发育72脊椎动物形体模式形成Word格式.docx
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直到1987年，随着技术手段的完善才第一次分离到了其中的一些因子。
在胚胎诱导中，产生影响的那部分细胞或组织称为诱导者，接受影响而进行分化的那部分细胞或组织称为反应细胞或反映组织。
而反映组织必须具有感应能力才能接受诱导者的刺激。
二、初级胚胎诱导（primaryembryonicinduction）与形体模式的形成
初级胚胎诱导是指脊索中胚层诱导其表面覆盖的外胚层发育为神经板的现象。
在原肠形成时，胚孔背唇由内陷作用通过胚孔转移到背中线处，组成脊索中胚层，迁移到位于原肠胚顶部时叫原肠顶，位于顶部的外胚层会发育成神经板。
（一）组织者的发现及在初级胚胎诱导中的作用
Spemann和Mongold为了研究两栖类早期原肠胚各个部分决定的确切时间，将一种浅色蝾螈原肠胚的胚孔背唇移植到深色蝾螈同龄胚胎腹侧（figure10.21）。
他们惊奇地发现，在宿主原有的神经板相对的腹侧面形成了另一个神经板。
他们称之为次级神经板。
次级神经板能继续发育为次级胚胎。
切片分析发现次级神经板主要由宿主的深色细胞组成，而中胚层的轴器官，如脊索和体节的一部分由移植的浅色蝾螈的细胞组成，一部分由宿主的细胞组成。
这些结果表明，胚孔的背唇具有一种特殊的能力，它不仅能够诱导出神经板，而且还能组织整个胚胎，使宿主的细胞也参与到次级胚胎的形成中。
因此，Spemann将胚孔背唇称为组织中心或组织者。
所以，组织者的定义是：
能够诱导外胚层形成神经组织，并能够和其他组织一起调整为中轴器官的胚孔背唇部分。
在Spemann和Mongold开始这项研究时，尚无预定命运的概念。
到1925年Vogt首次通过活体染色，发表了有尾两栖类早期原肠胚表面区域和预定器官分布图，才开始明确胚孔背唇是预定脊索中胚层区。
进一步的研究证明，不同时期胚孔原肠胚的胚孔背唇的诱导性质是不一样的。
Spemann等研究证明，早期原肠胚胚孔背唇是是预定原肠顶的前部，即索前板，具有诱导头部结构的倾向，称为头部组织者，而晚期原肠胚胚孔背唇是预定原肠顶的后部，诱导躯干和尾部结构的形成，称为躯干组织者和躯尾组织者（figure10.41）。
组织者中的细胞在早期胚胎发育过程中具有重要的功能，这些功能包括：
启动原肠作用；
发育成背部中胚层部分，包括索前板和脊索中胚层等；
诱导覆盖其上的外胚层发育成神经板，进而形成神经管和中枢神经系统；
诱导其周围区域的中胚层细胞背部化（dorsalize），分化成轴旁中胚层。
（二）初级诱导的过程及体轴决定的机制
初级胚胎诱导导致的胚胎模式形成过程包括四个阶段。
1、Nieuwkoop中心的形成：
初级胚胎诱导作用的第一阶段发生在受精时。
未受精卵是围绕卵轴辐射对称的。
受精时精子入卵，因重力作用导致皮层下卵子内层细胞质（innercytoplasm）旋转，打破了卵子的辐射对称，由此形成两侧对称。
精子入卵点的对面产生一个兼具动物极和植物极细胞质的特殊区域。
这个区域喊有背部中胚层诱导信号。
在卵裂形成多个卵裂球以后。
这一区域的卵裂球由于动物极、植物极细胞质的混合而导致卵裂球内的背部化决定子被激活。
这些含有已激活的背部化决定子的植物极区域即为Nieuwkoop中心。
其中最重要的一个决定因子是β-CATENIN，由母体效应基因β-catenin编码而贮存在这一区域中。
它是一种转录因子，可启动背部化基因的表达。
