发育生物学第十一章脊椎动物胚轴形成.ppt

第十一章第十一章 脊椎动物胚轴形成脊椎动物胚轴形成第一节第一节 两栖类胚轴形成两栖类胚轴形成n n两栖类是调整型胚胎发育的经典模型，对其胚轴的形成机制有较多的了解。n n脊椎动物胚轴形成的机制A A、定位于囊胚期大量分裂球中的各种决定因子定位于囊胚期大量分裂球中的各种决定因子B B、发育过程中发生在邻近细胞之间的一系列相互作发育过程中发生在邻近细胞之间的一系列相互作用用。Life cycle of the African claw-toed frog Xenopus laevisn n两栖类胚胎的背-腹轴和前-后轴是由受精时卵质的重新分布而决定的。a a、背腹轴：、背腹轴：受精时在精子入卵处的对面产生有色素受精时在精子入卵处的对面产生有色素差异的差异的灰色新月区灰色新月区，由此标志预定胚胎的，由此标志预定胚胎的背侧背侧，精子进入的一侧发育成为胚胎的精子进入的一侧发育成为胚胎的腹侧腹侧。b b、前后轴：、前后轴：在动物极附近的背侧形成在动物极附近的背侧形成头部头部，而与其，而与其相反的一侧形成相反的一侧形成尾尾，从而形成胚胎的背，从而形成胚胎的背-腹轴和前腹轴和前-后轴。后轴。c c、中侧轴或左右轴：、中侧轴或左右轴：随着脊索的形成而确定的。随着脊索的形成而确定的。精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30两栖类的灰色新月两栖类的灰色新月 精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为灰色新月灰色新月。两栖类胚胎预定的背方和 腹方受精时的皮层转动形成两栖类的左右对称。Nieukoop中心对正常发育是必需的背方部分含有Nieukoop中心，形成一个背部化的胚胎，但缺少肠；腹方部分没有Nieukoop中心，形成一腹部化的胚胎，缺少背部和头部结构。Spemann所示的蝾螈卵裂期的核等同性。一、组织者和Nieuwkoop 中心n n灰色新月区对胚胎的正常发育是必需的。n n灰色新月区产生的细胞形成胚孔背唇（组织者）。Spemann等研究证实：来源于灰色新月区细胞的胚孔背唇组织不仅具有自我分化能力，还具有组织和诱导邻近细胞开始原肠作用的能力。在原肠作用过程中，由组织者（organizer）诱导背部外胚层形成中枢神经系统的原基神经管，并作用于侧中胚层共同形成背-腹轴和前-后轴。背唇细胞及其衍生物脊索和脊索中胚层虽然还不足以作为整个胚胎的诱导者，在以后器官原基形成和器官形成中都存在诱导作用，但组织者启动了胚胎发育中的一系列诱导事件。组织者细胞在早期胚胎发育中的重要功能：n n1）组织者能够启动原肠作用；n n2）组织者细胞有能力发育成背部中胚层包括前脊索板，脊索中胚层等；n n3）组织者能够诱导外胚层背部化形成神经板，并使后者发育为神经管。n n4）组织者能够诱导其周围的中胚层背部化，分化为侧板中胚层，而不是腹侧中胚层。n n爪蟾和其他脊椎动物胚胎前-后轴的形成在背-腹轴形成之后，胚胎的背部一旦建立随即开始中胚层细胞的内卷运动，并建立前-后轴。n n最先经过胚孔背唇迁入的中胚层细胞产生前端结构，从侧唇和腹唇迁入的中胚层细胞形成后端结构。原肠作用过程中细胞内卷的动力来自深层内卷缘区细胞Nieuwkoop中心n n在两栖类囊胚中最靠近背侧的一群植物半球细胞，对组织者具有特殊的诱导能力，称为Nieuwkoop中心（Nieuwkoop center）。Nieuwkoop中心是兼具动物极和植物极细胞质的特殊区域，含有背部中胚层诱导信号。n n原肠作用过程中新形成的中胚层是由其下方的植物极半球预定内胚层细胞对动物半球预定外胚层细胞诱导的结果。爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中胚层诱导模型二、两栖类胚轴形成的机制1.Nieuwkoop中心的分子生物学研究n n爪蟾的内胚层细胞通过诱导预定中胚层细胞表达Xenopus Brachyury（Xbra）基因，进而诱导中胚层的形成。n n最靠近背侧的植物半球细胞，由于表达一些特殊的细胞因子而形成Nieuwkoop中心。-CATENIN是Nieuwkoop中心的一个主要细胞因子。Brachyury基因在非洲爪蟾原肠胚时期预定中胚层细胞的表达组织者的精细结构。组织者特异基因的表达，可以把早期组织者细分成含有不同信息组合的亚区。n n-catenin是一种母体效应基因，其编码的蛋白质-CATENIN既能锚定细胞膜上的钙粘着蛋白，又是一个核内转录因子。