发育生物学第九章 胚胎细胞的相互作用-诱导作用课件

第十章胚胎细胞相互作用

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胚胎诱导胚胎诱导（embryonicinduction)：诱导者和反应者：在动物胚胎发育过程中存在大量的和连续的诱导作用HansSpemann及晶状体移植实验

第一节初级胚胎诱导一、组织者的发现（1921-1924）组织者：能够诱导外胚层形成神经系统，并能和其他组织一起调整成为中轴器官的胚孔背唇部分。二、初级胚胎诱导各阶段细胞间相互作用初级胚胎诱导=神经诱导（neuralinduction）初级胚胎诱导的三个阶段（爪蟾为例）（一）中胚层的形成和分区(卵裂期)（二）神经诱导--脊索诱导背部外胚层形成神经外胚层并进一步分化（三）中枢神经系统的区域化实验：单独培养；组合培养组合培养结果：

预定外胚层细胞在植物极内胚层细胞释放因子的诱导下分化为中胚层中胚层诱导模式：----最背部的植物极细胞（Nieuwkoop中心）诱导背部的中胚层（体节、脊索和组织者）----腹部和侧部的植物极细胞（靠近精子入卵一侧）诱导腹部（间充质和血液）和中间（肌肉和肾脏）的中胚层形成中胚层由其下方的植物极内胚层细胞诱导形成（一）中胚层的形成和分区Figure10.21.SummaryofexperimentsbyNieuwkoopandbyNakamuraandTakasaki(1970),showingmesodermalinductionbyvegetalendoderm.(A)Isolatedanimalcapcellsbecomeamassofciliatedepidermis,isolatedvegetalcellsgenerategutliketissue,andisolatedequatorial(marginalzone)cellsbecomemesoderm.(B)Ifanimalcapcellsarecombinedwithvegetalcapcells,manyoftheanimalcellsgeneratemesodermaltissue.(C)ModelformesoderminductioninXenopus.Aventralsignal(probablyFGF2orBMP4)isreleasedthroughoutthevegetalregionoftheembryo.Thisinducesthemarginalcellstobecomemesoderm.Onthedorsalside(awayfromthepointofspermentry),asignalisreleasedbythevegetalcellsoftheNieuwkoopcenter.ThisdorsalsignalinducestheformationoftheSpemannorganizerintheoverlyingmarginalzonecells.Thepossibleidentityofthissignalwillbediscussedlaterinthischapter.(CafterDeRobertisetal.1992.)

Nieuwkoop中心：囊胚最背部的植物极细胞，含有背部化决定子，可诱导组织者产生。Figure10.22.Theregionalspecificityofmesoderminductioncanbedemonstratedbyrecombiningcellsof32-cellXenopusembryos.Animalpolecellswerelabeledwithfluorescentpolymerssothattheirdescendantscouldbeidentified,thencombinedwithindividualvegetalblastomeres.Theinductionsresultingfromtheserecombinationsaresummarizedattheright.D1,thedorsalmostvegetalblastomere,wasthemostlikelytoinducetheanimalpolecellstoformdorsalmesoderm.(AfterDaleandSlack1987.)

Figure10.23.TheroleofWntpathwayproteinsindorsal-ventralaxisspecification.(A-D)Differentialtranslocationofβ-cateninintoXenopusblastomerenuclei.(A)Early2-cellstageofXenopus,showingβ-catenin(orange)predominantlyatthedorsalsurface.(B)PresumptivedorsalsideofaXenopusblastulastainedforβ-cateninshowsnuclearlocalization.(C)Suchnuclearlocalizationisnotseenontheventralsideofthesameembryo.(D)β-catenindorsallocalizationpersiststhroughthegastrulastage.(E)Dorsalaxisformationcausedbytheinjectionofbothblastomeresofa2-cellXenopusembryowithdominantinactiveGSK-3.Dorsalfateisactivelysuppressedbywild-typeGSK-3.(F)IrenicmodelwherebytheNieuwkoopcenter(characterizedbysiamoisgeneexpressionandtheabilitytoinducedorsalmesoderm)iscreatedbythesynergyoftheactivationofβ-catenindorsallyandtheactivationoftheTGF-βsignalvegetally.爪蟾背腹轴特化中Wnt途径蛋白的作用A-D:β-catenin在卵裂球细胞核中的不同定位。A：2细胞期β-catenin（orange）主要在背部表面。B：囊胚预定的背面β-catenin染色显示核定位。C：核定位不在同一个胚胎的腹面。D：β-catenin的背部定位持续到原肠期。E：2细胞期的每个分裂球都注射无活性的GSK-3引起背轴形成。F：NieuwkoopCenter通过背部β-catenin的激活和腹部TGF-β的激活的协调作用产生的模型。