β-catenin是一种多功能蛋白质，既可以作为细胞膜上cadherin分子的锚定蛋白，也可以作为细胞核内的转录因子起作用。
在非洲爪蟾中，β-catenin在细胞质转动的过程中开始在背部区域聚集，并在卵裂早期仍然继续这一聚集过程。
这种聚集过程可以在图10.24A-D中看到。
β-catenin是背轴形成的关键。
用β-catenin的反义寡聚核苷酸处理会使胚胎缺失背部结构。
而在胚胎的复侧注入β-catenin会产生第二个体轴。
β-catenin是Wnt信号途径中的一部分。
被糖原合成激酶3（glycogenesynthasekinase3,GSK-3）负调节。
GSK-3通过抑制β-catenin的背部化功能而在轴形成中起关键的作用。
将活化的GSK-3加入到卵子中可以阻断轴的形成。
如果早期胚胎腹侧细胞中的内源性GSK-3的功能被用显性的抑制蛋白阻断，则会产生第二个体轴（figure10.24E）。
那么β-catenin是如何在囊胚的预定背部细胞中定位的呢？
标记实验证明在初始阶段，编码β-catenin的母源效应基因在整个胚胎中都合成β-catenin，但在腹侧通过被GSK-3介导的特异性磷酸化而降解。
轴决定的关键事件可能是GSK-3的抑制因子迁移到精子入卵点的对面。
可能的候选因子是Disheveled（Dsh）蛋白。
这种因子是GSK-3在Wnt途径中的抑制因子。
Disheveled蛋白最初存在于爪蟾未受精卵植物极的皮层中，但在受精时转移到胚胎的背侧（figure10.25）。
这样，由于在胚胎的背侧GSK-3被Disheveled蛋白抑制，不能降解β-catenin而使其在背侧保持稳定。
β-catenin这种转录因子可以和其他转录因子结合而使这些转录因子具有新的功能。
已知道β-catenin可以和转录因子Tcf3结合，没有β-catenin结合域的Tcf3突变体会导致胚胎没有背轴的形成。
β-catenin/Tcf3复合体能和几个轴形成关键基因的启动子结合。
其中之一是siamois。
这个基因编码一种有同源异型结构域的转录因子，在发生了中期转换后立即在Nieuwkoop中心表达。
如果这个基因在植物极腹侧异位表达，就会在胚胎的腹侧出现第二个体轴。
如果皮层的转动被阻止，则siamois基因就不会表达。
Tcf3蛋白在没有β-catenin存在时结合到siamois的启动子上后，被认为能抑制siamois基因的转录。
但当与β-catenin形成复合体再结合到这个基因的启动子上时，则能激活siamois的表达（figure10.26）.
Siamois蛋白对组织者特异性基因的表达至关重要。
Siamois蛋白结合和激活到几个与组织者功能相关的基因的启动子上，这些基因包括转录因子Goosecoid和Xlim1基因，旁分泌因子Cerbrus和Frzb。
Goosecoid是组织者中许多基因的表达所必须的。
所以，胚胎的背部区域含有β-catenin，β-catenin将使这一区域表达siamois，siamois又将启动组织者的形成。
但仅有Siamois不足以启动组织者的产生。
TGF-β因子也对激活Goosecoed和组织者的产生至关重要。
两种可能的TGF-β因子是VG1和爪蟾结相关蛋白（Xenopusnodal-related,Xnr），它们都是在内胚层中合成。
2.中胚层形成的诱导：
在囊胚赤道板有一条宽的环状的细胞带，被植物极部位的信号因子所决定而发育为中胚层组织（figure10.22,）。
这些细胞并不是一开始就有中胚层细胞的发育潜能。