n n-CATENIN在受精时卵质的旋转移动过程中在预定胚胎背部累积，在整个早期卵裂阶段仍然主要在胚胎背部累积。到卵裂晚期只有Nieuwkoop中心的细胞具有-CATENIN。-CATENIN 对于形成背部结构是必要的。-CATENIN在背腹轴特化中的作用n n-CATENIN属于Wnt信号传导途径的一个分子，糖原合成激酶-3（GSK-3）对-CATENIN有负调控作用，进而对背侧细胞的分化起抑制作用。在腹侧细胞中GSK-3介导的磷酸化作用引起-CATENIN的降解，而在背侧细胞中由于存在GSK-3的抑制因子Disheveled（DSH）蛋白，所以背侧的-CATENIN不会被降解。DSH蛋白开始存在于爪蟾未受精卵植物半球的皮层部，受精时沿微管迁移到胚胎的背侧起作用。CATENIN是WNT信号途径中的成分。DSH将 CATENIN定位于胚胎背部的机制1DSH将 CATENIN定位于胚胎背部的机制2DSH将 CATENIN定位于胚胎背部的机制3n n-CATENIN与一种普遍存在的转录因子TCF3结合形成的复合物能够激活对胚轴形成具有重要作用的其他基因，如siamois（sms）基因。SMS能激活goosecoid基因的表达。n ngoosecoid基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用的主要靶基因之一。gcd mRNA表达的区域与组织者的范围有关。GCD能够激活脑形成关键基因Xotx2，使其在前端中胚层和预定脑外胚层表达。背部中胚层诱导形成组织者的可能机制n ngcd基因的激活也同时受到定位于植物半球和Nieuwkoop中心的TGF家族蛋白产物（Vg1、VegT和Nodal相关蛋白）的协同作用。n n-CATENIN与VG1、VEGT信号相互作用的结果形成Nodal-相关蛋白从背侧到腹侧的浓度梯度。Nodal-相关蛋白的浓度梯度使中胚层细胞分化。含有大量Nodal相关蛋白的分化为组织者，较少的分化为侧板中胚层，不含Nodal相关蛋白的分化成腹侧中胚层。-CATENIN-CATENIN与与TGFTGF 家族蛋白协同作用诱家族蛋白协同作用诱导组织者形成的机制导组织者形成的机制n n总之，为维持正常的发育，在胚胎背部细胞中必须含有-CATENIN，并使sms基因表达，SMS与TGF-基因家族的蛋白质协同作用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作用下才能形成组织者。n n组织者的形成涉及多种基因的激活，存在于Nieuwkoop中心的分泌蛋白激活位于其上方中胚层细胞中一系列转录因子，后者再激活编码组织者分泌产物的一些基因。第一类组织者分泌性蛋白因子和BMP抑制因子n nBMP4是最重要的上皮分化和腹侧化诱导因子。对于神经发生而言，它是抑制因子或抗神经化因子，其功能与组织者正好相反。n n组织者分泌的NGN、CHD、Nodal相关蛋白3和FST对BMP4均有抑制作用。因此组织者的功能是分泌具有抑制作用的可溶性蛋白因子，而不是直接诱导中枢神经系统的发生。爪蟾卵经紫外线照射后引起背部结构的缺失，可以由注射NGN蛋白而挽救。NGN对背部结构的诱导呈剂量依赖性。NGN在组织者区的定位Chordin mRNA在组织者区的定位第一类组织者分泌性蛋白质因子：BMP抑制因子。组织中心产生组织中心产生的信号分子的信号分子(如如Chordin、Noggin、Follistatin-神经诱导分子神经诱导分子)可拮抗腹部可拮抗腹部化信号化信号(如如BMP4)。第二类组织者分泌性蛋白因子和WNT抑制因子n n咽鳃区内胚层和头部中胚层形成的内-中胚层组织构成胚孔背唇的前缘。这些细胞不仅能诱导最前端的头部结构，而且还能够阻滞WNT信号传导途径。WNT家族的成员之一WNT8与BMP4相似，能够抑制神经诱导。n n组织者分泌的CERBERUS（CBR）和内中胚层分泌的FRZB和DICKKOPF（DCK）蛋白因子可以阻止WNT信号传导途径。Xwnt8引起中胚层的腹部化并抑制头部结构的形成Xwnt8在缘区的表达注射CERBERUSCERBERUS（CBRCBR）可诱导出两个头部结构FRZBFRZB的表达与的表达与功能。注射功能。注射FRZBFRZB引起躯干引起躯干部形成的抑制部形成的抑制外胚层分化为上皮和神经组织的不同机制7后端化因子n n随着前端神经系统的区域性特化神经管，后端开始进行分化。后端的分化由胚胎后端产生后端化因子进行调控。n n成纤维细胞生长因子eFGF、WNT3a和视黄酸（Retinoic acid，RA）都是后端化因子。