CorticalrotationcausesthetranslocationofDisheveledproteintothedorsalsideoftheembryo.DshbindsGSK-3,therebyallowingβ-catenintoaccumulateinthefuturedorsalportionoftheembryo.Duringcleavage,β-cateninentersthenucleiandbindswithTcf3toformatranscriptionfactorthatactivatesgenesencodingproteinssuchasSiamois.SiamoisandLim-1,atranscriptionfactoractivatedbytheTGF-βpathway,functiontogethertoactivatethegoosecoidgeneintheorganizer.

Goosecoidisatranscriptionfactorthatcanactivategeneswhoseproteinsareresponsiblefortheorganizer‘sactivities.组织者的形成Lim-1Figure10.25.Summaryofeventshypothesizedtobringabouttheinductionoftheorganizerinthedorsalmesoderm.

NieuwkoopCenter的marker外胚层受其下方密切接触的原肠顶的诱导形成神经板，继而形成神经管的过程称为神经诱导（即Spemman所称的“初级诱导”）。（二）神经诱导神经诱导的非特异性大量的物质，如松节油、美蓝染料、甲醛、死的原肠和一些成体组织都能诱导出神经板。2.神经诱导的机制

第一套信号--使背部外胚层倾向于变为神经板：8细胞期的爪蟾神经外胚层缺少Epi-1,为腹部的动物极细胞所特有。第二套信号—来自側唇及脊索中胚层：Figure10.35.Xwnt8iscapableofventralizingthemesodermandpreventinganteriorheadformationintheectoderm.(A)Frzbisaproteinsecretedbytheanteriorregionoftheorganizer.ItbindstoXwnt8beforethatinducercanbindtoitsreceptor.FrzbresemblestheWnt-bindingdomainoftheWntreceptor(Frizzledprotein),butisasolublemolecule.(B)Xwnt8ismadethroughoutthemarginalzone.Figure10.36.Frzbexpressionandfunction.(A)Doubleinsituhybridizationlocalizingfrzb(darkblue)andchordin(brown)messages.

frzb

mRNAcanbeseentobetranscribedintheheadendomesodermoftheorganizer,butnotinthenotochord(wherechordinisexpressed).(B)MicroinjectionoffrzbmRNAintothemarginalzoneleadstotheinhibitionoftrunkformation.(FromLeynsetal.1997;photographscourtesyofE.M.DeRobertis.)Figure10.37.Hypotheticalpathwaysdifferentiatingectodermintoepidermisorneuralectoderm.InthepresenceofBMPsignaling,epidermalizingtranscriptionfactorsaregenerated,leadingtotheactivationofthepathwayenablingthecelltobecomeanepidermalkeratinocyte.IntheabsenceofBMPsignaling,neuralizingtranscriptionfactorsareproduced.Thesefactorsactivatethegeneforneurogenin.NeurogeninactsasatranscriptionfactortoactivatetheNeuroDgene,andNeuroDactsasatranscriptionfactortocausethedifferentiationofthecellintoaneuron.

