发育生物学第十二章 脊椎动物中枢神经系统和体节形成机制

神经组织在最初被诱导形成时，整个神经板细胞
都只表达“前部”神经特异性基因。
在原肠作用过程中，由后部中胚层产生的后部化 因子（posteriorizing factor, 包括 Wnt, FGF, 视 黄酸（retinoic acid,RA）等诱导后部神经命运的 分化。
脊椎动物中枢神经系统前后轴的图式形成
峡部（isthmus）是位于中脑与后脑交界处的狭窄部。峡 部在中后脑的前-后轴图式形成中起着重要作用。
前神经褶（anterior neural ridge, ANR），表达FGF8，对
前脑的图式形成具有重要作用。
峡部
图式化信号分子在脑区的表达
在移植实验表明：峡部组织可诱导预定间 脑组织形成中脑，也可诱导预定前部中脑 组织形成后脑。 说明这部分组织具有很强的诱导能力，可 以“组织”周围细胞的图式形成，被称为 峡部组织者（isthmic organizer, IsO）。
原神经基因的表达与神经细胞分化
第二节 脊椎动物体节形成的机制
• 脊椎动物的轴旁中胚层组织在发育早期形成一系 列重复的分节单位，称为体节（somite）。
• 体节位于脊索和神经管两侧，沿胚胎前-后轴左右 对称分布。每一体节单位后来分化为3个区域，即 生皮节（dermatome）、生肌节（myotome）、 和生骨节（sclerotome），之后它们分别发育成为 真皮（dermis）、骨骼肌和中轴骨骼。
在神经板期，IsO 的位臵最初是有两个转录因子 Otx2 和Gbx2 在CNS中的表达界限所决定的。 Otx2 在前脑与中脑中表达，而Gbx2 在后脑前部 表达，二者之间的位臵恰好是IsO 的位臵。它们 的表达是相互抑制的，从而确立二者之间的表达 界限。
脊椎动物中枢神经系统前后轴的图式形成
转录因子Engrailed (En) 和Pax2 随后也在IsO前
神经管和体节， 示已形成的体 节和尚未形成 体节的轴旁中 胚层。
体节出现于身 体的前部，并 依次向后迁移 形成。 神经嵴细胞由 神经管顶部向 腹侧迁移。
随着四肢和腹部肌肉细胞前体的迁出，生骨节、生肌 节和生皮节形成。
• 脊椎动物体节是由前体节中胚层（presomitic
mesoderm，PSM）形成的。体节的形成是一个细 胞增殖与分化周期性进行的过程。
第十二章
脊椎动物中枢神经系统 和体节形成机制
第一节 脊椎动物中枢神经系统的图式形成
脊椎动物的神经系统是由外胚层分化而来，
由Spemann组织者产生的BMP抑制因子诱导而
成。一旦预定神经组织与表皮组织分化开来，
接下来要经过图式形成确定神经板不同位臵
的区域特性。
一 中枢神经系统的前-后轴图式形成
脊椎动物的中枢神经系 统是由神经板发育而来 的。神经板随后沿前-后 轴卷为管状，形成神经 管。神经管前部扩展、 膨大形成前脑、中脑和 后脑的原基，而后部的 神经管发育为脊髓。
脊椎动物脊髓背腹轴的图式形成
脊索还表达分泌性的BMP抑制因子（Chordin，
Noggin），这些因子会抑制脊髓腹侧的
BMP活性而调节神经管的图示形成。
Wnt信号对于某些背部神经细胞群的分化也具
有重要作用。
原神经基因（proneural gene）沿脊髓背腹轴 在不同区域表达，其功能 ：
1、抑制其周围细胞向神经元的分化 2、促进细胞向神经元方向分化而抑制其分化为神经 胶质细胞 3、调节细胞周期
• Lunatic fringe (Lfng )也是Notch信号途径的靶基因 基因之一，编码一种糖基转移酶，在小鼠和鸡胚中 都存在周期性表达。Lfng的失活或持续表达都会引 起体节发育异常。
• 这些基因的周期性动态表达对于体节的形成至关重 要。
二
周期性表达基因的转录调控
小鼠Lfng基因启动子中含有一个CBF1/RBP-J （Notch信号的转录效应因子）的结合位点，表明 它直接受到Notch信号的调控；同时还含有2个E-
• C-hairy1表达的周期性变化完全是细胞自主 性的，而不是由于细胞的迁移或是PSM后部 产生的某种分泌性因子向前扩散引起的。 • 随后人们在鸡，小鼠和斑马鱼中又陆续发现 了一些类似的周期性表达基因：它们大部分 都与Notch信号途径有关，包括一些与hairy1 相关的Notch信号途径的靶基因，如鸡的 hairy2，hey2，小鼠的hes1 ，hes5，hes7 和 hes2。
小鼠Hox基因簇结构及其在胚胎中的表达特性
二 脊髓背-腹轴的图示形成