RA主要作用于后脑的图式形成；eFGF对于脊髓的分区最为重要；而WNT3a可以抑制前端控制基因的表达，还可以协调RA和eFGF的作用。后端化因子RA的作用中侧轴特化因子n n脊椎动物中侧轴形成的关键事件都是原肠胚左侧侧板中胚层表达的nodal-相关基因调控。n n爪蟾的nodal-相关基因-1（Xnr-1）的表达区域仅限于原肠胚左侧，Xnr-1激活pitx-2在胚胎左侧专一性表达。VG1蛋白可以增加胚胎左右对称的特化，异位表达VG1可导致胚胎左右逆转。Pitx2决定心脏弯曲和肠盘绕的方向第二节第二节 鱼类胚轴形成鱼类胚轴形成n n不同物种之间胚体图式形成的机制却具惊人的相似性：在此发育过程中，都涉及母体效应基因的产物母体效应决定子的定位、外源信号的影响和细胞间的相互作用，涉及一系列信号传导分子的作用。n n有关这些信号传导机制的研究是目前最活跃的领域之一。不同物种之间胚胎图式形成的机制却具惊人的相似性斑马鱼的囊胚Fate map of germ-layer progenitors at late blastula stage.Fate map of dorsalventral tissue progenitors at late blastula stage.下包完成30时的胚盘下包胚盘的边缘区域的放大，示边缘下包的内卷和细胞内移通过下包胚盘的边缘细胞内卷或上胚层细胞分层形成下胚层斑马鱼原肠作用时细胞的集中和延伸把下胚层和上胚层细胞带到背部形成胚盾，胚盾内脊索中胚层向动物极延伸。移植的胚盾诱导受体胚胎产生第二胚轴Maternal organizers.The YSL is a source of a signal that induces marginal cell fates.Axis formation in the zebrafish embryo.-1Axis formation in the zebrafish embryo.-2n n鱼类胚胎前后轴的形成是由两个信号中心调控的：A、第一个信号中心是原肠胚期神经外胚层和表皮外胚层之间的一小团神经细胞分泌的前端发育诱导因子。B、第二个信号中心是原肠胚期胚盘边缘侧板脊索中胚层的前体细胞产生的后端发育诱导因子。动物极帽是胚胎前端的标志。Axis formation in the zebrafish embryo.-3Dorsalventral and mesendodermal patterning of the blastula embryo.Antagonists such as Boz,Chordin,and Dkk1 inhibit ventralizing BMP signals.第三节第三节 鸟类胚轴形成鸟类胚轴形成n n鸟类胚胎的体轴形成在原肠胚形成过程中完成，但其背腹轴的极性特化开始于卵裂期。n n鸟类背腹极性出现的标志是囊胚期上下胚层的分化。上胚层的外表面是预定胚胎的背侧，面向胚下腔的一面是预定胚胎腹侧。鸡胚上胚层和下胚层的形成鸡胚前后轴的特化与重力和在输卵管内的旋转有密切的关系。Hensen氏节由胚胎后端的Kollers sickle形成鸡胚左右不对称分化的机制：Nodal和Pitx2两种蛋白的调控Chick nodal message(stained purple)shows its expression in the lateral plate mesoderm only on the left side of the embryo.第四节第四节 哺乳动物胚轴形成哺乳动物胚轴形成n n小鼠胚胎发育第5.5天，一群特异性表达hex基因的前端脏壁内胚层（anterior visceral endoderm，AVE）细胞，从远端向近端的迁移开始。n n这些AVE细胞所在的位置就是胚胎前端的标志。小鼠Nodal诱导AVE细胞的形成，随后AVE细胞迁移到胚胎的前端与体轴中胚层共同决定神经的前端哺乳动物前后轴、背腹轴与早期胚胎长轴的关系n n哺乳动物胚胎前后轴的形成受两个信号中心调控：A、原条前端的原节（组织者），产生chordin和NogginB、前端脏壁内胚层AVE，表达头部形成必需的基因Hesx-1、Lim-1、Otx-2和旁分泌因子Cerberus的基因。胚外组织对于胚胎前后轴和背腹轴的建立也有重要的作用。小鼠和鸡脊椎前后极性的特化都由hox基因的表达进行调控人类内脏器官的左右不对称发育Nodal相关蛋白和转录因子Pitx2在左边侧板中胚层的活性及其信号传导途径对哺乳动物的左右分化具有重要的作用。此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！