第10章 脊椎动物胚轴形成.pdf

第十章第十章 脊椎动物脊椎动物胚轴形成胚轴形成 第一节第一节 两栖类胚轴形成两栖类胚轴形成 第二节第二节 鱼类胚轴形成鱼类胚轴形成 第三节第三节 鸟类胚轴形成鸟类胚轴形成 第四节第四节 哺乳类胚轴形成哺乳类胚轴形成 第二篇第二篇 动物胚胎的早期发育动物胚胎的早期发育 Developmental Biology 第一节第一节 两栖类胚轴形成两栖类胚轴形成 一、组织者和一、组织者和 Nieuwkoop Nieuwkoop 中心中心 两栖类是两栖类是调整型发育调整型发育的典型模型。两栖类的典型模型。两栖类的背的背-腹轴和前腹轴和前-后轴是在受精时卵质的重新排后轴是在受精时卵质的重新排列而决定列而决定Developmental Biology 受精时的皮受精时的皮层转动形成层转动形成两栖类的左两栖类的左右对称。右对称。Developmental Biology(一一)组织者组织者 （organizerorganizer）灰色新月对胚胎的正常发育是必须的。由灰色新月灰色新月对胚胎的正常发育是必须的。由灰色新月区产生的细胞形成胚孔背唇，随着背唇细胞的内陷原区产生的细胞形成胚孔背唇，随着背唇细胞的内陷原肠作用开始。肠作用开始。在原肠作用时，由于细胞重新排列在原肠作用时，由于细胞重新排列，产生，产生 一系列邻一系列邻近细胞之间的相互作用。近细胞之间的相互作用。通过一系列的实验证明，组织者细胞不仅具有自我通过一系列的实验证明，组织者细胞不仅具有自我分化的能力，而且具有组织和诱导邻近细胞开始原肠分化的能力，而且具有组织和诱导邻近细胞开始原肠作用的能力。作用的能力。在原肠作用中组织者诱导背部的外胚层在原肠作用中组织者诱导背部的外胚层形成中枢神经原基形成中枢神经原基神经管，并作用于侧中胚层共神经管，并作用于侧中胚层共同形成背同形成背-腹轴和前腹轴和前-后轴。后轴。Developmental Biology 组织者细胞在早期胚胎发育中具有重要的功能：组织者细胞在早期胚胎发育中具有重要的功能：组织者能够启动原肠作用组织者能够启动原肠作用 组织者发育成为前脊索板和脊索中胚层组织者发育成为前脊索板和脊索中胚层 组织者能够诱导外胚层背部化形成神经板，并使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后者发育为神经管 组织者能够诱导其周围的中胚层背部化，分化为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。侧板中胚层，而不是腹侧中胚层。Developmental Biology 核因子：核因子：Gsc,Xlim-1Otx-2,Foxa2/HNF-3,Xnot,Xtwn,Siamois,Xamf-1,Iro3,Bozozok 分泌因子：分泌因子：Chordin,Noggin,Follistatin Xnr-1,-2,-4,-5,-6,Xnr-3,1GFBP5Dkk-1Frzb-1,Antivin/Lefty,Crescent,sFRP2,Cerberus 背部背部 腹部腹部 外胚层外胚层 外胚层 内胚层内胚层 图图11.1 在爪蟾胚胎模式形成起重要作用的主要组织者特异性基因在爪蟾胚胎模式形成起重要作用的主要组织者特异性基因 cns Developmental Biology（二）（二）Nieuwkoop Nieuwkoop 中心中心 P P二二236/P236/P三三150150 Developmental Biology Nieuwkoop 中心：中心：两栖类囊胚中最靠近背部的一群植物半两栖类囊胚中最靠近背部的一群植物半球细胞，球细胞，对组织者具有特殊的诱导能力。对组织者具有特殊的诱导能力。