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1、第五章第五章 原肠作用原肠作用-胚胎细胞重新组合胚胎细胞重新组合 It is not birth, marriage, or death, but gastrulation, which is truly the most important time in your life.Lewis Wolpert (1986)第第1节节 原肠作用概述原肠作用概述 囊胚期后，开始形成原肠腔（囊胚期后，开始形成原肠腔（囊胚期后，开始形成原肠腔（囊胚期后，开始形成原肠腔（gastrocoelgastrocoel）将来将来将来将来的消化腔。的消化腔。的消化腔。的消化腔。 这一阶段的胚胎称为原肠胚，胚胎这一阶段
2、的胚胎称为原肠胚，胚胎发育期称为原肠期。原肠期的各种细胞运动和发育期称为原肠期。原肠期的各种细胞运动和细胞的重新组合称为原肠胚形成细胞的重新组合称为原肠胚形成, 或称原肠作或称原肠作用用(gastrulation).1.原肠作用原肠作用（gastrulation）n n原肠作用原肠作用（gastrulation）是胚胎细胞剧烈是胚胎细胞剧烈的、高速有序的运动过程，通过细胞运动的、高速有序的运动过程，通过细胞运动实现囊胚细胞的重新组合。原肠形成期间，实现囊胚细胞的重新组合。原肠形成期间，囊胚细胞彼此之间的位置发生变动，重新囊胚细胞彼此之间的位置发生变动，重新占有新的位置，并形成由三胚层细胞构成占
3、有新的位置，并形成由三胚层细胞构成的胚胎结构。的胚胎结构。 原肠胚一部分细胞的移动必然原肠胚一部分细胞的移动必然和同时发生的其他细胞的运动紧和同时发生的其他细胞的运动紧密配合，因此原肠作用过程中的密配合，因此原肠作用过程中的细胞运动涉及整个胚胎。细胞运动涉及整个胚胎。 通过原肠作用，胚胎首先建立通过原肠作用，胚胎首先建立起三个胚层，即外胚层、中胚层起三个胚层，即外胚层、中胚层和内胚层；其次为重新占有新位和内胚层；其次为重新占有新位置的胚胎细胞之间的相互作用奠置的胚胎细胞之间的相互作用奠定了基础。因此，原肠作用是从定了基础。因此，原肠作用是从尚未分化到分化为三个胚层和器尚未分化到分化为三个胚层和
4、器官原基决定的关键时期。官原基决定的关键时期。n n动物身体的主轴（包括前后轴、背腹轴和动物身体的主轴（包括前后轴、背腹轴和左右轴）也会在卵裂和原肠作用期间建立左右轴）也会在卵裂和原肠作用期间建立起来，胚胎各部分的细胞会获得各自的发起来，胚胎各部分的细胞会获得各自的发育潜能。育潜能。n n不同动物体轴建立的时间和机制各不相同。不同动物体轴建立的时间和机制各不相同。如果蝇体轴的特化自卵细胞形成时就已经如果蝇体轴的特化自卵细胞形成时就已经开始了，在卵裂过程中完成；而爪蟾的体开始了，在卵裂过程中完成；而爪蟾的体轴是在整个原肠作用过程中建立的。轴是在整个原肠作用过程中建立的。两侧对称动两侧对称动物的体
5、轴物的体轴n n尽管整个动物界原肠作用方式变化多样，尽管整个动物界原肠作用方式变化多样，但总体可概括为五种细胞运动机制，即外但总体可概括为五种细胞运动机制，即外包（包（epiboly）、内陷（）、内陷（invagination）、）、内卷（内卷（involution）、内移（）、内移（ingression）和分层（和分层（delamination）。）。n n同一原肠胚常常包括几种细胞运动方式。同一原肠胚常常包括几种细胞运动方式。2. 原肠形成方式原肠形成方式n n1 1、内陷（、内陷（、内陷（、内陷（invaginationinvagination） n n由囊胚植物极细胞向内陷入，形成二层
6、细胞：由囊胚植物极细胞向内陷入，形成二层细胞：由囊胚植物极细胞向内陷入，形成二层细胞：由囊胚植物极细胞向内陷入，形成二层细胞：n n外面的一层称为外胚层（外面的一层称为外胚层（外面的一层称为外胚层（外面的一层称为外胚层（ectodermectoderm），向内陷入的一），向内陷入的一），向内陷入的一），向内陷入的一层为内胚层（层为内胚层（层为内胚层（层为内胚层（endodermendoderm）。内胚层围绕的空腔将形成）。内胚层围绕的空腔将形成）。内胚层围绕的空腔将形成）。内胚层围绕的空腔将形成未来的肠腔，称原肠腔（未来的肠腔，称原肠腔（未来的肠腔，称原肠腔（未来的肠腔，称原肠腔（gastro
7、coelegastrocoele），原肠腔与外），原肠腔与外），原肠腔与外），原肠腔与外界相通的孔称为原口或胚孔（界相通的孔称为原口或胚孔（界相通的孔称为原口或胚孔（界相通的孔称为原口或胚孔（blastoporeblastopore）。）。）。）。 n n2 2、内移（、内移（、内移（、内移（migrationmigration） n n由囊胚的一部分细胞移入内部而形成内胚层。初始移由囊胚的一部分细胞移入内部而形成内胚层。初始移由囊胚的一部分细胞移入内部而形成内胚层。初始移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，接着逐渐调整入的细胞位于囊胚腔中，排列不规
