三胚层分化.ppt

三胚层及器官发生 主讲 张坤小组成员 张坤薛樱子姚冠颖 脊椎动物三胚层形成的部分器官 第一节外胚层与中枢神经系统 一 中枢神经系统的发育中枢神经系统是动物体一切活动的指挥中心 由原肠胚中预定的神经外胚层细胞形成神经管 neuraltube 的过程称为神经胚形成 neurulation 处于这一发育阶段的胚胎称为神经胚 neurula 由神经外胚层细胞形成神经管的方式有两种 一种为初级神经胚形成 primaryneurulation 即由脊索中胚层引导覆盖在它上面的神经外胚层细胞增殖 内陷 并脱离皮肤外胚层 形成中空的神经管 另一种方式为次级神经胚形成 secondaryneurulation 即神经管起源于胚胎中的一条实心细胞索 该细胞索中心变空以后 形成神经管 神经管形成的起始 来自背部中胚层的信号诱导预置神经板边缘的细胞的背侧收缩 而预置的表皮细胞向中线移动 使表皮与神经板交接处凸起形成神经褶 初级神经胚形成 primaryneurulation 即由脊索中胚层引导覆盖在它上面的神经外胚层细胞增殖 内陷 并脱离皮肤外胚层 形成中空的神经管 Primaryneurulation的过程 神经管闭合 左右神经褶被牵引到背中线结合到一起 神经管随即闭合 某些动物神经褶连接处的细胞形成神经嵴细胞 但哺乳类神经褶举起时头部神经嵴细胞就开始迁移 人类的神经形成 A 22天胚胎前后神经孔都开口与羊水相通 B 前端神经孔已经闭合 后端神经孔仍然开口 C 神经管闭合区域 D 无脑畸形 E 脊髓裂 神经管形成的扫描电镜图 整个初级神经胚形成过程可分为5个连续的阶段 1 神经板形成 2 神经底板 neuralfloorplate 形成 3 神经板变型 shaping 4 神经板弯曲形成神经沟 5 神经沟封闭形成神经管 2 次级神经胚形成 次级神经胚形成是指髓索 medullarycord 的形成以及髓索随后变为中空的神经管 蛙和鸡胚的腰椎和尾椎形成时能观察到这种形式的神经胚形成 鸡胚尾区的次级神经形成 3 神经管的区域化 神经管形成后 紧接着要进行分化 形成中枢神经系统的不同区域 神经管的分化在三个水平上同时进行 在解剖水平上 神经管及其管腔经膨大和缢缩 形成脑腔和脊髓腔 在组织水平上 神经管壁细胞经重组后形成脑和脊髓的不同功能区 在细胞水平上 神经上皮细胞本身分化为各种类型的神经元和神经胶质细胞 脑的分区 人类大脑的发育有相当大的适应能力 特别是新皮质的发育中更为显著 人类的大脑甚至在出生以后仍按胎儿的速度发育 Holeetal 1975 与其它的灵长类动物相比 要使大脑发育完全 人类的妊娠期应该需要21个而不止9个月 Portmann 1941 但是 几乎没有妇女的妊娠期达到21个月 因此此时胎儿头部大太 不能通过生殖道 因而 人类胎儿一般在9个月末时就出生 尽管此时大脑并没有发育完全 神经嵴 neuralcrest 细胞 神经嵴 neuralcrest 细胞起源于神经管背部区域 在神经管将要完全闭合时 沿着原来神经板的左右两侧从背部神经外胚层形成神经嵴 尽管神经嵴来源于外胚层 由于其重要性而有时被称为第四胚层 神经嵴细胞发生部位 神经管闭合处的神经管细胞和与神经管相接的外表层细胞 它们间质细胞化而成为神经嵴细胞 特点 具有迁移性 分化命运 因发生的部位和迁移目的地不同而不同 可分化为感觉 交感及副交感神经系统的神经元和胶质细胞 肾上腺髓质细胞 表皮中的色素细胞 头骨软骨和结缔组织等 神经嵴可以分为4个主要功能域 有所重叠 1 头区神经嵴2 躯干神经嵴3 迷走区和骶区神经嵴4 心神经嵴 二 表皮及其衍生物的发育1表皮细胞的起源胎皮和基底层基底层 棘层 颗粒层 过渡型细胞 角质层 皮肤的发育与两种生长因子密切相关 一种是TGF transforminggrowthfactor 它是在基底细胞中合成的 合成后又刺激基底细胞自身的分裂 因此它是一种自分泌发生因子 另一种生长因子为KGF keratinocytegrowthfactor 也称为成纤维细胞生长因子7 FGF7 由真皮下的成纤维细胞合成 具有调控基底细胞分裂的作用 如将KGF基因与角蛋白启动子连接后转入小鼠中 KGF可变为自分泌生长因子 其结果是该转基因鼠的皮肤比正常的要厚 宽松下垂 基底细胞多 无毛囊 