动物个体发育-原肠运动

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

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臵发生变动，重新占 有新的位臵，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。
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（germ ring），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。
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（yolk syncytical layer，YSL） 细胞的自动扩展拉动拉动与之相连的包被 层（enveloping layer， 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。
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。
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 （primary mesenchyme cell）。

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。
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（midblastula transition，MBT）。 MBT似乎受染色质和细胞质之间比例的控 制。
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。

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。
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 （archenteron or primitive gut），而原肠在 植物极的开口称为胚孔（blastopore）。
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。
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 （embryonic shield）。 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。
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（syncytial cable），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 Lytechinus variegatus早 期幼虫内的 定位。
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。
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βcatenin浓 度高的位 臵。
去除硫酸基（sulfate deprivation）对海胆初 级间质细胞运动的影响
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。
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臵最终形成口， 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。
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（sulfated proteoglycans）和囊胚腔细胞胞外基质中只 在原肠作用期表达的ECM18。


灰色新月区的预定内胚层细胞内陷，形成 狭缝状胚孔（slit-like blastopore），内陷细 胞称为瓶状细胞（bottle cell），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（marginal zone）开始内陷。
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

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VegT mRNA贮存于 植物极。VegT蛋白对内胚层的形成具有决定作用， 消除VegT mRNA和VegT蛋白后内胚层不能形成。
第四章 原肠运动——胚胎细胞重组
It is not birth, marriage, or death, but gastrulation(原肠胚 形成), which is truly the most important time in your life. Lewis Wolpert (1986)

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 （adaxial cell），是中胚层体节的前体。上 胚层细胞形成神经龙骨（neural keel），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no tail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Biblioteka Baidu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臵于胚胎的四周，而 把终将形成中胚层的细胞臵于外胚层和内 胚层之间适当的位臵。