第10章-脊椎动物胚轴形成

第十章脊椎动物胚轴形成第一节两栖类胚轴形成第二节鱼类胚轴形成第三节鸟类胚轴形成第四节哺乳类胚轴形成第二篇动物胚胎的早期发育DevelopmentalBiology第一节两栖类胚轴形成一、组织者和Nieuwkoop中心两栖类是调整型发育的典型模型。两栖类的背-腹轴和前-后轴是在受精时卵质的重新排列而决定.DevelopmentalBiology受精时的皮层转动形成两栖类的左右对称。DevelopmentalBiology(一)组织者（organizer）灰色新月对胚胎的正常发育是必须的。由灰色新月区产生的细胞形成胚孔背唇，随着背唇细胞的内陷原肠作用开始。在原肠作用时，由于细胞重新排列，产生一系列邻近细胞之间的相互作用。通过一系列的实验证明，组织者细胞不仅具有自我分化的能力，而且具有组织和诱导邻近细胞开始原肠作用的能力。在原肠作用中组织者诱导背部的外胚层形成中枢神经原基——神经管，并作用于侧中胚层共同形成背-腹轴和前-后轴。DevelopmentalBiology组织者细胞在早期胚胎发育中具有重要的功能：•组织者能够启动原肠作用•组织者发育成为前脊索板和脊索中胚层•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•组织者能够诱导其周围的中胚层背部化，分化为侧板中胚层，而不是腹侧中胚层。DevelopmentalBiology核因子：Gsc,Xlim-1Otx-2,Foxa2/HNF-3,Xnot,Xtwn,Siamois,Xamf-1,Iro3,Bozozok分泌因子：Chordin,Noggin,FollistatinXnr-1,-2,-4,-5,-6,Xnr-3,1GFBP5,Dkk-1Frzb-1,Antivin/Lefty,Crescent,sFRP2,Cerberus背部腹部外胚层外胚层内胚层图11.1在爪蟾胚胎模式形成起重要作用的主要组织者特异性基因cnsDevelopmentalBiology（二）Nieuwkoop中心P二236/P三150DevelopmentalBiologyNieuwkoop中心：两栖类囊胚中最靠近背部的一群植物半球细胞，对组织者具有特殊的诱导能力。Nieuwkoop中心是由于精子入卵使卵质重排而产生的，兼具植物极和动物极细胞质的特殊区域，该区含有背部中胚层诱导信号。如果抑制卵质旋转，胚胎将缺乏头和神经管等前端背部结构。因此，两栖类的背-腹轴精子入卵时就决定。Xbra图爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中胚层诱导模型中胚层诱导信号Nieuwkoop中心组织者含背部中胚层诱导信号DevelopmentalBiologyNiüwkoop在未来的发育中形成内胚层。它具有诱导其上方的邻近细胞组织形成Spermann组织者的能力。使它发育成中胚层。DevelopmentalBiology二、两栖类胚轴形成的机制(一)Nieuwkoop中心的分子生物学机制爪蟾的内胚层细胞通过诱导预定中胚层细胞表达XenopusBrachyury（Xbra）基因，进而诱导中胚层的形成。最靠近背侧的植物半球细胞，由于表达一些特殊的细胞因子而形成Nieuwkoop中心。β-catenin是Nieuwkoop中心的一个主要细胞因子。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiologyGSK-3（糖原合成激酶-3）对β-CATENIN具有负调控作用，进而对于背侧细胞的分化起抑制作用。如果在1个细胞期注射具有活性的GSK-3，以后胚轴的形成受到抑制。如果在早期胚胎发育期抑制腹侧细胞内的GSK-3，则引起次性胚轴的形成。β-CATENIN开始在整个卵内均匀的分布,在腹侧细胞内因为GSK-3的存在而下降而背侧细胞内因为DSH的存在不会下降DevelopmentalBiologyβ-CATENIN是Nieuwkoop中心的一个主要因子。