Guoetal 1993 大疱型表皮松懈症 家族性良性慢性天疱疮 2皮肤衍生物 2 中胚层的分化 脊椎动物中胚层的分化对于器官和系统的发生起着主导和奠基的作用 其中脊索是这一阶段发育的启动和组织者 而在脊索和神经管的作用下 中胚层分化深入 脊椎动物中胚层的分化发育与神经胚的形成几乎是同时进行 相互促进的 而神经胚发育的完成又为中胚层的进一步发育奠定了形态结构以及诱导控制环境的基础 神经胚时期中胚层可分成5个区域 1 位于胚胎背面中央的脊索中胚层形成脊索 2 背部体壁中胚层形成体节和神经管两侧的中胚层细胞 进一步分化为背部许多结缔组织 3 中段中胚层形成泌尿系统和生殖器官 4 离脊索稍远的侧板中胚层形成心脏 血管 血细胞以及体腔衬里和除肌肉之外的四肢所有中胚层成分 5 头部间质形成面部结缔组织和肌肉 一 脊索和体节分化1 轴旁中胚层中胚层和内胚层器官的形成与神经管同步发生 在脊索两侧加厚的中胚层带 即轴旁中胚层 paraxialmesoderm 随着原条退化和神经褶开始在胚胎中央合拢 轴旁中胚层分隔成细胞团块 称为体节 somite 体节细胞能形成脊椎 肋骨 背部皮肤真皮 背部骨骼肌以及体壁与四肢骨骼肌 2 体节形成的起始第一对体节在胚胎前端形成 后面的新体节从吻端轴旁中胚层开始 按照一定间隔有规律地形成 由于胚胎发育速度略有差异 因此体节数目通常是发育进程的最佳指标 所形成的体节总数具有种的特异性 右图为鸡胚体节 3 体节细胞的分化当体节最初形成时 各部位的细胞在发育上是等潜能的 任何体节细胞都能变成所有体节衍生的结构 但随着体节成熟 体节各区定型 只能形成一定的细胞类型 体节的特化是通过几种组织相互作用而完成 体节腹中部细胞 离背部最远 离神经管最近的细胞 经过有丝分裂 失去上皮细胞的特性 变成间充质细胞 产生这些细胞的体节部分称为生骨节 sclerotome 这些间充质细胞最终变成脊椎的软骨细胞 chondrocyte 软骨细胞将负责构建轴性骨骼 脊椎 肋骨 软骨和韧带 体节侧面 离神经管最远的区域 的细胞也分散开 形成四肢和体壁肌肉的前体细胞 二 侧板中胚层 侧板中胚层与体节中胚层毗连 在水平方向上分成背部的体壁中胚层和腹部的脏壁中胚层 体壁中胚层和脏壁中胚层之间是体腔 从未来颈区延伸到身体后部 在胚胎发育后期 左边和右边体腔融合 并从体节中胚层伸出皱褶 fold 将体腔分成分离的腔 在哺乳动物 体腔又细分为包裹胸 心脏和腹部的胸膜腔 围心腔和腹膜腔 产生中胚层体节和身体衬里的机制在整个脊椎动物的进化中几乎没有改变 鸡胚横切面 示中胚层的发育 与大量卵黄分离之后 鸡胚与蛙胚在某一阶段相似 1 胚外膜的形成爬行类胚胎形成了四套胚外膜 用以调节胚胎和环境之间的关系 实现在干燥陆地发育 正在发育的爬行类 鸟类和哺乳类胚胎本身和胚外区域起初并无明显差别 随着胚体逐渐成形 边缘上皮不均等分裂 产生体褶 bodyfold 把胚胎和卵黄分开 并勾画出胚胎本身和胚外结构的轮廓 体褶是位于中胚层上的外胚层和内胚层上皮扩展而成的 外胚层和中胚层的混合体常被称为体壁层 somatopleure 形成羊膜 aminion 和绒毛膜 chorionmembrane 内胚层和中胚层的混合体被称为脏壁层 splanchnopleure 形成卵黄囊 yolksac 和尿囊 allantois 内胚层和外胚层作为功能性上皮细胞发挥作用 而中胚层的功能则是形成进出内胚层和外胚层上皮的血液 羊膜细胞分泌羊水 因此产于陆地的卵其胚胎仍在水中发育 爬行类 鸟类和哺乳类都利用这种结构进行发育 并因此被归入一大类 即羊膜类脊椎动物 尿囊存贮尿废物并调节气体交换 是正在发育的胚胎保存有毒新陈代谢副产物的场所 尿囊膜的中胚层常和绒毛膜的中胚层接触 并与之融合 产生绒毛 尿囊膜 chorioallantoicmemberane 后者含有极其丰富的血管 对于鸡胚发育至关重要 2 心脏的发生形成循环系统是侧板中胚层最重要的功能之一 循环系统是发育过程中最先行使功能的系统 而心脏是第一个行使功能的器官 脊椎动物的心脏起源于脏壁中胚层的两个区域 心脏原基 分别位于身体的两侧 这两个区域与周围临近组织的相互作用决定心脏发育 心脏发育的主要阶段 预定心脏形成区的形成 预定心脏形成细胞通过原条迁移形成心脏原基 心脏形成细胞的分化 