第十四章脊椎动物体节的形成与分化.ppt

授课教师 吴中华 授课专业 生物科学 二零一四年 中胚层组织的分化路线 仿Gilbert 2000 第十四章脊椎动物体节的形成与分化 第十四章脊椎动物体节的形成与分化 脊椎动物神经胚期的胚胎中胚层可被分为5个区域 脊索中胚层 发育成为脊索 轴旁中胚层这一部分细胞迅速增殖 形成一对纵行的细胞索 随即形成一系列块状细胞团 称体节 somite 体节左右成对 从头部向尾部依次形成 每一个体节单位又分化为3个区域 即生皮节 生肌节和生骨节 最终分别发育成为真皮 骨骼肌和中轴骨骼 中间中胚层 发育形成泌尿生殖系统 侧板中胚层 是中胚层最外侧的部分 侧板中胚层又分为靠内侧的脏壁中胚层和外侧 紧贴外胚层 的体壁中胚层 两者之间形成体腔 脏壁中胚层覆盖于原始消化管外面 将分化为消化和呼吸系统的肌组织 血管和结缔组织等 心脏起源于前部的脏壁中胚层 体壁中胚层将来形成体壁 包括肢体 的骨骼 肌肉 结缔组织等 在羊膜类胚胎中 侧板中胚层还参与胚外膜的形成 头部间充质中胚层 将形成头面部的结缔组织和肌肉 第一节脊椎动物体节的形成 脊椎动物体节是由前体节中胚层 presomiticmesoderm PSM 形成的 而在体节开始形成时 大部分的预定体节细胞尚没有产生 体节的形成是一个细胞增殖与分化周期性进行的过程 胚胎尾芽区的PSM细胞属于未分化细胞 细胞分裂旺盛 而随着PSM细胞的增殖 PSM前部的细胞会逐渐脱离尾芽区而形成上皮化的体节 具有以下几个特征 脊椎动物体节是由前体节中胚层以 出芽 的方式从前到后依次形成的 每一个体节形成的周期是固定不变的 就像有一个时钟在控制 称为分节钟 segmentationclock 不同物种的体节数目和每一体节形成的周期有所不同 小鼠和人的体节发生周期分别为2h和8h 分节过程与其他形态发生过程是密切协调进行的 体节形成的时间与位置受到严格的调控 每一体节在形成的同时已具备前 后区域的分化和确定的前 后轴特异性 一 周期性表达基因 1997年 Pourquie Palmeirimetal 1997 实验室发现c hairy1基因在鸡胚前体节中胚层中周期性表达 c hairy1最初在PSM的后部和尾芽区广泛表达 随着前部预定体节的成熟 c hairy1的表达逐步向PSM前部推进并固定于新形成的体节的后半部分 其表达变化完成一个周期需要90min 与其体节形成周期恰好一致 Hairy1编码一个碱性HLH转录抑制因子 是Notch信号途径的靶基因之一 在小鼠和斑马鱼中 许多Notch信号途径因子的突变都会导致体节发育异常 同时一些周期性表达基因的表达也被破坏 说明Notch信号很可能直接参与了体节的形成和周期性表达基因的表达调控 二 周期性表达基因的转录调控 小鼠lfng基因启动子中负责其周期性表达的序列已被找到 其中含有一个CBF1 RBP J Notch信号的转录效应因子 的结合位点 表明它直接受到Notch信号的调控 同时还含有两个E box bHLH因子结合位点 图14 3 研究表明lfng deltaC等基因的表达可能受到Notch信号的正调控和hes7或其他hairy相关bHLH因子的周期性负调控 从而使得这些基因呈现周期性表达的特点 三 分节钟的分子机制 负反馈调节环路 2002年 Hirata等发现 在培养细胞中 经过血清刺激后 hes1mRNA和蛋白都呈现周期性表达 其变化周期恰好为2h 这与小鼠体节形成的周期是一致的 说明两者可能具有相同的分子机制 