β-CATENIN在受精时随卵质的旋转主要集中在背部，最初积累在Nieuwkoop中心和组织者，到了卵裂晚期时主要集中在Nieuwkoop中心的细胞内。两栖类背腹轴的形成从精子入卵时开始,DSH、β-CATENIN和GSK-3在背腹轴形成中具有重要作用。DevelopmentalBiology如爪蟾结合形成的复合物激活其他基因。*被激活的基因中包括sms（在囊胚期Nieukoop中心表达），它编码的SMS对组织者特异性基因的表达起关键的作用。*TCF3是sms基因转录的抑制因子，但β-catenin/TCF3复合体激活smsβ-cateninTCF3由于β-catenin是转录因子，它和其他转录因子结合后激活它们的活性，它们的产物又激活其他基因的激活。结合形成的复合物激活gcd基因的表达，该基因的产物GCD又为组织者许多基因激活所必须的。SMSgcd的启动子DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiologySMS（组织者特异性基因表达必须的）gcdβ-CATENINTCF-3转录因子激活sms表达GCD(激活背唇细胞迁移\激活控制脑形成的-Xotx2)TGF-β基因家族蛋白产物（Vg1、VgT和nodal相关蛋白（XNR1、2、4））11.4β-CATENIN、TGF3蛋白等相互作用形成组织者和诱导中胚层产生p181Nieuwkoop内组织者内TGF-βgcdsmsNodal蛋白含Nodal蛋白多1、2、4少分化成侧板未分化成腹侧板富含nodal——组织者少含nodal——侧板中胚层不含nodal——腹侧中胚层激活激活DevelopmentalBiology为维持正常的发育，在胚胎背部细胞内必须含有β-CATENIN，并使sms表达，SMS和TGF-β的协同作用下gcd激活，在SMS和GCD等的共同作用下才能形成组织者。组织者的形成涉及到多种基因的激活。存在于Nieuwkoop中心的分泌蛋白激活位于其上方中胚层细胞中一系列转录因子，它又激活组织者内的一些基因。已发现多种组织者特异性转录因子和分泌性蛋白因子：主要的核蛋白XLIM1XNOTOTX2XFD1XANF1GCDHNF-β主要分泌性pr因子CHD、DCKNGN、FSTADMPFRZB、ONICHHBERUSNodal-相关蛋白DevelopmentalBiology组织者蛋白因子（NGN、CHD、FST、GCD）TGF-β家族蛋白因子(Vg1、VegT、Nodal-相关蛋白)中胚层背部化，外胚层神经化，Xotx2—脑SMSβ-CATENINGSKDSHBMPSMsx1上皮Xvent1腹部化图11.5两栖类胚胎背腹轴形成主要相关蛋白因子作用示意图P二239/P三152DevelopmentalBiology（二）第一类组织者分泌性蛋白因子:BMP抑制因子外胚层细胞未被诱导的情况下形成-N外胚层细胞被诱导的情况下分化成-上皮BMP4（非组织者中胚层分泌）上皮分化和腹侧化诱导因子神经抑制或抗神经化因子GCD在细胞核中直接或间接的激活一些基因，而这些基因产物是调控细胞进行背-腹轴和前-后轴分化功能的可溶性蛋白因子。——组织者分泌抑制诱导作用的可溶性蛋白因子，而不是直接诱导神经组织的形成：DevelopmentalBiologyBMP4激活上皮特异性基因抑制神经特异性基因msx1xvent1中胚层表现出腹侧表型激活表达DevelopmentalBiology神经外胚层组织者分泌一些可溶性蛋白因子NGNCHDNodal-相关蛋白-3(XNR-3)FSTNGN—+抑制它们与受体结合CHD+抑制它们与受体结合（脊索和背中胚层内表达）XNR-3—对BMP4具有抑制作用（组织者表面的细胞合成）FST—对辅肌动蛋白具有抑制作用（背唇和脊索组织中表达）诱导外胚层形成神经组织BMP2使中胚层细胞背部化BMP4BMP2BMP4（防止BMP与靠近组织者的外胚层和中胚层接触）DevelopmentalBiology爪蟾卵经紫外线照射后引起背部结构的缺失，可以由注射NGN蛋白而挽救。