Nieuwkoop 中心中心是由于精子入卵使卵质重排而产生的，是由于精子入卵使卵质重排而产生的，兼具植物极和动物极兼具植物极和动物极细胞质的特殊区域，该区含有背部中胚层诱导信号细胞质的特殊区域，该区含有背部中胚层诱导信号。如果抑制卵质旋转，胚胎将缺乏头和神经管等前端背部如果抑制卵质旋转，胚胎将缺乏头和神经管等前端背部结构。结构。因此，两栖类的背因此，两栖类的背-腹轴精子入卵时就决定。腹轴精子入卵时就决定。Xbra 图图 爪蟾组织者和爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中心及中胚层诱导模型中胚层诱导模型 中胚层诱导信号中胚层诱导信号 Nieuwkoop 中心中心 组织者组织者 含背部中胚层诱导信号含背部中胚层诱导信号 Developmental Biology Niwkoop在未来的发育中形成内胚层。它具在未来的发育中形成内胚层。它具有诱导其上方的邻近细胞组织形成有诱导其上方的邻近细胞组织形成Spermann 组织者的能力。使它发育成中胚层。组织者的能力。使它发育成中胚层。Developmental Biology 二、两栖类胚轴形成的机制二、两栖类胚轴形成的机制(一一)Nieuwkoop 中心的分子生物学机制中心的分子生物学机制 爪蟾的内胚层细胞通过诱导预定中胚层细胞表爪蟾的内胚层细胞通过诱导预定中胚层细胞表达达Xenopus Brachyury（Xbra）基因）基因，进而诱，进而诱导中胚层的形成。导中胚层的形成。最靠近背侧的植物半球细胞，由于表达一些特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殊的细胞因子而形成Nieuwkoop中心。中心。-catenin是是Nieuwkoop中心的一个主要细胞因子。中心的一个主要细胞因子。Developmental Biology Developmental Biology GSK-3（糖原合成激酶（糖原合成激酶-3）对）对-CATENIN 具有具有负调控负调控作用，进而对于背侧细胞的分化起作用，进而对于背侧细胞的分化起抑制作用。抑制作用。如果在如果在 1 个细胞期注射具有活性的个细胞期注射具有活性的 GSK-3，以后，以后胚轴的形成受到抑制。胚轴的形成受到抑制。如果在早期胚胎发育期如果在早期胚胎发育期抑制抑制腹侧细胞内的腹侧细胞内的 GSK-3，则引起次性胚轴的形成。则引起次性胚轴的形成。-CATENIN开始在整个卵内均匀的分布开始在整个卵内均匀的分布,在腹侧细胞内因为在腹侧细胞内因为GSK-3的存在而下降的存在而下降 而背侧细胞内因为而背侧细胞内因为 DSH 的存在不会下降的存在不会下降 Developmental Biology -CATENIN是是 Nieuwkoop 中心的一个主要因子。中心的一个主要因子。-CATENIN 在受精时随卵质在受精时随卵质的旋转主要集中在背部，最的旋转主要集中在背部，最初积累在初积累在 Nieuwkoop 中心和中心和组织者，组织者，到了卵裂到了卵裂晚期晚期时主时主要集中在要集中在 Nieuwkoop 中心的中心的细胞内细胞内。两栖类背腹轴的形两栖类背腹轴的形成从精子入卵时开始成从精子入卵时开始,DSH、-CATENIN和和GSK-3在背腹在背腹轴形成中具有重要作用。轴形成中具有重要作用。Developmental Biology 如爪蟾如爪蟾 结合形成的复合物激活其他基因。结合形成的复合物激活其他基因。*被激活的基因中包括被激活的基因中包括 sms（在囊胚期（在囊胚期Nieukoop中心表达）中心表达）它，它 编码的编码的SMS对组织者特异性基因的表达起关键的作用。对组织者特异性基因的表达起关键的作用。