胚胎形态发生

1、胚胎形态发生机制与变态人类及其他多细胞生物的胚胎发生，都起始于单个细胞一受精卵，经历一系列 复杂而有序的形态发生和变化过程。对于胚胎形态发生的一般过程，我们已经了解， 个体发生包括器官的发生和外形的变化都是重演种系发生（图7-1）。图7-1由Carl Ernst von Baer（1791-1876）首先观察几种脊椎动物早期胚胎外形非常相似（图7-中第一行）。Ernst Haeckel（1880）把这现象命名为Haeckel “生物发生定律”，即个体发生是重演种系发生进化的缩影（引自Muller WA. 1997）一、胚胎形态发生机制从细胞水平变化的观点，胚胎的形成是从全能细胞一多能细胞一专能

2、细胞一终 末细胞的发展过程，从一个受精卵发育成特定形态的一个多细胞个体。从单个全能 的受精卵产生各类型细胞的过程，称细胞分化。已分化的细胞在形态和功能方面有 一定的差异，并行使特定的功能，协同构成各种组织、器官和系统。在组建过程中， 细胞将代代相传，按照一定的时间和空间顺序构建世代相同的结构和模式。但是胚 胎形态发生的核心问题仍不十分清楚。随着遗传学、胚胎学、分子生物学等学科的 迅猛发展，人们已经认识到遗传信息、细胞间的信息传递和环境因素是胚体形成的 根本原因。遗传信息存在于细胞的基因组内，而所有细胞基因组信息是没有差别。 在胚胎发育过程中，不是个别基因的表达，而是各种基因在不同的时间、空间上

3、表 达、联系和配合，其中存在发育的遗传程序；这遗传程序是由调节基因控制的。有 关胚胎发育的遗传程序的研究是应用生命周期短的、且易操作的生物一果蝇进行实 验。已经发现的重要调节基因群有：母源基因，其表达产物在卵细胞质中有特定的 分布模式，可选择性地激活受精卵的基因，从而决定胚胎的体轴；分节基因，负责 奠定体轴分节发育的格局；同源异性基因，进一步决定各体节的演化为形态结构特 征，例如头、胸、腹。这些基因群在果蝇胚胎(受精卵一胚胎发育一孵化成幼虫一 蛹化成蛹一变态一孵化一蝇)发育中构成了多层次的调控网络。母源基因与胚胎体轴规定的关系母源基因表达产物，可能是某些特异性蛋白质或mRNA等大分子物质，称形

4、态 发生决定因子(morphogenetic determitant)或称形体素(morphogen)或胞质决定子 (cytoplasmic determitant)，在卵细胞发育晚期出现，但不是由卵细胞本身的基因组 转录产生，而是由其周围的卵泡细胞(营养细胞)提供的(图7-2左)。因其在胚胎 发生起重要影响，故称母源效应基因(maternal effect genes)，简称母源基因。图7-2果蝇卵巢中野生型和双头突变体卵细胞的发生(引自Muller WA, 1997)在果蝇早期胚胎发育中，是由母源基因产物-蛋白质调节其他基因的表达。这 些母源基因产物包含在DNA结合区(DNA-bindin

5、g domains)，并起调节该基因的转 录作用。母源基因决定胚体的轴心(axis determination)，建立一个两侧对称，且有 前-后轴、背-腹轴和左-右轴的体架构。若雌性有畸变可产生不正常胚胎，或许也可 以是正常胚胎。但是，基因组的分析结果显示是母亲的基因组(只能是在卵细胞时 期显示)有无畸变，而不是胚胎的基因组发生畸变。母体基因有两组：影响前、后 极(轴)的基因，有前组bicoid (bcd)、后组nanos (nos)和末尾组torso和caudal； 影响背、腹极(轴)的基因有dorsal (dl)和toll。在卵细胞成熟过程,bcd mRNA是以3端未翻译区直接进入卵细胞，

