发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座

第十一章

脊椎动物胚轴形成发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第1页第一节两栖类胚轴形成两栖类是调整型胚胎发育经典模型，对其胚轴形成机制有较多了解。脊椎动物胚轴形成机制A、定位于囊胚期大量分裂球中各种决定因子B、发育过程中发生在邻近细胞之间一系列相互作用。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第2页LifecycleoftheAfricanclaw-toedfrogXenopuslaevis发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第3页两栖类胚胎背-腹轴和前-后轴是由受精时卵质重新分布而决定。

a、背腹轴：受精时在精子入卵处对面产生有色素差异灰色新月区，由此标志预定胚胎背侧，精子进入一侧发育成为胚胎腹侧。b、前后轴：在动物极附近背侧形成头部，而与其相反一侧形成尾，从而形成胚胎背-腹轴和前-后轴。c、中侧轴或左右轴：伴随脊索形成而确定。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第4页精子入卵后，皮层向精子进入方向旋转大约30º发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第5页两栖类灰色新月精子入卵后，皮层向精子进入方向旋转大约30º，在动物极皮层含大量色素而内层含有少许色素物种中，这一胞质不一样层次相对运动形成了一个在精子进入点对面新月形灰色区域，称为灰色新月。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第6页两栖类胚胎预定背方和

腹方发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第7页受精时皮层转动形成两栖类左右对称。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第8页Nieukoop中心对正常发育是必需发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第9页背方部分含有Nieukoop中心，形成一个背部化胚胎，但缺乏肠；腹方部分没有Nieukoop中心，形成一腹部化胚胎，缺乏背部和头部结构。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第10页Spemann所表示蝾螈卵裂期核等同性。一、组织者和Nieuwkoop中心发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第11页灰色新月区对胚胎正常发育是必需。灰色新月区产生细胞形成胚孔背唇（组织者）。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第12页Spemann等研究证实：起源于灰色新月区细胞胚孔背唇组织不但含有自我分化能力，还含有组织和诱导邻近细胞开始原肠作用能力。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第13页在原肠作用过程中，由组织者（organizer）诱导背部外胚层形成中枢神经系统原基—神经管，并作用于侧中胚层共同形成背-腹轴和前-后轴。背唇细胞及其衍生物脊索和脊索中胚层即使还不足以作为整个胚胎诱导者，在以后器官原基形成和器官形成中都存在诱导作用，但组织者开启了胚胎发育中一系列诱导事件。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第14页组织者细胞在早期胚胎发育中主要功效：1）组织者能够开启原肠作用；2）组织者细胞有能力发育成背部中胚层包含前脊索板，脊索中胚层等；3）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。4）组织者能够诱导其周围中胚层背部化，分化为侧板中胚层，而不是腹侧中胚层。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第15页爪蟾和其它脊椎动物胚胎前-后轴形成在背-腹轴形成之后，胚胎背部一旦建立随即开始中胚层细胞内卷运动，并建立前-后轴。最先经过胚孔背唇迁入中胚层细胞产生前端结构，从侧唇和腹唇迁入中胚层细胞形成后端结构。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第16页原肠作用过程中细胞内卷动力来自深层内卷缘区细胞发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第17页Nieuwkoop中心在两栖类囊胚中最靠近背侧一群植物半球细胞，对组织者含有特殊诱导能力，称为Nieuwkoop中心（Nieuwkoopcenter）。Nieuwkoop中心是兼具动物极和植物极细胞质特殊区域，含有背部中胚层诱导信号。原肠作用过程中新形成中胚层是由其下方植物极半球预定内胚层细胞对动物半球预定外胚层细胞诱导结果。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第18页爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中胚层诱导模型发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第19页二、两栖类胚轴形成机制1.Nieuwkoop中心分子生物学研究爪蟾内胚层细胞经过诱导预定中胚层细胞表示XenopusBrachyury

