原肠作用

第七章原肠作用--------胚胎细胞重组本章主要内容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Itisnotbirth,marriage,ordeath,butgastrulation,whichistrulythemostimportanttimeinyourlife.LewisWolpert(1986)第一节原肠作用概述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臵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。囊胚原肠胚外胚层表皮及其附属结构（毛发、指甲）脑和神经系统（感受器）内胚层胚胎肠道消化道的上皮呼吸道的上皮（气管、支气管、肺上皮）腺体（肝和脾）其他：尿道和膀胱的上皮中胚层脊索肌肉（骨骼肌、平滑肌）循环系统（心脏、血管淋巴系统等）真皮（皮肤）的内层内脏器官的外膜排泄系统（肾、输尿管）生殖系统（睾丸、卵巢、输卵管、子宫）各胚层发育命运图示胚层分化歌诀：外胚层神经感官附（表皮附属物）表皮内胚层消化呼吸肝和胰中胚层真循脊（脊索）膜（内脏外膜）生（生殖系统）排（排泄系统）肌（肌肉）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）、分层（delamination）和集中延伸。同一原肠胚常常包括几种细胞运动方式。内陷内卷内迁分层外包第二节海胆的原肠形成1.海胆的原肠胚发育（辐射式卵裂）海胆的卵裂B2细胞期，C4细胞期，D32细胞期海胆第四次分裂卵裂球的形成海胆的早期囊胚和晚期囊胚海胆原肠作用的开始胞外基质纤维囊胚腔基质片层透明层纤毛海胆原肠作用过程：原植物极中央细胞内陷进入囊胚腔，表皮细胞转变成为初级间质细胞，然后内胚层表皮细胞内陷和扩展，其前端表皮细胞转化为次级间质细胞。两种间质细胞都分化产生间质纤维和骨针，原肠末端与体外连通形成口。海胆原肠作用过程：初级间质细胞在中胚层和内胚层相交处形成一圈，在腹侧有一分支延伸，它们将用于骨的形成。海胆原肠作用的机制：内胚层的早期内陷机制：如下图所示，纤丝收缩使细胞变位契形，成为细胞内陷的原动力。内胚层的晚期内陷机制：伪足的收缩和细胞间的变形重排(会聚伸展)。第三节鱼类的原肠形成第四节两栖类的原肠作用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。光滑爪蟾胚胎发育过程爪蟾的晚期囊胚，示边缘区被内胚层细胞覆盖。1.爪蟾的原肠作用原肠作用开始于瓶状细胞的形成和内突。它们的内突使囊胚表面形成一个小沟，即为胚孔(blastopore)。胚孔处形成瓶状细胞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。两栖类原肠作用细胞运动方向二、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，但精子对决定细胞质旋转方向是至关重要的。卵子哪一侧形成背部，哪一侧形成腹部，完全由细胞质运动方向来决定。•通过机械方法（如离心）人为地改变皮层细胞质和皮层下细胞质的空间关系，将可以使胚胎在精子入卵点的同一侧开启原肠作用。•将精子决定的细胞质旋转与人工诱导的细胞质旋转相结合，就可能获得两个原肠作用起点，最终形成联体双胞胎蝌蚪（BlackandGerhart，1985）。人工方法诱导的两个原肠作用开启点两个原肠作用开启点导致联体双胞胎蝌蚪的形成•原肠作用诱导因子是通过动物极细胞质和植物极细胞质两者之间的相互作用而产生的。开启原肠作用的诱导因子原来位于植物极细胞的深层细胞质中。•移植预定背部的植物极细胞能够让植物极经紫外线照射的胚胎正常发育，同时将预定背部的植物极细胞移植到预定腹部的部位，也能够诱导形成次生胚轴（secondaryaxis）。背唇细胞内胚层细胞胚孔沟三、细胞运动和原肠构建两栖类胚胎背唇区域细胞移植到内胚层细胞上后，下陷形成胚孔沟两栖类细胞的运动•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。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。第五节鸟类的原肠形成第五节鸟类的原肠作用一、鸟类原肠作用概述•鸟类行不完全的盘状卵裂，胚胎经过卵裂在大量的卵黄上形成一个胚盘（blastodisk）。胚盘下方“惰性”的卵黄对上面细胞的运动施以严格限制。1.下胚层的作用和胚轴的形成•鸟类的前后轴和背腹轴早在原肠作用之前当卵子由输卵管排出时就已经决定了。背腹轴对于下胚层的形成和胚胎的进一步发育至关重要。由动物极（胚胎将来的背部）观察的鸡卵的盘状卵裂鸟类胚盘中央细胞被胚下腔（subgerminalcavity）和卵黄分开，看起来透明，称为明区（areapellucida）。明区边缘细胞和卵黄接触看起来不透明，称为暗区（areaopaque）。上胚层某些细胞单个的迁移到胚下腔中，形成初级下胚层（primaryhypoblast）。胚盘后缘有一层细胞向前迁移和初级下胚层汇合，形成次级下胚层（secondaryhypoblast）。