发育生物学第十一章 脊椎动物胚轴形成

不同物种之间胚胎图式形成的机制却具惊人的相似性
斑马鱼 的囊胚
Fate map of germ-layer progenitors at late blastula stage.
Fate map of dorsal–ventral tissue progenitors at late blastula stage.
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。
NGN在组织 者区的定位
Chordin mRNA在组织者区的定位
第一类组织者分泌性蛋白质因子：BMP抑制因子。
组织中心产生 的信号分子 (如Chordin、 Noggin、 Follistatin---神经诱导分子) 可拮抗腹部化 信号(如 BMP4)。
Spemann等研究证实： 来源于灰色新月区细胞的胚孔背唇组 织不仅具有自我分化能力，还具有组 织和诱导邻近细胞开始原肠作用的能 力。
在原肠作用过程中，由组织者（organizer） 诱导背部外胚层形成中枢神经系统的原基— 神经管，并作用于侧中胚层共同形成背-腹 轴和前-后轴。 背唇细胞及其衍生物脊索和脊索中胚层虽然 还不足以作为整个胚胎的诱导者，在以后器 官原基形成和器官形成中都存在诱导作用， 但组织者启动了胚胎发育中的一系列诱导事 件。
第十一章 脊椎动物胚轴形成
第一节 两栖类胚轴形成

两栖类是调整型胚胎发育的经典模型，对其 胚轴的形成机制有较多的了解。 脊椎动物胚轴形成的机制

A、定位于囊胚期大量分裂球中的各种决定因子 B、发育过程中发生在邻近细胞之间的一系列相互作 用。
Life cycle of the African claw-toed frog Xenopus laevis
爪蟾组织者和Nieuwkoop中心及中胚层诱导模型
二、两栖类胚轴形成的机制
1. Nieuwkoop中心的分子生物学研究


爪蟾的内胚层细胞通过诱导预定中胚层细 胞表达Xenopus Brachyury （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。
下包完成30％时的胚盘
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
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。
移植的胚盾诱导受体 胚胎产生第二胚轴
Maternal organizers. The YSL is a source of a signal that induces marginal cell fates.
Pitx2决定心脏弯曲和肠盘绕的方向
第二节 鱼类胚轴形成

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。
β-CATENIN与TGF－β家族蛋白协同作用诱 导组织者形成的机制


总之，为维持正常的发育，在胚胎背部细 胞中必须含有β-CATENIN，并使sms基因表 达，SMS与TGF-β基因家族的蛋白质协同作 用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作 用下才能形成组织者。 组织者的形成涉及多种基因的激活，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，后者再 激活编码组织者分泌产物的一些基因。
Hensen氏节由胚胎后端的Koller’s sickle形成
后端化因子 RA的作用
中侧轴特化因子


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。
背部中胚层诱 导形成组织者 的可能机制


gcd基因的激活也同时受到定位于植物半球和 Nieuwkoop中心的TGF－β家族蛋白产物 （Vg1、VegT和Nodal相关蛋白）的协同作用。 β-CATENIN与VG1、VEGT信号相互作用的 结果形成Nodal-相关蛋白从背侧到腹侧的浓 度梯度。Nodal-相关蛋白的浓度梯度使中胚 层细胞分化。含有大量Nodal相关蛋白的分化 为组织者，较少的分化为侧板中胚层，不含 Nodal相关蛋白的分化成腹侧中胚层。
β-CATENIN在背腹轴特化中的作用

β-CATENIN属于Wnt信号传导途径的一个分 子，糖原合成激酶-3 （GSK-3）对βCATENIN有负调控作用，进而对背侧细胞 的分化起抑制作用。在腹侧细胞中GSK-3介 导的磷酸化作用引起β-CATENIN的降解， 而在背侧细胞中由于存在GSK-3的抑制因子 Disheveled （DSH）蛋白，所以背侧的βCATENIN不会被降解。DSH蛋白开始存在 于爪蟾未受精卵植物半球的皮层部，受精 时沿微管迁移到胚胎的背侧起作用。
Brachyury基因在非洲爪蟾原肠胚时期预定中胚层细胞的表达
组织者的精细结构。组织者特异基因的表达，可以把 早期组织者细分成含有不同信息组合的亚区。