如果将美西螈的中期囊胚分为动物半球顶部帽状的Ⅰ区、下部的环形的Ⅱ区，植物半球分为赤道下外层环状的Ⅲ区和包含大量卵黄的Ⅳ区。
如果将Ⅰ、Ⅱ区分离培养，则只形成未分化的非典型表皮，以后逐渐退化。
说明在中期囊胚Ⅱ区尚未获得中胚层的分化能力。
培养植物极半球也不能产生中胚层结构。
只有两者结合培养时才会形成中胚层结构。
中胚层诱导的分子生物学：
上述实验胚胎学的结果说明植物极的细胞可能分泌了某些因子能够诱导其上方的胚胎细胞特化为中胚层细胞。
从1987年以后，开始分离出了一些诱导因子。
迄今为止所鉴定的诱导因子都是蛋白质或者糖蛋白。
中胚层诱导因子包括：
FGF家族（成纤维生长因子家族）：
包括碱性和酸性成纤维生长因子，即bFGF、aFGF。
bFGF诱导形成“腹中胚层”，即血液细胞、间充质细胞和一些肌细胞。
TGFβ家族（Transforminggrowthfactor，转生长因子）：
包括：
中胚层诱导蛋白生长因子，其他的几种活化素的衍生物。
（鉴定出中胚层诱导因子是认识诱导子生化特性的一个历史性突破），BMP4（骨形态发生因子4）。
BMP4最初在整个晚期囊胚中的外胚层区域和中胚层区域都表达。
但在原肠发生过程中，bmp4的转录被限定在腹侧边沿区域。
其原因可能是在原肠发生开始时，在背部中胚层区域（组织者）中产生了Xiro1蛋白质。
这种转录因子可以抑制bmp4的转录。
BMP4介导表皮而非中胚层的分化。
BMP4还与中胚层形成因子协同作用，赋予中胚层结构以腹部的特征。
例如形成腹中胚层的心脏等。
当BMP4结合到细胞上后，激活一些转录因子基因如Xvent1，Xmsx1，Vox以及Xom等的表达。
这些转录因子诱导胚胎细胞向表皮外胚层和腹中胚层分化。
同时，这些转录因子抑制能产生神经细胞的基因的表达。
低剂量的BMP4可激活肌肉的形成。
中等水平的BMP4可以引发细胞发育为肾细胞。
高剂量可以引发中胚层细胞成为血细胞。
不同的BMP4浓度是通过BMP4与从组织者来的BMP4拮抗物相互作用造成的（figure10.33）。
WNT家族：
包括WNT-1和WNT-8。
Xwnt8是Wnt生长和分化因子家族中的因子之一，与BMP一样可以抑制神经诱导。
Xwnt8在整个中胚层的边沿带中合成。
在未卵裂的卵中，可以找到编码这些诱导因子的卵源性mRNA。
卵子一旦细胞化，这些mRNA可能被分裂到不同的卵裂球中。
这些细胞转译这些信使并把制造好的因子分泌到细胞间隙中，因子从该处通过扩散到达相邻的细胞。
受体细胞接受诱导后，表达brachyury基因（也是转录因子）作为应答，从而转换成中胚层细胞。
扩散导致浓度梯度的建立。
因为可用的空间随发源地的增加而增加。
人们认为浓度梯度使胚胎区域化。
已知体外培养的动物极对活化素有剂量依赖作用。
低浓度引起动物帽分化成表皮。
但随着浓度增高，产生能分化为肌肉细胞、心脏搏动特异性肌肉细胞和脊索等的中胚层细胞。
诱导的分子机制：
用现代分子生物学分析方法发现，几种结相关蛋白质（Xenopusnodal-relatedproteins,Xnr），包括Xnr1,Xnr2和Xnr4等的基因在植物极内胚层中按背—腹极性呈梯度表达。
这种梯度的形成是通过VegT和Vg1与β-catenin协同作用的结果（figure10.27）。
定位于背部的β-catenin与定位于腹部的Vg1信号相互作用而产生结相关蛋白质（Xnr1，2，4）在内胚层中的浓度梯度。
这些结相关蛋白质的浓度梯度使中胚层特化。
结相关蛋白质很少的区域成为中胚层的腹部；
有一定浓度结相关蛋白质的区域成为两侧的中胚层；