1.下胚层和上胚层的形成鸡胚双层囊胚的形成•由上胚层和下胚层组成的双层囊胚在暗区边缘连接在一起，两层之间的空腔即为囊胚腔（blastocoel）。•鸟类胚胎命运图谱仅局限于上胚层，胚胎本身和大量胚胎外膜都是由上胚层所产生。下胚层对正在发育的卵的本身并没有任何实质性的贡献。下胚层细胞只形成部分胚胎外膜（extraembryonicmembrane），尤其是卵黄囊（yolksac）和连接卵黄的基柄（stalk）。卵黄囊尿囊鸟类的原条（primitivestreak）首先见于胚胎的后端上胚层细胞的加厚处。这种加厚是来自上胚层的中胚层细胞内移进入囊胚腔以及来自上胚层后端两侧细胞向中央迁移所致。随着加厚部分不断变窄，它不断向前运动，并收缩形成清晰的原条。原条延伸至明区长度60％至75％处，成为胚胎前后轴的标志。2.原条的形成•伴随着细胞集中形成原条，在原条中出现一凹陷，称为原沟（primitivegroove）。原沟与两栖类胚孔的作用相似，迁移的细胞通过原沟进入囊胚腔。•在原条的前端是一个细胞加厚区叫原节（primitiveknot）或亨氏节（Hensen’snode）。亨氏节的中央有一个烟囱状的凹陷，叫原窝（primitivepit）。细胞可以通过原窝进入囊胚腔。亨氏节在功能上相当于两栖类胚孔的背唇。鸡胚原条形成时细胞的运动。A，3－4h；B，5－6h；C，7－8；D，10－12h移植亨氏节能够诱导一个次生胚胎的形成。•最早通过原条迁移的细胞是预定发育成前肠的细胞，这一点与两栖类相似。3.通过原条的细胞的迁移：内胚层和中胚层的形成A，进入囊胚腔的细胞顶端伸长形成瓶状细胞；B，鸡胚原肠作用立体图解，示原条、正在迁移的细胞和原有两胚层之间的关系。•通过亨氏节进入囊胚腔的细胞向前迁移，形成前肠、头部中胚层和脊索；•通过原条两侧部分进入囊胚腔的细胞形成大部分内胚层和中胚层组织。•最早通过原条迁移的细胞是预定发育为前肠的细胞，一旦进入囊胚腔，就向前迁移，最后把胚胎前区的下胚层细胞挤走，使下胚层细胞局限于明区前部一个区域，即生殖新月区。鸡原条期胚胎的背面观，示原始生殖细胞发生的生殖新月区、暗区、明区和亨氏节。•原条一旦形成，上胚层细胞便开始向原条边缘迁移，进入囊胚腔内，组成原条的细胞也在不断地变化。进入鸟类囊胚腔的细胞以单个细胞为单位，内移的细胞并不形成紧密联系的细胞层，只形成松散联系的间质细胞。随着细胞进入原条，原条向胚胎未来头部区域延长。•下胚层细胞构成的区域即生殖新月不形成任何胚胎本身结构，但含有生殖细胞前体，以后通过血管迁移到生殖腺中。上图，15－16h；原沟和亨氏节的形成。下图，19－22h；内移的细胞向上推举上胚层前端中线区域，形成头突（headprocess）。•随后在中胚层细胞继续内移的同时，原条开始回缩，使大致位于明区中央的亨氏节向后推移。在原条回缩的痕迹上出现了胚胎背轴和头突。随着亨氏节继续回缩，脊索后端部分开始形成。最终亨氏节回缩到最后端区域，将来形成肛门。•至此，上胚层完全由预定外胚层构成。尽管中胚层细胞还要继续向内迁移很长时间，但大部分预定内胚层细胞已进入胚胎内部。24－28h鸡胚的原肠作用。A，延伸到全长的原条，24h；B，2体节时期，25h；C，4体节时期，27和；D，原条回缩到胚胎的尾部，28h。E，原条回缩，脊索沿着原条的痕迹形成。伴随原条回缩，脊索和体节逐渐形成。上图，23－24h；下图，4体节时期。•当预定中胚层和内胚层细胞向囊胚腔内运动时，预定外胚层细胞还在分裂，并成为胚胎最上层唯一的细胞群。预定外胚层细胞迁移离开胚盘，通过下包包被卵黄。•鸟类原肠作用结束的时候，外胚层已将卵黄包被起来，内胚层已经取代了下胚层，而中胚层则已经迁移到内外两胚层之间的位置。鸟类原肠的发育图案•细胞潜入囊胚腔和伴随原条向前的发展，迁入的细胞逐渐取代了下层细胞层成为真正意义上的胚体内胚层，并在以后的发育中向下方中心回卷构成胚体的消化管道，即原肠发生。•原有的下层细胞被推至明区前端的部位构成生殖新月区，并通过内移的方式植入胚体的生殖嵴发育为生殖细胞。•经囊胚腔的内移细胞同样向前但是移动不远，保留在外胚层和内胚层之间发育为头部中胚层和脊索。二、鸟类原肠作用机制（一）下胚层的作用和胚轴的建立在胚胎的发育过程中，胚胎的不同部分分别处在两种环境之中，一种是蛋清的碱性环境（pH9.5）；一种是胚下腔的酸性环境（pH6.5）。水和Na+可以通过细胞屏障从蛋清运送到胚下腔中，从而形成细胞层两侧的电位差。------------从而决定背--腹轴处于蛋清的一侧将成为背面，处于胚下腔的一侧将成为腹面。前--后轴的建立是由于重力作用的结果。（二）原条细胞的聚集1.上胚层也不是一个均匀的未分化组织。早在原条开始形成之前，上胚层细胞就出现了分化。例如，后端缘区组织可能分泌一种化学物质，吸引HNK-1（硫酸化葡糖醛酸）呈阳性的细胞向后端迁移，而前端缘区组织则分泌一种排斥因子。聚集到后端缘区的HNK-1阳性细胞将形成内胚层和中胚层。2.分散因子在亨氏节中分泌，起作用是既能使亨氏结区域细胞分散，又能诱导亨氏结附近上胚层形成神经组织。它和细胞膜上的酪氨酸激酶受体结合，通过G蛋白引起β-环连素(β-catenin)磷酸化。3.透明质酸和其他多糖能促进单个细