分化无疑 存在于后生动物的胚胎发育过程中。 在很大的程度上， 我们可以说： 受精卵发育为成熟 的生命体，是细胞分 化最为辉煌、最为伟 大的成就！ 关于第15章（第3版第14章，第2版第12章）修订的几点说明 第3版第14章，第2版第12章 第4版第15章 题目：细胞分化与基因表达调控 第一节 细胞分化 题目：细胞分化与胚胎发育 第一节 细胞分化 一、细胞分化的基本概念 一、细胞分化的基本概念 二、影响细胞分化的因素 二、细胞的全能性与多能干细胞 三、细胞分化与胚胎发育 三、影响细胞分化的因素 第二节 癌细胞 一、癌细胞的基本特征 第二节 胚胎发育中的细胞分化 一、生殖细胞的分化 二、癌基因与抑癌基因 二、早期胚胎发育过程中的细胞分化 三、肿瘤发生是基因突变逐渐积累的结果 三、果蝇胚胎早期发育中的细胞分化 四、肿瘤干细胞（第3版） 第三节 真核细胞基因表达的调控 第14章 细胞增殖调控与癌细胞 一、转录水平的调控 二、加工水平的调控 三、翻译水平的调控（第2版） 第11章 细胞核与染色质 细胞生物学着重于细胞的共同特征，而分化是细胞产生特 化的过程，每种细胞的分化过程都不尽相同，都是基因以不 同的组合方式选择性表达的结果。 随着发育生物学和干细胞研究的深入，人们越来越认识到 各不相同的细胞分化过程，其实还是有许多的共同特征： 影响细胞分化的因素 受精卵细胞质的不均一性 胞外信号分子及其浓度 细胞自身的“记忆”与决定 受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响 胞外信号分子对细胞分化的影响——胚胎诱导 诱 导：胚胎发育中，一部分细胞对其邻近的另一部分细胞产生影 响，并决定其分化方向的作用，称为胚胎诱导。 细胞之间 细胞的位置 环境因素 信号分子及 其浓度梯度 细胞分化 细胞的“记忆”与决定 细胞分化的共性之二： 胚胎细胞，尤其是后口动物胚胎细胞的分化过程 中，尽管细胞分化的最终命运大相径庭，但对分化， 尤其是早期分化起主要调控作用的都是少数几种相同 的信号途径，它们按照极其相似的方式调控发育过程。 胚胎发育过程中决定细胞分化的主要信号分子： FGF、TGF-β（BMP）、 Wnt、RA、Shh 生殖细胞的分化 1、哺乳动物生殖腺细胞的分化与第一性征的形成 性别分化实际上是性腺细胞的 分化。性腺是一个极为特殊的器官： 大多数器官的发育进程，其细胞分 化都仅有一个方向，而性腺的分化 却具有两个截然不同的方向——睾 丸或卵巢。性腺原基中的每个细胞 都具备这两种分化潜能，要么分化 为睾丸细胞，要么分化为卵巢细胞。 Y染色体与性腺的分化 抑制PGC的减数分裂 分泌抗穆勒氏管因子，使其退化 SRY 引导附近的间充质细胞迁入生殖嵴， 为精子形成提供结构支持（形成睾 丸索，最终形成曲精细管） 生殖嵴细胞（XY） Sertoli细胞 诱导睾丸间质细胞（Leydig）形成， 后者分泌睾酮，诱导雄性生殖管道 和外生殖器官的形成 SRY与性腺细胞的分化 SRY的作用机制 SRY编码一个转录因子，通过 调节下游基因的表达，引起前体 细胞向睾丸支持细胞分化。 Sox9是最重要的一个SRY下游 基因，在性别决定中起着比SRY更 为直接和普遍的作用：它在所有 雄性脊椎动物中都特异表达， SRY 对性别分化的作用，是通过激活 sox9基因的表达来实现的，它只是 sox9的 “开关” ，其他动物可能 利用其他的开关或直接来调控sox9 的表达。 J. Polanco et al, 2007 性腺的分化命运取决于FGF9与Wnt4间的颉颃关系 sox9激活FGF9； FGF9蛋白分泌到细胞外，通过信号转导过程作用于本身和邻近前 体细胞的sox9基因，维持其表达水平的平衡，保证分化的同步。Wnt4在性别决定过程中 仅在雌性生殖嵴表达，与FGF9有明显的拮抗作用。 FGF信号转导途径 （L. Daily et al, 2005) 经典的Wnt信号转导途径 (C. Logan and R. Nusse, 2004) 2、生殖细胞的形成与成熟 小鼠PGC开始形成的位置 小鼠卵细胞在受精后第6天，部分胚外组织 的细胞分泌BMP4等信号分子，使几十个邻近的 细胞分化为PGCs的前体。 (G. Zhao et al, 2002) BMP是诱导PGCs形成的主要信号分子 BMP的效应蛋白SMAD1、SMAD5可能在PGCs的形成过程中起了主要作用。在它们的作 用下，很多体细胞特异表达的基因被逐渐关闭，而一套生殖细胞特异表达的基因被逐渐开启， 细胞最终分化为PGCs。SMAD所调控的下游基因仍然很不清楚，其中可能包括Oct4。 原生殖细胞（PGCs）的迁移 原生殖细胞（PGCs）形成于胚胎发育早期（小鼠为受精后第7天）的胚外中胚层，首先聚集在尿囊和后肠 的交界处（A），然后沿卵黄囊的尾部进入后肠，再沿肠系膜向背部迁移，沿途的体细胞为其提供胞外信号分子， 引导PGCs因循正确的迁移路径和迁移方向，最后通过中肾进入生殖嵴（B）。PGCs在迁移过程中伴随着快速分 裂，数量显著增加。 小鼠的PGCs在10.5dpc进入生殖嵴， 基因印记 而后其细胞周期在雌雄之间出现很大差 异。在卵巢原基中，PGCs继续进行有 丝分裂，并且在13.5dpc进入减数分裂I （此时PGCs实际上已经分化为初级卵 母细胞），经历细、偶和粗线期，进入 双线期。