有高浓度的结蛋白质的区域发育成为组织者。
3．背部化和头尾化诱导（Caudalizinginduction）
在爪蟾以及其他脊椎动物中，头尾轴的形成是与背腹轴的形成密切相关的。
胚胎的背侧和头尾的极性都是由起源于皮层下的信号，即众所周知的灰色新月区的信号所决定的。
这些信号物质是当精子刺激细胞质成分重排时分配到卵子的该部位的。
一旦胚胎的背部被确定下来，卷入内部的中胚层细胞通过运动开始建立胚胎的前后轴。
这种诱导分为以下几步：
第一步Spemann组织中心的建立：
如前所述。
在32-64细胞期：
在前灰色新月区下面的一小团卵裂球（即Nieuwkoop中心）接受整合某些母源信息，从而使细胞释放第一套信号（如一些转换生长因子家族的活化素等），诱导其上方的中胚层组织和建立一个重要的传播中心。
这个中心即为Spemann组织者。
第二步组织中心一套转录因子基因被激活表达：
Nieuwkoop中心的分泌蛋白能激活组织者中一套转录因子。
一些组织者中特异表达的转录因子列于表10.2中。
其中最重要的转录因子是goosecoid基因所编码的蛋白质。
如果在第一次卵裂前用紫外线处理受精卵，则背部化和前端诱导，以及goosecoid基因的表达都会被明显抑制。
将全长的goosecoidmRNA注射到四细胞期爪蟾胚胎的两个腹面卵裂球中，则所发育成的胚胎在原场开始时，其腹面的细胞会内陷、内卷和延伸，形成第二胚胎中轴的背部中胚层和头部内胚层（figure10.28）。
第三步Goosecoid转录因子在组织者中激活一些可扩散蛋白基因的表达：
Goosecoid不是一个能分泌到细胞外的分子，因此，如果没有分泌或暴露于细胞表面分子的作用，它不能把信号传递给邻近的细胞。
但goosecoid等转录因子在Spemann组织者细胞中表达以后，会在组织者中激活一些编码分泌蛋白质的基因。
其中最重要的两个基因是Noggin基因和Chordin基因，它们表达合成NOGGIN和CHORDIN两种信号蛋白分子。
NOGGIN和CHORDIN都在正确的位置和时间表达以调控原肠形成的运动。
如果在囊胚的前腹部显微注射这两种基因的mRNA则会导致第二个体轴的出现，并因此或多或少的产生出多余的胚胎（头和躯干），与移植早期背唇一样。
组织者分泌的可扩散蛋白质分为两类：
第一类是骨形态发生蛋白质BMP的抑制因子，第二类是Wnt蛋白质的抑制因子。
组织者分泌的BMP4抑制蛋白：
在爪蟾中，诱导表皮形成的因子是骨形态发生蛋白4（bonemorphogenesisprotein4,BMP4）。
已经知道BMP4与组织者之间有一种拮抗的关系。
如果将BMP4的mRNA注射到爪蟾的卵子中，所有的中胚层都成为腹侧中胚层，在胚孔背唇处不会发生内陷和内卷的细胞运动。
相反，使显性的BMP4无功能受体超量表达，就会造成两个背轴的形成。
BMP4可以诱导表皮外胚层细胞发育成为表皮。
1996年，数个研究小组都发现和证明了组织者中合成的Noogin，Chordin和follistatin都能够阻止BMP4与外胚层以及与组织者周围的中胚层相结合。
Noggin是在组织者中发现的第一个具有诱导功能的蛋白质（figure10.30）。
实验表明新转录的nogginmRNA首先出现在胚孔背唇，然后在脊索中胚层中表达（figure10.31）。
将noggin的mRNA注射到经UV-处理的一细胞期胚胎中，可以使胚胎恢复形成背轴和完整的胚胎。
NOGGIN是分泌蛋白质，在胚孔背唇中完成两个重要的功能：
一是诱导背部外胚层形成神经组织；
二是使中胚层背部化而不是腹部化。
