第十四章脊椎动物体节的形成与分化

1、授课教师：吴中华授课教师：吴中华授课专业：生物科学授课专业：生物科学二零一四年二零一四年(仿Gilbert, 2000)第十四章第十四章 脊椎动物体节的形成与分化脊椎动物体节的形成与分化 第十四章第十四章 脊椎动物体节的形成与分化脊椎动物体节的形成与分化 脊椎动物神经胚期的胚胎中胚层可被分为脊椎动物神经胚期的胚胎中胚层可被分为5个区域：个区域：脊索中胚层脊索中胚层-发育成为脊索。发育成为脊索。轴旁中胚层轴旁中胚层 这一部分细胞迅速增殖，形成一对纵行的细胞索，随这一部分细胞迅速增殖，形成一对纵行的细胞索，随即形成一系列块状细胞团，称体节（即形成一系列块状细胞团，称体节（somite）。体节左右成

2、对，从）。体节左右成对，从头部向尾部依次形成。每一个体节单位又分化为头部向尾部依次形成。每一个体节单位又分化为3个区域，即生皮节、个区域，即生皮节、生肌节和生骨节，最终分别发育成为真皮、骨骼肌和中轴骨骼。生肌节和生骨节，最终分别发育成为真皮、骨骼肌和中轴骨骼。中间中胚层，发育形成泌尿生殖系统。中间中胚层，发育形成泌尿生殖系统。侧板中胚层，是中胚层最外侧的部分。侧板中胚层又分为靠内侧的侧板中胚层，是中胚层最外侧的部分。侧板中胚层又分为靠内侧的脏壁中胚层和外侧（紧贴外胚层）的体壁中胚层，两者之间形成体腔。脏壁中胚层和外侧（紧贴外胚层）的体壁中胚层，两者之间形成体腔。脏壁中胚层覆盖于原始消化管外面，

3、将分化为消化和呼吸系统的肌组脏壁中胚层覆盖于原始消化管外面，将分化为消化和呼吸系统的肌组织、血管和结缔组织等。心脏起源于前部的脏壁中胚层。体壁中胚层织、血管和结缔组织等。心脏起源于前部的脏壁中胚层。体壁中胚层将来形成体壁（包括肢体）的骨骼、肌肉、结缔组织等。在羊膜类胚将来形成体壁（包括肢体）的骨骼、肌肉、结缔组织等。在羊膜类胚胎中，侧板中胚层还参与胚外膜的形成。胎中，侧板中胚层还参与胚外膜的形成。头部间充质中胚层，将形成头面部的结缔组织和肌肉。头部间充质中胚层，将形成头面部的结缔组织和肌肉。 第一节第一节 脊椎动物体节的形成脊椎动物体节的形成 脊椎动物体节是由前体节中胚层（脊椎动物体节是由前体

4、节中胚层（presomitic mesoderm, PSM）形成的，而在体节开始形成时，大部分的预定体节细胞尚没有）形成的，而在体节开始形成时，大部分的预定体节细胞尚没有产生，体节的形成是一个细胞增殖与分化周期性进行的过程。胚胎尾产生，体节的形成是一个细胞增殖与分化周期性进行的过程。胚胎尾芽区的芽区的PSM细胞属于未分化细胞，细胞分裂旺盛。而随着细胞属于未分化细胞，细胞分裂旺盛。而随着PSM细胞细胞的增殖，的增殖，PSM前部的细胞会逐渐脱离尾芽区而形成上皮化的体节。前部的细胞会逐渐脱离尾芽区而形成上皮化的体节。 具有以下几个特征：具有以下几个特征： 脊椎动物体节是由前体节中胚层以脊椎动物体节是

5、由前体节中胚层以“出芽出芽”的方式从前到后依次的方式从前到后依次形成的。形成的。 每一个体节形成的周期是固定不变的，就像有一个时钟在控制，每一个体节形成的周期是固定不变的，就像有一个时钟在控制，称为分节钟称为分节钟( segmentation clock）。不同物种的体节数目和每一）。不同物种的体节数目和每一体节形成的周期有所不同。小鼠和人的体节发生周期分别为体节形成的周期有所不同。小鼠和人的体节发生周期分别为2h和和8h。 分节过程与其他形态发生过程是密切协调进行的，体节形成的时分节过程与其他形态发生过程是密切协调进行的，体节形成的时间与位置受到严格的调控。每一体节在形成的同时已具备前间与位

