06第五章脊椎动物的早期发育

第五章 脊椎动物的早期发育 1882 年 胚胎学家 Von Baer 对鸡胚发育进行了详细研究 并通过将鸡胚与其他脊椎动 物胚胎比较 总结出四条规律 1 在胚胎中 动物的一般特征比特化特征出现早 所有脊椎动物原肠作用后非常相似 都 有鳃裂 脊索 脊髓和原肾 纲 目和种的特征在后期发育中才出现 2 一般特征发育成较特化特征 而较特化特征最后发育成完全特化的特征 所有 脊椎动物开始都有同样类型的皮肤 只是到后来才发育成鳞 羽毛 毛发 爪和指甲 都 有脊椎动物的附肢在早期是相同的 后来才出现腿 翅和臂的分化 3 给定物种的每个胚胎 并不经历其他动物的成年期特征 而是逐渐远离这些动物的成年 期特征 鸟类和哺乳类胚胎期鳃裂与鱼类成体鳃裂细节上并不相同 而与鱼类和其他脊椎 动物的胚胎鳃裂相似 4 高等动物的早期胚胎从来都不象低等动物的成体 而只是与其早期胚胎相似 Von Baer 观察到不同动物在早期胚胎发育中享有一些共同特征 随着发育的进 行 共有特征变得越来越具有种的特异性 所有脊椎动物的发育有一个共同的模式 三胚 层形成动物不同的器官 并且三胚层形成的器官衍生物是恒定不变的 外胚层形成皮肤和 神经 内胚层形成呼吸道和消化道 中胚层形成结缔组织 血细胞 心脏 泌尿生殖系统 以及大部分内脏器官 第一节 神经胚形成概述 一 中枢神经系统的形成 胚胎形成中枢神经系统原基即神经管的作用称为神经胚的形成 而正在进行神经管形成的 胚胎称为神经胚 神经胚形成主要有两种方式 初级神经胚形成和次级神经胚形成 1 初级神经胚形成是指由脊索中胚层诱导覆盖于上面的外胚层细胞分裂 内陷并与表皮脱 离形成中空的神经管 2 次级神经胚形成是指外胚层细胞下陷进入胚胎形成实心细胞索 接着再产生空洞形成中 空的神经管 鱼类神经胚形成完全是次级的 两栖类蝌蚪绝大部分属于初级 尾部神经管通过次级产生 鸟类神经胚前端属于初级 后端 后肢以后 属于次级 小鼠等哺乳动物 35 体节以后次级产生 1 初级神经胚形成 脊椎动物原肠作用产生一个内部的内胚层 中间的中胚层和外部的外胚层组成的三胚层胚 胎 胚胎背部的中胚层和覆盖在上面的外胚层之间的相互作用是发育中最重要的相互作用 之一 将启动器官形成 即特异性的组织和器官的产生 在这种相互作用中 脊索中胚层 指导上方的外胚层形成中空的神经管 后来分化成脑和脊髓 初级神经胚形成过程中 最初的外胚层被分成三种类型的细胞 位于内部的神经管细胞 将来形成脑和脊髓 位于外部的皮肤表皮细胞 神经嵴细胞 从神经管和表皮连接处迁移出来 将来形成周围神经元和神经胶质 皮肤 的色素细胞和其他细胞类型 蛙的初级神经胚形成过程如下图 其余两栖类 爬行类 鸟类和哺乳类神经胚形成过程也 与蛙相似 外胚层预定形成神经组织的第一个标志是细胞形状的改变 中线处的外胚层细 胞变长 预定形成表皮的细胞变扁平 背中线处外胚层细胞的变长使预定神经区上升到周 围外胚层的上面 由此形成神经板 神经板形成后不久 边缘加厚并向上翘起形成神经褶 在神经板中央出现的 U 型沟即神经沟 将胚胎未来的右边和左边分开 神经褶向胚胎背中 线迁移 最终合拢形成神经管 神经管最靠背面部分的细胞变成神经嵴细胞 蛙 神 经 胚 形 成 身体不同区域的神经管形成方式不同 头部和躯干部分管形成主要以初级神经胚形成方式进行 其过程可分为五个时期 神经板形成 神经底板形成 神经板的整形 神经板弯曲成神经沟 神经沟闭合形成神经 管 2 次级神经胚形成 次级神经胚形成包括髓索形成及其随后空洞化成为神经管 在蛙和鸡胚中 通常在腰椎和 尾椎形成时能观察到这种类型的神经胚形成 