第四章 原肠作用 潍坊医学院药学与生物科学学院 It is not birth, marriage, or death, but gastrulation , which is truly the most important time in your life. Lewis Wolpert (1986) 本章主要内容 n 原肠作用概述 n 海胆的原肠作用 Ø 两栖类的原肠作用 Ø 鸟类和哺乳类的原肠作用 Ø 胚轴的建立 重点内容： 1. 海胆、两栖类的原肠作用过程及机制 2. 胚轴的建立 1. 原肠作用概述 原肠作用（gastrulation）是胚胎发 育过程中的关键时期，囊胚细胞发生 剧烈的、高速有序的运动，细胞彼此 之间的位置发生变动，从而形成由三 胚层细胞构成的原肠胚，为以后细胞 分化及组织器官形成奠定基础 原肠作用的结果原肠作用的结果 1.形成原肠胚； 2.三个胚层的建立，为重新占有新位置的胚胎细胞 之间的相互作用奠定了基础； 3.胚轴（包括前后轴、背腹轴、左右轴）的建立 n内陷（invagination） n内卷（involution） n内移（ingression） n分层（delamination） n外包（epiboly） 原肠形成方式原肠形成方式 内陷（invagination ） 由囊胚植物极细胞向内陷入， 形成两层细胞 ,外面的一层称 为外胚层（ectoderm），向内 陷入的一层为内胚层（ endoderm）。
内胚层围绕的空 腔将形成未来的肠腔，称原肠 腔（gastrocoele），原肠腔 与外界相通的孔称为原口或胚 孔（blastopore） 外胚层 内胚层 原肠腔 原口（胚孔 ） 内移（migration） 由囊胚的一部分细胞移入 内部而形成内胚层初始 移入的细胞位于囊胚腔中 ，排列不规则，接着逐渐 调整排列成规则的内胚层 内移法形成的原肠胚没 有原口，以后在胚体的一 端开孔，形成原口 分层（delamination ） 囊胚细胞分裂时，细胞沿 切线方向分裂，从而形成 内外两胚层 腔囊胚向内分出内胚层， 如某些水母属的水母； 实心囊胚向外分出外胚层 ，如某些水螅水母 内卷（ involution） 通过盘裂形成的囊 胚，分裂的细胞由一 面边缘向内卷入，再 伸展成为内胚层 外包（epiboly） 动物极的细胞分裂快，植物极 细胞由于卵黄多分裂较慢，结 果动物极细胞逐渐向下包围植 物极，形成外胚层，被包围的 植物极细胞形成内胚层 一些软体动物与两栖动物蛙 类 同一原肠胚形成中常常包括几种细胞运 动方式，最常见的是内陷与外包同时进 行，分层和内移相伴进行 根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将3胚层多细胞 动物分为：原口动物（Prolostomia）、后口动物 （Deuterostomia）。
原口动物：胚孔成为成体的口——扁形动物、纽形 动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物 等 后口动物：胚孔成为成体的肛门（或者封闭），成 体的口是在胚孔相当距离之外重新形成的——棘皮 动物、半索动物、所有的脊索动物 2. 海胆的原肠作用 海胆的早期卵裂 海胆胚胎第四次卵裂时形成的小分裂球（micromere） 海胆的囊胚 A 细胞持续分裂形成一个囊胚；B 快速分裂的末期，圆形的胚胎细 胞形成一层上皮，受精膜依然可见；C 植物基板变厚，动物极细胞 分泌孵化酶，使胚胎从受精膜中孵化出来 海胆的晚期囊胚由1000个左右单层细胞构成 这些细胞的细胞质分别来自受精卵的不同 区域，细胞表现出不同的大小和特性 1.初级间质细胞内移 2.早期原肠内陷 3.晚期原肠内陷 海胆原肠作用的主要阶段 植物极板中央 来源于小分裂 球的细胞不断 伸出和收缩线 状伪足（ filopdia）， 脱离表面单层 细胞，进入囊 胚腔，称为初 级间质细胞（ primary mesenchyme cell） 2.1 初级间质细胞的内移 初级间质细胞和透明层以及相邻裂球之间的亲和力减少，而与 基质片层之间的亲和力增加相比之下，非间质细胞和透明层 以及相邻裂球之间的亲和力维持不变。