其中Hes1蛋白表达变化周期比起mRNA的变化周期滞后15min hes1mRNA和蛋白都具有一个很短的半寿期 约20min Hes1蛋白通过泛素 蛋白酶体途径被降解 如果加入蛋白酶体抑制剂以阻断Hes1蛋白的降解 其mRNA的转录就会被持续抑制 相反地 在Hes1蛋白失活时 其mRNA的转录则持续被激活 说明Hes1蛋白可抑制其本身mRNA的转录 同时这一系统中hes1转录的激活因子是持续存在的而不是周期性表达的 这一负反馈调节环路是hes1周期性表达的关键 在这一环路中 Hes1蛋白可抑制其mRNA的转录 但随着Hes1蛋白的迅速降解 其转录得以进行 从而开始下一个表达周期 这样 通过这一负反馈调节环路 hes1的表达被持续激活时就会自动呈现周期性表达的状态 Wnt信号同样参与了分节的过程 Axin2是一个Wnt信号抑制因子 Aulehla等 2003 发现 Axin2在小鼠PSM中也存在周期性表达的现象 而其循环周期与Lfng表达周期的时相并不一致 在Wnt3a的一种突变体中 体节的分节也出现异常Axin2的表达降低 而且Lfng的周期性表达也会丧失 Wnt3a与Axin2的表达之间可能也存在一个负反馈调节环路 Wnt途径参与体节形成的确切机制还有待于进一步研究 四 FGF信号与体节形成 FGF8在鸡胚后部PSM中有很强的表达 由后向前逐渐减弱 形成一个浓度梯度 FGF因子对于维持后部PSM细胞的未分化状态可能具有重要作用 而FGF8表达水平的降低是前部PSM细胞进入成熟程序所必需 实验表明 体节的最初决定发生在PSM中距离最后一个已形成的体节之后约4个体节的位置 称为 决定前沿 determinationfront 这一位置恰好是FGF8表达区域的前沿位置 如果用药物抑制FGF信号 会使新形成的体节变大 而在PSM中植入带有FGF8的琼脂糖小珠 体节则会变小 说明FGF信号对于决定PSM中体节形成的前沿位置具有重要作用 第二节脊椎动物体节的分化与肌肉发生 体节形成后 在其周围组织的诱导下 进一步分化为生骨节 生皮节和生肌节 生骨节是由脊索和腹侧神经管诱导产生的 生肌节的轴上部分 将发育为脊柱的肌肉 是由脊索和背部神经管诱导产生的 而这一过程受到侧板中胚层的限制 生皮节是由神经管诱导产生的 诱导产生生骨节的信号分子是Sonichedgehog Shh 它在脊索和神经管的基板中表达 Shh可诱导预定生骨节细胞表达pax1和sox9基因 并表达肌肉发生的抑制因子Id类基因 脊椎骨与体节的位置并不对应 每一节脊椎骨是由一个生骨节的后半部分与后一生骨节的前半部分共同形成的 脊椎骨的前 后轴属性 头椎 颈椎 胸椎 腰椎 骶椎 尾椎 是由它所在区域表达的Hox基因控制的 Hox基因的过表达或敲除会引起脊椎骨性质的改变 生肌节的诱导较为复杂 在前体节期 这些细胞受到Shh信号的诱导 而在体节期 在有背部神经管产生的Wnt信号的诱导下 生肌节细胞开始表达促进肌肉发生的myf5基因 而pax3基因的表达受到抑制 pax3基因之前在整个体节中都表达 它会抑制肌肉的发生 侧板中胚层对肌肉的发生也具有抑制作用 这可能是由其表达的BMP4因子介导的 生肌节产生的范围是由来自背神经管的Wnt信号和来自侧板中胚层的BMP4信号共同调控的 Wnt信号会诱导生肌节中部细胞表达BMP信号的抑制因子Noggin 从而限制BMP信号的作用范围 轴下生肌节 将发育为胸部和腹部的肌肉 的诱导机制可能有所不同 它们距神经管较远 可能受到来自背部表皮组织的Wnt信号的调控 生皮节的分化受到来自背部神经管的Neurotrophin3 