（三）诱导的区域特异性（不同的发育时期和部位，产生的诱导不同）实验1：早期原肠胚的背唇诱导脑和头的形成，晚期的背唇诱导其上面细胞成为脊髓和尾实验2：Mangold,原肠顶壁切成四段，分别移植到早期原肠胚的囊胚腔内具有平衡器的头具有平衡器、眼和前脑的头具有后脑和听囊的头后端部分具有躯干-尾部分节Figure10.39.Regionalspecificityofinduction第二节反应组织定义：组织对一种特定刺激以一种特异方式产生反应的能力它本身是一种分化的表型，从空间和时间上区别细胞现象：背唇移植入另一原肠胚的任何部位均可诱导外胚层形成神经板和胚轴背唇移植入另一神经胚预定表皮下时，将不再有神经胚的形成结论：感受性总是和特殊的刺激及相应的反应有关反应者必须具有感受性才能对诱导者或组织者的刺激产生反应一、感受性competence（反应能力）感受性的分级、分类初级感受性（primarycompetence）：指尚未决定的外胚层所具有的感受性次级感受性（secondarycompetence）：指已决定了的组织对刺激的感受性对不同诱导刺激：神经感受性（neuralcompetence）：对神经化的反应能力中胚层感受性（mesodermalcompetence）：对中胚层化的反应能力感受性的时间模式

神经感受性的丧失都是在神经胚开始以前，即在晚期原肠胚时期胚孔关闭时消失；因此认为随着发育的进展，神经感受性逐渐减弱。感受性的区域模式

早期原肠胚的预定外胚层在初级感受性上不表现区域特异性，但随着发育，不同区域的表皮外胚层表现出不同感受性（晶状体、平衡器和听囊等）感受性的种间差异不同种外胚层的感受性存在差异，无尾和有尾类对杀死的诱导者的感受性不同，前者无感受性遗传因子（右图）Figure6.8Geneticspecificityofinduction.Reciprocaltransplantationbetweenthepresumptiveoralectodermregionsofsalamanderandfroggastrulaeleadstonewtswithtadpolesuckersandtadpoleswithnewtbalancers.（二）感受性的特性1、自动神经化定义：在没有诱导组织或不具诱导活性的化学物质存在的情况下，外胚层外植块出现神经化的现象机制：可能是从受损伤细胞释放活性因子对存活细胞产生诱导作用的结果2、自动中胚层化实验：锂处理外胚层→中胚层结构（肌肉、前肾、血细胞等）机制：可能外胚层中存在一种弱的中胚层化倾向，正常下神经化抑制了中胚层化，Li抑制了神经化，中胚层化便表现出来

二自动神经化和自动中胚层化2、影响异源诱导者作用的因素年龄：同一组织在不同发育时期的诱导能力不同。鸡视网膜（胚胎期、刚孵化时期）饥饿：饥饿3天的豚鼠肝组织，对前脑异源诱导者的作用加强；对中、后脑和躯干部降低其他因子：组织恶化、射线等第四节次级诱导和三级诱导次级诱导：通过一种组织与另一种组织的相互作用，特异地指定它的命运三级诱导：次级诱导的产物又可作为诱导者，通过与相邻组织的相互作用进行诱导初级诱导：神经诱导但尚不能构筑整个胚胎，同时神经管、背部中胚层和咽内胚层及其他组织为大量的诱导事件创造了条件。Figure6.1EctodermalcompetenceandtheabilitytorespondtotheopticvesicleinducerinXenopus.(1)Theopticvesicleisabletoinducelensesintheanteriorportionoftheectoderm,butnotinthepresumptivetrunkandabdomen(2).Iftheopticvesicleisremoved(3),thesurfaceectodermformseitheranabnormallensornolensatall.(4)Mostothertissuesarenotabletosubstitutefortheopticvesicle.Figure6.2InductionofopticandnasalstructuresbyPax6intheratembryo.(A,B)Histologyofwild-type(A)andhomozygousPax6mutant(B)embryosatday12ofgestationshowsinductionoflensesandretinaldevelopmentinthewild-typeembryo,butneitherlensnorretinainthemutant.Similarly,neitherthenasalpitnorthemedialnasalprominenceisinducedinthemutantrats.(C)Newbornwild-typeratsshowprominentnoseaswellas(closed)eyes.(D)NewbornPax6mutantratsshowneithereyesnornose.(FromFujiwaraetal.1994;photographscourtesyofM.Fujiwara.)大鼠胚胎Pax6诱导眼和鼻结构野生型Pax6纯合突变Figure6.6(A)Feathertractsonthedorsumofaday9chickembryo.Notethateachfeatherprimordium（原基）islocatedbetweentheprimordiaofadjacentrows.(B)Insituhybridizationofaday10chickembryoshowsSonichedgehogexpression(darkspots)intheectodermofthedevelopingfeathersandscales.(AcourtesyofP.Sengal;BcourtesyofW.-S.KimandJ.F.Fallon.)第五节邻近组织的相互作用