6、并锚定于 卵细胞的前极，使卵细胞前端成为组织中心（organizing center），在受精卵发育的开 始先翻译产生BICOID蛋白，比较集中在前端，还扩散到接近受精卵的前半，形成 前极最高浓度的浓度梯度（图7-3）。当它演变成囊胚时，各细胞核内的BICOID蛋 白也形成同样的浓度梯度。若bcd基因突变可引起BICOID蛋白产物缺陷。若两个 等位基因缺陷，即完全无bcd基因，则幼虫无头又无胸部，顶体节（头区）也被反 向的尾体节所代替。若卵细胞是双头（bicephalic）突变体，卵细胞两末端有bcd mRNA 阳性（图7-2），则形成的幼虫两端各有一个头。BICOID蛋白浓度梯度的作用是提

7、供位置信息（positional information）0高浓度BICOID蛋白激活头特异复合基因 （head-specific combination of genes ）的表达，低浓度时启动胸特异复合基因 （thoraxic-specific combination）表达，其阈浓度作为模式形成系统的边界。BICOID 转录因子激活合子（胚胎）的hunchback等基因的表达，主要分布在卵的前2/3,抑 制NANOS蛋白的影响。图7-3果蝇前-后体轴（左、背-腹体轴（右）的形成（引自Muller WA, 1997）后部组织中心受母源基因nanos和oskar基因产物的控制。如果将后极原生质

8、 移植到前极，结果成为无头幼虫。母源torso基因编码细胞外信号分子的受体蛋白。 母源toll基因编码细胞外信号信号分子，称spatzle因子，位于卵细胞腹侧外周隙。 当spatzle因子与torso基因编码受体蛋白结合，起了介导DORSAL蛋白磷酸化，使 得DORSAL蛋白原先在整个卵细胞质分布，重新配布而进入胚胎细胞核内。如同 前述BICOID蛋白一样，形成囊胚腹侧细胞核高浓度的浓度梯度（图7-3右，图7-4 上）。由于dpp基因编码的DECAPENTAPLEGIC因子（DPP因子，属于生长因子的 TGF家族），在细胞外形成DPP因子背侧高浓度的浓度梯度，与细胞内的DORSAL 浓度梯度协

9、同作用，使囊胚细胞分成几个不同命运的区域：沿腹中线是未来的中胚 层区，其两侧是神经外胚层，将来形成神经系统，与其相连的背外侧是外胚层，将 来形成幼虫表皮（图7-4）。图7-4果蝇背-腹轴模式的形成，以及原沟、中胚层陷入和未来神经系统的形成（引自Muller WA, 1997）（二）胚胎分节基因与胚胎体节形成的关系节肢动物体包括昆虫，其胚胎由沿着体轴重复的单位（modules）构成，成为组 建与结构单位，最终形成明显的体节（segments）。涉及体节模式形成是由母源基因 bcd编码的转录因子激活合子（即胚胎）的分节基因。体节结构的形成是按步发生。 胚胎初时先产生自己的mRNA和蛋白质。许多新蛋

10、白质是基因调节因子。其表达是 限于空间的表达区（expression zone）。当初表达区是宽的，后来其表达产物呈现较 小而多条的区带。已被确定参与产生体节结构的分节基因大约有25个。1、在囊胚时期表达的有：Gap基因，以宽而重叠地出现；包括hunchback基 因（hb） Kruppel基因（kr，德文，英文cripple=瘪子，伤残人）knirps基因（kn， 德文，英文doll=玩具or manikin=侏儒），分节基因缺失，根据其引起的畸变来命名 这些基因。若在hb缺失，导致不出现体中段而致体弯成弓状。2、Pair-rule 基因包括 hairy、even skipped、fushi

11、 tarazu （日语“太少体节”之 意），位于Gap基因之后。Pair-rule基因不构成细胞成分，而作为未来体节结构的 先兆。Pair-rule基因是以相间体节的7条细线形式表达：一条垂直线的细胞核有表达，而相邻的另一条线不表达，即表达和不表达呈相间分布。fushi tarazu在奇数体 节表达，而even skipped在偶数体节表达。因胚胎将是可见14个体节，它就有7条 表达fushi tarazu和另7条表达even skipped呈相间分布。3、到囊胚的细胞期，体节极性基因（segment polarity genes）再分为几个更小 的细线。几个基因在最终的分节中具有特别的意义，