在这两种情况下 次级神经胚形成可看作是 原肠作用的继续 但是 背唇细胞并不卷入胚胎内 而是在腹面不断生长 胚唇端部不断生长的区域称为脊 索神经铰合 包含神经板最后端和脊索后端部分 脊索神经铰合区的生长把大致呈球形的 非洲爪蟾原肠胚 1 2 mm 转变成为 9 mm 的蝌蚪 其尾部是背唇的直接衍生物 而排列 在胚孔内四周的细胞则形成神经肠管 神经肠管末端部分与肛门融合 而远端部分成为室管膜腔即神经管腔 3 脑区形成 神经管同时在三个层次水平上分化成中枢神经系统的不同区域 在解剖学水平 神经管及 其管腔膨胀和收缩而形成脑室和脊髓的中央管 在组织学水平 神经管壁细胞发生重排而 形成脑和脊髓不同的功能区域 在细胞学水平 神经上皮细胞本身分化成身体中不同类型 的神经元和神经胶质 大多数脊椎动物脑的早期发育都是相似的 哺乳类早期神经管是笔直的 在神经管后部形成之前 前端已发生剧烈变化 膨大 成三个原始的脑泡 前脑 中脑 菱脑 神经管后端合拢时 次生膨大眼泡已经从正在发育的前脑两侧凸出来 前脑再细分为前端的端脑和稍后的间脑 端脑最终形成大脑两半球 间脑形成丘脑和下丘 脑以及接收来自视神经输入端区域 视网膜也是间脑的衍生物 中脑不再细分 其腔最终形成大脑导水管 菱脑细分为后部的髓脑和稍前端的后脑 髓脑最终形成延髓 后脑形成小脑 早期胚胎脑非常膨大 不仅表现在膨大速度和程度上 而且表现在膨大主要是腔的增加而 不是组织生长的结果 据认为 这种迅速膨胀是由神经管里的液体挤压管壁而产生的正向液压造成的 二 神 经 嵴 神经嵴尽管来源于外胚层 由于其重要性而被称为第四胚层 神经嵴细胞起源于神经管最 靠背部的区域 神经嵴细胞广泛迁移 产生各种类型的分化细胞 主要包括 感觉 交 感和副交感神经系统的神经元和神经胶质 肾上腺中产生肾上腺素 髓质 的细胞 表 皮色素细胞 头骨和结缔组织成分 神经嵴细胞的命运很大程度上取决于其迁移和定居 的位置 神经嵴可分成 4 个主要的功能部分 衍生衍生 细胞类型或衍生细胞类型或衍生 物物的结构的结构 周围神经周围神经 系统系统 神经元 包括感觉神经节 神经元 包括感觉神经节 交感和副交感神经节和神交感和副交感神经节和神 经丛 神经胶质 施万细经丛 神经胶质 施万细 胞 胞 内分泌和内分泌和 类内分泌类内分泌 衍生物衍生物 肾上腺髓质 降钙素分泌肾上腺髓质 降钙素分泌 细胞 颈动脉体细胞 颈动脉体 型细胞型细胞 色素细胞色素细胞 上皮色素细胞上皮色素细胞 面部软骨面部软骨 和硬骨和硬骨 面部和前腹侧的颅软骨和面部和前腹侧的颅软骨和 硬骨硬骨 结缔组织结缔组织 角膜内皮和基质 牙齿乳角膜内皮和基质 牙齿乳 头 头部和颈部皮肤的真头 头部和颈部皮肤的真 皮 平滑肌和脂肪组织 皮 平滑肌和脂肪组织 唾液腺 泪腺 甲状腺 唾液腺 泪腺 甲状腺 胸腺和垂体的结缔组织 胸腺和垂体的结缔组织 动脉弓发出动脉的结缔组动脉弓发出动脉的结缔组 织和平滑肌织和平滑肌 神经嵴部分衍生物 第二节 中 胚 层 神经胚期中胚层可分成 5 个区域 第一个区域是位于胚胎背面中央的脊索中胚层 形成脊索 脊索是一种诱导神经管 形成以及前后轴建立的临时器官 第二个区域是背部体壁中胚层 形成体节和神经管两侧的中胚层细胞 将来产生背 部许多结缔组织 骨 肌肉 软骨和真皮 第三个区域是中段中胚层 形成泌尿系统和生殖器官 第四个区域是离脊索较远的侧板中胚层 形成心脏 血管 血细胞以及体腔衬里和除肌肉 外四肢所有中胚层成分 此外 侧板中胚层也形成一系列的胚胎外膜 胚胎外膜在给胎儿 输送营养物质中起重要作用 最后一个区域是头部间质 