（proximatetissueinteraction）据性质划分容许的相互作用（permissiveinteraction）：反应组织含有所有要表达的潜能，只需要环境，但环境不能改变它的发育方向。许多组织需要含纤连蛋白（fibronectin）和层粘连蛋白（laminin）基质指令的相互作用（instructiveinteraction）：反应组织的发育潜能不稳定，其发育方向和过程取决于接受的诱导刺激类型。例如脊索诱导神经管底板细胞的形成。上皮细胞(epithelialcells)：细胞与细胞间紧密连接成管状或片层状结构，局部或整个结构一起运动。间质细胞(mesenchymalcells):细胞与细胞间松散相连，每个细胞为一个行动单元。一上皮和间质的相互作用---器官原基形成时的相互作用

器官上皮成分间质成分皮肤的结构（毛发、羽、汗腺、乳腺）表皮（外胚层）真皮（中胚层）附肢表皮（外胚层）间质（中胚层）消化管器官（肝、胰、唾液腺）上皮（内胚层）间质（中胚层）咽部及呼吸相关的器官（肺、胸腺、甲状腺）上皮（内胚层）间质（中胚层）肾输尿管芽上皮（中胚层）间质（中胚层）牙齿颌上皮（外胚层）间质（神经嵴）皮肤的胚层组成及衍生物：组成---外胚层的表皮和中胚层的真皮；衍生物---毛发、指甲、羽毛、鳞片等。不同种类的皮肤不同；同一动物不同部位的皮肤也不同。（一）间质指令表皮的分化（皮肤形成的诱导作用）鸡：实验1

将鸡胚不同部位的表皮和不同部位的间质分离后，再按不同方式组合结论：同一类型的外胚层根据中胚层所取的区域发育。即间质对表皮的分化具指令性作用；外胚层具有分化成羽毛、鳞片或其他皮肤衍生物的潜能Figure6.7Regionalspecificityofinduction.Whencellsfromdifferentregionsofthedermis(mesenchyme)arerecombinedwiththeepidermis(epithelium)inthechick,thetypeofcutaneousstructuremadebytheepidermalepitheliumisdeterminedbytheoriginalsourceofthemesenchyme.(AfterSaunders1980.)实验2：现象1：将鸡胚预定形成角膜的外胚层分离出来，与鸡胚皮肤的中胚层结合，外胚层分化出鸡皮肤典型的羽毛芽基。现象2：将上述角膜与小鼠皮肤的中胚层结合，羽毛的芽基也出现。结论：间质发出的指令能穿越种的屏障，但上皮的反应是该种特异的。

器官类型的特异性（羽毛和鳞片）通常是由该种的间质控制的，而种的特异性通常又是被反应的上皮控制的。实验3：现象：将5d鸡胚颌区的表皮与16-18d的小鼠胚胎臼齿的间质组合，待两组织细胞粘连在一起后，将其放入小鼠眼房中培养，结果产生了不同于哺乳类的牙齿结论：表皮的分化依赖于异源的间质鸡的咽弓细胞不形成牙齿已近约10亿年了，它们仍然保持了这种遗传的潜能，在合适的诱导者的作用下起反应形成齿。间质指令上皮的区域性分化在消化道、呼吸系统发育期间是非常重要的。内胚层卷折形成的消化管由于不同部位的间质细胞不同，导致其有了食道、胃、肠等不同区段分化上的不同预定肺上皮由于遇到不同的间质而导致分化上的不同（二）间质指令上皮的分化二、间质和腺上皮的相互作用（一）、唾液腺（salivarygland）：包括腮腺、下颌下腺、舌下腺下颌下腺位置：舌两侧原基：一对杯状上皮芽；形成过程：上皮芽沿舌两侧向下生长进入结缔组织层，芽体不久被聚集而来的间质细胞所包围，形成结缔组织鞘腺原基的上皮部分开始分支，在每个分支的末端形成结节状增厚，生成叶叶重复分支→分泌小球→管道系统体外实验腺上皮与间质分别培养，均能分裂，但不进行正常的形态发生。将两种组织靠近培养，可形成分泌腺泡。唾液腺间质+小鼠唾液腺上皮+肺间质（一侧，一侧）