8、则，接着逐渐调整入的细胞位于囊胚腔中，排列不规则，接着逐渐调整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。排列成规则的内胚层。排列成规则的内胚层。排列成规则的内胚层。 内移法形成的原肠胚没有原口，内移法形成的原肠胚没有原口，内移法形成的原肠胚没有原口，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。以后在胚体的一端开孔，形成原口。以后在胚体的一端开孔，形成原口。以后在胚体的一端开孔，形成原口。n n3、分层（、分层（delamination） n n囊胚细胞分裂时，细胞沿切线方向分裂，从而囊胚细胞分裂时，细胞沿切线方向分裂，从而形成内外两胚层。形成内外两胚层。
9、 n n腔囊胚向内分出内胚层腔囊胚向内分出内胚层某些水母属的水母；某些水母属的水母； n n实心囊胚向外分出外胚层实心囊胚向外分出外胚层某些水螅水母。某些水螅水母。 n n4、内转（、内转（involution） n n通过盘裂形成的囊胚，分裂的细胞由一面边缘通过盘裂形成的囊胚，分裂的细胞由一面边缘向内转，再伸展成为内胚层。向内转，再伸展成为内胚层。n n5、外包（、外包（epiboly） n n动物极的细胞分裂快，植物极细胞由于卵黄多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
10、极，形成外胚层，被包围的植物极细胞形成内胚层。胚层。 一些软体动物与两栖动物蛙的原肠形成一些软体动物与两栖动物蛙的原肠形成就是外包。就是外包。 n n以上原肠形以上原肠形以上原肠形以上原肠形成的几种形成的几种形成的几种形成的几种形式往往不是式往往不是式往往不是式往往不是单一进行，单一进行，单一进行，单一进行， n n常常二种或常常二种或常常二种或常常二种或二种以上同二种以上同二种以上同二种以上同时进行，时进行，时进行，时进行， n n最常见的是最常见的是最常见的是最常见的是内陷与外包内陷与外包内陷与外包内陷与外包同时进行，同时进行，同时进行，同时进行，分层和内移分层和内移分层和内移分层和内移相
11、伴进行。相伴进行。相伴进行。相伴进行。原肠形成方式原肠形成方式原肠作用过程原肠作用过程中细胞的五种中细胞的五种运动方式运动方式n n根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将根据胚胎发育中胚孔的形成发展，将3 3胚层多细胞动胚层多细胞动胚层多细胞动胚层多细胞动物分为：原口动物（物分为：原口动物（物分为：原口动物（物分为：原口动物（ProlostomiaProlostomia）、后口动物）、后口动物）、后口动物）、后口动物（DeuterostomiaDeuterostomia）。）。）。）。 n n原口动物：胚孔成为成体的口原口动物：胚孔成为
12、成体的口原口动物：胚孔成为成体的口原口动物：胚孔成为成体的口扁形动物、纽形扁形动物、纽形扁形动物、纽形扁形动物、纽形动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物等。等。等。等。n n后口动物：胚孔成为成体的肛门（或者封闭），成后口动物：胚孔成为成体的肛门（或者封闭），成后口动物：胚孔成为成体的肛门（或者封闭），成后口动物：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体的口是在胚孔相当距离之外重新形成的体的口是在胚孔相当距离之外重新形成的体
13、的口是在胚孔相当距离之外重新形成的棘皮棘皮棘皮棘皮动物、半索动物、所有的脊索动物。动物、半索动物、所有的脊索动物。动物、半索动物、所有的脊索动物。动物、半索动物、所有的脊索动物。二、中胚层的形成二、中胚层的形成n n三胚层动物在三胚层动物在三胚层动物在三胚层动物在内、外两胚层内、外两胚层内、外两胚层内、外两胚层形成之后继续形成之后继续形成之后继续形成之后继续发育，在内外发育，在内外发育，在内外发育，在内外胚层之间形成胚层之间形成胚层之间形成胚层之间形成中胚层中胚层中胚层中胚层（mesodermmesodermmesodermmesoderm）。）。）。）。 n n在中胚层之间在中胚层之间在中胚
14、层之间在中胚层之间形成的空腔即形成的空腔即形成的空腔即形成的空腔即体腔体腔体腔体腔（coelomcoelomcoelomcoelom）真体腔。真体腔。真体腔。真体腔。 n n中胚层形成的中胚层形成的中胚层形成的中胚层形成的方法有以下两方法有以下两方法有以下两方法有以下两种种种种动物的胚层与体腔动物的胚层与体腔 中胚层的形成有两种方式：中胚层的形成有两种方式：1、端细胞法（、端细胞法（telocells method） n n在胚孔的两侧，内外胚层交界处各有一个细胞在胚孔的两侧，内外胚层交界处各有一个细胞分裂成细胞团，形成索状，并向内外胚层之间分裂成细胞团，形成索状，并向内外胚层之间伸展，形成为
