第17章发育的细胞生物学机制要点概述17.1发育是受调控的过程发育概述发育的细胞机制研究主要以鼠、果蝇、线虫和显花植物为研究对象。脊椎动物的发育脊椎动物的发育是一个高度和谐的过程。昆虫的发育昆虫的发育高度特化，许多关键的过程发生在融合的细胞群中。植物的发育和动物的发育不同的是，植物的发育对于环境的影响非常敏感。17.2多细胞生物拥有相同的基本发育机制细胞迁移和诱导动物细胞利用伸展的蛋白纤维拖动自身穿过周围的细胞，从而实现细胞迁移。细胞内的转录受其它细胞信号分子的影响。决定细胞可逆地进行某种特定的发育途径。形态建成化学诱导物的扩散控制着果蝇胚胎的形态建成。同源异型基因的表达主宰基因决定了体节的形式。细胞程序性死亡当有些基因被激活时，它们将杀死细胞。17.3已经被广泛研究的四种模式发育体系鼠，果蝇，线虫，显花植物拟南芥17.4衰老可以认为是一个发图17.1未来鱼经历胚胎发育的组图。在一个育的过程透明的鱼卵中，一个单细胞变成了数以万计的细胞，并形成眼，鳍，鳃和身体的其它部分。衰老的理论虽然有许多关于细胞衰老的理论，但是没有任何一个理论得到了广泛的认可。上一章我们从个体细胞的角度研究了基因的表达，一个细胞可以采用不同的
第 17 章 发育的细胞生物学机制 要点概述 17.1 发育是受调控的过程 发育概述 发育的细胞机制研究主要以鼠、果蝇、线虫和显花植物为研究对象。 脊椎动物的发育 脊椎动物的发育是一个高度和谐的过程。 昆虫的发育 昆虫的发育高度特化，许多关键的过程发生在融合的细胞群中。 植物的发育 和动物的发育不同的是，植物的发育对于环境的影响非常敏感。 17.2 多细胞生物拥有相同的基本发育机制 细胞迁移和诱导 动物细胞利用伸展的蛋白纤维拖动自身穿过周围的细胞， 从而实现细胞迁移。细胞内的转录受其它细胞信号分子的影响。 决定 细胞可逆地进行某种特 定的发育途径。 形态建成 化学诱导物的扩散 控制着果蝇胚胎的形态建成。 同源异型基因的表达 主宰基 因决定了体节的形式。 细胞程序性死亡 当有些基因 被激活时，它们将杀死细胞。 17.3 已经被广泛研究的四种 模式发育体系 鼠 ，果蝇，线虫， 显花植物拟南芥 17.4 衰老可以认为是一个发 育的过程 衰老的理论 虽然有许多关于 细胞衰老的理论，但是没有任何一个理论得到了广泛的认可。 上一章我们从个体细胞的角度研究了基因的表达，一个细胞可以采用不同的 图 17.1 未来鱼经历胚胎发育的组图。在一个 透明的鱼卵中，一个单细胞变成了数以万计的 细胞，并形成眼，鳍，鳃和身体的其它部分
机制来控制不同基因的转录。现在我们要扩展视角：当由一个细胞发育成多细胞组织时所带来的挑战。在发育的过程中采用了多种转录方式，使得不同的细胞沿着不同的路径发育，因此编制成一个不可避免的复杂的因果网（图17.1）。正是因为它的复杂性，所以发育过程中需要高度的精确性。在本章，我们主要是探索多细胞组织使用哪种机制来控制发育以及如何实现其精确性。17.1发育是受调控的过程发育概述在三个多细胞生物域（真菌，植物和动物）中，组织通过协调的基因表达实现细胞分化。也就是说，不同的细胞在不同的时间表达不同的基因。为了能很好地理解发育，我们有必要关注细胞是如何决定哪个基因需要激活以及什么时候被激活的。在真菌中，特化的细胞大多Mammal数局限于生殖细胞。在担子菌(basidiomycete）和子囊菌Insect(ascomycete)中，特定的细胞产生激素来影响其它细胞，但是所有真菌的模式都十分的简单。在其Nematode生活史的绝大多数时期，真菌有一个二维的实体，它由长的细胞菌丝构成，细胞之间没有完全隔离开。真菌的成熟主要是一个生Flowering长的过程而不是特化的过程。plant植物的发育更加复杂，成熟图17.2四种发育系统研究发育细胞的个体有许多特化的细胞构成组生物学机制的学者将注意力集中在这四种织和器官。植物发育的一个特点生物体上。mammal哺乳动物；insect昆虫；nematode线虫；是灵活性，随着植物的发育，组floweringplant显花植物织的精确排布很大程度上受到环境的影响。动物的发育是复杂的，而且受到严格的调控，其中分化细胞通过对环境很不