6、置受到严格的调控。每一体节在形成的同时已具备前-后区域的后区域的分化和确定的前分化和确定的前-后轴特异性。后轴特异性。 一、周期性表达基因一、周期性表达基因 1997年年, Pourquie (Palmeirim et al. 1997)实实验室发现验室发现c-hairy1基因在鸡胚前体节中胚层中周期性表达。基因在鸡胚前体节中胚层中周期性表达。c-hairy1最初在最初在PSM的后部和尾芽区广泛表达，随着前的后部和尾芽区广泛表达，随着前部预定体节的成熟部预定体节的成熟,c-hairy1的表达逐步向的表达逐步向PSM前部推进前部推进并固定于新形成的体节的后半部分。其表达变化完成一个并固定于新形成

7、的体节的后半部分。其表达变化完成一个周期需要周期需要90 min，与其体节形成周期恰好一致。，与其体节形成周期恰好一致。 Hairy1编码一个碱性编码一个碱性HLH转录抑制因子，是转录抑制因子，是Notch信信号途径的靶基因之一。号途径的靶基因之一。 在小鼠和斑马鱼中，许多在小鼠和斑马鱼中，许多Notch信号途径因子的突变都信号途径因子的突变都会导致体节发育异常，同时一些周期性表达基因的表达也会导致体节发育异常，同时一些周期性表达基因的表达也被破坏，说明被破坏，说明Notch信号很可能直接参与了体节的形成和信号很可能直接参与了体节的形成和周期性表达基因的表达调控。周期性表达基因的表达调控。 二

8、、周期性表达基因的转录调控二、周期性表达基因的转录调控 小鼠小鼠lfng基因启动子中负责其周期性表达的序列已被找到，其中含基因启动子中负责其周期性表达的序列已被找到，其中含有一个有一个CBF1/RBP-J( Notch信号的转录效应因子）的结合位点，信号的转录效应因子）的结合位点，表明它直接受到表明它直接受到Notch信号的调控；同时还含有两个信号的调控；同时还含有两个E-box（bHLH因子结合位点，图因子结合位点，图14.3）。）。 研究表明研究表明lfng, deltaC等基因的表达可能受到等基因的表达可能受到Notch信号的正调信号的正调控和控和hes7或其他或其他hairy相关相关b

9、HLH因子的周期性负调控，从而使得因子的周期性负调控，从而使得这些基因呈现周期性表达的特点。这些基因呈现周期性表达的特点。 三、分节钟的分子机制：负反馈调节环路三、分节钟的分子机制：负反馈调节环路 2002年，年，Hirata等发现，在培养细胞中，经过血清刺激后，等发现，在培养细胞中，经过血清刺激后，hes1 mRNA和蛋白都呈现周期性表达，其变化周期恰好为和蛋白都呈现周期性表达，其变化周期恰好为2h，这与小鼠体，这与小鼠体节形成的周期是一致的，说明两者可能具有相同的分子机制。节形成的周期是一致的，说明两者可能具有相同的分子机制。 其中其中Hes1蛋白表达变化周期比起蛋白表达变化周期比起mRN

10、A的变化周期滞后的变化周期滞后15min, hes1 mRNA和蛋白都具有一个很短的半寿期（约和蛋白都具有一个很短的半寿期（约20 min) .Hes1蛋蛋白通过泛素白通过泛素-蛋白酶体途径被降解。如果加入蛋白酶体抑制剂以阻断蛋白酶体途径被降解。如果加入蛋白酶体抑制剂以阻断Hes1蛋白的降解，其蛋白的降解，其mRNA的转录就会被持续抑制；相反地，在的转录就会被持续抑制；相反地，在Hes1蛋白失活时，其蛋白失活时，其mRNA的转录则持续被激活，说明的转录则持续被激活，说明Hes1蛋白可蛋白可抑制其本身抑制其本身mRNA的转录，同时这一系统中的转录，同时这一系统中hes1转录的激活因子是持转录的激

11、活因子是持续存在的而不是周期性表达的。续存在的而不是周期性表达的。 这一负反馈调节环路是这一负反馈调节环路是hes1周期性表达的关键。在这一环路中，周期性表达的关键。在这一环路中，Hes1蛋白可抑制其蛋白可抑制其mRNA的转录，但随着的转录，但随着Hes1蛋白的迅速降解，其蛋白的迅速降解，其转录得以进行，从而开始下一个表达周期。这样，通过这一负反馈调节转录得以进行，从而开始下一个表达周期。这样，通过这一负反馈调节环路，环路，hes1的表达被持续激活时就会自动呈现周期性表达的状态。的表达被持续激活时就会自动呈现周期性表达的状态。 Wnt信号同样参与了分节的过程。信号同样参与了分节的过程。Axin

