第七章原肠运动

第七章原肠运动—胚胎细胞重组
原肠作用概述。

海胆的原肠作用鱼类的原肠作用，两栖类的原肠作用，哺乳类的原肠作用一、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。

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。

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。

外包：植物极细胞由于卵黄多分裂慢，动物极细胞卵黄少分裂快，结果动物极细胞逐渐向下包围了植物极细胞，成为外胚层。

内部的植物极形成细胞成为内胚层。

如许多软体动物和蛙类的原肠胚的的形成。

分层:囊胚的细胞分裂时,细胞沿切线方向分裂,这样向着囊胚腔分裂出的细胞为内胚层,留在表面的一层为外胚层。

内转:由盘裂形成的囊胚,分裂的细胞由下面边缘向内内转，伸展成为内胚层。

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。

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，脱离表面单层细胞，进入囊胚腔，称为初级间质细胞。

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。

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。

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
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。

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
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。

海胆胚胎原肠伸长时期的细胞重排。

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置最终形成口，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。

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。

两种间质细胞都将长出伪足，后者起定向和驱动细胞移动的作用。

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。

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。

鱼类胚胎中最早的细胞运动是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。

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。

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。

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基本任务完全相同，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置于胚胎的四周，而把终将形成中胚层的细胞置于外胚层和内胚层之间适当的位置。

两栖类胚胎活体染色。

A，用活体染料标记胚胎表面特定细胞；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。

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。

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V egT蛋白后内胚层不能形成
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。

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。

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。

胚孔形成和原肠作用过程中爪蟾背部区域细胞的运动
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。

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。

随着新细胞进入胚胎内部，囊胚腔被挤压到与背唇相对的一侧。

同时随着胚孔处瓶状细胞形成和内卷，胚唇向侧面和腹面延伸，形成新月状结构。

新月状胚孔进一步延伸，先形成侧唇，在形成腹唇。

通过侧唇和腹唇，位于外胚层细胞中的中胚层和内胚层细胞继续内卷，使胚孔形成一环状，包绕在含有大量卵黄、体积较大的内胚层细胞周围，这些内胚层细胞暴露在植物极外面，称为卵黄栓（yolk plug）。

通过胚孔进入胚胎内部的细胞的运动
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。

动植物极轴的决定
两栖类原肠作用的准备工作可以追溯到精卵的结合之前。

未受精卵沿动植物极存在一个极性，这种极性能够影响到将来卵裂的方式。

未受精卵的极性是由沿动植物极分布的母源性mRNA和蛋白质的差异分布决定的。

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。

非洲爪蟾的动-植物极轴是由母源性的因子决定的，示母源性的生长因子Vg-1基因的mRNA 在爪蟾植物极的分布
未受精卵的胚层图谱
爪蟾未来三个胚层的区域划分在未受精卵就可以确定。

因此，在未受精卵上就可以勾画出胚层图谱。

但胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴都难以确定。

Nieukoop中心形成
背腹轴和前后轴是在受精过程中由受精卵细胞质隔离决定的。

受精后由于皮层细胞质的转动（cortical rotation），使得卵子表面的动植物极轴与细胞质内部的动植物极轴两者相差30o，这样便形成一个新的对称状态。

受精卵已具备了背腹轴，变成两侧对称结构，可以区分出左右侧了。

A，受精后，质膜下方的皮层（cortical layer）向着精子入卵点的方向转动。

B，皮层转动的结果是Nieukoop中心或信号中心的形成，这样就确定了胚胎的背方。

Nieukoop中心对正常发育是必需的
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（Black and Gerhart，1985）。

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（secondary axis）。

背部最靠近植物极的裂球能够诱导次生原肠作用，并形成次生胚轴。

正常情况下，由精子驱动的卵细胞内部细胞质的重新排列能够引起亚细胞因子（subcellular factor）的的不对称分布。

受精卵内亚细胞因子的不对称分布产生了背腹区分，并最终将胚孔的位置确定在精子入卵点对面的一组植物极裂球上。

细胞运动和原肠构建
当囊胚背部表面缘区一群内胚层细胞下陷时，两栖类的原肠作用就开始了。

重组实验证明，内陷进入内胚层的能力是背部缘区细胞固有的属性。

这些细胞特殊的瓶状结构对于启动原肠作用是重要的。

细胞运动启动之后，非洲爪蟾的瓶状细胞就不再是必需的了，去除瓶状细胞后内卷、胚孔的形成和封闭照样可以进行。

细胞向胚胎内运动的主要动力来自缘区表面下方的细胞（深层内卷缘区细胞，deep involuting marginal zone cell）的内卷，而不是表面细胞的内卷。