*TCF3 是是 sms基因转录的抑制因子，但基因转录的抑制因子，但-catenin/TCF3复合体复合体激活激活 sms-catenin TCF3 由于由于-catenin是转录因子，它和其他转录因子结合后激是转录因子，它和其他转录因子结合后激活它们的活性，它们的产物又激活其他基因的激活。活它们的活性，它们的产物又激活其他基因的激活。结合形成的复合物激活结合形成的复合物激活gcd基因的表达，该基因基因的表达，该基因的产物的产物 GCD 又为组织者许多基因激活所必须的。又为组织者许多基因激活所必须的。SMS gcd的启动子的启动子 Developmental Biology Developmental Biology SMS（组织者特异性基因表达必须的）（组织者特异性基因表达必须的）gcd -CATENIN TCF-3转录因子转录因子 激活激活 sms 表达表达 GCD(激活背唇细胞迁移激活背唇细胞迁移 激活控制脑形成的激活控制脑形成的-Xotx2)TGF-基因家族蛋白基因家族蛋白 产物（产物（Vg1、VgT和和 nodal相关蛋白（相关蛋白（XNR1、2、4）11.4 -CATENIN、TGF3 蛋白等相互作用形成组织者和诱导中胚层产生蛋白等相互作用形成组织者和诱导中胚层产生 p181 Nieuwkoop内内 组织者内组织者内 TGF-gcd sms Nodal蛋白蛋白 含含Nodal蛋白多蛋白多 1、2、4 少分化成侧板少分化成侧板 未分化成腹侧板未分化成腹侧板 富含富含nodal组织者组织者 少含少含nodal侧板中胚层侧板中胚层 不含不含nodal腹侧中胚层腹侧中胚层 激活激活 激活激活 Developmental Biology 为维持正常的发育，在胚胎背部细胞内必须含有为维持正常的发育，在胚胎背部细胞内必须含有-CATENIN ，并使，并使 sms 表达，表达，SMS 和和 TGF-的协同作用的协同作用下下gcd 激活，激活，在在 SMS 和和 GCD 等的共同作用下才能形成组等的共同作用下才能形成组织者。织者。组织者的形成涉及到多种基因的激活。存在于组织者的形成涉及到多种基因的激活。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，它又激活组织者内的一些基因。一系列转录因子，它又激活组织者内的一些基因。已发现多种组织者特异性转录因子和分泌性蛋白因子：已发现多种组织者特异性转录因子和分泌性蛋白因子：主要的主要的 核蛋白核蛋白 XLIM1 XNOT OTX2 XFD1 XANF1 GCD HNF-主要分泌主要分泌性性pr因子因子 CHD、DCK NGN、FST ADMP FRZB、ONIC HH BERUS Nodal-相关蛋白相关蛋白 Developmental Biology 组织者蛋白因子组织者蛋白因子 （NGN、CHD、FST、GCD）TGF-家族蛋白因子家族蛋白因子 (Vg1、VegT、Nodal-相关蛋白相关蛋白)中胚层背部化，外胚层神经化，中胚层背部化，外胚层神经化，Xotx2脑脑 SMS -CATENIN GSK DSH BMPS Msx1 上皮上皮 Xvent1 腹部化腹部化 图图 11.5两栖类胚胎背腹轴形成主要相关蛋白因子作用示意图两栖类胚胎背腹轴形成主要相关蛋白因子作用示意图 P二二239/P三三152 Developmental Biology （二）第一类组织者分泌性蛋白因子（二）第一类组织者分泌性蛋白因子:BMP:BMP抑制因子抑制因子 外胚层细胞外胚层细胞未被诱导未被诱导的情况下形成的情况下形成-N 外胚层细胞外胚层细胞被诱导被诱导的情况下分化成的情况下分化成-上皮上皮 BMP4（非组织者中胚层分泌）（非组织者中胚层分泌）上皮分化和腹侧化诱导因子上皮分化和腹侧化诱导因子 神经抑制或抗神经化因子神经抑制或抗神经化因子 GCD 在细胞核中直接或间接的激活一些基因，而这在细胞核中直接或间接的激活一些基因，而这些基因产物是调控细胞进行背些基因产物是调控细胞进行背-腹轴和前腹轴和前-后轴分化功能后轴分化功能的可溶性蛋白因子。