12、2是一个是一个Wnt信号抑制因子，信号抑制因子，Aulehla等（等（2003）发现，）发现，Axin2在小在小鼠鼠PSM中也存在周期性表达的现象，而其循环周期与中也存在周期性表达的现象，而其循环周期与Lfng表达周期的时相并不一致。表达周期的时相并不一致。 在在Wnt3a的一种突变体中，体节的分节也出现异常的一种突变体中，体节的分节也出现异常Axin2的表达降低，而且的表达降低，而且Lfng的周期性表达也会丧失。的周期性表达也会丧失。Wnt3 a与与Axin2的表达之间可能也存在一个负反馈调节的表达之间可能也存在一个负反馈调节环路。环路。Wnt途径参与体节形成的确切机制还有待于进一步途径参与

13、体节形成的确切机制还有待于进一步研究。研究。 四、四、FGF信号与体节形成信号与体节形成 FGF8在鸡胚后部在鸡胚后部PSM中有很强的表达，由后向前逐渐中有很强的表达，由后向前逐渐减弱，形成一个浓度梯度。减弱，形成一个浓度梯度。 FGF因子对于维持后部因子对于维持后部PSM细胞的未分化状态可能具有细胞的未分化状态可能具有重要作用，而重要作用，而FGF8表达水平的降低是前部表达水平的降低是前部PSM细胞进入细胞进入成熟程序所必需。成熟程序所必需。 实验表明，体节的最初决定发生在实验表明，体节的最初决定发生在PSM中距离最后一个中距离最后一个已形成的体节之后约已形成的体节之后约4个体节的位置，称为

14、个体节的位置，称为“决定前沿决定前沿”（determination front），这一位置恰好是），这一位置恰好是FGF8表达表达区域的前沿位置。如果用药物抑制区域的前沿位置。如果用药物抑制FGF信号，会使新形成信号，会使新形成的体节变大；而在的体节变大；而在PSM中植入带有中植入带有FGF8的琼脂糖小珠，的琼脂糖小珠，体节则会变小，说明体节则会变小，说明FGF信号对于决定信号对于决定PSM中体节形成的中体节形成的前沿位置具有重要作用。前沿位置具有重要作用。 第二节第二节 脊椎动物体节的分化与肌肉发生脊椎动物体节的分化与肌肉发生 体节形成后，在其周围组织的诱导下，进一步分化为生体节形成后，在其

15、周围组织的诱导下，进一步分化为生骨节、生皮节和生肌节。骨节、生皮节和生肌节。 生骨节是由脊索和腹侧神经管诱导产生的。生骨节是由脊索和腹侧神经管诱导产生的。 生肌节的轴上部分（将发育为脊柱的肌肉）是由脊索和生肌节的轴上部分（将发育为脊柱的肌肉）是由脊索和背部神经管诱导产生的，而这一过程受到侧板中胚层的限背部神经管诱导产生的，而这一过程受到侧板中胚层的限制。制。 生皮节是由神经管诱导产生的。生皮节是由神经管诱导产生的。 诱导产生生骨节的信号分子是诱导产生生骨节的信号分子是Sonic hedgehog（Shh)，它在脊索和神经管的基板中表达。，它在脊索和神经管的基板中表达。 Shh可诱导预定生骨节细

16、胞表达可诱导预定生骨节细胞表达pax1和和sox9基因，基因，并表达肌肉发生的抑制因子并表达肌肉发生的抑制因子Id类基因。类基因。 脊椎骨与体节的位置并不对应，每一节脊椎骨是由一个脊椎骨与体节的位置并不对应，每一节脊椎骨是由一个生骨节的后半部分与后一生骨节的前半部分共同形成的。生骨节的后半部分与后一生骨节的前半部分共同形成的。 脊椎骨的前脊椎骨的前-后轴属性（头椎、颈椎、胸椎、腰椎、骶椎、后轴属性（头椎、颈椎、胸椎、腰椎、骶椎、尾椎）是由它所在区域表达的尾椎）是由它所在区域表达的Hox基因控制的。基因控制的。Hox基因基因的过表达或敲除会引起脊椎骨性质的改变。的过表达或敲除会引起脊椎骨性质的改

17、变。 生肌节的诱导较为复杂，在前体节期，这些细胞受到生肌节的诱导较为复杂，在前体节期，这些细胞受到Shh信号的诱信号的诱导，而在体节期，在有背部神经管产生的导，而在体节期，在有背部神经管产生的Wnt信号的诱导下，生肌节信号的诱导下，生肌节细胞开始表达促进肌肉发生的细胞开始表达促进肌肉发生的myf5基因，而基因，而pax3基因的表达受到抑基因的表达受到抑制。制。pax3基因之前在整个体节中都表达，它会抑制肌肉的发生。基因之前在整个体节中都表达，它会抑制肌肉的发生。 侧板中胚层对肌肉的发生也具有抑制作用，这可能是由其表达的侧板中胚层对肌肉的发生也具有抑制作用，这可能是由其表达的BMP4因子介导的。