NT3 的诱导 阻断这一因子的功能会抑制真皮的产生 二 肌肉发生 所有骨骼肌都来源于体节的生骨节或头部中胚层的相应区域 平滑肌来源于侧板中胚层 而心肌由特化的心脏原基产生 在骨骼肌的分化过程中 细胞首先被诱导成为成肌细胞 myoblast 经过一段增殖和 或迁移 然后停止分裂 经过细胞融合形成特征性的多细胞核的肌纤维 已发现有两类分子参与了成肌细胞的融合 ADAM家族的金属蛋白酶Meltrin和名为Tetraspanin的跨膜蛋白 第十五章脊椎动物眼的发育 晶状体和角膜起源于表皮外胚层 视网膜及虹膜和睫状体上皮则起源于前部神经板 而角膜的基质层起源于神经嵴细胞来源的间充质细胞 第一节脊椎动物眼的发育过程 一 眼的发育过程 原肠胚晚期 在神经板前部预定前脑区域形成眼区 eyefield 随后 这一区域分裂为左 右两个 在神经胚期 预定眼区由前脑侧壁向外凸出形成视泡 并继续发育为视杯 在视泡的诱导下 位于视泡外侧的表皮外胚层发育形成晶状体板 进而分化形成晶状体 pax6是调节晶状体发育的主控基因 角膜由表皮外胚层发育形成 眼周的间充质细胞 起源于神经嵴 迁移入角膜 将来形成角膜的基质 虹膜和睫状体由视杯边缘的细胞形成 视杯的外层形成视网膜色素上皮 而其内层形成视网膜 包含有6种不同类型的细胞 包括感光细胞 视网膜神经节细胞的轴突向视柄生长形成视神经 脊椎动物眼睛发育的基本过程示意图 A D 仿Graw 2010 E 仿ChowandLang 2001 二 眼区的形成与分裂 眼的发育起始于原肠胚期 在神经板前部形成一个单一的预定眼区 eyefield 眼区的决定是伴随着神经板前 后轴的图式分化 在神经板前部特定区域形成 Wnt信号在眼区的形成中具有重要作用 在爪蟾中 过表达Wnt受体Fzd3可诱导眼区基因 pax6 Rx和Otx2 的异位表达 甚至可诱导形成异位的眼 近来的研究表明 miRNA在调节眼区基因表达方面具有重要作用 Shh在脊索和神经管的腹侧基板中表达 对于中线的发育和眼区的分离具有重要作用 six3基因负责调节Shh在间脑腹侧中线的表达 six3和shh基因的突变都会导致眼区不能一分为二 发生独眼缺陷 在人的前脑无裂畸形 holoprosencephaly 中也会出现独眼症状 其中大约有5 与shh和six3基因的突变有关 在斑马鱼中 Nodal信号途径在眼区分离过程中具有重要作用 这是因为在斑马鱼中 Nodal信号是脊索和神经管的基板发育所必需的 在Nodal信号途径的突变体中 脊索和神经管的基板无法形成 Shh的表达显著降低 眼区也就不能正常分离了 三 视杯与视泡的形成 在神经胚期 两个眼区分别由前脑侧壁向外凸出 形成视泡 opticvesicle 并与表面外胚层接触 两者之间的相互作用诱导外胚层增厚 形成晶状体板 lensplacode 视泡随后内陷 形成视杯 opticcup 视黄酸 retinoicacid 信号参与了这一过程的调控 在小鼠中 与视黄酸合成酶相关的视黄醛脱氢酶基因raldh2突变体胚胎的视泡不能内陷 也就不能形成视杯 Lhx2也是早期眼区特化过程的重要调控因子之一 它可能是联络由预定眼区到视杯形成过程的核心因子 C 视杯和晶状体泡的形成 D 角膜的形成 四 晶状体的形成与分化 在神经板时期 神经板前缘与表皮之间形成一个特殊区域 即前基板区 preplacodalregion 这一区域具有特殊的分化潜能 将来的晶状体 嗅神经 内耳 三叉神经节等都产生于这一区域 当视泡自间脑区域向外凸出 