15、中胚层。伸展，形成为中胚层。 由于中胚层之间的真体由于中胚层之间的真体腔是中胚层细胞向内和向外裂开形成的，故称腔是中胚层细胞向内和向外裂开形成的，故称裂体腔（裂体腔（schizocoel），端细胞法又称为裂体腔），端细胞法又称为裂体腔法（法（schizocoelous method）。）。 n n原口动物均以裂体腔法形成中胚层和体腔。原口动物均以裂体腔法形成中胚层和体腔。2、体腔囊法（、体腔囊法（coelesac method） n n在原肠背部两侧，内胚层向外突出成对的囊状在原肠背部两侧，内胚层向外突出成对的囊状突起，称体腔囊（突起，称体腔囊（coelom sac），体腔囊逐渐），体腔囊逐渐
16、发育增大并与内胚层脱离，在内外胚层之间逐发育增大并与内胚层脱离，在内外胚层之间逐步扩展成为中胚层，中胚层包围的腔为体腔。步扩展成为中胚层，中胚层包围的腔为体腔。 n n由于体腔囊来源于原肠，故又称肠体腔，此法由于体腔囊来源于原肠，故又称肠体腔，此法又名肠体腔法（又名肠体腔法（enterocoelous method）。）。 n n后口动物（棘皮、毛颚、半索、原索、脊索动后口动物（棘皮、毛颚、半索、原索、脊索动物）由肠体腔法形成中胚层和真体腔。物）由肠体腔法形成中胚层和真体腔。 中中胚胚层层、体体腔腔的的产产生生 第第2节节 两栖类的原肠作用两栖类的原肠作用n n两栖类的原肠作用是实验胚胎学中最
17、古老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。也是最新兴的一个领域。n n两栖类囊胚与其它动物的囊胚所面临的基两栖类囊胚与其它动物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形成中胚层的细胞置于外胚层和内胚层之间适当的位置。间适当的位置。两栖类胚胎活体染色。两栖类胚胎活体染色。 A，用活体染料标记胚，用活体染料标记胚胎表面特定细胞；胎表面特定细胞；B-D，标
18、记细胞的迁移运动；，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，将蝾螈胚胎沿中线剖开，示标记细胞在胚胎内部的分布。胎内部的分布。两栖类的囊胚由多层细胞组成，属于两栖类的囊胚由多层细胞组成，属于偏腔囊胚。用活体染色法可以示踪不同偏腔囊胚。用活体染色法可以示踪不同部位细胞的发育命运，绘制出未来器官部位细胞的发育命运，绘制出未来器官分布图谱。分布图谱。1.未来器官分布图谱未来器官分布图谱 从非洲瓜蟾未来器官分布图谱可以看出，在囊胚表层的细胞从非洲瓜蟾未来器官分布图谱可以看出，在囊胚表层的细胞中，动物半球的前面形成神经物质，后面形成表皮，植物半球中，动物半球的前面形成神经物质，后面形
19、成表皮，植物半球的细胞形成内胚层。而在植物半球的深层细胞中，动植物半球的细胞形成内胚层。而在植物半球的深层细胞中，动植物半球的结合部即赤道部形成索前板、脊索和中胚层。的结合部即赤道部形成索前板、脊索和中胚层。非洲爪蟾囊胚外层细胞（非洲爪蟾囊胚外层细胞（A）和内部细胞（）和内部细胞（B）发育命运图谱。）发育命运图谱。 两栖类的原肠作用的起始是在灰色新月区两栖类的原肠作用的起始是在灰色新月区（gray crescent）先出现一个横的浅沟，形）先出现一个横的浅沟，形成背唇（成背唇（dorsal lip）。灰色新月区是在精子）。灰色新月区是在精子穿入点的对侧形成，是由于精子穿入引起卵穿入点的对侧形成
20、，是由于精子穿入引起卵子胞质重排产生的浅灰色区域，它对于背唇子胞质重排产生的浅灰色区域，它对于背唇的出现起决定作用。背唇的出现标志着胚胎的出现起决定作用。背唇的出现标志着胚胎出现了背腹面。出现了背腹面。背唇背唇-将来胚胎的背面将来胚胎的背面2. 灰色新月区决定了背唇的形成灰色新月区决定了背唇的形成两栖类的灰色新月两栖类的灰色新月 精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约精子入卵后，皮层向精子进入的方向旋转大约30，在动，在动物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相物极皮层含大量色素而内层含有少量色素的物种中，这一胞质不同层次的相对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形
21、的灰色区域，称为灰色新月。对运动形成了一个在精子进入点对面的新月形的灰色区域，称为灰色新月。卵母细胞成熟过程中，卵母细胞成熟过程中， 母源性的母源性的VegT mRNA贮存于贮存于植物极。植物极。VegT蛋白对内胚层的形成具有决定作用，消蛋白对内胚层的形成具有决定作用，消除除VegT mRNA和和VegT蛋白后内胚层不能形成。蛋白后内胚层不能形成。n n灰色新月区的预定内胚层细胞内陷，形成灰色新月区的预定内胚层细胞内陷，形成狭缝状胚孔（狭缝状胚孔（slit-like blastopore），内陷），内陷细胞称为瓶状细胞（细胞称为瓶状细胞（bottle cell），它们沿），它们沿最初的原肠排列