进行唾液腺状的分支不分支结论1：只有同源间质才能使唾液腺上皮芽按唾液腺特有的类型进行分支小鼠唾液腺间质+小鼠乳腺上皮→乳腺上皮按唾液腺的结节状分支。结论2：唾液腺间质对于唾液腺的形态发生具关键和独特的促进作用，属指令性相互作用。实验：小鼠下颌下腺上皮+肺间质（大量）→上皮分支→腺泡结论：1）唾液腺间质能特异地引起上皮分支2）唾液腺上皮必须接受足够量间质的刺激才能表达其分支的能力

（二）、肾羊膜动物：输尿管芽和后肾间质相互作用形成后肾实验：单独培养，输尿管芽在缺少间质时不分支；生后肾间质在缺少输尿管芽时不浓缩形成肾管一起培养，正常分化结论：输尿管芽的分支只有在生后肾间质的指令性相互作用下才能进行。说明其早已决定，但要表现其决定，必须有其他组织的相互作用输尿管芽生后肾间质集合管三、间质和上皮相互作用的机制（一）贴近的诱导作用1、细胞与细胞的接触输尿管诱导肾小管依赖于它们细胞的紧密接触。另有牙齿和下颌下腺。微孔滤膜实验：输尿管间质→肾小管微孔滤膜诱导者的小突起穿过滤膜与间质接触2、细胞与基质的接触角膜上皮细胞的分化（受晶状体囊的细胞外基质诱导）实验：即使晶状体囊细胞死亡，只要胶原存在，胶原仍可诱导角膜合成基质。表明：角膜上皮细胞的表面从富含胶原的晶状体囊接受了一些指令3、可溶性信号的扩散脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经管（加入滤膜未见接触，诱导照常发生）实验：胰间质中的一种糖蛋白，可诱导胰上皮的分化。有间质因子结合的树脂未包含间质因子的树脂↓↓上皮细胞合成DNA，不产生分泌颗粒并产生具有已分化胰上皮细胞特点的分泌颗粒胰上皮碎片（二）分支形成的机制间质可能通过引起上皮管状分支与它相互作用现有人认为：间质通过劈开小叶和有选择的消化掉部分上皮组织的基板引起裂隙和分支的形成机制：可能由胶原控制。间质细胞产生的型胶原纤维只聚集在小叶的裂隙中；间质细胞通过它们的牵引与胶原纤维连接形成切入小叶上皮的嵴，从而形成裂隙间质的胶原控制上皮裂隙的形成Ⅲ第六节单细胞水平的诱导作用胚胎诱导：诱导细胞和反应细胞间相互作用引起反应细胞发育途径变化。没有诱导作用，反应细胞将发育为一种细胞；在诱导作用下它们将变为另一种。通常的研究只涉及组织，现代发育遗传学的研究证明诱导作用实际发生于细胞细胞的水平。一、果蝇视网膜的sevenless和brideofsevenless（boss）基因1、小眼细胞出现的次序和命运果蝇复眼（800小眼），20cells/小眼（8个感光细胞，R1-8；其他细胞围绕在感光细胞周围形成晶状体细胞）Figure6.17.DifferentiationofphotoreceptorsintheDrosophilacompoundeye.Themorphogeneticfurrow(arrow)crossesthediscfromposterior(left)toanterior(right).(A)Confocalmicrographofatriple-labeledlatelarvaleye/antennalimaginaldisc,showinghairyexpressioningreenahead