（Xbra）基因，进而诱导中胚层形成。最靠近背侧植物半球细胞，因为表示一些特殊细胞因子而形成Nieuwkoop中心。β-CATENIN是Nieuwkoop中心一个主要细胞因子。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第20页Brachyury基因在非洲爪蟾原肠胚时期预定中胚层细胞表示发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第21页组织者精细结构。组织者特异基因表示，能够把早期组织者细分成含有不一样信息组合亚区。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第22页β-catenin是一个母体效应基因，其编码蛋白质β-CATENIN既能锚定细胞膜上钙粘着蛋白，又是一个核内转录因子。β-CATENIN在受精时卵质旋转移动过程中在预定胚胎背部累积，在整个早期卵裂阶段依然主要在胚胎背部累积。到卵裂晚期只有Nieuwkoop中心细胞含有β-CATENIN。β-CATENIN

对于形成背部结构是必要。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第23页β-CATENIN在背腹轴特化中作用发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第24页β-CATENIN属于Wnt信号传导路径一个分子，糖原合成激酶-3（GSK-3）对β-CATENIN有负调控作用，进而对背侧细胞分化起抑制作用。在腹侧细胞中GSK-3介导磷酸化作用引发β-CATENIN降解，而在背侧细胞中因为存在GSK-3抑制因子Disheveled（DSH）蛋白，所以背侧β-CATENIN不会被降解。DSH蛋白开始存在于爪蟾未受精卵植物半球皮层部，受精时沿微管迁移到胚胎背侧起作用。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第25页β–CATENIN是WNT信号路径中成份。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第26页DSH将β–CATENIN定位于胚胎背部机制1发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第27页DSH将β–CATENIN定位于胚胎背部机制2发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第28页DSH将β–CATENIN定位于胚胎背部机制3发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第29页β-CATENIN与一个普遍存在转录因子TCF3结合形成复合物能够激活对胚轴形成含有主要作用其它基因，如siamois