22、最初的原肠排列 。n n蛙类囊胚细胞内陷引发原肠形成。但是，蛙类囊胚细胞内陷引发原肠形成。但是，蛙类的原肠作用并不是在最靠近植物极处蛙类的原肠作用并不是在最靠近植物极处开始内陷，而是在动物半球和植物半球汇开始内陷，而是在动物半球和植物半球汇合的赤道附近，即所谓的边缘区合的赤道附近，即所谓的边缘区（marginal zone）开始内陷。）开始内陷。3. 两栖动物胚胎的背唇启动了原肠作用两栖动物胚胎的背唇启动了原肠作用爪蟾的爪蟾的晚期囊晚期囊胚，示胚，示边缘区边缘区被内胚被内胚层细胞层细胞覆盖。覆盖。胚孔胚孔处形处形成瓶成瓶状细状细胞胞移植的胚孔背唇细胞将在内胚层细胞层上下陷移植的胚孔背唇细胞将在
23、内胚层细胞层上下陷（sink），形成一个胚孔狭缝。瓶状细胞的内），形成一个胚孔狭缝。瓶状细胞的内陷启动原肠作用。陷启动原肠作用。植物极背方细胞对原肠作用的启动具有重要作用。植物极背方细胞对原肠作用的启动具有重要作用。瓶状细胞的收缩拉动边缘区细胞向植物极运动，同时将瓶状细胞的收缩拉动边缘区细胞向植物极运动，同时将植物极的内胚层细胞推向胚胎的内部。边缘区细胞的运植物极的内胚层细胞推向胚胎的内部。边缘区细胞的运动导致外胚层细胞向植物极外包，预定前端中胚层细胞动导致外胚层细胞向植物极外包，预定前端中胚层细胞沿囊胚腔内表面延伸。沿囊胚腔内表面延伸。4. 4. 原肠作用涉及胚胎细胞的多种运动原肠作用涉及胚
24、胎细胞的多种运动胚孔形成和原肠作用过程中爪蟾背部区域细胞的运动胚孔形成和原肠作用过程中爪蟾背部区域细胞的运动爪蟾早爪蟾早期胚孔期胚孔背唇的背唇的表面观，表面观，示动、示动、植物极植物极细胞大细胞大小的差小的差异。异。动物极动物极细胞通细胞通过胚孔过胚孔背唇内背唇内卷区域卷区域表面的表面的特写特写（close-up）n n原肠作用的下一个时期包括边缘区细胞的原肠作用的下一个时期包括边缘区细胞的内卷以及动物半球细胞的外包和向胚孔处内卷以及动物半球细胞的外包和向胚孔处集中。迁移中的缘区细胞到达胚孔的背唇集中。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，时，转向内部沿着外层细胞
25、的内表面运动，因此构成背唇的细胞在不断更新。因此构成背唇的细胞在不断更新。n n最初构成背唇的细胞为内陷形成原肠前缘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的瓶状细胞，它们随后发育为前肠咽部的细胞。细胞。内卷边内卷边缘区细缘区细胞沿外胞沿外层细胞层细胞的内表的内表面向动面向动物极运物极运动，示动，示构成胚构成胚孔背唇孔背唇的细胞的细胞的不断的不断更新。更新。n n随着瓶状细胞进入胚胎内部，背唇被后来内随着瓶状细胞进入胚胎内部，背唇被后来内卷进入胚胎发育为头部中胚层前体的细胞代卷进入胚胎发育为头部中胚层前体的细胞代替。接下来，由胚孔背唇内卷进入胚胎的细替。接下来，
26、由胚孔背唇内卷进入胚胎的细胞为脊索中胚层细胞，它们将形成脊索。胞为脊索中胚层细胞，它们将形成脊索。n n脊索是一个临时性中胚层脊柱（脊索是一个临时性中胚层脊柱（backbone），），对诱导神经系统的分化起重要的作用。对诱导神经系统的分化起重要的作用。内卷进入胚胎的脊索中胚层细胞在胚胎背部集中延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。伸变窄变长，形成胚胎的轴性中胚层。集中和延伸过程中细胞的插入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，环状的预定中胚层细胞带向胚孔的集中以及在胚胎内表面的延伸示意图爪蟾晚期
27、原肠胚的轴旁中胚层（A）表达paraxial protocadherin，而脊索（B）表达axial protocadherin ；两种钙粘着蛋白对集中和延伸起重要的作用。n n随着新细胞进入胚胎内部，囊胚腔被挤压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。到与背唇相对的一侧。n n同时随着胚孔处瓶状细胞形成和内卷，胚同时随着胚孔处瓶状细胞形成和内卷，胚唇向侧面和腹面延伸，形成新月状结构。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，位于外胚层形成腹唇。通过侧唇和腹唇，位于外胚层细胞中的中胚层和
28、内胚层细胞继续内卷，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，包绕在含有大量卵黄、使胚孔形成一环状，包绕在含有大量卵黄、体积较大的内胚层细胞周围，这些内胚层体积较大的内胚层细胞周围，这些内胚层细胞暴露在植物极外面，称为卵黄栓细胞暴露在植物极外面，称为卵黄栓（yolk plug）。）。随着背唇、侧唇和腹唇的连续形成，胚孔区域的变化。随着背唇、侧唇和腹唇的连续形成，胚孔区域的变化。通过胚通过胚孔进入孔进入胚胎内胚胎内部的细部的细胞的运胞的运动动囊胚腔顶壁细胞形状的改变和细胞重排，合并成单层细囊胚腔顶壁细胞形状的改变和细胞重排，合并成单层细胞。胞。n n最终，卵黄栓也被包入内部。至此，最