NOGGIN结合到骨形态发生因子BMP4和BMP2上，阻止这些蛋白质与其受体结合。
第二个在组织者中被发现的蛋白质是Chordin。
Chordin的mRNA也是首先在胚孔背唇中表达，然后在脊索中胚层中表达（figure10.32）。
用morpholinoantisenseoligomers直接抑制chordin的mRNA的翻译，会完全阻断爪蟾中枢神经系统的诱导。
与Noggin一样，Chordin也直接与BMP4和BMP2结合和阻止其与受体结合。
在斑马鱼中，chordin基因的无功能突变体会使发育成的胚胎的神经板大幅度减少和使腹中胚层区域扩大。
第三个在组织者中表达的蛋白质是Nodal-relatedprotein3（Xnr3），Xnr3蛋白是在组织者的表层细胞中表达，也能够阻止BMP3与其受体的结合而抑制其行使功能。
组织者分泌出的第四个蛋白质是folistatin。
原位杂交实验证明这个基因在胚孔背唇和脊索中胚层中表达。
总的来说，BMP4是腹外胚层（表皮）和腹中胚层（血细胞和结缔组织）的诱导者。
而Noggin，Chordin和Follistatin可以抑制其功能。
组织者通过分泌BMP4的抑制因子进行工作，而不是直接诱导神经元的形成。
组织者分泌的Wnt抑制蛋白
如前所述，胚孔背唇的最前端是咽内胚层和头部中胚层（索前板）。
最近的研究表明这些胚孔背唇最前端的细胞不仅可以诱导头部最前端结构的形成，而且是象阻断BMP4一样，是通过阻断Wnt信号途径来进行诱导的。
1996年Bovuwmeester和同事证明头部最前端结构的诱导可以通过一种称为Cerberus的分泌蛋白来完成。
与组织者分泌的其他蛋白质不同，Cerberus启动粘腺、眼睛、以及嗅板（都是蝌蚪最前端的结构）的形成。
如果在32细胞期将Cerberus的mRNA注射到植物极腹侧的卵裂球中，就会在腹侧形成头部结构（figure10.34）。
Cerberus基因在咽内胚层细胞中表达。
这种蛋白质可以与BMPs，结相关蛋白质，以及Xwnt8结合。
在Cerberus的功能被证明后不久，另外两个蛋白质Frzb和Dickkopf也被发现在内卷的细胞中合成。
Frzb是Wnt受体Frizzed的一种小的可溶性形式。
可以在溶液中与Wnt结合（figure10.35，10.36）。
它在头部下方的中-内胚层中合成（figure10.37A）。
如果让胚胎过量表达Frzb，就不会有Wnt信号传导发生，胚胎会缺失后端腹部的结构（figure10.37B）。
Dickkopf（德文：
大头之意）蛋白也与Wnt受体直接作用，阻止Wnt信号传导。
将Dickkopf的抗体注射到囊胚腔中，会导致胚胎发育成小的，没有前脑的的畸形头部结构（figure10.37B）。
因此，躯干结构的诱导可能是通过阻断来自脊索的BMP信号，但允许Wnt信号起作用而引起的。
但要产生头部结构，则BMP信号和Wnt信号都必须被阻断。
第四步：
Noggin，Chordin等发出的信号引导预定中胚层的细胞向胚孔运动并使背唇卷入囊胚腔中。
第五步：
当原肠内陷时，卷入的胚孔背唇继续成为信号来源，向上朝神经外胚层，向前朝原肠顶方向传播和向后传播，而形成前浓后稀，背浓腹稀的梯度。
胚孔背唇最先迁入的部分，即咽内胚层（pharyngealendoderm）和索前板（prechordalplate）产生出前端的头部肌肉（背）和心脏（腹）结构并诱导出前脑和中脑。
从胚孔背部迁入的背中胚层产生躯干部的肌肉（背）和肾脏（腹）等结构并诱导后脑和脊髓的形成。
