1、复旦大学 上海海洋大学 原肠作用原肠作用 上海海洋大学 原肠作用(gastrulation)：是胚胎细胞剧烈的、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，囊胚细胞彼此间位置发生变动，重新占有新的位置，并形成由三胚层细胞构成的胚胎结构。通过原肠作用，胚胎首先建立起三个胚层(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间相互作用奠定基础。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的关键时期。上海海洋大学 主要细胞迁移类型 外包外包(epiboly):外皮层以整片细胞为单位，沿胚胎表面扩展，包外皮层以整片细胞为单位，沿胚胎表面扩展，包裹胚体的深层
2、细胞。裹胚体的深层细胞。内陷内陷(invagination):外层细胞成片同时向胚胎内部陷入，在胚外层细胞成片同时向胚胎内部陷入，在胚胎表面形成凹陷。胎表面形成凹陷。内卷内卷(involution):正在扩展的胚体表面细胞由外层向内卷入，覆正在扩展的胚体表面细胞由外层向内卷入，覆盖胚体的内表面。盖胚体的内表面。内移内移(ingression):表层的单个细胞自胚体的表面向内移入。表层的单个细胞自胚体的表面向内移入。分层分层(delamination):单一的细胞层分成两层或多个平行的细胞单一的细胞层分成两层或多个平行的细胞层。层。会聚伸展会聚伸展(convergent extension):指
3、细胞间相互插入，使所在指细胞间相互插入，使所在组织变窄、变薄，并推动组织朝一定方向移动组织变窄、变薄，并推动组织朝一定方向移动-向背部中轴线向背部中轴线迁移。迁移。上海海洋大学(1)外包(epiboly)：表皮层做为一个整体扩展，使胚胎的内层被覆盖.(2)内陷(invagination)：一部分细胞同时一起向里面陷进去，内陷进入的细胞层所围成的腔为原肠腔，向外的通道就是胚孔。上海海洋大学(3)内卷(involution)：指正在扩展的外层向内卷折，并沿外层细胞内表面扩展.(4)内移(ingression)：胚胎表面一小部分细胞以单个细胞向里面迁移的方式移入。它们可由植物极一极移入，也可在多处同
4、时向内迁移的多极移入。上海海洋大学(5)分层(delimination)：一个细胞层分离为近似平行的二或多层细胞的过程。(6)会聚延伸(convergent extension):指细胞间相互插入，使所在组织变窄、变薄，并推动组织一定方向移动。不同动物原肠作用方式不同 同一种动物原肠作用又常常包括几种不同的彼此协调一致的细胞运动方式 上海海洋大学 表皮细胞和间质细胞的概念 表皮细胞：细胞与细胞间紧密连接成管状或片层状结构表皮细胞：细胞与细胞间紧密连接成管状或片层状结构,局部局部 或整个结构一起动。或整个结构一起动。间质细胞间质细胞:细胞与细胞间松散相连，每个细胞为一个行动单元细胞与细胞间松散相
5、连，每个细胞为一个行动单元 外包的表皮细胞外包的表皮细胞 内移的间质细胞内移的间质细胞 上海海洋大学 胚层的分化胚层的分化 胚层分化就是指各胚层细胞不断分裂变化，形成胚层分化就是指各胚层细胞不断分裂变化，形成各种器官组织的发育过程。这是整个胚体发育由各种器官组织的发育过程。这是整个胚体发育由量变到质变的过程。在原肠形成之前，只是通过量变到质变的过程。在原肠形成之前，只是通过卵裂使其胚胎细胞的数量不断增加，纯属量变过卵裂使其胚胎细胞的数量不断增加，纯属量变过程。但从胚层形成之后，就出现了质变过程。表程。但从胚层形成之后，就出现了质变过程。表现在各个胚层细胞的分裂速度、分裂方向，以及现在各个胚层细