29、终，卵黄栓也被包入内部。至此，所有内胚层细胞都已进入胚胎的内部，所有内胚层细胞都已进入胚胎的内部，外胚层细胞包被在胚胎的表面，而中外胚层细胞包被在胚胎的表面，而中胚层细胞则位于内胚层和中胚层之间。胚层细胞则位于内胚层和中胚层之间。n n非洲爪蟾的原肠作用是数个事件和谐非洲爪蟾的原肠作用是数个事件和谐的组合，结果是把内中外三个胚层细的组合，结果是把内中外三个胚层细胞置于适当的位置，为它们分化为不胞置于适当的位置，为它们分化为不同的器官做准备。同的器官做准备。两栖类原肠作用时细胞的运动。两栖类原肠作用时细胞的运动。两栖类原肠作用总结：两栖类原肠作用总结：1. 1. 边缘区瓶状细胞在准确的时间和位置
30、内陷。边缘区瓶状细胞在准确的时间和位置内陷。2. 2. 边缘区细胞通过胚唇进行内卷形成原肠。边缘区细胞通过胚唇进行内卷形成原肠。3. 3. 内卷的中胚层细胞沿胚孔顶壁内表面迁移。内卷的中胚层细胞沿胚孔顶壁内表面迁移。4. 4. 预定脊索中胚层在胚胎背部集中延伸预定脊索中胚层在胚胎背部集中延伸5. 5. 预定外胚层细胞通过细胞分裂和数层细胞合预定外胚层细胞通过细胞分裂和数层细胞合并为单层细胞而向植物极下包。并为单层细胞而向植物极下包。5. 动植物极轴的决定动植物极轴的决定n n两栖类原肠作用的准备工作可以追溯到精两栖类原肠作用的准备工作可以追溯到精卵的结合之前。未受精卵沿动植物极存在卵的结合之前
31、。未受精卵沿动植物极存在一个极性，这种极性能够影响到将来卵裂一个极性，这种极性能够影响到将来卵裂的方式。的方式。n n未受精卵的极性是由沿动植物极分布的未受精卵的极性是由沿动植物极分布的母母源性源性mRNA和蛋白质和蛋白质的差异分布决定的。的差异分布决定的。非洲爪蟾非洲爪蟾的未受精的未受精卵，示动卵，示动物极半球物极半球有较多的有较多的色素，植色素，植物极半球物极半球有较多的有较多的卵黄。卵黄。非洲爪蟾非洲爪蟾的动的动-植物植物极轴是由极轴是由母源性的母源性的因子因子决定决定的，示母的，示母源性的生源性的生长因子长因子Vg-1基因的基因的 mRNA在在爪蟾植物爪蟾植物极的分布。极的分布。未受精
32、卵的胚层图谱未受精卵的胚层图谱n n爪蟾未来三个胚层的区域划分在未受精卵爪蟾未来三个胚层的区域划分在未受精卵就可以确定。因此，在未受精卵上就可以就可以确定。因此，在未受精卵上就可以勾画出胚层图谱。勾画出胚层图谱。n n但胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴都难以但胚胎的前后轴、背腹轴和左右轴都难以确定。确定。爪蟾未受爪蟾未受精卵内未精卵内未来胚层的来胚层的图谱。图谱。ectodermendodermNieukoop中心形成中心形成n n背腹轴和前后轴是在受精过程中由受精卵背腹轴和前后轴是在受精过程中由受精卵细胞质隔离决定的。细胞质隔离决定的。n n受精后由于皮层细胞质的转动（受精后由于皮层细胞质的转动
33、（cortical rotation），使得卵子表面的动植物极轴与），使得卵子表面的动植物极轴与细胞质内部的动植物极轴两者相差细胞质内部的动植物极轴两者相差30o，这，这样便形成一个新的对称状态。受精卵已具样便形成一个新的对称状态。受精卵已具备了背腹轴，变成两侧对称结构，可以区备了背腹轴，变成两侧对称结构，可以区分出左右侧了。分出左右侧了。6. 体轴的决定与形成体轴的决定与形成A，受精后，质膜下方的皮层（，受精后，质膜下方的皮层（cortical layer）向着精子入卵点）向着精子入卵点的方向转动。的方向转动。B，皮层转动的结果是，皮层转动的结果是Nieukoop中心或信号中心的中心或信号中
34、心的形成，这样就确定了胚胎的背方。形成，这样就确定了胚胎的背方。皮层转动的结皮层转动的结果造成爪蟾受果造成爪蟾受精卵呈两侧对精卵呈两侧对称。称。Nieukoop中心对正常发育是必需的中心对正常发育是必需的背方部分含有背方部分含有Nieukoop中心，中心，形成一个背部形成一个背部化的胚胎，但化的胚胎，但缺少肠；腹方缺少肠；腹方部分没有部分没有Nieukoop中心，中心，形成一腹部化形成一腹部化的胚胎，缺少的胚胎，缺少背部和头部结背部和头部结构。构。胚孔的定位胚孔的定位n n细胞质的运动激活精子入卵点对面的细胞细胞质的运动激活精子入卵点对面的细胞质开启原肠作用。精子入卵点代表胚胎未质开启原肠作用
35、。精子入卵点代表胚胎未来的腹面，而与之相对的一面即原肠作用来的腹面，而与之相对的一面即原肠作用开启处代表胚胎未来背面。开启处代表胚胎未来背面。n n虽然诱发卵细胞质运动并不一定需要精子，虽然诱发卵细胞质运动并不一定需要精子，但精子对决定细胞质旋转方向是至关重要但精子对决定细胞质旋转方向是至关重要的。卵子哪一侧形成背部，哪一侧形成腹的。卵子哪一侧形成背部，哪一侧形成腹部，完全由细胞质运动方向来决定。部，完全由细胞质运动方向来决定。n n通过机械方法（如离心）人为地改变皮层通过机械方法（如离心）人为地改变皮层细胞质和皮层下细胞质的空间关系，将可细胞质和皮层下细胞质的空间关系，将可以使胚胎在精子入卵