12、先形成的体节中间有明显界线。 这些基因是engrailed （en）、wingless（wn）、hedgehog（hh）、patched（ptc）。在其 它节肢动物都可找到，这些基因显然是完成相应的工作有关。但是相关的基因在脊 椎动物也发现，例如HEDGEHOG蛋白弥散分布完成信号分子调控和促进胚胎发育。（三）同源异性基因与胚胎形态发生的关系同源异性基因（Homeotic Genes）又称同源盒（框）基因（Homeobox Genes， Hox genes）0其表达产物可能也是DNA结合蛋白，以转录因子的方式，识别特异性 启动子上的结合位点，对启动子施加不同的作用。同源异性基因发生缺失时，可导

13、致明显的器官错位现象发生，称同源转换（homeotic transformation）0例如触觉（触须）基因Antp-C基因）对分化为有翅膀 的前胸是必要的；若Antp-C发生突变，错误表达发生在头部和胸部，其结果头部转 换为胸节的结构，然而胸节应该是有腿而无触须（antenna），因此头部长出双腿而 不是触须（图7-5下）。相反，在纯合子（homozygous） Antp-C基因隐性突变体， 其基因表达产物，即有功能ANTP-C蛋白（ANTENNAPEDIA protein）没有在胸节 出现，同时腿部长出触须。通过近亲繁殖（inbreeding）几个同源突变体，产生有多 个翅膀的畸变蝇（图7

14、-5上）。这就是4个翅膀昆虫的进化原始状态，是一种返祖现象 (象 (atavism) o图7-5果蝇基因突变导致的畸形（引自Muller WA, 1997）果蝇同源异性基因多数位于第3染色体，排列成2簇，一簇是称触觉基因簇 （Antennapedia complex，Antp-C 基因簇），另一簇称双胸基因簇（bithorax complex， BX-C 簇）。两者构成HOM 复合体（Homeotic complex，HOM-C 基因）。Antp-C 基因 簇有5个基因，在前段体节表达，最终形成头和胸部；BX-C基因簇有3个基因，在 后段的体节表达，使后段体节形成胸和腹部；但其表达产物ANTP

15、-C蛋白和BX-C 蛋白的分布部位没有明显的分界限，Antp-C基因簇的最后一个基因，即Antp基因， 在胸2体节表达为主，而胸1体节和腹体节的浓度降低。说明两个基因簇的表达有 彼此有些重叠（图7-6）。tab Pb Dfd src Antp图7-6果蝇的同源异性基因，ANTP-C和BX-C组成基因序列沿着染色体顺序排列，其表 达也是按染色体基因序列从头部到尾进行。（引自Muller WA. 1997）表达产物HOM-C基因（Antp-C和BX-C基因簇）在第3染色体呈线形排列，按其在基因 簇的位置顺序按先后顺序表达。在果蝇蛹体内ANTP蛋白，是从头至尾的出现，首 先在头部出现，接着其后出现。

16、在后胸也是首先出现BX-C蛋白。最后腹部体节出 现的BX-C蛋白，是由HOM-C基因的几个基因所编码，绝大部分是由BX-C基因簇 的最后一个Abd-B基因所编码（图7-7）。果蝇蛹的HOM-C基因的各个基因在不同 部位表达，反映了基因表达有时间和空间的顺序。已经发现在哺乳动物如小鼠，包括人类同样有同源盒基因。人和小鼠的同源盒 基因与果蝇相应的基因组有高度相似性，并成线形排列在染色体上。小鼠和人的同 源盒基因有4个基因簇，位于4种不同的染色体，每个基因簇是由13个不同的基因 组成。小鼠Hox-A，-B，-C，-D基因簇，分别位于第6、11、15和2染色体。人的 同源盒基因是HOX-A，- B，-

17、C，-D基因簇，分别位于第7、17、12和2染色体（图 7-8）。每个基因簇转录的方向多数是从基因的3端开始。接近3端的基因在胚胎的前段最早表达。接近5端的基因在胚胎的后段，且较迟表达。HOM-CHox-CHox-DHox-AHox-B果蝇1前段最早表达。接近5端的基因在胚胎的后段，且较迟表达。HOM-CHox-CHox-DHox-AHox-B果蝇1图7-7果蝇蛹（胚胎）的HOM complex基因簇表达的时间和空间顺序（引自刘厚奇，张远强，周国民.2004）图7-8在果蝇和小鼠Homeotic Genes的组成和空间表达（引自Muller WA. 1997）总之，胚胎形态发生过程，包括模式形