从胚孔的两侧和腹部迁入的中胚层产生出后端结构。
从而在正出现的原肠顶上诱导出前后、背腹的分化。
4．神经形成的诱导
从Spemann组织者及随后原肠的顶部发出的信号引起动物极外胚层发育成神经系统。
这也分几个步骤：
（1）能力的获得（神经诱导）。
一旦被指定为中胚层，沿赤道的边缘带状放射信号进入动物半球，使动物极细胞获得形成神经外胚层的能力。
由于浓度梯度，神经外胚层再分为成表皮区和中心的成神经板区。
在表皮区BMP4继续表达，而成神经板区的BMP4表达被抑制。
（2）按照双信号模式区域化
当中胚层卷移入囊胚腔并在原肠形成期间移动至动物帽的内表面时，它继续朝上当的动物极外胚层释放促使神经形成的信号。
这些“垂直信号”最终导致不可逆转的神经决定。
同时，当沿外胚层移动时，中胚层赋予外胚层渐进式的区域差别。
即随着背唇的向前运动，由中胚层发出的诱导因子如Noggin和Chordin因子就会形成前稀后密这样一种水平方向的连续的梯度（figure10.44）。
如此诱导中枢神经系统前端发育成脑、后端发育成脊髓。
第一套信号：
指激活子或神经形成诱导因子，启动神经发育和诱导由能力的组织形成前脑、中脑。
第二套信号：
转化子（或中胚层形成诱导子），把第一套信号诱导的神经组织转变成后脑和脊髓。
这些信号被认为需要已诱导的神经组织作为底物，而不能直接作为未诱导的外胚层的神经诱导因子起作用。
这类信号分子可能是一些FGF尤其是bFGF，其作用方式与浓度有关
Noggin和Chordin先诱导背部化，后诱导神经化。
其原因是：
1.必须考虑到连锁反应，先背部化－后神经化。
2.细胞对于相同的因子的反应不同，取决于因子的浓度以及细胞以前的历史。
3.可能存在不同量的更多的信号分子修饰这些反应。
关于神经诱导因子现在还知之甚少。
使外胚层转化成神经细胞的关键蛋白可能是neurogenin。
在BMP不存在的条件下，外胚层中出现的转录因子能够诱导neurogenin的表达。
由BMP信号诱导产生的转录因子，如Msx1可以抑制neurogenin的表达（figure10.38）。
Neurogenin本身也是一个转录因子，可以激活一系列与神经发育相关的基因的表达。
被neurogenin激活的基因之一是NeuroD。
这是一个能激活编码神经结构特异性蛋白质基因的转录因子。
此外，背唇和脊索中的Noggin或Cerberus可以在外胚层中激活另一个转录因子。
这个蛋白质称为Xenopusbrainfactor2（Xbf2），可以抑制与表皮发育相关的基因。
通过这种推拉式的作用方式，背部外胚层转化为神经板组织。
后端转换蛋白：
Wnt信号和视黄酸
与神经管后端化相关的主要蛋白质是旁分泌因子Wnt家族的一个成员。
最有可能的是Xwnt8。
在爪蟾胚胎中，内源性的Wnt信号和β-catenin的浓度梯度是在尾端最高，在前端没有（figure10.42A）。
而且，如果Xwnt8加入到发育中的胚胎中脊髓样的神经元就会在较前端的区域出现；
前脑最前端的标记就会缺失。
相反，抑制Wnt信号途径，如将FrzborDickkopf加入到发育中的胚胎中，则会导致更多神经细胞在最前端标记中出现（figure10.42B-D）。
因此，当BMP梯度使背腹轴特化和诱导细胞变为神经元时，Wnt梯度相应地使前后轴特化。
成纤维生长因子对允许细胞应答Wnt信号至关重要。
视黄酸也被发现在神经管的尾端浓度最高；
也以一种浓度依赖性的方式
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