第五章原肠运动——胚胎细胞重组

第五章原肠作用--胚胎细胞重新组合Itisnotbirth,marriage,ordeath,butgastrulation,whichistrulythemostimportanttimeinyourlife.LewisWolpert(1986)第1节原肠作用概述囊胚期后，开始形成原肠腔（gastrocoel）—将来的消化腔。这一阶段的胚胎称为原肠胚，胚胎发育期称为原肠期。原肠期的各种细胞运动和细胞的重新组合称为原肠胚形成,或称原肠作用(gastrulation).1.原肠作用（gastrulation）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。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。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。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。2.原肠形成方式1、内陷（invagination）由囊胚植物极细胞向内陷入，形成二层细胞：外面的一层称为外胚层（ectoderm），向内陷入的一层为内胚层（endoderm）。内胚层围绕的空腔将形成未来的肠腔，称原肠腔（gastrocoele），原肠腔与外界相通的孔称为原口或胚孔（blastopore）。2、内移（migration）由囊胚的一部分细胞移入内部而形成内胚层。初始移入的细胞位于囊胚腔中，排列不规则，接着逐渐调整排列成规则的内胚层。内移法形成的原肠胚没有原口，以后在胚体的一端开孔，形成原口。3、分层（delamination）囊胚细胞分裂时，细胞沿切线方向分裂，从而形成内外两胚层。腔囊胚向内分出内胚层——某些水母属的水母；实心囊胚向外分出外胚层——某些水螅水母。4、内转（involution）通过盘裂形成的囊胚，分裂的细胞由一面边缘向内转，再伸展成为内胚层。5、外包（epiboly）动物极的细胞分裂快，植物极细胞由于卵黄多分裂较慢，结果动物极细胞逐渐向下包围植物极，形成外胚层，被包围的植物极细胞形成内胚层。一些软体动物与两栖动物蛙的原肠形成就是外包。以上原肠形成的几种形式往往不是单一进行，常常二种或二种以上同时进行，最常见的是内陷与外包同时进行，分层和内移相伴进行。原肠形成方式原肠作用过程中细胞的五种运动方式根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将3胚层多细胞动物分为：原口动物（Prolostomia）、后口动物（Deuterostomia）。原口动物：胚孔成为成体的口——扁形动物、纽形动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物等。后口动物：胚孔成为成体的肛门（或者封闭），成体的口是在胚孔相当距离之外重新形成的——棘皮动物、半索动物、所有的脊索动物。二、中胚层的形成三胚层动物在内、外两胚层形成之后继续发育，在内外胚层之间形成中胚层（mesoderm）。在中胚层之间形成的空腔即体腔（coelom）——真体腔。中胚层形成的方法有以下两种动物的胚层与体腔中胚层的形成有两种方式：1、端细胞法（telocellsmethod）在胚孔的两侧，内外胚层交界处各有一个细胞分裂成细胞团，形成索状，并向内外胚层之间伸展，形成为中胚层。由于中胚层之间的真体腔是中胚层细胞向内和向外裂开形成的，故称裂体腔（schizocoel），端细胞法又称为裂体腔法（schizocoelousmethod）。原口动物均以裂体腔法形成中胚层和体腔。2、体腔囊法（coelesacmethod）在原肠背部两侧，内胚层向外突出成对的囊状突起，称体腔囊（coelomsac），体腔囊逐渐发育增大并与内胚层脱离，在内外胚层之间逐步扩展成为中胚层，中胚层包围的腔为体腔。由于体腔囊来源于原肠，故又称肠体腔，此法又名肠体腔法（enterocoelousmethod）。后口动物（棘皮、毛颚、半索、原索、脊索动物）由肠体腔法形成中胚层和真体腔。中胚层、体腔的产生第2节两栖类的原肠作用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。