胚轴形成

• 不同靶基因的启动子与BCD蛋白具有不同的亲和力，BCD
蛋白的浓度梯度可以同时特异性地启动不同基因的表达，
从而将胚胎划分为不同的区域。
• btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶基因。
3. 后端组织中心Nanos蛋白和Caudal蛋白浓度梯度
• 后端系统包括约10个基因，这些基因的突变都会导致胚胎
Nanos mRNA也是由滋养细胞合成，后转运至卵细胞中， 定位于卵细胞的后极。
母源性hunchback蛋白浓度梯度的建立
• hb基因是在卵子发生过程中转录的母体效应基因，hb mRNA在卵子中是均匀分布的。在卵裂阶段HB蛋白开始 合成。分布在胚胎后部的hb mRNA的翻译被NOS的浓度梯 度所抑制，而在前部BCD蛋白浓度梯度可以激活合子hb基 因的表达。结果HB蛋白的分布区域只位于胚胎前半部分。 • NOS对hb和bcd基因表达的抑制作用是在翻译水平上进行 的。 • 另一个重要的母源性产物caudal（cdl）mRNA最初也是均 匀分布于整个卵质内，BCD能抑制cdl mRNA的翻译。在 BCD活性从前到后降低的浓度梯度作用下形成CDL蛋白从 后到前降低的浓度梯度。 • cdl基因的突变导致腹部体节发育不正常。
母源性基因
HB蛋白浓度梯度
果蝇躯体模
缺口基因
式建成过程 中沿前后轴
成对控制基因
不同层次基
因内的表达。
体节极性基因
同源异形基因
前端系统
母源性基 因系统突 变后产生 的结果 。
后端系统
末端系统
2. 前端组织中心-Biciod (BCD)蛋白浓度梯度
• 前端系统至少包括4个主要基因，其中bicoid（bcd）基因对于
第一节 果蝇胚轴的形成
• 胚轴指胚胎的前－后轴（anterior -posterior axes）和背 – 腹 轴（dorsal -ventral axis）。
爪蟾胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴（中侧轴），互成垂直角度。
• 目前已筛选到与胚胎前后轴和背腹轴形成有关的约50个母 体效应基因（maternal effect gene）和120个合子基因 （zygotic gene）。 • 在果蝇最初的发育中，由母体效应基因构建的位置信息网 络，激活合子基因的表达，控制果蝇躯体模式的建立。 • 一、 果蝇胚胎的极性 果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前-后轴和 背-腹轴。 • 果蝇躯体模式的形成是沿前-后轴和背-腹轴进行的。果蝇 胚胎和幼虫沿前-后轴可分为头节、3个胸节和8个腹节， 两末端又分化出前面的原头（acron）和尾端的尾节 （telson）；沿背腹轴分化为背部外胚层、腹侧外胚层、 中胚层和羊浆膜。
原肠作用始于瓶状细胞形成和 内突。它们的内突使囊胚表面 形成一个小沟，即为胚孔。
3.细胞运动和原肠构建（各类细胞迁移的动力）
原肠作用开始时的瓶状细胞的收缩可以推动植物极细胞 向内运动，同时把缘区细胞向植物极牵拉，缘区细胞的运动 又使外胚层向植物极运动，不断包被胚胎（下包）。
4.外胚层的下包
在胚唇内卷的同时，外胚层也在整个胚胎表面扩展。 外胚层下包的主要机制：表层细胞通过分裂使细胞数目增 加及细胞变扁平而进行扩展，同时发生的是多层深层细胞合 并为单层细胞。
2.早期原肠内陷
初级间质细胞内移后植物极板上的细胞发生变化：
⑴ 填补初级间质细胞内移形成的空隙，使植物极板进一步变扁平； ⑵ 内陷，内陷深入到囊胚腔四分之一到二分之一时停止，陷入部分
称为原肠，原肠在植物极开口称为胚孔。
海胆的早期原肠内陷
3.早期原肠内陷的机制
植物极板内陷的作用力：来自于透明层
透明层结构：外层的透明蛋白，内层的fibropellin蛋白 内陷过程：植物极板细胞向内层分泌硫酸软骨素蛋白多糖，硫酸
腹部的缺失。在这一系统中起核心作用的是nanos（nos）