与基板接触时 就会诱导这一部位的基板细胞增厚 形成晶状体板 lensplacode 晶状体板细胞内陷 形成晶状体窝 lenspit 也称晶状体杯lenscup 进而与表皮分离 形成晶状体泡 lensvesicle 晶状体泡表面的上皮重建形成角膜上皮 晶状体的形成与分化 许多的同源框家族转录因子 如Pax6 和FGF Wnt信号等参与了晶状体的发育过程 其中pax6是调节眼发育的主控基因 人的pax6的突变会也造成小眼缺陷 神奇的是 把eyeless基因在果蝇的翅膀 触角和腿上异位表达 会在这些部位诱导形成眼 在非洲爪蟾的发育早期注人pax6mRNA 也能诱导出异位的眼 证明了eyeless pax6是眼发育的主控基因 也提示所有眼的早期发育都受pax6基因的调控 在小鼠中 pax6是晶状体板形成和晶状体发育所必需的 pax6最初在整个预定基板区都表达 但随后在非晶状体板区表达下调 six3和sox2也参与了晶状体的发育 这两个基因在预定眼区都高度表达 six3的表达开始于pax6之前 six3可直接激活pax6和sox2在晶状体中的表达 而pax6位于six3下游 sox2也是six3的直接靶基因 另一方面 pax6和sox2的表达也是相互调控的 在前基板时期 pax6与sox2的表达并不相互依赖 但到晶状体板形成后 sox2的表达就依赖于pax6了 晶状体的发育需要FGF信号的激活 条件性敲除FGF受体在晶状体中的表达会引起晶状体发育缺陷 BMP信号同样是晶状体发育所必需的 如果在晶状体中同时敲除BMP受体Acvr1和Bmpr1a 晶状体板的增厚会减少 同时无法内陷 最终晶状体无法形成 晶状体的发育需要经典Wnt catenin信号被抑制 在晶状体中激活Wnt信号会抑制晶状体的形成 而在晶状体的正常发育过程中 Wnt信号的抑制同样依赖于Pax6 角膜的形成是由晶状体诱导表皮外胚层形成的 这是眼发育过程中的最后一个诱导事件 角膜最前部为一层上皮细胞 最后面是一层内皮细胞 中间是角膜基质 在晶状体窝形成晶状体泡与表皮外胚层脱离时 两者之间暂时有一个晶状体柄 lensstalk 相连 图15 3 当晶状体泡与表皮完全分离后 两者之间的间隙由来源于眼周围的间充质细胞 起源于神经嵴细胞 填充 之后 间充质细胞致密化形成多层细胞 细胞层之间由疏松的细胞外基质分隔 其中位于角膜最内侧 与晶状体相邻的一层细胞形成晶状体内皮细胞 而位于角膜最前面的表皮外胚层形成角膜上皮细胞 在小鼠出生约2周时 眼睑开始睁开 角膜上皮由2细胞生长至6 7细胞 在这一过程中 基部上皮细胞由卵圆形变为柱状 并开始高表达多种特异性的多功能蛋白 如乙醛脱氢酶3 大量分泌产生胶原等基质 角膜上皮细胞在终末分化过程中不会丢掉细胞核 角膜基质富含胶原和其他细胞外基质蛋白 在甲状腺素的作用下 基质脱水而变得透明 形成角膜 在小鼠中 角膜间充质细胞将分化为角膜细胞 keratocytes 而不终末分化为角膜基质 五 角膜的发育 六 虹膜和睫状体的形成 视杯的外层细胞产生色素 形成视网膜的色素层 而内层细胞则分化形成神经视网膜 参见本章第二节 视杯边缘与晶状体泡相邻的细胞则形成 虹膜和睫状体 见图15 1 在小鼠中 虹膜的发育开始于胚胎发育的末期 交配后第17天 视杯的外缘向外扩展 形成虹膜 同时眼部间充质细胞沿虹膜上皮层迁移 并分化为虹膜基质 虹膜上皮与基质之间形成肌肉 虹膜基部的细胞进一步分化形成睫状体 晶状体的存在对于虹膜的发育是必需的 BMP和Wnt信号在这一过程中具有重要作用 