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并非发生在神经管形成之后 而是同步发生 脊索呈棒状 从 头基部延伸到尾部 在脊索两边是加厚的中胚层带 即轴旁中胚层 轴旁中胚层带在鸟类被称为体节板 在哺乳类称为不分节中胚层 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模块 称为体节 尽 管体节是临时结构 但在组建脊椎动物胚胎的分节模式中极其重要 体节能决定神经嵴细胞的迁移路径和脊髓的神经轴突 体节产生构成脊椎和肋骨 背部皮肤真皮和骨骼肌以及体壁与四肢骨骼肌肉细胞 2 体节小体和体节形成 第一对体节在胚胎前端形成 新体节以规则的间隔从吻端轴旁中胚层 萌发 由于胚胎速 度略有变异 体节数目通常是发育进程最佳指标 体节总数具有种特异性 体节的形成机制尚未很好研究 对鸡胚的研究显示 体节板细胞组织形成轮状 称为体节 小体 随着最前端的体节小体变成致密结构 体节小体便转变成体节 从松散的体节小体 转变成上皮性体节与两种细胞外基质蛋白 纤连蛋白 N 细胞选择蛋白 的合成有关 这些蛋白的合成受 notch1 和 paraxis 的表达调控 notch1 基因编码的转录因子 在不分节背部中胚层最前端区域有活性 paraxis 也编码一种转录因子 在小鼠和鸡胚吻端 不分节中胚层表达 3 体节细胞分化 当体节最初形成时 任何体节细胞都能变成所有体节衍生的结构 但是 随着体节成熟 体节各区定型只能形成一定的细胞类型 体节腹中部细胞经过有丝分裂失去圆形上皮细胞特征 再度变成间充质细胞 最 终变成脊椎的软骨细胞 产生这些细胞的体节部分称为生骨节 软骨细胞负责分泌软骨特有的胶原和硫酸软骨素以及负责构建轴性骨骼 脊椎 肋骨 软骨和韧带 体节侧面细胞形成四肢和体壁肌肉前体 一旦生骨节细胞和体壁及四肢肌细胞前体从体节 中迁移出来 最靠近神经管的体节细胞向腹面迁移 保留下来的体节上皮形成双层实心上 皮 称为生皮肌节 生皮肌节的背层称为生皮节 产生背部皮肤的间充质结缔组织即真皮 而其内层细胞称为肌节 产生横跨脊椎使背部能够弯曲的脊椎肌肉 因此 体节对身体背部的形成至关重要 脊索细胞的变化 在为早期胚胎提供完整的体轴和诱导背部神经管形成之后 大部分脊索退化 在脊椎之间 脊索细胞形成椎间盘的组织 髓核 二 侧板中胚层 并非所有中胚层套膜都形成体节 中段中胚层与体节中胚层毗连 中段中胚层细胞索发育 成前肾管 即肾和生殖管道前体 中段中胚层每边的外侧为侧板中胚层 侧板中胚层在水平方向上分成背部位于外胚层下方的背部体节中胚层和腹部位于内 胚层上方的脏壁中胚层 体节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 右边和左边体腔融合 并从体节中胚层伸出皱褶 将体腔分成 分离的腔 在哺乳类 体腔又分成分别包裹胸 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行中几乎没有改变 1 胚外膜的形成 在爬行类 鸟类和哺乳类动物中 胚胎发育出现了新变化 爬行类进化出一种机制 把卵 产在干燥的陆地上 使他们能够自由地探寻远离池塘的生境 爬行类发展 4 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 虽然哺乳类进化出胎盘 取代蛋壳 但基本图式不变 在正在发育的爬行类 鸟类和哺乳类动物中 胚胎本身和胚外区域之间起初无明 显差别 随着胚体逐渐形成 边缘上皮不均等分裂 