第10章 脊椎动物胚轴形成

结合形成的复合物激活gcd基因的表达，该基因 gcd的启动子 的产物 GCD 又为组织者许多基因激活所必须的。
Developmental Biology
SMS
Developmental Biology
β-CATENIN TCF-3转录因子
激活
Nieuwkoop内
sms
表达
SMS（组织者特异性基因表达必须的）
Developmental Biology
上皮分化、腹部发育 （抗神经化） BMP 非组织者 Msx1 NRG
N分化、头部发育
Xbf-2
促进 抑制上皮分 化相关基因 的表达
Wnt8 边缘带 （抑制神经诱导）
CBR（咽鳃区内胚层） Frzb，DCK（内、中胚层）
图11.7 两栖类胚胎中阻滞Wnt8和BMP4功能的一些 蛋白因子示意图
第二篇 动物胚胎的早期发育
第十章 脊椎动物 胚轴形成
第一节 第二节 第三节 第四节 两栖类胚轴形成 鱼类胚轴形成 鸟类胚轴形成 哺乳类胚轴形成
第一节
两栖类胚轴形成
一、组织者和 Nieuwkoop 中心

两栖类是调整型发育的典型模型。两栖类 的背-腹轴和前-后轴是在受精时卵质的重新排 列而决定.
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内、中胚层内合成
veg
page240, 11.6图 组织者作用模式和两类因子 Developmental Biology
（三）第二类组织者分泌性蛋白因子： WNT 抑制因子


咽鳃区内胚层和头部中胚层形成的内-中胚层组织 构成胚孔背唇的前缘。这些细胞不仅能诱导最前 端的头部结构，而且还能够阻滞WNT信号传导途径。 WNT家族的成员之一WNT8与BMP4相似，能够抑制神 经诱导。 组织者分泌的CERBERUS（CBR）和内中胚层分泌的 FRZB和DICKKOPF（DCK）蛋白因子可以阻滞WNT信 号传导途径。
外胚层 cns 腹 部
核因子： Gsc,Xlim-1Otx-2, Foxa2/HNF-3,Xnot, Xtwn,Siamois,Xamf-1, Iro3,Bozozok
背 外胚层 部
内胚层
分泌因子： Chordin,Noggin, Follistatin Xnr-1,-2,-4,-5,-6,Xnr-3, 1GFBP5,Dkk-1Frzb-1, Antivin/Lefty,Crescent, sFRP2,Cerberus
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图A、第一类组织者分泌性蛋白和BMP等抑制因子
图B、第二类组织者分泌性蛋白因子和 WNT抑制因子 A an
外胚层上皮
神经外胚层 NGN 背 CHD FST XNR3 背部内胚层 组 织 者 分 子 腹 WNT8 FRZB 背 DCK
B
腹 BMP4
非组织者中胚层
组织者
Xbra
含背部中胚层诱导信号
图 爪蟾组织者和 Nieuwkoop中心及 中胚层诱导模型
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中胚层诱导信号
Nieuwkoop 中心

Niüwkoop在未来的发育中形成内胚层。它具 有诱导其上方的邻近细胞组织形成Spermann 组织者的能力。使它发育成中胚层。



蝌蚪除了背-腹轴和前-后轴之外还有中侧轴。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。 在此发育过程中都涉及到母体效应基因、外源信号、 细胞间的相互作用等。
GCD 在细胞核中直接或间接的激活一些基因，而这 些基因产物是调控细胞进行背-腹轴和前-后轴分化功能 的可溶性蛋白因子。——组织者分泌抑制诱导作用的 可溶性蛋白因子，而不是直接诱导神经组织的形成：
外胚层细胞未被诱导的情况下形成-N
外胚层细胞被诱导的情况下分化成-上皮 上皮分化和腹侧化诱导因子 BMP4（非组织者中胚层分泌） 神经抑制或抗神经化因子
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Pitx2决定心脏弯曲和肠盘绕的方向
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尽管蛙、斑马鱼、鸡和小鼠体轴形成的机制存 在差异，但是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。
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激活上皮特异性基因 msx1
BMP4
激活
抑制神经特异性基因
表达
xvent1
中胚层表现出腹侧表型
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NGN 神经外胚层 CHD 组 织 者 分泌一些可溶性蛋白因子 Nodal-相关蛋白-3(XNR-3) （防止BMP与靠近组织者的 外胚层和中胚层接触） FST 诱导外胚层形成神经组织 + BMP2 抑制它们与受体结合 使中胚层细胞背部化 BMP4 BMP2 BMP4
受精时的皮 层转动形成 两栖类的左 右对称。
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(一)组织者

