胚胎在發育時每個細胞是怎麼確定自己的位置，可能無關基因選擇性表達嗎？

01-23

我想知道:在我們還是受精卵的時候，如果受精卵只是以單純的分裂進行增殖，那十個月後生下來的就是一團哪（rou）吒（qiu）。所以，胚胎在發育的時候一定有個定位的機制，然後就有很多人說:是基因選擇性表達的原因（這貌似只和分化有關吧▼_▼）。但是這就關係到定位和基因選擇性表達的先後問題----如果第一個細胞（也就是受精卵）開始分裂，然後有了第二個、第四個、第八個……那每一個細胞到底是 ①先知道自己的相對位置然後再進行基因選擇性表達分化成對應細胞構成相應形態，還是 ②直接把基因表達出來（它是根據什麼知道自己應該表達那一部分基因的呢----難道就因為基因裡面規定了我就在這個位置所以我發育成這種細胞---它又是憑什麼知道自己的位置呢---如果不是由位置確定的，那它憑什麼知道自己應該發育成什麼） ③先把基因表達了，然後通過那一部分基因知道自己應該存在的位置再運動到那個位置去（這方法也太蠢了，而且還是存在它是怎麼知道應該表達那一部分的問題）另外，從胚胎的發育圖可以看出:胚胎在早期就已經形成了輪廓，卻並沒有分化（其實是我猜的~），也就是說還沒有功能上的基因選擇性表達，所以要麼確定位置的因素不在DNA 上，要麼細胞存在兩次或多次的基因表達（你總要先知道自己應該幹什麼然後再去干吧）

胚胎髮育到八細胞期的時候這時候這八個細胞還是一樣的但是經過再次分裂有的細胞到了外側，有的在裡面，這是每個細胞所處的細胞微環境就不一樣了。外側的細胞逐漸發育為滋養層細胞，後來發育為胎盤等等，內部的細胞發育成個體。在囊胚著床後，遠離子宮表皮細胞接近子宮表皮細胞嵌入子宮的細胞甚至重力等等一系列的因素的作用形成了一個非常複雜的體系，使得每個細胞周圍的微環境都不是完全相同的。是細胞的微環境導致不同細胞表達不同的基因，使得這些細胞產生了不同。細胞又會分泌細胞因子，為周圍的細胞創造微環境。總之就是這個細胞周圍的細胞因子濃度等等因素，調控了這個細胞的特異性基因表達，才造就了生物如此複雜的存在。

少年你的問題太大了，回答實在超出我的能力範圍。如果敢興趣的話，可以自己去查查Wnt signaling and SHH signaling ,BMP signaling and notch signaling 等幾種信號通路，我目前在做著其中一種信號通路，我的理解是在胚胎髮育的過程中，不同位置的細胞接觸不同的信號，導致細胞的轉錄因子改變，進而specification 成特定類型的細胞。不同的物種，在發育中的總的模式是一樣的，但是物種之間同一信號通路的作用是不一樣的，因為不同物種細胞所處的狀態是不一樣的，這樣會導致不同物種在發育上的不同。

你可以讀一下A. Turing的Chemical Basis of Morphogenesis.

再吐槽：你並不需要知道自己要幹什麼才去幹什麼，這是唯心主義。細胞就是一台機器，它並不需要知道自己要幹什麼。或者說人作為一個整體也是這樣一台機器。

首先對題主探究科學的好奇之心表示讚揚，令我想起小時候也是通過網路學習到不少東西。請保持這種追問真理的精神，無論你以後是否學習生物，這種精神將是你成功的推動力。

本人並不是專家學者，大學生第五年，準備申請研讀昆蟲生態方向。在這裡我分享一下基因組學科裡面學習的果蠅胚胎髮育知識，應該對你有所啟發。樓上說得對，這種基礎生命科學問題我們目前並沒有完善的解釋，我們還在不斷更新對發育調控的認識。但是大概的機制，可以簡略地講一講。