机制来控制不同基因的转录。现在我们要扩展视角：当由一个细胞发育成多细胞 组织时所带来的挑战。在发育的过程中采用了多种转录方式，使得不同的细胞沿 着不同的路径发育，因此编制成一个不可避免的复杂的因果网（图 17.1）。正是 因为它的复杂性，所以发育过程中需要高度的精确性。在本章，我们主要是探索 多细胞组织使用哪种机制来控制发育以及如何实现其精确性。 17.1 发育是受调控的过程 发育概述 在三个多细胞生物域（真菌，植物和动物）中，组织通过协调的基因表达实 现细胞分化。也就是说，不同的细胞在不同的时间表达不同的基因。为了能很好 地理解发育，我们有必要关注细胞是如何决定哪个基因需要激活以及什么时候被 激活的。 在真菌中，特化的细胞大多 数局限于生殖细胞。在担子菌 (basidiomycete) 和 子 囊 菌 (ascomycete)中，特定的细胞产生 激素来影响其它细胞，但是所有 真菌的模式都十分的简单。在其 生活史的绝大多数时期，真菌有 一个二维的实体，它由长的细胞 菌丝构成，细胞之间没有完全隔 离开。真菌的成熟主要是一个生 长的过程而不是特化的过程。 植物的发育更加复杂，成熟 的个体有许多特化的细胞构成组 织和器官。植物发育的一个特点 是灵活性，随着植物的发育，组 织的精确排布很大程度上受到环 境的影响。 动物的发育是复杂的，而且受到严格的调控，其中分化细胞通过对环境很不 图 17.2 四种发育系统 研究发育细胞 生物学机制的学者将注意力集中在这四种 生物体上。 mammal 哺乳动物； insect 昆虫； nematode 线虫； flowering plant 显花植物
敏感的机制产生特定细胞类型的排布。作为深入研究的课题，动物发育在最近的几十年内得到很好的认识。这里我们将注意力集中到四个已经得到广泛研究的发育系统上，它们是：（1）具有十分复杂组织的动物一一哺乳动物：（2）具有比较复杂发育周期的动物-昆虫；（3）简单的动物一一线虫：（4）显花植物（图17.2）。为了进行发育研究，我们将首先考察三种不同生物的发育全过程，以便能够根据全过程中的不同点进行分类，并揭示潜在机制中的基本相同点。我们将先从脊椎动物的发育过程开始，因为它在动物当中是最容易理解的。然后再研究完全不同的昆虫的发育过程，我们已经获得了有关其发育的很多基因水平的细节内容。最后我们将考察另一类不同的生物一一显花植物的发育。几乎所有的多细胞有机体都要经过发育。此过程在动物尤其是哺乳动物，昆虫，线虫和显花植物中研究得比较深入脊椎动物的发育脊椎动物的发育是一个动态的过程。细胞快速的分裂和相互的迁移直到形成最初的形态。在不同的位置，特定的细胞形成机体的器官，接着机体长到一定的大小和形态以确保它在出生后可以存活下来（见60章）。整个过程通常分为4个阶段。正如有丝分裂，虽然可以人为地划分不同的阶段和界限，可事实上整个过程是逐渐演变的。图17.3发育的奇迹九周大的人类胎儿是由一个单细胞：受精卵开卵裂（cleavage）始的。受精卵的子细胞反复的分裂脊椎动物由一个受精卵开始发育。在受和特化，形成了可以辨认的胎儿容貌。精一个小时后，受精卵开始迅速地分裂为越来越多的逐渐减小的细胞，直到形成一个结实的细胞球，这个细胞球就叫做卵裂球(blastomere）（图17.4）。细胞分裂的初期称为卵裂，在此期间整个胚胎的体积并不增大。相反，受精卵内的物质被分割到子细胞中。受精卵的两端一般称为动物极和植物极。一般说来，动物极的卵裂球将会形成机体的外部组织，植物极的则形成内部组织。胚胎的背腹取向是由精核(spermnucleus)进入卵的位置决定的