（organizer）
灰色新月对胚胎的正常发育是必须的。由灰色新月 区产生的细胞形成胚孔背唇，随着背唇细胞的内陷原 肠作用开始。 在原肠作用时，由于细胞重新排列 ，产生 一系列邻 近细胞之间的相互作用。 通过一系列的实验证明，组织者细胞不仅具有自我 分化的能力，而且具有组织和诱导邻近细胞开始原肠 作用的能力。在原肠作用中组织者诱导背部的外胚层 形成中枢神经原基——神经管，并作用于侧中胚层共 同形成背-腹轴和前-后轴。
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由于β-catenin是转录因子，它和其他转录因子结合后激 活它们的活性，它们的产物又激活其他基因的激活。
如爪蟾
β-catenin TCF3
结合形成的复合物激活其他基因。
* 被激活的基因中包括 sms（在囊胚期Nieukoop中心表达） ，它
编码的SMS对组织者特异性基因的表达起关键的作用。 * TCF3 是 sms基因转录的抑制因子，但β-catenin/ TCF3复合体 激活 sms
后 端 化 因 子
eFGF——对于脊髓的分区最为重要
WNT3a——抑制前端控制基因的表达，并对2基因合作
RA——负责后脑的图式形成
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后端化因子RA的 作用：微量使神 经胚的前脑和中 脑的发育能力将 被削弱
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（五）中侧轴特化因子
激活
gcd
组织者内
GCD(激活背唇细胞迁移\
激活控制脑形成的 -Xotx2)
激活
富含nodal——组织者 少含nodal——侧板中胚层 不含nodal——腹侧中胚层
TGF-β基因家族蛋白 产物（Vg1、VgT 和 nodal相关蛋白（XNR1、2、4））
p181
gcd sms
1、2、4 Nodal蛋白
NGN—
CHD +
抑制它们与受体结合（脊索和背中胚层内表达）
XNR-3—对BMP4具有抑制作用 FST—对辅肌动蛋白具有抑制作用
（组织者表面的细胞合成） （背唇和脊索组织中表达）
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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。
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第二节
鱼类胚轴形成
p242
一、鱼类背-腹轴的形成
鱼类的胚盾对于胚胎背-腹轴的形成至关重要。
如果一个原肠早期胚胎的胚盾移植到另一个同期胚胎 腹侧，通过诱导侧板中胚层和腹侧中胚层转变成背部中胚 层。同时胚盾使外胚层发育成神经组织，而不是表皮，结 果产生两个胚轴。
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注射CERBERUS（CBR）可诱导出两个头部结构
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FRZB的表达与 功能。注射 FRZB引起躯干 部形成的抑制
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（四）后端化因子
随着前端神经系统的分化，N管后端开始分化。后端 的分化由后端化因子来调控
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二、两栖类胚轴形成的机制


(一)Nieuwkoop 中心的分子生物学机制 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。βcatenin是Nieuwkoop中心的一个主要细胞因子。
图11.1 在爪蟾胚胎模式形成起重要作用的主要组织者特异性基因
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（二）Nieuwkoop 中心
P二236/P三150
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中心：两栖类囊胚中最靠近背部的一群植物半 球细胞，对组织者具有特殊的诱导能力。 Nieuwkoop 中心 是由于精子入卵使卵质重排而产生的，兼具植物极和动物极 细胞质的特殊区域，该区含有背部中胚层诱导信号。 如果抑制卵质旋转，胚胎将缺乏头和神经管等前端背部 结构。 Nieuwkoop 因此，两栖类的背-腹轴精子入卵时就决定。
组织者蛋白因子
（NGN、CHD、FST、GCD）
BMPS
Msx1 Xvent1
上皮 腹部化
SMS
β-CATENIN
TGF- β家族蛋白因子
(Vg1、VegT、Nodal-相关蛋白)
GSK
DSH
图 11.5两栖类胚胎背腹轴形成主要相关蛋白因子作用示意图 Developmental Biology
（二）第一类组织者分泌性蛋白因子:BMP抑制因子
含Nodal蛋白多
TGF-β
少分化成侧板 未分化成腹侧板
Developmental Biology 11.4 β-CATENIN、TGF3 蛋白等相互作用形成组织者和诱导中胚层产生
为维持正常的发育，在胚胎背部细胞内必须含有 βCATENIN ，并使 sms 表达，SMS 和 TGF- β 的协同作用 下gcd 激活，在 SMS 和 GCD 等的共同作用下才能形成组 织者。 组织者的形成涉及到多种基因的激活。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，它又激活组织者内的一些基因。 已发现多种组织者特异性转录因子和分泌性蛋白因子：


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组织者细胞在早期胚胎发育中具有重要的功能：
•组织者能够启动原肠作用 •组织者发育成为前脊索板和脊索中胚层
•组织者能够诱导外胚层背部化形成神经板，并使
后者发育为神经管
•组织者能够诱导其周围的中胚层背部化，分化为 侧板中胚层，而不是腹侧中胚层。
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β-CATENIN开始在整个卵内均匀的分布,

在腹侧细胞内因为GSK-3的存在而下降 而背侧细胞内因为 DSH 的存在不会下降
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β-CATENIN是 Nieuwkoop 中心的一个主要因子。βCATENIN 在受精时随卵质 的旋转主要集中在背部，最 初积累在 Nieuwkoop 中心和 组织者，到了卵裂晚期时主 要集中在 Nieuwkoop 中心的 细胞内。两栖类背腹轴的形 成从精子入卵时开始, DSH、 β-CATENIN和GSK-3在背腹 轴形成中具有重要作用。
主要的 核蛋白
Βιβλιοθήκη Baidu
XLIM1 XNOT OTX2 XFD1 XANF1 GCD HNF- β
主要分泌 性pr因子
CHD、DCK NGN、FST ADMP FRZB、ONIC HH BERUS Nodal-相关蛋白
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P二239/P三152
中胚层背部化，外胚层神经化，Xotx2—脑
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GSK-3（糖原合成激酶-3 ）对 β-CATENIN 具有负调控作用，进而对于背侧细胞的分化起 抑制作用。


如果在 1 个细胞期注射具有活性的 GSK-3 ，以后 胚轴的形成受到抑制。 如果在早期胚胎发育期抑制腹侧细胞内的 GSK-3 ， 则引起次性胚轴的形成。