重申：我是學昆蟲的，對哺乳動物生理並不熟悉，但是大得說都是動物，從原理上你應該可以得到啟發思考。

你大概知道昆蟲是產卵來繁殖，卵內胚胎的發育，大概可以類比為人類受精卵胚胎早期的發育。

那麼我們現在有一枚產下的卵，橢圓形，它將變成一條果蠅的幼蟲蛆，它怎麼知道哪裡變成頭，那裡變成屁*呢。

（老師課件的圖，來源沒有給出）

你大概知道昆蟲是節肢動物，果蠅幼蟲分為17節，6節變成頭，3節變成胸，8節為腹部。其胚胎的發育，就是一個蛋--&>一個細胞--&>很多細胞--&>分節--&>每一節發育成不同的結構。

以下內容都出自Dr. Hugh Robinson 的課件，版權屬於他。

Embryogenesis

The zygote nucleus (1) divides many times, without cytokinesis, resulting in a large syncitial embryo, equivalent to a morula, but with naked nuclei (cleavage) (2). These nuclei then migrate to the exterior, forming a syncitial blastoderm (blastula) (3/4).The nuclei at the posterior pole will become the germline (arrow in 3). Then the nuclei become cellularized (5).

大概意思：受精卵核分裂很多次，1--&>2，相當於桑椹胚，這些核是裸露的，移動到卵的邊緣，（皮），然後細胞化（5）。在圖3里，後端的核將成為生殖細胞，也就是將發展為下一代的卵和精子。

(5) At this cellular blastoderm stage the overall fate of these cells is already determined in terms of which segment they will comprise, although some details remain unspecified.

在圖5 這個階段，整個胚胎的「計劃」已經形成，每個細胞大概都知道將發育為什麼組織。

OK，那這些細胞怎麼知道卵的前後端？

是媽媽的功勞。

An anterior-posterior polarity is established in the egg by the mother. This involves a set of proteins (called morphogens, the first identified in any animal) that are deposited into the developing egg (oocyte) by the nurse cells that provision the oocyte.

媽媽在準備卵的時候，注入一系列的蛋白質morphogens, （還有RNA)

關鍵在於：這些蛋白和RNA在卵裡面有一個梯度，就是在一邊濃一些，另一邊濃度低一些。這個gradient正是決定「頭尾方向」的關鍵。

圖：其中一種母性蛋白在卵裡面的濃度，可見一端比較濃

Next, a series of segmentation genes kick in with zygotic transcription, called gap, pair-rule, and segment polarity genes. Finally, the identities of the segments are determined by the homeotic genes

然後一系列的分節基因被表達，有三類，gap, pair-rule, segment polarity genes. 這些基因將決定不同位置的細胞分化成不同的節，然後每一節的屬性由homeotic genes決定。

開始分節的時候，每個細胞開始表達這些早期發育基因。

Gradients to steps.

So how does a gradient of morphogen expression get translated into a discrete band of expression of a zygotic gap gene? The protein binds in several places to several enhancers, and both the ability to bind and the subsequent activation is co-operative, so that once one peptide is bound the others can join in. This has a threshold effect, thus 「interpreting」 a gradient into a stepped boundary.

這裡你應該知道的是，基因的表達受一系列蛋白(transcription factor)和RNA的調控，這些蛋白跟基因（核酸序列）上啟動子、增強子結合，決定是否表達某個基因、表達的強度。(我記得高中大概會提一下這些)

然後你可以設想，卵裡面其胚胎細胞所在的位子，有一定濃度的調控蛋白，並且不止一種。有時候，若干種調控因子需要一起來調控一個基因。然後早期基因的表達產物，又可以去調控其他的基因。各種濃度的結合產生「閾值」的效應，也就是在一定的濃度空間里，這些蛋白將控制基因表達出一定的產物。媽媽只需要注入若干種蛋白質，產生一定的空間濃度差，剩下的胚胎自然「會做」。

