第九章胚胎诱导

授课教师：吴中华授课专业：生物科学二零一四年第九章胚胎诱导胚胎诱导(embryonicinduction)是发育过程中通过细胞间的相互作用来决定细胞命运和使细胞定向分化的一个最根本的现象，它几乎发生在胚胎发育的任何时期与任何组织和器官的形成过程中。“诱导”这一概念可以简单地定义为两组细胞的相互作用，其中一组细胞影响另一组细胞的命运或分化方向。1924年德国科学家HansSpemann和他的学生HildeMangold才用实验证明了“诱导”在发育中的存在。以蝾螈胚胎为材料，进行了把背唇细胞移植到受体胚胎腹部的研究工作。将深色素胚胎的背唇(A)移植到无色素胚胎的腹部(B)，原肠作用过程中，宿主胚胎的背部和腹部同时开始内陷(C)，最后形成两个胚胎(D)。从横切面上可以看到被诱导的次级结构中，移植的背唇主要形成脊索，神经底板和小部分肌节细胞，而大部分肌节细胞和神经管由宿主细胞组成移植的背部细胞具有“指导”或“组织”其他细胞分化的能力，因此HansSpemann把这些背部细胞称为“组织者”（organizer）目前人们把背部边缘区细胞称为“Spemannorganizer或Spemann-Mangoldorganizer”。人们对“组织者“的分子基础和作用机制才开始有了真正的认识。但这也首先得益于人们对包括“组织者”在内的整个中胚层形成或诱导的研究基础，因此这里首先介绍三个胚层的命运决定和诱导的分子机制。第一节中胚层诱导图9.2Nieuwkoop中胚层诱导实验示意图在囊胚期将动物极的外胚层和植物极的内胚层进行组织重组，培养重组的胚胎组织，结果外胚层分化成为中胚层。组织重组实验揭示了中胚层诱导的现象中胚层的形成是被诱导而产生的。更重要的是背部内胚层能诱导预定外胚层细胞形成脊索、肌节等背部中胚层组织，而腹部内胚层诱导预定外胚层细胞分化成血细胞、肾等腹部类型的组织。具有背部中胚层诱导能力的植物极细胞被称为Nieuwkoop中心(Nieuwkoopcenter)。进一步的研究发现起诱导作用的分子是TGFβ(transforminggrowthfactorβ）超家族的一个成员Activin,并且不同浓度的Activin可以诱导产生不同类型的中胚层组织。后来发现TGFβ超家族的其他成员Nodal相关蛋白也有同样作用。中胚层诱导机制：爪蟾胚胎中胚层诱导的“两步骤”模型在囊胚中期，高表达在背部的β-catenin与处在植物极的转录因子VegT和母源TGFβ家族成员Vgl作用在内胚层细胞中产生Nodal分子梯度。Nodal分子梯度诱导中胚层的形成：低浓度的Nodal诱导腹部中胚层而高浓度的Nodal诱导产生Spemann“组织者”。Nieuwkoop中心处在背部内胚层并具有诱导“组织者”的能力。在这个模型中，β-catenin被认为分布在胚胎的整个背部，包括背部的内、中和外胚层。VegT在启动中胚层诱导和3个胚层命运决定中起关键性作用。VegT功能的缺失使预定中胚层分化成外胚层，而预定内胚层分化成中胚层和外胚层。FGF（fibroblastgrowthfactor)和BMP(bonemorpgogeneticprotein)家族成员也参与调节中胚层的诱导和分化。但是在体外实验中，高浓度的FGF只能诱导外胚层分化成肌节，而BMP4和BMP7只诱导形成腹部中胚层如血细胞等。在体内，FGF信号通路的缺失使胚胎不能形成躯干和尾部结构。说明FGF信号通路自身不具有诱导背部中胚层或“组织者”的能力。在爪蟾的胚胎中，Nodal梯度的建立与母源的经典Wnt信号通路的重要成分β-catenin在背部的集中分布有密切关系。由于β-catenin在背部的积累激活了经典Wnt信号通路。同时表达经典Wnt信号和VegT及Vgl的内胚层细胞代表了Nieuwkoop中心。这样Wnt信号通路与VegT和Vgl等母源转录因子协同作用诱导Nodal家族成员在背部的表达量高于侧部和腹部。因此，高浓度的Nodal蛋白诱导产生背部中胚层或“组织者”，而低浓度的Nodal蛋白诱导形成侧部或腹部中胚层。第二节内胚层命运的诱导在爪蟾胚胎中，植物极含有较大卵黄颗粒的细胞分化成内胚层。斑马鱼的内胚层来源于晚囊胚期胚盘边缘最外层的4层细胞，这些细胞同时也包含了中胚层前体细胞，被称为中内胚层。调控形成内胚层的分子机制在不同动物之间是相对保守的，并且内胚层和中胚层的分化在很大程度上受同样的信号通路调控。