视网膜的基本细胞类型与结构 第二节视网膜和视神经的发育 一 视网膜色素上皮的分化 视杯有两层细胞构成 外层细胞最终分化为视网膜色素上皮 retinalpigmentedepithelium RPE 产生色素 图15 4 眼周围的间充质细胞对RPE的形成具有重要作用 在斑马鱼中 间充质细胞产生的活性素A activinA 参与调节RPE的发育 相反的 在鸡胚中 由表面外胚层细胞产生的FGF信号则抑制RPE的发生 在小鼠中 在预定RPE中过表达FGF9也会抑制RPE的发育而形成第二个神经视网膜 相反的 FGF9敲除小鼠中RPE会过度发育而侵人神经视网膜层 转录因子Mitf Otx1 Otx2和Pax6参与RPE的发育 其中Mitf属于螺旋 环 螺旋家族 它直接调控参与黑色素合成的酪氨酸酶 酪氨酸酶相关蛋白Trp1和Trp2的表达 Mitf的突变会导致视网膜色素上皮发育缺陷 二 神经视网膜的分化 视杯内层细胞形成神经视网膜 视网膜前体细胞增殖并逐渐分化为6种神经元 即 视网膜神经节细胞 retinalganglioncells RGCs 无长突细胞 amacrinecell 水平细胞 horizontalcell 双极细胞 bipolarcell 及感光的视锥 cone 和视杆 rod 细胞 而M ller细胞则属于胶质细胞 神经视网膜主要可分为3个细胞层 图15 4 神经节细胞层 ganglioncelllayer GCL 主要包含神经节细胞 内核层 innernuclearlayer INL 包含双极细胞 水平细胞 无长突细胞和Muller胶质细胞 外核层 outernuclearlayer ONL 包含感光细胞 视锥和视杆细胞 在小鼠中 视网膜前体细胞按一定的时间次序分化为神经细胞和胶质细胞 首先形成的是神经节细胞 之后是无长突细胞 视锥细胞和水平细胞 而双极细胞和视杆细胞形成较晚 转录因子Hes1和Hes5参与调控视网膜前体细胞的增殖 它们都是Notch信号通路的靶基因 在Hes1突变胚胎中 视网膜细胞增殖严重不足 在Hes5突变小鼠中 胶质细胞的数目会减少约1 3 转录因子Chx10负责抑制Mitf在神经视网膜中的表达 维持其神经属性 Chx10突变在人和小鼠中都会导致眼严重缺陷而致盲 Math5是神经节细胞分化所必需的 它是Pax6的下游靶基因 Math5突变时神经节细胞基本不能形成 无长突细胞分为 氨基丁酸能 GABAergic 和甘氨酸能 GABAergic 细胞 有实验表明Barh12参与调控甘氨酸能无长突细胞的形成 而Bhlhb5参与 氨基丁酸能无长突细胞的形成 水平细胞与无长突细胞共用部分调控因子 如敲除foxn4或ptfla时 水平细胞完全消失 无长突细胞减少 水平细胞的形成还需要prox1 Mash1和math3是双极细胞分化所必需的 在math1 math3双突变小鼠中 双极细胞完全消失 感光细胞的分化依赖于转录因子Otx2和Crx的调控 其中任一基因突变都会导致感光细胞转化为无长突细胞 感光细胞在默认状态下会分化为视锥细胞 在Nr1表达时则会分化为视杆细胞 敲除nr1会导致视杆细胞缺失 视网膜的分化是一个复杂的过程 这一过程的基因突变很多会导致视网膜病变 三 视神经的发育 视杯与间脑通过视柄相连 视网膜神经节细胞的轴突由眼的基部向视柄部位生长 在视网膜后方中心处聚合成一束 进而穿过视网膜进人视柄 形成视神经 图20 6 视网膜上神经节轴突会聚的位置称为视神经盘 opticdisc 视神经盘是视神经的起始部位 在这个位置上没有感