36、点的同一侧开启原肠以使胚胎在精子入卵点的同一侧开启原肠作用。作用。n n将精子决定的细胞质旋转与人工诱导的细将精子决定的细胞质旋转与人工诱导的细胞质旋转相结合，就可能获得两个原肠作胞质旋转相结合，就可能获得两个原肠作用起点，最终形成联体双胞胎蝌蚪（用起点，最终形成联体双胞胎蝌蚪（Black and Gerhart， 1985）。）。人工方人工方法诱导法诱导的两个的两个原肠作原肠作用开启用开启点。点。两个原肠作用开启点导致联体双胞胎蝌蚪的形成。两个原肠作用开启点导致联体双胞胎蝌蚪的形成。n n原肠作用诱导因子是通过动物极细胞质和原肠作用诱导因子是通过动物极细胞质和植物极细胞质两者之间的相互作用而
37、产生植物极细胞质两者之间的相互作用而产生的。开启原肠作用的诱导因子原来位于植的。开启原肠作用的诱导因子原来位于植物极细胞的深层细胞质中。物极细胞的深层细胞质中。n n移植预定背部的植物极细胞能够让植物极移植预定背部的植物极细胞能够让植物极经紫外线照射的胚胎正常发育，同时将预经紫外线照射的胚胎正常发育，同时将预定背部的植物极细胞移植到预定腹部的部定背部的植物极细胞移植到预定腹部的部位，也能够诱导形成次生胚轴位，也能够诱导形成次生胚轴（secondary axis）。）。预定背唇区域下方植物极细胞移植实验预定背唇区域下方植物极细胞移植实验背部最靠背部最靠近植物极近植物极的裂球能的裂球能够诱导次够诱
38、导次生原肠作生原肠作用，并形用，并形成次生胚成次生胚轴。轴。n n正常情况下，由精子驱动的卵细胞内部细正常情况下，由精子驱动的卵细胞内部细胞质的重新排列能够引起亚细胞因子胞质的重新排列能够引起亚细胞因子（subcellular factor）的的不对称分布。）的的不对称分布。n n受精卵内亚细胞因子的不对称分布产生了受精卵内亚细胞因子的不对称分布产生了背腹区分，并最终将胚孔的位置确定在精背腹区分，并最终将胚孔的位置确定在精子入卵点对面的一组植物极裂球上。子入卵点对面的一组植物极裂球上。细胞运动和原肠构建细胞运动和原肠构建n n当囊胚背部表面缘区一群内胚层细胞下陷当囊胚背部表面缘区一群内胚层细胞
39、下陷时，两栖类的原肠作用就开始了。重组实时，两栖类的原肠作用就开始了。重组实验证明，内陷进入内胚层的能力是背部缘验证明，内陷进入内胚层的能力是背部缘区细胞固有的属性。这些细胞特殊的瓶状区细胞固有的属性。这些细胞特殊的瓶状结构对于启动原肠作用是重要的。结构对于启动原肠作用是重要的。n n细胞运动启动之后，非洲爪蟾的瓶状细胞细胞运动启动之后，非洲爪蟾的瓶状细胞就不再是必需的了，去除瓶状细胞后内卷、就不再是必需的了，去除瓶状细胞后内卷、胚孔的形成和封闭照样可以进行。胚孔的形成和封闭照样可以进行。n n细胞向胚胎内运动的主要动力来自缘区表细胞向胚胎内运动的主要动力来自缘区表面下方的细胞（深层内卷缘区细
40、胞，面下方的细胞（深层内卷缘区细胞，deep involuting marginal zone cell）的内卷，而）的内卷，而不是表面细胞的内卷。去掉缘区深层细胞，不是表面细胞的内卷。去掉缘区深层细胞，并用动物极细胞补充上去，原肠形成立即并用动物极细胞补充上去，原肠形成立即停止。停止。n n表面细胞由于和主动迁移的深层细胞相连表面细胞由于和主动迁移的深层细胞相连而迁移进去形成原肠的衬里。而迁移进去形成原肠的衬里。原肠作用过程中细胞内卷的动力来自深层内卷缘区细胞原肠作用过程中细胞内卷的动力来自深层内卷缘区细胞n n随着原肠作用的进行，深层由好几层细胞构随着原肠作用的进行，深层由好几层细胞构成的
41、缘区细胞彼此插入混和（成的缘区细胞彼此插入混和（intercalation 或或interdigitation），形成薄而宽的单层细胞。），形成薄而宽的单层细胞。正在内卷的缘区细胞则向植物极进一步延伸。正在内卷的缘区细胞则向植物极进一步延伸。n n与此同时，表面细胞通过分裂和变扁平而扩与此同时，表面细胞通过分裂和变扁平而扩展。深层细胞运动到达胚唇时，它们卷入胚展。深层细胞运动到达胚唇时，它们卷入胚胎内部，彼此之间也进行插入混和，且沿中胎内部，彼此之间也进行插入混和，且沿中侧轴集中延伸，形成窄而长的中胚层带。中侧轴集中延伸，形成窄而长的中胚层带。中胚层带向动物极迁移，牵拉伏在上面的表面胚层带向动
42、物极迁移，牵拉伏在上面的表面细胞向动物极运动，形成原肠顶壁。细胞向动物极运动，形成原肠顶壁。非洲爪蟾原肠作用期间中胚层的形成。非洲爪蟾原肠作用期间中胚层的形成。n n中胚层带的集中和延伸似乎为一自主过程，中胚层带的集中和延伸似乎为一自主过程，把中胚层细胞从胚胎中分离出来，它们照把中胚层细胞从胚胎中分离出来，它们照样可以集中和延伸。样可以集中和延伸。n n原肠作用期间，动物极极帽（原肠作用期间，动物极极帽（animal cap）和不内卷缘区的细胞通过下包扩展，包被和不内卷缘区的细胞通过下包扩展，包被整个胚胎。同时，外胚层细胞也在整个胚整个胚胎。同时，外胚层细胞也在整个胚胎中扩展，其机制主要是细胞
