1、 第四第四-五章五章 原肠作用原肠作用及脊椎动物的早期发育及脊椎动物的早期发育 温州大学生命与环境科学学院温州大学生命与环境科学学院 It is not birth,marriage,or death,but gastrulation,which is truly the most important time in your life.Lewis Wolpert(1986)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
2、胚细胞彼此之间的囊胚细胞彼此之间的位置位置发生变动，重新发生变动，重新占有新的位置，并形成由三胚层细胞构成占有新的位置，并形成由三胚层细胞构成的胚胎结构。的胚胎结构。通过原肠作用，通过原肠作用，胚胎首先建立起三个胚胎首先建立起三个胚层胚层，即外胚层、中胚层和内胚层；其次，即外胚层、中胚层和内胚层；其次为重新占有新位置的胚胎细胞之间的相互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作用奠定了基础。因此，原肠作用是从尚。因此，原肠作用是从尚未分化到分化为三个胚层和器官原基决定未分化到分化为三个胚层和器官原基决定的关键时期。的关键时期。原肠胚一部分细胞的移动必然和同时原肠胚一部分细胞的移动必然
3、和同时发生的其他细胞的运动紧密配合，因此发生的其他细胞的运动紧密配合，因此原原肠作用过程中的细胞运动涉及整个胚胎肠作用过程中的细胞运动涉及整个胚胎。动物身体的主轴动物身体的主轴（包括前后轴、背腹轴和（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。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。如如:果蝇体轴的特化自卵细胞形成时就已经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
4、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轴物的体轴 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，但总体可概括为但总体可概括为五种细胞运动机制，即外五种细胞运动机制，即外包（包（epiboly）、内陷（）、内陷（invagination）、内）、内卷（卷（involution）、内移（）、内移（ingression）和分）和分层（层（delamination）。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。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 本章授课内容 第一节
5、第一节 海胆的原肠作用海胆的原肠作用 第二节第二节 鱼类的原肠作用鱼类的原肠作用及形态发生及形态发生 第三节第三节 两栖类两栖类的原肠作用的原肠作用及形态发生及形态发生 第四节第四节 鸟类的原肠作用鸟类的原肠作用及形态发生及形态发生 第五节第五节 哺乳类的原肠作用哺乳类的原肠作用及形态发生及形态发生 第六节第六节 胚层分化概述胚层分化概述 第一节第一节 海胆的原肠作用海胆的原肠作用 海胆的晚期囊胚由海胆的晚期囊胚由1000个左右个左右单层细单层细胞胞构成。这些细胞的细胞质分别来自构成。这些细胞的细胞质分别来自受精卵的不同区域，细胞表现出不同受精卵的不同区域，细胞表现出不同的大小和特性。的大小和
6、特性。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）海胆的囊胚海胆的囊胚 A，细胞持续的分裂形成一个，细胞持续的分裂形成一个囊胚囊胚；B，快速分裂的末期，圆形的胚胎细胞形成一层快速分裂的末期，圆形的胚胎细胞形成一层上皮上皮，受，受精膜依然可见；精膜依然可见；C，植物基板变厚植物基板变厚，动物极细胞分泌，动物极细胞分泌孵化酶，使胚胎从受精膜中孵化酶，使胚胎从受精膜中孵化孵化出来。出来。海胆胚胎的早期囊胚，植物极细胞开始加厚。原肠作用前原肠作用前的海胆晚期的海胆晚期囊胚，植物囊胚，植物极变扁平。极变扁平。一、初级间质细一、初级间质细胞的内移胞的内移 植物极板中央来植物极板
7、中央来源于源于小分裂球小分裂球的细的细胞不断伸出胞不断伸出线状伪线状伪足足filopdia，然后收，然后收缩，脱离表面单层缩，脱离表面单层细胞，进入囊胚腔，细胞，进入囊胚腔，称为称为初级间质细胞初级间质细胞（primary mesenchyme cell）。海胆早期原肠海胆早期原肠胚内初级间质细胞胚内初级间质细胞沿囊胚腔内表面运沿囊胚腔内表面运动，主动伸出伪足动，主动伸出伪足与囊胚腔壁连接，与囊胚腔壁连接，占据囊胚腔预定腹占据囊胚腔预定腹侧面，并形成稳固侧面，并形成稳固联系。初级间质细联系。初级间质细胞融合形成胞融合形成索状合索状合胞体（胞体（syncytial cable），最终形成，最终形
8、成幼虫碳酸钙骨针的幼虫碳酸钙骨针的轴。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 初级间质细初级间质细胞在胞在Lytechinus variegatus早早期幼虫内的期幼虫内的定位。定位。细胞粘连作用的变化导致初级间质细胞的内移细胞粘连作用的变化导致初级间质细胞的内移。初级间质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。以