的可溶性蛋白因子。组织者分泌抑制诱导作用的组织者分泌抑制诱导作用的可溶性蛋白因子，而不是直接诱导神经组织的形成可溶性蛋白因子，而不是直接诱导神经组织的形成：Developmental Biology BMP4 激活上皮特异性基因激活上皮特异性基因 抑制神经特异性基因抑制神经特异性基因 msx1 xvent1 中胚层表现出腹侧表型中胚层表现出腹侧表型 激活激活 表达表达 Developmental Biology 神经外胚层神经外胚层 组组 织织 者者 分泌一些可溶性蛋白因子分泌一些可溶性蛋白因子 NGN CHD Nodal-相关蛋白相关蛋白-3(XNR-3)FST NGN +抑制它们与受体结合抑制它们与受体结合 CHD+抑制它们与受体结合（脊索和背中胚层内表达）抑制它们与受体结合（脊索和背中胚层内表达）XNR-3对对BMP4具有抑制作用具有抑制作用 （组织者表面的细胞合成）（组织者表面的细胞合成）FST对辅肌动蛋白具有抑制作用对辅肌动蛋白具有抑制作用 （背唇和脊索组织中表达）（背唇和脊索组织中表达）诱导外胚层形成神经组织诱导外胚层形成神经组织 BMP2 使中胚层细胞背部化使中胚层细胞背部化 BMP4 BMP2 BMP4（防止（防止BMP与靠近组织者的与靠近组织者的外胚层和中胚层接触）外胚层和中胚层接触）Developmental Biology 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。Developmental Biology 腹腹 背背 腹腹 背背 an veg 背部内胚层背部内胚层 BMP4 非组织者中胚层非组织者中胚层 神经外胚层神经外胚层 外胚层上皮外胚层上皮 NGN CHD FST XNR3 组织者分子组织者分子 WNT8 FRZB DCK A B 图图A、第一类组织者分泌性蛋白和、第一类组织者分泌性蛋白和BMP等抑制因子等抑制因子 图图B、第二类组织者分泌性蛋白因子和、第二类组织者分泌性蛋白因子和 WNT抑制因子抑制因子 page240,11.6图图 组织者作用模式和两类因子组织者作用模式和两类因子 内中胚层内合成内、中胚层内合成 Developmental Biology（三）第二类组织者分泌性蛋白因子：（三）第二类组织者分泌性蛋白因子：WNT 抑制因子抑制因子 咽鳃区内胚层和头部中胚层形成的内咽鳃区内胚层和头部中胚层形成的内-中胚层组织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，而且还能够阻滞端的头部结构，而且还能够阻滞WNTWNT信号传导途径。信号传导途径。WNTWNT家族的成员之一家族的成员之一WNT8WNT8与与BMP4BMP4相似，能够抑制神相似，能够抑制神经诱导。经诱导。组织者分泌的组织者分泌的CERBERUSCERBERUS（CBRCBR）和内中胚层分泌的）和内中胚层分泌的FRZBFRZB和和DICKKOPFDICKKOPF（DCKDCK）蛋白因子可以阻滞）蛋白因子可以阻滞WNTWNT信信号传导途径。号传导途径。Developmental Biology CBR（咽鳃区内胚层）（咽鳃区内胚层）Frzb，DCK（内、中胚层）（内、中胚层）BMP 非组织者非组织者 Msx1 NRG Xbf-2 Wnt8 边缘带边缘带 N分化、头部发育分化、头部发育 上皮分化、腹部发育上皮分化、腹部发育 （抗神经化）（抗神经化）（抑制神经诱导）（抑制神经诱导）促进促进 图图11.7 两栖类胚胎中阻滞两栖类胚胎中阻滞Wnt8和和BMP4功能的一些功能的一些蛋白因子示意图蛋白因子示意图 抑制上皮分抑制上皮分化相关基因化相关基因的表达的表达 Developmental Biology 注射CERBERUS（CBR）可诱导出两个头部结构 Developmental Biology FRZB的表达与功能。