两个心脏原基合拢形成心管 心脏腔室的分隔 心脏四腔形成 1 心原基的形成两栖类 鸟类和哺乳类是由成对的预定心脏形成区 心脏原基 heartrudiments 在心脏发育的后期融合形成心脏 随后预定心脏细胞在内胚层和外胚层之间向胚胎中部移动 并与内胚层表面保持紧密接触 当预定心脏细胞到达消化管前端侧壁时 迁移停止 2 心管的形成随着神经胚形成的不断进行 脏壁中胚层形成皱褶将前肠包裹 脏壁中胚层向内形成皱褶的运动将心脏两个双壁管带到一起 最终心肌外膜合并成一根管 两个心内膜短时间内位于同一个腔内 但它们终将融合在一起 至此 原先成对的体腔合并成一个 心脏位于其中 阻止侧板中胚层的合并将导致发生心脏断裂 cardiabifida 即在身体两侧形成分裂的心脏 3 心腔的形成最初的心脏是具有一个心房和一个心室的双腔管 当心肌细胞产生一种因子 可能是转化生长因子 3 导致毗邻的心内膜细胞脱离并进入两者之间含有丰富透明质的心胶质 cardiacjelly 时 心内膜垫 endocardialcushion 形成 把心脏双腔管分成左右房室管 同时原始心房被向心内膜垫生长的的两个心房隔膜分隔开 心室的分隔是由向心内膜垫生长的心室隔膜完成的 至此心脏变成4个腔的结构 3 血管的形成血管形成是生理限制 物理限制和进化限制协调统一的产物 由中胚层形成血管称为血管形成 vasculogenesis 鸡胚有两种成血管细胞 第一种是脑区轴旁中胚层提供形成头部血管的成血管细胞 第二种成血管细胞来自脏壁中胚层 它们移居到内脏器官 肠和主动脉基底部 脏壁中胚层细胞的侵入是羊膜发育的关键一步 因为卵黄囊成簇排列的血管生成细胞即血岛 bloodisland 形成卵黄静脉 向胚体输送营养 并负责气体进出交换 基膜能启动血管中的细胞分化为不同的类型 血岛中央的细胞分化成胚胎血细胞 随着血岛生长 它们最终融合形成毛细血管网 逐渐消失于卵黄静脉中 而卵黄静脉把食物和血细胞运输到新形成的心脏中 鸡胚及其卵黄囊的胚胎循环系统 血液通过卵黄静脉离开胚胎 进入卵黄囊 营养物质和氧气被吸收后 血液通过卵黄静脉返回 由静脉窦返回到心脏 哺乳类胚胎从胎盘获得营养物质和氧气 因此 哺乳类胚胎虽有类似卵黄静脉的血管 但营养物质和氧气的供应主要来自将胚胎与胎盘连接的脐静脉 鸟类和两栖类 血细胞最早来源于卵黄或卵黄囊 但这些血细胞只是胚胎发育中过渡性血细胞 真正终生存在的造血干细胞来源于环绕主动脉的中胚层区域 由它们形成成体动物的血细胞 哺乳动物 小鼠胚胎中最初的血岛出现在卵黄囊中胚层 只能满足胚胎的呼吸需要 发育到第11天 前体血细胞迁移到肝脏中 形成胎儿和成体循环系统的血细胞 大约在胎儿出生时 肝脏内的造血干细胞迁移到骨髓中 成为主要的终生血细胞形成场所 内胚层的分化 胚胎内胚层的功能是构建两根管道消化管和呼吸管的衬里 消化管和呼吸管均起源于原肠 随着内胚层向胚胎中央挤压 出现前肠和后肠区域 起初口端被称为口板 oralplate 或原口 stomodeum 的外胚层堵塞 最终原口破裂形成消化管开口 这个开口本身由外胚层衬里 消化管和呼吸管的内胚层部分开始于咽 人16天胚胎的消化管 示原肠的形成 人18天胚胎的消化管 示前肠和后肠的形成 人22天胚胎消化管的形成 示原口 咽 泄殖腔 cloacalplate 等的形成 人28天胚胎消化管的形成 示口 肺芽 胃 胰腺 肝脏的形成 人6周胚胎内胚层的发育 A 人30天胚胎胰腺的发育B 人35天胚胎胰腺的发育 C 发育至6周时 腹胰腺芽和背胰腺芽发生接触 D 大部分人的背胰腺芽消失 少部分人 10 存留 在咽后部 消化管紧缩形成食管 其后依次是胃 小肠和大肠 内胚层细胞只产生消化管的衬里及腺体 而中胚层间充质包围消化管 产生用于蠕动 peristalsis 的肌肉 内胚层还形成紧位于胃后的三种附属器官肝脏 胰腺和胆囊的衬里 肺虽然不起任何消化作用 但却是消化管的衍生物 在咽底部中央第四对咽囊之间 喉气管沟 laryngotrocheal 向腹部延伸 然后喉气管沟分支形成两个管 其中一个形成一对支气管 另一个形成肺 肺在进化上是一种较新的结构 是哺乳动物器官中分化最充分的器官 新生儿肺泡细胞向浸润肺的液体中分泌一种由鞘磷脂和卵磷脂组成的表面活化剂 使肺泡相互接触而不粘在一起 以保证婴儿第一次呼