胚胎早期发育

如果细胞位置决定细胞发育方向，则需要存在
细胞感应胚胎内位置的机制。

细胞极化：受精卵在发育过程中会发生极化现 象。保守的极性蛋白如aPKC，Par3和Par6极
化参与维持细胞位置，细胞接触则是细胞极化
所必需的。
百度文库
细胞极化

紧束化过程中所有的卵裂球呈伸展状态，最大限 度地相互接触；细胞开始出现极性，细胞质形成 两个明确的分区：顶区和基底区。
囊胚腔的形成机理
在细胞极化并开始不对称分裂后，细胞底部和顶部的膜组分差 异更加明显，底部细胞膜的Na+-K+-ATP酶将Na+主动转运进胚 胎，进入的Na+积聚水分子，使胚胎内开始空腔形成的过程， 最终在胚的一侧形成了一个充满液体的腔隙，即囊胚腔 (blastocoelic cavity)。
囊胚的结构
A E6.5，原条ps 开始形成
B 更多的细胞进入原 条，使它在外胚层和 脏壁内胚层VE之间向 胚胎的末端延长
新生成的胚胎中胚层m向侧后方迁徙而 围绕整个外胚层，胚外中胚层xm推动 胚外外胚层Exe向上和向中央移动；形 成中胚层内的腔，称为胚外体腔(exo)
胚外体腔扩大，使胚外外胚层和胚胎外胚层的边缘融合，将原羊膜腔分为两 部分，并形成羊膜am和绒毛膜ch；胚外中胚层和脏壁内胚层一起形成脏壁 卵黄囊vys。尿囊al和原始生殖细胞在胚胎的后侧形成
脐带的胚外中胚层。
原肠作用：胚胎细胞的重新组合

原肠作用或原肠胚形成gastrulation，是指囊胚细
胞有规律的移动，使细胞重新排列，用来形成内胚
层和中胚层的细胞迁入内部，而要形成外胚层的细
胞铺展在细胞表面。

原肠作用的意义：建立起三个胚层；为重新占有新
位置的胚胎细胞之间的相互作用奠定基础。
小鼠原肠胚期的组织形成与迁徙

从植入到原肠胚形成 影响胚胎发育的关键基因

植入前发育过程
紧束化
囊胚
桑椹胚
受精
哺乳动物的受精部位在输卵管，精子与卵母细 胞在输卵管相遇，两个亲代原核融合形成二倍
体的受精卵细胞核。
紧束化过程compaction
随着受精卵的不断分裂，细胞之间结合得更加紧密， 以便于形成细胞桥粒desmosomes和缝隙连接gap junctions，以确保细胞间通讯，这个过程称为紧束化。
小鼠发育谱系
受精卵 囊胚
内细胞团
滋养外胚层
滋养外胚层 壁层滋养外胚层 极端滋养外胚层 胚外外胚层 外胎盘角
体壁内胚层PE
滋养层巨细胞
体壁卵黄囊
绒毛膜外胚层
内细胞团 原始外胚层 原始内胚层 滋养层 巨细胞
脏壁中胚层
脏壁内胚层VE
体壁内胚层PE
体壁卵黄囊 脏壁卵黄囊
原始外胚层 内胚层 外胚层 生殖细胞 中胚层
c. 3细胞阶段，其中包含精子进入位点的卵裂球先发生 分裂（两个小细胞部分）。d.包含精子进入位点的卵
裂球优先参与形成囊胚的ICM，而另一个则优先 形成胚外层。
位置、极化与细胞命运的分子机制研 究探索