两栖类囊胚与其它动物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面特定细胞；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。两栖类的囊胚由多层细胞组成，属于偏腔囊胚。用活体染色法可以示踪不同部位细胞的发育命运，绘制出未来器官分布图谱。1.未来器官分布图谱从非洲瓜蟾未来器官分布图谱可以看出，在囊胚表层的细胞中，动物半球的前面形成神经物质，后面形成表皮，植物半球的细胞形成内胚层。而在植物半球的深层细胞中，动植物半球的结合部即赤道部形成索前板、脊索和中胚层。非洲爪蟾囊胚外层细胞（A）和内部细胞（B）发育命运图谱。两栖类的原肠作用的起始是在灰色新月区（graycrescent）先出现一个横的浅沟，形成背唇（dorsallip）。灰色新月区是在精子穿入点的对侧形成，是由于精子穿入引起卵子胞质重排产生的浅灰色区域，它对于背唇的出现起决定作用。背唇的出现标志着胚胎出现了背腹面。背唇-----将来胚胎的背面2.灰色新月区决定了背唇的形成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。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。3.两栖动物胚胎的背唇启动了原肠作用爪蟾的晚期囊胚，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。4.原肠作用涉及胚胎细胞的多种运动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。新月状胚孔进一步延伸，先形成侧唇，再形成腹唇。通过侧唇和腹唇，位于外胚层细胞中的中胚层和内胚层细胞继续内卷，使胚孔形成一环状，包绕在含有大量卵黄、体积较大的内胚层细胞周围，这些内胚层细胞暴露在植物极外面，称为卵黄栓（yolkplug）。随着背唇、侧唇和腹唇的连续形成，胚孔区域的变化。通过胚孔进入胚胎内部的细胞的运动囊胚腔顶壁细胞形状的改变和细胞重排，合并成单层细胞。最终，卵黄栓也被包入内部。至此，所有内胚层细胞都已进入胚胎的内部，外胚层细胞包被在胚胎的表面，而中胚层细胞则位于内胚层和中胚层之间。非洲爪蟾的原肠作用是数个事件和谐的组合，结果是把内中外三个胚层细胞置于适当的位置，为它们分化为不同的器官做准备。两栖类原肠作用时细胞的运动。两栖类原肠作用总结：1.边缘区瓶状细胞在准确的时间和位置内陷。2.边缘区细胞通过胚唇进行内卷形成原肠。3.内卷的中胚层细胞沿胚孔顶壁内表面迁移。4.预定脊索中胚层在胚胎背部集中延伸5.预定外胚层细胞通过细胞分裂和数层细胞合并为单层细胞而向植物极下包。5.动植物极轴的决定两栖类原肠作用的准备工作可以追溯到精卵的结合之前。未受精卵沿动植物极存在一个极性，这种极性能够影响到将来卵裂的方式。未受精卵的极性是由沿动植物极分布的母源性mRNA和蛋白质的差异分布决定的。非洲爪蟾的未受精卵，示动物极半球有较多的色素，植物极半球有较多的卵黄。非洲爪蟾的动-植物极轴是由母源性的因子决定的，示母源性的生长因子Vg-1基因的mRNA在爪蟾植物极的分布。未受精卵的胚层图谱爪蟾未来三个胚层的区域划分在未受精卵就可以确定。因此，在未受精卵上就可以勾画出胚层图谱。但胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴都难以确定。爪蟾未受精卵内未来胚层的图谱。ectodermendodermNieukoop中心形成背腹轴和前后轴是在受精过程中由受精卵细胞质隔离决定的。受精后由于皮层细胞质的转动（corticalrotation），使得卵子表面的动植物极轴与细胞质内部的动植物极轴两者相差30o，这样便形成一个新的对称状态。受精卵已具备了背腹轴，变成两侧对称结构，可以区分出左右侧了。6.体轴的决定与形成A，受精后，质膜下方的皮层（corticallayer）向着精子入卵点的方向转动。B，皮层转动的结果是Nieukoop中心或信号中心的形成，这样就确定了胚胎的背方。皮层转动的结果造成爪蟾受精卵呈两侧对称。Nieukoop中心对正常发育是必需的背方部分含有Nieukoop中心，形成一个背部化的胚胎，但缺少肠；腹方部分没有Nieukoop中心，形成一腹部化的胚胎，缺少背部和头部结构。胚孔的定位细胞质的运动激活精子入卵点对面的细胞质开启原肠作用。精子入卵点代表胚胎未来的腹面，而与之相对的一面即原肠作用开启处代表胚胎未来背面。虽然诱发卵细胞质运动并不一定需要精子，但精子对决