第十四章脊椎动物体节的形成与分化

⑤头部间充质中胚层，将形成头面部的结缔组织和肌肉。
第一节 脊椎动物体节的形成
脊椎动物体节是由前体节中胚层（presomitic mesoderm, PSM）形成的，而在体节开始形成时，大部分的预定体节细胞尚没有 产生，体节的形成是一个细胞增殖与分化周期性进行的过程。胚胎尾 芽区的PSM细胞属于未分化细胞，细胞分裂旺盛。而随着PSM细胞 的增殖，PSM前部的细胞会逐渐脱离尾芽区而形成上皮化的体节。 具有以下几个特征： ①脊椎动物体节是由前体节中胚层以“出芽”的方式从前到后依次 形成的。 ②每一个体节形成的周期是固定不变的，就像有一个时钟在控制， 称为分节钟( segmentation clock）。不同物种的体节数目和每一 体节形成的周期有所不同。小鼠和人的体节发生周期分别为2h和8h。 ③分节过程与其他形态发生过程是密切协调进行的，体节形成的时 间与位臵受到严格的调控。每一体节在形成的同时已具备前-后区域的 分化和确定的前-后轴特异性。
（A-D, 仿Graw, 2010；E, 仿Chow and Lang, 2001）
二、眼区的形成与分裂
眼的发育起始于原肠胚期，在神经板前部形成一个单一的预定眼区 （eye field）。眼区的决定是伴随着神经板前-后轴的图式分化，在 神经板前部特定区域形成。 Wnt信号在眼区的形成中具有重要作用。在爪蟾中，过表达Wnt 受体Fzd3可诱导眼区基因（pax6,Rx和Otx2 )的异位表达，甚至 可诱导形成异位的眼。近来的研究表明，miRNA在调节眼区基因表 达方面具有重要作用。 Shh在脊索和神经管的腹侧基板中表达，对于中线的发育和眼区的 分离具有重要作用。six3基因负责调节Shh在间脑腹侧中线的表达。 six3和shh基因的突变都会导致眼区不能一分为二，发生独眼缺陷。 在人的前脑无裂畸形（holoprosencephaly )中也会出现独眼症状， 其中大约有5%与shh和six3基因的突变有关。 在斑马鱼中，Nodal信号途径在眼区分离过程中具有重要作用。这 是因为在斑马鱼中，Nodal信号是脊索和神经管的基板发育所必需的。 在Nodal信号途径的突变体中，脊索和神经管的基板无法形成，Shh 的表达显著降低，眼区也就不能正常分离了。
授课教师：吴中华 授课专业：生物科学
二零一四年
第十四章
脊椎动物体节的形成与分化
(仿Gilbert, 2000)
第十四章
脊椎动物体节的形成与分化
脊椎动物神经胚期的胚胎中胚层可被分为5个区域：
①脊索中胚层-发育成为脊索。 ②轴旁中胚层 这一部分细胞迅速增殖，形成一对纵行的细胞索，随 即形成一系列块状细胞团，称体节（somite）。体节左右成对，从 头部向尾部依次形成。每一个体节单位又分化为3个区域，即生皮节、 生肌节和生骨节，最终分别发育成为真皮、骨骼肌和中轴骨骼。 ③中间中胚层，发育形成泌尿生殖系统。
许多的同源框家族转录因子（如Pax6）和FGF, Wnt 信号等参与了晶状体的发育过程。其中pax6是调节眼发 育的主控基因。 人的pax6的突变会也造成小眼缺陷。神奇的是，把 eyeless基因在果蝇的翅膀、触角和腿上异位表达，会在 这些部位诱导形成眼。 在非洲爪蟾的发育早期注人pax6 mRNA,也能诱导出 异位的眼，证明了eyeless/pax6是眼发育的主控基因， 也提示所有眼的早期发育都受pax6基因的调控。 在小鼠中,pax6是晶状体板形成和晶状体发育所必需的， pax6最初在整个预定基板区都表达，但随后在非晶状体 板区表达下调。
一、周期性表达基因
1997年, Pourquié (Palmeirim et al. 1997)实 验室发现c-hairy1基因在鸡胚前体节中胚层中周期性表达。 c-haiFra Baidu biblioteky1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。其表达变化完成一个 周期需要90 min，与其体节形成周期恰好一致。