6、胞的分裂速度、分裂方向，以及分裂形成的各胚层细胞的形态等均发生了显著的分裂形成的各胚层细胞的形态等均发生了显著的变化，使各胚层之间出现了明显的差异。变化，使各胚层之间出现了明显的差异。上海海洋大学（一）外胚层的分化（一）外胚层的分化 在原肠形成过程中，外胚层始终保持在胚胎的外在原肠形成过程中，外胚层始终保持在胚胎的外表面，即与外界相接触的地方，对胚体起着重要表面，即与外界相接触的地方，对胚体起着重要的保护作用。在胚层分化过程中，外胚层经不断的保护作用。在胚层分化过程中，外胚层经不断分化，分别演变成整个胚体的皮肤表皮及其衍生分化，分别演变成整个胚体的皮肤表皮及其衍生物（如鳞片、皮肤腺等），神经组
7、织、感觉上皮物（如鳞片、皮肤腺等），神经组织、感觉上皮、口腔食管及泄殖孔上皮等。、口腔食管及泄殖孔上皮等。上海海洋大学（二）中胚层的分化（二）中胚层的分化 中胚层位于内外胚层之间，在胚层分化过程中，中胚层位于内外胚层之间，在胚层分化过程中，中胚层可分化演变成皮肤的真皮、肌组织、结缔中胚层可分化演变成皮肤的真皮、肌组织、结缔组织、血管及淋巴管的内皮、体腔浆膜表面的间组织、血管及淋巴管的内皮、体腔浆膜表面的间皮，泌尿生殖器官的上皮等。总之除神经系统、皮，泌尿生殖器官的上皮等。总之除神经系统、消化器官和呼吸器官有粘膜上皮外，其余所有内消化器官和呼吸器官有粘膜上皮外，其余所有内脏器官都由中胚层分化演变
8、而来。脏器官都由中胚层分化演变而来。上海海洋大学（三）内胚层（三）内胚层 内胚层主要分化演变形成消化器官和呼吸内胚层主要分化演变形成消化器官和呼吸器官的粘膜上皮。器官的粘膜上皮。上海海洋大学 上述三个胚层分化并非孤立进行，而是互相联系上述三个胚层分化并非孤立进行，而是互相联系，共同完成某一器官的形成，任何一个器官的形，共同完成某一器官的形成，任何一个器官的形成必须两个以上的胚层同时参入，任何一个胚层成必须两个以上的胚层同时参入，任何一个胚层均不能单独完成某一器官的形成。如心脏：其内均不能单独完成某一器官的形成。如心脏：其内膜、肌层和外膜层均由中胚层分化形成，但其中膜、肌层和外膜层均由中胚层分化
9、形成，但其中神经则由外胚层分化形成。又如消化管：其粘膜神经则由外胚层分化形成。又如消化管：其粘膜上皮由内胚层分化形成，粘膜固有层、粘膜下层上皮由内胚层分化形成，粘膜固有层、粘膜下层、肌层、外膜层等均由中胚层分化形成，管壁内、肌层、外膜层等均由中胚层分化形成，管壁内的神经组织则由外胚层分化形成。的神经组织则由外胚层分化形成。上海海洋大学 第二节第二节 海胆的原肠作用海胆的原肠作用 上海海洋大学 14 海胆海胆晚期囊胚晚期囊胚由由1000个左右单层细胞构成。这些细胞的个左右单层细胞构成。这些细胞的细胞质细胞质分别来自受精卵的不同区域，细胞表现出不同的分别来自受精卵的不同区域，细胞表现出不同的大小大
10、小和和特性特性。海胆的早期卵裂海胆的早期卵裂 上海海洋大学 海胆胚胎第四次卵裂时形成的小分裂球海胆胚胎第四次卵裂时形成的小分裂球(micromere)上海海洋大学 海胆的囊胚海胆的囊胚(A)细胞持续分裂形成一个细胞持续分裂形成一个囊胚囊胚。(B)快速分裂末期，圆形的胚胎细胞形成一层快速分裂末期，圆形的胚胎细胞形成一层上皮上皮，受精膜受精膜依然可见。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孵化出来。出来。上海海洋大学 海胆胚胎的早期囊胚海胆胚胎的早期囊胚 植物极细胞开始加厚。植物极细胞开始加厚。上海海洋大学 原肠
11、作用前的海胆晚期囊胚原肠作用前的海胆晚期囊胚 植物极变得扁平。植物极变得扁平。上海海洋大学 初级间质细胞的内移初级间质细胞的内移 植物极板中央来源于植物极板中央来源于小分裂球小分裂球的细胞不断伸出和收缩线的细胞不断伸出和收缩线状状伪足伪足(filopdia)，脱离表面单层细胞，进入囊胚腔，称，脱离表面单层细胞，进入囊胚腔，称为为初级间质细胞初级间质细胞(primary mesenchyme cell)。上海海洋大学 海胆早期原肠胚内，海胆早期原肠胚内，初级间质细胞初级间质细胞沿囊胚腔内表面运动沿囊胚腔内表面运动，主动伸出伪足与囊胚腔壁连接，占据囊胚腔预定腹侧，主动伸出伪足与囊胚腔壁连接，占据囊
