第七章原肠运动胚胎细胞重组

第四章原肠运动——胚胎细胞重组Itisnotbirth,marriage,ordeath,butgastrulation,whichistrulythemostimportanttimeinyourlife.LewisWolpert(1986)本章主要内容：1.原肠作用概述2.海胆的原肠作用3.鱼类的原肠作用4.两栖类的原肠作用5.鸟类的原肠作用6.哺乳类的原肠作用1.原肠作用概述原肠作用（gastrulation）是胚胎细胞剧烈的、高速有序的运动过程，通过细胞运动实现囊胚细胞的重新组合。原肠形成期间，囊胚细胞彼此之间的位置发生变动，重新占有新的位置，并形成由三胚层细胞构成的胚胎结构。通过原肠作用，胚胎首先建立起三个胚层，即外胚层、中胚层和内胚层；其次为重新占有新位置的胚胎细胞之间的相互作用奠定了基础。因此，原肠作用是从尚未分化到分化为三个胚层和器官原基决定的关键时期。原肠胚一部分细胞的移动必然和同时发生的其他细胞的运动紧密配合，因此原肠作用过程中的细胞运动涉及整个胚胎。动物身体的主轴（包括前后轴、背腹轴和左右轴）也会在卵裂和原肠作用期间建立起来，胚胎各部分的细胞会获得各自的发育潜能。不同动物体轴建立的时间和机制各不相同。如果蝇体轴的特化自卵细胞形成时就已经开始了，在卵裂过程中完成；而爪蟾的体轴是在整个原肠作用过程中建立的。两侧对称动物的体轴尽管整个动物界原肠作用方式变化多样，但总体可概括为五种细胞运动机制，即外包（epiboly）、内陷（invagination）、内卷（involution）、内移（ingression）和分层（delamination）。同一原肠胚常常包括几种细胞运动方式。原肠作用过程中细胞的五种运动方式2.海胆的原肠作用海胆的晚期囊胚由1000个左右单层细胞构成。这些细胞的细胞质分别来自受精卵的不同区域，细胞表现出不同的大小和特性。海胆的早期卵裂海胆胚胎第四次卵裂时形成的小分裂球（micromere）海胆的囊胚A，细胞持续的分裂形成一个囊胚；B，快速分裂的末期，圆形的胚胎细胞形成一层上皮，受精膜依然可见；C，植物基板变厚，动物极细胞分泌孵化酶，使胚胎从受精膜中孵化出来。海胆胚胎的早期囊胚，植物极细胞开始加厚。原肠作用前的海胆晚期囊胚，植物极变扁平。初级间质细胞的内移植物极板中央来源于小分裂球的细胞不断伸出和收缩线状伪足（filopdia），脱离表面单层细胞，进入囊胚腔，称为初级间质细胞（primarymesenchymecell）。海胆早期原肠胚内初级间质细胞沿囊胚腔内表面运动，主动伸出伪足与囊胚腔壁连接，占据囊胚腔预定腹侧面，并形成稳固联系。初级间质细胞融合形成索状合胞体（syncytialcable），最终形成幼虫碳酸钙骨针的轴。初级间质细胞形成的索状合胞体（将来形成骨针）的扫描电镜照片初级间质细胞在Lytechinusvariegatus早期幼虫内的定位。间质细胞和非间质细胞与不同胚层细胞或胞外组分之间的亲和力细胞粘连作用的变化导致初级间质的内移。初级间质细胞和透明层以及相邻裂球之间的亲和力减少，而与基质片层之间的亲和力增加。相比之下，非间质细胞和透明层以及相邻裂球之间的亲和力维持不变。初级间质细胞内移的扫描电镜照片内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外片层物质包绕。沿动植物极轴分布的纤维决定了间质细胞迁移的方向。至少有三种蛋白可能在间质细胞的迁移过程中起重要的作用，包括囊胚腔壁基质片层组分纤连蛋白（fibronectin）、间质细胞膜上的硫酸蛋白多糖（sulfatedproteoglycans）和囊胚腔细胞胞外基质中只在原肠作用期表达的ECM18。内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外基质包绕。原肠作用过程中沿动植物极轴分布的纤维决定了初级间质细胞的迁移方向。囊胚腔胞外基质纤维与动植物极轴平行排列，最终与初级间质细胞发生联系。