敏感的机制产生特定细胞类型的排布。作为深入研究的课题，动物发育在最近的 几十年内得到很好的认识。 这里我们将注意力集中到四个已经得到广泛研究的发育系统上，它们是：（1） 具有十分复杂组织的动物——哺乳动物；（2）具有比较复杂发育周期的动物—— 昆虫；（3）简单的动物——线虫；（4）显花植物（图 17.2）。 为了进行发育研究，我们将首先考察三种不同生物的发育全过程，以便能够 根据全过程中的不同点进行分类，并揭示潜在机制中的基本相同点。我们将先从 脊椎动物的发育过程开始，因为它在动物当中是最容易理解的。然后再研究完全 不同的昆虫的发育过程，我们已经获得了有关其发育的很多基因水平的细节内 容。最后我们将考察另一类不同的生物——显花植物的发育。 几乎所有的多细胞有机体都要经过发育。此过程在动物尤其是哺乳动物 。此过程在动物尤其是哺乳动物，昆虫，线虫和显 花植物中研究得比较深入 脊椎动物的发育 脊椎动物的发育是一个动态的过程。细 胞快速的分裂和相互的迁移直到形成最初的 形态。在不同的位置，特定的细胞形成机体 的器官，接着机体长到一定的大小和形态以 确保它在出生后可以存活下来（见 60 章）。 整个过程通常分为 4 个阶段。正如有丝分裂， 虽然可以人为地划分不同的阶段和界限，可 事实上整个过程是逐渐演变的。 卵裂（cleavage） 脊椎动物由一个受精卵开始发育。在受 精一个小时后，受精卵开始迅速地分裂为越 来越多的逐渐减小的细胞，直到形成一个结实的细胞球，这个细胞球就叫做卵裂 球(blastomere)（图 17.4）。细胞分裂的初期称为卵裂，在此期间整个胚胎的体积 并不增大。相反，受精卵内的物质被分割到子细胞中。受精卵的两端一般称为动 物极和植物极。一般说来，动物极的卵裂球将会形成机体的外部组织，植物极的 则形成内部组织。胚胎的背腹取向是由精核(sperm nucleus)进入卵的位置决定的， 图 17.3 发育的奇迹 九周大的人 类胎儿是由一个单细胞：受精卵开 始的。受精卵的子细胞反复的分裂 和特化，形成了可以辨认的胎儿容 貌
这一点对应于将来的腹部。经过12次分裂，受精卵的迅速分裂减缓了，胚胎细胞内开始了重要基因的转录。囊胚的形成（FormationoftheBlastula）(b)(a)(d)(c)图17.4卵裂形成蛙的胚胎（a）在这张图中，最初的分裂发生在胚胎面对你的一面，（b）胚胎的这一面形成了一簇细胞，很快扩展成（c）一团紧密排列的细胞，（d)这团细胞最后内陷进入胚胎的内部，依次形成原肠胚和神经胚。卵裂球的最外层细胞彼此紧密连接在一起，就好像第7章所讲的细胞通过包围在外面的蛋白丝和周围的细胞连接在一起。这些紧密的连接形成了一个密封的系统，将内部的细胞群和外部的环境隔离开。在大约16细胞的阶段，内部的细胞开始将Na+从细胞质泵到细胞之间的空间。因此形成的渗透梯度导致水也进入到细胞球的中间，扩大了胞内的空间。最后，这些空间连接在一起在细胞球内形成了一个腔。这样形成的中空的细胞球称为囊胚，在哺乳动物也叫做胚泡(blastocyst)。原肠胚的形成卵裂球的一些细胞随后内陷形成原肠胚(gastrula)。细胞通过伸展形成片状伪
这一点对应于将来的腹部。经过 12 次分裂，受精卵的迅速分裂减缓了，胚胎细 胞内开始了重要基因的转录。 囊胚的形成 （Formation of the Blastula） 卵裂球的最外层细胞彼此紧密连接在一起，就好像第 7 章所讲的细胞通过包 围在外面的蛋白丝和周围的细胞连接在一起。这些紧密的连接形成了一个密封的 系统，将内部的细胞群和外部的环境隔离开。在大约 16 细胞的阶段，内部的细 胞开始将 Na＋从细胞质泵到细胞之间的空间。因此形成的渗透梯度导致水也进入 到细胞球的中间，扩大了胞内的空间。最后，这些空间连接在一起在细胞球内形 成了一个腔。这样形成的中空的细胞球称为囊胚，在哺乳动物也叫做胚泡 (blastocyst)。 原肠胚的形成 卵裂球的一些细胞随后内陷形成原肠胚(gastrula)。细胞通过伸展形成片状伪 图 17.4 卵裂形成蛙的胚胎 （a）在这张图中，最初的分裂发生在胚胎面对你的一面， （b）胚胎的这一面形成了一簇细胞，很快扩展成（c）一团紧密排列的细胞，(d)这团 细胞最后内陷进入胚胎的内部，依次形成原肠胚和神经胚