胚胎出生后，初级卵母细胞进 入终变期，直到性成熟后，才依次完成 减数分裂I，进入减数分裂II，并停留在 中期。这时卵子从卵巢排出，受精后减 数分裂II完成，排出极体，成为受精卵。 在睾丸原基中，PGCs的有丝分裂 受到抑制，也不会进行减数分裂。幼鼠 出生后，生殖细胞立即进入有丝分裂， 并且在几天后进入减数分裂，生成大量 的精子细胞。整个过程在雄鼠的一生中 不断重复，保证精子的持续产生。 PGCs进入生殖嵴后的细胞分裂 RA 生殖嵴对生殖细胞减数分裂的调控1： 11.5dpc的小鼠生殖嵴，原生殖细胞已经 迁移到里面； 中肾管和中肾小管都分泌RA信号； 在 雄 性 生 殖 嵴 中 ， SRY 开 始 表 达 ， 上 调 Cyp26b1，尤其是生殖细胞周围的支持细胞中， Cyp26b1的表达量更高，形成睾丸索，生殖细 胞不受RA的影响从而不进入减数分裂。 在雌性生殖嵴中，Cyp26b1到12.5dpc时基 本消失，生殖嵴前端在RA的影响下开始表达 促减数分裂的基因Stra8。 减数分裂的标志基因 Sycp3 和 Dmc1 等开始 大量表达，并由前向后扩散； 细胞一旦进入减数分裂，生殖干细胞的标 志基因Pouf5就不再表达了。 RA的合成与信号转导途径 RA：retinoic acid； RBP4：retinol-binding protein； CRBP：cellular retinol-binding protein；ADH：alcohol dehydrogenase ； RDH：retinol dehydrogenase ； RALDH： retinaldehyde dehydrogenase ； CRABP：cellular-RA binding protein；RAR：RA receptor ； RARE：retinoic acid response element. （G. Duester, 2008) （days post partum） 胚胎出生前后，RA对生殖细胞减数分裂的调控 出生前，迁入雌性生殖嵴中的生殖细胞接受RA信号，激活Stra8的表达。雄性生殖嵴的支 持细胞表达降解RA的酶Cyp26b1，因此这里的生殖细胞无法对RA信号做出反应。 出生后，支持细胞转而表达RALDH2，制造RA，作用于表达RARs的生殖细胞，激活Stra8 的表达，促使细胞进入减数分裂。生精小管外周的肌样细胞在此时表达Cyp26基因，降解外 界的RA信号，保证生殖细胞的分化不受其他体细胞的影响。 PGCs本身在生殖细胞分化中的作用 虽然PGCs的减数分裂依赖于周围的体细胞，但有功能的生殖细胞 的最终形成，也依赖于细胞本身。 将XY的PGCs移入XX小鼠的生殖嵴或反过来进行移植，生殖细胞的 减数分裂虽然依照性腺体细胞来进行，但细胞在进入粗线期之前就凋 亡殆尽了，无法形成有功能的性细胞； 这说明，PGCs本身对其最终的分化命运十分重要，性别特异的 DNA甲基化（如基因组印记）以及组蛋白的修饰对生殖细胞的分化必 不可少。 早期胚胎发育中的细胞分化 ectodermin A，中期囊胚的植物极表达母体 基因Vegt，背侧表达β－catenin， 形成由背侧向腹侧的浓度梯度。 B、C，VegT和β－catenin都会激 活Nodal相关基因Xnr的表达，而 VegT Xwnt8 在两者信号重叠处，Xnr表达最 高，此处将来形成胚胎诱导者— Xnr （TGF-β家族） BMP4（TGF-β家族） —背唇。此处的信号也阻止了 BMP4和Xwnt8的表达，两者的功 β-catenin（Wnt） 能是抑制背部结构的形成，而促 进腹侧中胚层的形成。 爪蟾原肠胚形成中的信号分子 胚层形成中的细胞分化及信号分子 脊索形成中的细胞分化及信号分子 体节 脊索 中胚层 Dsh Wnt5 等 脊索 脊索中胚层细胞汇聚延伸为脊索 非典型的Wnt信号途径 M. Tada et al, 2002 神经胚的形成 （neorulation） 最初形成的神经管仅由单层神经外胚层细胞 围成，所有的神经上皮细胞都有干细胞的性 质，处于旺盛的增殖状态。 神经管闭合，有的神经上皮细胞脱离细胞周 期，并迁移到神经管外围。内部单层神经上 皮仍然维持干细胞特性。 由神经管侧的前体节中胚层分泌的FGF信号 诱导cycD2，对于干细胞区的维持至关重要。 Wnt通过β－catenin调控cyclin D1和c－ myc的转录，促进神经管上皮细胞增殖。 体节中胚层转而分泌 RA，对FGF信号起到颉 颃作用，促进神经前体细胞的分化。 脊索前后轴的分化：颈部，高RA；颈胸交 界处，低RA，低FGF；胸部，高FGF；腰部， 高FGF。 Shh BMP Shh和BMP形成浓度梯度，调控神经前体细胞 分化。 神经管闭合，有的神经上皮细 胞脱离细胞周期，并迁移到神 经管外围。内部单层神经上皮 仍然维持干细胞特性。 神经元前体细胞通过侧向抑制而特化 A，Neurogenin、Delta和Notch基因开始在神经 板细胞中都有表达，Delta和Notch的相互作用又 会抑制neurogenin的表达。 B，一旦某个细胞表达的Delta多于他的邻居， 就会抑制邻居细胞中Delta的合成，从而解除对其 自 身 的 抑 制 ， 于 是 该 细 胞 表 达 neurogenin 和 neuroD，向神经元分化。 