初级间质细胞内移的机制 ---细胞粘连作用的变化 初级间质细胞内移的扫描电镜照片 起初，内移的初级间质细胞沿囊胚腔 内表面随机移动，主动伸出伪足与囊 胚腔壁连接，占据囊胚腔预定腹侧面 ，并形成稳固联系初级间质细胞融 合形成索状合胞体（syncytial cable ），最终形成幼虫碳酸钙骨针的轴 初级间质细胞形成的索状合胞体（ 将来形成骨针）的扫描电镜照片 初级间质细胞在Lytechinus variegatus早期幼虫内的定位 n内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外片层 物质包绕其迁移受囊胚腔壁和沿动植物极轴 分布的平行纤维控制，小裂球可能沿囊胚腔表 面迁移，并包裹在平行纤维中 n至少有三种蛋白可能在间质细胞的迁移过程中 起重要的作用，包括囊胚腔壁基质片层组分纤 连蛋白（fibronectin）、间质细胞膜上的硫酸 蛋白多糖（sulfated proteoglycans）和囊胚 腔细胞胞外基质中只在原肠作用期表达的ECM18 内移至囊胚腔的初内移至囊胚腔的初 级间质细胞被大量级间质细胞被大量 胞外基质包绕胞外基质包绕 原肠作用过程中沿动植物极轴分布的纤维决定了初级间质细胞的 迁移方向。
囊胚腔胞外基质纤维与 动植物极轴平行排列， 最终与初级间质细胞发 生联系 去除硫酸基（sulfate deprivation）对海胆初 级间质细胞运动的影响 初级间质 细胞的线 状伪足 初级间质 细胞选择 性地聚集 在β- catenin浓 度高的位 置 2.2 早期原肠内陷 初级间质细胞在囊胚腔内迁移的过程中，仍然留 在植物极板上的细胞移动填补由初级间质细胞内 移而形成的空隙，植物极板进一步变扁平 之后，植物极板向内弯曲，内陷当植物极板内 陷深及囊胚腔的1/4～1/2时，内陷突然停止所 陷入的部分称为原肠（archenteron or primitive gut），而原肠在植物极的开口称为胚孔（ blastopore） 早期原肠 内陷 植物极板细胞分泌硫酸软骨素蛋白多糖（CSPG）到透明层内层中， CSPG吸水膨胀，导致透明层弯曲，相连的细胞层内陷 早期原肠内陷的机制 ---植物极内陷的双金属片模型 随着植物极板的内陷，初级间质细胞在植物 极区域形成一细胞环 2.3 晚期原肠内陷 早期原肠内陷完成之后，经过短暂停歇，原肠 大幅度拉长， 短粗的原肠变成又细又长的管状 结构在此期间没有新细胞生成，原肠的拉长 过程是通过细胞重排实现的，原肠周长内细胞 数目大为减少。
海胆胚胎原肠伸长时期的细胞重排 原肠伸长的动力和机制 Ø 原肠顶端形成次级间质细胞，原肠延伸是以 次级间质细胞提供的张力为动力的次级间质 细胞伸出线状伪足，穿过囊胚腔液，直达囊胚 腔壁内表面 Ø 动物极半球存在着次级间质细胞附着的靶位 只有当线状伪足接触到特定靶位的时候，才 不会缩回这些特定的靶位可能位于将来形成 口的区域 A，原肠的顶端形成次级间质细胞；B，次级间质细胞的线状伪足 n当原肠最顶端接触到囊胚腔壁时，次级间质细 胞分散进入囊胚腔次级间质细胞在囊胚腔中 分裂，最终形成中胚层器官 n囊胚腔壁接触到原肠的位置最终形成口，口和 原肠最顶端形成一连续相通的消化管海胆的 胚孔最终形成肛门 海胆原肠作 用的整个历 程发育温 度为25度 海胆的长 腕幼虫 海胆正常的胚胎发育 3. 两栖类的原肠作用 n两栖类的原肠作用是实验胚胎学中最古老也是 最新兴的一个领域 n两栖类囊胚与棘皮动物和鱼类的囊胚所面临的 基本任务完全相同，也就是把终将形成内胚层 器官的细胞拖入胚胎内部，把终将形成外胚层 的细胞置于胚胎的四周，而把终将形成中胚层 的细胞置于外胚层和内胚层之间适当的位置 两栖类胚胎活体染色。