43、分裂和数层胎中扩展，其机制主要是细胞分裂和数层细胞合并成单层细胞。细胞合并成单层细胞。第第3节节 鸟类的原肠作用鸟类的原肠作用一、鸟类原肠作用概述n n鸟类行不完全的盘状卵裂，胚胎经过卵裂在大量的卵黄上形成一个胚盘（blastodisk）。胚盘下方“惰性”的卵黄对上面细胞的运动施以严格限制。由动物极（胚胎将来的背部）观察的鸡卵的盘状卵裂1. 下胚层和上胚层的形成n n鸟类胚盘中央细胞被胚下腔（subgerminal cavity）和卵黄分开，看起来透明，称为明区（area pellucida）。明区边缘细胞和卵黄接触看起来不透明，称为暗区（area opaque）。上胚层某些细胞单个的迁移到胚
44、下腔中，形成初级下胚层（primary hypoblast）。胚盘后缘有一层细胞向前迁移和初级下胚层汇合，形成次级下胚层（secondary hypoblast）。鸡胚双层囊胚的形成n n由上胚层和下胚层组成的双层囊胚在暗区边缘连接在一起，两层之间的空腔即为囊胚腔（blastocoel）。n n鸟类胚胎命运图谱仅局限于上胚层，胚胎本身和大量胚胎外膜都是由上胚层所产生。下胚层对正在发育的卵的本身并没有任何实质性的贡献。下胚层细胞只形成部分胚胎外膜（extraembryonic membrane），尤其是卵黄囊（yolk sac）和连接卵黄的基柄（stalk）。原条的形成n n鸟类的原条（prim
45、itive streak）首先见于胚胎的后端上胚层细胞的加厚处。这种加厚是来自上胚层的中胚层细胞内移进入囊胚腔以及来自上胚层后端两侧细胞向中央迁移所致。随着加厚部分不断变窄，它不断向前运动，并收缩形成清晰的原条。原条延伸至明区长度60至70处，成为胚胎前后轴的标志。鸡胚原条形成时细胞的运动。A，34h；B，56h；C，78；D，1012hn n伴随着细胞集中形成原条，在原条中出现一凹陷，成为原沟（primitive groove）。原沟与两栖类胚孔的作用相似，迁移的细胞通过原沟进入囊胚腔。n n在原条的前端是一个细胞加厚区叫原节（primitive knot）或亨氏节 （Hensens nod
46、e） 。亨氏节的中央有一个烟囱状的凹陷，叫原窝（primitive pit）。细胞可以通过原窝进入囊胚腔。亨氏节在功能上相当于两栖类胚孔的背唇。移植亨氏节能够诱导一个次生胚胎的形成。n n原条一旦形成，上胚层细胞便开始向原条边缘迁移，进入囊胚腔内，组成原条的细胞也在不断地变化。进入鸟类囊胚腔的细胞以单个细胞为单位，内移的细胞并不形成紧密联系的细胞层，只形成松散联系的间质细胞。随着细胞进入原条，原条向胚胎未来头部区域延长。n n通过亨氏节进入囊胚腔的细胞向前迁移，形成前肠、头部中胚层和脊索；通过原条两侧部分进入囊胚腔的细胞形成大部分内胚层和中胚层组织。A，进入囊胚腔的细胞顶端伸长形成瓶状细胞；B
47、，鸡胚原肠作用立体图解，示原条、正在迁移的细胞和原有两胚层之间的关系。上图，1516h；原沟和亨氏节的形成。下图，1922h；内移的细胞向上推举上胚层前端中线区域，形成头突（head process）。 通过原条的细胞的迁移：内胚层和中胚层的形成n n最早通过原条迁移的细胞是预定发育成前肠的细胞，这一点与两栖类相似。n n下胚层细胞构成的区域即生殖新月不形成任何胚胎本身结构，但含有生殖细胞前体，以后通过血管迁移到生殖腺中。通过亨氏节进入囊胚的细胞也向前迁移，保持在内胚层和上胚层之间，将来形成头部中胚层和脊索中胚层细胞。n n随后在中胚层细胞继续内移的同时，原条开始回缩，使大致位于明区中央的亨氏
48、节向后推移。在原条回缩的痕迹上出现了胚胎背轴和头突。随着亨氏节继续回缩，脊索后端部分开始形成。最终亨氏节回缩到最后端区域，将来形成肛门。n n至此，上胚层完全由预定外胚层构成。尽管中胚层细胞还要继续向内迁移很长时间，但大部分预定内胚层细胞已进入胚胎内部。2428h鸡胚的原肠作用。A，延伸到全长的原条，24h；B，2体节时期，25h；C，4体节时期，27和；D，原条回缩到胚胎的尾部，28h。E，原条回缩，脊索沿着原条的痕迹形成。伴随原条回缩，脊索和体节逐渐形成。上图，2324h；下图，4体节时期。n n当预定中胚层和内胚层细胞向囊胚腔内运动时，预定外胚层细胞还在分裂，并成为胚胎最上层唯一的细胞群
49、。预定外胚层细胞迁移离开胚盘，通过下包包被卵黄。n n鸟类原肠作用结束的时候，外胚层已将卵黄包被起来，内胚层已经取代了下胚层，而中胚层则已经迁移到内外两胚层之间的位置。二、鸟类原肠作用的机制1. 下胚层的作用和胚轴的形成n n鸟类的前后轴和背腹轴早在原肠作用之前当卵子由输卵管排出时就已经决定了。背腹轴对于下胚层的形成和胚胎的进一步发育至关重要。2. 原条细胞的聚集n n上胚层也不是一个均匀的未分化组织。早在原条开始形成之前，上胚层细胞就出现了分化。例如，后端缘区组织可能分泌一种化学物质，吸引HNK-1（硫酸化葡糖醛酸）呈阳性的细胞向后端迁移，而前端缘区组织则分泌一种排斥因子。聚集到后端缘区的H