在脊椎动物中，这些信号通路的共同成员包括Nodal信号的分子和另外一些转录因子，包括Paired和叉头框（Forkheak)结构域家族蛋白,GATA锌指转录激活因子sox17基因等。在爪蟾胚胎中VegT是起始中内胚层命运的母源转录因子，它通过Nodal信号作用于mixer,gata4,5,6和sox17等内胚层特异基因的表达。这些基因都特异性地表达在植物半球的预定内胚层中，对决定内胚层细胞的命运起重要作用。在斑马鱼中是母源性的Nodal辅受体Oep与母源性的Nodal相关分子Squint和Cyclops共同作用激活了Mezzo,Mixer(bon,bone和Clyde)和Gata5(Faust)。Casanova/Sox32在这3个转录因子的下游，但也直接接受Nodal信号的调控。它们诱导包括sox17在内的内胚层特异基因，进而稳定内胚层的命运.Mixer(bon,bone和Clyde）的突变导致胚胎发育早期表达内胚层特异基因的细胞减少，胚胎发育后期不能形成具有功能的消化管。Gata5（Faust）的突变产生同样但较弱的表型。Casanova/Sox32的突变后果最严重，导致soxl7基因的表达完全缺失。爪蛙斑马鱼MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6爪蛙斑马鱼MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6斑马鱼MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6MezzoBon/MixerGata5CasanovaSox17Cyclops,SquintOep,TARAM-AVegTXnrsSox17MixerGata4,5,6第三节外胚层命运的决定和保护在缺失VegT的胚胎中，细胞不会发育成中胚层和内胚层，而是全都发育成外胚层。将囊胚不同区域的细胞分离出来后混合到一起，它们会按预定的区域重新有序地组合起来，后来发现从去除VegT的胚胎中分离的细胞失去了这种重排的能力。单个细胞移植实验表明在早囊胚期及中囊胚期，动物极细胞在诱导信号的影响下具有分化成中胚层的能力，而从晚囊胚期开始，这些细胞的命运被逐渐地限定在外胚层。在体外，用中胚层诱导因子Activin诱导不同囊胚期预定外胚层时，囊胚早期和中期的外胚层可以被诱导形成中胚层，但囊胚晚期或原肠早期的预定外胚层则对Activin没有反应，也说明晚囊胚期动物极细胞分化成为外胚层的命运已经被限定。外胚层因子包括ectodermin,Coco,Foxl1e/Xema,XFDL156和Oct25等在细胞外或细胞内阻止TGFß／nodal信号向外胚层扩散。部分外胚层因子(ectodermin,Coco)能抑制外胚层自身的BMP信号，具有神经诱导作用。第四节中胚层在背-腹轴方向的区域化中胚层在背部和腹部所受到的诱导信号或信号强度不同，它们被诱导后在原肠早期所表达的基因也不同。腹部中胚层表达BMP和Wnt8，而背部的“组织者”刚好表达一些抑制BMP和Wnt信号通路的分泌性抑制因子，如BMP颉顽分子Follistatin,Noggin和Chordin;Wnt颉顽分子Dkkl,Frzb,Cerberus等。这种基因表达方式对中胚层在背一腹轴方向的区域化的稳定起重要作用。(A)在原肠早期，“组织者”表达多种转录因子和生长因子的拮抗分子。腹部中胚层表达BMP4等多种具有腹部中胚层诱导能力的因子(B)背部表达的拮抗分子与腹部因子的相互拮抗作用分别使背部和腹部得以保护和进一步分化组织者分泌多种蛋白能在细胞外与不同的生长因子结合并抑制它们的信号传递。在正常的胚胎中，ß-catenin集中在胚胎的背部，调节背部组织的形成。如果在腹部同时高表达ß-catenin，将会诱导产生一个完整的第二体轴。但是，如果抑制ß-catenin的功能会导致胚胎头部发育缺陷第五节神经诱导在爪蟾的研究中发现在外胚层细胞中抑制BMP信号能直接导致神经组织的形成。外胚层对神经诱导的敏感期开始于原肠作用前，而在原肠作用后期结束。在此期间，一些决定神经细胞命运的基因如sox2特异地表达在预定神经板上，在胚胎发育后期，神经管在前-后轴方向进一步区域化，使不同的基因表达在神经管特定的部位。胚胎诱导是决定细胞命运和促使细胞定向分化的根本过程。它是通过细胞间的相互作用来完成的。囊胚期胚胎不同区域细胞命运的决定与原肠期所发生的细胞运动，将一个辐射对称的胚胎转变成最终的胚胎模式。