18、因子介导的。 生肌节产生的范围是由来自背神经管的生肌节产生的范围是由来自背神经管的Wnt信号和来自侧板中胚层信号和来自侧板中胚层的的BMP4信号共同调控的。信号共同调控的。 Wnt信号会诱导生肌节中部细胞表达信号会诱导生肌节中部细胞表达BMP信号的抑制因子信号的抑制因子Noggin,从而限制从而限制BMP信号的作用范围。信号的作用范围。 轴下生肌节（将发育为胸部和腹部的肌肉）的诱导机制可能有所不轴下生肌节（将发育为胸部和腹部的肌肉）的诱导机制可能有所不同，它们距神经管较远，可能受到来自背部表皮组织的同，它们距神经管较远，可能受到来自背部表皮组织的Wnt信号的调信号的调控。控。 生皮节的分化受到

19、来自背部神经管的生皮节的分化受到来自背部神经管的Neurotrophin3（NT3）的）的诱导，阻断这一因子的功能会抑制真皮的产生。诱导，阻断这一因子的功能会抑制真皮的产生。 二、肌肉发生二、肌肉发生 所有骨骼肌都来源于体节的生骨节或头部中胚层的相应所有骨骼肌都来源于体节的生骨节或头部中胚层的相应区域。平滑肌来源于侧板中胚层，而心肌由特化的心脏原区域。平滑肌来源于侧板中胚层，而心肌由特化的心脏原基产生。基产生。 在骨骼肌的分化过程中，细胞首先被诱导成为成肌细胞在骨骼肌的分化过程中，细胞首先被诱导成为成肌细胞（myoblast），经过一段增殖和或迁移，然后停止分），经过一段增殖和或迁移，然后停止

20、分裂，经过细胞融合形成特征性的多细胞核的肌纤维。已发裂，经过细胞融合形成特征性的多细胞核的肌纤维。已发现有两类分子参与了成肌细胞的融合，现有两类分子参与了成肌细胞的融合，ADAM家族的金家族的金属蛋白酶属蛋白酶Meltrin和名为和名为Tetraspanin的跨膜蛋白。的跨膜蛋白。 第十五章第十五章 脊椎动物眼的发育脊椎动物眼的发育 晶状体和角膜起源于表皮外胚层，视网膜及虹膜和睫状晶状体和角膜起源于表皮外胚层，视网膜及虹膜和睫状体上皮则起源于前部神经板，而角膜的基质层起源于神经体上皮则起源于前部神经板，而角膜的基质层起源于神经嵴细胞来源的间充质细胞。嵴细胞来源的间充质细胞。 第一节第一节 脊椎

21、动物眼的发育过程脊椎动物眼的发育过程一、眼的发育过程一、眼的发育过程 原肠胚晚期，在神经板前部预定前脑区域形成眼区（原肠胚晚期，在神经板前部预定前脑区域形成眼区（eye field）。）。随后，这一区域分裂为左、右两个随后，这一区域分裂为左、右两个 。 在神经胚期，预定眼区由前脑侧壁向外凸出形成视泡，并继续发育在神经胚期，预定眼区由前脑侧壁向外凸出形成视泡，并继续发育为视杯。为视杯。 在视泡的诱导下，位于视泡外侧的表皮外胚层发育形成晶状体板，在视泡的诱导下，位于视泡外侧的表皮外胚层发育形成晶状体板，进而分化形成晶状体。进而分化形成晶状体。pax6是调节晶状体发育的主控基因。是调节晶状体发育的主

22、控基因。 角膜由表皮外胚层发育形成，眼周的间充质细胞（起源于神经嵴）角膜由表皮外胚层发育形成，眼周的间充质细胞（起源于神经嵴）迁移入角膜，将来形成角膜的基质。迁移入角膜，将来形成角膜的基质。 虹膜和睫状体由视杯边缘的细胞形成，视杯的外层形成视网膜色素虹膜和睫状体由视杯边缘的细胞形成，视杯的外层形成视网膜色素上皮，而其内层形成视网膜，包含有上皮，而其内层形成视网膜，包含有6种不同类型的细胞（包括感光种不同类型的细胞（包括感光细胞）。视网膜神经节细胞的轴突向视柄生长形成视神经。细胞）。视网膜神经节细胞的轴突向视柄生长形成视神经。 （A-D, 仿Graw, 2010；E, 仿Chow and Lan