初级间质细胞的线状伪足初级间质细胞选择性地聚集在β-catenin浓度高的位置。去除硫酸基（sulfatedeprivation）对海胆初级间质细胞运动的影响早期原肠内陷初级间质细胞在囊胚腔内迁移的过程中，仍然留在植物极板上的细胞移动填补由初级间质细胞内移而形成的空隙，植物极板进一步变扁平。之后，植物极板向内弯曲，内陷。当植物极板内陷深及囊胚腔的1/4～1/2时，内陷突然停止。所陷入的部分称为原肠（archenteronorprimitivegut），而原肠在植物极的开口称为胚孔（blastopore）。植物极变扁平初级原肠内陷植物极内陷的双金属片模型。植物极板细胞分泌硫酸软骨素蛋白多糖（CSPG）到透明层内层中，CSPG吸水膨胀，导致透明层弯曲，相连的细胞层内陷。随着植物极板的内陷，初级间质细胞在植物极区域形成一细胞环。晚期原肠内陷早期原肠内陷完成之后，经过短暂停歇，原肠大幅度拉长，短粗的原肠变成又细又长的管状结构。在此期间没有新细胞形成，原肠的拉长过程是通过细胞重排实现的，原肠周长内细胞数目大为减少。海胆胚胎原肠伸长时期的细胞重排。原肠顶端形成次级间质细胞，原肠延伸是以次级间质细胞提供的张力为动力的。次级间质细胞伸出线状伪足，穿过囊胚腔液，直达囊胚腔壁内表面。动物极半球存在着次级间质细胞附着的靶位。只有当线状伪足接触到特定靶位的时候，才不会缩回。这些特定的靶位可能位于将来形成口的区域。A，原肠的顶端形成次级间质细胞；B，次级间质细胞的线状伪足。当原肠最顶端接触到囊胚腔壁时，次级间质细胞分散进入囊胚腔。次级间质细胞在囊胚腔中分裂，最终形成中胚层器官。囊胚腔壁接触到原肠的位置最终形成口，口和原肠最顶端形成一连续相通的消化管。海胆的胚孔最终形成肛门。海胆原肠作用的整个历程。发育温度为25度。海胆的长腕幼虫海胆正常的胚胎发育3.鱼类的原肠作用中期囊胚转换和细胞运动性的获得斑马鱼第十次卵裂期间，细胞分裂不再同步，新的基因（合子基因）开始表达，且细胞获得运动性，这种现象称为中期囊胚转换（midblastulatransition，MBT）。MBT似乎受染色质和细胞质之间比例的控制。受精后，斑马鱼合子开始不完全卵裂。卵裂最初只限制在胚胎的动物极，卵裂并未延伸到卵黄，导致在卵黄上形成一堆分裂球。前5次卵裂为纵裂，第一次纬裂在受精后约2小时产生了64细胞期。斑马鱼的囊胚鱼类胚胎中最早的细胞运动时,胚盘细胞沿卵黄四周下包。初始阶段，胚盘细胞内层细胞向外周迁移，插入表层细胞中。稍后，表层细胞沿卵黄表面下包，直到将卵黄全部包围起来。卵黄合胞体层（yolksyncyticallayer，YSL）细胞的自动扩展拉动与之相连的包被层（envelopinglayer，EVL）细胞向下移动。切断卵黄合胞体层和包被层之间的联系，胚盘细胞会反弹缩回卵黄的顶部，而卵黄合胞体层则继续包绕卵黄扩展。下包完成30％时的胚盘胚层形成当斑马鱼胚盘细胞包绕一半的卵黄时，包被层四周边缘区开始加厚，这个加厚的区域叫胚环（germring），它是由外层的上胚层（epiblast）和内层的下胚层（hypoblast）构成。一般认为，下胚层是边缘表层细胞内卷继而向动物极迁移形成的。也可能由上胚层细胞分层后内移形成。下包胚盘的边缘区域的放大，示边缘下包的内卷和细胞内移通过下包胚盘的边缘细胞内卷或上胚层细胞分层形成下胚层下胚层一旦形成以后，上胚层和下胚层的深层细胞都会向将来发育成胚胎背部的一侧插入，形成一个加厚的区域，称为胚盾（embryonicshield）。胚盾在功能上相当于两栖类的背唇，将它移植到宿主胚胎中，能够诱导形成次级胚胎。斑马鱼原肠作用时细胞的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。当细胞沿卵黄下包时，它们也在边缘内卷，并朝背部和前端两个方向向胚盾集中。胚盾下胚层细胞向前端集中和延伸，最终沿背中线变成一窄条，它就是脊索中胚层（chordamesoderm），即脊索的原基。与脊索中胚层毗连的细胞为近轴细胞（adaxialcell），是中胚层体节的前体。