β-catenin是一种母体效应基因，其编码的蛋 白质β-CATENIN既能锚定细胞膜上的钙粘 着蛋白，又是一个核内转录因子。 β-CATENIN在受精时卵质的旋转移动过程 中在预定胚胎背部累积，在整个早期卵裂 阶段仍然主要在胚胎背部累积。到卵裂晚 期只有Nieuwkoop中心的细胞具有βCATENIN 。β-CATENIN 对于形成背部结 构是必要的。

动物极帽是胚胎前端的标志。
Axis formation in the zebrafish embryo. -3
Dorsal–ventral and mesendodermal patterning of the blastula embryo. Antagonists such as Boz, Chordin, and Dkk1 inhibit ventralizing BMP signals.
β– CATENIN 是WNT信 号途径中 的成分。
DSH将β – CATENIN定 位于胚胎背部 的机制1
DSH将β – CATENIN 定位于胚胎 背部的机制 2
DSH将β –CATENIN定位于胚胎背部的机制3


β-CATENIN与一种普遍存在的转录因子 TCF3结合形成的复合物能够激活对胚轴形 成具有重要作用的其他基因，如siamois （sms）基因。SMS能激活goosecoid基因的 表达。 goosecoid基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因 子作用的主要靶基因之一。gcd mRNA表达 的区域与组织者的范围有关。GCD能够激 活脑形成关键基因Xotx2，使其在前端中胚 层和预定脑外胚层表达。
Xwnt8引起中胚 层的腹部化并抑 制头部结构的形 成
Xwnt8在缘区的表达
注射CERBERUS（CBR）可诱导出两个头部结构
FRZB的表达与 功能。注射 FRZB引起躯干 部形成的抑制
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外胚层分化为 上皮和神经组 织的不同机制
后端化因子 随着前端神经系统的区域性特化神经管， 后端开始进行分化。后端的分化由胚胎后 端产生后端化因子进行调控。 成纤维细胞生长因子eFGF、WNT3a和视黄 酸（Retinoic acid，RA）都是后端化因子。 RA主要作用于后脑的图式形成；eFGF对于 脊髓的分区最为重要；而WNT3a可以抑制 前端控制基因的表达，还可以协调RA和 eFGF的作用。
第一类组织者分泌性蛋白因子和BMP抑制因子


BMP4是最重要的上皮分化和腹侧化诱导因 子。对于神经发生而言，它是抑制因子或抗 神经化因子，其功能与组织者正好相反。 组织者分泌的NGN、CHD、Nodal相关蛋白 －3和FST对BMP4均有抑制作用。因此组织 者的功能是分泌具有抑制作用的可溶性蛋白 因子，而不是直接诱导中枢神经系统的发生。


爪蟾和其他脊椎动物胚胎前-后轴的形成在 背-腹轴形成之后，胚胎的背部一旦建立随 即开始中胚层细胞的内卷运动，并建立前后轴。 最先经过胚孔背唇迁入的中胚层细胞产生 前端结构，从侧唇和腹唇迁入的中胚层细 胞形成后端结构。
原肠作用过程中细胞内卷的动力来自深层内卷缘区细胞
Nieuwkoop中心


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。
一、组织者和Nieuwkoop 中心
Spemann所示的蝾螈卵裂期的核等同性。


灰色新月区对 胚胎的正常发 育是必需的。 灰色新月区产 生的细胞形成 胚孔背唇（组 织者）。
Axis formation in the zebrafish embryo. -1
Axis formation in the zebrafish embryo. -2
鱼类胚胎前后轴的形成是由两个信号中心 调控的： A、第一个信号中心是原肠胚期神经外胚层和 表皮外胚层之间的一小团神经细胞分泌的 前端发育诱导因子。 B、第二个信号中心是原肠胚期胚盘边缘侧板 脊索中胚层的前体细胞产生的后端发育诱 导因子。
精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30º
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。