所谓分子机理，即需要一个不同的定位转录 因子，将细胞内外位置的差异转变成基因表 达的变化。
外 内
早期卵裂过程在输卵管中
早期鼠胚的发育潜能

小鼠2-8细胞期的卵裂球都是全能的，移植
到代孕鼠体内，能够发育成正常的老鼠。

16细胞细胞期桑椹胚中的两个细胞亚群虽然
表型不同，但都具有可塑性，在一定的条件 下，能够产生其他谱系的细胞。

64细胞期后ICM丧失全能性。
Development of an embryo lacking the animal pole.
外胎盘角 胚外外胚层EXE 胚外外脏壁内胚层EVE 原羊膜管 外胚层 脏壁内胚层VE 前脏壁内胚层AVE 体壁内胚层PE 滋养层内胚层
在E5.5和E6.0，远端脏壁内胚层（深红色）从脏壁内胚层的端 点向预定生成外胚层前部的区域迁徙，形成前脏壁内胚层(AVE) 。
前脏壁内胚层(AVE)形成，标志着Proximal-Distal（近 -远）向Anterior-Posterior （前-后）轴的转变
胚外XVE
体壁内胚层PE 原始内胚层PE 脏壁内胚层VE 胚内EVE 远端Distal
原始内胚层细胞的发育
体壁内胚层PE以单细胞形式大批迁徙到TE之上，分 泌大量的ECM，形成厚厚的基膜，成为Reichert膜。 PE细胞，滋养层巨细胞和Reichert膜一起形成体壁卵 黄囊。
远端脏壁内胚层的迁移
胚胎与子宫壁黏附后，滋养层细胞开始分 泌蛋白酶消化子宫内膜的ECM，使胚胎 向壁内浸润。
受精后4天，卵巢分泌孕激素和雌激素，而子宫内的 雌激素引起子宫内LIF表达增加，使之结合到分泌薄 壁细胞表面受体上，促进胚胎与子宫壁的蜕膜化反 应 (decidualization)，使胚胎完成植入。
Nature 450, 619 (29 November 2007)
滋养层细胞的发育
壁层滋养层细胞 滋养层巨细胞
极端滋养层细胞
滋养层巨细胞
胚 外 外 胚 层
外 胎 盘 角
卵圆柱Egg Cylinder的形成
壁层TE细胞和部分极端TE细胞发育成滋养层巨细胞； 另一部分极端TE细胞发育成胚外外胚层和外胎盘角， 前者将ICM推入囊胚腔，形成圆柱体。
滋养层谱系衍生物的作用
第二课 早期发育的过程与机制
引言

了解哺乳动物胚胎的早期发育过程和机制对于 理解ES细胞的多能性非常关键。

哺乳动物的早期发育经历了40多年的研究，特
别是体外受精、对培养的胚胎进行克隆分析等
技术的进步，正在为人们了解关键性的发育事
件提供新线索，使一些重要问题得到解决。
内容提要

植入前发育过程和分子机制
肠、肺、 皮肤、神 肝等 经系统
体节 生殖崤、 肾等
脊柱、真皮、肌肉
胚外中胚层
羊膜外胚层
羊膜囊 羊膜中 胚层 尿囊中 胚层 绒毛膜 中胚层 脏壁中 胚层
人类胚胎发育与小鼠的差异
人类滋养层细胞浸润到子宫组织中并形成合体
滋养层(syncytiotrophoblast)，类似于小鼠滋养 层巨细胞。
与ICM和囊胚腔接触的滋养层细胞仍为单层的
内部为将来的背部，即外侧 中胚层 (红), 内胚层（褐色）的移动方向如箭头所示 中胚层的前面区域(黑色）由原条分化而来，移动到前侧后将形成胎儿的心脏 （绿色） 前侧原始内胚层(ADE; 粉红色) 将分化为前肠 前侧神经板（蓝色）将形成前脑
脊索notochord是一个临时的棒状结构，它单独形成胎儿背部的皮肤，最终与 原始内脏内胚层和头结连接。头侧的脊索细胞是形成脑部的基础。 原条的头端称原结node。原结有两层结构，是胚胎重要的信息调节中心。内胚 层头结和脊索的邻近处将形成胎儿的内脏各器官。
桑椹胚morula
在小鼠8细胞期，人8-16细胞期，胚胎在紧束化过程 中发育成一个紧密平滑的球形结构，称为桑椹胚。在 这个阶段，所有细胞均具有全能性。
囊胚的形成
桑椹胚通过细胞分化，形成内细胞团和滋养层
两种细胞类型，并发生空腔化，最终形成囊胚
。
囊胚腔的形成过程
E.在胚胎的一侧生成囊胚腔即早期囊胚； F、G.囊胚腔扩大，占据了绝大部分囊胚 H.囊胚中的三个轴分别是胚胎-胚外(abemb-emb)、动 物-植物(an-veg)和某些平面上出现的垂直于an-veg的轴。
Yap在内外细胞的表达模式差异
Developmental Cell 16, 398–410, 2009
E-cadherin抗体处理，破坏细胞连接，胚胎发生去紧束 化，引起Yap在细胞中表达模式改变。箭头位置的细胞 Yap开始在细胞核内表达。18表示18细胞期
将其他7细胞移除后（相当于强制将细胞位置改为内 部），细胞极性和核内Yap的表达消失。
远端脏壁内胚层迁移的分子机制
Nature Reviews Genetics 8, 368-381 (May 2007)
原条的出现