23、g, 2001）二、眼区的形成与分裂二、眼区的形成与分裂 眼的发育起始于原肠胚期，在神经板前部形成一个单一的预定眼区眼的发育起始于原肠胚期，在神经板前部形成一个单一的预定眼区（eye field）。眼区的决定是伴随着神经板前）。眼区的决定是伴随着神经板前-后轴的图式分化，在后轴的图式分化，在神经板前部特定区域形成。神经板前部特定区域形成。 Wnt信号在眼区的形成中具有重要作用。在爪蟾中，过表达信号在眼区的形成中具有重要作用。在爪蟾中，过表达Wnt受受体体Fzd3可诱导眼区基因（可诱导眼区基因（pax6,Rx和和Otx2 )的异位表达，甚至可的异位表达，甚至可诱导形成异位的眼。近来的研究表明，诱

24、导形成异位的眼。近来的研究表明，miRNA在调节眼区基因表达在调节眼区基因表达方面具有重要作用。方面具有重要作用。 Shh在脊索和神经管的腹侧基板中表达，对于中线的发育和眼区的在脊索和神经管的腹侧基板中表达，对于中线的发育和眼区的分离具有重要作用。分离具有重要作用。six3基因负责调节基因负责调节Shh在间脑腹侧中线的表达。在间脑腹侧中线的表达。six3和和shh基因的突变都会导致眼区不能一分为二，发生独眼缺陷。基因的突变都会导致眼区不能一分为二，发生独眼缺陷。在人的前脑无裂畸形（在人的前脑无裂畸形（holoprosencephaly )中也会出现独眼症状，中也会出现独眼症状，其中大约有其中大

25、约有5%与与shh和和six3基因的突变有关。基因的突变有关。 在斑马鱼中，在斑马鱼中，Nodal信号途径在眼区分离过程中具有重要作用。这信号途径在眼区分离过程中具有重要作用。这是因为在斑马鱼中，是因为在斑马鱼中，Nodal信号是脊索和神经管的基板发育所必需的。信号是脊索和神经管的基板发育所必需的。在在Nodal信号途径的突变体中，脊索和神经管的基板无法形成，信号途径的突变体中，脊索和神经管的基板无法形成，Shh的表达显著降低，眼区也就不能正常分离了。的表达显著降低，眼区也就不能正常分离了。 三、视杯与视泡的形成三、视杯与视泡的形成 在神经胚期，两个眼区分别由前脑侧壁向外凸出，形成在神经胚期，

26、两个眼区分别由前脑侧壁向外凸出，形成视泡（视泡（optic vesicle），并与表面外胚层接触，两者之），并与表面外胚层接触，两者之间的相互作用诱导外胚层增厚，形成晶状体板（间的相互作用诱导外胚层增厚，形成晶状体板（lens placode）。视泡随后内陷，形成视杯（）。视泡随后内陷，形成视杯（optic cup) 。 视黄酸（视黄酸（retinoic acid）信号参与了这一过程的调控。）信号参与了这一过程的调控。 在小鼠中，与视黄酸合成酶相关的视黄醛脱氢酶基因在小鼠中，与视黄酸合成酶相关的视黄醛脱氢酶基因raldh2突变体胚胎的视泡不能内陷，也就不能形成视杯。突变体胚胎的视泡不能内陷，也

27、就不能形成视杯。 Lhx2也是早期眼区特化过程的重要调控因子之一，它也是早期眼区特化过程的重要调控因子之一，它可能是联络由预定眼区到视杯形成过程的核心因子。可能是联络由预定眼区到视杯形成过程的核心因子。 C，视杯和晶状体泡的形成；，视杯和晶状体泡的形成； D，角膜的形成。，角膜的形成。四、晶状体的形成与分化四、晶状体的形成与分化 在神经板时期，神经板前缘与表皮之间形成一个特殊区在神经板时期，神经板前缘与表皮之间形成一个特殊区域，即前基板区（域，即前基板区（preplacodal region），这一区域具），这一区域具有特殊的分化潜能，将来的晶状体、嗅神经、内耳、三叉有特殊的分化潜能，将来的晶

28、状体、嗅神经、内耳、三叉神经节等都产生于这一区域。神经节等都产生于这一区域。 当视泡自间脑区域向外凸出，与基板接触时，就会诱导当视泡自间脑区域向外凸出，与基板接触时，就会诱导这一部位的基板细胞增厚，形成晶状体板（这一部位的基板细胞增厚，形成晶状体板（lens placode)。 晶状体板细胞内陷，形成晶状体窝（晶状体板细胞内陷，形成晶状体窝（lens pit;也称晶也称晶状体杯状体杯lens cup)，进而与表皮分离，形成晶状体泡，进而与表皮分离，形成晶状体泡（lens vesicle)。晶状体泡表面的上皮重建形成角膜上。晶状体泡表面的上皮重建形成角膜上皮。皮。 许多的同源框家族转录因子（如许