12、胚腔预定腹侧面，并形成稳固联系。初级间质细胞融合形成面，并形成稳固联系。初级间质细胞融合形成索状合胞索状合胞体体(syncytial cable)，最终形成幼虫碳酸钙，最终形成幼虫碳酸钙骨针骨针的的轴轴。上海海洋大学 索状合胞体扫描电镜照片索状合胞体扫描电镜照片 上海海洋大学 初级间质细胞在初级间质细胞在Lytechinus variegatus早期幼虫内的定位。早期幼虫内的定位。上海海洋大学 细胞粘连作用的变化导致初级间质内移细胞粘连作用的变化导致初级间质内移 初级间质细胞初级间质细胞与透明层及相邻裂球间的亲和力减小，而与透明层及相邻裂球间的亲和力减小，而与基质片层间的亲和力增加。而与基质片
13、层间的亲和力增加。而非间质细胞非间质细胞与透明层及与透明层及相邻裂球间的亲和力维持不变。相邻裂球间的亲和力维持不变。上海海洋大学 间质间质(非间质非间质)细胞与不同胚层细胞细胞与不同胚层细胞(胞外组分胞外组分)间的亲和力间的亲和力 细胞类型细胞类型 驱动力驱动力(in dynes)透明层透明层 原肠胚细胞层原肠胚细胞层 基膜基膜 16细胞阶段细胞阶段 小分裂球小分裂球 5.810-5 6.810-5 4.810-7 迁移阶段迁移阶段 间充质细胞间充质细胞 1.210-7 1.210-7 1.510-5 原肠胚原肠胚 外胚层和内胚层外胚层和内胚层 5.010-5 5.010-5 5.010-7
14、上海海洋大学 初级间质细胞内移初级间质细胞内移(扫描电镜扫描电镜)上海海洋大学 内移至囊胚腔的内移至囊胚腔的初级间质细胞初级间质细胞被大量被大量胞外片层物质胞外片层物质包绕，沿动、植物极轴分布的包绕，沿动、植物极轴分布的纤维纤维决定了间质细胞迁移决定了间质细胞迁移的方向。的方向。上海海洋大学 内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外基质包绕。内移至囊胚腔的初级间质细胞被大量胞外基质包绕。上海海洋大学 原肠作用过程中沿动植物极轴分布的原肠作用过程中沿动植物极轴分布的纤维纤维决定了初级间决定了初级间质细胞的质细胞的迁移方向迁移方向。上海海洋大学 囊胚腔胞外囊胚腔胞外基质纤维基质纤维与动植物极轴与动植物
15、极轴平行排平行排列列，最终与初级间质，最终与初级间质细胞发生联系。细胞发生联系。上海海洋大学 初级间质细胞的线状伪足。初级间质细胞的线状伪足。上海海洋大学 至少有三种蛋白可能在间质细胞迁移过程中起至少有三种蛋白可能在间质细胞迁移过程中起重要作用重要作用:包括囊胚腔壁基质片层组分包括囊胚腔壁基质片层组分纤连蛋白纤连蛋白(fibronectin)、间质细胞膜上的、间质细胞膜上的硫酸蛋白多糖硫酸蛋白多糖(sulfated proteoglycans)和囊胚腔细胞胞外基质和囊胚腔细胞胞外基质中只在原肠作用期表达的中只在原肠作用期表达的ECM18。上海海洋大学 初级间质细胞选择性地聚集在初级间质细胞选择
16、性地聚集在-连环蛋白连环蛋白(catenin)浓度浓度高的位置。高的位置。上海海洋大学 去除硫酸基去除硫酸基(sulfate deprivation)(B)对海胆初级间质细胞对海胆初级间质细胞运动的影响。运动的影响。上海海洋大学 早期原肠内陷早期原肠内陷 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，仍然留在植物植物极板上的细胞极板上的细胞移动填补由初级间质细胞内移而形成的空移动填补由初级间质细胞内移而形成的空隙，隙，植物极板植物极板进一步变进一步变扁平扁平。之后，植物极板向内弯曲、内陷。当植物极板内陷深及之后，植物极板向内弯曲、内陷。当植物极板内陷深及囊胚腔的囊胚腔的1/41/2时，内陷突然停止。所陷入的部分称时，内陷突然停止。所陷入的部分称为为原肠原肠(archenteron or primitive gut)，而原肠在植物极，而原肠在植物极的开口称为的开口称为胚孔胚孔(blastopore)。上海海洋大学 植物极内陷的双金属片模型植物极内陷的双金属片模型(A)透明层透明层由内、外两个片层组成。由植物极板细胞伸出的微绒毛插入透明层中；植由内、外两个