18、成，头尾轴和背腹轴，分节的形成以及 每个器官的各种细胞组成的特定结构等一系列的事件，都由调控基因决定，以转录 因子的方式识别特异性启动子上的结合位点，对启动子施加不同的作用，再作用于 结构基因的表达。上述只是扼要地简述胚胎形成相关的部分基因调控的概念。目前 有关基因调控的研究还在继续深入中。二、变态：产生第二表型的二次胚胎发育（一）大多数的两栖动物和无脊椎动物都要经过变态发育变态是指动物个体整体形态的重大改变，并常伴随有生活方式和生活习性的变 化。新表型的出现。大多数生活在海底的海洋无脊椎动物能产生浮游生活的幼虫。在浮游生活的这 一时期，这些幼虫以其它浮游生物为食，然后寻找散在的或瞬时的适合于

19、成体生活 的环境固着下来。具浮游幼虫的无脊椎动物包括棘皮动物海胆的长腕幼虫（图7-9）、 环节动物多毛纲的担轮幼虫、软体动物的面盘幼虫；帚虫动物的幅轮幼虫（一种细 长蠕虫状固着生活的动物）、甲壳虫的无节幼虫（虾，蟹，藤壶）以及被囊动物蝌 蚪样的幼虫。浮游的幼虫经过变态和固着发育成成虫。昆虫和两栖动物经变态后的新表型往往生活在与幼虫不同的新环境中，或至少 利用的营养源与幼虫不同。两栖动物是最早登陆的脊椎动物，它们大部分的时间均 在陆地生活，但大多数现存的两栖动物都要回到水中进行繁殖。它们的幼体在水中 生活，以藻类和水生植物为食；而成体则在陆地生活，是肉食性动物。与两栖动物 相似，昆虫的幼虫和成虫

20、的食物也是不一样的。尽管物种不同，但变态的发生均有一些统一的规律：幼体的一些特殊结构被 放弃（如毛虫的腹足、蝌蚪的鳃和尾）。适应性调整一些组织并保留到成体时期 （如神经系统、外分泌器官。成体特有结构的发育（如昆虫的翅膀、两栖动物的 肺）。昆虫和其它节肢动物在生长和发育的一定阶段要产生蜕皮。节肢动物外表被覆 一层不具伸展性的表皮，这层表皮必须周期性地蜕掉，并重新更换以便生长和身体 形态的转变。每次蜕皮时，真皮与旧表皮分离，旧表皮被部分溶解，然后膨胀，发 生皱褶，在旧皮下分泌出一层柔软的新皮。当旧皮蜕去时，通过压缩体液产生静水 压使真皮和具弹性的新皮一起伸展。昆虫通过变态从幼虫转变成成虫。在昆虫中

21、有两种不同的变态方式：1.半变态发育（hemimetabolous development）。进行半变态发育的昆虫其幼 虫已具有成虫的基本结构，虽然早期的幼虫很小，而且没有翅膀、外生殖器等结构， 但已经有了复眼。半变态昆虫的幼虫称为若虫（nymph），每经一次蜕皮，幼虫的大 小和形态就向成虫接近一步（图19-1）。一些物种的幼虫和成虫仅有微小的差别， 称渐变态发育（paurometabolic development）；另一些物种要放弃明显的幼虫器 官（如蜉蝣的鳃，蜻蜓可伸展的下唇和钩样的下颌）。通常，若虫在最后两次蜕皮 时翅芽突然增大，但不形成蛹（pupa）。进行半变态发育的昆虫有无翅昆虫、

22、草地跳跃昆虫、蟑螂、白蚁、蜻蜓、臭虫、 吸虱和蝉。2.完全变态发育（holometabolous development）。从卵中孵化出的幼虫是分 节的蠕虫样的个体（称为毛虫、蛴螬或蛆）。幼虫有短足，没有翅和复眼。幼小的 龄虫经连续地几次蜕皮长大，但仍保持蠕虫样的外型，最后的变态需经两个主要步 骤：第一步是最后一次的龄虫变为不动的蛹，蛹藏在一层保护表皮下，这一阶段的 表皮形状和颜色均很特别；第二步是在蛹囊中形成成虫。在蛹囊下，许多幼虫的器 官被放弃并被吞噬细胞所吸收，成虫的结构相应地形成，在蛹的最后阶段孵化出成 虫。这其中的一些细节将在后面的果蝇发育中详细介绍。进行完全变态发育的昆虫有金眼虫和