到E6.5时，胚外外胚层(ex)
和外胚层的结合部形成原条
(primitive streak)，标志着 原肠胚形成(gastrulation)开 始。

在此过程中胚胎开始形成三 个明确的胚层，开始出现参 与形成脏壁卵黄囊、胎盘和

通过敲除来偶然发现早期致死表型。
位置、极化与细胞命运的分子机制研 究面临的困难

与细胞位置、细胞接触相关的蛋白质多为大基因家 族成员，单基因敲除可能会被其他家族成员代偿。

早期发育阶段部分是通过母体提供的蛋白质调控的 ，因此需要敲除生殖细胞的基因来确定表型。

相关蛋白参与细胞的基本过程，如细胞分裂等，使 得在发育过程中研究其功能很困难。

介导胚胎植入，并建立母体与胚胎之间营
养物质和废物交换的屏障。 构成胎盘的主要部分。 发挥内分泌和免疫的功能


ICM细胞的发育
在晚期囊胚ICM开始分为外胚层Epiblast和原始内胚层 Primitive endoderm
原始内胚层细胞的发育
脏壁内胚层VE 是一层极性上皮， 和胚外外胚层以 及ICM紧密相连， 在以后的发育中 参与形成脏壁卵 黄囊

转录因子A随细胞内外位置的差异而有不同 的表达模式，在改变位置后，能够改变表达 模式，适应位置的变化。
确定影响早期胚胎发育相关转录因子 的研究策略

利用芯片分析着床前的转录表达来确定候选
的转录因子。

原位杂交筛选囊胚中表达受限的候选因子。
通过对囊胚来源的干细胞系进行芯片分析比
较来筛选候选因子。
CARM1调节H3R26的甲基化水平，过表达CARM1可以显著 增加发育成ICM的比例
二、从植入到原肠胚形成
一经抵达宫腔，囊胚就从透明带中孵化出来，远离胚胎的壁 层TE细胞出现黏附性，开始表达整联蛋白，使胚胎能够黏附 到子宫壁的细胞外基质上。
Nature Reviews Genetics 2006,7:185-199
将三个胚胎混合成一个嵌合体，一段时间后，能够 重建细胞极性，而一些原本属于外部位置的细胞被 推挤进内部，而导致细胞核内Yap表达的消失。
通过免疫溶解将滋养层细胞去掉，继续培养24小时 后，一些原本属于内部位置的细胞开始在细胞核内 表达Yap，并重新出现滋养层细胞标志。
细胞命运由预定程序确定的研究
Development 127, 3467-3474 (2000)
Development of an embryo lacking the vegetal pole.
滋养层形成的两种可能模式
位置依赖的细胞命运
外侧细胞获得TE命运 内侧细胞获得ICM命运
预定的细胞命运
细胞分选形成内外位置
位置依赖的细胞极化模型
什么阶段开始发生细胞极化？
在8细胞阶段注射 EGFP的mRNA标
记细胞，发现被标
记的细胞到囊胚阶
段相对极体的位置
保持不变。
Development 127, 3467-3474 (2000)
细胞极化是否发生得更早？
将一种植物凝血素包裹的荧光小珠通过显微操作的方法 穿过卵膜，结合到受精区域(FC)的细胞膜上，在随后的 发育过程中，小珠可以始终贴附在膜上，而且一旦标记 上，它们相对第二极体(PB)的位置就基本保持不变，从 而起到标记位点的作用。 Nature, 2001, 409,517-521

目前这方面的研究证据较少，相反大部分研究表
明没有明确的证据显示：在16细胞阶段之前细胞
被预先确定为TE或ICM细胞。

最近的研究显示，在4细胞阶段存在一种组蛋白甲
基化水平分布不均匀，并确定了一个调节蛋白甲
基化水平的酶CARM1/PRMT4，能够影响细胞发
育成ICM。
4细胞阶段的H3R26的甲基化水平和细胞的空间结构有关，分 布不均匀 Nature. 2007 Jan 11;445(7124):214-8

顶区(apical domain)中聚集着核内体、微管和微 丝，细胞核移至基底区(basal domain)。
细胞极化引起细胞不对称分裂
细胞极化后，细胞发生不对称分裂，最终发育成滋 养外胚层的细胞形成胚胎的外层结构。这些细胞紧 紧贴靠在一起，形成真正的上皮层。
Seminars in Cell & Developmental Biology,2004,15: 583-597
胚胎滞育
如果在妊娠后第四天不能产生雌激素，导致 形成的囊胚无法植入而中断胚胎的发育过程，
使胚胎细胞有丝分裂明显减少或停止；中断的
发育能够在适合的条件下重新恢复。这种现象
称为“胚胎滞育”。
子宫对胚胎滞育的调节
小鼠正常囊胚
移植到切除卵巢，并用孕酮 处理的雌鼠子宫
移植到未成熟雌鼠的 输卵管
囊胚存活，但不发生植入。胚胎保持 正常发育和植入的能力