去掉缘区深层细胞，并用动物极细胞补充上去，原肠形成立即停止。

表面细胞由于和主动迁移的深层细胞相连而迁移进去形成原肠的衬里。

原肠作用过程中细胞内卷的动力来自深层内卷缘区细胞
随着原肠作用的进行，深层由好几层细胞构成的缘区细胞彼此插入混和（intercalation 或interdigitation），形成薄而宽的单层细胞。

正在内卷的缘区细胞则向植物极进一步延伸。

与此同时，表面细胞通过分裂和变扁平而扩展。

深层细胞运动到达胚唇时，它们卷入胚胎内部，彼此之间也进行插入混和，且沿中侧轴集中延伸，形成窄而长的中胚层带。

中胚层带向动物极迁移，牵拉伏在上面的表面细胞向动物极运动，形成原肠顶壁。

中胚层带的集中和延伸似乎为一自主过程，把中胚层细胞从胚胎中分离出来，它们照样可以集中和延伸。

原肠作用期间，动物极极帽（animal cap）和不内卷缘区的细胞通过下包扩展，包被整个胚胎。

同时，外胚层细胞也在整个胚胎中扩展，其机制主要是细胞分裂和数层细胞合并成单层细胞。

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（extraembryonic membrane），尤其是卵黄囊（yolk sac）和连接卵黄的基柄（stalk）。

鸡胚原条(primitive streak)的形成：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70％处，成为胚胎前后轴的标志。

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。

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。

通过原条侧面进入囊胚腔的细胞的命运：A，部分迁移的上胚层细胞在中线处与下胚层细胞接触后，将下胚层细胞赶向两侧，而自身形成内胚层，将生成内胚层器官和大部分胚外膜。

B，在上胚层和内胚层之间的细胞形成中胚层和少量的胚外膜。

6.哺乳类的原肠作用
哺乳类发育模式和鸟类以及爬行类相似。

哺乳类的卵子为少黄卵，但其胚胎仍保留着为适应多黄卵而进化形成的鸟类和爬行类胚胎的原肠作用方式。

哺乳类的内细胞团可以看作卵黄球顶部的胚盘，它按照与其祖先爬行类相似的模式发育。

哺乳动物在母体内发育，其胚胎直接从母体获取营养，而不是从卵子所储备的卵黄获取营养。

哺乳动物这一进化导致母体解剖结构发生巨大变化（输卵管膨大形成子宫）以及专司吸收母体营养的胎儿器官胎盘的出现。

胎盘主要由胚胎滋养层细胞和内细胞团形成的中胚层细胞发育而来。

上胚层和下胚层的形成：在原肠作用开始时，内细胞团分裂为两层。

与囊胚腔接触的一层为下胚层；另一层为上胚层。

上胚层细胞间的缝隙将合并、扩大成为羊膜腔，腔中的液体可防止胚胎脱水和保护胚胎受振荡。

上胚层将发育为胚胎的本体。

胚泡形成
胚泡：胚端滋养层内细胞群胚泡腔滋养层
胚泡的植入
胚泡侵入子宫内膜的过程，又称着床。

受精后第5-6天开始，第11-12天完成。

子宫内膜处于分泌期
{受精8天后的胚牙完成“着陆”，
微微嵌入子宫内膜。

}
[受精卵经过11-12天的发育和旅行,终于在女性的子宫内安顿下来}
植入过程
1）胚端滋养层粘附于子宫内膜的表面，分泌蛋白酶，并增殖。

2）胚泡陷入蜕膜缺口
3）蜕膜表面愈合覆盖胚泡表面
胚泡滋养层的变化
增殖分化为：
外层---合体滋养层
血腔隙（滋养层陷窝）
内层---细胞滋养层
子宫内膜的变化
包蜕膜
壁蜕膜
基蜕膜（参与胎盘的形成）
二胚层胚盘及相关结构的形成
受精后第7天，胚泡的内细胞群已增殖分化为两层紧贴的细胞，中间隔以基膜。

由上下两个胚层构成的椭圆形细胞盘称二胚层胚盘。

胚盘（胚体的原基）
上胚层一层柱状细胞
下胚层一层立方细胞
二胚层胚盘及相关结构：胚前期（第二周）
对胚胎起营养
和保护作用
三胚层胚盘及相关结构的形成（第三周）
上胚层形成：外胚层中胚层内胚层
三胚层逐渐分化形成各种器官的原基
外胚层细胞将主要分化形成表皮和神经系统。

神经系统起源于神经外胚层。

神经管分化为脑和脊髓以及神经垂体、松果体和视网膜等
神经嵴分化为神经节、周围神经和肾上腺髓质等。

内胚层细胞主要分化形成消化道上皮和消化腺。

中胚层细胞具多能性，将产生心脏、肾、性腺、结缔组织及血细胞等结构。

胚胎的膜
①蜕膜：子宫内膜的功能层在囊胚植入后称蜕膜，
②绒毛膜：由胎盘的滋养层发育而成，表面有很多突起长入子宫壁中③羊膜：胚胎本身长出来的膜。