脊椎动物的脊髓具有明确的背-腹轴，在不同的背
-腹轴位臵所产生的神经元类型是不同的。
在鸡和小鼠中，脊髓背部区域依次产生6种中间神
经元（dorsal interneuron，dI1-dI6），腹部则形
成运动神经元和4种腹侧神经元（ventral interneuron，V0-V3）。 BMP和 Sonic hedgehog(Shh) 信号在脊髓的背腹轴 分化过程中起着重要作用。
• 体节是临时性结构，对脊椎动物分节模式 （segmental pattern）的建成具有深远的影响。
脊椎动物体节形成有以下特征：
• A）体节以出芽的方式从前到后依次形成。 • B）每一个体节形成的周期是固定不变的，称为 分节钟（segmentation clock）。 • C） 体节形成的时间和位臵受到严格的调控。体 节形成后便具备了前后区域的分化和前后轴特异
box（bHLH因子结合位点）。
• RBP-J结合位点的突变会使得Lfng在PSM中的表达显 著降低而且不会出现周期性表达。两个bHLH因子结 合位点的突变同样会阻断Lfng的周期性表达。 • 而在hes7失活的情况下Lfng在PSM中持续过量表达 而不存在周期性变化。这些实验说明hes7可能通过 Lfng启动子序列中的结合位点而抑制其表达。
• Lfng基因的表达可能受到Notch信号的正调控和hes7 或其他hairy相关bHLH因子的周期性负调控，从而使
得基因呈现周期性表达的特点。
三
分节钟的分子机制：负反馈调节环路
Hes1/Hes7和Lfng周期性表达的调控模型
四 FGF信号与体节形成
• FGF在鸡胚后部PSM中有很强的表达，由后向前 形成一个浓度梯度。FGF对于维持后部PSM细胞
的未分化状态可能具有重要的作用。FGF表达水
平的降低是前部PSM细胞进入成熟程序所需的。 • FGF对于决定PSM中体节形成的前沿位臵具有重 要的作用。
后表达。En和 Gbx2 可诱导FGF8 的表达，而 Otx2 抑制FGF8 的表达。这样，FGF8 就只在IsO 后部后脑一侧表达。 FGF8 进而可诱导邻近的中 脑细胞表达Wnt1。
En， Wnt1， FGF8 和Gbx2 的表达通过正反馈 相互作用维持彼此的表达。
峡部组织者形成的分子机制 a
BMP在脊髓最背部的顶板（roof plate）及其上方 的外胚层组织中表达，而Shh在脊髓腹侧的基板 （floor plate）及其下方的脊索中表达。
两种分泌性因子形成两个相反的浓度梯度，调节图 式化基因的表达。不同的区域表达不同的图式化基 因产物组合，从而确立了不同背腹轴位臵神经细胞
的分化命运。
Hale Waihona Puke Baidu
性。
一 周期性表达基因
研究发现，c-hairy1基因在鸡胚前体节中胚层中周期 性表达。 c-hairy1最初在PSM的后部和尾芽区广泛表达，随着 前部预定体节的成熟，c-hairy1的表达逐步向PSM前
部推进并固定于新形成的体节的后半部分。其表达变
化周期为90min，与其体节形成周期恰好一致。
hairy1编码一个碱性HLH转录抑制因子，是Notch信号途径 的靶基因之一。
峡部组织者形成的分子机制 b
• 菱脑节在神经管闭合后，后脑沿前-后轴逐渐被划 为8节，称为菱脑节（rhombomere） 。后脑是 CNS中唯一在发育过程中出现分节现象的部分。 • 菱脑节是暂时性结构，到发育后期会逐渐消失。
• Hox基因在后脑沿前后轴的分化过程中起关键的
作用。
后脑分节与图式形成的机制
• Wnt活性可能沿胚胎前-后轴形成一个由后 到前的梯度，促进后部特异性神经组织的 分化。 • 而在头部Wnt信号被Spemann组织者产生的 抑制因子（Dickkopfl, FrzB1等）所抑制， 使得脑部组织得以分化。
Wnt 信号在前后神经轴模式
化中起作用的一个线索来自 于Xwnt8 的表达调控： Xwnt8在爪蟾原肠胚整个边 缘区（未来的中胚层）表达
的一个Wnt 蛋白。
• Xwnt8 的过表达产生了无头的胚胎，没有 脊索，比正常的胚胎有更多的肌肉，而大 量反义Xwnt8 基因表达的胚胎则是大头和 增大的脊索，但几乎没有肌肉。 • 这确证了Wnt 蛋白使胚胎体轴腹侧化和后 端化，并且最前端的背侧结构的确需要阻 断Wnt 信号。
在CNS随后的图式形成过程中，同样存在着一些 组织中心，这些特化的细胞群会产生一些分泌性 的信号因子，调节其周围细胞的分化命运。