a | Signal transduction from Notch receptors. Notch signalling is activated by interaction between the ligand-expressing cell and the Notch-expressing cell, followed by proteolytic cleavage that releases the Notch intracellular domain (NICD). The NICD converts the CSL-repressor complex into a transcriptional activator complex and drives the transcription of target genes. b | Signal transduction from Notch ligands. Proteolytic cleavage releases the intracellular domain (ICD) of the Notch ligands. The PDZ ligand (PDZL) domain interacts with PDZ proteins, resulting in a signalling cascade. The ICD can also enter the nucleus and regulate transcription. Delta-like (DLL) P. Ranganathan et al, 2011 神经元分化中的信号途径 BMP Shh形成从腹侧到背侧的浓 度梯度，诱导运动神经元和 腹侧中间神经元的分化。 Shh－Gli信号途径是脑的主 要促细胞分裂原，维持了发 育晚期以及成体中枢神经系 统中神经干细胞的存在。 BMP形成从背侧到腹侧的浓 度梯度，诱导背侧感觉神经 元的分化。 RA也形成了一个浓度梯度， 与Shh梯度相颉颃。v3和MN 等的分化几乎完全由Shh决 定，V0和V1则决定于Shh和 RA两者。 Shh 脊髓背腹神经元分化中的信号分子 Shh、BMP和RA的下游都是 Hox基因家族。 Sonic hedgehog（Shh）信号途径 a | Sonic hedgehog (SHH) secreted by a localized source creates a gradient of concentration that provides positional information to the cells in the gradient, dependent on the concentration and duration of the signal, and specifies distinct cell fates . b | In the absence of SHH protein, patched (PTCH1) inhibits smoothened (SMO) activity， allowing PKA-mediated phosphorylation and truncation of GLI2 and GLI3. GLI2rep and GLI3rep are transported to the nucleus where they negatively regulate gene transcription. In the presence of SHH, interaction of SHH with PTCH1 relieves the inhibition of SMO. Activated SMO protects the GLI proteins from PKA-mediated modification and activates them. GLI1act–GLI3act are translocated to the nucleus where they activate target gene transcription. T. Crompton et al, 2007 每个神经细胞特定的分化命运，是通过对多方向分化潜能的 抑制来实现的。 Shh的下游基因Nkx6和Pax6则抑制了对Olig2的表达起负调控作用的转录因子，Olig2又以 同样的方式抑制了某些转录因子对运动神经元特异基因Mnr2和Isl－1等的抑制，二者激活了 一系列与运动神经元结构、功能相关的基因，神经前体细胞开始向运动神经元方向分化。 发育过程中的细胞分化和由此而来的组织构建、器官形成， 是生命科学中最复杂，也最引人入胜的现象之一。 细胞分化的个性：任何一种细胞的分化、任何组织的形成 以及每个器官的构建，都是一系列复杂信号联合作用的结果， 都有其本身的特性——特定的局部环境、特定的一组诱导者和 特定的信号途径。 细胞分化的共性：在任何胚胎，尤其是脊椎动物胚胎细胞 的分化过程中，都可以见到FGF、Wnt、TGF－β、RA和Shh等信 号途径，它们按照极其相似的方式调控发育过程。 FGF信号途径 Wnt信号途径 BMP信号途径 RA信号途径 谢谢大家！ 内移——哺乳动物