上胚层细胞形成神经龙骨（neuralkeel），其余的上胚层细胞发育成鱼类的皮肤。脊索中胚层细胞表达的notail基因，示胚盾下胚层细胞向前端的集中和延伸。表达snail基因的近轴中胚层细胞在脊索中胚层两侧的集中和延伸，形成中胚层体节的前体。完成下包90％时斑马鱼胚胎原肠作用结束，体节形成。4.两栖类的原肠作用两栖类的原肠作用是实验胚胎学中最古老也是最新兴的一个领域。两栖类囊胚与棘皮动物和鱼类的囊胚所面临的基本任务完全相同，也就是把终将形成内胚层器官的细胞拖入胚胎内部，把终将形成外胚层的细胞置于胚胎的四周，而把终将形成中胚层的细胞置于外胚层和内胚层之间适当的位置。两栖类胚胎活体染色。A，用活体染料标记胚胎表特定细胞；B-D，标记细胞的迁移运动；E，将蝾螈胚胎沿中线剖开，示标记细胞在胚胎内部的分布。两栖类原肠作用时的细胞运动非洲爪蟾的中胚层前体只存在于深层细胞中，位于赤道区域表面细胞下面，而外胚层和内胚层则来源于表面的表层细胞中。蛙类原肠作用首先是从将来胚胎的背部，即刚好位于赤道下方的灰色新月区开始的。两栖类的灰色新月精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30º，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为灰色新月。非洲爪蟾囊胚外层细胞（A）和内部细胞（B）发育命运图谱。卵母细胞成熟过程中，母源性的VegTmRNA贮存于植物极。VegT蛋白对内胚层的形成具有决定作用，消除VegTmRNA和VegT蛋白后内胚层不能形成。灰色新月区的预定内胚层细胞内陷，形成狭缝状胚孔（slit-likeblastopore），内陷细胞称为瓶状细胞（bottlecell），它们沿最初的原肠排列。蛙类囊胚细胞内陷引发原肠形成。但是，蛙类的原肠作用并不是在最靠近植物极处开始内陷，而是在动物半球和植物半球汇合的赤道附近，即所谓的边缘区（marginalzone）开始内陷。爪蟾的晚期囊胚，示边缘区被内胚层细胞覆盖。胚孔处形成瓶状细胞移植的胚孔背唇细胞将在内胚层细胞层上下陷（sink），形成一个胚孔狭缝。瓶状细胞的内陷启动原肠作用。植物极背方细胞对原肠作用的启动具有重要作用。瓶状细胞的收缩拉动边缘区细胞向植物极运动，同时将植物极的内胚层细胞推向胚胎的内部。边缘区细胞的运动导致外胚层细胞向植物极外包，预定前端中胚层细胞沿囊胚腔内表面延伸。胚孔形成和原肠作用过程中爪蟾背部区域细胞的运动爪蟾早期胚孔背唇的表面观，示动、植物极细胞大小的差异。动物极细胞通过胚孔背唇内卷区域表面的特写（close-up）原肠作用的下一个时期包括边缘区细胞的内卷以及动物半球细胞的外包和向胚孔处集中。迁移中的缘区细胞到达胚孔的背唇时，转向内部沿着外层细胞的内表面运动，因此构成背唇的细胞在不断更新。最初构成背唇的细胞为内陷形成原肠前缘的瓶状细胞，它们随后发育为前肠咽部的细胞。内卷边缘区细胞沿外层细胞的内表面向动物极运动，示构成胚孔背唇的细胞的不断更新。随着瓶状细胞进入胚胎内部，背唇被后来内卷进入胚胎发育为头部中胚层前体的细胞代替。接下来，由胚孔背唇内卷进入胚胎的细胞为脊索中胚层细胞，它们将形成脊索。脊索是一个临时性中胚层脊柱（backbone），对诱导神经系统的分化起重要的作用。内卷进入胚胎的脊索中胚层细胞在胚胎背部集中延伸变窄变长，形成胚胎的轴性中胚层。集中和延伸过程中细胞的插入非洲爪蟾原肠作用期间Brachyury基因的表达，示预定中胚层细胞的集中和延伸。原肠作用过程中，环状的预定中胚层细胞带向胚孔的集中以及在胚胎内表面的延伸示意图爪蟾晚期原肠胚的轴旁中胚层（A）表达paraxialprotocadherin，而脊索（B）表达axialprotocadherin；两种钙粘着蛋白对集中和延伸起重要的作用。随着新细胞进入胚胎内部，囊胚腔被挤压到与背唇相对的一侧。同时随着胚孔处瓶状细胞形成和内卷，胚唇向侧面和腹面延伸，形成新月状结构。新月状