50、NK-1阳性细胞将形成内胚层和中胚层。n n透明质酸和其他多糖能促进单个细胞的迁移，但它们并不能驱动细胞迁移。透明质酸能使正在迁移的细胞处于彼此分离的状态。另外，透明质酸还可能通过它在水中膨胀的能力保持细胞彼此分离。n n细胞的迁移和上胚层胞外基质片层中的纤连蛋白网有关。3. 脊索的二次形成n n鸟类前部脊索由通过亨氏节内移的细胞向前迁移而形成，但后端脊索的形成方式则不同。如鸡胚第17体节后面的脊索是由通过原条内移的中胚层细胞聚集而成。后部脊索向后延伸，形成胚胎2850体节的尾芽。4. 外胚层的外包n n原肠作用期间，外胚层细胞向外扩展包被卵黄。外胚层细胞迁移时作为渔歌整体而非单个细胞运动。这
51、种扩展只能在卵黄膜上进行，在其他表面上不会发生。n n缘区（暗区）细胞是外胚层下包的动因。胚盘只有在缘区扩展时才扩展，去掉缘区细胞外胚层下包即告停止。因此外胚层细胞受缘区主动迁移细胞的牵拉而下包。第第4节节 哺乳类的原肠作用哺乳类的原肠作用n n哺乳类发育模式和鸟类以及爬行类相似。哺乳类发育模式和鸟类以及爬行类相似。n n哺乳类的卵子为哺乳类的卵子为少黄卵少黄卵，但其胚胎仍保留，但其胚胎仍保留着为适应多黄卵而进化形成的鸟类和爬行着为适应多黄卵而进化形成的鸟类和爬行类胚胎的原肠作用方式。哺乳类的类胚胎的原肠作用方式。哺乳类的内细胞内细胞团团可以看作卵黄球顶部的胚盘，它按照与可以看作卵黄球顶部的胚
52、盘，它按照与其祖先爬行类相似的模式发育。其祖先爬行类相似的模式发育。n n哺乳动物在母体内发育，其胚胎直接从母体获取营养，而不是从卵子所储备的卵黄获取营养。n n哺乳动物这一进化导致母体解剖结构发生巨大变化（输卵管膨大形成子宫）以及专司吸收母体营养的胎儿器官胎盘的出现。胎盘主要由胚胎滋养层细胞和内细胞团形成的中胚层细胞发育而来。人类胚胎从受精到植入的发育过程哺乳动物胚泡植入子宫的过程小鼠胚泡在Strypsin蛋白酶的作用下从透明带中孵化出来原肠作用前的胚泡，示内细胞团和滋养层细胞。n n内细胞团内最早的细胞隔离是下胚层（原始内胚层）的形成。下胚层排列在囊胚腔周围，形成卵黄囊内胚层（yolk s
53、ac endoderm）。卵黄囊内胚层不参与新生机体的任何组织。n n位于下胚层之上的内细胞团称为上胚层。上胚层细胞被缝隙（cleft）隔开；缝隙最后连接起来，把胚胎上胚层和形成羊膜腔壁的上胚层（羊膜外胚层）隔开。羊膜腔一旦形成，内部便充满羊水（amniotic fluid）。下胚层细胞从内细胞团中分离出来形成卵黄囊，滋养层细胞分裂形成细胞滋养层和合胞体滋养层；细胞滋养层形成绒毛，合胞体滋养层融入子宫组织。上胚层分裂形成羊膜外胚层（包绕羊膜腔）和胚胎上胚层，哺乳类胚胎由胚胎上胚层形成。胚外内胚层形成卵黄囊n n哺乳类胚胎上胚层包含所有形成胚胎本身的细胞。和鸡胚一样，哺乳动物的中胚层和内胚层细胞
54、同样通过原条迁移。当它们进入原条时，上胚层细胞停止表达将细胞凝集在一起的E-细胞选择蛋白，并各自独立迁移。n n哺乳动物脊索也是通过亨氏节迁移的细胞形成，但脊索形成方式和鸟类不同。人类原肠作用过程中，羊膜结构的形成和细胞的运动。n n形成小鼠脊索的细胞整合到原肠内胚层中，这些细胞构成一条从亨氏节向吻端延伸的细胞带。该细胞带由小而具有纤毛的细胞组成，它们向中线处集中，再从原肠顶壁向背部隆起折叠形成脊索。n n哺乳类胚胎外胚层位于已充分延伸的原条的前端，和鸡胚中外胚层的位置相似。因此，哺乳动物胚胎再上胚层时期，细胞系尚未彼此分离。小鼠脊索的形成 A，预定脊索细胞为小而具有纤毛的细胞，位于背中线上，
55、两侧是预定形成原肠的较大的内胚层细胞。B，预定脊索中胚层细胞向背部折叠形成脊索。二、胚外膜的形成n n在胚胎上胚层细胞迁移的同时，胚外细胞则正在形成时胎儿在母体内生存的哺乳类特有的组织。n n最早的滋养层细胞分裂时只发生核分裂，细胞质不分裂，因而形成多核细胞。最早的滋养层细胞构成细胞滋养层（cytotrophoblast），而多核细胞则构成合胞体滋养层（syncytiotrophoblast）。n n细胞滋养层通过一系列粘着分子附着到子宫壁即子宫内膜（endometrium）上。人的细胞滋养层细胞含有蛋白水解酶，能使滋养层细胞进入子宫壁，并重塑子宫血管，使胎儿血管浸泡在母体血管中。n n合胞体滋养层组织使胚胎核子宫的联系进一步加强。合胞体滋养层细胞充分发育后，形成由滋养层组织和富含血管的中胚层构成的器官绒毛膜（chorion）。绒毛膜除分泌激素外还有保护胎儿免受母体免疫系统伤害的功能。n n胚胎研究结果表明，胚外中胚层来源于卵黄囊。胚外中胚层和滋养层上的突起相连接，产生血管。n n胚胎和滋养层相连的胚外中胚层狭窄的基柄最终形成脐带。40天妊娠后人类的胚胎被羊膜包裹，外面再被绒毛膜包被。血管已深入到绒毛膜内，绒毛膜上的微绒毛最大限度地与母体血液接触。人类和猕猴胚胎组织衍生物示意图