You can get a visual impression of the complexity of combinatorial transcription factor expression patterns from this example of triple-labeling of proteins using fluorescently-labeled antibodies at the cellular blastoderm stage where individual cells are labeled. 上圖：用熒游標記的三種不同的transcription factor轉錄因子表達的模式。他們不同濃度的組合將空置那裡的細胞核的基因表達。

那麼最終的結果就是，不同位置的細胞，根據不同的母系蛋白濃度，表達出不同的基因和轉錄因子，進一步得，各種蛋白和RNA的濃度組合，又調控下一系列的基因，最終發展為不同的「節」。

那麼其實，在其他動物里，早期胚胎細胞是如何知道自己的位置，也是跟昆蟲發育類似的，只不過其「節」沒有昆蟲那麼明顯。

謝邀。

高二學生能想到這麼有意思的問題，很好，希望你能一直保持這種好奇心。說不定以後是搞生物醫學的料子。

其實你問的問題也是科學家們想解決的問題，儘管我們只能猜測出是選擇性表達來控制細胞分化成不同種類的細胞，但究竟這些分化在最開始的時候是如何被基因編程，如何定位使之靶向性表達，都是沒有明確了解的。希望有朝一日，你能來解決這個問題。

另外，如果你想深入了解相關領域，或者某個生物醫學科學問題，可以再pubmed網站里通過檢索詞來查找，如果覺得英文文章還有些困難，可以找到中國知網裡閱讀相關文獻，幫助你學習更多。

騷年，你的問題么，確實好宏大……我的理解是你想知道是，在看起來每個細胞都有其預定的命運的情況下，是什麼機制使得同一來源的不同的細胞限制其自身的潛能，並讓它走上特定的發育命運。這麼說吧，細胞數目增加是細胞分裂的結果，細胞多樣性產生是基因的差異性表達，後者是胞內信號和胞外環境線索交互作用的結果。

說幾個經典的實驗。從兩細胞期或四細胞期的海膽胚胎中分離出單個細胞，都可以發育成完整的胚胎。把蠑螈胚胎頭前部的區域的組織移植到體側，會最終多出條腿來。脊椎動物里，在雞胚胎的體側上放置一個充滿FGF（對脊椎動物肢發育起始所需的成纖維細胞生長因子）的珠子，最後雞胚也多出條腿來……

哪些因素可以影響細胞命運的裁決？物理因素可以有重力和光照等，化學信號可以是細胞之間的接觸聯繫，可以是信號分子→受體→胞內信號通路，如NGF→TrkA→PI3K→Akt signaling→neuronal survival,它也可以來源於濃度梯度，圖靈曾提出一種假定的形態發生素（morphogen）遵循反應擴散方程通過濃度梯度而影響細胞的生物學行為，後來有人又提出細胞對形態發生素的不同濃度區間可以產生不同反應導致一系列基因表達的差異使得細胞命運被特定化。

我們知道不同部位不同時間基因表達會有差異。那麼發育過程中基因表達的時空上的順序性主要受哪些因素影響？首先存在一種現象，不同細胞環境中同一調節區域可能會結合不同的轉錄因子組合產生不同的轉錄調控效果，而一些不同基因的表達可以由相同的調節蛋白和DNA結合序列調控，這可以使得不同基因可以在同時表達；細胞內不同基因的協調表達可以使細胞產生特定表型……後面省略不知道多少字，好了我不想再打字了……你還是去看《動物發育的分子原理》吧，這本書可以一定程度上給你一個框架去找尋你的答案。

不同的物種的調控方式會有不同，有些實際上植物的發育從二分裂開始就有了極性，著落到子房上的那一段稱為植物極，不分化，而暴露向子房腔的一端稱為動物極分裂且分化。有報導稱這樣的分化是由細胞內澱粉粒受重力影響，引起最初的極性分化的。而後，細胞團會有前後上下左右之分的對稱性激素分布，再引起相應的基因表達，從而根據胚胎髮育周期階段決定蛋白的表達量，構建基本器官胚形。

隱約記得貌似是跟微環境有關，先佔坑，爭取不忙的時候好好回答