注射FRZB引起躯干部形成的抑制 Developmental Biology （四）后端化因子（四）后端化因子 随着前端神经系统的分化，随着前端神经系统的分化，N管后端开始分化。后端管后端开始分化。后端的分化由后端化因子来调控的分化由后端化因子来调控 eFGF对于脊髓的分区最为重要对于脊髓的分区最为重要 WNT3a抑制前端控制基因的表达，并对抑制前端控制基因的表达，并对2基因合作基因合作 RA负责负责后脑后脑的图式形成的图式形成 后端化因子后端化因子 Developmental Biology 后端化因子后端化因子RARA的的作用：微量使神作用：微量使神经胚的前脑和中经胚的前脑和中脑的发育能力将脑的发育能力将被削弱被削弱 Developmental Biology （五）中侧轴特化因子（五）中侧轴特化因子 蝌蚪除了背蝌蚪除了背-腹轴和前腹轴和前-后轴之外还有中侧轴。脊椎动后轴之外还有中侧轴。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表达的nodal-相关基因调控。相关基因调控。爪蟾的爪蟾的nodal-相关基因相关基因-1（Xnr-1）的表达区域仅限）的表达区域仅限于原肠胚左侧，于原肠胚左侧，Xnr-1激活激活pitx-2在胚胎左侧专一性表在胚胎左侧专一性表达。达。VG1蛋白可以增加胚胎左右对称的特化，异位表蛋白可以增加胚胎左右对称的特化，异位表达达VG1可导致胚胎左右逆转。可导致胚胎左右逆转。在此发育过程中都涉及到母体效应基因、外源信号、在此发育过程中都涉及到母体效应基因、外源信号、细胞间的相互作用等。细胞间的相互作用等。Developmental Biology Pitx2决定心脏弯曲和肠盘绕的方向 Developmental Biology 尽管蛙、斑马鱼、鸡和小鼠体轴形成的机制存尽管蛙、斑马鱼、鸡和小鼠体轴形成的机制存在差异，但是在差异，但是不同物种之间胚体图式形成的机不同物种之间胚体图式形成的机制却具惊人的相似性制却具惊人的相似性。在此发育过程中，都涉及在此发育过程中，都涉及母体效应基因的产物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细胞间的相互作用，涉及一系列信号传导分子的作用的作用。有关这些信号传导机制的研究是目前。有关这些信号传导机制的研究是目前最活跃的领域之一。最活跃的领域之一。Developmental Biology Developmental Biology 第二节第二节 鱼类胚轴形成鱼类胚轴形成 p242p242 一、鱼类背一、鱼类背-腹轴的形成腹轴的形成 鱼类的鱼类的胚盾胚盾对于胚胎背对于胚胎背-腹轴的形成至关重要。腹轴的形成至关重要。如果一个原肠早期胚胎的胚盾移植到另一个同期胚胎如果一个原肠早期胚胎的胚盾移植到另一个同期胚胎腹侧，通过诱导侧板中胚层和腹侧中胚层转变成背部中胚腹侧，通过诱导侧板中胚层和腹侧中胚层转变成背部中胚层。同时胚盾使外胚层发育成神经组织，而不是表皮，结层。同时胚盾使外胚层发育成神经组织，而不是表皮，结果产生两个胚轴。果产生两个胚轴。鱼类的胚盾与两栖类的背唇鱼类的胚盾与两栖类的背唇组织者是同源的组织者是同源的 Developmental Biology 斑马鱼的原肠作用斑马鱼的原肠作用 胚盘沿卵黄扩展，内卷或内移形成下胚盘沿卵黄扩展，内卷或内移形成下胚层，集中和延伸把下胚层和上胚层胚层，集中和延伸把下胚层和上胚层细胞带到背部形成加厚的细胞带到背部形成加厚的胚盾胚盾（embryonic shield）。