产生体褶 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 外胚层和中胚层混合体常被称为体壁层 形成羊膜和卵膜 内胚层和中胚层混合 体被称为脏壁层 形成卵黄囊和尿囊 内胚层或外胚层组织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 羊膜分泌羊水为胚胎提供了水环境 因此产于陆地的卵其胚胎仍然在水中发生 卵膜在卵和环境之间进行气体交换 哺乳动物的卵膜进化为胎盘 尿囊贮存尿废物并调节气体交换 爬行类和鸟类的尿囊是一个大囊 保存有毒新陈代谢产物 哺乳类的尿囊大小和胚胎 排出的含氮废物的效率有关 人类仅是一个残存的囊 猪则是一个体积大且功能重要的器 官 卵黄囊是形成的第一个胚外膜 为正在发育的爬行类和鸟类胚胎输送营养 卵黄囊由内胚 层细胞在卵黄上生长 并把卵黄包裹起来 通过一个开放管道与中肠相连接 所有卵黄囊 壁与消化管壁是连续的 2 心脏 形成循环系统是侧板中胚层的最大功能之一 循环系统由心脏 血细胞和复杂的血管系统组成 为正在发育的脊椎动物胚胎提 供营养 循环系统是正在发育的胚胎中的第一个发挥功能的系统 心脏是第一个发挥功能 的器官 脊椎动物的心脏起源于脏壁中胚层的两个区域 这两个区域与邻近组织相互作用决定心脏 发育 心脏形成细胞迁移到腹中线位置 并融合成一个由能收缩的肌细胞构成的管状心脏 管状心脏扭曲后成具有单个心房和单个心室的 S 形结构 随着心脏继续发育 心室形成层状结构 并以比心房更快的速度增殖 隔膜把心 腔隔开 形成瓣膜 3 血管的形成 1 对血管形成的限制 有三种因素能限制血管构建 第一种限制因素是生理的 第二种限制因素是进化的 第三 种限制因素是物理的 2 血管形成 由中胚层形成血管称为血管形成 在肠 肺和主动脉以及排列在卵黄囊内壁中胚层中 毛 细血管网均在各自组织内单独形成 即由每个器官中胚层所包含的称为成血管细胞的细胞 自身排列形成毛细血管 这些毛细血管网最终连接到主动脉血管延伸的小血管上 有三种因子可能参与启动血管的形成 1 碱性成纤维细胞生长因子 是中胚层细胞形成血管细胞所必须 2 血管内皮生长因子 能够特异性的促进成血管细胞分化 并促进成血管细胞分裂增殖 形成内皮管 3 血管生成素 调节内皮细胞核平滑肌之间的相互作用 3 血管的迅速生长 在肢芽 肾和大脑等器官中 存在血管能迅速生长 并把内皮细胞送到正在发育的器官中 这种由原先存在的血管增殖而形成新血管的血管形成方式称为血管生长 血管生长对任何组织的生长 甚至肿瘤的生长都是至关重要的 4 胚胎血循环 血液进入哺乳动物胚胎心脏之后 被泵进包绕咽部并将血液带到背部的一系列动脉弓中 主动脉和肺动脉在胚胎发育的大部分时间都具有一个共同的开口通向心脏 在动脉干中形 成隔膜而产生两个不同的血管 只有当新生命出现第一次呼吸时 心脏发生改变 把血液分别泵到肺动脉和主动 脉 第三节 内 胚 层 一 咽 胚胎内胚层的功能是构建体内两根管道的衬里 第一个管道是消化道 肝 胆囊和胰腺即由此道凸出形成 第二个管道是呼吸道 由消化道向外生长形成 最终分叉形成肺 消化管和呼吸管在胚胎前端区域有共同的腔室 称为咽 咽向外凸起形成的上皮外囊 产生扁桃体 甲状腺 胸腺和甲状旁腺 呼吸管和消化管均起源于原肠 随着内胚层向胚胎中央挤压 出现前肠和后肠区域 起初口端由被称为原口的外胚层堵塞 最后 人胚胎发育 22 天后 原口破裂 形成消化管开口 消化管和呼吸管的内胚层部分开始 于咽 二 消化管及其衍生物 在咽后部 消化管紧缩形成食管 其后依次为胃