基因。 • 后端系统并不像BCD蛋白那样起指导性的作用，不能直接 调节合子基因的表达，而是通过抑制一种转录因子的翻译 来进行调节。 • Fra Baidu bibliotek果蝇卵子发生过程中，nos mRNA定位于卵子后极。nos 基因的编码产物Nanos（NOS）蛋白活性从后向前弥散形 成一种浓度梯度。NOS蛋白的功能是在胚胎后端区域抑制 母性hb mRNA的翻译。
前端结构的决定起关键的作用。BCD具有组织和决定胚胎极
性与空间图式的功能。 • BCD是一种母源效应基因，其mRNA由滋养细胞合成，后转 运至卵子并定位于预定胚胎的前极。exuperantia、swallow和 staufen基因与bcd mRNA的定位有关。
• BCD蛋白形成从前向后稳定的浓度梯度，主要覆盖胚胎前2/3
四、爪蟾的原肠作用
1.两栖类原肠作用时的细胞运动 发生的位置：胚胎将来的背部，即赤道下方的灰色新月区 （缘区）。
爪蟾卵的结构
2.原肠作用的两个时期：
第一时期——内陷：缘区局部的预定内胚层细胞内陷形成胚孔。
细胞形状改变，主体部分向胚胎内部移动，但仍通过细长瓶颈样 结构与胚胎外表面相通，称为瓶状细胞。
滋养细胞
滤泡细胞
果蝇卵子的发生图示 滋养细胞合成mRNA, rRNA，甚至是完整的核糖体，并通过细 胞间桥的胼合体，单向转运到卵母细胞里。
二、果蝇前 – 后轴的形成
1. 果蝇前后极性的产生 • 果蝇的胚胎，幼虫、成体的前后极性均来源于卵子的极性。 • 对于调节胚胎前 – 后轴的形成有4个非常重要的形态发生素： Bicoid(BCD)和Hunchback(HB)调节胚胎前端结构的形成， Nanos(NOS)和Caudal(CDL)调节胚胎后端结构的形成。 • 形态发生素调节首先表达的合子基因，即缺口基因（gap gene）的表达。 • 不同浓度缺口基因的蛋白质产物引起成对控制基因（pairrule gene）的表达，形成与前后轴垂直的7条表达带。 • 成对控制基因蛋白质产物激活体节极性基因（segment polarity gene）的转录，进一步将胚胎划分为14个体节。 • 缺口基因、成对控制基因以及体节极性基因共同调节同源 异型基因（homeotic gene）的表达，决定每个体节的发育命 运。
羊浆膜
背侧外胚层
副体节
果蝇沿前 后轴、背 腹轴和中 侧轴建立 躯体模式。
预定前端肠道内胚层
胸部 中胚层 腹侧外胚层 预定后端肠道内胚层
原头
原尾
果蝇幼虫与成体分节的比较。
发育机制
• 受精卵中特定部位的细胞质与胚胎特定部位的发育有关。 果蝇卵前、后极少量细胞质的流失，会分别造成胚胎缺失 头胸部和腹部结构，其他部位细胞质的少量流失都不会影 响躯体模式形成。这说明果蝇卵前后极的细胞质中含有与 果蝇图式形成有关的信息。 • 果蝇早期胚轴形成由母体效应基因产物调控。即一定浓度 的特异性母源性RNA和蛋白质沿前 – 后轴和背 – 腹轴的不 同区域分布，以激活胚胎基因组的程序。 • 有4组母体效应基因与果蝇胚轴形成有关，其中3组与胚胎 前 – 后轴的决定有关，另一组基因决定胚胎的背腹轴。
区域。
bcd mRNA由滋养细胞合成，后转移至卵细胞中并定 位于卵细胞的前极。
bicoid基因 对前端结构 的发育是必 需的 。
母源性基因bicoid mRNA在卵子中的分 布以及受精后biocoid 蛋白的浓度梯度。
随着BCD蛋白在胚胎中 的扩散，这种蛋白质也 开始降解——它有着大 约30分钟的半衰期。这 种降解对于建立起前后 浓度梯度是非常重要的。
bcd mRNA在 受精后迅速翻 译，形成BCD 蛋白从前到后 的梯度。突变 型的BCD均匀 分布，不能形 成前后浓度梯 度
• bcd 基因编码的BCD蛋白是一种转录调节因子。hunchback （hb）是其靶基因之一, 控制胚胎胸部及头部部分结构的
发育。
• hb在合胞体胚盘阶段开始翻译，表达区域主要位于胚胎前 部，HB蛋白从前向后也形成一种浓度梯度。hb基因的表 达受BCD蛋白浓度梯度的控制，只有BCD蛋白的浓度达到 一定临界值才能启动hb基因的表达。
结论
原肠作用包括各种不同细胞行为的复杂的形态发 生和运动过程，处于胚胎不同位置的细胞经历过相互
协调的运动，最终将内胚层和中胚层带到胚胎的内部
，而外胚层留在胚胎的外面。 通过原肠作用中细胞的大规模、有规律的迁移， 内、中、外三个胚层细胞被置于适当位置，为分化为 不同器官做准备。