在胚盾内，。在胚盾内，细胞插入重排使脊索中胚层向动物极细胞插入重排使脊索中胚层向动物极延伸。内卷和会聚扩展形成脊索中胚延伸。内卷和会聚扩展形成脊索中胚层的细胞表达层的细胞表达no tail基因，而会聚扩基因，而会聚扩展形成近轴中胚层的细胞展形成近轴中胚层的细胞（由（由snail基基因因的的表达表达所标记）所标记）。Developmental Biology 二、鱼类前二、鱼类前-后轴的形成后轴的形成p244p244 鱼类前鱼类前-后轴的形成是卵子发生时就开始，后轴的形成是卵子发生时就开始，动动物帽物帽是胚胎前端的标志。是胚胎前端的标志。鱼类前鱼类前-后轴的形成是由两个信号中心调控；后轴的形成是由两个信号中心调控；前端发育诱导因子前端发育诱导因子由原肠期前端位于神经外由原肠期前端位于神经外胚层和表面外胚层之间的一小团神经元分泌胚层和表面外胚层之间的一小团神经元分泌 后端发育诱导因子后端发育诱导因子由原肠期胚盘边缘侧板脊由原肠期胚盘边缘侧板脊索中胚层的前体所产生索中胚层的前体所产生 NordalNordal相关蛋白相关蛋白-2 2仅在左侧的侧板中胚层表达仅在左侧的侧板中胚层表达 三、鱼类左三、鱼类左-右轴的形成右轴的形成p244p244 Developmental Biology 第三节第三节 鸟类胚轴形成鸟类胚轴形成 p244p244 一、鸟类背一、鸟类背-腹轴的形成腹轴的形成 鸟类背鸟类背-腹轴的形成开始于卵裂期，是囊胚期上下腹轴的形成开始于卵裂期，是囊胚期上下胚层的分化。向清蛋白的一面（胚层的分化。向清蛋白的一面（pH9.5pH9.5）形成背部，）形成背部，向胚盘下腔（向胚盘下腔（pH6.5pH6.5）的一面形成腹部。）的一面形成腹部。二、鸟类前二、鸟类前-后轴的形成后轴的形成 与重力和在输卵管里的旋转密切相关与重力和在输卵管里的旋转密切相关 Developmental Biology 第四节第四节 哺乳类胚轴形成哺乳类胚轴形成 p247p247 一、哺乳动物背一、哺乳动物背-腹轴和前腹轴和前-后轴形成后轴形成 小鼠胚胎发育第小鼠胚胎发育第5.5天，一团特异性表达天，一团特异性表达hex基因的前端脏基因的前端脏壁内胚层（壁内胚层（AVE）细胞，从远端向近端的迁移开始。）细胞，从远端向近端的迁移开始。AVE细胞所在的位置就是前端的标志细胞所在的位置就是前端的标志 Developmental Biology Developmental Biology Developmental Biology hox基因基因 调控脊椎前后极性的特化调控脊椎前后极性的特化 Developmental Biology 图图11.18 小鼠和鸡脊椎沿前小鼠和鸡脊椎沿前-后轴排列的表达模式图后轴排列的表达模式图 图中标出了调控这些区域特化的图中标出了调控这些区域特化的Hox基因平行组表达的边缘基因平行组表达的边缘 Developmental Biology 二、哺乳动物左二、哺乳动物左-右轴形成右轴形成 外观对称，外观对称，内部不对称内部不对称 图图11.19 人类内脏器人类内脏器官左右不对称发育官左右不对称发育 Developmental Biology 图图11.20 小鼠左小鼠左-右分化的调控机制右分化的调控机制 Developmental Biology 作业：以两栖类体轴形成为例，说明什么是以两栖类体轴形成为例，说明什么是Nieuwkoop中心、组织者、中心、组织者、-catenin及他及他们之间的关系们之间的关系 分别介绍概念及在早期胚胎发育中具有的重要功分别介绍概念及在早期胚胎发育中具有的重要功能。能。简述组织者和简述组织者和Nieuwkoop中心在两栖类胚轴形成中心在两栖类胚轴形成的分子生物学机制的分子生物学机制