A，用活体染 料标记胚胎表层特定细胞；B-D，标 记细胞的迁移运动；E，将蝾螈胚胎 沿中线剖开，示标记细胞在胚胎内部 的分布 非洲爪蟾囊胚外层细胞（A）和内部细胞（B）发育命 运图谱 卵母细胞成熟过程中， 母源性的VegT mRNA贮存于 植物极VegT蛋白对内胚层的形成具有决定作用， 消除VegT mRNA和VegT蛋白后内胚层不能形成 两栖类原肠作用时的细胞运动 Ø 瓶状细胞内陷 Ø 边缘区细胞内卷和动物极细胞下包，两者 同 时进行 n 灰色新月区的预定内胚层细胞内陷，形成狭缝 状胚孔（slit-like blastopore），内陷细胞 称为瓶状细胞（bottle cell），它们沿最初的 原肠排列 ，将来发育为原肠的衬里即内皮 n蛙类囊胚细胞内陷引发原肠形成两栖类和海 胆囊胚细胞内陷不同：海胆是在植物极板中央 处开始内陷，蛙类是在动物半球和植物半球汇 合的赤道附近的灰色新月区，即所谓的边缘区 （marginal zone）开始内陷 3.1 瓶状细胞内陷 爪蟾早期胚孔背唇的表面观，示动、植物极 细胞大小的差异 爪蟾的晚期囊胚，示边 缘区被内胚层细胞覆盖 胚孔处形成瓶状 细胞 内陷的机制---瓶状细胞内陷于内胚层是背部缘 区细胞的固有特性 植物极背方细胞对原肠作用的启动具有重要作用 3.2 边缘区细胞内卷 n迁移中的缘区细胞到达胚孔的背唇时，转向 内部沿着外层细胞的内表面运动即内卷。
n预成中胚层和内胚层经背唇向胚胎内运动主 要依靠缘区深层细胞内卷，与之相连的缘区 表层细胞被牵拉进入胚胎内部并形成原肠的 衬里 瓶状细胞的收缩拉动边缘区细胞向植物极运动，同时 将植物极的预成内胚层细胞推向胚胎的内部边缘区 细胞的运动导致预成外胚层细胞向植物极外包，预成 前端中胚层细胞沿囊胚腔内表面延伸 胚孔形成和原肠作用过程中爪蟾背部区域细胞的运动 内卷边缘区细胞沿外层细胞的内表面向动物极运动 ，示构成胚孔背唇的细胞的不断更新 n迁移中的缘区细胞到达胚孔的背唇时，转向内 部沿着外层细胞的内表面运动（内卷），因此 构成背唇的细胞在不断更新 n最初构成背唇的细胞为内陷形成原肠前缘的瓶 状细胞，它们随后发育为前肠咽部的细胞随 后胚孔背唇细胞被预成的脊索前板细胞代替， 将分化为头部中胚层；下一批胚孔背唇细胞为 脊索中胚层、体节中胚层细胞，将来发育为脊 索和体节 内卷细胞的集中延伸 n内卷前细胞间相互嵌插，多层细胞形成薄而宽 的单层细胞，使缘区细胞向植物极进一步扩展 n细胞经过背唇内卷后相互嵌插，导致中胚层细 胞合并成一窄而长的中胚层带 n中胚层带前端牵拉附着的瓶状细胞向动物极迁 移，形成原肠顶壁。
其它部位则沿囊胚腔壁做 径向和中侧向的延伸沿背部集中延伸成为脊 索，随着胚孔扩展为侧唇和腹唇，预定心脏中 胚层、肾脏中胚层、腹部中胚层也进入胚胎 纤连蛋白假说 原肠作用开始前，囊胚腔顶壁预成外胚层分泌含 有纤连蛋白的胞外基质，内卷的中胚层细胞沿纤 连蛋白纤维迁移 结合位点：纤连蛋白上含有Arg-Gly-Asp三个AA 残基的区域 集中和 延伸过 程中细 胞的插 入 内卷进入胚胎的脊索中胚层细胞在胚胎背部集中延 伸变窄变长，形成胚胎的轴性中胚层 非洲爪蟾原肠作用期间Brachyury基因的表达，示预定 中胚层细胞的集中和延伸 原肠作用过程中， 环状的中胚层细胞 带在胚胎内表面的 延伸示意图 n随着新细胞进入胚胎内部，囊胚腔被挤压到与 背唇相对的一侧 n同时随着胚孔处瓶状细胞形成和内卷，背唇向 侧面和腹面延伸，形成新月状结构新月状胚 孔进一步延伸，先形成侧唇，再形成腹唇通 过侧唇和腹唇，位于外胚层细胞中的中胚层和 内胚层细胞继续内卷，使胚孔形成一环状，包 绕在卵黄栓周围 随着背唇、侧唇和腹唇的连续形成，胚孔区域的变化 通过胚 孔进入 胚胎内 部的细 胞的运 动 3.3 预定外胚层细胞的外包 n与边缘区细胞内卷同时进行 n两栖类外包的机制：通过分裂增加细胞数目 以及多层细胞合并成单层细胞。
囊胚腔顶壁细胞形状的改变和细。