（sms）基因。SMS能激活goosecoid基因表示。goosecoid基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用主要靶基因之一。gcdmRNA表示区域与组织者范围相关。GCD能够激活脑形成关键基因Xotx2，使其在前端中胚层和预定脑外胚层表示。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第30页背部中胚层诱导形成组织者可能机制发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第31页gcd基因激活也同时受到定位于植物半球和Nieuwkoop中心TGF－β家族蛋白产物（Vg1、VegT和Nodal相关蛋白）协同作用。β-CATENIN与VG1、VEGT信号相互作用结果形成Nodal-相关蛋白从背侧到腹侧浓度梯度。Nodal-相关蛋白浓度梯度使中胚层细胞分化。含有大量Nodal相关蛋白分化为组织者，较少分化为侧板中胚层，不含Nodal相关蛋白分化成腹侧中胚层。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第32页β-CATENIN与TGF－β家族蛋白协同作用诱导组织者形成机制发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第33页总之，为维持正常发育，在胚胎背部细胞中必须含有β-CATENIN，并使sms基因表示，SMS与TGF-β基因家族蛋白质协同作用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作用下才能形成组织者。组织者形成包括各种基因激活，存在于Nieuwkoop中心分泌蛋白激活位于其上方中胚层细胞中一系列转录因子，后者再激活编码组织者分泌产物一些基因。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第34页第一类组织者分泌性蛋白因子和BMP抑制因子BMP4是最主要上皮分化和腹侧化诱导因子。对于神经发生而言，它是抑制因子或抗神经化因子，其功效与组织者恰好相反。组织者分泌NGN、CHD、Nodal相关蛋白－3和FST对BMP4都有抑制作用。所以组织者功效是分泌含有抑制作用可溶性蛋白因子，而不是直接诱导中枢神经系统发生。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第35页爪蟾卵经紫外线照射后引发背部结构缺失，能够由注射NGN蛋白而挽救。NGN对背部结构诱导呈剂量依赖性。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第36页NGN在组织者区定位发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第37页ChordinmRNA在组织者区定位发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第38页第一类组织者分泌性蛋白质因子：BMP抑制因子。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第39页组织中心产生信号分子(如Chordin、Noggin、Follistatin----神经诱导分子)可拮抗腹部化信号(如BMP4)。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第40页第二类组织者分泌性蛋白因子和WNT抑制因子咽鳃区内胚层和头部中胚层形成内-中胚层组织组成胚孔背唇前缘。这些细胞不但能诱导最前端头部结构，而且还能够阻滞WNT信号传导路径。WNT家族组员之一WNT8与BMP4相同，能够抑制神经诱导。组织者分泌CERBERUS（CBR）和内中胚层分泌FRZB和DICKKOPF（DCK）蛋白因子能够阻止WNT信号传导路径。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第41页Xwnt8引发中胚层腹部化并抑制头部结构形成发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第42页Xwnt8在缘区表示发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第43页注射CERBERUS（CBR）可诱导出两个头部结构发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第44页FRZB表示与功效。注射FRZB引发躯干部形成抑制发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第45页外胚层分化为上皮和神经组织不一样机制7发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第46页后端化因子伴随前端神经系统区域性特化神经管，后端开始进行分化。后端分化由胚胎后端产生后端化因子进行调控。成纤维细胞生长因子eFGF、WNT3a和视黄酸（Retinoicacid，RA）都是后端化因子。RA主要作用于后脑图式形成；eFGF对于脊髓分区最为主要；而WNT3a能够抑制前端控制基因表示，还能够协调RA和eFGF作用。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第47页后端化因子RA作用发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第48页中侧轴特化因子脊椎动物中侧轴形成关键事件都是原肠胚左侧侧板中胚层表示nodal-相关基因调控。爪蟾nodal-相关基因-1（Xnr-1）表示区域仅限于原肠胚左侧，Xnr-1激活pitx-2在胚胎左侧专一性表示。VG1蛋白能够增加胚胎左右对称特化，异位表示VG1可造成胚胎左右逆转。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第49页Pitx2决定心脏弯曲和肠盘绕方向发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第50页第二节鱼类胚轴形成不一样物种之间胚体图式形成机制却具惊人相同性：在此发育过程中，都包括母体效应基因产物－母体效应决定子定位、外源信号影响和细胞间相互作用，包括一系列信号传导分子作用。相关这些信号传导机制研究是当前最活跃领域之一。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第51页不一样物种之间胚胎图式形成机制却具惊人相同性发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第52页斑马鱼囊胚发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第53页Fatemapofgerm-layerprogenitorsatlateblastulastage.发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第54页Fatemapofdorsal–ventraltissueprogenitorsatlateblastulastage.发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第55页下包完成30％时胚盘发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第56页下包胚盘边缘区域放大，示边缘下包内卷和细胞内移发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第57页经过下包胚盘边缘细胞内卷或上胚层细胞分层形成下胚层发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第58页斑马鱼原肠作用时细胞集中和延伸把下胚层和上胚层细胞带到背部形成胚盾，胚盾内脊索中胚层向动物极延伸。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第59页移植胚盾诱导受体胚胎产生第二胚轴发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第60页Maternalorganizers.TheYSLisasourceofasignalthatinducesmarginalcellfates.发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第61页Axisformationinthezebrafishembryo.-1发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第62页Axisformationinthezebrafishembryo.-2发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第63页鱼类胚胎前后轴形成是由两个信号中心调控：A、第一个信号中心是原肠胚期神经外胚层和表皮外胚层之间一小团神经细胞分泌前端发育诱导因子。B、第二个信号中心是原肠胚期胚盘边缘侧板脊索中胚层前体细胞产生后端发育诱导因子。动物极帽是胚胎前端标志。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第64页Axisformationinthezebrafishembryo.-3发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第65页Dorsal–ventralandmesendodermalpatterningoftheblastulaembryo.AntagonistssuchasBoz,Chordin,andDkk1inhibitventralizingBMPsignals.发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第66页第三节鸟类胚轴形成鸟类胚胎体轴形成在原肠胚形成过程中完成，但其背腹轴极性特化开始于卵裂期。鸟类背腹极性出现标志是囊胚期上下胚层分化。上胚层外表面是预定胚胎背侧，面向胚下腔一面是预定胚胎腹侧。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第67页鸡胚上胚层和下胚层形成发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第68页鸡胚前后轴特化与重力和在输卵管内旋转有亲密关系。发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第69页Hensen氏节由胚胎后端Koller’ssickle形成发育生物学脊椎动物胚轴形成专家讲座第70页鸡胚左右不对称分化