Shh可诱导预定生骨节细胞表达pax1和sox9基因， 并表达肌肉发生的抑制因子Id类基因。 脊椎骨与体节的位臵并不对应，每一节脊椎骨是由一个 生骨节的后半部分与后一生骨节的前半部分共同形成的。
脊椎骨的前-后轴属性（头椎、颈椎、胸椎、腰椎、骶 椎、尾椎）是由它所在区域表达的Hox基因控制的。Hox 基因的过表达或敲除会引起脊椎骨性质的改变。
第十五章 脊椎动物眼的发育
晶状体和角膜起源于表皮外胚层，视网膜及虹膜和睫状 体上皮则起源于前部神经板，而角膜的基质层起源于神经 嵴细胞来源的间充质细胞。
第一节
一、眼的发育过程
脊椎动物眼的发育过程
原肠胚晚期，在神经板前部预定前脑区域形成眼区（eye field）。 随后，这一区域分裂为左、右两个 。 在神经胚期，预定眼区由前脑侧壁向外凸出形成视泡，并继续发育 为视杯。 在视泡的诱导下，位于视泡外侧的表皮外胚层发育形成晶状体板， 进而分化形成晶状体。pax6是调节晶状体发育的主控基因。 角膜由表皮外胚层发育形成，眼周的间充质细胞（起源于神经嵴） 迁移入角膜，将来形成角膜的基质。 虹膜和睫状体由视杯边缘的细胞形成，视杯的外层形成视网膜色素 上皮，而其内层形成视网膜，包含有6种不同类型的细胞（包括感光 细胞）。视网膜神经节细胞的轴突向视柄生长形成视神经。
C，视杯和晶状体泡的形成； D，角膜的形成。
四、晶状体的形成与分化 在神经板时期，神经板前缘与表皮之间形成一个特殊区 域，即前基板区（preplacodal region），这一区域具 有特殊的分化潜能，将来的晶状体、嗅神经、内耳、三叉 神经节等都产生于这一区域。 当视泡自间脑区域向外凸出，与基板接触时，就会诱导 这一部位的基板细胞增厚，形成晶状体板（lens placode)。 晶状体板细胞内陷，形成晶状体窝（lens pit;也称晶 状体杯lens cup)，进而与表皮分离，形成晶状体泡 （lens vesicle)。晶状体泡表面的上皮重建形成角膜上 皮。
生皮节的分化受到来自背部神经管的Neurotrophin3（NT3）的 诱导，阻断这一因子的功能会抑制真皮的产生。
二、肌肉发生
所有骨骼肌都来源于体节的生骨节或头部中胚层的相应 区域。平滑肌来源于侧板中胚层，而心肌由特化的心脏原 基产生。
在骨骼肌的分化过程中，细胞首先被诱导成为成肌细胞 （myoblast），经过一段增殖和／或迁移，然后停止分 裂，经过细胞融合形成特征性的多细胞核的肌纤维。已发 现有两类分子参与了成肌细胞的融合，ADAM家族的金 属蛋白酶Meltrin和名为Tetraspanin的跨膜蛋白。
④侧板中胚层，是中胚层最外侧的部分。侧板中胚层又分为靠内侧的 脏壁中胚层和外侧（紧贴外胚层）的体壁中胚层，两者之间形成体腔。 脏壁中胚层覆盖于原始消化管外面，将分化为消化和呼吸系统的肌组 织、血管和结缔组织等。心脏起源于前部的脏壁中胚层。体壁中胚层 将来形成体壁（包括肢体）的骨骼、肌肉、结缔组织等。在羊膜类胚 胎中，侧板中胚层还参与胚外膜的形成。
四、FGF信号与体节形成 FGF8在鸡胚后部PSM中有很强的表达，由后向前逐渐 减弱，形成一个浓度梯度。 FGF因子对于维持后部PSM细胞的未分化状态可能具有 重要作用，而FGF8表达水平的降低是前部PSM细胞进入 成熟程序所必需。 实验表明，体节的最初决定发生在PSM中距离最后一个 已形成的体节之后约4个体节的位臵，称为“决定前沿” （determination front），这一位臵恰好是FGF8表达 区域的前沿位臵。如果用药物抑制FGF信号，会使新形成 的体节变大；而在PSM中植入带有FGF8的琼脂糖小珠， 体节则会变小，说明FGF信号对于决定PSM中体节形成的 前沿位臵具有重要作用。
三、视杯与视泡的形成 在神经胚期，两个眼区分别由前脑侧壁向外凸出，形成 视泡（optic vesicle），并与表面外胚层接触，两者之 间的相互作用诱导外胚层增厚，形成晶状体板（lens placode）。视泡随后内陷，形成视杯（optic cup) 。 视黄酸（retinoic acid）信号参与了这一过程的调控。 在小鼠中，与视黄酸合成酶相关的视黄醛脱氢酶基因 raldh2突变体胚胎的视泡不能内陷，也就不能形成视杯。 Lhx2也是早期眼区特化过程的重要调控因子之一，它 可能是联络由预定眼区到视杯形成过程的核心因子。