23、蚁狮、茶蝇、蛾和蝴蝶、真蝇和蚊子、蚤、 甲壳虫和黄蜂、蚂蚁、蜜蜂。（二）变态过程中分子水平上发生的改变变态时机体的发生形态和结构的各个方面均改变，不仅在外表和形态解剖学水 平发生变化，而且，在生理学和细胞学水平也发生改变，这些变化都是由激素信号 诱导同步发生的，在19.3节中将更深一步地讨论。与所有激素控制的事件一样，不 同的器官和组织在发育的不同阶段对变化着的激素信号的反应也不一样。为了更好 地阐明变态发生时的巨大变化，我们以两栖动物（蛙）和昆虫（果蝇）为例比较它 们的变态过程。1.蛙：在变态过程中性状的丢失和获得都是在几周内逐渐持续进行的，没有 静止阶段，蝌蚪在运动和捕食过程中逐渐变成了蛙

24、。由于运动方式由水中游动转变 为陆地用腿跳跃，在前变态（prometamorphosis）时下肢出现；在变态顶极阶段 （climax of metamorphosis）蝌蚪从鳃腔中伸出隐藏的前肢，然后逐渐吸收尾部。当肺形成时，鳃消失。呼吸方式的改变伴随着循环系统的变化，主动脉弓和一 些大血管被改造，成红细胞中合成了一种与氧亲和力较低的血红蛋白新亚类。为防止干燥，成蛙皮肤由致密的角蛋白构成，其中有散在的丰富的粘液腺，有 眼睑保护眼睛。用于撕裂植物的角质牙消失，成蛙长舌发育，肠胃适于食肉习性。通过扩散，蝌蚪将氨释放到水中，是排氨排泄；在变态过程中，肝和肾装备了 一套新的酶系统，蛙将氨转变为尿素，是

25、排尿素排泄。幼体用于检测低频水波和水流状况的侧线感觉系统退化，第一对鳃囊变成耳管 （咽鼓管），有鼓膜遮覆，参与耳柱声音传导；视网膜色素发生改变：由鱼类的视 紫质（视蛋白+视网膜A2分子）转变为陆生脊椎动物特有的视紫红质（视蛋白+视 网膜A1分子）。2.果蝇：幼虫到成虫进行的是完全变态。进入蛹前期时，最后一次的三龄幼 虫四处游走寻找适合变蛹的地方。当发现适当的地方后，它用一种自身唾液腺分泌 的胶将自己包裹起来，此时，幼虫将最后一次的幼虫表皮软化并膨胀成桶状，膨胀 的表皮变硬成为蛹壳。在这层保护壳下，大多数的幼虫组织被放弃，从残余的成虫 盘（imaginal discs）和成虫细胞（imagina

26、l cells）来看，果蝇的结构象一种嵌 合体。果蝇被覆的角质层外表皮结构是由成虫盘产生的。在果蝇中，大多数的成虫都 是由十对成虫盘发育而来的。与蝴蝶的毛虫不同，双翅目幼虫的成虫盘是隐藏在体 内的，从外表看不到增厚的表皮，但是，成虫盘并不起源于体内。成虫盘区是贯穿于一些分泌信号分子（由hedgehog，decapentaplegic和wingless基因编码）的细胞带之间的特化区域。早在胚胎发育的囊胚期就有一团 2070个的囊胚细胞分离出来，这团细胞保持二倍体，内陷进去，并被一层很薄的 表皮包裹着，一直保存在幼虫体内，在那里生长，直到接受蛹中激素的刺激才进一 步发育。在蛹壳中，成虫盘反卷外翻并