29、多的同源框家族转录因子（如Pax6）和）和FGF, Wnt信号等参与了晶状体的发育过程。其中信号等参与了晶状体的发育过程。其中pax6是调节眼发育是调节眼发育的主控基因。的主控基因。 人的人的pax6的突变会也造成小眼缺陷。神奇的是，把的突变会也造成小眼缺陷。神奇的是，把eyeless基因在果蝇的翅膀、触角和腿上异位表达，会在基因在果蝇的翅膀、触角和腿上异位表达，会在这些部位诱导形成眼。这些部位诱导形成眼。 在非洲爪蟾的发育早期注人在非洲爪蟾的发育早期注人pax6 mRNA,也能诱导出也能诱导出异位的眼，证明了异位的眼，证明了eyeless/pax6是眼发育的主控基因，是眼发育的主控基因，也提

30、示所有眼的早期发育都受也提示所有眼的早期发育都受pax6基因的调控。基因的调控。 在小鼠中在小鼠中,pax6是晶状体板形成和晶状体发育所必需的，是晶状体板形成和晶状体发育所必需的， pax6最初在整个预定基板区都表达，但随后在非晶状体板最初在整个预定基板区都表达，但随后在非晶状体板区表达下调。区表达下调。 six3和和sox2也参与了晶状体的发育。这两个基因在预也参与了晶状体的发育。这两个基因在预定眼区都高度表达。定眼区都高度表达。six3的表达开始于的表达开始于pax6之前。之前。 six3可直接激活可直接激活pax6和和sox2在晶状体中的表达，而在晶状体中的表达，而pax6位于位于six

31、3下游。下游。 sox2也是也是six3的直接靶基因。的直接靶基因。 另一方面另一方面,pax6和和sox2的表达也是相互调控的。在前基的表达也是相互调控的。在前基板时期板时期,pax6与与sox2的表达并不相互依赖，但到晶状体的表达并不相互依赖，但到晶状体板形成后，板形成后，sox2的表达就依赖于的表达就依赖于pax6了。了。 晶状体的发育需要晶状体的发育需要FGF信号的激活，条件性敲除信号的激活，条件性敲除FGF受受体在晶状体中的表达会引起晶状体发育缺陷。体在晶状体中的表达会引起晶状体发育缺陷。 BMP信号同样是晶状体发育所必需的。如果在晶状体中信号同样是晶状体发育所必需的。如果在晶状体中

32、同时敲除同时敲除BMP受体受体Acvr1和和Bmpr1 a,晶状体板的增厚晶状体板的增厚会减少，同时无法内陷，最终晶状体无法形成。会减少，同时无法内陷，最终晶状体无法形成。 晶状体的发育需要经典晶状体的发育需要经典Wnt/-catenin信号被抑制，信号被抑制，在晶状体中激活在晶状体中激活Wnt信号会抑制晶状体的形成，而在晶状信号会抑制晶状体的形成，而在晶状体的正常发育过程中，体的正常发育过程中，Wnt信号的抑制同样依赖于信号的抑制同样依赖于Pax6。 角膜的形成是由晶状体诱导表皮外胚层形成的，这是眼发育过程中的角膜的形成是由晶状体诱导表皮外胚层形成的，这是眼发育过程中的最后一个诱导事件。角膜

33、最前部为一层上皮细胞，最后面是一层内皮细最后一个诱导事件。角膜最前部为一层上皮细胞，最后面是一层内皮细胞，中间是角膜基质。在晶状体窝形成晶状体泡与表皮外胚层脱离时，胞，中间是角膜基质。在晶状体窝形成晶状体泡与表皮外胚层脱离时，两者之间暂时有一个晶状体柄（两者之间暂时有一个晶状体柄（lens stalk）相连（图）相连（图15. 3）。）。 当晶状体泡与表皮完全分离后，两者之间的间隙由来源于眼周围的间当晶状体泡与表皮完全分离后，两者之间的间隙由来源于眼周围的间充质细胞（起源于神经嵴细胞）填充。之后，间充质细胞致密化形成多充质细胞（起源于神经嵴细胞）填充。之后，间充质细胞致密化形成多层细胞，细胞层

34、之间由疏松的细胞外基质分隔。其中位于角膜最内侧、层细胞，细胞层之间由疏松的细胞外基质分隔。其中位于角膜最内侧、与晶状体相邻的一层细胞形成晶状体内皮细胞，而位于角膜最前面的表与晶状体相邻的一层细胞形成晶状体内皮细胞，而位于角膜最前面的表皮外胚层形成角膜上皮细胞。皮外胚层形成角膜上皮细胞。 在小鼠出生约在小鼠出生约2周时，眼睑开始睁开，角膜上皮由周时，眼睑开始睁开，角膜上皮由2细胞生长至细胞生长至6-7细细胞。在这一过程中，基部上皮细胞由卵圆形变为柱状，并开始高表达多胞。在这一过程中，基部上皮细胞由卵圆形变为柱状，并开始高表达多种特异性的多功能蛋白（如乙醛脱氢酶种特异性的多功能蛋白（如乙醛脱氢酶3