第十一章
主要内容
胚轴形成
软骨素蛋白多糖吸水，内层膨胀，而外层并不膨胀，导致植物极
区域透明层向内弯曲，随后，与植物极板毗邻的细胞产生一种动 力，拉拽向内弯曲的植物极板内陷。
fibropellin蛋白 透明蛋白
4.早期原肠内陷的另一种机制
如下图所示，纤丝收缩使细胞变为契形，成为细胞内陷 的原动力。
5.晚期原肠内陷
原肠形成晚期，原肠大幅度拉长，拉长过程中粗短的原肠变得 细长，此期间无新细胞形成，而是通过细胞重排（集中延伸）完成 ，原肠周长内的细胞数目减少，细胞变扁平。 原肠顶端接触到囊胚腔壁时，位于原肠顶端的次级间质细胞分 散进入囊胚腔，最终形成中胚层器官。囊胚腔壁接触到原肠的位置 形成口，口和原肠顶端形成消化管，胚孔形成肛门。
母源性bicoid蛋白控制hunchback基因的表达。
四种形态发生素 在果蝇受精卵和 胚胎中沿前后轴 分布的浓度变化。
hunchback又可开启一些 缺口基因如giant、krü ppel 和knips等基因的表达。缺 口基因按一定顺序沿前后 轴进行表达 。
krü ppel基因的活性受hunchback蛋白的控制。
• 决定前后轴的3组母体效应基因包括：前端系统（anterior system）决定头胸部分节的区域，后端系统（posterior system）决定分节的腹部，末端系统（terminal system）决 定胚胎两端不分节的原头区和尾节。 • 另一组基因即背腹系统（dorsoventral system），决定胚胎 的背 – 腹轴。 • 在卵子发生过程中，这些母源效应基因的mRNA由滋养细 胞合成转运至卵子，定位于卵子的一定区域。这些mRNA 在受精后立即翻译编码蛋白因子，激活或抑制一些合子基 因的表达，调控果蝇胚轴的形成。 • 这些母源效应基因的蛋白质产物又称为形态发生素 （morphogen）。 形态发生素（morphogen）？
第十章原肠作用
1.原肠作用的概念和主要特点 • 原肠作用是指囊胚细胞有规则的移动，使细胞重新排列， 用来形成内胚层和中胚层器官的细胞迁入胚胎内部，而要 形成外胚层的细胞铺展在胚胎表面。 • 原肠作用期的胚胎叫原肠胚 2.原肠作用中的主要细胞迁移 下包、内陷、内卷、内移、分层、会聚伸展 3.原肠作用最终分化 外胚层——表皮和神经系统；内胚层——消化管； 中胚层——肌肉、骨骼、血细胞和肾等器官。
• 第一节 果蝇胚轴形成（胚胎的极性；前－
后轴形成；背－腹轴形成；体节的形成） • 第二节脊椎动物胚轴形成（两栖类背－腹 轴、前－后轴形成及其他脊椎动物胚轴的 形成）
• 胚胎不但要产生不同类型的细胞（细胞分化），而且要由 这些细胞构成功能性的组织和器官并形成有序空间结构的 躯体模式（body plan）。 • 胚胎细胞形成不同组织、器官，构成有序空间结构的过程 称为图式形成（pattern formation）。 • 在动物胚胎发育中，最初的图式形成主要涉及胚轴 （embryonic axes）形成、体节形成(segmentation)、肢芽 （limb bud）器官原基(organ anlage)及其一系列相关的细 胞分化过程。 • 胚轴的形成是在一系列基因的多层次、网络性调控下完成 的。
一、原肠作用中的细胞移动
1.下包: 表层细胞（通常为外胚层）做为一个整体扩展，使胚 胎的内层被覆盖。
2.内陷: 指胚胎的局部区域同 时向内凹入。
3.分层:指一个细胞层分成两 层或多层平行的细胞层。
4.集中延伸（会聚伸展）：细胞间相互插入，使所在组织变
窄、变薄，并推动组织向一定方向移动。
二、表皮细胞和间质细胞的概念
• 表皮细胞：细胞与细胞间紧密连接成管状或片层状结构,
局部或整个结构一起动。
• 间质细胞: 细胞与细胞间松散相连，每个细胞为一个行动 单元
外包的表皮细胞
内移的间质细胞
三、海胆的原肠作用
1. 初级间质细胞内移 囊胚期植物极一侧变厚称为植物极板，中央的一簇小细胞 脱离表面单层细胞进入囊胚腔，称为初级间质细胞，来源于卵 裂期的小裂球。初级间质细胞沿囊胚腔内表面运动，最终占据 囊胚腔预定腹侧面，最终形成幼虫碳酸钙骨针的轴。