27、延伸，中央的细胞突出来变成最远轴端的触 角、腿、翅膀。其余的大部分细胞像盔甲一样展开，形成头部和胸部的被囊。成虫细胞，亦称成组织细胞（histoblasts），常分散在幼体细胞之间，它们 产生腹面真皮和许多内脏器官。成虫基本继承了幼虫的神经系统，但随后进行了充 分地改造。（三）在两栖动物和昆虫间，激素调控的变态有很多相似之处在昆虫和两栖动物中，激素双重调控的原理已经清楚。一些激素促进生长但抑 制向成体表型的转化；另一些激素则能促进这一转化。激素的分泌受大脑神经细胞 的控制，神经分泌细胞释放的神经激素能控制其下属的激素腺体释放控制发育的激 素。1.激素释放的终止昆虫幼虫和两栖动物的蝌蚪都是通过降

28、低促进生长、抑制向成体分化的激素浓 度实现变态的。在昆虫中这种激素称为保幼激素（juvenile hormone），它是一种类萜（倍半 萜），与许多植物的次生代谢产物类似。这种激素是由一对咽侧体（corpora allata） 分泌的。只要保幼激素保持足够的浓度，每次蜕皮就产生另一龄虫。在最后一期龄 虫时，脑中分泌一种信号能抑制咽侧体继续分泌保幼激素，该激素水平的下降使变 态得以发生。用实验的方法证明，在不同的时间摘除咽侧体会导致幼虫提前变态形 成小成虫；但如果移植另外的腺体使保幼激素含量上升则会增加蜕皮的次数，使变 态延迟，产生巨型成虫。在成虫中又恢复分泌保幼激素，但这时的激素是作为促性 腺

29、激素，刺激性腺的发育。在两栖动物中，垂体前叶分泌一种促乳激素(prolactin)，该激素功能与保 幼激素类似，防止变态的提前发生。另外，该激素还有其它的调节作用，在哺乳动 物中，与其名称相符地促进乳汁的分泌；它还作为催乳激素luteotropic hormone， LTH，与促黄体生成激素(luteinizing hormon，LH)不同刺激卵泡转变成黄体。2.激素刺激发育在昆虫和两栖动物中，成体形态发育所需基因的按时启动都是受脑释放的神经 激素控制的。在两栖动物中，信号起始于下丘脑产生的神经激素，它作为一种释放因子刺激 垂体前叶释放促甲状腺激素(TSH： thyroid-stimulati

30、ng hormone)。这种多肽激 素将信号传导到甲状腺，使甲状腺释放最终的变态诱发激素一一甲状腺素T3 (T3= 三碘甲腺原氨酸)。如果在蝌蚪中加入T3激素则会引起早熟变态，形成小蛙；相反， 用一种甲状腺阻断药物则会使变态延迟，形成巨型钝口螈样的蝌蚪。在昆虫中，信号链起始于神经激素PTTH ( prothoracico-tropic hormone:前 胸腺向性激素)。这种多肽神经激素由咽侧体释放，它作为一种促腺激素刺激前胸 腺释放蜕皮激素(ecdysone)。蜕皮激素在靶组织中转化成有活性的蜕皮甾酮 (ecdysterone)，即20-羟蜕皮激素。人们已经详细研究了蜕皮激素在变态中的作用。

31、变态起始前就存在有蜕皮激 素，在幼虫时，每一次的蜕皮都是由蜕皮激素释放引起的，但因有保幼激素的作用， 防止了幼虫形成蛹。甲状腺素和蜕皮激素都是变态发育所必须的激素，但是，这两种激素分子结构 很不相同：甲状腺素是酪氨酸衍生物，而蜕皮激素属于甾类激素家族，因此，二者 的作用机制应是不同的。然而，人们发现这两种激素及另一种化学结构完全不同的 物质一一视黄酸都能与同一种胞内受体结合，这种受体具锌指结构，可与DNA结合 (Box5)。当这种受体与不同的配基结合后，就可以成为一种转录因子控制基因表 达。果蝇多线染色体膨泡的变化模式可反映蜕皮激素的转录活性(见细胞分化)。人们经仔细研究发现变态的每一步，每一种组织的形成都有相应的一种特殊的染色 体膨泡模式。不同组织对激素的反应也不一致。例如，当用实验的方法将蝌蚪的肢芽移植到 尾部时，除非在变态开始时就用甲状腺素刺激，否则，肢芽就不生长。在变态时， 虽然腿成虫盘和尾都受同样浓度的激素刺激，但腿芽保持并生长出来，而尾却退化 了。除上述所说的相同之处