第二节 脊椎动物体节的分化与肌肉发生
体节形成后，在其周围组织的诱导下，进一步分化为生 骨节、生皮节和生肌节。
生骨节是由脊索和腹侧神经管诱导产生的。
生肌节的轴上部分（将发育为脊柱的肌肉）是由脊索和 背部神经管诱导产生的，而这一过程受到侧板中胚层的限 制。 生皮节是由神经管诱导产生的。
诱导产生生骨节的信号分子是Sonic hedgehog （Shh)，它在脊索和神经管的基板中表达。
生肌节的诱导较为复杂，在前体节期，这些细胞受到Shh信号的诱 导，而在体节期，在有背部神经管产生的Wnt信号的诱导下，生肌节 细胞开始表达促进肌肉发生的myf5基因，而pax3基因的表达受到 抑制。pax3基因之前在整个体节中都表达，它会抑制肌肉的发生。 侧板中胚层对肌肉的发生也具有抑制作用，这可能是由其表达的 BMP4因子介导的。 生肌节产生的范围是由来自背神经管的Wnt信号和来自侧板中胚层 的BMP4信号共同调控的。 Wnt信号会诱导生肌节中部细胞表达BMP信号的抑制因子 Noggin,从而限制BMP信号的作用范围。 轴下生肌节（将发育为胸部和腹部的肌肉）的诱导机制可能有所不 同，它们距神经管较远，可能受到来自背部表皮组织的Wnt信号的调 控。
小鼠lfng基因启动子中负责其周期性表达的序列已被找到，其中含 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；同时还含有两个E-box （bHLH因子结合位点，图14.3）。 研究表明lfng, deltaC等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 这些基因呈现周期性表达的特点。
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。 在小鼠和斑马鱼中，许多Notch信号途径因子的突变都 会导致体节发育异常，同时一些周期性表达基因的表达也 被破坏，说明Notch信号很可能直接参与了体节的形成和 周期性表达基因的表达调控。
二、周期性表达基因的转录调控
三、分节钟的分子机制：负反馈调节环路
2002年，Hirata等发现，在培养细胞中，经过血清刺激后，hes1 mRNA和蛋白都呈现周期性表达，其变化周期恰好为2h，这与小鼠体 节形成的周期是一致的，说明两者可能具有相同的分子机制。 其中Hes1蛋白表达变化周期比起mRNA的变化周期滞后15min, hes1 mRNA和蛋白都具有一个很短的半寿期（约20 min) .Hes1蛋 白通过泛素-蛋白酶体途径被降解。如果加入蛋白酶体抑制剂以阻断 Hes1蛋白的降解，其mRNA的转录就会被持续抑制；相反地，在 Hes1蛋白失活时，其mRNA的转录则持续被激活，说明Hes1蛋白可 抑制其本身mRNA的转录，同时这一系统中hes1转录的激活因子是持 续存在的而不是周期性表达的。
这一负反馈调节环路是hes1周期性表达的关键。在这一环路中， Hes1蛋白可抑制其mRNA的转录，但随着Hes1蛋白的迅速降解，其 转录得以进行，从而开始下一个表达周期。这样，通过这一负反馈调节 环路，hes1的表达被持续激活时就会自动呈现周期性表达的状态。
Wnt信号同样参与了分节的过程。Axin2是一个Wnt 信号抑制因子，Aulehla等（2003）发现，Axin2在小 鼠PSM中也存在周期性表达的现象，而其循环周期与 Lfng表达周期的时相并不一致。 在Wnt3a的一种突变体中，体节的分节也出现异常 Axin2的表达降低，而且Lfng的周期性表达也会丧失。 Wnt3 a与Axin2的表达之间可能也存在一个负反馈调节 环路。Wnt途径参与体节形成的确切机制还有待于进一步 研究。