35、），大量分泌产生胶原等基质。），大量分泌产生胶原等基质。 角膜上皮细胞在终末分化过程中不会丢掉细胞核。角膜基质富含胶原角膜上皮细胞在终末分化过程中不会丢掉细胞核。角膜基质富含胶原和其他细胞外基质蛋白，在甲状腺素的作用下，基质脱水而变得透明，和其他细胞外基质蛋白，在甲状腺素的作用下，基质脱水而变得透明，形成角膜。形成角膜。 在小鼠中，角膜间充质细胞将分化为角膜细胞（在小鼠中，角膜间充质细胞将分化为角膜细胞（keratocytes）而）而不终末分化为角膜基质不终末分化为角膜基质 五、角膜的发育五、角膜的发育六、虹膜和睫状体的形成六、虹膜和睫状体的形成 视杯的外层细胞产生色素，形成视网膜的色素层，而

36、内视杯的外层细胞产生色素，形成视网膜的色素层，而内层细胞则分化形成神经视网膜（参见本章第二节）。层细胞则分化形成神经视网膜（参见本章第二节）。 视杯边缘与晶状体泡相邻的细胞则形成虹膜和睫状体视杯边缘与晶状体泡相邻的细胞则形成虹膜和睫状体（见图（见图15. 1）。在小鼠中，虹膜的发育开始于胚胎发育的）。在小鼠中，虹膜的发育开始于胚胎发育的末期（交配后第末期（交配后第17天）。天）。 视杯的外缘向外扩展，形成虹膜，同时眼部间充质细胞视杯的外缘向外扩展，形成虹膜，同时眼部间充质细胞沿虹膜上皮层迁移，并分化为虹膜基质。虹膜上皮与基质沿虹膜上皮层迁移，并分化为虹膜基质。虹膜上皮与基质之间形成肌肉，虹膜基

37、部的细胞进一步分化形成睫状体。之间形成肌肉，虹膜基部的细胞进一步分化形成睫状体。晶状体的存在对于虹膜的发育是必需的。晶状体的存在对于虹膜的发育是必需的。 BMP和和Wnt信号在这一过程中具有重要作用。信号在这一过程中具有重要作用。 第二节第二节 视网膜和视神经的发育视网膜和视神经的发育一、视网膜色素上皮的分化一、视网膜色素上皮的分化 视杯有两层细胞构成，外层细胞最终分化为视网膜色素上皮视杯有两层细胞构成，外层细胞最终分化为视网膜色素上皮（retinal pigmented epithelium，RPE），产生色素（图），产生色素（图15.4）。）。 眼周围的间充质细胞对眼周围的间充质细胞对RP

38、E的形成具有重要作用，在斑马鱼中，间的形成具有重要作用，在斑马鱼中，间充质细胞产生的活性素充质细胞产生的活性素A（activin A）参与调节）参与调节RPE的发育。相反的，的发育。相反的，在鸡胚中，由表面外胚层细胞产生的在鸡胚中，由表面外胚层细胞产生的FGF信号则抑制信号则抑制RPE的发生。的发生。 在小鼠中，在预定在小鼠中，在预定RPE中过表达中过表达FGF9也会抑制也会抑制RPE的发育而形成的发育而形成第二个神经视网膜。相反的，第二个神经视网膜。相反的，FGF9敲除小鼠中敲除小鼠中RPE会过度发育而侵会过度发育而侵人神经视网膜层。人神经视网膜层。 转录因子转录因子Mitf , Otx 1

39、 /Otx2和和Pax6参与参与RPE的发育。其中的发育。其中Mitf属于螺旋属于螺旋-环环-螺旋家族，它直接调控参与黑色素合成的酪氨酸酶、螺旋家族，它直接调控参与黑色素合成的酪氨酸酶、酪氨酸酶相关蛋白酪氨酸酶相关蛋白Trp 1和和Trp2的表达。的表达。Mitf的突变会导致视网膜色的突变会导致视网膜色素上皮发育缺陷。素上皮发育缺陷。 二、神经视网膜的分化二、神经视网膜的分化 视杯内层细胞形成神经视网膜。视网膜前体细胞增殖并逐渐分化为视杯内层细胞形成神经视网膜。视网膜前体细胞增殖并逐渐分化为6种神经元，即：视网膜神经节细胞（种神经元，即：视网膜神经节细胞（retinal ganglion ce