足(lamellipodia)的形式而经过相邻的细胞，从而引起相邻细胞也产生片状伪足。。MammalianBSTOOVEEctoderm(a)Blastula formationCleavagendodernEctoderMesodermGastrulationeuralplateNeural groove-EctodermMesodermNotochordNeurulationEnaodermNeuralcrestSpinal cordNotochordNeuraltubeMusclesomitesSpinal coreStomachHeart()Cell migrationIntestineBrairMidgutOrganogenesisGrow图17.5脊椎动物的发育路径家鼠发育中主要事件的图解（a）卵裂（b）囊胚的形成（c）原肠胚形成（d）神经胚形成（e）细胞迁移（f）器官形成（g）生长Blastomeres卵裂球：mammalianblastocyst哺乳动物胚泡：ectoderm外胚层：endoderm内胚层；blastulaformation囊胚的形成；cleavage卵裂；ectoderm外胚层；neuralplate神经板：neuralgroove神经沟；mesoderm中胚层；ectoderm外胚层；mesoderm中胚层；notochord脊索：neurulation神经胚形成；endoderm内胚层；endoderm内胚层：Gastrulation原肠胚形成：nerualcrest神经脊：musclesomites肌肉体节；spinalcord脊髓：spinalcord脊髓；stomach胃：heart心脏；brain脑；notochord脊索：intestine肠；neuraltube神经管：liver肝脏；cellmigration细胞迁移；mesoderm中胚层：midgut中肠；organogenesis器官形成；growth生长；很快这一层细胞自身收缩并且向内挤压，这样内陷就开始了。这一过程称为原肠胚形成(gastrulation)，此过程中产生了脊椎动物的主要体轴，把卵裂球转化成一个有中央消化道的两侧对称的胚胎。从此开始，胚胎就有了三个胚层，它们的组织形式就预示着将来成熟机体的组织形式。内陷形成原始消化道的细胞属于内胚层endoderm)，它们将发育为胃，肺，肝和大多数的内部器官。保留在外部的细胞是外胚层(ectoderm)，它们发育成包括机体外部的皮肤和神经系统。那些脱离
足(lamellipodia)的形式而经过相邻的细胞，从而引起相邻细胞也产生片状伪足。 很快这一层细胞自身收缩并且向内挤压，这样内陷就开始了。这一过程称为原肠 胚形成(gastrulation)，此过程中产生了脊椎动物的主要体轴，把卵裂球转化成一 个有中央消化道的两侧对称的胚胎。从此开始，胚胎就有了三个胚层，它们的组 织形式就预示着将来成熟机体的组织形式。内陷形成原始消化道的细胞属于内胚 层(endoderm)，它们将发育为胃，肺，肝和大多数的内部器官。保留在外部的细 胞是外胚层(ectoderm)，它们发育成包括机体外部的皮肤和神经系统。那些脱离 图 17.5 脊椎动物的发育路径 家鼠发育中主要事件的图解（a）卵裂 （b）囊胚的 形成 （c）原肠胚形成 （d）神经胚形成 （e）细胞迁移 （f）器官形成 （g）生长 Blastomeres 卵裂球； mammalian blastocyst 哺乳动物胚泡；ectoderm 外胚层； endoderm 内胚层；blastula formation 囊胚的形成；cleavage 卵裂；ectoderm 外胚层； neural plate 神经板；neural groove 神经沟；mesoderm 中胚层；ectoderm 外胚层； mesoderm 中胚层；notochord 脊索；neurulation 神经胚形成；endoderm 内胚层； endoderm 内胚层；Gastrulation 原肠胚形成；nerual crest 神经脊；muscle somites 肌肉 体节；spinal cord 脊髓；spinal cord 脊髓；stomach 胃；heart 心脏；brain 脑；notochord 脊索；intestine 肠；neural tube 神经管；liver 肝脏；cell migration 细胞迁移；mesoderm 中胚层；midgut 中肠；organogenesis 器官形成；growth 生长；