NGN对背部结构的诱导呈剂量依赖性。DevelopmentalBiology腹背腹背anveg背部内胚层BMP4非组织者中胚层神经外胚层外胚层上皮NGNCHDFSTXNR3组织者分子WNT8FRZBDCKAB图A、第一类组织者分泌性蛋白和BMP等抑制因子图B、第二类组织者分泌性蛋白因子和WNT抑制因子page240,11.6图组织者作用模式和两类因子内、中胚层内合成DevelopmentalBiology（三）第二类组织者分泌性蛋白因子：WNT抑制因子咽鳃区内胚层和头部中胚层形成的内-中胚层组织构成胚孔背唇的前缘。这些细胞不仅能诱导最前端的头部结构，而且还能够阻滞WNT信号传导途径。WNT家族的成员之一WNT8与BMP4相似，能够抑制神经诱导。组织者分泌的CERBERUS（CBR）和内中胚层分泌的FRZB和DICKKOPF（DCK）蛋白因子可以阻滞WNT信号传导途径。DevelopmentalBiologyCBR（咽鳃区内胚层）Frzb，DCK（内、中胚层）BMP非组织者Msx1NRGXbf-2Wnt8边缘带N分化、头部发育上皮分化、腹部发育（抗神经化）（抑制神经诱导）促进图11.7两栖类胚胎中阻滞Wnt8和BMP4功能的一些蛋白因子示意图抑制上皮分化相关基因的表达DevelopmentalBiology注射CERBERUS（CBR）可诱导出两个头部结构DevelopmentalBiologyFRZB的表达与功能。注射FRZB引起躯干部形成的抑制DevelopmentalBiology（四）后端化因子随着前端神经系统的分化，N管后端开始分化。后端的分化由后端化因子来调控eFGF——对于脊髓的分区最为重要WNT3a——抑制前端控制基因的表达，并对2基因合作RA——负责后脑的图式形成后端化因子DevelopmentalBiology后端化因子RA的作用：微量使神经胚的前脑和中脑的发育能力将被削弱DevelopmentalBiology（五）中侧轴特化因子蝌蚪除了背-腹轴和前-后轴之外还有中侧轴。脊椎动物中侧轴形成的关键事件都是原肠胚左侧侧板中胚层表达的nodal-相关基因调控。爪蟾的nodal-相关基因-1（Xnr-1）的表达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达。VG1蛋白可以增加胚胎左右对称的特化，异位表达VG1可导致胚胎左右逆转。在此发育过程中都涉及到母体效应基因、外源信号、细胞间的相互作用等。DevelopmentalBiologyPitx2决定心脏弯曲和肠盘绕的方向DevelopmentalBiology尽管蛙、斑马鱼、鸡和小鼠体轴形成的机制存在差异，但是不同物种之间胚体图式形成的机制却具惊人的相似性。在此发育过程中，都涉及母体效应基因的产物－母体效应决定子的定位、外源信号的影响和细胞间的相互作用，涉及一系列信号传导分子的作用。有关这些信号传导机制的研究是目前最活跃的领域之一。DevelopmentalBiologyDevelopmentalBiology第二节鱼类胚轴形成p242一、鱼类背-腹轴的形成鱼类的胚盾对于胚胎背-腹轴的形成至关重要。如果一个原肠早期胚胎的胚盾移植到另一个同期胚胎腹侧，通过诱导侧板中胚层和腹侧中胚层转变成背部中胚层。同时胚盾使外胚层发育成神经组织，而不是表皮，结果产生两个胚轴。鱼类的胚盾与两栖类的背唇——组织者是同源的DevelopmentalBiology斑马鱼的原肠作用胚盘沿卵黄扩展，内卷或内移形成下胚层，集中和延伸把下胚层和上胚层细胞带到背部形成加厚的胚盾（embryonicshield）。在胚盾内，细胞插入重排使脊索中胚层向动物极延伸。内卷和会聚扩展形成脊索中胚层的细胞表达notail基因，而会聚扩展形成近轴中胚层的细胞（由snail基因的表达所标记）。DevelopmentalBiology二、鱼类前-后轴的形成p244鱼类前-后轴的形成是卵子发生时就开始，动物帽是胚胎前端的标志。鱼类前-后轴的形成