40、lls，RGCs )、无长突细胞（、无长突细胞（amacrine cell)、水平细胞（、水平细胞（horizontal cell)、双极细胞（、双极细胞（bipolar cell)及感光的视锥及感光的视锥( cone)和视杆和视杆( rod)细胞。而细胞。而Mller细胞则属于胶质细胞。细胞则属于胶质细胞。 神经视网膜主要可分为神经视网膜主要可分为3个细胞层（图个细胞层（图15.4）：神经节细胞层）：神经节细胞层（ganglion cell layer，GCL），主要包含神经节细胞；内核层），主要包含神经节细胞；内核层（inner nuclear layer, INL)，包含双极细胞、水平细

41、胞、无长突，包含双极细胞、水平细胞、无长突细胞和细胞和Muller胶质细胞；外核层（胶质细胞；外核层（outer nuclear layer, ONL)，包含感光细胞（视锥和视杆细胞）。包含感光细胞（视锥和视杆细胞）。 在小鼠中，视网膜前体细胞按一定的时间次序分化为神经细胞和胶在小鼠中，视网膜前体细胞按一定的时间次序分化为神经细胞和胶质细胞。首先形成的是神经节细胞，之后是无长突细胞、视锥细胞和质细胞。首先形成的是神经节细胞，之后是无长突细胞、视锥细胞和水平细胞，而双极细胞和视杆细胞形成较晚。水平细胞，而双极细胞和视杆细胞形成较晚。 转录因子转录因子Hes1和和Hes5参与调控视网膜前体细胞的增

42、参与调控视网膜前体细胞的增殖，它们都是殖，它们都是Notch信号通路的靶基因。在信号通路的靶基因。在Hes1突变胚突变胚胎中，视网膜细胞增殖严重不足；在胎中，视网膜细胞增殖严重不足；在Hes5突变小鼠中，突变小鼠中，胶质细胞的数目会减少约胶质细胞的数目会减少约1/3。转录因子。转录因子Chx10负责抑负责抑制制Mitf在神经视网膜中的表达，维持其神经属性。在神经视网膜中的表达，维持其神经属性。Chx10突变在人和小鼠中都会导致眼严重缺陷而致盲。突变在人和小鼠中都会导致眼严重缺陷而致盲。 Math5是神经节细胞分化所必需的，它是是神经节细胞分化所必需的，它是Pax6的下游的下游靶基因。靶基因。M

43、ath5突变时神经节细胞基本不能形成。突变时神经节细胞基本不能形成。 无长突细胞分为无长突细胞分为-氨基丁酸能（氨基丁酸能（GABAergic）和甘氨）和甘氨酸能（酸能（GABAergic )细胞。有实验表明细胞。有实验表明Barh12参与调参与调控甘氨酸能无长突细胞的形成，而控甘氨酸能无长突细胞的形成，而Bhlhb5参与参与-氨基丁氨基丁酸能无长突细胞的形成。水平细胞与无长突细胞共用部分酸能无长突细胞的形成。水平细胞与无长突细胞共用部分调控因子。如敲除调控因子。如敲除foxn4或或ptfl a时，水平细胞完全消失，时，水平细胞完全消失，无长突细胞减少。无长突细胞减少。 水平细胞的形成还需要水

44、平细胞的形成还需要prox1。Mash1和和math3是双是双极细胞分化所必需的，在极细胞分化所必需的，在math1 /math3双突变小鼠中，双突变小鼠中，双极细胞完全消失。双极细胞完全消失。 感光细胞的分化依赖于转录因子感光细胞的分化依赖于转录因子Otx2和和Crx的调控，其的调控，其中任一基因突变都会导致感光细胞转化为无长突细胞。感中任一基因突变都会导致感光细胞转化为无长突细胞。感光细胞在默认状态下会分化为视锥细胞，在光细胞在默认状态下会分化为视锥细胞，在Nr1表达时则表达时则会分化为视杆细胞。敲除会分化为视杆细胞。敲除nr1会导致视杆细胞缺失。视网膜会导致视杆细胞缺失。视网膜的分化是一

45、个复杂的过程，这一过程的基因突变很多会导的分化是一个复杂的过程，这一过程的基因突变很多会导致视网膜病变。致视网膜病变。 三、视神经的发育三、视神经的发育 视杯与间脑通过视柄相连。视网膜神经节细胞的轴突由眼的基部向视杯与间脑通过视柄相连。视网膜神经节细胞的轴突由眼的基部向视柄部位生长，在视网膜后方中心处聚合成一束，进而穿过视网膜进视柄部位生长，在视网膜后方中心处聚合成一束，进而穿过视网膜进人视柄，形成视神经（图人视柄，形成视神经（图20.6）。）。 视网膜上神经节轴突会聚的位置称为视神经盘（视网膜上神经节轴突会聚的位置称为视神经盘（optic disc）。）。视神经盘是视神经的起始部位，在这个位置上没有感光细胞，落于该视神经盘是视神经的起