9、及相邻裂球之间的亲和力维持不变。初级间质细胞初级间质细胞内移的扫描电内移的扫描电镜照片镜照片 内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外片层物内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外片层物质包绕质包绕。沿动植物极轴分布的纤维决定了间质细。沿动植物极轴分布的纤维决定了间质细胞迁移的方向。胞迁移的方向。内移至囊胚腔的初级间质细胞内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外基质包绕。被大量胞外基质包绕。囊胚腔囊胚腔胞外基胞外基质纤维质纤维与动植与动植物极轴物极轴平行排平行排列，最列，最终与初终与初级间质级间质细胞发细胞发生联系。生联系。原肠作用过程中沿动植物极轴分布的纤维决原肠作用过程中沿动植物极轴分布的纤维决定了初
10、级间质细胞的迁移方向。定了初级间质细胞的迁移方向。初级间质初级间质细胞的线细胞的线状伪足状伪足 初级间质初级间质细胞选择细胞选择性地聚集性地聚集在在-catenin浓浓度高的位度高的位置。置。至少有三种蛋白可能在间质细胞的迁移过程中起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重要的作用，包括囊胚腔壁基质片层组分纤连蛋白（白（fibronectin）、间质细胞膜上的硫酸蛋白多）、间质细胞膜上的硫酸蛋白多糖（糖（sulfated proteoglycans）和囊胚腔细胞胞外基）和囊胚腔细胞胞外基质中只在原肠作用期表达的质中只在原肠作用期表达的ECM18。去
11、除硫酸基（去除硫酸基（sulfate deprivation）对海胆初级间质细胞运动的影响）对海胆初级间质细胞运动的影响 二、早期原肠内陷二、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。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深及囊胚腔的1/41/2时，内陷突然停止。所陷入的时，内陷突然停止。所陷入的部分称为原肠（部分称为原
12、肠（archenteron or primitive gut），而），而原肠在植物极的开口称为胚孔（原肠在植物极的开口称为胚孔（blastopore）。）。植物极植物极变扁平变扁平 初级原肠初级原肠内陷内陷 植物极内陷的双金属片模型植物极内陷的双金属片模型。植物极板细胞分泌硫酸软骨素。植物极板细胞分泌硫酸软骨素蛋白多糖（蛋白多糖（CSPG）到透明层内层中，）到透明层内层中，CSPG吸水膨胀，导吸水膨胀，导致透明层弯曲，相连的细胞层内陷。致透明层弯曲，相连的细胞层内陷。随着植物极板的内陷，初级间质细胞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。在植物极区域形成一细胞环。三、晚期原肠
13、内陷三、晚期原肠内陷 早期原肠内陷完成之后，经过短暂停歇，早期原肠内陷完成之后，经过短暂停歇，原肠大幅度拉长，原肠大幅度拉长，短粗的原肠变成又细又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形成，长的管状结构。在此期间没有新细胞形成，原肠的拉长过程是通过细胞重排实现的，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。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。海胆胚胎原肠伸长时期的细胞重排。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，穿过囊胚供的张力为
14、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。腔液，直达囊胚腔壁内表面。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。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次级间质细胞的线状伪足 当原肠最顶端接触到囊胚腔壁时，次级间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。次级间质细胞在质细胞分散进入囊胚腔。次级间质细胞
15、在囊胚腔中分裂，最终形成中胚层器官。囊胚腔中分裂，最终形成中胚层器官。囊胚腔壁接触到原肠的位置最终形成口，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。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。海胆的胚孔最终形成肛门。海胆原肠作海胆原肠作用的整个历用的整个历程。发育温程。发育温度为度为25度。度。海胆的长海胆的长腕幼虫腕幼虫 海胆正常的胚胎发育海胆正常的胚胎发育 第二节第二节 鱼类的原肠作用及形态发生鱼类的原肠作用及形态发生 一、中期囊胚转换和细胞运动性的获得一、中期囊胚转换和细胞运动性的获得 斑马鱼第十次卵裂期间，细胞分裂不再同步，新斑马鱼第十
16、次卵裂期间，细胞分裂不再同步，新的基因（合子基因）开始表达，且细胞获得运动的基因（合子基因）开始表达，且细胞获得运动性，这种现象称为性，这种现象称为中期囊胚转换中期囊胚转换（midblastula transition，MBT）。）。MBT似乎受染色质和细胞似乎受染色质和细胞质之间比例的控制。质之间比例的控制。受精后，斑马鱼合子开始不完全卵裂。卵裂最初只限制在胚胎的动受精后，斑马鱼合子开始不完全卵裂。卵裂最初只限制在胚胎的动物极，卵裂并未延伸到卵黄，导致在卵黄上形成一堆分裂球。前物极，卵裂并未延伸到卵黄，导致在卵黄上形成一堆分裂球。前5 5次卵裂为纵裂，第一次纬裂在受精后约次卵裂为纵裂，第一次纬裂在受精后约2 2小时产生了小时产生了6464细胞期。细胞期。斑马鱼斑马鱼的囊胚的囊胚 鱼类胚胎中最早的细胞运动时胚盘细胞沿卵黄四周下包。初始鱼类胚胎中最早的细胞运动时胚盘细胞沿卵黄四周下包。初始阶段，胚盘细胞内层细胞向外周迁移，插入表层细胞中。稍后，阶段，胚盘细胞内层细胞向外周迁移，插入表层细胞中。稍后，表层细胞沿卵黄表面下包，直到将卵黄全部包围起来。表层细胞沿卵黄表面下包，直到将卵黄全部包围
